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新型复合转子双定子同步电机的复合滑模控制.docx
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新型复合转子双定子同步电机的复合滑模控制.docx
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1 引言
低速大转矩 永磁同步电机具有损耗小、功率密度大、动态性能好等优点
[1,2,3]
,但也存在永磁材料用料多、空间利用率低的问题,而本文介绍的永磁/磁阻
复合转子双定子同步电机由于存在磁阻侧提供磁阻转矩,可以提高电机的内部
空间利用率,进而可以节省永磁材料的使用。本文针对的电机常用于煤矿运输
行业,工况复杂,电机运 行过程中不允许存 在较大的转速超调,且 负载突变是影
响电机转速超调的重要因素,如果不能对负载扰动进行抑制,会严重影响电机在
复杂工况下的性能。
目前,国 内 外学者针对电机的调 速 系 统 进行了许多控制策略 的 研 究
[4,5,6,7,8]
。
这些控制策略大致分为三类:基于经典控制理论的控制策略、基于现代控制理
论的控制策略以及基于智能控制理论的控制策略
[1]
。比例积分控制物理概念明
晰且易于工程实现,但是在设计控制器参数时一般需要折中考虑跟随性能和抗
扰性能,虽然能够满足大多数电机控制系统的要求,但在高性能控制系统应用时
存在一定的局限 性
[2]
。基于智能控制理论的控制策略不依赖电机模型,当电机
参数发生变化时,控制效果 不会受到太大的影 响,但智能控制算法较 为繁琐,需
要一定的计算时间,当负载转矩出现突变时,不能及时做出调整。基于现代控制
理论的控制策略具有控制精度高、鲁棒性强且对转速超调的抑制效果较好等优
点,例如:自抗扰控制
[3]
、滑模变结构控制
[9,10,11,12,13]
、电流预测控制
[14,15]
。
本文针对永磁/磁阻复合转子双定子同步电机设计一种新型滑模变结构速
度控制器和一种新型的负载扰动观测器,将负载扰动观测器的扰动转矩与新型
滑模观测器输出的电磁转矩信号叠加在一起,构成一种新型的复合滑模控制器
对速度调节,解决传统 PI 调节器算法参考转矩电流信号估算不准确、存在积分
饱和的问题。
2 新型永磁/磁阻复合转子双定子同步电机的转矩解耦控制
新型永磁/磁阻复合转子双定子同步电机采用双定子单转子结构,转子外侧
采用表贴式永磁结构,转子 内侧采用磁阻结构 ,内 外结构用隔磁环隔 开,当电机
运行时,转子外侧结构通过表面装有的永磁体以产生电磁转矩,而转子内侧结构
通过 d、q 轴磁阻存在差异,扭曲磁力线以产生磁阻转矩,电机的结构如图 1 所
示。
图 1
图 1 复合转子双定子同步电机的剖视图
永磁/磁阻复合转子双定子同步电机设计时,内外电机的电磁功率配比为 1∶
4,由式(1)可得电磁功率配比即为内外电机电磁转矩比。
Pe=TenPe=Ten
(1)
式中,P
e
为电机的电磁功率;T
e
为电机的电磁转矩;n 为电机转速。
Pe1Pe2=Te1Te2=14Pe1Pe2=Te1Te2=14
(2)
式中,T
e1
、T
e2
分别为内外电机的电磁转矩。
由于内电机采用最大转矩电流比控制方法,即 i
d
=i
q
。内电机的磁阻转矩方程
可以写成式(3)的形式
Te1=p1(Ld1−Lq1)iq12Te1=p1(Ld1−Lq1)iq12
(3)
式中,p
1
为内电机结构的极对数;L
d1
、L
q1
分别为内电机的 d
、
q 轴电感;i
q1
为
内电机的 q 轴电流。
外电机采用 i
d
=0 控制方式,外电机的电磁转矩方程如式(4)所示
Te2=p2ψfiq2Te2=p2ψfiq2
(4)
式中,p
2
为外电机的极对数;L
q2
为外电机的 q 轴电感;ψ
f
为外转子生成的转子
磁链;i
q2
为外电机的 q 轴电流。
将式(3)、(4)代入到式(2)可得
Te1Te2=p1(Ld1−Lq1)i2q1p2ψfiq2=14Te1Te2=p1(Ld1−Lq1)iq12p2ψfiq2=14
(5)
理想状态下,ψ
f
、
L
d1
、L
q1
、L
q2
不随温度改变而变化,设 i∗qiq∗为转矩电流给
定值,引入 K
Te1
和 K
Te2
作为电机的转矩解耦系数,推导可得
Te1Te2=KTe1p1(Ld1−Lq1)i∗2qKTe2p2ψfi∗q=14Te1Te2=KTe1p1(Ld1−Lq1)iq∗
2KTe2p2ψfiq∗=14
(6)
其中
KTe1+KTe2=1KTe1+KTe2=1
(7)
将式(7)代入到式(6),可得
p1(Ld1−Lq1)KTe1p1ψf(1−KTe1)i∗q=14p1(Ld1−Lq1)KTe1p1ψf(1−KTe1)iq∗=14
(8)
将式(8)推导可得到 K
Te1
、K
Te2
KTe1=14p2ψfp1(Ld1−Ld2)14p2ψfp1(Ld1−Ld2)+i∗qKTe1=14p2ψfp1(Ld1−Ld2)14p2ψfp
1(Ld1−Ld2)+iq∗
(9)
KTe2=1−KTe1KTe2=1−KTe1
(10)
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