一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法
阅读说明：本技术 一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法 (Method for controlling rotating speed of birotor permanent magnet synchronous motor in variable load ) 是由 赵金晓 潘峰 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法。电机进入预启动状态；电流传感器检测电机定子绕组中的电流i-a,i-b,i-c；选取电机永磁体外转子作为优选控制对象,通过光电编码器采集永磁体外转子和永磁体内转子的位置信息,对比永磁体外转子和永磁体内转子的位置信号θ-1和θ-2,若θ-1≤θ-2,则将永磁体外转子的位置信息θ-1和转速信息n-1作为系统的反馈信号,若θ-1>θ-2,则将永磁体内转子的位置信息θ-2和转速信息n-2作为系统的反馈信号；检测系统是否发出停机信号,若无停机信号,重复上述方案,若有停机信号,电机停转。为了解决现有双转子永磁同步电机在变负载的应用场合下,因双转子的负载转矩不平衡而导致的转速失步问题。(The invention discloses a method for controlling the rotating speed of a double-rotor permanent magnet synchronous motor in variable load. The motor enters a pre-starting state; the current sensor detects the current i in the stator winding of the motor a ，i b ，i c (ii) a Selecting the permanent magnet outer rotor of the motor as an optimal control object, acquiring position information of the permanent magnet outer rotor and the permanent magnet inner rotor through a photoelectric encoder, and comparing position signals theta of the permanent magnet outer rotor and the permanent magnet inner rotor 1 And theta 2 If theta 1 ≤θ 2 Then the position information theta of the outer rotor of the permanent magnet is obtained 1 And rotational speed information n 1 As a feedback signal of the system, if theta 1 >θ 2 Then the position information theta of the rotor in the permanent magnet is obtained 2 And rotational speed information n 2 As a feedback signal for the system; detecting whether the system sends out a stop signal, if no stop signal exists, repeating the scheme, and if the system has a stop signalAnd (5) signaling that the motor stops running. The problem of rotating speed desynchronization caused by unbalanced load torque of double rotors in the variable-load application occasion of the conventional double-rotor permanent magnet synchronous motor is solved.)
技术领域
本发明属于电机控制领域；具体涉及一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法。
背景技术
双转子永磁同步电机的两个转子可以在同一轴上反向旋转，为被控装置提供动力。其反向旋转特性使得双转子永磁同步电机常与对转螺旋桨配合使用，两组桨叶在旋转时产生的可以相互抵消的涡流，减少系统的能量损失，提升推进效率。同时，双转子电机与对转螺旋桨的直接配合可以取代掉传统结构中的行星齿轮变速器，降低驱动系统的质量，节约空间，提升功率密度。此外，相比于传统的单转子永磁电机，双转子永磁电机的定子绕组产生主磁通全部被转子利用，漏磁较小，使得系统的损耗有所降低，电机的能量转换效率提升。因此，双转子永磁同步电机广泛地应用于为轮船、水下航行器、螺旋桨飞机等提供动力。
