CN104201855B - 一种四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法，在转子位置区间[0°，θr/4]设置第一组转矩阈值，在转子位置区间[θr/4，θr/2]设置第二组转矩阈值，对相邻的A相和B相供电励磁，A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4，A相到B相的整个换相过程分为两个区间，在转子位置区间[0°，θ1]区间A相使用第二组转矩阈值，B相使用第一组转矩阈值，临界位置θ1是在换相过程中自动出现的，无需额外进行计算，总转矩控制在[Te+th2low，Te+th2up]之间；在转子位置区间[θ1，θr/4]区间A相继续使用第二组转矩阈值，B相继续使用第一组转矩阈值，总转矩被控制在[Te+th1low，Te+th1up]之间，抑制了四相开关磁阻电机转矩脉动，具有良好的工程应用价值。

Description

一种四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法，适用于四相开关磁阻电机驱动系统。
背景技术
传统的开关磁阻电机直接转矩控制用于消除转矩脉动，需要对功率变换器主开关关断角进行设定，不同的功率变换器主开关关断角对转矩控制性能具有重要影响，为平滑输出转矩，需要通过离线计算或在线调节的方式确定关断角。为产生最大平滑转矩，需迅速建立励磁电流，因此一旦进入导通区间，应使电流以最大速率上升，为避免产生负转矩，应使电流以最大速率下降，功率变换器主开关关断角应位于恰当位置，其靠前，则电流不能上升到一定水平，转矩低于期望值；其偏后，则电流进入负转矩区。要求苛刻，实用性不好。因此，需要一种新的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，无需考虑功率变换器主开关关断角对转矩控制性能的影响，可实现最大范围的输出转矩平滑控制。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法。
本发明的四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法，包括如下步骤：
a.在转子位置区间[0°，θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low，th1up)，在转子位置区间[θr/4，θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low，th2up)，这4个转矩阈值满足条件：
th1up＞th2up＞0 (1)
th2low＜th1low＜0 (2)
|th1up|＝|th2low| (3)
|th2up|＝|th1low| (4)
其中，转子位置0°为最小相电感位置，转子位置θr为齿距角即一个转子周期，半个转子周期是θr/2；
b.设置励磁状态SA为A相供电励磁的状态，励磁状态SA＝1表示A相供电励磁电压为正，励磁状态SA＝-1表示A相供电励磁电压为负；设置励磁状态SB为B相供电励磁的状态，励磁状态SB＝1表示B相供电励磁电压为正，励磁状态SB＝-1表示B相供电励磁电压为负，期望的总平滑转矩为Te；
c.对相邻的A相和B相供电励磁，A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4，此时，A相关断，B相开通，通过将A相到B相分为两个区间的换相过程，实现四相开关磁阻电机转矩脉动两电平的抑制。
所述将A相到B相分为两个区间的换相过程如下：
(1)在转子位置区间[0°，θ1]，A相使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)，临界位置θ1是在换相过程中自动出现的，无需额外进行计算；
(1.1)在转子位置0°位置进入B相导通周期，设定初始励磁状态SB＝1，B相电流和转矩从0开始增大；励磁状态SA保持原有状态SA＝-1，A相电流与转矩减小。由于B相在该位置电感变化率及电流较小，因此B相转矩增大速率小于A相转矩减小速率，总转矩随A相减小；
(1.2)当总转矩首先达到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续减小；
(1.3)当总转矩减小到转矩值Te+th2low，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从-1切换到1，A相转矩增大；B相保持原有状态，B相转矩继续增大。从而总转矩增大；
(1.4)当总转矩增大到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增大；
(1.5)当总转矩增大到转矩值Te+th2up，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从1切换到-1，A相转矩减小；由于未满足B相状态转移条件，励磁状态SB保持原有状态，总转矩开始减小；
(1.6)重复步骤(1.2)～(1.5)，励磁状态SB一直保持状态1，即B相受正电压激励，B相电流和转矩以最大速率增大；励磁状态SA在-1和1之间切换，将总转矩控制在[Te+th2low，Te+th2up]之间，从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°，θ1]的脉动；
(2)在转子位置区间[θ1，θr/4]，A相继续使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相继续使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)；
(2.1)在转子位置θ1位置，此时B相电感变化率及相电流已达到一定水平，当励磁状态SB＝1，励磁状态SA＝-1时，B相转矩上升速率不再小于A相转矩下降速率，总转矩变化趋势由B相决定，总转矩增大；
(2.2)当总转矩上升至转矩值Te+th1up，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由1转为-1，B相转矩下降；励磁状态SA保持-1状态，总转矩下降；
(2.3)当总转矩首先下降到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续下降；
