CN103875177B - 马达控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于控制SRM的马达控制器，所述马达控制器包括：逆变器，所述逆变器用于与SRM连接；转矩和磁通估计器，所述转矩和磁通估计器基于来自所述逆变器的输出和所述开关磁阻马达的转子角度，估计在所述SRM中生成转矩和磁通,作为估计转矩和估计磁通；开关模式选择器，所述开关模式选择器基于基准转矩和所述估计转矩的比较结果、基准磁通与所述估计磁通的比较结果和磁通相位角来选择开关模式中的一个，并且根据所选择的开关模式执行所述逆变器的开关；以及基准磁通计算器，所述基准磁通计算器在改变磁通轨迹的情况下，根据所述磁通轨迹和所述转子角度获得所述基准磁通，所述磁通轨迹指示所述转子角度与所述基准磁通之间的关系。

Description

马达控制器

技术领域

本发明涉及一种控制开关磁阻马达的马达控制器。

背景技术

近来开关磁阻马达由于其低制造成本、简单而坚固的结构的优点而被提及。开关磁阻马达（在下文中称为“SRM”）既没有转子绕组也没有永磁体，并且具有高速和速度范围宽的良好的鲁棒性。在SRM中，在电感改变时通过将电流施加至定子绕组来生成转矩。如果在电感增加时施加电流，则产生正转矩，而如果在电感减少时施加电流，则产生负转矩。

为了有效地控制SRM，通常在高速、中速和低速中使用单独算法。例如，在低速中，使用斩波模式控制，其中将离散的恒定电流施加到每个相位。在高速中，使用被称为角度控制的另一种控制。这种控制的开关模式被称为“单脉冲模式”，其中将单脉冲施加至电感的每个周期。在中速中，使用低速和高速的混合控制。

为了实现SRM所需的电流模式，提出了各种特定逆变器。例如，Zeljko等(A NovelPower Inverter for Switched Reluctance Motor Drives,Elec.Energ.vol.18,No.3,Dec.2005,453-465)公开了一种拓扑，其中针对三相SRM电源提供了四个逆变器臂。利用四臂来连接三相绕组的星点。因为这种拓扑，可以单独地控制每个相位。

另一方面，WO2011/65406公开了一种用于内部永磁体马达的直接转矩控制（在下文中称为“DTC”）系统。在DTC系统中，根据转矩、基准转矩、磁通、基准磁通、相位角等来选择逆变器的开关模式中的一种。通过参照示出了磁通大小和相位角之间的关系的磁通轨迹（flux trajectory）来获得基准磁通。WO2011/65406中所示的DTC系统根据转矩、基准转矩、马达速度和交越速度（crossover speed）在圆形与多边形之间变化磁通轨迹的形式。

发明内容

技术问题

传统的用于SRM的逆变器具有特定的拓扑，因此，逆变器应当具有分立元件。在逆变器中使用分立元件而非单个模块增加了成本、重量、尺寸、组装时间和复杂度，并且降低了逆变器的可靠性和鲁棒性。此外，逆变器不能用于任何其它类型的马达。

此外，用于SRM的逆变器需要针对高速、中速和低速的单独算法，其增加了系统的复杂度和设置时间。

问题的解决方案

作为本发明的实施方式的一个方面，一种用于控制开关磁阻马达的马达控制器包括：逆变器，所述逆变器与开关磁阻马达连接；转矩和磁通估计器，所述转矩和磁通估计器基于来自所述逆变器的输出和所述开关磁阻马达的转子角度，估计在所述开关磁阻马达中生成的转矩和磁通，作为估计转矩和估计磁通；开关模式选择器，所述开关模式选择器基于基准转矩与所述估计转矩的比较结果、基准磁通与所述估计磁通的比较结果和磁通相位角来选择开关模式中的一个，并且根据所选择的开关模式执行所述逆变器的开关；以及基准磁通计算器，所述基准磁通计算器在根据所述基准转矩和所述开关磁阻马达的转速改变磁通轨迹的情况下，根据所述磁通轨迹和所述转子角度获得所述基准磁通，所述磁通轨迹指示所述转子角度与所述基准磁通之间的关系。

