朱 瑛 程 明 花 為 張邦富 王 偉
(東南大學電氣工程學院 南京 210096)
近年來,電氣無級變速器(Electrical Variable Transmission,EVT)電機因可實現(xiàn)無級變速,有潛力代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械齒輪箱等特點而成為電機學科的一個研究熱點[1,2]。EVT既可用于混合動力汽車等領(lǐng)域[3,4],也可用于風力發(fā)電,構(gòu)成所謂的雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)(Dual Power Flow Wind Energy Conversion System,DPF-WECS)[5-7]。在該 DPF-WECS系統(tǒng)中,風力機與EVT電機的外轉(zhuǎn)子連接,內(nèi)轉(zhuǎn)子與普通同步發(fā)電機相連,由同步發(fā)電機發(fā)電直接并網(wǎng)。此系統(tǒng)去除了傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的齒輪箱環(huán)節(jié),且同時提供機械功率流和電功率流,可優(yōu)化功率配置。電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可使系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)需求調(diào)節(jié)輸向電網(wǎng)功率,以使整個風力發(fā)電系統(tǒng)成為穩(wěn)定的功率輸出源。此外,由于該系統(tǒng)直接由同步發(fā)電機輸出電能至電網(wǎng),不經(jīng)過電力電子變換器,因此電能諧波小,質(zhì)量高。永磁電機具有功率密度大,效率高等優(yōu)點,因此永磁EVT電機(PM-EVT)將是本文的研究對象。
矢量控制是永磁同步電機(PMSM)最常用的控制方法,而高性能的PMSM矢量控制需要精確的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置信息。常用的機械式傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等可用來檢測轉(zhuǎn)速及位置,但是傳感器的安裝使系統(tǒng)成本增加,運行可靠性降低,且受工作環(huán)境等影響。特別是本文所述雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)需要通過內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電,為保證輸出電壓、頻率恒定,內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需保持恒定且波動小,即需實現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的精確控制。而內(nèi)轉(zhuǎn)子控制所需的轉(zhuǎn)子位置信息不僅僅與內(nèi)轉(zhuǎn)子有關(guān),還受外轉(zhuǎn)子的影響,需通過內(nèi)外轉(zhuǎn)子位置差得到,若通過傳統(tǒng)機械傳感器測量位置,由于傳感器本身存在一定的誤差,兩個傳感器作差值計算更會導致誤差積累,從而影響內(nèi)轉(zhuǎn)子控制精度,甚至使控制失敗。因此,本文對內(nèi)轉(zhuǎn)子采用無位置傳感器控制。
目前,基于PMSM的無位置傳感器方法主要有基于反電勢估算法[8,9]、高頻信號注入法[10]、擴展卡爾曼濾波器法[11]、滑模觀測器(SM)法及模型參考自適應(yīng)(MRAS)法[12-15]等。其中MRAS法具有結(jié)構(gòu)簡單,運算量低等優(yōu)點,成為一種常用的無傳感器控制方法。傳統(tǒng)MRAS方法通過PI控制器產(chǎn)生估計轉(zhuǎn)速,但是PI控制器參數(shù)調(diào)節(jié)較困難,且定參數(shù)的PI控制器隨著電機參數(shù)及工作情況的改變就難以達到最佳性能。為此,本文在傳統(tǒng)MRAS控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種將SM與MRAS結(jié)合的轉(zhuǎn)速觀測器,用SM算法替代了傳統(tǒng)MRAS中的PI控制器。傳統(tǒng)基于PMSM的MRAS方法都以電流模型為可調(diào)模型[15],而這過程中需對電流模型進行一定的變換,本文提出了磁鏈模型為可調(diào)模型的方法,簡化了變換過程,并與以電流模型為可調(diào)模型時進行比較。且考慮傳統(tǒng)常值切換的SM算法中抖振的存在,本文采用分段切換法來改善這一現(xiàn)象,并應(yīng)用于SM-MRAS控制方法中。最后通過搭建雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺,對所提SM-MRAS控制策略進行了實驗驗證。
雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)(DPF-WECS)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。虛線框中的PM-EVT電機由繞線式定子(#1)、永磁外轉(zhuǎn)子(#2)及繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子(#3)組成,其中外轉(zhuǎn)子位于定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子之間。外轉(zhuǎn)子與風力機相連,內(nèi)轉(zhuǎn)子與同步發(fā)電機相連,定子繞組與內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組間通過背靠背變換器相連,直流母線通過DC-DC變換器與電池儲能裝置相連。如圖1所示,由風力機傳遞過來的機械功率Pm1經(jīng)過EVT電機時可分為兩路:①機械功率流Pd,即以機械功率的形式,通過電磁場耦合在內(nèi)外轉(zhuǎn)子間傳遞;②電功率流Pes,即通過外轉(zhuǎn)子與定子耦合,由定子繞組、背靠背變換器、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組和集電環(huán)傳遞。
圖1 雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Configuration of DPF-WECS
風力機輸入功率Pm1為
式中 Tm1——外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩;
ωo——外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出功率Pm2為
式中 Tm2——內(nèi)轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩;
ωi——內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
外轉(zhuǎn)子通過外氣隙電磁耦合,由定子繞組輸出的電磁功率Pes為外轉(zhuǎn)子通過內(nèi)氣隙電磁耦合傳給內(nèi)轉(zhuǎn)子的機械功率為
上式中 Tf1——定子與外轉(zhuǎn)子間的外氣隙轉(zhuǎn)矩;
Tf2——外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的內(nèi)氣隙轉(zhuǎn)矩,因此有 Tm1=Tf1+Tf2。
經(jīng)過諸多文獻研究證明,外轉(zhuǎn)子內(nèi)外永磁體的耦合可忽略不計[7],則PM-EVT電壓及磁鏈方程為
式中 Rs,Rr——定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電阻;
Ls,Lr——定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電感;
ωo,ωi——外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;
uds,uqs,udr,uqr——dq坐標系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電壓;
ids,iqs,idr,iqr——dq坐標系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電流;
ψds,ψqs,ψdr,ψqr——dq 坐標系下定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈;
ψmo,ψmi——定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組匝鏈的永磁磁鏈;
p——微分算子。
PM-EVT電機定子繞組,外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分別為
式中 np——PM-EVT電機的極對數(shù)。
PM-EVT電機可看作是一臺永磁外電機及一臺永磁內(nèi)電機的組合。永磁外電機由定子及外轉(zhuǎn)子組成,永磁內(nèi)電機則由外轉(zhuǎn)子及內(nèi)轉(zhuǎn)子組成。永磁外電機的轉(zhuǎn)速ω1即為外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ωo,而永磁內(nèi)電機的轉(zhuǎn)速ω2為內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差ωo-ωi。永磁外電機轉(zhuǎn)矩即為定子繞組轉(zhuǎn)矩Te_stator,永磁內(nèi)電機電磁轉(zhuǎn)矩則對應(yīng)于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)矩Te_wd-rotor。
對PM-EVT電機數(shù)學模型進行變換,將式(8)代入式(6)中,并改寫成電流模型的格式得
將式(12)改寫成矩陣形式得
其中
將(13)中的電流、轉(zhuǎn)速替換為估計值,此時可得MRAS算法基于電流的可調(diào)模型為
式中,^表示變量的估計值。
則根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論,傳統(tǒng)基于電流為可調(diào)模型的MRAS控制策略的估計轉(zhuǎn)速為
式中,Kp為比例參數(shù);Ki為積分參數(shù)。
根據(jù)式(16),即可估算出永磁內(nèi)電機的轉(zhuǎn)速,再對轉(zhuǎn)速進行積分,即可得到轉(zhuǎn)子位置角。
由上述推導可知,以電流為可調(diào)模型時,需對電流進行一定的變換,如式(14)所示,才能實現(xiàn)MRAS控制算法。
