一种抑制电机不平衡负载下转矩脉动的控制方法及系统与流程

本发明属于于电机控制技术领域，特别涉及一种盘式双转子对转永磁同步电机，具体涉及一种抑制盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下转矩脉动的控制方法及系统。

背景技术：

我国是一个陆地大国，也是一个有着1.8万公里长海岸线的海洋大国，海洋对于我国有着非常重要的经济意义和军事意义。党的十八大报告明确提出了我国“海洋强国”的发展战略，指出要“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，海洋战略也已经上升为我国的国家战略。海洋的开发利用和海洋权益的维护需要先进的海洋工程装备和武器装备。然而，我国海洋装备的技术水平还不高，我国海洋开发和海洋高技术水平总体比发达国家还落后10～15年。海洋科技成果产业化水平低，自主创新能力较差，科技贡献率只有30％，相比而言，发达国家科技进步因素在海洋经济发展中的贡献率达到80％左右。2011年8月，中国发布了《海洋工程装备产业创新发展战略(2011-2020)》，明确提出了“海洋工程装备产业是开发利用海洋资源的物质和技术基础”，提出““十三五”期间，加快发展新型海洋工程装备，开展前瞻性海洋工程装备技术研究。”

海洋装备如水下航行器、轮船等的对转螺旋桨永磁电机驱动系统采用一种盘式双转子对转永磁同步电机，盘式双转子对转永磁同步电机采用盘式结构，只有一个定子和一套定子绕组，定子绕组采用两相交叉环绕方式绕制于定子铁芯上，两个盘式永磁转子在机械上相互独立，对称分布于定子两侧，用“三明治”的形式将盘式定子夹在中间，定子绕组中通入对称三相电流后，定子两侧产生方向相反、速度相同的旋转磁场，从而吸引转子按相反的方向同步旋转，两个转子通过轴承固定在基座上，以内外嵌套轴输出，驱动两个螺旋桨反向旋转。这种新型电机极大的减小了设备的体积和重量，提高了工作效率，能很好的满足节能和调速的要求，有着优越的运行性能，因此，在水下航行器和飞行器领域有着很好的应用前景。

盘式双转子对转永磁同步电机的控制研究还处于起步阶段，目前，在该电机两边负载不平衡状态下实现可靠运行的控制方法都是采用基于传统动态主-从控制方法(主-从控制方法中，主控制转子是需要控制的，从控制转子是不需要控制的；实时比较两个转子的状态，实时切换主控制转子与从控制转子，故称为动态主-从控制)，但是该方法也存在转矩脉动大、转速波动大等问题，尤其是在负载不平衡严重的情况下，气息磁场畸变严重，转子上会出现更加大的转矩脉动。因此，对盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载运行情况下的转矩脉动进行抑制具有重要的实际意义。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种抑制盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下转矩脉动的控制方法及系统，不仅能够实现盘式双转子对转电机不平衡负载下稳定运行而且能够有效抑制转子上的转矩脉动。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种抑制电机不平衡负载下转矩脉动的控制方法，所述电机为盘式双转子对转永磁同步电机，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、基于传统动态主-从控制方法计算电机动态主-从控制q轴调制电压uqref和d轴调制电压udref；

步骤2、采用傅里叶分析方法获取电机的实际电流在三相坐标系下的5次和7次谐波分量(主要谐波分量)，经过abc-dq坐标系转化并通过低通滤波得到d轴5次和7次谐波分量id5th和id7th，以及q轴5次和7次谐波分量iq5th和iq7th；

步骤3、将步骤2得到的各谐波分量分别与0比较后，经过交叉耦合pi调节模块得到d轴5次和7次谐波电压ud5th和ud7th，以及q轴5次和7次谐波电压uq5th和uq7th；

