[發明專利]一種無刷雙饋電機的控制方法及其應用

無效

• 申請號: 201010244095.3
• 申請日: 2010-08-03
• 公開（公告）號: CN101951222A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 夏超英;王樂英
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/13;H02P6/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及電機控制領域，特別涉及無刷雙饋電機的控制方法及其應用，適用于無刷雙饋電機的變頻調速和變速恒頻恒壓、變頻變壓控制系統的應用場合。

背景技術

近年來由于對新能源的開發和利用，特別是在對風能的利用上，雙饋電機的應用與控制方法的研究得到了人們的極大關注。雙饋電機主要包括兩種：有刷雙饋電機和無刷雙饋電機。目前廣泛應用的是繞線式有刷雙饋電機，其在定子和轉子兩側饋電，一般定子側接工頻市電，轉子側通過滑環與逆變器相連，控制方法相對成熟，但有刷雙饋電機帶有電刷和滑環，維護成本高，可靠性低，使用壽命短。無刷雙饋電機為2臺繞線式異步電機同軸串聯而成，如圖1所示，2臺繞線式異步電機分別稱為功率側電機和控制側電機，功率側電機和控制側電機的轉子繞組反相序連接，等效電路圖如圖2所示，在多數應用場合，功率側電機定子接工頻市電，功率側電機的磁鏈幅值和旋轉速度基本恒定，控制側電機接逆變器，通過對控制側電機定子供電電壓的控制，來實現對控制側電機磁鏈和電機轉矩的控制。

由于無刷雙饋電機功率側電機和控制側電機通過反相序連接的轉子相互影響，使得無刷雙饋電機的模型復雜，難以控制。現有技術中對無刷雙饋電機的控制方法主要有以下兩種：

方法一：基于雙同步坐標系的矢量解耦控制方法，該控制方法把無刷雙饋電機分為功率子系統和控制子系統，功率子系統采用功率側定子磁場定向，控制子系統采用控制側轉子磁場定向，以實現無刷雙饋電機轉矩和控制側電機磁鏈的解耦控制。該控制方法主要包括四種具體實現方案：電磁轉矩方程直接求解法利用牛頓迭代法從轉矩與電流的非線性函數中求解出轉矩電流來實現對轉矩的控制，根據逆模型求得勵磁電流來實現對控制側電機轉子磁鏈的控制；電磁轉矩估算法把轉矩方程表示成電機同步角的三角函數，則由期望的電磁轉矩就可以通過解反三角函數得到同步角，再根據同步角與轉矩電流的關系求出轉矩電流，勵磁電流的求法與上一種相同，由得到的轉矩電流和勵磁電流估算電磁轉矩；忽略動態過程中同步角變化的方法利用穩態下功率側電機的轉差角和控制側電機的轉差角數值相等符號相反的特性，忽略同步角的變化得到電機轉矩與轉矩電流的關系求解轉矩電流；基于同步角的方法則避開轉矩的計算，直接把轉速閉環的輸出作為同步角的給定，根據同步角與轉矩電流的關系得到轉矩電流。

方法二：將兩側電機轉換到各自同步速坐標系下，利用穩態情況下功率電機轉差角頻率和控制電機轉差角頻率相等的特性將兩個電機模型合為一個整體，采用功率側定子磁場定向對轉矩和磁鏈進行解耦控制。

發明人在實現本發明的過程中，發現上述現有控制方法至少存在以下缺點和不足：

方法一中電磁轉矩方程直接求解實現起來復雜，計算量大，對電機參數的依賴性大；電磁轉矩估算法和基于同步角的方法在求解過程中會引入誤差，無法對轉矩和磁鏈進行精確控制；忽略動態過程中同步角變化的方法和方法二是在穩態情況下得到的，無法實現動態過程中對無刷雙饋電機轉矩和磁鏈的控制。

發明內容

為了實現動態和穩態條件下無刷雙饋電機磁鏈和轉矩的準確控制，減少對電機參數的依賴性，簡化控制算法，本發明提出了一種無刷雙饋電機的控制方法及其應用，其內容如下：

(a)根據反饋控制的基本原理構成，視功率側電機對控制側電機的影響為擾動，通過磁鏈觀測器和轉矩觀測器得到控制側電機磁鏈的幅值和電機轉矩作為磁鏈和轉矩外環的反饋量；

(b)將所述控制側電機磁鏈的幅值與磁鏈的給定值相比較，誤差經磁鏈調節器得到電流內環中磁場同步坐標系下控制側電機定子電流的直軸分量給定值，將所述控制側電機定子電流的直軸分量給定值與控制側電機定子電流的直軸分量測量量相比較，誤差經直軸電流調節器得到同步坐標系下控制側電機定子電壓的直軸分量給定值；

(c)將所述電機轉矩與轉矩給定值相比較，誤差經轉矩調節器得到電流內環中磁場同步坐標系下控制側電機定子電流的交軸分量給定值，將所述控制側電機定子電流的交軸分量給定值與控制側電機定子電流的交軸分量測量量相比較，誤差經交軸電流調節器得到同步坐標系下控制側電機定子電壓的交軸分量給定值；

(d)將所述控制側電機定子電壓的直軸分量給定值和所述控制側電機定子電壓的交軸分量給定值經過旋轉變換和2/3變換，得到靜止坐標系下控制側電機定子電壓給定值，控制逆變器的逆變電壓加載到雙饋電機的控制側電機定子繞組上，實現對控制側電機磁鏈幅值和電機轉矩的控制。

所述磁鏈觀測器為轉子坐標系下的電流觀測器或靜止坐標系下的電流轉速觀測器或靜止坐標系下的電壓電流觀測器。