對式(6)進行變換,可得永磁內(nèi)電機磁鏈格式的數(shù)學模型為將式(17)中的磁鏈、轉(zhuǎn)速替換為估計值,此時可得MRAS算法基于磁鏈的可調(diào)模型為
與上述電流為可調(diào)模型的MRAS控制策略類似,可得到以磁鏈為可調(diào)模型的MRAS控制估計轉(zhuǎn)速為
綜上所述,基于電流模型和磁鏈模型的MRAS控制框圖如圖2所示,兩種控制方法原理一致,但以磁鏈為可調(diào)模型時算法更簡單,兩種方法的具體性能將通過實驗結(jié)果驗證。
圖2 MRAS控制框圖Fig.2 Control configurations of the MRAS
由于傳統(tǒng)MRAS控制策略的速度觀測以參考模型為基礎(chǔ),受電機自身參數(shù)影響很大,電機參數(shù)的準確度將直接影響轉(zhuǎn)速辨識的精度。且MRAS采用PI控制器調(diào)節(jié)得到估計轉(zhuǎn)速,PI參數(shù)較難調(diào)節(jié),當轉(zhuǎn)速或電機參數(shù)變化時,定參數(shù)的PI控制器難以達到最佳性能。而滑模觀測器采用估計偏差來確定滑??刂茩C構(gòu),使控制系統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在設(shè)定好的滑模超平面上,對參數(shù)依賴性較小。
因此本文提出了將滑模變結(jié)構(gòu)與模型參考自適應(yīng)結(jié)合的SM-MRAS轉(zhuǎn)速觀測器,采用滑模變結(jié)構(gòu)方法替代上述傳統(tǒng)MRAS控制中的PI控制器環(huán)節(jié),使轉(zhuǎn)速觀測器更簡單,更穩(wěn)定。而基于3.1節(jié)、3.2節(jié)分析可知,磁鏈為可調(diào)模型時MRAS控制更簡單,因此SM-MRAS控制策略的分析也以磁鏈為可調(diào)模型。
滑模變結(jié)構(gòu)算法選擇切換面的原則是:當系統(tǒng)發(fā)生滑動時s(e)=0,滑動運動是漸進穩(wěn)定的,并且具有較好的動態(tài)品質(zhì)[12]。按照這一原則,本文構(gòu)造滑模變結(jié)構(gòu)MRAS轉(zhuǎn)速辨識器的切換函數(shù)形式如下
對切換函數(shù)s求導,可得
將式(17)、式(18)代入式(21)可得
當采用常值切換控制法時,滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速估算表達式如下:
式中,M為一個大于零的常數(shù);sign()為符號函數(shù)。
將式(23)代入(22)中,可得
式中,f()是參考磁鏈ψdr、ψqr,估計磁鏈ψ?dr、ψ?qr,電壓 udr、uqr,電感Lr,電阻Rr和轉(zhuǎn)子電角速度ω2的函數(shù)。
根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制基本思想,如果系統(tǒng)進入滑動模態(tài)控制,即s˙=0,則根據(jù)式(22),可得電機等效角速度表達式為
從式(26)中可看出,當電機估計磁鏈與實際磁鏈相等時,等式第二項及第三項為0,則等效角速度即為實際角速度。根據(jù)式(23),估計的電機電角速度是切換函數(shù)的離散函數(shù),其低頻分量即為等效速度。因此,當高頻開關(guān)分量反饋給觀測器后,低頻分量就可以通過低通濾波器獲得,即為電機估計電角速度,控制框圖如圖3所示。
圖3 SM-MRAS控制框圖Fig.3 Control configuration of the SM-MRAS
在傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)算法中,由于系統(tǒng)采樣頻率受限,且受切換開關(guān)慣性等影響,滑動模態(tài)并不是理想的光滑運動,而是呈現(xiàn)了上下的抖動運動,即產(chǎn)生抖振現(xiàn)象[16]。雖然經(jīng)過了低通濾波器濾波,一定程度改善了抖振,但并不能完全消除。而且低通濾波器的加入會使信號產(chǎn)生相位滯后。因此,本文采用了改進的滑模控制轉(zhuǎn)速估算切換方法,使估算轉(zhuǎn)速函數(shù)成為飽和函數(shù),消除抖動現(xiàn)象。
改進的估算轉(zhuǎn)速函數(shù)如下[17]:
式中,ε是設(shè)定的邊界常數(shù),可選取一個很小的正數(shù),ε的選擇也會影響轉(zhuǎn)速估算精度,可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)ε的大小。
由于采用原符號函數(shù)轉(zhuǎn)速估算時,需采用低通濾波器改善抖振現(xiàn)象,而采用飽和函數(shù)轉(zhuǎn)速估算切換的方法,通過合理選擇邊界常數(shù)的值,無需低通濾波器便可消除抖振,解決了信號相位滯后問題,并提高轉(zhuǎn)速估計速度。而PM-EVT內(nèi)轉(zhuǎn)子的給定轉(zhuǎn)速隨著外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實時變化而變化,因此內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制速度需較快,文中采用的飽和函數(shù)轉(zhuǎn)速估算切換SM-MRAS更適合內(nèi)轉(zhuǎn)子的控制。
