CN113824359A - 一种双凸极电机提前角自寻优控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凸极电机提前角自寻优控制方法，采用固定步长依次对双凸极电机驱动系统的提前角进行扰动，在每一次扰动后，通过三相电枢电流反馈值以及位置角度计算电枢电流包围的面积。由于双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，包围的面积越大，则代表该提前角下双凸极电机的输出转矩越大；反之，包围的面积越小，则代表该提前角下双凸极电机的输出转矩越小。然后对不同提前角下的输出转矩进行比较和排序，自动寻优得到最大输出转矩对应的提前角。将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。本发明还公开了一种双凸极电机提前角自寻优控制系统，本发明全局范围内自动寻优获得使双凸极电机工作在最大输出转矩的提前角。

Description

一种双凸极电机提前角自寻优控制方法及系统

技术领域

本发明涉及双凸极电机驱动控制领域，特别是一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法及系统。

背景技术

双凸极电机(DSEM)具有结构简单坚固、成本低、励磁可调、可靠性高等优点，能适应高温等恶劣环境，所以，DSEM适合应用于航空电源、工业驱动等领域，且具有向高速化发展独特的潜在优势和广阔的应用前景。双凸极电机在中高速运行时，通常采用提前角度控制方法，通过提前开通和关断DC/AC逆变器中的功率管增大电枢电流的有效值，从而提高电机的输出转矩。提前角度的取值对电机输出转矩有着重要的影响，提前角度过小或者过大都会造成输出转矩下降。然而，目前缺少方便快捷的提前角度选取方法，通常根据大量的有限元仿真分析结果选取，该方法工作量大，耗时长，且一旦工作条件变化，则所选取的提前角度不再适用。另外，仿真与实际的试验存在差异，所选提前角度可能无法使电机工作在最大输出转矩。

为了解决上述问题，IEEE Transactions on Power Electronics期刊于2020年第35卷第9期论文《Multidomain Analysis and nth-Order Synchronous Reference VectorAdaptive Control of the Doubly Salient Motor》基于傅里叶分析方法建立了双凸极电机转矩频域表达式，然后基于转矩电流比来选取提前角的方法。然而，该方法采用了谐波检测算法循环检测各相电枢电流的基波和各次谐波的幅值、相位。整个提前角优选过程要进行大量的三角函数计算，因此需要大量的内存，且计算时间长。中国发明专利：授权号：CN10803984 B提出了一种双凸极驱动系统的提前角自适应控制方法和系统，根据提前角区间内的最大反馈电流与电流参考值偏差来自适应调节下一电周期的提前角度。该方法无法优选出双凸极电机输出转矩最大时对应的提前角。另外，其提前角的变化增益由电枢电流变化速度决定，在系统出现扰动情况下，该增益可能出现过大调制的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法及系统，本发明具有方法合理、实现方便、通用性好、提高电机输出转矩等诸多优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，

首先，采用固定步长依次对双凸极电机驱动系统的提前角进行扰动，在每一次扰动后，通过三相电枢电流以及位置角度计算电枢电流包围的面积；

根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系；然后对不同提前角下的输出转矩进行比较和排序，自动寻优得到最大输出转矩对应的提前角；

最后，将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角；从而实现在全局范围内自动寻优获得使双凸极电机工作在最大输出转矩的提前角。

作为本发明所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法进一步优化方案，

双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系如下：

其中，T_e为双凸极电机输出转矩，∝为正比于，k₁，k₂分别为一个换相周期内A相电枢电流和B相电枢电流在非提前角区域的变化率，k₃，k₄分别为一个换相周期内C相电枢电流在提前角区域不同区间的变化率，I₀为换相周期初始时刻的电流值，I_ref为双凸极电机驱动系统电枢电流参考值。

作为本发明所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法进一步优化方案，具体步骤如下：

步骤S1、设定双凸极电机驱动系统的提前角α、β初始值；α为DC/AC逆变器上功率管开通或关断时相对于标准换相点的提前角度；β为DC/AC逆变器下功率管开通或关断时相对上功率管的提前角度；

