本發(fā)明屬于于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機，具體涉及一種抑制盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國是一個陸地大國，也是一個有著1.8萬公里長海岸線的海洋大國，海洋對于我國有著非常重要的經(jīng)濟意義和軍事意義。黨的十八大報告明確提出了我國“海洋強國”的發(fā)展戰(zhàn)略，指出要“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國”，海洋戰(zhàn)略也已經(jīng)上升為我國的國家戰(zhàn)略。海洋的開發(fā)利用和海洋權(quán)益的維護需要先進的海洋工程裝備和武器裝備。然而，我國海洋裝備的技術(shù)水平還不高，我國海洋開發(fā)和海洋高技術(shù)水平總體比發(fā)達國家還落后10～15年。海洋科技成果產(chǎn)業(yè)化水平低，自主創(chuàng)新能力較差，科技貢獻率只有30％，相比而言，發(fā)達國家科技進步因素在海洋經(jīng)濟發(fā)展中的貢獻率達到80％左右。2011年8月，中國發(fā)布了《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(2011-2020)》，明確提出了“海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)是開發(fā)利用海洋資源的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)”，提出““十三五”期間，加快發(fā)展新型海洋工程裝備，開展前瞻性海洋工程裝備技術(shù)研究?！?/p>

海洋裝備如水下航行器、輪船等的對轉(zhuǎn)螺旋槳永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)采用一種盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機，盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機采用盤式結(jié)構(gòu)，只有一個定子和一套定子繞組，定子繞組采用兩相交叉環(huán)繞方式繞制于定子鐵芯上，兩個盤式永磁轉(zhuǎn)子在機械上相互獨立，對稱分布于定子兩側(cè)，用“三明治”的形式將盤式定子夾在中間，定子繞組中通入對稱三相電流后，定子兩側(cè)產(chǎn)生方向相反、速度相同的旋轉(zhuǎn)磁場，從而吸引轉(zhuǎn)子按相反的方向同步旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子通過軸承固定在基座上，以內(nèi)外嵌套軸輸出，驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)。這種新型電機極大的減小了設(shè)備的體積和重量，提高了工作效率，能很好的滿足節(jié)能和調(diào)速的要求，有著優(yōu)越的運行性能，因此，在水下航行器和飛行器領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機的控制研究還處于起步階段，目前，在該電機兩邊負載不平衡狀態(tài)下實現(xiàn)可靠運行的控制方法都是采用基于傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制方法(主-從控制方法中，主控制轉(zhuǎn)子是需要控制的，從控制轉(zhuǎn)子是不需要控制的；實時比較兩個轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，實時切換主控制轉(zhuǎn)子與從控制轉(zhuǎn)子，故稱為動態(tài)主-從控制)，但是該方法也存在轉(zhuǎn)矩脈動大、轉(zhuǎn)速波動大等問題，尤其是在負載不平衡嚴(yán)重的情況下，氣息磁場畸變嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子上會出現(xiàn)更加大的轉(zhuǎn)矩脈動。因此，對盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載運行情況下的轉(zhuǎn)矩脈動進行抑制具有重要的實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抑制盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法及系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)電機不平衡負載下穩(wěn)定運行而且能夠有效抑制轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩脈動。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是：

一種抑制電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法，所述電機為盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機，所述控制方法包括以下步驟：

步驟1、基于傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制方法計算電機動態(tài)主-從控制q軸調(diào)制電壓uqref和d軸調(diào)制電壓udref；

步驟2、采用傅里葉分析方法獲取電機的實際電流在三相坐標(biāo)系下的5次和7次諧波分量(主要諧波分量)，經(jīng)過abc-dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化并通過低通濾波得到d軸5次和7次諧波分量id5th和id7th，以及q軸5次和7次諧波分量iq5th和iq7th；

步驟3、將步驟2得到的各諧波分量分別與0比較后，經(jīng)過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊得到d軸5次和7次諧波電壓ud5th和ud7th，以及q軸5次和7次諧波電壓uq5th和uq7th；

步驟4、將udref、ud5th和ud7th疊加得到d軸總的調(diào)制電壓udref*；將uqref、uq5th和uq7th疊加得到q軸總的調(diào)制電壓uqref*；即：

udref*＝ud7th+udref+ud5th

uqref*＝uq7th+uqref+uq5th

步驟5、將udref*和uqref*經(jīng)過dq-αβ坐標(biāo)變換并通過svpwm方式調(diào)制后，得到電機的控制信號(觸發(fā)脈沖)。

進一步地，所述步驟1具體為：

1.1)檢測電機第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，根據(jù)傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制方法確定主控制轉(zhuǎn)子的位置角θ和轉(zhuǎn)速ω，從控制轉(zhuǎn)子處于跟隨狀態(tài)；

1.2)將主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω與實際工程所得參考轉(zhuǎn)速ω*進行比較，其結(jié)果經(jīng)過轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器得到q軸電流參考值iq*；