在实际的应用当中，当双转子永磁电机为水下航行器、轮船或飞机等提供动力时，其连接的对转螺旋桨必须在不同水况或风况下工作。当遇到水流或气流湍流时，对转螺旋桨上需要承担的负荷就会发生变化，使得双转子永磁同步电机中两个转子上的负载不同。此时，若不对电机中两个转子的转速进行控制，不对称的负载会使得电机中两个转子中转速的不同，造成双转子失步现象，进而导致水下航行器或螺旋桨飞机等出现侧翻螺旋等事故。因此，研究变负载时双转子永磁同步电机中转子转速的同步控制，对杜绝或有效减少水下航行器、轮船或螺旋桨飞机等在运行过程中的危害故障发生具有重要意义。
国内外学者针对双转子永磁同步电机中转子转速的同步控制方法进行了深入的研究。现有技术中通过行星齿轮和太阳轮齿数比的配合，实现了双转子转速和转矩的控制。然而，上述结构中太阳轮与行星轮之间的齿数比是保证双转子同速旋转的关键，需要设计并选择合理的齿数比。一旦设计完成后，齿数比将会固定，这使得双转子电机很难满足系统对变化负载的要求。因此，对于负载会随时发生变化的双转子永磁同步电机来说，机械同速器结构中的太阳轮与行星轮之间的齿数比设计困难。现有技术中通过采集两套转子绕组的转速信号，通过两路驱动器来产生驱动信号，进而分别控制两个转子的转速。但是该方法需要在定子上布置两套定子绕组和两套驱动器装置，这一方面增加了控制系统的成本和安装体积，另一方面使得定子绕组产生的磁场不能完全被两套转子利用，增加了系统漏抗，降低了系统效率。
发明内容
本发明提供了一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法，是为了解决现有双转子永磁同步电机在变负载的应用场合下，因双转子的负载转矩不平衡而导致的转速失步问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法，所述转速控制方法包括以下步骤：
步骤1：电机进入预启动状态，输入电机所需的额定转速n*和额定直轴电流id *；
步骤2：电流传感器检测电机定子绕组11中的电流ia，ib，ic，经Clark变换和Park变换后转化为直轴电流id和交轴电流iq，输入到电机的DSP控制器中；
步骤3：选取电机永磁体外转子12作为优选控制对象，
步骤4：通过光电编码器采集永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信息，
步骤5：对比永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号θ1和θ2，若θ1≤θ2，则跳转至步骤6，若θ1>θ2，则跳转至步骤7；
步骤6：将永磁体外转子12的位置信息θ1和转速信息n1作为系统的反馈信号，即θ＝θ1，n＝n1；
步骤7：将永磁体内转子13的位置信息θ2和转速信息n2作为系统的反馈信号，即θ＝θ2，n＝n2；
步骤8：检测系统是否发出停机信号，若无停机信号，重复步骤4至步骤7，若检测到停机信号，切断三相逆变源供电，电机停转。
进一步的，所述步骤3以永磁体外转子12的转速信息n1和位置信息θ1作为反馈信号，通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，控制电机启动，使得id＝id *，n1＝n。
进一步的，所述步骤4经正交编码模块后得到永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号θ1，θ2和转速信号n1，n2，并将其发送给DSP控制器。
进一步的，首先选取外转子作为控制对象，通过转速控制器和电流控制器使得定子绕组的直轴电流id和交轴电流iq等于额定直轴电流id *和额定交轴电流iq *，此时外转子的磁链ψ1被选择定向，即ψ1与额定直轴电流id *的方向夹角固定，假设额定直轴电流id *＝0，此时外转子的转矩角ξ1＝90°。外转子上的电磁转矩TE1满足：
内转子的转矩角为ξ2，则此时内转子上的电磁转矩TE2满足：
由于定子绕组的对称性，当定子绕组中电流固定时，外转子的磁链ψ1和内转子的磁链ψ2相等：
ψ1＝ψ2 (3)
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2相同时，即：TL1＝TL2；
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1>TL2时；
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1<TL2时。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2相同时，即：TL1＝TL2；
由于外转子为系统的控制对象，外转子的转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ1＝90°，