EVT電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子與同步發(fā)電機相連,內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞機械功率給同步發(fā)電機,通過同步發(fā)電機發(fā)出電能并網(wǎng)。同步發(fā)電機要并入電網(wǎng)必須滿足輸出電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同,即同步發(fā)電機需維持同步速旋轉(zhuǎn),因此需控制內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為恒定同步速。
內(nèi)轉(zhuǎn)子無傳感器控制框圖如圖4所示。轉(zhuǎn)速環(huán)的給定轉(zhuǎn)速為同步發(fā)電機同步速與外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差,實際轉(zhuǎn)速是通過上述SM-MRAS估測所得。轉(zhuǎn)速環(huán)PI的結(jié)果作為電流環(huán)的給定,采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)矢量控制,通過改變內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的通電頻率使內(nèi)轉(zhuǎn)子保持轉(zhuǎn)速恒定。
圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)子無傳感器控制框圖Fig.4 Configuration of the sensorless control for the inner rotor
為了驗證文中所提出的針對PM-EVT內(nèi)轉(zhuǎn)子的改進型SM-MRAS無傳感器控制策略的有效性,搭建了實驗平臺。實驗樣機如圖5a所示,可分為風力機模擬、PM-EVT電機及發(fā)電機三部分。風力機由異步電機及減速齒輪箱模擬,發(fā)電機由永磁同步電機模擬。PM-EVT內(nèi)轉(zhuǎn)子及異步電機均采用矢量控制,控制平臺基于dSPACE1103,將已在Matlab/Simulink得到驗證的控制模型導入,實現(xiàn)對控制策略的驗證,控制平臺如圖5b所示。
圖5 實驗平臺Fig.5 Experimental platform
為測試本文提出的改進型SM-MRAS策略的性能,將其與傳統(tǒng)的MRAS及未改進的SM-MRAS策略比較。首先,風力機及外轉(zhuǎn)子保持靜止,只控制PM-EVT內(nèi)轉(zhuǎn)子,且不加載,內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從240r/min突變至300r/min,然后再減速至240r/min?;陔娏骺烧{(diào)模型及磁鏈可調(diào)模型的MRAS無傳感控制策略下的內(nèi)轉(zhuǎn)子實驗波形分別如圖6、圖7所示。圖6a及圖7a展示了內(nèi)轉(zhuǎn)子估計轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速及繞組A相電流波形,圖6b及圖7b展示了內(nèi)轉(zhuǎn)子估計位置與實際位置。由實驗結(jié)果可見,基于電流模型和磁鏈模型的兩種MRAS策略下內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均能較好的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,且估計轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速吻合度高,誤差小,空載電流波形也較正弦,即均可實現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子無傳感器控制。但實驗時需耗費較長時間來選擇合理的PI參數(shù),且當電機工況發(fā)生變化時定參數(shù)PI將難以達到最佳控制效果。
圖6 基于電流可調(diào)模型的MRAS實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of MRAS with the current adjustable model
圖7 基于磁鏈可調(diào)模型的MRAS實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of MRAS with the flux linkage adjustable model
由上述分析可知基于磁鏈模型的MRAS算法更為簡單,因此在SM-MRAS策略中選取磁鏈模型為可調(diào)模型進行實驗。圖8所示為內(nèi)轉(zhuǎn)子在基于磁鏈可調(diào)模型的SM-MRAS無傳感器控制下的實驗波形,圖8a為估計轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速及A相電流波形,圖8b為轉(zhuǎn)子估計位置及實際位置,由圖8可看出估計轉(zhuǎn)速有一定的毛刺,電流幅值波動較大,且估計位置有一定的脈動,即存在抖振現(xiàn)象。圖9所示為采用飽和函數(shù)轉(zhuǎn)速估算切換方法的改進SM-MRAS控制下的內(nèi)轉(zhuǎn)子實驗波形,圖9a所示估計轉(zhuǎn)速平滑,波動小,與實際轉(zhuǎn)速吻合度高,且電流波形正弦度高。圖9b可看出該控制策略下能準確估計轉(zhuǎn)子位置,且估計位置無脈動,即消除了未改進SM-MRAS控制策略引起的抖振現(xiàn)象。且對比圖8a與圖9a,可看出改進型的SM-MRAS相較于傳統(tǒng)SM-MRAS,轉(zhuǎn)速響應(yīng)更快,轉(zhuǎn)速突變時跟蹤給定轉(zhuǎn)速需要的時間較短。