步骤S2、对双凸极电机驱动系统的提前角α+β进行固定步长的扰动；

步骤S3、检测换相周期初始时刻电流值I₀；

步骤S4、检测三相电枢电流和转子位置角θ计算得到k₁、k₂、k₃、k₄；根据公式(1)中

计算电枢电流包围的面积；

步骤S5、判断步骤S2中的提前角是否处于预设的扰动范围[0,(α+β)_max]，(α+β)_max为提前角的上限值，若是则继续扰动并重复执行步骤S2～S4，若否则停止扰动；

步骤S6、对步骤S4中不同提前角下的电枢电流包围的面积大小进行比较和排序，根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，自动寻优得到输出转矩最大对应的提前角；最后，将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

作为本发明所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法进一步优化方案，提前角之间的关系有α＝β＝(α+β)/2。

作为本发明所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法进一步优化方案，通过设置数字控制器的采样点，在一个换相周期内，保证有足够的采样点来采集电枢电流的数值；然后，通过电枢电流采样值以及相应的采样时间间隔来计算电枢电流的斜率k₁、k₂、k₃、k₄.

一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法的系统，包括转速调节器、电流调节器、逆变器驱动器、直流电源、DC/AC逆变器、双凸极电机DSEM、旋转变压器、位置解码器、输出转矩估算器、提前角扰动控制器以及反馈电流计算模块；其中，

转速调节器，用于输出电枢电流参考值；

电流调节器，用于根据反馈电流与电枢电流参考值的偏差，得到电流斩波信号并将其输出至逆变器驱动器；

逆变器驱动器，用于根据提前角、角度控制策略的换相逻辑和电流斩波信号得到通断控制信号，通断控制信号对DC/AC逆变器的功率管进行驱动；

直流电源为DC/AC逆变器输入直流电压；

旋转变压器，用于检测转子位置信息并将其输出至位置解码器；

位置解码器，用于根据旋转变压器检测到的转子位置信息，得到转子转速，将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速调节器的输入；

反馈电流计算模块，用于根据双凸极电机DSEM的三相电枢电流值计算当前反馈电流；

输出转矩估算器，用于在当前提前角下，根据三相电枢电流值、转子位置信息和电枢电流参考值计算电枢电流包围的面积，并输出此时的提前角至提前角扰动控制器；提前角扰动控制器用于判断接收的提前角是否处于预设的扰动范围，若是则继续扰动，若否则停止扰动；每扰动一次提前角就改变一次，当停止扰动，输出转矩估算器对不同提前角下的电枢电流包围的面积大小进行比较和排序，根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，自动寻优得到输出转矩最大对应的提前角，并将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角；

提前角扰动控制器，用于给逆变器驱动器输出固定步长扰动的提前角，自动寻优得到输出转矩最大时对应的提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)在本发明中，能够根据双凸极电机的工作条件自动寻找最佳提前角以实现最大输出转矩，不需要通过大量的有限元仿真结果来选取提前角，并且该提前角为全局最优；

(2)在本发明中，输出转矩大小通过电枢电流包围面积间接估算得到，整个运算过程只有加减乘除等简单计算，没有三角函数计算，因此不需要大量的计算内存；

(3)在本发明中，提前角的控制以增大输出转矩为目标，电机输出转矩大。

附图说明

图1为双凸极电机驱动系统DC/AC逆变器电路拓扑图。

图2为本发明所涉及双凸极电机采用提前角控制时功率管的驱动逻辑图。

图3为本发明所涉及电枢电流包围面积图形。

图4为本发明所涉及的基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制框图。

图5为本发明所涉及的基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制的流程图。

图6为采用本发明所涉及的基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制技术与传统的固定提前角控制技术的输出转矩对比仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

