永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统及方法技术方案

本公开提出了永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统及方法，包括：转速PI控制器，用于根据电机的转速，以及给定的目标转速，计算得到电磁转矩给定值；转矩最大化利用模块，用于根据给定电磁转矩，经标幺化处理，得到电磁转矩标幺值，再根据分段函数求得给定d、q轴电流值的标幺值，去标幺化处理得到d、q轴实际电流给定值。本公开所述的转矩最大化利用模块，可以根据所需转矩计算出所需的d、q轴电流，发挥出永磁聚磁式同步磁阻电机转矩密度大的优势。由其构成的转矩最大化利用控制系统适用于转矩密度需求高的场合。

【技术实现步骤摘要】
永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统及方法
本公开属于电机驱动
，尤其涉及永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。近年来，一种永磁聚磁式同步磁阻电机(PMC-SynRM)受到研究者的关注，相较于传统凸极式永磁电机，该电机通过非对称转子结构，使永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同或相近电流相位角处叠加，达成了增加输出转矩的目的。其效果表现为在材料和尺寸一定的情况下，较传统永磁辅助式同步磁阻电机有更大的转矩密度。该新型电机的拓扑结构会使转子主磁链矢量逆时针方向偏离每极中心线45°电角度，因此，按照凸极式永磁电机转子dq坐标定向规则(d轴定向在转子磁极中心线处，q轴定向在d轴逆时针方向旋转90°电角度的位置)进行定向，会产生d轴与转子主磁链矢量互差45°的现象，该现象在传统凸极式永磁电机中不会出现。因此，永磁聚磁式同步磁阻电机在该dq坐标系下会推导出与传统凸极式永磁电机不同的转矩方程。所以，需要根据该电机特点推导控制方程、设计控制系统与控制方法，而不是直接套用传统凸极式永磁电机的控制系统与控制方程。因此，亟需一种适用于永磁聚磁式同步磁阻电机的转矩最大化利用控制系统及方法，能充分考虑电机永磁转矩最大值与磁阻转矩最大值在相同或相近电流相位角处叠加的特点，即在该电流相位角处转矩密度最大，使控制系统电流激励的相位角始终跟踪上述转矩密度最大处的电流相位角，使电机始终保持最大转矩电流比输出，发挥该电机转矩密度大的优势，促进该电机系统的应用与推广。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，能够发挥该电机转矩密度大的优势，使电机在单位绕组电流下输出更大的转矩。为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：第一方面，公开了永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，包括：转速PI控制器，用于根据电机的转速，以及给定的目标转速，计算得到电磁转矩给定值；转矩最大化利用(PMCR-MTU)模块，用于根据给定电磁转矩，经标幺化处理，得到电磁转矩标幺值，再根据分段函数求得给定d、q轴电流值的标幺值，去标幺化处理得到d、q轴实际电流给定值。进一步的技术方案，所述转矩最大化利用模块中，计算转化成所需d轴与q轴电流的过程中，对电机的转矩方程进行标幺化；利用拉格朗日极值定理，利用拉格朗日乘子引入辅助函数；根据拉格朗日极值定理，要求的d轴与q轴电流的关系为上述辅助函数的极值点，得q轴电流及d轴电流的关系表达式；基于该表达式，获得转矩最大化利用曲线，即由拉格朗日方程解得的根；将转矩最大化利用方程代入转矩电流方程，解得转矩最大化利用时电流和转矩的关系。进一步的技术方案，还包括：光电编码器，安装于永磁聚磁式同步磁阻电机的转子轴上，测量永磁聚磁式同步磁阻电机的转子位置角，并分别送入角速度处理模块；角速度处理模块，用于根据光电编码器测量的转子位置角，微分计算得到转速。进一步的技术方案，还包括：ABC-dq变换器，用于利用电角度θe，将由电流互感器得到的三相电流值变换到dq坐标系下，得到d轴与q轴实际电流值id和iq；d轴电流PI控制器，用于根据前述电机d轴电流的给定值id*以及d轴电流实际值id，计算得到d轴电压给定值ud*；q轴电流PI控制器，用于根据前述电机q轴电流的给定值iq*以及q轴电流实际值iq，计算得到q轴电压给定值uq*；dq-αβ变换器，用于利用电角度θe，将电压给定值由d-q坐标系变换到α-β坐标系下,得到uα和uβ。进一步的技术方案，还包括：SVPWM模块，用于基于电压给定uα和uβ得到三相的PWM信号，并送入逆变桥模块；逆变桥模块，连接直流电压源与永磁聚磁式同步磁阻电机，用于根据前述三相PWM信号生成三相电压值，驱动电机运转。第二方面，公开了永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统的工作方法，包括：采集电机的角度信号，用作角速度计算，角速度信号与给定的目标转速做差，形成负反馈通道，差值信号经转速PI控制器计算后得到了电机电磁转矩给定值，然后进入转矩最大化利用模块给定电机d轴与q轴电流；d轴，q轴电流给定值与经ABC-dq坐标变换后得到的d轴，q轴电流实际值做差，并经过两个电流PI控制器计算得到电压给定值，再经由dq-αβ坐标变换得到α-β坐标系下的电压给定uα和uβ；经过SVPWM模块后，可以得到ABC三相的PWM信号，将其输入给逆变桥，即可生成驱动电机所需的三相电压值。第三方面，公开了永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制方法，包括：测量电机的转子位置角，计算得到转速；根据电机的转子位置角，计算得到电机电角度；根据转速以及给定转速，计算得到电磁转矩给定值；根据电磁转矩给定值，获得给定d轴与q轴电流；测量电机绕组相电流，利用ABC-dq变换，得到电机q轴、d轴电流实际值；根据前述电机d、q轴电流给定值，以及电机q轴、d轴电流实际值，计算得到电机电压给定值；将电压给定值由dq-αβ坐标变换，变换到α-β坐标系下的电压给定；基于电压给定得到SVPWM信号，驱动逆变桥生成三相电压，驱动电机运转。进一步的技术方案，所述获得给定d轴与q轴电流中，对电机的转矩方程进行标幺化；利用拉格朗日极值定理，利用拉格朗日乘子引入辅助函数；根据拉格朗日极值定理，要求的d轴与q轴电流的关系为上述辅助函数的极值点，得q轴电流及d轴电流的关系表达式。进一步的技术方案，基于上述表达式，获得转矩最大化利用曲线，即由拉格朗日方程解得的根；将转矩最大化利用方程代入转矩电流方程，解得转矩最大化利用时电流和转矩的关系。进一步的技术方案，根据电磁转矩给定值，获得给定d轴与q轴电流，具体为：其中，Tn为给定电磁转矩标幺值，iqn为给定q轴电流标幺值，idn为给定d轴电流标幺值，Lq为电机q轴电感，Ld为电机d轴电感，id*为给定d轴电流，iq*为给定q轴电流。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：本公开提出的控制系统能够使永磁聚磁式同步磁阻电机输出响应快、超调小、跟踪性能好，实现对该类电机的高性能控制。本公开所述的转矩最大化利用模块，可以根据所需转矩计算出所需的d、q轴电流，发挥出永磁聚磁式同步磁阻电机转矩密度大的优势。本公开对方程求极值得到的是转矩电流比的最大值，从而该模块可以实现最大转矩电流比控制。本公开提出的控制系统使用PI调节器进行电流环与转速环的控制，对电机电感、磁链、转动惯量等参数具有较强的鲁棒性。本公开所述方法，基于较为成熟的永磁电机控制方法，参考资料较多，易于代码实现与工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，包括：/n转速PI控制器，用于根据电机的转速，以及给定的目标转速，计算得到电磁转矩给定值；/n转矩最大化利用模块PMCR-MTU，用于根据给定电磁转矩，经标幺化处理，得到电磁转矩标幺值，再根据分段函数求得给定d、q轴电流值的标幺值，去标幺化处理得到d、q轴实际电流给定值。/n

