CN104967385A - 一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制领域，具体是一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统及其控制方法，该系统包括延迟控制器、滞环控制器、PWM输出控制装置、开关磁阻电机（SRM）、电流检测装置、多路复用器、转子位置估算装置，其中，延迟控制器连接滞环控制器，滞环控制器连接PWM输出控制装置，PWM输出控制装置连接开关磁阻电机，开关磁阻电机分别连接电流检测装置和多路复用器，多路复用器连接转子位置估算装置，转子位置估算装置连接。本发明通过控制开关磁阻电机相邻极之间的径向力，利用转矩复合原理有效抑制开关磁阻电机的周期性扰动特点，改善开关磁阻电机在运行中因转矩脉动而造成电机系统振动的问题。

Description

一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统以及应用该系统进行波形控制和转子位置估算的方法。

技术背景

开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。开关磁阻电机由于结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高，更加适用电动工具、家用电器、健身器材等场合。开关磁阻电机的双凸极结构和开关性供电特点，其固有的特质导致较大的电磁脉动，通过优化设计电机结构和控制策略，电机转矩脉动完全可以得到有效的抑制。

通过分析，电磁噪声是开关磁阻电机主要噪声，有效的抑制电磁噪声就能达到电机降噪的目的。电磁噪声源于开关磁阻电机定子和转子之间径向脉动磁吸力。定子和转子之间的径向磁吸力，导致定子压缩、扩张变形是激发振动噪声的诱因，若径向磁力的谐波频率与电机固有频率一致，共振将会带来更恶劣的振动和噪声。电机各相绕组外施相电压的跃变导致相电流、径向磁力的跃变是引起电机振动的主要原因。

开关磁阻电机的定子励磁极和转子凸极之间通过气隙产生磁场力，磁场力驱使磁路的磁阻最小。将磁场力分解为径向、切向两个方向的分量，其中切向磁力产生开关磁阻电机运转所需的动力转矩，由于转矩波动产生的电机振动并不明显，径向磁力并不产生有效转矩，并且成为一个脉动的力波，在径向磁力的作用下，电机定子机壳将形成压缩、扩张变形，强烈的振动通过机壳发射噪声形成了开关磁阻电机噪声的主要来源，电磁噪声的强度与磁场力的大小、转子刚度、定子机壳有关。尤其当径向磁力的谐波频率与定义固有频率相重合，共振引起的振动噪声将更为恶劣。

发明内容

本发明主要针对现有技术存在的噪声缺点，发明了一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统及其控制方法，本发明通过控制开关磁阻电机相邻极之间的径向力，利用转矩复合原理有效抑制开关磁阻电机的周期性扰动特点，改善开关磁阻电机在运行中因转矩脉动而造成电机系统振动的问题。本发明通过内模控制原理进行极间转矩复合，通过调频式转子位置估计方法估计转子位置，便于转矩控制。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统，其特征在于，包括延迟控制器、滞环控制器、PWM输出控制装置、开关磁阻电机(SRM)、电流检测装置、多路复用器、转子位置估算装置，其中，延迟控制器连接滞环控制器，滞环控制器连接PWM输出控制装置，PWM输出控制装置连接开关磁阻电机，开关磁阻电机分别连接电流检测装置和多路复用器，多路复用器连接转子位置估算装置，转子位置估算装置连接所述的延迟控制器，所述的电流检测装置分别连接滞环控制器和PWM输出控制装置；所述的延迟控制器包括内模控制器，内模控制器由周期延迟控制结构(S^-N)、正反馈环节控制结构(Q(s))、补偿控制单元结构(K_dP(s))组成；所述的转子位置估算装置包括相互串联的LC振荡电路、频率-电压转换电路、光电耦合隔离器、数字信号处理装置(DSP)。

作为优选，所述延迟控制器为复合闭环式延迟控制器，由开环式的延迟控制器嵌入闭环控制器构成；其中，周期延迟的控制参数为S^-N，正反馈环节的控制参数为Q(s)体现，补偿控制单元的控制参数为K_dP(s)。