步骤4、将udref、ud5th和ud7th叠加得到d轴总的调制电压udref*；将uqref、uq5th和uq7th叠加得到q轴总的调制电压uqref*；即：

udref*＝ud7th+udref+ud5th

uqref*＝uq7th+uqref+uq5th

步骤5、将udref*和uqref*经过dq-αβ坐标变换并通过svpwm方式调制后，得到电机的控制信号(触发脉冲)。

进一步地，所述步骤1具体为：

1.1)检测电机第一转子和第二转子的位置和转速，根据传统动态主-从控制方法确定主控制转子的位置角θ和转速ω，从控制转子处于跟随状态；

1.2)将主控制转子的转速ω与实际工程所得参考转速ω*进行比较，其结果经过转速pi调节器得到q轴电流参考值iq*；

1.3)检测电机的实际电流ia、ib和ic，对其实际电流ia、ib和ic进行坐标变换得到实际q轴电流iq和实际d轴电流id；

1.4)将实际q轴电流iq与q轴电流参考值iq*进行比较，其结果经过q轴电流pi调节器得到电机动态主-从控制q轴调制电压uqref；

1.5)将实际d轴电流id与d轴电流参考值id*比较，其中id*给定为0，其结果经过d轴电流pi调节器得到电机动态主-从控制d轴调制电压udref。

进一步地，所述步骤1.2)中，转速pi调节器的比例系数kp1＝1.1，积分系数ki1＝85；步骤1.4)中，q轴电流pi调节器的比例系数kp2＝1.1，积分系数ki2＝85；步骤1.5)中，d轴电流pi调节器的比例系数kp3＝1.1，积分系数ki3＝85。

进一步地，所述步骤3具体为：

3.1)将id5th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出为ud5th；将iq5th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出uq5th：

ud5th＝(id5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))·rs+5ωld·(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))

uq5th＝(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))·rs-5ωld·(iq5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))

其中，1/s是积分因子，ω是主控制转子的转速(稳态时双转子同步角速度)，kp4和ki4是交叉耦合pi调节模块中d轴5次谐波pi控制器的比例和积分系数；kp5和ki5是交叉耦合pi调节模块中q轴5次谐波pi控制器的比例和积分系数；

3.2)将id7th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出ud7th；将iq7th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出uq7th：

ud7th＝(id7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))·rs+7ωld·(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))

uq7th＝(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))·rs-7ωld·(iq7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))

其中，1/s是积分因子，ω是主控制转子的转速，kp6和ki6是交叉耦合pi调节模块中d轴7次谐波pi控制器的比例和积分系数；kp7和ki7是交叉耦合pi调节模块中q轴7次谐波pi控制器的比例和积分系数。

进一步地，所述步骤3.1)中，kp4＝0.8，ki4＝400，kp5＝0.8，ki5＝100；步骤3.2)中，kp6＝0.8，ki6＝100，kp7＝0.8，ki7＝100。

本发明还提供了一种抑制电机不平衡负载下转矩脉动的控制系统，所述电机为盘式双转子对转永磁同步电机，包括两个旋转变压器、选择模块、三相电流互感器、2个abc-dq坐标变换模块、7个比较器、转速pi调节器、q轴电流pi调节器、d轴电流pi调节器、谐波电流提取模块、低通滤波模块、交叉耦合pi调节模块、2个加法器、dq-αβ坐标变换模块、svpwm调制模块；

两个旋转变压器检测电机第一转子和第二转子的位置和转速，输入选择模块；选择模块采用传统动态主-从控制方法比较两个转子的状态，确定主控制转子，并得到主控制转子的位置角θ和转速ω；

所述三相电流互感器用于检测电机的实际电流ia、ib和ic；

第一abc-dq坐标变换模块将电机的实际电流ia、ib和ic进行坐标变换得到实际q轴电流iq和实际d轴电流id；

第一比较器将主控制转子的转速ω与实际工程所得参考转速ω*进行比较，其结果经过转速pi调节器得到q轴电流参考值iq*；第二比较器将实际q轴电流iq与q轴电流参考值iq*进行比较，其结果经过q轴电流pi调节器得到电机动态主-从控制q轴调制电压uqref；

第三比较器将实际d轴电流id与d轴电流参考值id*比较，其中id*给定为0，其结果经过d轴电流pi调节器得到电机动态主-从控制d轴调制电压udref；

谐波电流提取模块采用傅里叶分析方法获取电机的实际电流在三相坐标系下的5次和7次谐波分量；经过第二abc-dq坐标变换模块和低通滤波模块得到d轴5次和7次谐波分量id5th和id7th，以及q轴5次和7次谐波分量iq5th和iq7th；

第四～第七比较器分别将4个谐波分量与0比较后，输入交叉耦合pi调节模块得到d轴5次和7次谐波电压ud5th和ud7th，以及q轴5次和7次谐波电压uq5th和uq7th；

第一加法器将ud5th、ud7th和udref叠加得到d轴总的调制电压udref*；第二加法器将uq5th、uq7th和uqref叠加得到q轴总的调制电压uqref*；

dq-αβ坐标变换模块将udref*和uqref*进行坐标变换；其结果输入svpwm调制模块进行调制，得到电机的控制信号(触发脉冲)。

有益效果：

本发明不仅能够实现盘式双转子对转电机不平衡负载下稳定运行，还能够精准有效抑制盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下转矩脉动；具有以下优点：

