雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法與流程
2023-11-10 07:39:05 1
本發明涉及直流電機技術領域，尤其涉及一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法。
背景技術：
開關磁阻電機由於結構簡單、出力大、調速性能良好，在工業領域中得到了日益廣泛的應用。隨著電機技術、電力電子技術、數字控制技術、控制理論及傳感器技術的發展與應用，在開關磁阻電機的基礎上，雙凸極電機成為近幾年發展起來的一種新型特種電機，其控制技術已日趨成熟，目前，已在航空航天、軌道交通、工具機、汽車電子、家用電器以及工業過程控制等領域得到了廣泛的應用。然而，開關磁阻電機有其不足之處：轉矩脈動和大噪聲是限制本電機應用時的兩大因素。轉矩脈動即在電機的一個換相周期內，輸出轉矩的最大值與最小值相差過大，導致電機振動，在電機遠離設計點時轉矩脈動體現的更加明顯，尤其在電動車、紡織等對電機輸出轉矩要求較高的行業。造成轉矩脈動的原因主要有兩個：一個是電機的特殊的雙凸極結構決定了必然有較大的轉矩脈動，尤其時在定轉子對齊位置，此時磁阻最小，磁鏈飽和，相轉矩輸出最小；二是由於電機應用在需要功率變換器頻繁開關的運行環境當中，即在頻繁開關是會產生除基波外的複雜的電壓諧波分量，也會造成電機的脈動。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法，既便於加工製造，又可使電機較少轉矩波動，從而具有高電機效率和功率密度，同時也能有效提升直流電機的抗幹擾能力。
為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：
一方面，本發明提供一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機，包括機殼、轉軸、定子及其繞組、轉子和中央激勵線圈；機殼設有前端蓋和後端蓋，分別設於機殼的兩端，並在前端蓋和後端蓋的中心均設有用於轉軸穿過的圓孔；機殼內部的轉軸表面固定覆蓋一層導磁體，導磁體的中間一段向外突出，使導磁體的軸切面為扁十字型；定子包括第一組凸極定子和第二組凸極定子，分別固定設於機殼兩端的內壁上，兩組凸極定子均設有相應的三相定子繞組；轉子包括第一組凸極轉子和第二組凸極轉子，分別設於機殼內部轉軸的兩端，並固定於導磁體外側；第一組凸極定子與第一組凸極轉子中心相同，兩者的齒相對齊放置，第二組凸極定子和第二組凸極轉子中心同軸，兩者的齒間周向錯開15度機械角放置；中央激勵線圈設於第一組凸極轉子和第二組凸極轉子之間的導磁體中間突出部分的外側，並固定在機殼上；第一組凸極定子與第一組凸極轉子之間、第二組凸極定子和第二組凸極轉子之間均有氣隙。
優選地，兩組凸極定子均由矽鋼片疊壓而成。
另一方面，本發明還提供一種上述雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的控制方法，將兩組定子繞組分別獨立控制，採用基於神經網絡角度優化位置控制的方式，在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變與繞組串聯的主開關管的導通角θon和關斷角θoff，來調節電動機的轉矩，具體包括如下步驟：
步驟1：將單套三相不對稱半橋驅動電路進行並聯，形成雙套驅動電路，分別用於驅動控制兩套定子繞組；
步驟2：電網經過整流電路向三相不對稱半橋驅動電路中的儲能電容器充電，分別對兩套三相不對稱半橋驅動電路供電；
步驟3：在兩個轉子上分別安裝位置傳感器，並將兩個位置傳感器信號分別連接至兩套位置捕獲電路中，通過中央處理器來處理兩組位置的實時信號，確定兩套驅動電路中的igbt的導通相序，從而控制兩組定子繞組的通電順序；
步驟4：進行樣本測試，初始化後保持導通角θon不變，對關斷角θoff進行優化搜索，得到準確的最優關斷角，具體方法為：
步驟4.1：初始化步長δθ改變符號的次數csv為0，設定轉速和轉矩；由式(18)、(19)初始化θon和θoff；
