一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電勵磁雙凸極電機控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種電勵磁雙凸極電機不 對稱電流控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1955年，RauchheJohnson首次提出雙凸極電機的概念。然而，受限于當(dāng)時永磁 材料磁能積太低的問題，該類電機功率密度低、體積重量大，無法在實際中得到真正應(yīng)用。 1992年，電機專家T.A.Lipo在開關(guān)磁阻電機的基礎(chǔ)上提出了永磁雙凸極電機值oubly Slient化rmanent-magentmachine,DSPM)，南京航空航天大學(xué)于1998年提出了電勵磁雙 凸極電機（Wound-fieldDoublySalientMachine,W抑SM)。雙凸極電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，具 有可靠性高、成本低、效率高等優(yōu)點，既可W用做發(fā)電機又可W用做電動機，在航空、發(fā)電、 工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)的雙凸極電機遵循在"電感上升區(qū)通正電，電感下降區(qū)通負(fù)電"的控制策略， 每一時刻保持兩相同時導(dǎo)通，由導(dǎo)通的兩相同時出力。電機的控制方式主要采用角度位移 控制，在合適的角度位置處控制開關(guān)管的開關(guān)實現(xiàn)電機每相的導(dǎo)通與關(guān)斷，而且不同的開 關(guān)角度對電機具有一定性能影響，針對該一特點，在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)角控制度的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出 =相六拍，=相九拍等控制方式。雙凸極電機具有較多的極對數(shù)，其外圍功率電路的開關(guān)管 數(shù)目較多、開關(guān)頻率較高，因此存在很大的開關(guān)損耗，降低了電機的效率。同時由于雙凸極 電機存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機存在很大的噪聲，限制了其應(yīng)用。為了解決上述問題， 可W在雙凸極電機運行中采取相應(yīng)的控制策略進行調(diào)節(jié)。
[0004]目前，雙凸極電機的控制方式主要是角度位移控制，該控制方式可W提高雙凸極 電機在中等轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)矩，但是有電機的動態(tài)響應(yīng)較慢、調(diào)速范圍較窄、電機效率低、 電機的轉(zhuǎn)矩脈動較大等缺點，尚不能很精確地控制電機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)及其方法，旨在減小電 機的轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機在相同輸入電流條件下具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機的轉(zhuǎn)矩電 流比，提高雙凸極電機的效率，同時消除了電機換相期間相間環(huán)流的影響，提高控制的可靠 性。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)，包括主功率電路和控制電路；
[0008] 所述主功率電路包括電勵磁雙凸極電機和全橋電路，其中，所述電勵磁雙凸極電 機包括四相，每一相由一個全橋電路控制；
[0009] 所述控制電路包括控制器、位置傳感器和電流傳感器，所述位置傳感器、電流傳感 器分別采集位置信息和電流信息，發(fā)送至控制器。
[0010] 所述控制器采用數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件，所述位置傳感器采用霍爾傳 感器，電流傳感器采用霍爾電流傳感器。
[0011] 所述全橋電路包括兩條開關(guān)管支路，每條支路均包括一個上管和一個下管，其中 一條開關(guān)管支路上管和下管的中間點連接電勵磁雙凸極電機一相的一端，另一條開關(guān)管支 路上管和下管的中間點連接電勵磁雙凸極電機一相的一端；各支路上管的負(fù)極相連且連接 到電源正極，各支路下管的正極相連且連接到電源負(fù)極。
[0012] 一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制方法，該方法包括如下步驟：
[0013]步驟1，利用位置傳感器采集電勵磁雙凸極電機轉(zhuǎn)子的位置信號，采用電流傳感器 和四相電流采樣電路將采集的勵磁雙凸極電機的四相輸入電流，經(jīng)過AD模塊得到相電流 Ip;
[0014] 步驟2,將所述位置信號發(fā)送至控制器，得到勵磁雙凸極電機的實時轉(zhuǎn)速n，將所 述實際轉(zhuǎn)速n和給定轉(zhuǎn)速n^f經(jīng)過速度環(huán)得到勵磁雙凸極電機的實時轉(zhuǎn)速差，進行PID調(diào) 節(jié)后得到有效輸入電流參考值；