(2.4)当总转矩下降到转矩值Te+th1low，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由-1转为1，B相转矩增加；励磁状态SA保持-1状态。总转矩随B相转矩而增加；
(2.5)当总转矩增加到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增加；
(2.6)当总转矩增加到转矩值Te+th1up，重复步骤(2.2)～(2.5)，励磁状态SA保持-1状态，励磁状态SB在-1和1之间切换，总转矩被控制在[Te+th1low，Te+th1up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1，θr/4]的脉动。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明不用考虑不同功率变换器主开关关断角对转矩控制性能的影响，不需要通过离线计算或在线调节的方式确定关断角，只是通过设置两组转矩阈值和设置相邻的A相和B相励磁状态，分别使A相和B相在供电励磁电压为正、负两种励磁状态之间切换，控制总转矩在两组转矩阈值之间，就能平滑控制四相开关磁阻电机瞬时转矩，抑制了四相开关磁阻电机转矩脉动，电机绕组实际激励电压波形与期望电压波形具有相同的特征，实际相电流波形与期望相电流波形高度吻合，实用性强，适用于各种类型、各种结构的四相开关磁阻电机驱动系统，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的开关磁阻电机两电平转矩阈值设定示意图；
图2(a)是本发明的B相供电励磁状态的转换示意图；
图2(b)是本发明的A相供电励磁状态的转换示意图；
图3是本发明的开关磁阻电机转矩波形。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，针对一台四相开关磁阻电机，具体步骤如下：
a.在转子位置区间[0°，θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low，th1up)，在转子位置区间[θr/4，θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low，th2up)，这4个转矩阈值满足条件：
th1up＞th2up＞0 (1)
th2low＜th1low＜0 (2)
|th1up|＝|th2low| (3)
|th2up|＝|th1low| (4)
其中，转子位置0°为最小相电感位置，转子位置θr为齿距角即一个转子周期，半个转子周期是θr/2；
b.如图2所示，设置励磁状态SA为A相供电励磁的状态，励磁状态SA＝1表示A相供电励磁电压为正，励磁状态SA＝-1表示A相供电励磁电压为负；设置励磁状态SB为B相供电励磁的状态，励磁状态SB＝1表示B相供电励磁电压为正，励磁状态SB＝-1表示B相供电励磁电压为负，期望的总平滑转矩为Te；
c.对相邻的A相和B相供电励磁，A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4，此时，A相关断，B相开通，如图1所示，A相到B相的换相过程分为两个区间：
(1)在转子位置区间[0°，θ1]，A相使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)，临界位置θ1是在换相过程中自动出现的，无需额外进行计算；
(1.1)在转子位置0°位置进入B相导通周期，设定初始励磁状态SB＝1，B相电流和转矩从0开始增大；励磁状态SA保持原有状态SA＝-1，A相电流与转矩减小。由于B相在该位置电感变化率及电流较小，因此B相转矩增大速率小于A相转矩减小速率，总转矩随A相减小；
(1.2)当总转矩首先达到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续减小；
(1.3)当总转矩减小到转矩值Te+th2low，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从-1切换到1，A相转矩增大；B相保持原有状态，B相转矩继续增大。从而总转矩增大；
(1.4)当总转矩增大到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增大；
(1.5)当总转矩增大到转矩值Te+th2up，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从1切换到-1，A相转矩减小；由于未满足B相状态转移条件，励磁状态SB保持原有状态，总转矩开始减小；
(1.6)重复步骤(1.2)～(1.5)，励磁状态SB一直保持状态1，即B相受正电压激励，B相电流和转矩以最大速率增大；励磁状态SA在-1和1之间切换，将总转矩控制在[Te+th2low，Te+th2up]之间，从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°，θ1]的脉动；
(2)在转子位置区间[θ1，θr/4]，A相继续使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相继续使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)；
(2.1)在转子位置θ1位置，此时B相电感变化率及相电流已达到一定水平，当励磁状态SB＝1，励磁状态SA＝-1时，B相转矩上升速率不再小于A相转矩下降速率，总转矩变化趋势由B相决定，总转矩增大；
(2.2)当总转矩上升至转矩值Te+th1up，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由1转为-1，B相转矩下降；励磁状态SA保持-1状态，总转矩下降；
(2.3)当总转矩首先下降到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续下降；
(2.4)当总转矩下降到转矩值Te+th1low，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由-1转为1，B相转矩增加；励磁状态SA保持-1状态。总转矩随B相转矩而增加；