忽略机械损耗时，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于两个转子的负载转矩相同TL1＝TL2，此时内转子的转矩角ξ2等于外转子的转矩小ξ1，由式(2)可知，内转子的电磁转矩TE2与负载转矩TL2也相等，此时内转子可以伴随外转子在额定转速下保持稳态运行。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1>TL2时；
由于外转子为系统的控制对象，外转子的转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ1＝90°，
忽略机械损耗时，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1>TL2，负载转矩将会使得内转子的位置角θ2大于外转子的位置角θ1，此时内转子的转矩角ξ2将会小于90°，由式(2)可知，随着内转子的转矩角ξ2的减小，内转子的电磁转矩TE2将会随之减小，当内转子的电磁转矩TE2减小到与TL2相等时，内转子的位置角θ2和转矩角ξ2固定，此时内转子的电磁转矩与负载转矩相同，内转子可以伴随外转子在额定转速下保持稳态运行。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1<TL2时；
由于外转子为系统的控制对象，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1<TL2，负载转矩将会使得内转子的位置角θ2小于外转子的位置角θ1，此时内转子的转矩角ξ2将会大于90°，由式(2)可知，随着内转子的转矩角ξ2的增大，内转子的电磁转矩TE2同样将会随之减小，此时当内转子的电磁转矩TE2将会一直小于其负载转矩TL2，这会导致内转子的电磁转矩与负载转矩无法相等，使得内转子处于不稳定状态下，进而导致内转子失步，无法以同样的转速与外转子同步旋转；
因此，此时应该将内转子设定为系统的控制对象，使得内转子转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ2＝90°，忽略机械损耗时，其电磁转矩TE2与负载转矩TL2相等，内转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1<TL2，负载转矩将会使得外转子的位置角θ1大于内转子的位置角θ1，此时外转子的转矩角ξ1将会小于90°，由式(1)可知，随着外转子的转矩角ξ1的减小，外转子的电磁转矩TE1将会随之减小，当外转子的电磁转矩TE1减小到与负载转矩TL1相等时，外转子的位置角θ1和转矩角ξ1固定，此时外转子的电磁转矩与负载转矩相同，外转子可以伴随内转子在额定转速下保持稳态运行。
本发明的有益效果是：
1.本发明的控制策略可以根据双转子的负载变化实时地选择最优转子进行转速恒定控制，合理地分配不同转子上的电磁转矩，使得两个负载不同的转子上的电磁转矩可以实时地与非对称的负载转子保持平衡，进而实现对两个转子同步控制的目的，并保证另一转子可以保持同速跟随旋转，避免当双转子负载非对称变化时造成的电机转速失步问题。
2.本发明相比于基于行星齿轮同速器的转速同步控制方法，本发明所述的控制策略无需占用电机中较大安装空间，无噪声污染和机械损耗。相比于基于两套控制器的双转子电机控制方法，本发明所述的控制策略仅需一套控制器，一套定子绕组和一套三相逆变源即可同时实现两个转子的转速控制，具有成本低，可靠性高，安装体积小的优点，系统的能量转换效率更高。
附图说明
图1为双转子永磁同步电机的结构示意图。
图2为双转子永磁同步电机的工作原理示意图。
图3为本发明双转子永磁同步电机的控制系统的原理框图。
图4为本发明双转子永磁同步电机变负载时转速控制策略的流程图。
图5为本发明转速在双转子负载平衡变化时的波形图。
图6为本发明转速在双转子负载非平衡变化时(TL1>TL2)的波形图。
图7为本发明转速在双转子负载非平衡变化时(TL1<TL2)的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种双转子永磁同步电机，所述电机包括一套定子绕组11、永磁体外转子12和永磁体内转子13；所述永磁体外转子12位于定子绕组11外侧，所述永磁体内转子13位于定子绕组11内侧；所述定子绕组11的极对数和永磁体外转子12、永磁体内转子13的极对数相同；所述定子绕组11采用背绕式绕法，通过三相线圈缠绕硅钢片14，在定子绕组11两侧产生幅值相同，但行波方向相反的正弦行波磁场，驱动永磁体内转子13和永磁体外转子12按照相反的方向选取，永磁体内转子13和永磁体外转子12分别连接对转螺旋桨的两个转轴，驱动两个对转螺旋桨反向旋转，产生推动力驱动水下航行器或螺旋桨飞行器运转。
一种双转子永磁同步电机的控制系统，所述控制系统包括双转子永磁同步电机1、三相逆变源2、DSP控制器3、光电编码器4、电流传感器5、电流调节器和转速调节器；
所述光电编码器4安装于电机内部，用于检测永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号，通过正交编码器处理后可以得到永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信息和转速信息；