其中，θm為繞組電流曲線的第一個峰值所在的轉子角度；lna為轉子和定子處在二凸極未對齊位置時的電感大小；n為電機轉速；vdc為加在定子繞組上的直流電壓；iref為參考電流；
其中，ra和ru分別是對齊電感和非對齊電感量的倒數，rua＝ru-ra，α＝ra/rua；θa為轉子對齊電感角度；x為一常量；
步驟4.2：待系統工作在穩定的轉速上後，得到當前電流值i0；
步驟4.3：將θoff減少一個步長δθ，δθ根據搜索收斂速度和搜索精度進行確定；
步驟4.4：待系統工作在穩定的轉速上後，比較當前電流值i1和上一次系統穩定後的電流值i0的大小；如果i1大於i0，則直接執行步驟4.5；否則，改變δθ的符號，並記錄δθ改變符號的次數csv，執行步驟4.5；
步驟4.5：判斷δθ改變符號的次數csv是否等於2；若是，則退出搜索過程，此時的電流值i1即為在設定的轉速和轉矩下的最小電流值，此時的θoff為準確的最優關斷角，執行步驟5；若否，則令i1＝i0，返回步驟4.3，繼續減小θoff；
步驟5：訓練rbf神經網絡，具體方法為：
步驟5.1：將預測樣本集的轉速w0和轉矩t0輸入rbf神經網絡中，輸出關斷角
步驟5.2：將步驟4樣本測試時得到的準確的最優關斷角θoff輸入到rbf神經網絡中，將網絡輸出的關斷角與準確的最優關斷角θoff比較，得到誤差δθoff；
步驟5.3：判斷誤差δθoff的絕對值是否小於預設誤差閾值，若是，則訓練結束，執行步驟6；若否，則用誤差δθoff經過權值修正算法修正rbf神經網絡各節點的權值，返回步驟5.1；
步驟6：將實時得到的轉速w和轉矩t輸入到訓練後的rbf神經網絡中，得到最優關斷角，由中央處理器輸出換相邏輯信號，對驅動電路進行控制，實現兩組定子繞組的獨立控制。
採用上述技術方案所產生的有益效果在於：本發明提供的一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法，在定子周向錯位的同時在兩組定子之間加入勵磁線圈，通過將兩組定子凸極在周向上錯開一定機械角的方式，從根本上減少轉矩脈動，勵磁線圈的優勢在於避免了永磁體的退磁風險，可以在更為惡劣的環境下使用，從而提高了電機的可靠性，並且提高了轉矩和轉速額定控制範圍。兩組定子由矽鋼片疊壓而成，不僅減輕了電機的重量，減小了電機的轉動慣量，以及電機控制的複雜性，而且還基於轉矩疊加原理，兩邊繞組分別產生的轉矩相互疊加，使得電勵磁直流電機一個轉子極受到的轉矩還沒有衰減到最小時，另一個轉子極已經受到具有補償作用的轉矩，兩者相互疊加，不僅合成轉矩增加，電機輸出轉矩脈動亦大幅減小。本發明還通過控制角度來減少轉矩脈動，在運行時通過獲得電流和角度數據就可以得到當前相的轉矩和磁鏈數據。本發明提供的一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機既方便與加工製造，又可使電機較少轉矩波動，從而提高電機效率和功率密度。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機軸向切面2d結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機機殼內部3d結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的轉軸部分示意圖；
圖4為本發明實施例提供的定子周向錯位角示意圖；
圖5為本發明實施例提供的定子周向錯位時兩組定子繞組電感曲線圖；
圖6為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機磁通走向示意圖；
圖7為本發明實施例提供的沒有定子周向錯位時理想電感曲線圖；
圖8為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機控制原理圖；
圖9為本發明實施例提供的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機驅動電路示意圖；
