一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电励磁双凸极电机控制技术领域，具体设及一种电励磁双凸极电机不 对称电流控制方法。
【背景技术】
[0002] 1955年，RauchheJohnson首次提出双凸极电机的概念。然而，受限于当时永磁 材料磁能积太低的问题，该类电机功率密度低、体积重量大，无法在实际中得到真正应用。 1992年，电机专家T.A.Lipo在开关磁阻电机的基础上提出了永磁双凸极电机值oubly Slient化rmanent-magentmachine,DSPM)，南京航空航天大学于1998年提出了电励磁双 凸极电机（Wound-fieldDoublySalientMachine,W抑SM)。双凸极电机结构简单、坚固，具 有可靠性高、成本低、效率高等优点，既可W用做发电机又可W用做电动机，在航空、发电、 工业等领域得到广泛应用。
[0003] 传统的双凸极电机遵循在"电感上升区通正电，电感下降区通负电"的控制策略， 每一时刻保持两相同时导通，由导通的两相同时出力。电机的控制方式主要采用角度位移 控制，在合适的角度位置处控制开关管的开关实现电机每相的导通与关断，而且不同的开 关角度对电机具有一定性能影响，针对该一特点，在传统标准角控制度的基础上，又发展出 =相六拍，=相九拍等控制方式。双凸极电机具有较多的极对数，其外围功率电路的开关管 数目较多、开关频率较高，因此存在很大的开关损耗，降低了电机的效率。同时由于双凸极 电机存在较大的转矩脉动，使得电机存在很大的噪声，限制了其应用。为了解决上述问题， 可W在双凸极电机运行中采取相应的控制策略进行调节。
[0004]目前，双凸极电机的控制方式主要是角度位移控制，该控制方式可W提高双凸极 电机在中等转速条件下的转矩，但是有电机的动态响应较慢、调速范围较窄、电机效率低、 电机的转矩脉动较大等缺点，尚不能很精确地控制电机。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，旨在减小电 机的转矩脉动，使得电机在相同输入电流条件下具有更大的输出转矩，提高电机的转矩电 流比，提高双凸极电机的效率，同时消除了电机换相期间相间环流的影响，提高控制的可靠 性。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] -种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，包括主功率电路和控制电路；
[0008] 所述主功率电路包括电励磁双凸极电机和全桥电路，其中，所述电励磁双凸极电 机包括四相，每一相由一个全桥电路控制；
[0009] 所述控制电路包括控制器、位置传感器和电流传感器，所述位置传感器、电流传感 器分别采集位置信息和电流信息，发送至控制器。
[0010] 所述控制器采用数字信号处理器和可编程逻辑器件，所述位置传感器采用霍尔传 感器，电流传感器采用霍尔电流传感器。
[0011] 所述全桥电路包括两条开关管支路，每条支路均包括一个上管和一个下管，其中 一条开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端，另一条开关管支 路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端；各支路上管的负极相连且连接 到电源正极，各支路下管的正极相连且连接到电源负极。
[0012] 一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，该方法包括如下步骤：
[0013]步骤1，利用位置传感器采集电励磁双凸极电机转子的位置信号，采用电流传感器 和四相电流采样电路将采集的励磁双凸极电机的四相输入电流，经过AD模块得到相电流 Ip;
[0014] 步骤2,将所述位置信号发送至控制器，得到励磁双凸极电机的实时转速n，将所 述实际转速n和给定转速n^f经过速度环得到励磁双凸极电机的实时转速差，进行PID调 节后得到有效输入电流参考值；
[0015] 步骤3,将步骤3中得到的有效输入电流参考值经电流幅值计算器计算得到的正 负半周相电流基准值Iuf+、Iuf_;
[0016] 步骤4,将采集到的相电流信号Ip分为两路，一路与负半周相电流基准值I,。,_相 减，另一路与正半周相电流基准值相减，得到的两路电流差输入到电流调节器，得到开 关管的驱动信号用于控制主功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半 周电流。
[0017] 步骤3具体指，采用"基于磁能积最大原则的算法"，电流幅值计算器根据电机有 效输入电流求得正负半周相电流幅值，所求的值作为电机双电流环正负相电流的基准值 Ire:f+、Iref-。
[001引步骤4具体指，将所述电流差经过滞环比较器得到阶跃信号，经过逻辑控制电路 得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到开关管的驱动信号用于控制功率电路输出的 驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。
[0019] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0020] 电励磁双凸极电机不对称电流控制系统采用转速-不对称电流环的双闭环系统， 不对称电流环有两个独立的电流环，当转速波动时，电机转速环利用转速反馈信号与给定 转速比较产生一个参考电流信号，送入电流幅值计算模块；电流幅值计算模块采用"基于磁 能积最大原则"的算法，根据电机转矩与电机电流的关系求得最优化的正负半周电流幅值， 最优正负半周电流幅值即给定的电流基准值。双电流环分别对电机正负半周相电流分别进 行调节，采样的电流与控制器给出的正负半周电流基准值进行比较，产生控制信号，控制逆 变桥电路对电机进行控制。