根据结合附图时的本发明的以下详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。

本发明的有益效果

本发明简化了对开关磁阻马达的控制。

附图说明

图1是示出马达控制器的构造的框图。

图2是SRM的示意图。

图3示出了逆变器的构造。

图4示出了磁通相位角K与电压矢量之间的关系。

图5示出了线圈的位置。

图6示出了线圈的连接。

图7示出了基准磁通计算器的构造。

图8示出了磁通轨迹。

图9示出了磁通轨迹。

图10示出了磁通轨迹。

图11示出了逆变器与绕组之间的连接。

图12示出了线圈的连接。

图13示出了电压矢量的分量。

图14示出了磁通相位角K与电压矢量之间的关系。

具体实施方式

图1是示出马达控制器1的构造的框图。马达控制器1在DTC（直接转矩控制）下控制SRM（开关磁阻马达）9。

图2是SRM9的示意图。SRM9包括转子91和定子92。通过轴承机构（没有示出）在旋转轴周围可转动地支撑转子91。转子91具有朝向定子92突出的多个部分911，并且定子92具有朝向转子91突出的多个部分921，换言之，SRM9具有双凸极。通过钢层压形成定子92的铁心。导线围绕定子92的每个突出部分921缠绕以形成线圈922。转子91通过钢层压形成并且既没有线圈也没有永磁体。通过在各相绕组（即线圈922）的电感改变时切换电流供应模式来产生转矩。

如图1所示，电极控制器1包括：逆变器11、转矩和磁通估计器12、开关模式选择器13、转矩滞后比较器141、磁通滞后比较器142、转矩减法器151、磁通减法器152和基准磁通计算器16。转矩和磁通估计器12估计出估计转矩T和估计磁通Ψ（Psi）。

开关模式选择器13从预先准备的开关模式中选择一种开关模式，并且根据所选择的模式执行对逆变器11的开关。转矩减法器151获得估计转矩T与基准转矩T*之间的差值并且将该差值输入到转矩滞后比较器141。转矩滞后比较器141在将滞后引入到该差值的情况下将该差值输入到开关模式选择器13。磁通减法器152获得估计磁通Ψ与基准磁通Ψ*之间的差值并且将该差值输入到磁通滞后比较器151。磁通滞后比较器151在将滞后引入到该差值的情况下将该差值输入到开关模式选择器13。稍后将讨论基准磁通计算器16的功能。

图3示出了与SRM9连接的逆变器11的构造。该逆变器是通用VSI（电压源逆变器），通用VSI是具有6个开关元件的三相桥式逆变器。逆变器11具有电容器111、三对开关元件112和三对二极管113。这些元件与DC电源114并联连接。三条电流供应线中的每一条均从每对开关元件的元件之间的点开始抽出并且连接至SRM9。SRM9的绕组923是三角形连接的。从逆变器11供应的电流是双极的。

如图1所示，将从逆变器11输出的电流I和转子角度θr输入到转矩和磁通估计器12。转矩和磁通估计器12估计由SRM9产生的转矩和在SRM9中生成的磁通，作为估计转矩T和估计磁通Ψ。估计转矩T被输入到转矩减法器151。估计磁通Ψ被输入到磁通减法器152。

基准转矩T*也被输入到转矩减法器151。转矩减法器151获得估计转矩T与基准转矩T*之间的（带符号的）差值，以将该差值输入到转矩滞后比较器141。例如通过计算器（未示出）计算基准转矩T*作为使得转子91的转速达到目标速度的转矩。基准磁通Ψ*也被输入到磁通减法器152。磁通减法器152获得估计磁通Ψ与基准磁通Ψ*之间的（带符号的）差值，以将该差值输入到磁通滞后比较器142。通过稍后将讨论的基准磁通计算器16来计算基准磁通Ψ*。

转矩滞后比较器141是三值比较器。转矩滞后比较器141在基准转矩T*与估计转矩T之间的（带符号的）差值大于预定的正阈值的情况下输出“1”，并且在该差值小于预定的负阈值的情况下输出“-1”。如果该差值在正阈值与负阈值之间，则转矩滞后比较器141输出“0”。磁通滞后比较器142是二进制比较器。磁通滞后比较器142在基准磁通Ψ*与估计磁通Ψ之间的（带符号的）差值大于预定的正阈值的情况下输出“1”，并且在该差值小于预定的负阈值的情况下输出“-1”。如果该差值在正阈值与负阈值之间，则磁通滞后比较器142保持输出作为之前条件的“1”或“-1”。

