CN103337993B - 一种正弦波电感的开关磁阻电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括定子、转子和绕制在定子上的各相绕组，所述各相绕组产生随转子位置呈正弦变化的电感波形；以输出平滑的电磁转矩为目标，对各相绕组的输入电流波形进行控制。本发明提供的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，能够抑制转矩脉动，使得输出转矩保持恒定，具有良好的实用性和经济性；通过改变控制策略，不增加硬件成本费用且实现简单；保留了传统开关磁阻电机结构简单牢靠、鲁棒性好等优势；采用集中式线圈作为绕组，绕制难度低、端部较短，能够减少铜耗且利于散热；各相绕组相独立，具有较强的容错能力，有效增加了系统的可靠性。

Description

一种正弦波电感的开关磁阻电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对电感波形为正弦波的开关磁阻电机的控制方法，属于电机控制技术。

背景技术

随着电力电子器件技术、微电子技术和自动控制技术的发展，尤其是稀土永磁材料出口限制所引起的价格上涨，开关磁阻电机的应用将越来越广泛。另一方面，在一些深空、深海、昼夜温差大的特殊作业环境下，永磁体的磁性能不稳定，不利于永磁电机在上述领域的应用。而开关磁阻电机作为一种电励磁电机，其定转子均由普通硅钢片压叠制成双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组线圈，依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机制造简单、成本低、结构牢靠、体积小、重量轻、散热方便。在工业调速系统领域中已显示出强大的竞争力，在电动汽车、家用电器、纺织机械、电气传动等方面也有广阔的前景。

然而，限制开关磁阻电机调速系统进一步推广应用，尤其是在高性能伺服系统的一个重要技术瓶颈就是开关磁阻电机特有的转矩脉动所引起的噪声与振动问题。伴随着开关磁阻电机现有的技术方案与控制方法，噪声与振动问题一直很难彻底解决。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种针对电感波形为正弦波的开关磁阻电机的控制方法，通过对电机定转子铁心的优化设计，使每相绕组产生与转子位置呈正弦变化的电感波形，进而通过对每相绕组的输入电流波形控制，产生理论上的恒定电磁转矩；本发明适用于任意相数、任意定转子齿轮槽配合的开关磁阻电机（如三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极等）。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括定子、转子和绕制在定子上的各相绕组，所述各相绕组产生随转子位置呈正弦变化的电感波形；以输出平滑的电磁转矩为目标，对各相绕组的输入电流波形进行控制。

优选的，采用电流滞环控制方法对各相绕组的输入电流波形进行控制。

所述平滑的电磁转矩具体为电磁转矩恒定、转矩脉动为零。

对各相绕组的输入电流波形进行控制的具体方法为：（1）通过给定的输出转矩，计算出各相绕组在不同转子位置的电流波形的给定状态信息；（2）实时监测或估算转子的位置信息，并根据转子的位置信息获取各相绕组的电流给定值；（3）根据各相绕组电流实时反馈信息，通过滞环比较控制功率器件的开通关断状态，使得实际电流跟踪给定电流，以输出平滑的电磁转矩。

优选的，所述步骤（2）中，可以使用光电编码器、旋转变压器或光电码盘的锁相环实时监测转子的位置信息，亦可通过采集电压、电流信号间接获取转子位置信息，即通过无位置传感器算法获得转子位置信息。

优选的，所述步骤（3）中，根据各相绕组的电流波形的给定状态信息，使用电流滞环比较方式实时调控输入电流波形。

所述通过优化定子和/或转子的齿宽、齿形、增加极靴或增加斜槽等方式，使各相绕组产生与转子位置呈正弦变化的电感波形。

本案适用于任意相数、任意定转子齿轮槽配合的开关磁阻电机，比如三相6/4极、三相12/8极或四相8/6极开关磁阻电机。所述开关磁阻电机可以是内转子结构也可以是外转子结构。本案既可以应用于开关磁阻电机的电动控制模式，又可以应用于开关磁阻电机的发电控制模式。所述输入电流波形可以灵活根据开关磁阻电机的单拍运行或双拍运行进行修改。

