沈赟潔,朱 莉,羅 響,趙繼敏
(上海交通大學(xué),上海 200240)
磁性齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用兩磁極異性相吸、同性相斥的原理來(lái)傳遞力矩的[1]。磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪是一種高性能磁性齒輪結(jié)構(gòu),在內(nèi)外磁圈中引入一個(gè)由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料交錯(cuò)組成的調(diào)磁環(huán),內(nèi)外磁圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后,兩永磁圈磁場(chǎng)的空間諧波數(shù)目相互匹配,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速傳遞[2]。磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪的永磁體利用率高、轉(zhuǎn)矩密度大,目前較多文獻(xiàn)基于這種調(diào)磁原理,提出多種磁齒輪電機(jī)[3-5]。文獻(xiàn)[4]提出一種調(diào)磁電機(jī),該電機(jī)在定子上沒有永磁體,用電樞代替調(diào)制型磁力齒輪外轉(zhuǎn)子,磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成高速轉(zhuǎn)子,調(diào)磁環(huán)構(gòu)成低速轉(zhuǎn)子,從而使內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時(shí)輸出電磁轉(zhuǎn)矩,但該結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁場(chǎng)相互耦合,內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩關(guān)系受到三層結(jié)構(gòu)的極對(duì)數(shù)關(guān)系制約,在實(shí)際應(yīng)用中,往往需要內(nèi)外轉(zhuǎn)子輸出任意比例的轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]提出一種對(duì)轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī),在三層調(diào)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加一套永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu),從而使內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩比例不再受到三層結(jié)構(gòu)極對(duì)數(shù)關(guān)系制約,完成內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩關(guān)系的解耦。目前,針對(duì)這種電機(jī)的控制策略研究較少。本文通過對(duì)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理分析,提出針對(duì)該電機(jī)的控制方法。通過對(duì)電機(jī)主副繞組的控制,完成對(duì)于兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的解耦,使得三層結(jié)構(gòu)間的能量可以自由傳遞。
模型預(yù)測(cè)控制(以下簡(jiǎn)稱MPC)是Richalet和Cutler在20世紀(jì)70年代提出的一種新的控制策略,并在工業(yè)控制領(lǐng)域得到快速應(yīng)用[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,MPC也很快被應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域中。與磁場(chǎng)定向控制(以下簡(jiǎn)稱FOC)相比,MPC替代了電流環(huán)的PI控制器,使得控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;而與直接轉(zhuǎn)矩控制相比,MPC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小[7]?;谝陨系膬?yōu)點(diǎn),本文將MPC控制原理引入到對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的控制中,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
同心式磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括:內(nèi)外磁圈永磁體及其轉(zhuǎn)子軛、調(diào)磁環(huán)與內(nèi)外氣隙。其運(yùn)行原理:內(nèi)外磁圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)磁環(huán)調(diào)制后,兩永磁圈磁場(chǎng)的空間諧波數(shù)目相互匹配,從而達(dá)到內(nèi)外磁圈按一定的傳動(dòng)比運(yùn)行的目的[8]。當(dāng)調(diào)磁環(huán)固定時(shí),可以得出這種磁齒輪的傳動(dòng)比Gr[9]:
(1)
式中:p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);ns為調(diào)磁鐵塊數(shù)。
由式(1)可知,磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪使內(nèi)外磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)過調(diào)制后能與內(nèi)外磁極相匹配,使內(nèi)外轉(zhuǎn)子獲得相互耦合的轉(zhuǎn)矩。而在實(shí)際運(yùn)行時(shí),往往需要內(nèi)外轉(zhuǎn)子可以輸出任意比例的轉(zhuǎn)矩。本文所研究的對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī),在三層調(diào)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了一套永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)??梢酝ㄟ^對(duì)兩套繞組的控制,完成對(duì)于兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的解耦,使它們可以分別被控制。該電機(jī)的設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)分布分析如圖1所示。
(a) 結(jié)構(gòu)示意圖