从转矩滞后比较器141和磁通滞后比较器142输出的值（换言之，基准转矩T*与估计转矩T的比较结果以及基准磁通Ψ*与估计磁通Ψ的比较结果）被输入到开关模式选择器13。另一方面，转矩和磁通估计器12对磁通相位角θp进行估计并且将该磁通相位角θp输入到开关模式选择器13。开关模式选择器13基于这些输入值从多个开关模式131中选择开关模式，并且根据所选择的开关模式执行对逆变器11的开关。

表格1示出了选择开关模式的表格。转矩T的列中的“↑”指示从转矩滞后选择器141输入到开关模式选择器13的值是“1”。换言之，它指示SRM9中的磁通矢量逆时针旋转并且逆时针转矩增加。“↓”指示输入的值是“-1”，SRM9中的磁通矢量顺时针旋转并且逆时针转矩减少。“→”指示输入的值是“0”，转矩被保持。实际上，转矩根据磁通的逐渐减少而逐渐地减少。

[表格1]

T	ψ	n
			↑	↓	K+2
↑	↑	K+1
			→	-	0
↓	↑	K-1
			↓	↓	K-2

磁通Ψ的列中的“↑”指示从磁通滞后选择器142输入到开关模式选择器13的值是“1”。换言之，它指示需要增加在SRM9中生成的磁通。“↓”指示输入的值是“-1”并且需要减少磁通。“-”指示忽略从磁通滞后比较器142输入到开关模式选择器13中的值。

表格1所示的“n”是为逆变器11设置的开关模式的数目。通过用指示磁通相位角θp的范围的值替代K来确定n。图4示出了磁通相位角θp、K与电压矢量之间的关系。范围R(1)示出了磁通相位角θp的范围，其中用1替代K。类似地，R(2)、R(3)、...、R(6)示出了用2、3、...、6分别替代K的情况下的范围。当(K+2)或者(K+1)大于6时，将从(K+2)或(K+1)中减去6得到的值设置为n。当(K-1)或(K-2)小于1时，将(K+2)或(K+1)加6得到的值设置为n。

图5示出了与图4中所示的磁通方向a、b、c相对应的每个相位的线圈922的位置。图6是示出了线圈922的连接的示意图。带有La、Lb、Lc的块代表每个相位的线圈，并且图6示出线圈组La、Lb、Lc与从逆变器11中抽出的导线A、B、C之间的连接关系。图5中从a'到a的方向与图4中从(a-)到(a+)方向相对应。从b'到b的方向与图4中从(b-)到(b+)的方向相对应，并且从c'到c的方向与图4中从(c-)到(c+)的方向相对应。在图6中，当电流在三角形连接的线圈组La、Lb、Lc中按顺时针方向流过时，在图4中分别沿着方向(a+)、(b+)、(c+)生成磁通。

在由开关模式选择器13基于从转矩滞后比较器141和磁通滞后比较器142输入的值、磁通相位角θp和表格1确定了n之后，选择逆变器11的开关模式以实现电压矢量Vn(A,B,C)。Vn(A,B,C)是图4中示出的电压矢量V1(1,-1,1)、V2(-1,-1,1)、...、V6(1,-1,-1)中的一个，并且根据值n将“1”或“-1”设置给A、B、C中的每一个。“1”指示将正电压施加至导线A、B或C，并且“-1”指示将负电压施加至导线A、B或C。

例如，如果从转矩滞后比较器141输入的值是“1”、从磁通滞后比较器142输入的值是“-1”，并且磁通相位角θp存在于范围R(1)中，则用“1”替代K并且将n设置为(K+2)，即3，参照表格1的最上面一行。因此，为了形成图4中所示的电压矢量V3(-1,1,1)，针对逆变器11设置用于将分别为负电压、正电压、正电压的电压施加给图5中所示的导线A、B、C的开关模式。由于磁通矢量是通过电压矢量的积分来表示的，因此存在于范围R(1)内的磁通矢量的终点沿着图4中的方向V3移动。结果，转矩增加并且磁通减少。