[0015] 步驟3,將步驟3中得到的有效輸入電流參考值經(jīng)電流幅值計算器計算得到的正 負(fù)半周相電流基準(zhǔn)值Iuf+、Iuf_;
[0016] 步驟4,將采集到的相電流信號Ip分為兩路，一路與負(fù)半周相電流基準(zhǔn)值I,。,_相 減，另一路與正半周相電流基準(zhǔn)值相減，得到的兩路電流差輸入到電流調(diào)節(jié)器，得到開 關(guān)管的驅(qū)動信號用于控制主功率電路輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的正負(fù)半 周電流。
[0017] 步驟3具體指，采用"基于磁能積最大原則的算法"，電流幅值計算器根據(jù)電機有 效輸入電流求得正負(fù)半周相電流幅值，所求的值作為電機雙電流環(huán)正負(fù)相電流的基準(zhǔn)值 Ire:f+、Iref-。
[001引步驟4具體指，將所述電流差經(jīng)過滯環(huán)比較器得到階躍信號，經(jīng)過邏輯控制電路 得到激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到開關(guān)管的驅(qū)動信號用于控制功率電路輸出的 驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的正負(fù)半周電流。
[0019] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0020] 電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速-不對稱電流環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)， 不對稱電流環(huán)有兩個獨立的電流環(huán)，當(dāng)轉(zhuǎn)速波動時，電機轉(zhuǎn)速環(huán)利用轉(zhuǎn)速反饋信號與給定 轉(zhuǎn)速比較產(chǎn)生一個參考電流信號，送入電流幅值計算模塊；電流幅值計算模塊采用"基于磁 能積最大原則"的算法，根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩與電機電流的關(guān)系求得最優(yōu)化的正負(fù)半周電流幅值， 最優(yōu)正負(fù)半周電流幅值即給定的電流基準(zhǔn)值。雙電流環(huán)分別對電機正負(fù)半周相電流分別進 行調(diào)節(jié)，采樣的電流與控制器給出的正負(fù)半周電流基準(zhǔn)值進行比較，產(chǎn)生控制信號，控制逆 變橋電路對電機進行控制。
[0021] (1)采用新型的電機逆變電路可靈活方便地控制電機正負(fù)周相電流的幅值，可W 有效控制電機相電流，使得電機控制更加靈活。各相控制的相互獨立性較高，易于實現(xiàn)容錯 控制。
[0022] (2)新型的轉(zhuǎn)速-雙電流環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)使得電機在相同的輸入條件下具有更高 的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機的效率，另外合理的電流控制可W減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動。
[002引 做控制系統(tǒng)對電機相電流的幅值進行控制，控制思路簡單，將相電流有效值該一 參量引入雙凸極電機的控制，豐富了雙凸極電機的控制策略。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖2是電樞功率電路圖；
[0026] 圖3是轉(zhuǎn)速-不對稱電流環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)；
[0027] 圖4是電勵磁雙凸極電機；
[002引圖5是勵磁雙凸極電機的導(dǎo)通模態(tài)圖；
[0029] 圖6是勵磁雙凸極電機1]) -i曲線；
[0030] 圖7是電機的磁化曲線。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明提供一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)及其方法，為使本發(fā)明的 目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，W及參照附圖并舉實例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。 應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明：
[0033] 各附圖中符號如表1說明：
[003'1
【主權(quán)項】