圖10為本發明實施例提供的rbf神經網絡樣本測試流程圖；
圖11為本發明實施例提供的rbf神經網絡訓練原理圖。
圖中：1、機殼；2、轉軸；3、中央激勵線圈；4、前端蓋；5、後端蓋；6、導磁體；7、第一組凸極定子；8、第二組凸極定子；9、第一組凸極轉子；10、第二組凸極轉子。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
本實施例提供一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法，其目的在於提供一種既方便與加工製造，又可使電機較少轉矩波動，從而具有高電機效率和功率密度的雙定子周向錯位角電勵磁直流電機結構，同時也有效提升這種直流電機的抗幹擾能力。
雙定子周向錯位角電勵磁直流電機，包括機殼1、轉軸2、定子及其繞組、轉子和中央激勵線圈3。其軸向切面的二維結構如圖1所示，機殼1設有前端蓋4和後端蓋5，分別設於機殼1的兩端，並在前端蓋4和後端蓋5的中心均設有用於轉軸2穿過的圓孔。機殼1內部的三維立體結構如圖2所示，轉軸2表面固定覆蓋一層導磁體6，導磁體6的中間一段向外突出，延伸至第一組凸極轉子和第二組凸極轉子之間，使導磁體6的軸切面為扁十字型。定子包括第一組凸極定子7和第二組凸極定子8，分別固定設於機殼1兩端的內壁上，兩組凸極定子均設有相應的三相定子繞組。轉子包括第一組凸極轉子9和第二組凸極轉子10，分別設於機殼1內部轉軸的兩端，並固定於導磁體6外側。中央激勵線圈3設於第一組凸極轉子9和第二組凸極轉子10之間的導磁體6中間突出部分的外側，並固定在機殼1上。轉軸2、導磁體6、轉子及中央激勵線圈3的結構如圖3所示。第一組凸極定子7與第一組凸極轉子9之間、第二組凸極定子8和第二組凸極轉子10之間均有氣隙。兩組凸極定子均由矽鋼片疊壓而成。第一組凸極定子7與第一組凸極轉子9中心相同，兩者的齒相對齊放置，第二組凸極定子8和第二組凸極轉子10中心同軸，兩者的齒間周向錯開15度機械角放置，如圖4所示，a1、a2、a3、b1、b2、b3、cl、c2、c3分別為第一套定子繞組的三相繞組，a11、a21、a31、b11、b21、b31、c11、c21、c31分別為第二套定子繞組的三相繞組。如圖5所示電感曲線中的第ii區域和第iv區域，分別檢測兩組轉子對應定子繞組的位置，當第一組凸極定子的凸極與第一組凸極轉子的凸極對齊，即電感開始下降時，第二組凸極定子的凸極與第二組凸極轉子的凸極位置剛好達到電感上升的位置，如圖2所示，當c2、c21同時到導通時，c21首先達到凸極對齊的位置，首先切斷齒c21的供電，導通b11。如此導通，電機轉子根據最小磁通原理逆時針旋轉，能有效較少齒槽轉矩，從而減少轉矩脈動。圖6為本實施例電機的磁通路徑示意圖，磁通由第一組定子鐵心穿過轉子鐵心，經電機轉軸上覆蓋的導磁材料傳導到第二組轉子鐵心穿過與之相對的第二組定子鐵心，再由電機機殼傳回第一組定子鐵心形成閉合磁路。
由於電路、磁路的非線性和開關性，使得描述雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的基本平衡方程組實際上很難計算，但可以根據具體運行狀態和研究目的進行必要的簡化，因此可以採用線性模型、準線性模型和非線性模型的求解方法。線性模型有利於對雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的定性分析，了解其運行的物理狀況、內部各物理量的基本特點和相互關係；準線性模型具有一定的計算精度，利於分析和設計控制策略。電機的基本平衡方程如下所述。
如圖7所示，為沒有定子周向錯位時的理想電感曲線，圖中坐標原點θ＝0是位置參考點，定義為轉子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，即最小電感處；θ3是定、轉子極全部重合的起點，即定、轉子前極邊重合的位置(一般轉子磁極寬度大於定子磁極寬度)；θ4是定、轉子後極邊重合的位置；θ1和θ5是轉子後極邊與定子前極邊重合的位置；θ2是轉子前極邊與定子後極邊重合的位置。