作为优选，所述LC振荡电路包括多路复用器、调制电路。

利用上述开关磁阻电机转矩脉动控制系统进行转子位置估算的方法，其特征在于，利用转子转动过程中极间电感的周期性变化进行检测转子位置，具体步骤为：

1)高频的电感变化信号经由LC振荡电路产生带相电感信息的波形，该带相电感信息的波形为转子位置信号；

2)设置LC振荡电路中的元器件参数，使该振荡频率与相电感的平方根的倒数成正比；

3)将有相电感变化信息的调制信号f₀通过频率-电压转换电路转化成电压变化信号；

4)电压信号经过光电隔离后通过数字信号处理装置(DSP)估算转子的位置。

利用上述开关磁阻电机转矩脉动控制系统进行PWM波形控制的方法，其特征在于，利用内模控制器产生延迟控制信号，在不同的转子位置角度，通过内模控制器和PWM输出装置计算输出不同的目标电流，以达到抑制转矩脉动的目的；其中，延迟控制器的增益K_d取1，补偿单元P(s)取系统闭环传递函数的倒数，N为每个转矩脉动周期内的采样次数，Q(s)取截止频率为2倍转矩脉动频率的低通滤波器；各相绕组的控制输出电流提供给滞环单元，将电流给定值i^*与实际检测到的电机电流i进行延迟滞环控制，实现对电流的准确控制。

作为优选，将滞环控制与PWM输出结合，通过设置环宽h，将给定值电流i^*与实际电流i的关系划分为四种情况，四种情况具体控制方法如下：

(1)施加反向电机电压V1，控制输出占空比为D1的PWM波形；

(2)施加反向电机电压V2，控制输出占空比为D2的PWM波形；

(3)施加正向电机电压V3，控制输出占空比为D3的PWM波形；

(4)施加正向电机电压V4，控制输出占空比为D4的PWM波形；

其中，V1＞V2，V3＜V4；D1＜D2＜50％＜D3＜D4。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明本发明通过控制开关磁阻电机相邻极之间的径向力，利用转矩复合原理有效抑制开关磁阻电机的周期性扰动特点，改善开关磁阻电机在运行中因转矩脉动而造成电机系统振动的问题。本发明通过内模控制原理进行极间转矩复合，通过调频式转子位置估计方法估计转子位置，便于转矩控制；本发明通过软开关缓冲型功率电路减少单相磁阻电机相关开关电磁冲击，以及通过转矩合成原理和内模控制原理使转子的电磁转矩在极间平滑移动，有效减少了转矩脉动，同时减少振动，降低噪声。

附图说明

图1是开关磁阻电机动作原理图；

图2是转矩变化图；

图3是本发明的系统框图；

图4是本发明延迟控制器的结构框图；

图5是本发明转子位置估算装置的结构框图。

具体实施方式

实施例1：

对于开关磁阻电机，定子凸极中心与转子凹槽中心重合时电感最小，磁阻最大；转子凸极的前沿和定子凸极的后沿对齐，两者的对齐开始随着转子角度的增大重叠增大，相电感开始增加，直到转子凸极与定子凸极全部重合，此时电感最大，磁阻最小。

忽略相绕组电阻压降的情况下，相电压方程为±U＝dψ/dt，式中，±U为动率器件开通时绕组的端电压；-U为功率器件断开时绕组的端电压，Ψ为绕组磁链。

在假设磁路在变化过程中为线性情况下可用下式表示：ψ(θ)＝L(θ)i(θ)；代入上式得式两边同乘绕组电流i，得到功率平衡方程：

说明输入总功率P＝Ui，一部分以增加绕组储能，一部分转为机械功率输出。在电感上升时，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源的功率一部分以机械能形式输出，一部分以磁场能形式存贮于绕组中；若断电，则磁场能一部分转化为机械能，一部分回馈电源；电感达到最大值时，旋转电动势为零，如果绕组有电流只能反馈电源，而不会产生转矩。电感下降过程中，如果绕组还有电流通过，则旋转电动势是负的，产生制动转矩，磁场能以及制动转矩产生的机械能全部反馈电源，工作在发电状态。