1)采用直接注入的方法，简单可行，易于实现；保证盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下稳定运行；2)直接检测实际电流，计算谐波电压并叠加到参考电压，采用svpwm方式进行调制，能够精准、有效地对转矩脉动进行抑制。

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

附图说明

图1为盘式双转子对转永磁同步电机结构示意图；

图2为盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下转矩脉动抑制的整体控制框图；

图3为交叉耦合pi调节模块；

图4为未进行转矩脉动抑制时电机输出转矩和转速波形图；

图5为采用本发明控制方法时电机输出转矩和转矩波形图；

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是盘式双转子对转永磁同步电机结构示意图，电机采用盘式结构，两个永磁转子对称分布于定子两侧，在机械上相互独立，绕组采用两相交叉环绕方式绕制于定子铁芯上，只有一个定子和一套定子绕组，绕组中通入对称三相电流后，定子两侧产生方向相反旋转磁场，从而吸引转子按相反的方向旋转，两个转子通过轴承固定在基座上的，以内外嵌套轴输出，驱动两个螺旋桨反向旋转；

图2是盘式双转子对转永磁同步电机不平衡负载下转矩脉动抑制的整体控制框图。

检测盘式双转子对转永磁同步电机转子1、转子2的位置和转子1、转子2的转速，根据转子磁链定向主-从动态矢量控制确定主控制转子的位置角θ和转速ω，从控制转子处于跟随状态，转子转速ω与实际工程所得参考转速ω*比较后，经过转速pi调节器得到q轴电流参考值iq*,转速pi调节器的比例系数kp1＝1.1，积分系数ki1＝85；检测盘式双转子对转永磁同步电机的实际电流ia、ib、ic，经过abc-dq坐标系转化得到实际q轴电流iq和实际d轴电流id；实际q轴电流iq与q轴电流参考值iq*比较后，经过q轴电流pi调节器得到盘式双转子对转永磁同步电机运行q轴调制电压uqref，q轴电流pi调节器的比例系数kp2＝1.1，积分系数ki2＝85；实际d轴电流id与d轴电流参考值id*比较后，经过d轴电流pi调节器得到盘式双转子对转永磁同步电机运行d轴调制电压udref，d轴电流pi调节器的比例系数kp3＝1.1，积分系数ki3＝85；

采用傅里叶分析方法获取盘式双转子对转永磁同步电机的实际电流ia、ib、ic在三相坐标系下的5、7次谐波分量，经过abc-dq坐标系转化通过低通滤波得到d轴5次、7次谐波分量id5th、id7th和q轴5次、7次谐波分量iq5th、iq7th；

图3为交叉耦合pi调节模块示意图。将id5th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出为ud5th，将iq5th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出为uq5th，

ud5th＝(id5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))·rs+5ωld·(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))

uq5th＝(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))·rs-5ωld·(iq5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))

其中1/s是积分因子，ω是主控制转子的转速，kp4、ki4是交叉耦合pi调节模块中d轴五次谐波pi控制器的比例、积分系数，kp4＝0.8，ki4＝100，kp5、ki5是交叉耦合pi调节模块中q轴五次谐波pi控制器的比例、积分系数，kp5＝0.8，ki5＝100；

将id7th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出为ud7th，将iq7th与0比较后，通过交叉耦合pi调节模块输出为uq7th，

ud7th＝(id7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))·rs+7ωld·(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))

uq7th＝(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))·rs-7ωld·(iq7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))

其中1/s是积分因子，ω是主控制转子的转速，kp6、ki6是交叉耦合pi调节模块中d轴七次谐波pi控制器的比例、积分系数，kp6＝0.8，ki6＝100，kp7、ki7是交叉耦合pi调节模块中q轴七次谐波pi控制器的比例、积分系数，kp7＝0.8，ki7＝100；

设盘式双转子对转永磁同步电机总的调制电压d轴电压为udref*、q轴调制电压q轴电压为uqref*，则udref*和uqref*为：

udref*＝udref+ud5th+ud7th

uqref*＝uqref+uq5th+uq7th

将udref*和uqref*经过dq-αβ坐标变换并通过svpwm方式调制后得到盘式双转子对转永磁控制信号。

图4为未进行转矩脉动抑制时电机输出转矩和转速波形图，采用传统动态主-从控制策略。转子1负载为10n·m，转子2负载为8n·m，从图中可以看出，系统稳定可靠运行，转子转矩和转速都有比较大的脉动，其中转矩脉动更为突出。

图5为采用本发明控制方法时电机输出转矩和转矩波形图。转子1负载为10n·m，转子2负载为8n·m，从图中可以看出，系统稳定可靠运行，转子转矩和转速仍有一定的脉动，但脉动远比采用传统动态主-从控制策略脉动小。