1.3)檢測電機的實際電流ia、ib和ic，對其實際電流ia、ib和ic進行坐標(biāo)變換得到實際q軸電流iq和實際d軸電流id；

1.4)將實際q軸電流iq與q軸電流參考值iq*進行比較，其結(jié)果經(jīng)過q軸電流pi調(diào)節(jié)器得到電機動態(tài)主-從控制q軸調(diào)制電壓uqref；

1.5)將實際d軸電流id與d軸電流參考值id*比較，其中id*給定為0，其結(jié)果經(jīng)過d軸電流pi調(diào)節(jié)器得到電機動態(tài)主-從控制d軸調(diào)制電壓udref。

進一步地，所述步驟1.2)中，轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp1＝1.1，積分系數(shù)ki1＝85；步驟1.4)中，q軸電流pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp2＝1.1，積分系數(shù)ki2＝85；步驟1.5)中，d軸電流pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp3＝1.1，積分系數(shù)ki3＝85。

進一步地，所述步驟3具體為：

3.1)將id5th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出為ud5th；將iq5th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出uq5th：

ud5th＝(id5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))·rs+5ωld·(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))

uq5th＝(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))·rs-5ωld·(iq5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))

其中，1/s是積分因子，ω是主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(穩(wěn)態(tài)時雙轉(zhuǎn)子同步角速度)，kp4和ki4是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中d軸5次諧波pi控制器的比例和積分系數(shù)；kp5和ki5是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中q軸5次諧波pi控制器的比例和積分系數(shù)；

3.2)將id7th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出ud7th；將iq7th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出uq7th：

ud7th＝(id7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))·rs+7ωld·(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))

uq7th＝(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))·rs-7ωld·(iq7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))

其中，1/s是積分因子，ω是主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，kp6和ki6是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中d軸7次諧波pi控制器的比例和積分系數(shù)；kp7和ki7是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中q軸7次諧波pi控制器的比例和積分系數(shù)。

進一步地，所述步驟3.1)中，kp4＝0.8，ki4＝400，kp5＝0.8，ki5＝100；步驟3.2)中，kp6＝0.8，ki6＝100，kp7＝0.8，ki7＝100。

本發(fā)明還提供了一種抑制電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動的控制系統(tǒng)，所述電機為盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機，包括兩個旋轉(zhuǎn)變壓器、選擇模塊、三相電流互感器、2個abc-dq坐標(biāo)變換模塊、7個比較器、轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器、q軸電流pi調(diào)節(jié)器、d軸電流pi調(diào)節(jié)器、諧波電流提取模塊、低通濾波模塊、交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊、2個加法器、dq-αβ坐標(biāo)變換模塊、svpwm調(diào)制模塊；

兩個旋轉(zhuǎn)變壓器檢測電機第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，輸入選擇模塊；選擇模塊采用傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制方法比較兩個轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，確定主控制轉(zhuǎn)子，并得到主控制轉(zhuǎn)子的位置角θ和轉(zhuǎn)速ω；

所述三相電流互感器用于檢測電機的實際電流ia、ib和ic；

第一abc-dq坐標(biāo)變換模塊將電機的實際電流ia、ib和ic進行坐標(biāo)變換得到實際q軸電流iq和實際d軸電流id；

第一比較器將主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω與實際工程所得參考轉(zhuǎn)速ω*進行比較，其結(jié)果經(jīng)過轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器得到q軸電流參考值iq*；第二比較器將實際q軸電流iq與q軸電流參考值iq*進行比較，其結(jié)果經(jīng)過q軸電流pi調(diào)節(jié)器得到電機動態(tài)主-從控制q軸調(diào)制電壓uqref；

第三比較器將實際d軸電流id與d軸電流參考值id*比較，其中id*給定為0，其結(jié)果經(jīng)過d軸電流pi調(diào)節(jié)器得到電機動態(tài)主-從控制d軸調(diào)制電壓udref；

諧波電流提取模塊采用傅里葉分析方法獲取電機的實際電流在三相坐標(biāo)系下的5次和7次諧波分量；經(jīng)過第二abc-dq坐標(biāo)變換模塊和低通濾波模塊得到d軸5次和7次諧波分量id5th和id7th，以及q軸5次和7次諧波分量iq5th和iq7th；

第四～第七比較器分別將4個諧波分量與0比較后，輸入交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊得到d軸5次和7次諧波電壓ud5th和ud7th，以及q軸5次和7次諧波電壓uq5th和uq7th；

第一加法器將ud5th、ud7th和udref疊加得到d軸總的調(diào)制電壓udref*；第二加法器將uq5th、uq7th和uqref疊加得到q軸總的調(diào)制電壓uqref*；

dq-αβ坐標(biāo)變換模塊將udref*和uqref*進行坐標(biāo)變換；其結(jié)果輸入svpwm調(diào)制模塊進行調(diào)制，得到電機的控制信號(觸發(fā)脈沖)。

有益效果：

本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)電機不平衡負載下穩(wěn)定運行，還能夠精準(zhǔn)有效抑制盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動；具有以下優(yōu)點：

