一种基于主动式MTPA策略的类磁阻式反凸极容错电机及其驱动、设计方法

本发明属于电机及其智能化控制，涉及一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机及其驱动、设计方法。

背景技术：

1、现代机械制造、交通运输、航空航天、农业生产及家用电器等领域对高可靠强容错电机有着迫切的需求。反凸极永磁容错电机，具有高转矩输出、高效率、宽调速范围和较强的容错运行能力。该类电机通过特殊的定转子结构实现了容错能力与反凸极特性(直轴电感大于交轴电感，即ld＞lq)，使得电机获得了较强的无传感器运行能力。对于永磁同步电机，高凸极率能带来高功率密度以及较高的磁阻转矩分量，而提高磁阻转矩利用率能够进一步增加电机的输出转矩，减少电机对永磁体的依赖。然而，反凸极永磁容错电机由于采用集中绕组，凸极率往往较低，导致电机磁阻转矩分量低，交叉耦合及饱和效应明显，调速范围窄。同时，电机的转子通常采用对称结构，磁阻转矩利用率很低，导致输出转矩受限。这大大限制了该类电机的应用场合。

2、为克服电机凸极率较低的问题，相关研究采用如设置分布绕组与多层磁障的方式。其中，中国发明专利cn111654124b提出了一种改进的槽极配合关系，实现了较高的凸极率。然而，这些方式皆应用于传统正凸极(lq＞ld)电机，对于反凸极容错电机，容错特性限制了电机的绕组形式，反凸极特性对于转子结构也有不同要求，因此无法直接沿用现有提高凸极率的方式。此外，为克服磁阻转矩利用率低的问题，相关研究提出采用如设置不对称磁障与聚磁结构的方式。其中，中国发明专利cn115395691a提出了一种永磁体偏置的转子结构，提升了磁阻转矩的利用率。但是，对于反凸极容错电机，反凸极特性的实现限制了永磁体与磁障的位置，现有应用于正凸极(lq＞ld)电机中提高磁阻转矩利用率的方式仍需进一步探索和改进。

3、另一方面，从控制角度，为充分利用电机的磁阻转矩，提高电机的转矩输出性能，一般采用基于虚拟信号注入的mtpa(vsi-mtpa)控制策略。然而，传统vsi-mtpa控制策略应用于正凸极电机中，未考虑电机交叉耦合及饱和效应的影响，导致mtpa控制精度受运行工况影响较大。并且，反凸极电机具有的反凸极特性使其与传统正凸极电机在vsi-mtpa控制上运行轨迹所在象限以及d轴电流的正负均不同。亟待提出一种适用于反凸极电机的高精度vsi-mtpa控制策略。

4、因此，亟待从电机设计与控制两方面，克服反凸极永磁容错电机反凸极率与磁阻转矩利用率低的问题，以降低交叉耦合及饱和效应的影响，提高电机的转矩输出能力。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机及其驱动、设计方法，将vsi-mtpa控制精度提前考虑到设计阶段，从电机设计与控制两方面，克服反凸极永磁容错电机反凸极率与磁阻转矩利用率低的问题，以降低交叉耦合及饱和效应的影响，提高电机的转矩输出能力。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机驱动系统。包括：五相类磁阻式反凸极容错电机(1)、park变换模块(2)、基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制模块(3)、pi控制器(4)、反park变换模块(5)、svpwm模块(6)及逆变器模块(7)。具体包括以下步骤：

3、步骤1)，设计一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，通过在设计阶段统筹考虑vsi-mtpa控制精度，以获取良好的mtpa控制精度及容错性能；

4、步骤2)，为充分发挥所述步骤1)中类磁阻式反凸极容错电机优越的mtpa控制精度，提出相应的最优电流矢量角与基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制策略，进一步提升mtpa控制驱动系统的动稳态性能；

5、步骤3)，基于所述步骤1)中新型基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机和步骤2)中mtpa控制方法，构建五相类磁阻式反凸极容错电机mtpa驱动控制系统。