又例如，如果从转矩滞后比较器141输入的值是“-1”、从磁通滞后比较器142输入的值是“1”，并且磁通相位角θp存在于范围R(3)中，则用“3”替代K并且将n设置为(K-1)，即2，参照表格1的第三行。因此，为了形成图4中所示的电压矢量V2(-1,-1,1)，针对逆变器11设置用于将分别为负电压、负电压、正电压的电压施加在图5中所示的导线A、B、C的开关模式。存在于范围R(3)内的磁通矢量的终点沿着图4中的方向V2移动，则转矩减少并且磁通增加。

当从转矩滞后比较器141输入的值是“0”时，将0设置给n并且选择V0(1,1,1)或V0(-1,-1,-1)。结果，选择将正电压或负电压施加至所有导线A、B、C的开关模式。

如上所述，通过用开关模式选择器13选择用于逆变器11的开关模式来控制转矩和磁通，并且控制SRM9以使得估计转矩T和估计磁通Ψ遵循基准转矩T*和基准磁通Ψ。

图7示出基准磁通计算器16的构造。基准磁通计算器16包括磁通电感角度计算器161和磁通轨迹修正器162。将基准转矩T*和转度ωr输入到磁通电感角度计算器161。转速ωr由设置在SRM9中的传感器检测。可以根据转子角度θr来计算转速ωr。换言之，可以为SRM9设置获得转子角度θr的传感器和获得转速ωr的传感器，并且可以省略获得转速ωr的传感器。

磁通电感角度计算器161基于基准转矩T*和转速ωr来计算磁通电感角度。磁通轨迹修正器162根据磁通电感角度来修正磁通轨迹8。基准磁通计算器16基于转子角度θr和磁通轨迹8来计算基准磁通Ψ*。

图8示出磁通轨迹8的示例。在图8中磁通轨迹8是在极坐标系中描绘的，并且径向方向与磁通的大小对应，并且圆周方向与转子角度θr对应。磁通轨迹8的形状接近等边三角形。例如，当转子角度是图8所示的θr1时，计算基准磁通Ψ*1，其中基准磁通的大小是中心与磁通轨迹8之间距离。由于计算了与转子角度θr相对应的基准磁通Ψ*并且进行了控制以使估计磁通Ψ接近于基准磁通Ψ*，因此从原点开始的磁通矢量的末端位置跟踪磁通轨迹8。

图8示出了在磁通电感角度θa是30度的情况下的磁通轨迹8。图9示出了在磁通电感角度θa是60度的情况下的磁通轨迹8，并且图10示出了在磁通电感角度θa是0度的情况下的磁通轨迹8。磁通电感角度θa是在一个相位中磁通幅度和和电感幅度的类似点之间的角度。例如，可以将其定义为分别发生最大磁通量和最大电感的两个角度（或者方向）之间的角度。自然地，磁通电感角度的值指示磁通量与电感之间的相位关系。

如图8至图10所示，基于基准转矩T*和转速ωr来改变磁通电感角度θa。根据磁通电感角度θa的改变使磁通轨迹8旋转。换言之，当磁通电感角度θa被改变时，使磁通轨迹8相对于转子角度θr移位。

最大可用磁通量受到SRM9中感应出的反电动势（back EMF）限制。这意味着，因为在高速下磁通幅度不能增加，因此应该通过改变磁通电感角度θa来设置可用平均转矩。因此，磁通电感角度计算器161监视转速ωr，并且然后基于基准转矩T*来计算磁通电感角度θa。更加详细地说，磁通电感角度计算器161基于转速ωr和基准转矩T*计算磁通电感角度θa，以修正马达效率。

在传统的DTC中，参照磁通相位角根据磁通轨迹获得基准磁通。然而，由于SRM具有双凸极并且通过使用电感的改变来实现转动，因此参照磁通相位角不能获得基准磁通。因此，马达控制器1参照转子角度θr执行对基准磁通Ψ*的计算。另外，由于传统的DTC控制不具有双凸极的马达，因此基准磁通的大小没有很大地改变。因此，传统的磁通轨迹的形状是圆形或近似多边形。SRM具有双凸极，因此，基准磁通会根据电感被大大地改变。由于上述原因，具有多个凹部81的磁通轨迹8是优选的。在轨迹8中，凸部82和凹部82沿着圆周方向交替排列。