[0021] (1)采用新型的电机逆变电路可灵活方便地控制电机正负周相电流的幅值，可W 有效控制电机相电流，使得电机控制更加灵活。各相控制的相互独立性较高，易于实现容错 控制。
[0022] (2)新型的转速-双电流环的双闭环系统使得电机在相同的输入条件下具有更高 的输出转矩，提高了电机的效率，另外合理的电流控制可W减小电机的转矩脉动。
[002引 做控制系统对电机相电流的幅值进行控制，控制思路简单，将相电流有效值该一 参量引入双凸极电机的控制，丰富了双凸极电机的控制策略。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明电励磁双凸极电机不对称电流控制系统的总体结构图；
[0025] 图2是电枢功率电路图；
[0026] 图3是转速-不对称电流环闭环系统；
[0027] 图4是电励磁双凸极电机；
[002引图5是励磁双凸极电机的导通模态图；
[0029] 图6是励磁双凸极电机1]) -i曲线；
[0030] 图7是电机的磁化曲线。
【具体实施方式】
[0031] 本发明提供一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，为使本发明的 目的，技术方案及效果更加清楚，明确，W及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。 应当理解，此处所描述的具体实施仅用W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0033] 各附图中符号如表1说明：
[003'1
【主权项】
1. 一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于：包括主功率电路和控制 电路； 所述主功率电路包括电励磁双凸极电机和全桥电路，其中，所述电励磁双凸极电机包 括四相，每一相由一个全桥电路控制； 所述全桥电路连接电源与电励磁双凸极电机，所述位置传感器安装在电机轴端，随电 机同步转动，所述电流传感器安装在电机相绕组抽头处，检测电机的相电流，所述位置传感 器、电流传感器将采集的信号发送至控制电路； 所述控制电路包括控制器、位置传感器和电流传感器，所述位置传感器、电流传感器分 别采集位置信息和电流信息，发送至控制器。
2. 根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于： 所述控制器采用数字信号处理器和可编程逻辑器件，所述位置传感器采用霍尔传感器，电 流传感器采用霍尔电流传感器。
3. 根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于： 所述全桥电路包括两条开关管支路，每条支路均包括一个上管和一个下管，其中一条 开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端，另一条开关管支路上 管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端；各支路上管的负极相连且连接到电 源正极，各支路下管的正极相连且连接到电源负极。
4. 一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： 步骤1，利用位置传感器采集电励磁双凸极电机转子的位置信号，采用电流传感器和四 相电流采样电路将采集的励磁双凸极电机的四相输入电流，经过AD模块得到相电流Ip; 步骤2,将所述位置信号发送至控制器，得到励磁双凸极电机的实时转速n，将所述实 际转速n和给定转速经过速度环得到励磁双凸极电机的实时转速差，进行PID调节后 得到电机有效输入电流值； 步骤3,将步骤2中得到的电机有效输入电流值经电流幅值计算器计算得到的正负半 周相电流基准值1^+、 步骤4,将采集到的相电流信号15分为两路，一路与负半周相电流基准值I 相减，另 一路与正半周相电流基准值IM/+相减，得到的两路电流差输入到电流调节器，得到开关管 的驱动信号用于控制主功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电 流。
5. 根据权利要求4所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于： 步骤3具体指，采用"基于磁能积最大原则的算法"，电流幅值计算器根据电机有效输入电 流求得正负半周相电流幅值，所求的值作为电机双电流环正负相电流的基准值I M/+、仁#。
6. 根据权利要求4所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于： 步骤4具体指，将所述实时电流差经过滞环比较器得到阶跃信号，经过逻辑控制电路得到 激励信号，将激励信号经过隔离电路得到开关管的驱动信号用于控制功率电路输出的驱动 电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。
【专利摘要】本发明公布了一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，该系统采用新型的功率控制电路拓扑，电机每一相由一个单独的全桥控制，由四个功率开关管组成，可以实现对电机相电流正负幅值的单独控制，系统采用转速-不对称电流环的闭环系统，转速环产生一个参考电流信号，送入电流幅值计算模块，电流幅值计算模块采用“基于磁能积最大原则”的算法求得最优化的正负半周电流基准值，采样的电流与控制器给出的正负半周电流基准值进行比较，产生控制信号，控制逆变桥电路对电机进行控制。本发明可提高电机的转矩电流比和效率，减小转矩脉动，提高控制的可靠性。
【IPC分类】H02P6-10, H02P6-06, H02P6-16
【公开号】CN104811100
【申请号】CN201510149923
【发明人】于晓飞, 陈志辉, 王波
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月31日