1. 一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)，其特征在于：包括主功率電路和控制 電路； 所述主功率電路包括電勵磁雙凸極電機和全橋電路，其中，所述電勵磁雙凸極電機包 括四相，每一相由一個全橋電路控制； 所述全橋電路連接電源與電勵磁雙凸極電機，所述位置傳感器安裝在電機軸端，隨電 機同步轉(zhuǎn)動，所述電流傳感器安裝在電機相繞組抽頭處，檢測電機的相電流，所述位置傳感 器、電流傳感器將采集的信號發(fā)送至控制電路； 所述控制電路包括控制器、位置傳感器和電流傳感器，所述位置傳感器、電流傳感器分 別采集位置信息和電流信息，發(fā)送至控制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述控制器采用數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件，所述位置傳感器采用霍爾傳感器，電 流傳感器采用霍爾電流傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述全橋電路包括兩條開關(guān)管支路，每條支路均包括一個上管和一個下管，其中一條 開關(guān)管支路上管和下管的中間點連接電勵磁雙凸極電機一相的一端，另一條開關(guān)管支路上 管和下管的中間點連接電勵磁雙凸極電機一相的一端；各支路上管的負(fù)極相連且連接到電 源正極，各支路下管的正極相連且連接到電源負(fù)極。
4. 一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制方法，其特征在于：該方法包括如下步驟： 步驟1，利用位置傳感器采集電勵磁雙凸極電機轉(zhuǎn)子的位置信號，采用電流傳感器和四 相電流采樣電路將采集的勵磁雙凸極電機的四相輸入電流，經(jīng)過AD模塊得到相電流Ip; 步驟2,將所述位置信號發(fā)送至控制器，得到勵磁雙凸極電機的實時轉(zhuǎn)速n，將所述實 際轉(zhuǎn)速n和給定轉(zhuǎn)速經(jīng)過速度環(huán)得到勵磁雙凸極電機的實時轉(zhuǎn)速差，進行PID調(diào)節(jié)后 得到電機有效輸入電流值； 步驟3,將步驟2中得到的電機有效輸入電流值經(jīng)電流幅值計算器計算得到的正負(fù)半 周相電流基準(zhǔn)值1^+、 步驟4,將采集到的相電流信號15分為兩路，一路與負(fù)半周相電流基準(zhǔn)值I 相減，另 一路與正半周相電流基準(zhǔn)值IM/+相減，得到的兩路電流差輸入到電流調(diào)節(jié)器，得到開關(guān)管 的驅(qū)動信號用于控制主功率電路輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的正負(fù)半周電 流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制方法，其特征在于： 步驟3具體指，采用"基于磁能積最大原則的算法"，電流幅值計算器根據(jù)電機有效輸入電 流求得正負(fù)半周相電流幅值，所求的值作為電機雙電流環(huán)正負(fù)相電流的基準(zhǔn)值I M/+、仁#。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制方法，其特征在于： 步驟4具體指，將所述實時電流差經(jīng)過滯環(huán)比較器得到階躍信號，經(jīng)過邏輯控制電路得到 激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到開關(guān)管的驅(qū)動信號用于控制功率電路輸出的驅(qū)動 電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機的正負(fù)半周電流。
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種電勵磁雙凸極電機不對稱電流控制系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)采用新型的功率控制電路拓?fù)?，電機每一相由一個單獨的全橋控制，由四個功率開關(guān)管組成，可以實現(xiàn)對電機相電流正負(fù)幅值的單獨控制，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速-不對稱電流環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)產(chǎn)生一個參考電流信號，送入電流幅值計算模塊，電流幅值計算模塊采用“基于磁能積最大原則”的算法求得最優(yōu)化的正負(fù)半周電流基準(zhǔn)值，采樣的電流與控制器給出的正負(fù)半周電流基準(zhǔn)值進行比較，產(chǎn)生控制信號，控制逆變橋電路對電機進行控制。本發(fā)明可提高電機的轉(zhuǎn)矩電流比和效率，減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高控制的可靠性。
【IPC分類】H02P6-10, H02P6-06, H02P6-16
【公開號】CN104811100
【申請?zhí)枴緾N201510149923
【發(fā)明人】于曉飛, 陳志輝, 王波
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月31日