本发明可以通过对开关磁阻电机的定子和/或转子形状的优化设计，改变传统开关磁阻电机近似线性的电感波形，使每相绕组的自感波形近似于正弦变化，进而革命性地提出适合正弦波电感的开关磁阻电机新型控制策略。若忽略滞环控制所引起的转矩脉动，理论上这种开关磁阻电机可以产生完全平滑的电磁转矩，以进一步推动开关磁阻电机调速系统的应用。使用本发明的控制方法来控制具备正弦波形电感的开关磁阻电机能够有效地减小转矩脉动，实现输出转矩的平稳。传统开关磁阻电机在采用低速时的电流斩波控制时，由于无法准确获得当前时刻的电感以及电感变化率，必然会导致转矩脉动。通过优化设计定转子铁心形状，使每相绕组电感波形为正弦波，进而通过理论推导，以产生平滑电磁转矩为目标，能够得到完全不同于传统开关磁阻电机的电流控制波形。

有益效果：本发明提供的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，能够抑制转矩脉动，使得输出转矩保持恒定，具有良好的实用性和经济性；通过改变控制策略，不增加硬件成本费用且实现简单；保留了传统开关磁阻电机结构简单牢靠、鲁棒性好等优势；采用集中式线圈作为绕组，绕制难度低、端部较短，能够减少铜耗且利于散热；各相绕组相独立，具有较强的容错能力，有效增加了系统的可靠性。

附图说明

图1为实例中三相12/8极电感正弦型开关磁阻电机的剖视结构示意图；

图2为针对实施例的电感正弦型开关磁阻电机的无转矩脉动控制方法流程图；

图3为基于Matlab对实施例的仿真相电流波形图；

图4为基于Matlab对实施例的仿真电磁转矩波形图；

图5为实施例的一个电周期内的电感波形图；

图6为实施例的一个电周期内的电感变化率波形图；

图7为以12/8开关磁阻电机为例，每相绕组通入的理想电流波形；

图8为以8/6开关磁阻电机为例，每相绕组通入的理想电流波形；

其中，图5纵坐标幅值为电感，图6纵坐标幅值为电感变化率，图7～图8纵坐标幅值为电流，其幅值均为归一化处理后的值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

开关磁阻电机是一种双凸极可变磁阻电机，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上有集中绕组。开关磁阻电动机可以设计成多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也有多种不同的搭配，相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但是其结构复杂，且所需的功率变换器成本较高。

下面以一台三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机（即12/8极开关磁阻电机）为例，详细介绍本发明。如图1所示，本案的开关磁阻电机包括定子1和转子2，转子2位于定子1的内部，定子1和转子2均为凸极结构，定子1和转子2都可以采用硅钢冲片压叠制成，制造简单，在定子1上绕制有三相集中绕组。三相集中绕组共有十二个集中式绕组线圈。

开关磁阻电机的工作机理遵循磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向电机定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地向一定方向转动。如果改变电机定子各相的通电次序，电机将改变转向，但相电流极性的改变不会影响转子的转向。

开关磁阻电机调速系统主要由四部分组成：开关磁阻电机本体、功率变换器、控制器及位置检测装置（或位置估算器）。开关磁阻电机本体是开关磁阻电机调速系统中实现能量转换的部件，也是该调速系统有别于其他驱动系统的主要标志。功率变换器向开关磁阻电机提供运转所需的能量，由电池或交流电源整流后得到直流形式的电源供电。控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻电机运行状态的控制。位置传感器是开关磁阻电机调速系统中不可缺少的一部分（现在也有无位置传感器控制算法的研究方案，但尚未进入产品化应用阶段），由它提供控制器转子位置信息，保证在合适的时刻接通或者断开开关器件。

根据电机学基本理论，通过优化传统开关磁阻电机的定转子齿宽、齿形、增加极靴、斜槽等方式可以实现每相绕组电感与转子位置之间为正弦规律变化波形的目标，这属于电机优化设计中的逆问题。

而对已经具备正弦波绕组电感的开关磁阻电机，在理论上采用电流滞环控制可产生平滑的电磁转矩，使输出转矩脉动大大减小。假设通过优化设计使开关磁阻电机每相绕组电感的自感L_ph满足式（1）：

L_ph=L₀-L₁cos(θ)（1）

其中：L₀为自感波形直流分量，L₁为自感波形正弦基波分量幅值，且满足L₀>L₁。

开关磁阻电机每相电磁转矩T_ph表达式如式（2）：

$T_{\mathrm{ph}}=\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{ph}}^2\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{ph}}}{\mathrm{d\θ}}---\left(2\right)$

其中：i_ph为每相绕组电流，θ为转子机械位置角。

将公式（1）代入公式（2），可得：

$T_{\mathrm{ph}}=\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{ph}}^2\·L_1\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

需要指出：开关磁阻电机具有两种运行模式，即单拍工作状态与双拍工作状态。所谓单拍工作是指电机正常运行时，在某个时刻一般只有一相导通，例如三相12/8结构的开关磁阻电机的典型工作模式就是三相单三拍方式。