应用中为了得到尽量大的转矩，一方面在绕组电感上升区域流过较大电流，所以开通角设计在电感上升前，另一方面尽量减少制动转矩，在绕组电感减少尽快让电流衰减到零，所以关闭角通常设计在电感值还没有增加到最大前。

通常，开关磁阻电机的转矩可通过磁共能来计算，在忽略开关磁阻电机中磁路饱和及边缘效应，符合开关磁阻电机的线性模型，假定电感同电流无关，仅与转子位置有关的情况，可将上式简化为其中L为开关磁阻电机的自感，电感变化的周期正比于转子中的极对数，比如单相4/4级开关磁阻电机，定子每绕一周，电感变化4次。如果用傅里叶变换分解成不同频率，忽略高次谐波，得到相绕组的自感为L＝L₀+L₁cos(N,θ)，其中常数L₀和L₁为电感的恒定分量和谐波分量的电感幅值，代入上式可得:为单相开关磁阻电机的扭矩与角度之间的变化公式。从公式中可说明绕组产生的基波电磁转矩是一种空间正弦波，电磁转矩的稳定零位取决于该磁极中心线的位置。考虑相绕组电磁转矩为矢量变量，T矢量空间角度和相绕组磁极中心线一致，在定子两极之间循环变动，造成电磁转矩的高频率振动。

对于单相4/4结构的开关磁阻电机而言，同相绕组产生的稳定零位在不同的极间依次相差一个转子步进角90°，如图1所示。如果忽略电动机互感，将定位转矩进行矢量叠加，且保持其幅值恒定，则得到如图2所示的转矩变化图，以A、B极举例，T_AB、T_A'B'为合成的定位转矩，其大小与方向可以通过A极和B极之间的电流变化加以控制，A极的电流由PWM1输出控制，B极的电流由PWM2输出控制。在PWM1和PWM2波形可控的条件下，如果能合理调节相邻两极之间的电流，在两极之间合成新的定位转矩，并随着定子的转动连续调节，使得合成电磁转矩在360°转动过程中较均匀分布，电机运行过程转矩过渡平稳，可有效抑制转矩脉动。

实现上述目标需要解决2个主要问题：1、PWM波形的连续控制方法；2、转子的位置估计方法。

1、对PWM1和PWM2波形连续控制的方法。

利用内模原理产生延迟控制信号，用于模拟前一个信号的变化和前后两个信号之间的差值。内模控制原理要求在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪，即加到被控对象的输入信号除直接信号外，还叠加上一周期该时刻的控制偏差。把上一周期的偏差和当前的偏差一起叠加到被控对象进行控制，形成延迟控制。可以很大程度上提高系统的控制精度，此控制本质上属于开环补偿控制，不是闭环控制。因此，为了得到较好的动态控制性能，通常都把开环式的延迟控制器嵌入到常规的闭环控制环内以形成复合闭环式延迟控制器，如图3所示。图中虚线框内为内模控制器，由周期延迟控制结构、正反馈环节控制结构、补偿控制单元结构组成，而周期延迟的参数为S^-N，正反馈环节的参数为Q(s)，补偿控制单元的参数为K_dP(s)。其中K_d为补偿控制增益，在控制对象中的中低频段为单位增益，增加系统的稳定性。为了使控制器在高频段具有较低的增益，Q(s)和周期延迟S^-N构成的正反馈环节应具有低通特性，Q(s)通常与系统的收敛速度有关，在设计中一般为一阶低通滤波器，提供系统稳定性。Go(s)为被控对象传递函数，N为数字控制器的采样次数。

