[发明专利]混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统及方法

权利要求书

1.混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统，其特征在于：参考转速发生器(15)输出端与位置与速度传感器(8)的转速输出端均与转速PI调节器(1)的输入端连接，转速PI调节器(1)的输出端与磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)的输入端连接，转速PI调节器(1)的输出端和Park坐标变换模块(7)的q轴输出端均与电流PI控制器(3)的q轴输入端连接，磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)的输出端与Park坐标变换模块(7)的d轴输出端均与电流PI控制器(3)的d轴输入端连接，电流PI控制器(3)的d轴输出端、电流PI控制器(3)q轴输出端、速度传感器(8)的转子电角度信号输出端均与反Park变换器(4)的输入端连接，反Park变换器(4)的输出端与电压调制器(5)的输入端连接，电压调制器(5)的输出端与混合转子双定子同步电机(6)输入端连接，混合转子双定子同步电机(6)的输出端分别与位置与速度传感器(8)的输入端和Clark坐标变换模块(9)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统，其特征在于：混合转子双定子同步电机(6)结构为，混合转子双定子同步电机(6)的外定子(10)和内定子(13)之间设有永磁/磁阻混合转子(11)，永磁/磁阻混合转子(11)外侧永磁体部分采用表贴式隐极结构，永磁/磁阻混合转子(11)内侧磁阻部分采用磁障式转子结构，永磁/磁阻混合转子(11)中间有隔磁环(12)。

3.根据权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统，其特征在于：该系统中电压调制器(5)采用空间矢量脉宽调制算法；位置与速度传感器(8)采用机械速度传感器；磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)采用双定子串联结构的混合转子同步电机转矩解耦矢量控制原理搭建。

4.一种如权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统的控制方法，其特征在于：

该控制系统的步骤为：

1)参考转速发生器(15)输出的电机参考转速n*与位置与速度传感器(8)的转速信号n作差，其差值信号通过转速PI控制器(1)转化为转矩电流参考值i_q2^*，转矩电流参考值i_q2^*经过磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)的磁阻dq坐标系d轴电流模型得到磁阻dq坐标系d轴电流参考值i_d2^*；

磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)的磁阻dq坐标系d轴电流模型为：

式中，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量，a为外电机设计功率、b为内电机设计功率，ψ_f为永磁体磁链，L_d、L_q分别为内定子13dq轴等效电感，θ_r为永磁/磁阻转子d轴夹角；

2)将步骤1)中的磁阻dq坐标系d轴电流参考值i_d2^*与磁阻dq坐标系d轴电流实际值i_d2作差得到磁阻dq坐标系d轴电流差值；磁阻dq坐标系q轴电流参考值i_q2^*与磁阻dq坐标系q轴电流实际值i_q2作差得到磁阻dq坐标系q轴电流差值；

3)将步骤2)中的磁阻dq坐标系d轴电流差值与磁阻dq坐标系q轴电流差值经过电流PI控制器(3)分别得到磁阻dq坐标系d轴电压参考值u_d2^*与磁阻dq坐标系q轴电压参考值u_q2^*；

4)将步骤3)中的磁阻dq坐标系d轴电压参考值u_d2^*、磁阻dq坐标系q轴电压参考值u_q2^*与混合转子双定子同步电机(6)的转子电角度信号θ_e经过反Park变换器(4)得到αβ坐标系α轴参考电压矢量u_α^*与β轴参考电压矢量u_β^*；

5)将步骤4)中的α轴参考电压矢量u_α^*与β轴参考电压矢量u_β^*信号经过电压调制器(5)得到ABC坐标系定子三相电压信号u_A、u_B、u_C从而驱动混合转子双定子同步电机(6)；

6)步骤5)中的ABC坐标系定子三相电压信号u_A、u_B、u_C经过定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机(6)的混合转子双定子同步电机模型系统得到ABC坐标系定子绕组三相电流信号i_A、i_B、i_C；

7)步骤6)中的ABC坐标系定子绕组三相电流信号i_A、i_B、i_C与混合转子双定子同步电机(6)的转子电角度信号θ_e分别经过Clark坐标变换模块(9)与Park坐标变换模块(7)得到磁阻dq坐标系d、q轴电流实际值i_d2、i_q2，从而形成控制系统的电流闭环控制。

5.根据权利要求4所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量的控制系统的控制方法，其特征在于：磁阻dq坐标系d轴电流模型的构建方法如下：

混合转子双定子同步电机6外电机在永磁dq同步旋转坐标系下，外电机定子电压模型为：

式中，u_d1、u_q1分别为外定子(10)绕组dq轴电压，i_d1、i_q1分别为定子电流矢量在永磁dq坐标系下dq分量，R_s1为外定子(10)绕组电阻，L_s为外定子(10)电感，ω_e为转子电角速度，ψ_f为永磁体磁链；

同步磁阻电机在其dq轴系中的内电机定子电压模型为：

式中，u_d2、u_q2分别为内定子(13)绕组dq轴电压，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量，R_s2为内定子(13)绕组电阻，L_d、L_q分别为内定子(13)dq轴等效电感，ω_e为转子电角速度；

外电机电磁转矩模型为：

式中，t_e1为外电机电磁转矩，p_n为电机极对数，i_q1为定子电流矢量在永磁dq坐标系下q轴分量，ψ_f为永磁体磁链。

内电机电磁转矩模型为：

式中，t_e2为内电机电磁转矩，p_n为电机极对数，L_d、L_q分别为内定子(13)dq轴等效电感，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量。

式(2)、(3)中的电压方程不是在同一个dq轴下建立的，需要对坐标轴进行旋转坐标变换，坐标系变换模型为：

由于本发明的双定子同步电机只有一个转子，内外电机的输出功率之比等于内外电机电磁转矩之比，本发明设计的双定子同步电机内外输出功率比为b:a，根据式(4)、(5)可以得出：

式中，t_e1为外电机电磁转矩，t_e2为内电机电磁转矩，p_n为电机极对数，i_q1为定子电流矢量在永磁dq坐标系下q轴分量，ψ_f为永磁体磁链，L_d、L_q分别为内定子(13)dq轴等效电感，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量，a为外电机设计功率、b为内电机设计功率；

式(14)对应定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法步骤1)中的磁阻dq坐标系d轴电流控制器(2)，用以表示内外电机输出电磁转矩比；

由于本发明矢量控制采用的坐标系为磁阻转子dq轴，因此式(14)中的i_q1需要被约去，根据式(9)可以得到：

i_q1＝-sinθ_ri_d2+cosθ_ri_q2 (15)

式中，i_q1为定子电流矢量在永磁dq坐标系下q轴分量，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量，θ_r为永磁/磁阻转子d轴夹角；

将式(15)代入式(14)中可以得到磁阻dq坐标系d轴电流模型：

式中，i_d2、i_q2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下dq分量，a为外电机设计功率、b为内电机设计功率，ψ_f为永磁体磁链，L_d、L_q分别为内定子(13)dq轴等效电感，θ_r为永磁/磁阻转子d轴夹角。