6、进一步，所述步骤1)中，一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，其特征在于：所述电机由内向外依次包括转轴(8)、转子(9)、定子(10)；所述定子由定子轭(20)、电枢齿(12)、定子槽(18)、容错齿(13)组成；沿定子(10)内圆周方向间隔均匀分布电枢齿(12)和容错齿(13)，所述电枢齿(12)上绕有电枢绕组(11)，电枢绕组(11)不完全充满定子槽(18)，两相邻的电枢绕组(11)之间由容错齿(13)进行隔离；沿转子(9)外圆周方向间隔分布主永磁体(14)，所述主永磁体(14)采用内嵌式矩形永磁体；两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧存在q轴磁障(16)，所述q轴磁障(16)与定子(10)内圆形成非均匀气隙；两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧存在不对称u型磁障(17)，所述不对称u型磁障(17)与q轴磁障(16)之间形成导磁桥(19)；，所述不对称u型磁障(17)的长端存在矩形辅助永磁体(15)，辅助永磁体(15)与相邻主永磁体(14)之间形成串联，构成一个磁极。

7、进一步，所述定子(10)和转子(9)均采用导磁材料硅钢片叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组(11)采用漆包铜导体材料，转轴(8)由不导磁材料组成；

8、进一步，所述电枢绕组(11)为单层集中绕组。

9、进一步，所述定子齿的齿数是2m的倍数，且定子齿的数量与转子极数之差为4，其中m为电机的相数。

10、设计q轴磁障(16)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧，沿转子(9)圆周方向分布，不对称u型磁障(17)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧。

11、进一步，所述q轴磁障(16)关于定义的电机q轴对称，不对称u型磁障(17)的轴线与定义的电机q轴之间存在偏移距离l1。

12、进一步，所述主永磁体(14)与辅助永磁体(15)为钕铁硼永磁磁钢，充磁方向为平行于永磁体厚度方向，两个相邻的主永磁体(14)充磁方向相反，其中一个为背离圆心，另一个为指向圆心；辅助永磁体(15)充磁方向沿圆周方向，相邻两个辅助永磁体(15)充磁方向相反使得辅助磁场与主磁场形成磁路串联。

13、进一步，所述主永磁体(14)的轴线与定义的电机d轴之间存在偏移距离l2。

14、进一步，所述电机由永磁体产生单一励磁源，满足电机主磁通＝漏磁通+有效主磁通。

15、进一步，q轴磁障(16)轴线的位置为定义的电机q轴，与其相差90度电角度的位置，为定义的电机d轴。

16、本发明提供的一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，其具体设计方法如下：

17、步骤1.1)利用容错电机的改进槽极配合设计方法，初步确定定子(10)齿数和转子(9)极对数，基于基波合成矢量最大原则，确定槽矢量分配，增加了电机的反凸极率与磁阻转矩利用率；

18、步骤1.2)在相邻主永磁体(14)之间设置q轴磁障(16)与不对称u型磁障(17)，增加交轴磁阻，从而进一步提高电机的反凸极特性；

19、步骤1.3)将不对称u型磁障(17)进行偏置，不对称u型磁障(17)的轴线与定义的电机q轴之间的偏移距离为l1，有利于提高电机的磁阻转矩利用率；

20、步骤1.4)将主永磁体(14)进行偏置，主永磁体(14)的轴线与定义的电机d轴之间存在偏移距离l2，从而进一步提高电机的磁阻转矩利用率；

21、步骤1.5)在不对称u型磁障(17)的长端设置沿圆周方向充磁的辅助永磁体(15)，使其在不影响d轴磁阻的情况下，提供辅助磁场，提升电机的转矩输出能力；

22、步骤1.6)对主永磁体(14)、辅助永磁体(15)、q轴磁障(16)和不对称u型磁障(17)参数进行优化，获得良好的反凸极特性与磁阻转矩利用率；通过在电机设计阶段提前考虑vsi-mtpa控制精度，以实现基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机的设计。