圖8 基于磁鏈可調(diào)模型的SM-MRAS實驗波形Fig.8 Experimental waveforms of SM-MRAS with the flux linkage adjustable model
圖9 基于磁鏈可調(diào)模型的改進型SM-MRAS實驗波形Fig.9 Experimental waveforms of improved SM-MRAS with the flux linkage adjustable model
通過上述空載實驗的驗證,可看出基于磁鏈可調(diào)模型的采用飽和函數(shù)轉(zhuǎn)速估算切換方法的改進型SM-MRAS策略能很好地實現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子無傳感器控制。為進一步驗證該無傳感器控制策略的性能,對內(nèi)轉(zhuǎn)子進行加載測試,并中途進行負載突變,內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制為200r/min。內(nèi)轉(zhuǎn)子在該無傳感器控制策略下加載時的實驗波形如圖10所示。圖10a所示為內(nèi)轉(zhuǎn)子估計轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速、A相繞組電流及估計轉(zhuǎn)子位置。圖10b所示為A相繞組電流及估計轉(zhuǎn)子位置在短時間的波形圖。從實驗圖上可看出實際轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速吻合,在負載突變時轉(zhuǎn)速經(jīng)過微小波動后即恢復正常,且繞組電流較正弦,估計轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定、無脈動。
圖10 內(nèi)轉(zhuǎn)子加載實驗波形Fig.10 Experimental waveforms of the inner rotor with load
在內(nèi)轉(zhuǎn)子加載實驗成功的基礎(chǔ)上,采用異步電機模擬風力機,驅(qū)動外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,同時控制內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變,并加載。實驗過程中外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從50r/min變化到35r/min再到15r/min,控制內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持200r/min不變,內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差則會變化,實驗波形如圖11所示。圖11a展示了內(nèi)轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速、內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差及內(nèi)轉(zhuǎn)子電流,可見內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持恒定,內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差(即此時無位置估計轉(zhuǎn)速)能跟蹤給定值,A相繞組電流平穩(wěn),且從圖11b中看出內(nèi)轉(zhuǎn)子估計轉(zhuǎn)子位置無脈動,A相電流正弦度較高。上述實驗結(jié)果表明了基于磁鏈可調(diào)模型的改進型SM-MRAS策略能良好地實現(xiàn)雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)PM-EVT電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的無位置控制。
圖11 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時內(nèi)轉(zhuǎn)子加載實驗波形Fig.11 Experimental waveforms of the inner rotor with load when the outer rotor is rotating
本文針對用于雙功率流風力發(fā)電系統(tǒng)的電氣無級變速器,提出了一種新型的改進型滑模變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)無傳感器控制方法,通過原理分析和實驗研究表明:
(1)通過將滑模變結(jié)構(gòu)算法取代傳統(tǒng)模型參考自適應(yīng)方法中的PI環(huán)節(jié),使無傳感器控制結(jié)構(gòu)更簡單,參數(shù)選擇更便捷,同時達到了良好的轉(zhuǎn)速估計效果。
(2)同時針對傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)算法引起的抖振現(xiàn)象,本文采用的飽和函數(shù)轉(zhuǎn)速切換估計算法有效地消除了這一現(xiàn)象,同時可省略原本所需的低通濾波器,提高轉(zhuǎn)速估計速度。
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