【技术特征摘要】
1.永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，包括：
转速PI控制器，用于根据电机的转速，以及给定的目标转速，计算得到电磁转矩给定值；
转矩最大化利用模块PMCR-MTU，用于根据给定电磁转矩，经标幺化处理，得到电磁转矩标幺值，再根据分段函数求得给定d、q轴电流值的标幺值，去标幺化处理得到d、q轴实际电流给定值。


2.如权利要求1所述的永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，所述转矩最大化利用模块中，计算转化成所需d轴与q轴电流的过程中，对电机的转矩方程进行标幺化；
利用拉格朗日极值定理，利用拉格朗日乘子引入辅助函数；
根据拉格朗日极值定理，要求的d轴与q轴电流的关系为上述辅助函数的极值点，得q轴电流及d轴电流的关系表达式；
基于该表达式，获得转矩最大化利用曲线，即由拉格朗日方程解得的根；
将转矩最大化利用方程代入转矩电流方程，解得转矩最大化利用时电流和转矩的关系。


3.如权利要求1所述的永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，还包括：
光电编码器，安装于永磁聚磁式同步磁阻电机的转子轴上，测量永磁聚磁式同步磁阻电机的转子位置角，并分别送入角速度处理模块；
角速度处理模块，用于根据光电编码器测量的转子位置角，微分计算得到转速。


4.如权利要求1所述的永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，还包括：
ABC-dq变换器，用于利用电角度，将由电流互感器得到的三相电流值变换到dq坐标系下，得到d轴与q轴实际电流值；
d轴电流PI控制器，用于根据前述电机d轴电流的给定值以及d轴电流实际值，计算得到d轴电压给定值；
q轴电流PI控制器，用于根据前述电机q轴电流的给定值以及q轴电流实际值，计算得到q轴电压给定值；
dq-αβ变换器，用于利用电角度，将电压给定值由d-q坐标系变换到α-β坐标系下，得到uα和uβ。


5.如权利要求1所述的永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统，其特征是，还包括：
SVPWM模块，用于基于电压给定uα和uβ得到三相的PWM信号，并送入逆变桥模块；
逆变桥模块，连接直流电压源与永磁聚磁式同步磁阻电机，用于根据前述三相PWM信号生成三相电压值，驱动电机运转。


6.永磁聚磁式同步磁阻电机转矩最大化利用控制系统的工作方法，其特征是，包括：
采集电机的角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文良，吴昊，刘炎，王秀和，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37