永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制

金无痕，金 石，姜 旺

永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制

金无痕，金 石，姜 旺

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

本文介绍了一种新型永磁/磁阻混合转子双定子同步电机。该电机与常规电机相比具有转矩密度高、体积小的优点，非常适合于低速大转矩电力传动系统。本文提出了一种永磁/磁阻混合转子双定子同步电机的矢量控制方法，并提出了一种转矩解耦算法来分配内外定子的输出电磁转矩。仿真结果验证了该控制策略的有效性。

永磁/磁阻混合转子双定子同步电机；矢量控制；转矩解耦控制

0 前言

本文提出了一种混合转子双定子同步电机转矩解耦算法，通过分析矢量控制系统原理，利用内外电机参数，引入了转矩解耦系数来分配混合转子双定子同步电机的内外电机电磁转矩，进而达到分配内外电机输出功率的目的。

1 混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制

1.1 永磁/磁阻混合转子双定子同步电机

永磁/磁阻混合转子双定子同步电机及其驱动系统原理简图如图1所示。电机采用双定子单转子结构，内外定子上各有一套绕组，转子采用背靠背永磁+磁阻的混合转子结构，转子内外磁路相互独立。由于内外电机极对数不相同，因此需要两组逆变器分别驱动电机内外定子。

1.2 混合转子双定子同步电机数学模型

混合转子双定子同步电机转子为背靠背永磁+磁阻的混合转子结构，因此可以将混合转子双定子电机看成是由一台永磁同步电机与一台同步磁阻电机组合到一起的，因此其数学模型可以分为永磁同步电机数学模型与同步磁阻电机数学模型两个部分。

图1 永磁/磁阻混合转子双定子同步电机及其驱动系统

永磁同步电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程为[3]：

式中，d1、q1为外电机d、q轴的定子电压；d1、q1为外电机d、q轴的电枢电感，对于隐极电机来说有d1=q1=s1；d1、q1为外电机d、q轴电枢电流；d1、q1为外电机d、q轴定子磁链；s1为外电机电枢绕组电阻；f为外电机永磁体产生的磁链，为常量[4]；e1为外电机电角速度，有e1=1r；1为外电机的极对数；r为电机转子机械角速度。

由式（1）可以推出：

若采用等幅值变换，则外电机在dq坐标系中的电磁转矩方程为：

一些地方则热衷于在高速公路出入口打造景观。据《经济参考报》报道，中部某市2017年起投资逾1亿元,实施城区附近高速公路出入口景观提升项目,对3个出入口两侧人行道以外各30米范围进行景观绿化、景观照明及相关配套设施建设。根据不同颜色,栽种不同植物。按照工程规划,北出入口设计定位为“紫气东来”,基调色为紫色;南出入口设计定位为“金玉满堂”,基调色为黄色;另一出入口设计定位为“鸿运当头”,基调色为红色。

其中，e1为外电机电磁转矩。

混合转子内侧采用磁阻结构转子，因此内电机数学模型为同步磁阻电机数学模型[5]，同步磁阻电机在旋转dq坐标系中定子电压磁链方程为：

式中，d2、q2为内电机d、q轴的定子电压；d2、q2为内电机d、q轴的电枢电感；d2、q2为内电机d、q轴电枢电流；d2、q2为内电机d、q轴定子磁链；s2为内电机电枢绕组电阻；e2为内电机电角速度，有e2=2r；2为内电机的极对数。

由式（4）可以推出：

若采用等幅值变换，则内电机在dq坐标系中的电磁转矩方程为：

其中，e2为内电机电磁转矩。

混合转子双定子同步电机的运动方程为：

1.3 混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制

在控制方法上由于混合转子双定子电机结构的特殊性，可采用内外电机分别独立进行矢量控制[6]，内外电机均采用最大转矩电流比控制策略，即外电机采用d=0控制方法，内电机采用d=q控制方法。然而，由于机械耦合的存在，所以就必须另外考虑两个电动机之间转矩的相互作用。若要实现分别独立控制就需要在电流环反馈的时候加入两个解耦系数来对电机产生的总电磁转矩进行解耦，分别反馈给各自的电流环，实现各自的矢量控制，设转矩解耦系数分别为Te1、Te2，该系数大小由电机设计时内外功率配比所决定。图2所示为混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统框图。

图2 混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统框图

混合转子双定子同步电机内外电机功率配比为1:4，内外电机转矩输出作用于同一个机械转轴，因此转速相同，根据e=er（e为电机功率，r为电机转子角速度），可知内外电机功率比就是内外电机电磁转矩比。因此可以得到：

由于控制系统中外电机采用d=0控制，内电机采用d=q控制，又由于系统只有一个转速环，因此转速PI调节器输出电流参考信号q*=q1=d2=q2。因此，式（3）和式（6）可变为下列形式：