1)采用直接注入的方法，簡單可行，易于實現(xiàn)；保證盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下穩(wěn)定運行；2)直接檢測實際電流，計算諧波電壓并疊加到參考電壓，采用svpwm方式進行調(diào)制，能夠精準(zhǔn)、有效地對轉(zhuǎn)矩脈動進行抑制。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進一步說明。

附圖說明

圖1為盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動抑制的整體控制框圖；

圖3為交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊；

圖4為未進行轉(zhuǎn)矩脈動抑制時電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形圖；

圖5為采用本發(fā)明控制方法時電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波形圖；

具體實施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1是盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機結(jié)構(gòu)示意圖，電機采用盤式結(jié)構(gòu)，兩個永磁轉(zhuǎn)子對稱分布于定子兩側(cè)，在機械上相互獨立，繞組采用兩相交叉環(huán)繞方式繞制于定子鐵芯上，只有一個定子和一套定子繞組，繞組中通入對稱三相電流后，定子兩側(cè)產(chǎn)生方向相反旋轉(zhuǎn)磁場，從而吸引轉(zhuǎn)子按相反的方向旋轉(zhuǎn)，兩個轉(zhuǎn)子通過軸承固定在基座上的，以內(nèi)外嵌套軸輸出，驅(qū)動兩個螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)；

圖2是盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機不平衡負載下轉(zhuǎn)矩脈動抑制的整體控制框圖。

檢測盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2的位置和轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈定向主-從動態(tài)矢量控制確定主控制轉(zhuǎn)子的位置角θ和轉(zhuǎn)速ω，從控制轉(zhuǎn)子處于跟隨狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω與實際工程所得參考轉(zhuǎn)速ω*比較后，經(jīng)過轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器得到q軸電流參考值iq*,轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp1＝1.1，積分系數(shù)ki1＝85；檢測盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機的實際電流ia、ib、ic，經(jīng)過abc-dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化得到實際q軸電流iq和實際d軸電流id；實際q軸電流iq與q軸電流參考值iq*比較后，經(jīng)過q軸電流pi調(diào)節(jié)器得到盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機運行q軸調(diào)制電壓uqref，q軸電流pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp2＝1.1，積分系數(shù)ki2＝85；實際d軸電流id與d軸電流參考值id*比較后，經(jīng)過d軸電流pi調(diào)節(jié)器得到盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機運行d軸調(diào)制電壓udref，d軸電流pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp3＝1.1，積分系數(shù)ki3＝85；

采用傅里葉分析方法獲取盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機的實際電流ia、ib、ic在三相坐標(biāo)系下的5、7次諧波分量，經(jīng)過abc-dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化通過低通濾波得到d軸5次、7次諧波分量id5th、id7th和q軸5次、7次諧波分量iq5th、iq7th；

圖3為交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊示意圖。將id5th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出為ud5th，將iq5th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出為uq5th，

ud5th＝(id5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))·rs+5ωld·(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))

uq5th＝(iq5th-0)·(kp5+ki5·(1/s))·rs-5ωld·(iq5th-0)·(kp4+ki4·(1/s))

其中1/s是積分因子，ω是主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，kp4、ki4是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中d軸五次諧波pi控制器的比例、積分系數(shù)，kp4＝0.8，ki4＝100，kp5、ki5是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中q軸五次諧波pi控制器的比例、積分系數(shù)，kp5＝0.8，ki5＝100；

將id7th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出為ud7th，將iq7th與0比較后，通過交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊輸出為uq7th，

ud7th＝(id7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))·rs+7ωld·(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))

uq7th＝(iq7th-0)·(kp7+ki7·(1/s))·rs-7ωld·(iq7th-0)·(kp6+ki6·(1/s))

其中1/s是積分因子，ω是主控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，kp6、ki6是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中d軸七次諧波pi控制器的比例、積分系數(shù)，kp6＝0.8，ki6＝100，kp7、ki7是交叉耦合pi調(diào)節(jié)模塊中q軸七次諧波pi控制器的比例、積分系數(shù)，kp7＝0.8，ki7＝100；

設(shè)盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁同步電機總的調(diào)制電壓d軸電壓為udref*、q軸調(diào)制電壓q軸電壓為uqref*，則udref*和uqref*為：

udref*＝udref+ud5th+ud7th

uqref*＝uqref+uq5th+uq7th

將udref*和uqref*經(jīng)過dq-αβ坐標(biāo)變換并通過svpwm方式調(diào)制后得到盤式雙轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)永磁控制信號。

圖4為未進行轉(zhuǎn)矩脈動抑制時電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形圖，采用傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制策略。轉(zhuǎn)子1負載為10n·m，轉(zhuǎn)子2負載為8n·m，從圖中可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都有比較大的脈動，其中轉(zhuǎn)矩脈動更為突出。

圖5為采用本發(fā)明控制方法時電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波形圖。轉(zhuǎn)子1負載為10n·m，轉(zhuǎn)子2負載為8n·m，從圖中可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速仍有一定的脈動，但脈動遠比采用傳統(tǒng)動態(tài)主-從控制策略脈動小。