一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识模型构建方法、模型及方法

摘要

本发明公开了一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识模型构建方法、模型及方法，根据单定子双转子盘式对转永磁同步电机的结构，建立两相静止坐标系下盘式对转电机的定子电流状态方程，计算电流矢量，然后根据静止坐标系下电压矢量、电流矢量及其偏差，借助Popov超稳定性理论建立参数的辨识模型并推导出待辨识参数的自适应律，最后将模型参考自适应所得到的在线观测的电机参数代入磁链的电流模型进行定子磁链的辨识。本发明克服了两转子坐标系复杂的耦合过程，使磁链的矢量叠加反映地更加直观，具有较强的鲁棒性且辨识结果的准确度高。

说明书

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种新型电机即单定子双转子盘式对转永磁同步电机，具体涉及一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识模型构建方法、模型及方法。

背景技术

本发明所述的单定子双转子盘式对转永磁同步电机采用盘式结构，定子绕组采用两相交叉环绕方式绕制于定子铁芯上，两个盘式永磁转子在机械上相互独立，对称分布于定子两侧，用“三明治”的形式将盘式定子夹在中间，定子绕组中通入对称三相电流后，定子两侧产生方向相反、速度相同的旋转磁场，从而吸引转子按相反的方向同步旋转，两个转子通过轴承固定在基座上的，以内外嵌套轴输出，驱动两个螺旋桨反向旋转。这种新型电机极大的减小了设备的体积和重量，提高了工作效率，能很好的满足节能和调速的要求，有着优越的运行性能，因此，在水下航行器和飞行器领域有着很好的应用前景。

这种新型电机的控制研究还处于起步阶段，湖南大学的成双银博士研究了单定子双转子盘式对转永磁同步电机的矢量控制方法，提出了一种动态主-从控制策略，解决了负载不平衡时的控制问题，但是矢量控制的方法也存在一些问题，如在负载不平衡严重的情况下，处于跟随状态的转子会出现大的转矩、转速波动。

现有研究还公开了一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机的直接转矩控制方法；直接转矩控制摒弃了矢量控制的解耦思想，避免了矢量控制中复杂的坐标变换，定子磁链的估计减弱了对电机参数的依赖性。所以直接转矩控制具有控制简单，转矩响应快，动态性能好的优点。针对单定子、双转子对转永磁电机矢量控制存在的问题，考虑到直接转矩控制方法的优点，拟运用直接转矩控制方法来实现单定子、双转子对转永磁电机的控制，实现对不平衡负载下两个转子转矩“兼顾”控制，从而解决负载不平衡下处于跟随状态的转子转矩、转速波动大的问题，以及改善系统的动态响应特性。

为了实现直接转矩控制方法，必存在定子磁链的闭环，所以首先要解决单定子双转子盘式对转电机定子磁链辨识的问题；但是，当负载不平衡时，两个转子气隙同时与定子进行磁场耦合过程十分复杂，并且两定子电压方程中存在两个转子的反电动势的叠加情况复杂；这给定子双转子盘式对转电机定子磁链辨识带来了极大的困难。

因此，研究一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识方法十分必要且意义重大。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供了一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识模型构建方法、模型及方法，本发明具有较强的鲁棒性且辨识结果的准确度高。

为实现上述目的，本发明所采用的方案是：

一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识方法，所述的单定子双转子盘式对转永磁同步电机采用盘式结构，定子绕组采用两相交叉环绕方式绕制于定子铁芯上，两个盘式永磁转子对称分布于定子两侧，在机械上相互独立，用“三明治”的形式将盘式定子夹在中间，两个转子通过轴承固定在基座上的，以内外嵌套轴输出，驱动两个螺旋桨反向旋转；

所述定子磁链辨识方法步骤如下：

步骤1、在两相静止坐标系α-β轴上建立单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子电压方程：

其中：u_α、u_β为定子α、β轴电压，i_α、i_β为定子α、β轴电流，R_s为定子电阻，L为定子电感，为永磁磁链，ω₁、ω₂、θ₁、θ₂为盘式对转电机两转子的角速度和盘式对转电机两转子位置角；

根据上述定子电压方程，以定子α轴和β轴电压u_α和u_β为输入量，定子α轴和β轴电流i_α和i_β为状态量，建立单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子电流状态方程即参考模型：

其中，P为微算子，其意义为d/dt；R_s为定子电阻，L为定子电感，为永磁磁链，ω₁、ω₂、θ₁和θ₂分别为单定子双转子盘式对转永磁同步电机两转子的角速度和位置角；