将上两式及转矩解耦系数Ke1、Ke2代入式（8）中可以得到：

其中，Te1+Te2=1，至此可以解出Te1、Te2的值分别为：

结合图2可以看出转速PI调节器输出电流参考信号q*为电机总电磁转矩参考电流，通过分别乘以Te1、Te2将q*分配为外电机转矩参考电流与内电机转矩参考电流。外电机转矩参考电流根据式（3）得到外电机输出电磁转矩，内电机转矩参考电流根据式（6）得到内电机输出电磁转矩，即通过该系数可将内外两电机作用于同一机械转轴上的转矩进行解耦，使得混合转子双定子同步电机矢量控制系统实现内外电机各自独立控制，内外电机控制方法可根据自身电机性能的需求来选择各自合适的矢量控制方法，整个系统的控制方式更加灵活。

2 控制系统仿真分析

根据系统的原理框图，使用Matlab软件的Simulink及电力系统工具箱搭建了矢量控制系统的仿真模型，为了验证基于转矩解耦系数的混合转子双定子同步电机矢量控制策略的可行性，下面对新型混合转子双定子同步电机系统的运行性能进行了仿真分析。

仿真模型中永磁/磁阻混合转子双定子同步电机参数见表1，仿真时长为1s，在0.6s时将给定转矩从3500N∙m突变至4500N∙m，系统给定转速为90r/min。

表1 永磁/磁阻混合转子双定子同步电机参数

图3所示为永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统电机转速波形图，从图中可以看出电机转速能够较好地跟踪系统给定的90r/min，且在0.6s突加转矩后转速能够回到系统给定值。

图3 基于转矩解耦算法的矢量控制系统电机转速波形图

图4所示为永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统电机转矩波形图，从图中可以看出电机转矩能够较好地跟踪给定转矩3500N∙m，且内电机输出700N∙m转矩，外电机输出2800N∙m转矩，将内外电机输出转矩比精确地控制在1:4。在0.6s突加负载后系统仍能控制电机电磁转矩达到给定负载值，且内外电机输出转矩比保持不变。

图4 基于转矩解耦算法的矢量控制系统电机转矩波形图

图5所示为未使用转矩解耦算法的矢量控制系统电机转矩波形图，对比图4与图5可以看出转矩解耦算法可以精确地控制内外电机的输出转矩比为1:4，即将内外电机输出功率比精确地控制为1:4。

图6所示为永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统外电机定子三相电流波形图，由于外电机为外定子与永磁转子组成的机电能量转换装置，其极对数1=15，因此外电机定子三相电流波形频率为22.5Hz，经快速傅里叶变换（FFT）分析得出电流波形总谐波畸变（THD）为0.17%。

图7所示为永磁/磁阻混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统内电机定子三相电流波形图，由于内电机为内定子与磁阻转子组成的机电能量转换装置，其极对数2=5，因此内电机定子三相电流波形频率为7.5Hz，经快速傅里叶变换（FFT）分析得出电流波形总谐波畸变（THD）为0.62%。

图5 未使用转矩解耦算法的矢量控制系统电机转矩波形图

图6 永磁/磁阻混合转子双定子同步电机外定子绕组电流波形

图7 永磁/磁阻混合转子双定子同步电机内定子绕组电流波形

3 结论

本文提出了一种混合转子双定子同步电机转矩解耦算法，通过分析矢量控制系统原理，利用内外电机参数，引入了转矩解耦系数来分配混合转子双定子同步电机的内外电机电磁转矩，进而达到分配内外电机输出功率的目的。仿真结果表明基于转矩解耦算法的混合转子双定子同步电机矢量控制技术静态和动态性能较好，对负载的变化也能够做到实时的跟踪，且该转矩解耦算法可以精确地将内外电机输出转矩及输出功率比控制在1:4，该算法为双定子电机控制领域提供了一定的理论基础。

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Torque Decoupled Vector Control of Permanent Magnet Reluctance Hybrid Rotor Dual-stator Synchronous Motor

JIN Wuhen, JIN Shi,JIANG Wang

(Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

This study introduces a new type of permanent magnet reluctance hybrid rotor dual-stator synchronous motor. The main advantage of the motor is its improved torque density and reduced volume, which is well suited for the field of low speed and high torque electric drive. The vector control of the permanent magnet reluctance hybrid rotor dual-stator synchronous motor is presented. A torque decoupling algorithm is proposed to distribute the output electric torque of inner and outer stators. Simulation result is presented to verify the effectiveness of the proposed control strategy.

permanent magnet reluctance hybrid rotor dual-stator synchronous motor; vector control;torque decoupled control

TM341

A

1000-3983(2021)01-0020-04

国家自然科学基金（51877139）；辽宁省“百千万人才工程”资助项目；沈阳市中青年科技创新人才支持计划项目（RC190377）

2020-07-15

金无痕（1993-），现为沈阳工业大学电气工程学院全日制博士研究生，研究方向为混合转子双定子低速大转矩同步电机控制系统。