马达控制器1在DTC下控制SRM9。所有DC环节（DC link）电压都可用于相位的磁化和退磁，因此马达可以在整个速度范围内工作。结果，在高速、中速和低速不需要传统的单独控制算法，并且这使得马达控制简单。因为单个算法用于所有的速度区域，因此不需要复杂的设置。通过使用DTC，动态响应比之前的SRM控制高很多，因此，马达控制器1尤其适用于车辆应用。

而且，用于其它类型的马达(IM、IPM、SPM等)的通用逆变器（其为“三相VSI6组（three-phase VSI6-pack）”）可以用于逆变器11。这能够减少马达控制器1的制造成本、重量、尺寸、组装时间和复杂度，并且能够增加逆变器可靠性和鲁棒性。

上面提到的DTC可以应用于具有星形连接绕组的SRM。这种情况下的马达控制器1的结构与图1所示的结构相同。图11示出了逆变器11与绕组923之间的连接并且与图3对应。当控制星形连接马达时，逆变器11的结构也与通用逆变器的结构相同。

图12是示出了按照与图6相同方式的线圈922的连接的示意图。带有La、Lb、Lc的块代表每个相位的线圈，并且图12示出线圈组La、Lb、Lc与从逆变器11中抽出的导线A、B、C之间的连接关系。图13示出了电压矢量V1、V2、...、V6和V0以及它们的分量，其中正电压或者负电压被施加给导线A、B和C中的每一个。在星形连接的情况下，如图13所示，磁通矢量的终点的移动方向根据电压矢量分别是(a+)、(c-)、(b+)、(a-)、(c+)、(b-)。转矩T和磁通Ψ的改变与n之间的关系与表格1相同。磁通相位角θp与用于确定n的K之间的关系在图14中示出。

如上所述，在绕组923在SRM9中是星形连接的情况下，除了磁通相位角θp与开关模式之间的关系之外，按照与三角连接的情况相同的方式，可以在DTC下控制SRM9。

可以针对上面讨论的优选实施方式采取各种修改。对DTC的细节的适当修改是允许的。例如，转矩滞后比较器141可以输出二进制值。磁通轨迹8的形状不限于在上述实施方式中公开的形状。磁通轨迹8的修改不限于旋转，而是其形状可以改变。

虽然已经示出和详细描述了本发明，但是前面的描述在所有方面都是例示性的而不是限制性的。因此可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出许多修改和变化。

工业可应用性

本发明可以应用于针对各种用途的开关磁阻马达。

参考符号列表

1马达控制器

8磁通轨迹

9开关磁阻马达

11逆变器

12转矩和磁通估计器

13开关模式选择器

16基准磁通计算器

81凹部

112开关元件

923绕组

T估计转矩

T*基准转矩

Ψ估计磁通

Ψ*基准磁通

θp磁通相位角

θr转子角度

ωr转速

Claims (5)

1.一种用于控制开关磁阻马达的马达控制器，所述马达控制器包括：

逆变器，所述逆变器与开关磁阻马达连接；

转矩和磁通估计器，所述转矩和磁通估计器基于来自所述逆变器的输出和所述开关磁阻马达的转子角度，估计在所述开关磁阻马达中生成的转矩和磁通，作为估计转矩和估计磁通；

开关模式选择器，所述开关模式选择器基于基准转矩与所述估计转矩的比较结果、基准磁通与所述估计磁通的比较结果和磁通相位角来选择开关模式中的一个，并且根据所选择的开关模式执行所述逆变器的开关；以及

基准磁通计算器，所述基准磁通计算器在根据所述基准转矩和所述开关磁阻马达的转速改变磁通轨迹的情况下，根据所述磁通轨迹和所述转子角度求出所述基准磁通，所述磁通轨迹指示所述转子角度与所述基准磁通之间的关系。

2.根据权利要求1所述的马达控制器，其中

所述逆变器是具有6个开关元件的三相桥式逆变器。

3.根据权利要求1或2所述的马达控制器，其中

根据所述基准转矩和所述开关磁阻马达的所述转速，通过所述基准磁通计算器使所述磁通轨迹相对于所述转子角度进行移位。

4.根据权利要求1或2所述的马达控制器，其中

在极坐标系中描绘的所述磁通轨迹具有多个凹部。

5.根据权利要求1或2所述的马达控制器，其中

所述开关磁阻马达的绕组是三角形连接的。