步骤2、在状态方程的基础上结合模型参考自适应原理，构造可调模型：

令根据Popov超稳定性定理，得到各参数的自适应律：

其中，和为可调模型的输出量，即α轴和β轴电流估计值；为定子α轴和β轴电流估计值偏差；1/s为积分因子；为永磁磁链估计值，为定子电感估计值；K_g1为第一PI调节器的比例系数，K_g2为第一PI调节器的积分系数；K_h1为第二PI调节器的比例系数，K_h2为第二PI调节器的积分系数；

步骤3、在两相静止坐标系α-β轴上建立定子磁链的电流模型：

其中，和分别为定子α轴和β轴磁链；

由此得到定子磁链辨识模型为：

其中，为定子磁链。

本发明还提供了一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识模型，其数学表达式为：

其中，和分别为定子α轴和β轴磁链：

其中，和为可调模型的输出量，即α轴和β轴电流估计值；为永磁磁链估计值，为定子电感估计值；各参数取值通过以下可调模型及其各参数的自适应律获取：

其中，1/s为积分因子；e_α和e_β为定子α轴和β轴电流估计值偏差，K_g1为第一PI调节器的比例系数，K_g2为第一PI调节器的积分系数；K_h1为第二PI调节器的比例系数，K_h2为第二PI调节器的积分系数；i_α和i_β为定子α轴和β轴，其中通过以下参考模型获取：

其中，P为微算子，其意义为d/dt；u_α和u_β为定子α轴和β轴电压；R_s为定子电阻，L为定子电感，为永磁磁链，ω₁、ω₂、θ₁和θ₂分别为单定子双转子盘式对转永磁同步电机两转子的角速度和位置角；R_s、L和的取值由电机铭牌查得；ω₁、ω₂、θ₁和θ₂编码器测得；u_α和u_β由电压传感器检测到的电机ABC三相定子电压经过clark变换得到。

本发明还提供了一种单定子双转子盘式对转永磁同步电机定子磁链辨识方法，基于上述辨识模型进行定子磁链辨识；

首先，确定定子电阻R_s、定子电感L和永磁磁链测得电机两转子角速度和位置角ω₁、ω₂、θ₁和θ₂，以及定子α轴和β轴电压u_α和u_β；

然后，根据参考模型计算得到定子α轴和β轴电流i_α和i_β；根据可调模型及其各参数的自适应律计算得到永磁磁链估计值定子电感估计值以及定子α轴和β轴电流估计值和

最后，根据定子磁链的电流模型和定子磁链辨识模型计算得到定子磁链

进一步地，由电机铭牌查得定子电阻R_s、定子电感L和永磁磁链由编码器测得电机两转子角速度和位置角ω₁、ω₂、θ₁和θ₂，由电压传感器检测到电机ABC三相定子电压并经过clark变换得到定子α轴和β轴电压u_α和u_β。

进一步地，第一PI调节器的比例系数K_g1取值为1，第一PI调节器的积分系数K_g2取值为0.6；第二PI调节器的比例系数K_h1取值为1，第二PI调节器的积分系数K_h2取值为0.15。

有益效果：

本发明根据单定子双转子盘式对转永磁同步电机的结构，建立两相静止坐标系下盘式对转电机的定子电流状态方程，计算电流矢量，然后根据静止坐标系下电压矢量、电流矢量及其偏差，借助Popov超稳定性理论建立参数的辨识模型并推导出待辨识参数的自适应律，最后将模型参考自适应所得到的在线观测的电机参数代入磁链的电流模型进行定子磁链的辨识。本发明克服了两转子坐标系复杂的耦合过程，使磁链的矢量叠加反映地更加直观，具有较强的鲁棒性且辨识结果的准确度高。具有以下优点：

(1)基本解决了盘式对转电机的定子磁链方程，直观地反应了磁链的矢量合成；(2)采用模型参考自适应方法，系统有较强鲁棒性；(3)将模型参考自适应方法与电流模型的磁链方法结合起来，对定子磁链的辨识结果的准确度较高。

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

附图说明

图1单定子双转子盘式对转永磁同步电机示意图；

图2单定子双转子盘式对转永磁同步电机矢量图；

图3参数自适应辨识系统结构；

图4定子磁链辨识模型框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施具体方式对本发明进行详细的描述。