所述电流传感器5安装于电机的定子绕组11中，用于检测三相定子绕组11的电流；
所述转速调节器和电流调节器均为PID控制器，通过对转速信号和电流信号的偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，使得电机运行在额定转子和额定电流的工作状态。
一种双转子永磁同步电机在变负载时的转速控制方法，所述转速控制方法包括以下步骤：
步骤1：电机进入预启动状态，输入电机所需的额定转速n*和额定直轴电流id *；
步骤2：电流传感器检测电机定子绕组11中的电流ia，ib，ic，经Clark变换和Park变换后转化为直轴电流id和交轴电流iq，输入到电机的DSP控制器中；
步骤3：选取电机永磁体外转子12作为优选控制对象，
步骤4：通过光电编码器采集永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信
步骤5：对比永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号θ1和θ2，若θ1≤θ2，则跳转至步骤6，若θ1>θ2，则跳转至步骤7；
步骤6：将永磁体外转子12的位置信息θ1和转速信息n1作为系统的反馈信号，即θ＝θ1，n＝n1；系统以永磁体外转子12作为控制对象，不对永磁体内转子13进行控制，通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，使得n1＝n*；永磁体外转子12的转速等于额定转子，永磁体内转子13与永磁体外转子12位置角的差(θ2–θ1)增加至一定值后，永磁体内转子13达到平衡状态，此时永磁体内转子13则会保持相同的转速跟随永磁体外转子12旋转；
步骤7：将永磁体内转子13的位置信息θ2和转速信息n2作为系统的反馈信号，即θ＝θ2，n＝n2；系统以永磁体内转子13作为控制对象，通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，使得n2＝n*；永磁体内转子13的转速等于额定转子，永磁体外转子12与永磁体内转子13位置角的差(θ1–θ2)增加至一定值后，永磁体外转子12达到平衡状态，此时永磁体外转子12则会保持相同的转速跟随永磁体内转子13旋转，系统工作在额定状态；
步骤8：检测系统是否发出停机信号，若无停机信号，重复步骤4至步骤7，此时不平衡的负载变化会导致永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号θ1和θ2发生变化，通过比较θ1和θ2的差值，对应切换双转子永磁同步电机的控制对象，使得两个转子的转速时刻工作在额定状态；若检测到停机信号，切断三相逆变源供电，电机停转。
进一步的，所述步骤3以永磁体外转子12的转速信息n1和位置信息θ1作为反馈信号，通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，控制电机启动，使得id＝id *，n1＝n。
进一步的，所述步骤4经正交编码模块后得到永磁体外转子12和永磁体内转子13的位置信号θ1，θ2和转速信号n1，n2，并将其发送给DSP控制器。
进一步的，首先选取外转子作为控制对象，通过转速控制器和电流控制器使得定子绕组的直轴电流id和交轴电流iq等于额定直轴电流id *和额定交轴电流iq *，此时外转子的磁链ψ1被选择定向，即ψ1与额定直轴电流id *的方向夹角固定，假设额定直轴电流id *＝0，此时外转子的转矩角ξ1＝90°。外转子上的电磁转矩TE1满足：
内转子的转矩角为ξ2，则此时内转子上的电磁转矩TE2满足：
由于定子绕组的对称性，当定子绕组中电流固定时，外转子的磁链ψ1和内转子的磁链ψ2相等：
ψ1＝ψ2 (3)
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2相同时，即：TL1＝TL2；
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1>TL2时；
当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1<TL2时。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2相同时，即：TL1＝TL2；
由于外转子为系统的控制对象，外转子的转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ1＝90°，
忽略机械损耗时，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于两个转子的负载转矩相同TL1＝TL2，此时内转子的转矩角ξ2等于外转子的转矩小ξ1，由式(2)可知，内转子的电磁转矩TE2与负载转矩TL2也相等，此时内转子可以伴随外转子在额定转速下保持稳态运行。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1>TL2时；