由公式（2）可知，每相电磁转矩与相电流之间为平方关系，因此电流的极性不影响电磁转矩的极性。若想产生单极性的正向电磁转矩，必须在dL_ph/dθ>0的区域通入电流。而根据公式（3）所示的正弦波电感开关磁阻电机转矩表达式，则必须在转子位置电角度为（0°，180°）区间内全程或部分导通才能够产生正电磁转矩。

由于12/8结构电机采用三相单三拍方式运行，因此在任意时刻，每相电磁转矩即为电机的总电磁转矩，因此令T_ph=C₁，求解出此时相电流i_ph如式（4）：

$i_{\mathrm{ph}}=\sqrt{\frac{{2C}_1}{L_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}}=\sqrt{\frac{C_2}{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(4\right)$

其中，C₁、C₂均为常数，且

由于电角度区间（30°，150°）内的电感变化率相对较大，因此选择这一区域为电流导通区。

而对于如四相8/6结构的开关磁阻电机，其典型工作模式是采用四相双四拍方式，即任何时刻一般有两相绕组同时导通。显然，对于双拍工作的正弦波电感开关磁阻电机，其电流的控制方法与单拍工作电机不同。下面以四相8/6极电机为例，推导其电流控制策略。四相8/6极开关磁阻电机，其步进角为15°。

在机械角度0°～15°（即电角度0～90°）内，A相和D相两相同时导通。而在电角度区域(0°～90°)，由于D相超前A相90°，故

为使8/6结构电机与12/8电机控制策略达到统一，让A相和D相在机械角度（0°～15°）（即电角度0°～90°）内的电流一致，即A相在0°～15°和15°～30°时电流波形一致，在这种情况下，为了保证输出转矩恒定，有式（5）：

$\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{phA}}^2\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{phA}}^2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{C_1}{L_1}---\left(5\right)$

求解出：

其中 $C_2=\frac{\sqrt{2}{C}_1}{L_1}---\left(6\right)$

电角度位于（90°～180°）时，A相的电流波形也一致，不过表达式变成：

其中 $C_2=\frac{\sqrt{2}{C}_1}{L_1}---\left(7\right)$

可见，对于单相导通的控制方式和两相同时导通的控制方式，相电流表达式具有高度的相似性，说明所提出的控制策略具有很好的通用性。其具体的流程如图2所示。

使用MATLAB建立数学模型对三相12/8极开关磁阻电机进行仿真实验，通过电流滞环，使实际绕组内的通入电流实时跟踪与转子位置相关的参考电流，得到电流仿真波形及转矩仿真波形如图3和图4所示。可见，除换相区域内（换相区域内的转矩脉动可通过优化开通关断角进行抑制），其他区域转矩脉动都很小，并且实际电流可以良好跟踪参考电流的波形，这充分说明该控制方法的可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述开关磁阻电机包括定子、转子和绕制在定子上的各相绕组，所述各相绕组产生随转子位置呈正弦变化的电感波形；以输出平滑的电磁转矩为目标，采用电流滞环控制方法对各相绕组的输入电流波形进行控制，对各相绕组的输入电流波形进行控制的具体方法为：（1）通过给定的输出转矩，计算出各相绕组在不同转子位置的电流给定值；（2）实时监测或估算转子的位置信息，并根据转子的位置信息获取各相绕组的电流给定值；（3）根据各相绕组电流实时反馈信息，通过滞环比较控制功率器件的开通关断状态，使得实际电流跟踪电流给定值，以输出平滑的电磁转矩；

所述输入电流波形根据开关磁阻电机的单拍运行或双拍运行进行修改；在开关磁阻电机单拍运行时，电角度区间（30^o，150^o）内的电感变化率相对较大，因此选择这一区域为电流导通区。

2.根据权利要求1所述的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中，使用①光电编码器、②旋转变压器或③光电码盘的锁相环实时监测转子的位置信息，或通过④采集电压、电流信号间接获取转子位置信息，即通过无位置传感器算法获得转子位置信息。

3.根据权利要求1所述的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，根据各相绕组的电流给定值，使用电流滞环比较方式实时调控输入电流波形。

4.根据权利要求1所述的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：通过优化定子和/或转子的齿宽、齿形、增加极靴或增加斜槽方式，使各相绕组产生与转子位置呈正弦变化的电感波形。

5.根据权利要求1所述的正弦波电感的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述开关磁阻电机为三相6/4极、三相12/8极或四相8/6极开关磁阻电机。