CN105162371A - 抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统及方法，该系统包括SR电机、功率变换器、控制器和检测单元，其中：所述控制器包括电压控制模块和转矩控制模块；所述功率变换器包括不对称半桥电路，该不对称半桥电路在转矩控制模块的控制下，对SR电机进行直接瞬时转矩控制；该功率变换器还包括级联在该不对称半桥电路前端的DC/DC变换电路，该DC/DC变换电路在电压控制器的PWM控制下，实时调节不对称半桥电路的输入电压。本发明能够有效抑制开关磁阻电机转矩脉动。

Description

抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制系统领域，尤其涉及一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统及方法。

背景技术

开关磁阻(以下简称SR)电机具有机械结构简单坚固、制造成本低、能够在较高的温度和转速下运行等众多优点。所以SR电机调速系统被认为是一种极具发展前景和市场潜力的新型调速系统。目前，已经在新能源汽车、通用工业(抽油机、压缩机等)、航空航天(启动发电机)等领域中获得了不同程度的应用。

SR电机传统控制方法以控制对象划分，主要包含电流斩波控制(CCC)、电压斩波控制(CVC)和角度位置控制(APC)三种。SR电机在不同的特性区间具有不同的运行特性，实际应用中较为常见的控制策略是将以上三种控制方法通过组合，达到满足电气传动系统的多样化需求，使电机运行在最佳的工作状态。

传统的控制方法虽然能够实现开关磁阻电机系统的四象限运行，却无法有效解决开关磁阻电机所存在的转矩脉动问题。到目前为止在SR电机转矩脉动最小化研究方面，国内外学者已经提出了很多不同的技术。

在减小转矩脉动，改善转矩输出方面，目前主要存在两种途径：一种是从电机本体的优化设计方面考虑，如通过调整SR电机的定转子极弧来减小转矩脉动，通过改变电机机械结构设计以得到较好的转矩特性，在特定的场合和性能指标下是合适的，但这种方法将会牺牲电机输出转矩水平。另一种是以离线计算数据为基础，求出期望转矩下优化的相电流波形作为控制目标，在控制器中执行这样的算法需要大量的计算开销和存储空间，实现起来较为复杂，而且静态数据离线计算缺乏对实际动态过程的反应，控制精度会存在一定误差。如果能够采用合理科学的控制策略改善SR电机的转矩输出，将能够在更大的范围内实现对转矩脉动的抑制，也更容易推广应用。

发明内容

本发明的发明目的，在于以转矩作为SR电机的直接控制对象，且能够有效的实现对合成转矩的控制，与其它控制方式相比具有最快的转矩响应，不管是低速还是高速控制中，都能够达到更好的转矩优化效果。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

提供一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统，包括SR电机、功率变换器、控制器和检测单元，其中：

所述控制器包括电压控制模块和转矩控制模块；

所述功率变换器包括不对称半桥电路，该不对称半桥电路在转矩控制模块的控制下，对SR电机进行直接瞬时转矩控制；该功率变换器还包括级联在该不对称半桥电路前端的DC/DC变换电路，该DC/DC变换电路在电压控制器的PWM控制下，实时调节不对称半桥电路的输入电压。

本发明所述的系统中，所述检测单元包括位置检测模块、电路检测模块和电压检测模块，所述位置检测模块与SR电机连接，电流检测模块与不对称半桥电路连接，所述电压检测模块与功率变换器连接。

本发明所述的系统中，所述DC/DC变换电路为四象限DC/DC变换电路。

本发明所述的系统中，转矩控制模块包括扇区判断模块、转矩估计模块、滞环控制器和DITC开关表模块，扇区判断模块与位置检测模块连接，转矩估计模块与位置检测模块、电流检测模块连接，滞环控制器与转矩估计模块、DITC开关表模块连接；

转矩估计模块根据位置检测模块和电流检测模块的输出计算转矩估计值；滞环控制器根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；DITC开关表模块中预先存储有DITC开关表，该DITC开关表模块根据扇区判断模块计算的扇区位置以及滞环控制指令选择DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

本发明所述的系统中，SR电机为SR三相电机。

本发明还提供了一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，包括以下步骤：

在不对称半桥电路之前级联一个DC/DC变换电路；

通过PWM控制DC/DC变换电路的输入电压，并调节SR电机的绕组直流母线电压；

通过瞬时转矩值控制SR电机的转矩。

本发明所述的方法中，该方法中瞬时转矩值具体通过以下步骤得到：

检测SR电机的位置数据，以及不对称半桥电路的电流值；

根据位置数据计算SR电机的扇区位置

根据检测的位置数据和电流值生成转矩估计值；

根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；

根据扇区位置以及滞环控制指令选择预先存储的DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

本发明所述的方法中，转矩估计值的具体计算过程为：将位置数据中的转子位置角和电流值中的相电流作为输入变量，经过查表和线性插值运算得到单相电磁转矩，三相叠加得到SR电机总的电磁转矩估计值。