23、通过基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机的设计，可以有效提高电机的反凸极率与磁阻转矩利用率，提升mtpa控制精度。为充分实现所述类磁阻式反凸极容错电机优越的mtpa控制精度，本发明还提供了相应的高精度vsi-mtpa控制策略。

24、进一步，所述步骤2)中，最优电流矢量角与基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制策略实现的具体步骤如下：

25、2.1)通过分析五相反凸极容错电机mtpa控制的电流轨迹曲线，得到适用于该类电机mtpa控制的最优电流矢量角。

26、对于五相类磁阻式反凸极容错电机，其同步旋转坐标系下的电磁转矩表达式为

27、

28、式中，te为电磁转矩；pn为极对数；ld、lq分别为基波空间下d、q轴的电感；ψf为基波永磁磁链幅值；is为电流矢量的幅值；θ为电流矢量与q轴的夹角，在0°～90°的范围内。

29、在只考虑铜损的情况下，可得稳态下机械功率的表达式为

30、

31、式中，pm、pe、pcu分别为电机的机械功率、输入功率、铜损；ud、uq、id、iq分别为基波空间下的电压和电流的直、交轴分量；rs为定子电阻。根据转矩与机械功率的关系，可得电磁转矩的表达式为

32、

33、式中，ωm为机械角速度；

34、五相类磁阻式反凸极容错电机的mtpa控制轨迹在第一象限，此时最优电流矢量角对应的d轴电流为正，电机不存在永磁体退磁的风险；其电磁转矩方程与式(3)相同，将θ代入后求偏导，且使之等于零，有

35、

36、求解式(4),得五相类磁阻式反凸极容错电机的最优电流矢量角θfi为

37、

38、由式(5)可得对应的d轴电流为

39、

40、由式(6)可以看出，由θfi计算出的d轴电流大于零,满足类磁阻式反凸极容错电机mtpa控制轨迹在第一象限的条件；因此，五相类磁阻式反凸极容错电机的理论最优电流矢量角可由式(6)得出。

41、2.2)在所述步骤2.1)的基础上，结合基于补偿因子的vsi-mtpa控制策略，进一步提升mtpa控制驱动系统的动稳态性能。

42、由于五相类磁阻式反凸极容错电机mtpa控制的d轴电流大于零，需重构其总输入功率pe表达式为

43、

44、进而得五相磁场增强型永磁容错同步电机的机械功率方程为

45、

46、由转矩与机械功率的关系pm/ωm＝te可得

47、

48、将式(9)代入式(3)，可得

49、

50、向电流矢量角中注入高频信号θh，需要注意的是，带高频信号的电流因mtpa控制轨迹不同，需进行重构，具体为

51、

52、式中，分别为电流包含高频信号的直轴和交轴分量；a为θh的幅值；ωh为注入信号频率。结合式(10)和(11)，得五相类磁阻式反凸极容错电机的虚拟转矩表达式为

53、

54、然而，由于本质上均只基于功率方程，仍然存在mtpa点追踪精度不高的问题；为此，在此基础上，考虑五相类磁阻式反凸极容错电机的电压方程，在虚拟转矩公式中引入补偿因子ξ，以减小误差；根据该新型电机在同步旋转坐标系下的稳态电压方程，其中代入ξ后可得

55、

56、式中，ξ＝pnld。将式(11)和式(13)代入式(3)中，得修正后补偿的虚拟转矩为

57、

58、为提取的相关信息，将式(13)泰勒级数展开，并通过带通滤波器bpf滤波有

59、

60、式中，k为bpf的增益。再经低通滤波器lpf滤波，得到正比于的常数项；最后，滤波后的结果通过纯积分器进行处理；若此时未达到mtpa点，信号处理模块输出结果与成正比，其输出用以积分器调整d轴参考电流大小；若达到mtpa点，信号处理模块输出结果为零，积分器将生成五相类磁阻式反凸极容错电机mtpa控制的给定d轴电流。