(b) 磁場(chǎng)分布圖圖1 雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)分布圖
電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。
表1 雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)
對(duì)于主繞組來(lái)說(shuō),主繞組與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成調(diào)磁電機(jī)部分,其中外轉(zhuǎn)子24對(duì)極,內(nèi)轉(zhuǎn)子14對(duì)極,兩轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn),根據(jù)調(diào)磁原理,主繞組極對(duì)數(shù)為10。這樣,主繞組、外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成了“定子-調(diào)磁鐵塊-永磁體”與“定子-永磁體-調(diào)磁鐵塊”兩套調(diào)磁結(jié)構(gòu),這兩套結(jié)構(gòu)均為10-24-14的極對(duì)數(shù)配比,分別滿足調(diào)磁原理。在該結(jié)構(gòu)上,另外增加了一組24對(duì)極的副繞組,用來(lái)與外轉(zhuǎn)子進(jìn)行單獨(dú)耦合,這樣副繞組與外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一臺(tái)永磁同步電機(jī)。10對(duì)極與24對(duì)極的兩套繞組均繞在30槽的定子上,共享定子的齒槽結(jié)構(gòu)。
根據(jù)磁齒輪與永磁同步電機(jī)原理,各層結(jié)構(gòu)的極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系:
(2)
式中:pi,po,pM與pA分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子與主、副繞組的極對(duì)數(shù);ΩiM,ΩoM與ΩM分別為主繞組驅(qū)動(dòng)下內(nèi)、外轉(zhuǎn)子與主繞組的轉(zhuǎn)速;ΩoA與ΩA分別為副繞組驅(qū)動(dòng)下外轉(zhuǎn)子與副繞組的轉(zhuǎn)速。
式(2)給出了主繞組結(jié)構(gòu)的極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系,由轉(zhuǎn)速公式Ω=60f/p可得主繞組三層結(jié)構(gòu)的頻率關(guān)系:
fi-foM+fM=0
(3)
(a) 主繞組結(jié)構(gòu)
(b) 副繞組結(jié)構(gòu)圖2 d-q坐標(biāo)系下的矢量分布
根據(jù)圖2可知,在內(nèi)外轉(zhuǎn)子都以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)進(jìn)行控制時(shí),外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過副繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度確定,即ωo=ωoA=ωA,如圖2(b)所示;內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由已經(jīng)確定的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及主繞組磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度確定,即ωi=ωoM-ωM=ωo-ωM,如圖2(a)所示。
在圖2(a)中還表征了主繞組磁場(chǎng)與內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相位關(guān)系,即式(3)的微分:
θi-θoM+θM=C
(4)
式中:C表征兩轉(zhuǎn)子磁鏈與定子A相繞組(即α軸)之間的夾角,該角度在電機(jī)制造時(shí)可以調(diào)整,同時(shí)可以在電機(jī)參數(shù)辨識(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)定。
該電機(jī)三層結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下:
(5)
式中:TiM,ToM與TM分別為主繞組驅(qū)動(dòng)下內(nèi)、外轉(zhuǎn)子與主繞組的轉(zhuǎn)矩;ToA與TA分別為副繞組驅(qū)動(dòng)下外轉(zhuǎn)子與副繞組的轉(zhuǎn)矩;Gr為主繞組結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比。
由上式可知,在內(nèi)外轉(zhuǎn)子都以轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)進(jìn)行控制時(shí),內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩可以通過主繞組電磁轉(zhuǎn)矩確定:Ti=TiM=-TM·pi/(po-pi);外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩由主副繞組電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合成:To=ToA+ToM=TA+TM·po/(po-pi)。由以上分析可知,與普通調(diào)磁電機(jī)相比,雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)可以通過對(duì)兩套繞組的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的自由調(diào)節(jié)。
在d-q坐標(biāo)軸系統(tǒng)下,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程[10]:
(6)
式中:id,iq為定子電流直軸、交軸分量;Ld,Lq為直軸、交軸電感;ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)。
根據(jù)上文對(duì)雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的運(yùn)行原理分析,可得該電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩方程:
(7)
由式(7)可以看出,該雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩可以互相解耦。
(8)
其控制框圖如圖3所示。
圖3 主繞組作為主控制的控制框圖