電感l(θ)和轉子位置角的關係可以用式(1)的函數形式表示。
其中，k＝(lmax-lmin)/(θ3-θ2)；
①電動勢平衡方程式
假設各相結構和電磁參數對稱，根據電路定律，可以寫出雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的第k相的電動勢平衡方程式為
其中，uk為第k相的端電壓；lk為第k相的電流；rk為第k相的電阻；ψk為第k相的磁鏈；
在雙定子周向錯位角電勵磁直流電機中，各相繞組的磁鏈是轉子位移角和各相繞組電流的函數，故磁鏈ψk為
ψk＝ψ(i1，i2，…，iq；θ)(3)
如果忽略電阻壓降，並假設磁路為線性，則式(2)中可寫為
其中，ω為(機械)角速度，ω＝dθ/dt；er為由於磁鏈變化在繞組中引起的感應電動勢，稱為變壓器電動勢；ea為由於轉子旋轉使繞組交鏈的磁鏈變化引起的感應電動勢，稱為旋轉電動勢。
進一步考察雙定子周向錯位角電勵磁直流電機能量流，有：
式(5)表明，輸入功率的一部分轉為磁場儲能增量；另一部分則為輸出的機械功率。可以說，雙定子周向錯位角電勵磁直流電機正是利用其不斷的能量儲存、轉換而獲得高效、大功率的性能。
②轉矩平衡方程式
根據能量守恆定律，在旋轉電機的機電能量轉換中，存在著以下平衡關係：電源輸入的電能＝磁場儲能的增量+輸出的機械能+轉換成的熱能。
在不考慮電路中電阻損耗、鐵芯損耗和轉子旋轉產生機械損耗的情況下，繞組輸入的電能we應等於結構中磁儲能wf與輸出機械能wm之和，即為：
we＝wf+wm(6)
如果把電壓u和感應電勢e的參考方向選得一致，根據電磁感應定律，繞組電路的電壓方程為
繞組輸入的電能可由其端電壓、端電流計算，即為
dwe＝uidt(8)
將式(7)代入式(8)，得
dwe＝idψ(9)
機械能可由電磁轉矩te和角位移θ計算，即為
dwm＝tedθ(10)
將式(9)和式(10)代入式(6)，則得
dwf(ψ，θ)＝idψ-tedθ(11)
式(11)表明，對無損系統，磁儲能是由獨立變量ψ和θ表示的狀態變量，磁儲能ψ由θ和所決定。當ψ為恆定值時，由式(9)得到一般轉矩計算式，為
在考慮轉子處於任意位置時的電磁轉矩時，可以假設轉子無機械轉動，則由式(6)得
dwe＝dwf(13)
將式(13)代入式(9)，得
設磁路中無磁滯損耗，再假設磁路為線性磁路(這在氣隙不太小，磁路不太飽和時近似成立)，則磁鏈ψ可由電感l表示為
ψ＝li(15)
將式(15)代入式(14)，得到磁儲能的計算式
將式(16)代入式(12)，得
由以上分析可知：
(1)電磁轉矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大後鐵芯飽和的影響，轉矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉矩，並且可以通過控制繞組電流得到恆轉矩輸出的特性；
(2)轉矩的方向與繞組電流的方向無關，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會產生正向電磁轉矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會產生反向的電磁轉矩；
(3)雙定子周向錯位角電勵磁直流電機的電磁轉矩是由轉子轉動時氣隙磁導變化產生的，當磁導對轉角的變化率大時，轉矩也大，因此在第一組定子凸極與轉子凸極脫離最大磁導變化率點時，第二組定子凸極與轉子凸極達到最大磁導變化率的點，如圖4所示在理想情況下可輸出波動較小的轉矩，可有效的抑制較大轉矩差的出現，從而降低轉矩脈動。
在上述原理的基礎上，為實現調節電動機的轉矩的目的，將兩組定子繞組分別獨立控制，通過分別檢測和定義兩側定子繞組的電流和磁鏈來計算轉子角度，達到兩側繞組單獨換相與任意時刻電機兩側繞組都有同時導通相之目的，且產生的轉矩相互疊加，電磁轉矩增加的同時減小了轉矩脈動。本實施例採用的控制方法為，採用基於神經網絡角度優化位置控制的方式，在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變與繞組串聯的主開關管的導通角θon和關斷角θoff，控制原理如圖8所示，具體方法包括以下步驟。