为了将如图3所示的上述控制器应用于单相开关磁阻电机，达到降低转矩脉动的效果，设计了如图4所示的开关磁阻电机转矩脉动控制系统，包括延迟控制器、滞环控制器、PWM输出控制装置、开关磁阻电机(SRM)、电流检测装置、多路复用器、转子位置估算装置，其中，延迟控制器连接滞环控制器，滞环控制器连接PWM输出控制装置，PWM输出控制装置连接开关磁阻电机，开关磁阻电机分别连接电流检测装置和多路复用器，多路复用器连接转子位置估算装置，转子位置估算装置连接所述的延迟控制器，所述的电流检测装置分别连接滞环控制器和PWM输出控制装置。

该系统主要由转子位置估算和延迟控制控制下的滞环PWM输出两部分组成，在不同的转子位置角度，需延迟控制计算输出不同的目标电流，达到抑制转矩脉动的目的。延迟控制器的增益K_d取1，补偿单元P(s)取系统闭环传递函数的倒数，N为每个转矩脉动周期内的采样次数，Q(s)取截止频率为2倍转矩脉动频率的低通滤波器，实现高频衰减。各相绕组的控制输出电流提供给滞环单元，将电流给定值i^*与实际检测到的电机电流i进行延迟滞环控制，实现对电流的准确控制。

为了获得理想的下级电流跟随性能，将滞环控制与PWM输出结合，通过设置环宽h，将给定值电流i^*与实际电流i的关系划分为四种情况，根据四种情况的不同，将不同电机电压与三角波调制，输出PWM波形，三角波的频率与电机的转速有关，三角波的频率高电机的转速高。不同电压电压调制后经过载波三角波调制后，输出不同占空比的下级PWM波形。

四种情况具体控制方法如下：

(1)施加较大的反向电机电压V1，控制输出低占空比的PWM波形，占空比为D1；

(2)施加较小的反向电机电压V2，控制输出占空比略低于50％的PWM波形，占空比为D2；

(3)施加较小的正向电机电压V3，输出占空比略高于50％的PWM波形，占空比为D3；

(4)施加较大的正向电机电压V4，输出大占空比的PWM波形，空比为D4；其中，V1＞V2，V3＜V4；D1＜D2＜50％＜D3＜D4。

2、转子位置估算方法。

由于单相开关磁阻电机的极数比较少，本发明中对转子的估计精度要求不高，但需连续快速输出转子位置，如图5所示的转子位置估算装置，包括相互串联的LC振荡电路、频率-电压转换电路、光电耦合隔离器、数字信号处理装置(DSP)；所述LC振荡电路包括多路复用器、调制电路。利用转子转动过程中极间电感的周期性变化进行检测转子位置，具体步骤为：1)高频的电感变化信号经由LC振荡电路产生带相电感信息的波形，该带相电感信息的波形为转子位置信号；2)设置LC振荡电路中的元器件参数，使该振荡频率与相电感的平方根的倒数成正比；3)将有相电感变化信息的调制信号f₀通过频率-电压转换电路转化成电压变化信号；4)电压信号经过光电隔离后通过数字信号处理装置(DSP)估算转子的位置。

本发明利用转子转动过程中极间电感的周期性变化进行检测转子位置，通过调频的方式将高频的电感变化信号一个相电感振荡电路来产生带相电感信息的波形，然后将转子位置信号从为励磁相的解调信号中解调出来。多路复用器选择非励磁相作为振荡电路的组成，通过合理设置LC振荡电路中的元器件参数，使该振荡频率与相电感的平方根的倒数成正比。然后将有相电感变化信息的调制信号f₀通过图中的频率电压转换电路转化成电压变化信号，电压信号经过光电隔离后通过DSP估算转子的位置。

如图5所示，LC振荡电路为文桥式LC振荡电路，核心元器件为OP37放大器，振荡器的二级电路的环增益应该大于1，为了确保LC振荡电路有连续振荡产生，需满足：那么此振荡电路的频率为

根据经验为了振荡电路的稳定性，R2的电阻可以选择远大于R1电阻，一般为一个数量级以上，根据开关磁阻电机极间磁量的变化灵敏度，频率范围估计在12～18kHz的范围，C大于为3～5nF。