附图1为双凸极电机驱动系统DC/AC逆变器电路拓扑图。S₁～S₆为逆变器的功率管，主要用于双凸极电机斩波和换相。

附图2为双凸极电机采用提前角控制时功率管的驱动逻辑图。提前角控制的基本思想如下：任意时刻总有DC/AC逆变器的功率管相对于标准换相点提前一定的角度开通和关断。图中，横坐标为转子位置对应的电角度，范围为[0，360°]，电角度为0°，120°，240°的转子位置称为标准换相点位置；L_af，L_bf，L_cf分别为三相电枢绕组与励磁绕组之间互感的简化波形；V_S1～V_S6分别为DC/AC逆变器的功率管S₁～S₆的驱动逻辑波形。

附图3为本发明所涉及电枢电流包围面积图形，双凸极电机输出转矩正比于的电枢电流包围面积，由附图3可以建立如下关系式：

其中，T_e为双凸极电机输出转矩，k₁，k₂分别为一个换相周期内A相电枢电流和B相电枢电流在非提前角区域的变化率，k₃，k₄分别为一个换相周期内C相电枢电流在提前角区域不同区间的变化率，I₀为换相周期初始时刻的电流值，I_ref为双凸极电机驱动系统电枢电流参考值。

附图4为本发明所涉及一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制系统，包括转速调节器、电流调节器、逆变器驱动器、直流电源、DC/AC逆变器、双凸极电机DSEM、旋转变压器、位置解码器、输出转矩估算器、提前角扰动控制器以及反馈电流计算模块；

其中，转速调节器的输出作为电枢电流参考值；电流调节器根据反馈电流与电枢电流参考值的偏差，得到电流斩波信号；逆变器驱动器根据提前角度值、角度控制策略的换相逻辑和电流斩波信号得到通断控制信号，通断控制信号对DC/AC逆变器的功率管进行驱动；直流电源为DC/AC逆变器输入直流电压；旋转变压器检测转子位置信息，位置解码器根据旋转变压器检测到的转子位置信息，得到转子转速，将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速调节器的输入；输出转矩估算器根据三相电枢电流值、转子位置信息和电枢电流参考值计算电枢电流包围的面积，进一步根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，对不同提前角下的输出转矩大小进行比较与排序；反馈电流计算模块根据三相电枢电流值计算当前反馈电流；提前角扰动控制器给逆变器驱动器输出固定步长扰动的提前角，自动寻优得到输出转矩最大时对应的提前角，并将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

附图5为本发明所涉及的基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制的流程图，可以看到本发明的基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制具体步骤包括：

S1：设定双凸极电机驱动系统的提前角α，β初始值；

S2：对双凸极电机驱动系统的提前角α+β进行固定步长的扰动；

S3：检测换相周期初始时刻电流值I₀；

S4：检测三相电枢电流和转子位置角θ计算得到k₁、k₂、k₃、k₄。根据公式(1)中

计算电枢电流包围的面积。

S5：判断步骤S2中的提前角是否处于预设的扰动范围[0,(α+β)_max]，若是则继续扰动并重复执行步骤S2～S4，每扰动一次提前角就变一次，若否则停止扰动；

S6：对步骤S4中不同提前角下的电枢电流包围面积大小进行比较和排序，根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，自动寻优得到输出转矩最大对应的提前角；最后，将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

通过合理设置数字控制器的采样点，在一个换相周期内，保证有足够的采样点来采集电枢电流的数值。然后，通过电枢电流采样值以及相应的采样时间间隔来计算电枢电流的斜率k₁、k₂、k₃、k₄。

为了将提前角α+β控制在合理范围内，提前角的扰动范围预设有上限值(α+β)_max；

为了提高双凸极输出转矩，提前角之间的关系有α＝β＝(α+β)/2；

附图6为采用本发明所涉及扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制技术与传统的固定提前角控制技术的输出转矩对比仿真结果图。仿真条件如下：直流母线电压为100V，电机转速为10000rpm，电流参考值为40A，可见，采用本发明所涉及扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制技术下，双凸极电机驱动系统输出转矩相比传统方法输出转矩大，且转矩脉动小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，其特征在于，