步驟1：將單套三相不對稱半橋驅動電路進行並聯，形成雙套驅動電路，分別用於驅動控制兩套定子繞組；如圖9所示，其中windinga、windingb、windingc及windinga1、windingb1、windingc1分別為兩套定子繞組的電感線圈。
步驟2：電網經過整流電路向三相不對稱半橋驅動電路中的儲能電容器c1和c2充電，分別對兩套三相不對稱半橋驅動電路供電；
步驟3：在兩個轉子上分別安裝位置傳感器，並將兩個位置傳感器信號分別連接至兩套位置捕獲電路中，通過中央處理器來處理兩組位置的實時信號，確定兩套驅動電路中的igbt的導通相序，從而控制兩組定子繞組的通電順序；
步驟4：進行樣本測試，初始化後保持導通角θon不變，對關斷角θoff進行優化搜索，得到準確的最優關斷角，如圖10所示，具體方法為：
步驟4.1：初始化步長δθ改變符號的次數csv為0，設定轉速和轉矩；由式(18)、(19)初始化θon和θoff；
其中，θm為繞組電流曲線的第一個峰值所在的轉子角度，一般與電機轉速相對應，可通過實驗獲得；lna為轉子和定子處在二凸極未對齊位置時的電感大小；n為電機轉速，單位是rpm/min，n＝9.55w，w為轉子角速度，單位是rad/s；vdc為加在定子繞組上的直流電壓；iref為參考電流；
其中，ra和ru分別是對齊電感和非對齊電感量的倒數，rua＝ru-ra，α＝ra/rua；θa為轉子對齊電感角度；x為一常量，通常在和之間；
步驟4.2：待系統工作在穩定的轉速上後，得到當前電流值i0；
步驟4.3：將θoff減少一個步長δθ，δθ根據搜索收斂速度和搜索精度進行確定；具體實施中，步長δθ很小，根據搜索收斂速度和搜索精度進一步確定其具體取值；
步驟4.4：待系統工作在穩定的轉速上後，比較當前電流值i1和上一次系統穩定後的電流值i0的大小；如果i1大於i0，則直接執行步驟4.5；否則，改變δθ的符號，並記錄δθ改變符號的次數csv，執行步驟4.5；
步驟4.5：判斷δθ改變符號的次數csv是否等於2；若是，則說明電流最小值就在當前電流值附近，且最優關斷角θoff可達到當前關斷角附近的2-3個δθ範圍內，則退出搜索過程，此時的電流值i1即為在設定的轉速和轉矩下的最小電流值，此時的θoff為準確的最優關斷角，執行步驟5；若否，則令i1＝i0，返回步驟4.3，繼續減小θoff；
步驟5：訓練rbf神經網絡，如圖11所示，具體方法為：
步驟5.1：將預測樣本集的轉速w0和轉矩t0輸入rbf神經網絡中，輸出關斷角
步驟5.2：將步驟4樣本測試時得到的準確的最優關斷角θoff輸入到rbf神經網絡中，將網絡輸出的關斷角與準確的最優關斷角θoff比較，得到誤差δθoff；
步驟5.3：判斷誤差δθoff的絕對值是否小於預設誤差閾值，若是，則訓練結束，得到一個具有計算最優關斷角θoff能力的rbf神經網絡，執行步驟6；若否，則用誤差δθoff經過權值修正算法修正rbf神經網絡各節點的權值，返回步驟5.1；本實施例中，預設誤差閾值為0.1，具體實施中，可由具體情況適時改動；
步驟6：將實時得到的轉速w和轉矩t輸入到訓練後的rbf神經網絡中，得到最優關斷角，由中央處理器輸出換相邏輯信號，對驅動電路進行控制，實現兩組定子繞組的獨立控制。
本實施例提供的一種雙定子周向錯位角電勵磁直流電機及其控制方法，在定子周向錯位的同時在兩組定子之間加入勵磁線圈，通過將兩組定子凸極在周向上錯開一定機械角的方式，從根本上減少轉矩脈動，勵磁線圈的優勢在於避免了永磁體的退磁風險，可以在更為惡劣的環境下使用，從而提高了電機的可靠性，並且提高了轉矩和轉速額定控制範圍。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明權利要求所限定的範圍。