根據(jù)式(8)已知,內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩只由主繞組產(chǎn)生,從而可先以主繞組作為主控制,實(shí)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子的跟蹤,此時(shí)由式(5)可見,已在外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一部分電磁轉(zhuǎn)矩,繼而通過副繞組控制對(duì)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。圖3的控制框圖就是以主繞組為主控制展開的電機(jī)控制,其具體控制流程如下:主繞組通電產(chǎn)生TM,此時(shí)在內(nèi)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Ti=TiM=-TM·pi/(po-pi);以內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為基礎(chǔ)控制目標(biāo),對(duì)主繞組部分進(jìn)行PI控制,實(shí)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩跟蹤,即Ti=TLi;此時(shí),外轉(zhuǎn)子上已有部分主繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩ToM=TM·po/(po-pi);對(duì)副繞組部分進(jìn)行PI控制,補(bǔ)償ToA(即TA)部分,實(shí)現(xiàn)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩跟蹤,即ToM+ToA=TLo。
該雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)可以通過對(duì)兩套繞組的控制,完成對(duì)于兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的解耦,使它們可以被分別控制。而對(duì)于兩套繞組的控制順序沒有要求,在具體控制中,也可以副繞組為主控制,主繞組進(jìn)行跟蹤。
在前一節(jié)中,兩套繞組均采用FOC控制,盡管穩(wěn)態(tài)響應(yīng)好,但較多的PI控制器,使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)不可避免地變慢;另外,在仿真實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)副控制部分的PI參數(shù)調(diào)節(jié)較為困難。基于MPC動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì),考慮替換副控制部分的控制方式為MPC,使其快速跟蹤。
MPC的基本控制原理如下[11]:測(cè)量獲取當(dāng)前時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流等狀態(tài)量;利用電機(jī)數(shù)學(xué)模型,預(yù)測(cè)在不同電壓矢量作用下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈,一般選擇兩電平逆變器產(chǎn)生的八大電壓矢量;確定控制目標(biāo),選擇使目標(biāo)函數(shù)值最小的電壓矢量。圖4為MPC與FOC控制框圖的對(duì)比,與FOC相比,MPC取代了電流環(huán)中的PI控制器,使得控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
(a) MPC控制框圖
(b) FOC控制框圖圖4 MPC與FOC控制框圖的對(duì)比
本文的雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)分別通過主、副繞組來(lái)控制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子,為使副控制部分能夠快速跟蹤,將其控制方式替換為MPC。以主繞組主控為例,主繞組部分的控制流程與FOC相同,副繞組控制的電流環(huán)采用MPC方法快速補(bǔ)償ToA部分,實(shí)現(xiàn)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩跟蹤??刂瓶驁D如圖5所示。
圖5 雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)MPC控制框圖
副繞組與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成一臺(tái)永磁同步電機(jī),以定子電流is與磁鏈ψs為狀態(tài)變量,其在αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可表示[12]:
(9)
式中:Rs,Ls為電機(jī)定子電阻、電感;us為定子電壓矢量;ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng);ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)速;p為微分算子。
轉(zhuǎn)矩、磁鏈預(yù)測(cè)模塊采用前向歐拉法對(duì)式(9)離散化,具體方程如下:
(10)
式中:Ts為系統(tǒng)采樣時(shí)間;x(k),x(k+1)分別為k時(shí)刻與(k+1)時(shí)刻的狀態(tài)量。
從而,定子電流與磁鏈在(k+1)時(shí)刻的預(yù)測(cè)值is(k+1)和ψs(k+1):
(11)
由式(11)計(jì)算得到不同電壓矢量作用下定子電流與磁鏈的預(yù)測(cè)值,從而可得(k+1)時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)值:
(12)
在矢量選擇中,構(gòu)造如下目標(biāo)函數(shù):
(13)
式中:kψ為權(quán)重系數(shù),在控制過程中根據(jù)實(shí)際情況選取。
由式(11)、式(12)預(yù)測(cè)在不同電壓矢量作用下(k+1)時(shí)刻的磁鏈與轉(zhuǎn)矩,再代入式(13),選擇使目標(biāo)函數(shù)值最小的電壓矢量。至于零矢量出現(xiàn)的順序,根據(jù)開關(guān)損耗最小的原則來(lái)確定,即每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí),只切換一個(gè)開關(guān)器件。
為了驗(yàn)證本文控制算法的有效性,在 MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)上建立仿真模型。其中電機(jī)模型選用表1的參數(shù),仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1 s,采樣周期為0.05 ms。仿真時(shí)設(shè)定內(nèi)、外轉(zhuǎn)子角速度給定值分別為360 rad/s,500 rad/s,對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子分別施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩1 N·m,2 N·m。