(2.5)当总转矩增加到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增加；
(2.6)当总转矩增加到转矩值Te+th1up，重复步骤(2.2)～(2.5)，励磁状态SA保持-1状态，励磁状态SB在-1和1之间切换，总转矩被控制在[Te+th1low，Te+th1up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1，θr/4]的脉动。
对相邻的B相和C相供电励磁，B相供电励磁比C相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、B相和C相励磁状态切换转移方法，与上述情况类似。
对相邻的C相和D相供电励磁，C相供电励磁比D相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、C相和D相励磁状态切换转移方法，与上述情况类似。
对相邻的D相和A相供电励磁，D相供电励磁比A相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、D相和A相励磁状态切换转移方法，与上述情况类似。
所获得的开关磁阻电机转矩波形如图3所示。

Claims (1)

1.一种四相开关磁阻电机转矩脉动两电平抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在转子位置区间[0°，θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low，th1up)，在转子位置区间[θr/4，θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low，th2up)，这4个转矩阈值满足条件：
th1up＞th2up＞0 (1)
th2low＜th1low＜0 (2)
|th1up|＝|th2low| (3)
|th2up|＝|th1low| (4)
其中，转子位置0°为最小相电感位置，转子位置θr为齿距角即一个转子周期，半个转子周期是θr/2；
b.设置励磁状态SA为A相供电励磁的状态，励磁状态SA＝1表示A相供电励磁电压为正，励磁状态SA＝-1表示A相供电励磁电压为负；设置励磁状态SB为B相供电励磁的状态，励磁状态SB＝1表示B相供电励磁电压为正，励磁状态SB＝-1表示B相供电励磁电压为负，期望的总平滑转矩为Te；
c.对相邻的A相和B相供电励磁，A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4，此时，A相关断，B相开通，通过将A相到B相分为两个区间的换相过程，实现四相开关磁阻电机转矩脉动两电平的抑制；
所述将A相到B相分为两个区间的换相过程如下：
(1)在转子位置区间[0°，θ1]，A相使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)，临界位置θ1是在换相过程中自动出现的，无需额外进行计算；
(1.1)在转子位置0°进入B相导通周期，设定初始励磁状态SB＝1，B相电流和转矩从0开始增大；励磁状态SA保持原有状态SA＝-1，A相电流与转矩减小，由于B相在转子位置电感变化率及电流较小，因此B相转矩增大速率小于A相转矩减小速率，总转矩随A相减小；
(1.2)当总转矩首先达到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续减小；
(1.3)当总转矩减小到转矩值Te+th2low，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从-1切换到1，A相转矩增大；B相保持原有状态，B相转矩继续增大，从而总转矩增大；
(1.4)当总转矩增大到转矩值Te+th1low，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增大；
(1.5)当总转矩增大到转矩值Te+th2up，满足A相状态转移条件，励磁状态SA从1切换到-1，A相转矩减小；由于未满足B相状态转移条件，励磁状态SB保持原有状态，总转矩开始减小；
(1.6)重复步骤(1.2)～(1.5)，励磁状态SB一直保持状态1，即B相受正电压激励，B相电流和转矩以最大速率增大；励磁状态SA在-1和1之间切换，将总转矩控制在[Te+th2low，Te+th2up]之间，从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°，θ1]的脉动；
(2)在转子位置区间[θ1，θr/4]，A相继续使用第二组转矩阈值(th2low，th2up)，B相继续使用第一组转矩阈值(th1low，th1up)；
(2.1)在转子位置θ1，此时B相电感变化率及相电流已达到一定水平，当励磁状态SB＝1，励磁状态SA＝-1时，B相转矩上升速率不再小于A相转矩下降速率，总转矩变化趋势由B相决定，总转矩增大；
(2.2)当总转矩上升至转矩值Te+th1up，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由1转为-1，B相转矩下降；励磁状态SA保持-1状态，总转矩下降；
(2.3)当总转矩首先下降到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续下降；
(2.4)当总转矩下降到转矩值Te+th1low，满足B相状态转移条件，励磁状态SB由-1转为1，B相转矩增加；励磁状态SA保持-1状态，总转矩随B相转矩而增加；
(2.5)当总转矩增加到转矩值Te+th2up，不满足A、B两相状态转移条件，励磁状态SA和SB保持原有状态，总转矩继续增加；
(2.6)当总转矩增加到转矩值Te+th1up，重复步骤(2.2)～(2.5)，励磁状态SA保持-1状态，励磁状态SB在-1和1之间切换，总转矩被控制在[Te+th1low，Te+th1up],从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1，θr/4]的脉动。
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