由于外转子为系统的控制对象，外转子的转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ1＝90°，
忽略机械损耗时，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1>TL2，负载转矩将会使得内转子的位置角θ2大于外转子的位置角θ1，此时内转子的转矩角ξ2将会小于90°，由式(2)可知，随着内转子的转矩角ξ2的减小，内转子的电磁转矩TE2将会随之减小，当内转子的电磁转矩TE2减小到与TL2相等时，内转子的位置角θ2和转矩角ξ2固定，此时内转子的电磁转矩与负载转矩相同，内转子可以伴随外转子在额定转速下保持稳态运行。
进一步的，当内转子和外转子的负载转矩TL1，TL2满足：TL1<TL2时；
由于外转子为系统的控制对象，其电磁转矩TE1与负载转矩TL1相等，外转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1<TL2，负载转矩将会使得内转子的位置角θ2小于外转子的位置角θ1，此时内转子的转矩角ξ2将会大于90°，由式(2)可知，随着内转子的转矩角ξ2的增大，内转子的电磁转矩TE2同样将会随之减小，此时当内转子的电磁转矩TE2将会一直小于其负载转矩TL2，这会导致内转子的电磁转矩与负载转矩无法相等，使得内转子处于不稳定状态下，进而导致内转子失步，无法以同样的转速与外转子同步旋转；
因此，此时应该将内转子设定为系统的控制对象，使得内转子转速和转矩始终得到控制，因此其转矩角及电磁转矩满足：ξ2＝90°，忽略机械损耗时，其电磁转矩TE2与负载转矩TL2相等，内转子可以保持在额定转速稳态运行；
由于TL1<TL2，负载转矩将会使得外转子的位置角θ1大于内转子的位置角θ1，此时外转子的转矩角ξ1将会小于90°，由式(1)可知，随着外转子的转矩角ξ1的减小，外转子的电磁转矩TE1将会随之减小，当外转子的电磁转矩TE1减小到与负载转矩TL1相等时，外转子的位置角θ1和转矩角ξ1固定，此时外转子的电磁转矩与负载转矩相同，外转子可以伴随内转子在额定转速下保持稳态运行。
综上所述，当光电编码器检测到外转子的位置角θ1大于内转子的位置角θ2时，即θ1>θ2,系统应以内转子作为控制对象，不对外转子进行控制，通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，使得内转子的转速n2＝n*；此时外转子与内转子位置角的差(θ1–θ2)增加至一定值后，外转子的电磁转矩TE1等于其负载转矩TL1，达到平衡状态，外转子则会保持相同的转速跟随外转子旋转；
当光电编码器检测到外转子的位置角θ1小于等于内转子的位置角θ2时，即θ1≤θ2，系统应以外转子作为控制对象，将外转子的位置信息θ1和转速信息n1作为系统的反馈信号，即θ＝θ1，n＝n1；通过电流控制器和转速控制器进行双闭环控制，使得外转子的转速等于额定转子，此时内转子与外转子位置角的差(θ2–θ1)增加至一定值后，外转子达到平衡状态，此时内转子则会保持相同的转速跟随外转子旋转，系统工作在额定状态；通过上述控制策略，当双转子永磁同步电机的内转子和外转子的负载转矩不平衡时，本发明所述的控制策略可以实时地保持内转子和外转子的转速等于额定转速，避免因为内外转子的转速失步问题导致水下航行器或螺旋桨飞机出现侧翻螺旋故障。
实施例2
本实施例对实施例1作进一步说明。
在本发明所述的控制策略下，当双转子的负载转矩在1s时对称地由5Nm增加到10Nm时，转子转速的变化波形图如附图5所示；当负载恒定时，双转子的转速由0迅速恒定在额定转速附近；在1s时，当负载对称增加时，转速开始由于负载转矩增大而出现较小幅度的降低，经过0.1s的调整后，双转子的转速继续恒定在额定转速处，此时外转子和内转子保持相同的转速额定运行；
在本发明所述的控制策略下，当外转子的负载转矩在1s时由5Nm增加到10Nm，而内转子的负载转矩由5Nm增加到6Nm时，即TL1>TL2，转子转速的变化波形图如附图6所示；当负载恒定时，双转子的转速由0迅速恒定在额定转速附近；在1s时，当负载非对称增加时，双转子的转速开始由于负载转矩增大均开始降低，此时系统开始以外转子作为控制对象，经过0.25s的调整后，外转子的转速恒定在额定转速附近，内转子的此时开始随外转子的转速进行随动变化，在1.75s时内转子的转速恒定在额定转速附近，此时外转子和内转子保持相同的转速额定运行；
在本发明所述的控制策略下，当外转子的负载转矩在1s时由5Nm增加到6Nm，而内转子的负载转矩由5Nm增加到10Nm时，即TL1<TL2，转子转速的变化波形图如附图6所示；当负载恒定时，双转子的转速由0迅速恒定在额定转速附近；在1s时，当负载非对称增加时，双转子的转速开始由于负载转矩增大均开始降低；通过检测位置角信息，此时系统切换控制对象，开始以内转子作为控制对象，经过0.25s的调整后，内转子的转速恒定在额定转速附近，此时外转子开始随内转子的转速进行随动变化，在1.75s时外转子的转速恒定在额定转速附近，此时外转子和内转子保持相同的转速额定运行。
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