频率电压转换电路中的输入f₀可以通过上图所示的电路进行解调，主要由LM2907N频率电压变换集成芯片和一个二阶巴特沃斯滤波器组成，当f₀频率信号达到或超过一个选定频率时，有电压信号输出，V₀＝f₀(15-5)R7C₁+5，其中，电阻R_b和电容C_b组成二阶巴特沃斯滤波器，CPO管脚用于解调输出V₀，且反馈到滤波器得到更好的效果，解调后的电压信号V₀送入DSP用于计算从来自光电继电器电路的信号，由于振荡频率和相电感之间一一对应，转子位置可以通过DSP转换获得。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机转矩脉动控制系统，其特征在于，包括延迟控制器、滞环控制器、PWM输出控制装置、开关磁阻电机(SRM)、电流检测装置、多路复用器、转子位置估算装置，其中，延迟控制器连接滞环控制器，滞环控制器连接PWM输出控制装置，PWM输出控制装置连接开关磁阻电机，开关磁阻电机分别连接电流检测装置和多路复用器，多路复用器连接转子位置估算装置，转子位置估算装置连接所述的延迟控制器，所述的电流检测装置分别连接滞环控制器和PWM输出控制装置；

所述的延迟控制器包括内模控制器，内模控制器由周期延迟控制结构(S^-N)、正反馈环节控制结构(Q(s))、补偿控制单元结构(K_dP(s))组成；

所述的转子位置估算装置包括相互串联的LC振荡电路、频率-电压转换电路、光电耦合隔离器、数字信号处理装置(DSP)。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机转矩脉动控制系统，其特征在于，所述延迟控制器为复合闭环式延迟控制器，由开环式的延迟控制器嵌入闭环控制器构成；其中，周期延迟的控制参数为S^-N，正反馈环节的控制参数为Q(s)，补偿控制单元的控制参数为K_dP(s)。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机转矩脉动控制系统，其特征在于，所述LC振荡电路包括多路复用器、调制电路。

4.一种根据权利要求1或2或3所述的开关磁阻电机转矩脉动控制系统进行转子位置估算的方法，其特征在于，利用转子转动过程中极间电感的周期性变化进行检测转子位置，具体步骤为：

1)高频的电感变化信号经由LC振荡电路产生带相电感信息的波形，该带相电感信息的波形为转子位置信号；

2)设置LC振荡电路中的元器件参数，使该振荡频率与相电感的平方根的倒数成正比；

3)将有相电感变化信息的调制信号f₀通过频率-电压转换电路转化成电压变化信号；

4)电压信号经过光电隔离后通过数字信号处理装置(DSP)估算转子的位置。

5.一种根据权利要求1或2或3所述的开关磁阻电机转矩脉动控制系统进行PWM波形控制的方法，其特征在于，利用内模控制器产生延迟控制信号，在不同的转子位置角度，通过内模控制器和PWM输出装置计算输出不同的目标电流，以达到抑制转矩脉动的目的；其中，延迟控制器的增益K_d取1，补偿单元P(s)取系统闭环传递函数的倒数，N为每个转矩脉动周期内的采样次数，Q(s)取截止频率为2倍转矩脉动频率的低通滤波器；各相绕组的控制输出电流提供给滞环单元，将电流给定值i^*与实际检测到的电机电流i进行延迟滞环控制，实现对电流的准确控制。

6.根据权利要求5所述的进行PWM波形控制的方法，其特征在于，将滞环控制与PWM输出结合，通过设置环宽h，将给定值电流i^*与实际电流i的关系划分为四种情况，四种情况具体控制方法如下：

(1)施加反向电机电压V1，控制输出占空比为D1的PWM波形；

(2)施加反向电机电压V2，控制输出占空比为D2的PWM波形；

(3)施加正向电机电压V3，控制输出占空比为D3的PWM波形；

(4)施加正向电机电压V4，控制输出占空比为D4的PWM波形；

其中，V1＞V2，V3＜V4；D1＜D2＜50％＜D3＜D4。