首先，采用固定步长依次对双凸极电机驱动系统的提前角进行扰动，在每一次扰动后，通过三相电枢电流以及位置角度计算电枢电流包围的面积；

根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系；然后对不同提前角下的输出转矩进行比较和排序，自动寻优得到最大输出转矩对应的提前角；

最后，将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角；从而实现在全局范围内自动寻优获得使双凸极电机工作在最大输出转矩的提前角。

2.根据权利要求1所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，其特征在于，

双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系如下：

其中，T_e为双凸极电机输出转矩，∝为正比于，k₁，k₂分别为一个换相周期内A相电枢电流和B相电枢电流在非提前角区域的变化率，k₃，k₄分别为一个换相周期内C相电枢电流在提前角区域不同区间的变化率，I₀为换相周期初始时刻的电流值，I_ref为双凸极电机驱动系统电枢电流参考值。

3.根据权利要求2所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1、设定双凸极电机驱动系统的提前角α、β初始值；α为DC/AC逆变器上功率管开通或关断时相对于标准换相点的提前角度；β为DC/AC逆变器下功率管开通或关断时相对上功率管的提前角度；

步骤S2、对双凸极电机驱动系统的提前角α+β进行固定步长的扰动；

步骤S3、检测换相周期初始时刻电流值I₀；

步骤S4、检测三相电枢电流和转子位置角θ计算得到k₁、k₂、k₃、k₄；根据公式(1)中

计算电枢电流包围的面积；

步骤S5、判断步骤S2中的提前角是否处于预设的扰动范围[0,(α+β)_max]，(α+β)_max为提前角的上限值，若是则继续扰动并重复执行步骤S2～S4，若否则停止扰动；

步骤S6、对步骤S4中不同提前角下的电枢电流包围的面积大小进行比较和排序，根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，自动寻优得到输出转矩最大对应的提前角；最后，将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

4.根据权利要求2所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，其特征在于，提前角之间的关系有α＝β＝(α+β)/2。

5.根据权利要求2所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法，其特征在于，通过设置数字控制器的采样点，在一个换相周期内，保证有足够的采样点来采集电枢电流的数值；然后，通过电枢电流采样值以及相应的采样时间间隔来计算电枢电流的斜率k₁、k₂、k₃、k₄。

6.基于权利要求2所述的一种基于扰动观察法的双凸极电机提前角自寻优控制方法的系统，其特征在于，包括转速调节器、电流调节器、逆变器驱动器、直流电源、DC/AC逆变器、双凸极电机DSEM、旋转变压器、位置解码器、输出转矩估算器、提前角扰动控制器以及反馈电流计算模块；其中，

转速调节器，用于输出电枢电流参考值；

电流调节器，用于根据反馈电流与电枢电流参考值的偏差，得到电流斩波信号并将其输出至逆变器驱动器；

逆变器驱动器，用于根据提前角、角度控制策略的换相逻辑和电流斩波信号得到通断控制信号，通断控制信号对DC/AC逆变器的功率管进行驱动；

直流电源为DC/AC逆变器输入直流电压；

旋转变压器，用于检测转子位置信息并将其输出至位置解码器；

位置解码器，用于根据旋转变压器检测到的转子位置信息，得到转子转速，将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速调节器的输入；

反馈电流计算模块，用于根据双凸极电机DSEM的三相电枢电流值计算当前反馈电流；

输出转矩估算器，用于在当前提前角下，根据三相电枢电流值、转子位置信息和电枢电流参考值计算电枢电流包围的面积，并输出此时的提前角至提前角扰动控制器；提前角扰动控制器用于判断接收的提前角是否处于预设的扰动范围，若是则继续扰动，若否则停止扰动；每扰动一次提前角就改变一次，当停止扰动，输出转矩估算器对不同提前角下的电枢电流包围的面积大小进行比较和排序，根据双凸极电机输出转矩正比于电枢电流包围面积的关系，自动寻优得到输出转矩最大对应的提前角，并将该提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角；

提前角扰动控制器，用于给逆变器驱动器输出固定步长扰动的提前角，自动寻优得到输出转矩最大时对应的提前角作为双凸极电机驱动系统的最终提前角。

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