61、进一步，所述步骤3)中，基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机驱动系统，其特征在于：

62、五相类磁阻式反凸极容错电机(1)作为系统的驱动电机模块，输出电磁转矩te、五相电流iabcde、转子位置及转速信息；

63、五相电流iabcde通过所述park变换模块(2)获取反馈交直轴电流信号；

64、基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制模块(3)，通过反馈机械角速度ωm，电流信号idq，电压信号udq与注入的高频虚拟信号θh获得虚拟转矩并使用补偿因子ξ对进行补偿，进而获取的相关信息，用以积分器调整d轴参考电流大小，从而获取最优直轴给定电流i*d；

65、pi控制器(4)用于调节给定电流i*d1q1d3q3与反馈电流id1q1d3q3的偏差，获取给定交直轴电压信号ud1q1d3q3；

66、反park变换模块(5)用于反变换给定交直轴电压信号ud1q1d3q3，获取静止坐标系下的电压信号uα1α3β1β3；

67、svpwm模块(6)用于将给定两相静止坐标系下的电压信号uα1α3β1β3调制成驱动电机所需的十路pwm脉冲信号；

68、逆变器模块(7)通过十路pwm脉冲信号输出五相电压信，给所述五相类磁阻式反凸极容错电机(1)提供电源。

69、本发明的有益效果：

70、(1)本发明首次从电机设计和控制的角度，统筹考虑电机驱动系统的mtpa控制精度，提出一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机驱动系统。将mtpa控制精度提前考虑到电机设计阶段，提出基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，以抑制电机交叉耦合及饱和效应。同时，针对此类反凸极容错电机，提出相应的基于补偿因子的vsi-mtpa控制策略，实现较高的动稳态性能，以应对复杂多变的运行工况。

71、(2)本发明通过相数冗余增加电机故障容错能力，同时采用分数槽集中绕组，使得电机不同相间可以通过容错齿实现相间磁隔离，降低不同相间磁路耦合，在很大程度上提高了电机的可靠性。与传统电机设计不同，本发明考虑电机交叉耦合及饱和效应对控制精度影响，采用改进的槽极配合设计方法，选择10槽/6极的槽极组合，并在转子上巧妙地设置“q轴磁障”与“不对称u型磁障”，增加了电机的磁阻转矩分量，减少了永磁体的用量，同时使得电机具有较好的反凸极特性，有效抑制了电机交叉耦合及饱和效应，创造性地从电机设计角度提高了mtpa控制精度。

72、(3)为进一步提高磁阻转矩利用率，本发明电机巧妙地将“主永磁体”与“不对称u型磁障”进行偏置，主永磁体的轴线与定义的电机d轴之间的偏移距离为l2，不对称u型磁障的轴线与定义的电机q轴之间的偏移距离为l1。这样的设置，能够实现磁轴的偏移，使磁阻转矩峰值对应的电流角向永磁转矩峰值对应的电流角靠近，提高了磁阻转矩利用率。

73、(4)为进一步提升电机的转矩输出能力，本发明巧妙地在“不对称u型磁障”的长端设置了“辅助永磁体”，在不影响d轴磁阻的情况下，提供辅助磁场，强化了磁轴偏移的效果，提升了电机的转矩输出能力。

74、(5)从电机驱动控制角度，针对五相类磁阻式反凸极容错电机的反凸极特性，充分考虑多工况运行下电机交叉耦合及饱和效应的影响，提出了基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制策略，有效抑制电机交叉耦合及饱和效应对mtpa控制精度的影响，提高了电机vsi-mtpa控制系统的mtpa点追踪精度和鲁棒性，具有较高的动稳态性能。

75、(6)本发明从电机设计和控制角度，综合提高了电机mtpa控制精度，为现代mtpa控制理论提供了新的思路，有利于促进反凸极容错电机mtpa控制理论的发展。