在主繞組主控時(shí),主繞組部分保持FOC控制,對(duì)副繞組部分分別進(jìn)行FOC與MPC控制,此時(shí)外轉(zhuǎn)子在兩種控制方法下的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖6所示。
(a) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)
(b) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖6 主繞組主控時(shí)外轉(zhuǎn)子仿真結(jié)果
由圖6的仿真結(jié)果可以看出,主繞組主控時(shí),將副繞組控制方法替換為MPC,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。
為驗(yàn)證該雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)對(duì)于兩套繞組的控制順序沒有要求,同樣對(duì)副繞組主控的控制方法進(jìn)行仿真分析,即副繞組部分保持FOC控制,對(duì)主繞組部分分別進(jìn)行FOC與MPC控制,此時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子在兩種控制方法下的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖7所示。
(a) 轉(zhuǎn)速響應(yīng)
(b) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖7 副繞組主控時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子仿真結(jié)果
圖7的仿真結(jié)果表明,副繞組主控時(shí),將主繞組控制方法替換為MPC,同樣可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。
通過上述仿真可以看出,兩套繞組的主控制選擇并不會(huì)影響該雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩并非按照極對(duì)數(shù)關(guān)系固定傳動(dòng),證實(shí)該電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的解耦控制。對(duì)比MPC和FOC的仿真結(jié)果可知,副控制部分采用MPC控制時(shí),其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均可快速跟蹤給定值。本文的雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制方法是可行的,且相比于FOC控制,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。
為了驗(yàn)證本文方法的正確性和有效性,使用兩臺(tái)伺服電機(jī)作為雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。
圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖9為雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)實(shí)物圖,其外轉(zhuǎn)子外徑為108 mm,內(nèi)徑為74.7 mm,厚度為16.1 mm,內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體厚度為15.8 mm,兩層氣隙厚度均為1 mm,其余設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
(a) 電機(jī)整體
(b) 定子
(c) 內(nèi)轉(zhuǎn)子
(d) 外轉(zhuǎn)子圖9 電機(jī)實(shí)物圖
電機(jī)控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片,設(shè)計(jì)了一套雙繞組控制器,用TMS320F28335芯片的兩套PWM端口,分別控制主、副繞組。該系統(tǒng)具有兩套電流傳感器,雙轉(zhuǎn)子的位置分別通過兩套旋變反饋給旋變控制芯片,并通過SPI通訊給DSP控制器。
在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn),在主繞組主控時(shí),主繞組控制器采用FOC控制策略,而副繞組控制器分別采用FOC與MPC控制策略,在起動(dòng)過程中,DSP每隔固定時(shí)間間隔記錄當(dāng)前外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,由此得到外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖10(a)所示。同樣地,在副繞組主控時(shí),副繞組控制器采用FOC控制策略,而主繞組控制器分別采用FOC與MPC控制策略,此時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子在兩種控制方法下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖10(b)所示。
(a) 主繞組主控時(shí) 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)
(b) 副繞組主控時(shí) 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖10 轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,將繞組控制方法替換為MPC,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng),與仿真結(jié)果圖6、圖7的結(jié)論一致。
本文在磁齒輪原理的基礎(chǔ)上分析了一種對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理,研究了該電機(jī)的控制方法。該雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)可以通過對(duì)兩套繞組的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的自由調(diào)節(jié),且兩套繞組的主控制選擇對(duì)于最終兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦控制沒有影響。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙轉(zhuǎn)子調(diào)磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的解耦控制;將其中一套繞組的控制方式替換為MPC,可加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。