图1为单定子双转子盘式对转永磁同步电机示意图；所述的单定子双转子盘式对转永磁同步电机采用盘式结构，定子绕组采用两相交叉环绕方式绕制于定子铁芯上，两个盘式永磁转子(第一转子和第二转子)对称分布于定子两侧，在机械上相互独立，用“三明治”的形式将盘式定子夹在中间，两个转子通过轴承固定在基座上的，以内外嵌套轴输出，驱动两个螺旋桨反向旋转。以下将单定子双转子盘式对转永磁同步电机简述为盘式对转电机。

由图1即盘式对转电机的结构分析知，盘式对转电机相当于两普通永磁同步电机的串联，则有：

i_α1＝i_α2＝i_α、i_β1＝i_β2＝i_β

u_α＝u_α1+u_α2、u_β＝u_β1+u_β2

其中：i_α1、i_β1为定子电流矢量转子1侧α、β轴分量；i_α2、i_β2为定子电流矢量转子2侧α、β轴分量；u_α1、u_β1为定子电压矢量转子1侧α、β轴分量；u_α2、u_β2为定子电压矢量转子2侧α、β轴分量。

由于电机结构的对称性，电机电感有L_α1＝L_β1＝L_α2＝L_β2＝L，两侧永磁磁链有

图2为单定子双转子盘式对转永磁同步电机在两相静止坐标系下的矢量图；

将第二转子转速反向，则两转子置于同一坐标系下；在两相静止坐标系α、β轴下，普通的永磁同步电机α、β轴定子电压方程为：

根据盘式对转电机的结构，则将两等效普通永磁同步电机的定子电压方程相加即得盘式对转电机的电压方程，盘式对转电机定子电压方程为：

其中：u_α、u_β为定子α、β轴电压，i_α、i_β为定子α、β轴电流，R_s为定子电阻，L为定子电感，为永磁磁链，ω₁、ω₂、θ₁、θ₂为盘式对转电机两转子的角速度和盘式对转电机两转子位置角。

图3为参数自适应辨识系统结构；

由电机铭牌查得定子电阻、定子电感、永磁磁链，由编码器测得两转子角速度和位置角，以电压传感器检测到的三相ABC定子电压经过clark变换得到的u_α，u_β为输入量，i_α，i_β为状态量，得状态方程为：

令

参考模型即状态方程简写为：

Pi＝Ai+Bu+C

其中：电流状态矢量i＝[i_α>β]^T，电压矢量u＝[u_α>β]^T，系数矩阵常数项矩阵P为微算子，其意义为d/dt；

基于状态方程构造的可调模型：

其中：状态变量含有可调参数的系数矩阵常数项矩阵

可调参数为矩阵中的根据Popov超稳定性定理，得到各参数的自适应律：

其中：i_α、i_β为参考模型的输出量，为可调模型的输出量，为定子α、β轴电流差，1/s为积分因子，K_g1为第一PI调节器的比例系数，取值为1，K_g2为第一PI调节器的积分系数，取值为0.6；K_h1为第二PI调节器的比例系数，取值为1，K_h2为第二PI调节器的积分系数，取值为0.15；如图3所示，Popov稳定理论决定了上述构建的可调模型和推导的参数自适应律组成了一个稳定的系统；该系统中可调模型随着可调参数的调整不断跟踪实际盘式对转电机系统，当系统稳定时，可调模型就非常逼近实际盘式对转电机系统，这时的可调参数也就如实地反映了盘式对转电机的参数；根据系统稳定时的可调参数经简单变换，得到盘式对转电机的永磁磁链和定子电感的在线观测值分别为

图4为定子磁链辨识模型框图；永磁同步电机中定子磁链不仅包括由定子电流产生的磁链，同时也包含由永磁转子产生的磁链，而且永磁转子产生的磁链大小取决于转子和参考坐标系之间的空间位置角θ；

普通永磁同步电机的定子磁链方程为：

其中，θ为转子与参考坐标系的角度；

参考普通永磁同步电机的定子磁链方程，盘式对转电机的定子磁链方程：

其中，θ₁、θ₂分别为转子1、转子2与参考坐标系的角度；

在模型参考自适应得到的永磁磁链和定子电感观测值以及定子α、β轴估计电流的基础上，在两相静止坐标系α、β轴上建立定子磁链的电流模型：

其中，为定子α、β轴磁链估计值；

定子磁链辨识方程为：

其中，为定子磁链辨识结果。