本发明产生的有益效果是：本发明提出了一种针对传统SRD功率电路的改进方法，为了实现对直流母线电压的调节，设计一个级联在不对称半桥电路上的DC/DC变换电路，控制系统通过对该DC/DC变换电路主开关管IGBT的PWM控制，能够实时调节SR电机相绕组直流母线电压，实现不同运行工况下直流母线电压最优匹配，在DITC的基础上进一步减小转矩脉动。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统的结构框图；

图2是本发明实施例的三相不对称半桥电路；

图3是磁链关于位置和电流分布曲线；

图4是转矩关于位置和电流分布曲线；

图5是本发明结合DC/DC变换电路电压调节的DITC控制框图；

图6是本发明实施例的SR电机非线性结构；

图7是本发明实施例的单相不对称半桥电路；

图8是本发明实施例抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动示意图；

图9是在线瞬时转矩测量结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

开关磁阻电机驱动系统主要由四个单元构成，分别为SR电机、功率变换器、控制器和检测单元，其基本结构见图1。其中，SR电机是系统中机电能量转换的电磁装置，完成机械能和电能之间的转换，是调速系统与机械传动结构之间实现能量转换和传输的纽带。功率变换器的主要作用是向SR电动机提供电能，或将SR发电机输出的电能送到外部电源中去，是系统与外部电源之间的接口。由于SR电机相电流具有单向特性，功率变换器可采用单极性的主电路拓扑。

控制器是SR电机驱动系统最关键的部分，它需要实时检测系统的电压、电流和位置信号，完成数据的采集运算和处理，根据控制指令生成功率电路开关的驱动脉动实现对电机四象限运行的控制。

本发明采用SR中最为常用的不对称半桥电路，其电路结构如图2所示。在不对称半桥电路中，SR电机各相绕组通过两个开关器件和电源形成串联闭合回路，各相完全对称并联在直流母线上。该不对称半桥电路和交流调速领域的H桥式电路相比，由于两个开关管之间串联有电机相绕组而不存在直通短路的可能，所以具有更高的稳定性和可靠性。

图3所示为SR电机单相绕组磁链关于位置角和电流的分布曲线。从该曲线图中可以看出，其磁链分布具有复杂的非线性特性。这一特点在图4单相转矩关于位置和电流的分布曲线中亦得到体现。也正是磁链和转矩的高度非线性特性决定了SR电机在常规传统控制策略下存在较大的转矩脉动。

图4中，通常用转矩关于电流和角度(图3和4中横坐标为三相12/8极SR电机转子机械角)的曲线描述SR电机单相转矩特性，而且SR电机各相的转矩分布完全相同，故SR电机总的合成转矩特性可以由各相转矩特性曲线根据导通角关系相叠加得到。所以，SR电机合成转矩特性不仅和单相转矩关于电流和位置角的非线性分布有关，还受到电机的相数、凸极数目和导通角设定共同影响。

当SR电机运行到换相点附近，如果电机处于低速运行区间，换相时当前相关断，在较大的电感作用下当前相电流有足够的时间在进入负转矩区间之前降为0，而导通相(下一相)开通后，由于转速不高，反电动势较小，电流迅速增长，将会产生较大的电磁转矩，导致合成转矩突增，进而导致脉动；如果电机处于高速运行区间，换相时当前相关断，由于转速较高，当前相电流无法在进入负转矩区间之前下降到0，此时当前相将会产生负转矩，而导通相开通，电流增长率受到足够大的反电动势抑制，不足以产生所需要的电磁转矩值，此时必然会导致合成转矩落差，进而导致脉动。

根据以上分析，可以知道，SR电机换相时刻将会产生主要的转矩脉动，而换相转矩脉动在不同的电机运行工况下亦有不同的表现特性。根据理想情况下的单相转矩公式

$T(i,\mathrm{\θ})=\frac{1}{2}{i}^2\frac{dL\left(\mathrm{\θ}\right)}{d\mathrm{\θ}}$

可以知道，转矩特性取决与相电流波形和电感特性，所以分析SR电机的转矩必须从电流和磁链角度出发。

SR电机的瞬时转矩无法恒定在较小的范围，特别是在相邻两相绕组换相导通阶段，瞬时转矩脉动尤为明显，这严重影响了SR电机的运行性能。在高速情况下SR电机本身就具有比较高的旋转能量，虽然电机的瞬时转矩不平稳，但是对电机的出力影响不大，此时对电机性能影响更大的参数是平均转矩。但是在低速情况下，转矩脉动的影响就比较明显。

本发明以转矩作为SR电机的直接控制对象，且能够有效的实现对合成转矩的控制，与其它控制方式相比具有最快的转矩响应，不管是低速还是高速控制中，都能够达到更好的转矩优化效果。本发明直接以瞬时转矩为控制对象，通过直接瞬时转矩控制(DITC)的SRD控制系统抑制开关磁阻电机的转矩脉动。

如图5所示，本发明实施例的检测单元包括位置检测模块、电路检测模块和电压检测模块，所述位置检测模块与SR电机连接，电流检测模块与不对称半桥电路连接，所述电压检测模块与功率变换器连接。

本发明的实施例中，DC/DC变换电路为四象限DC/DC变换电路。如图6所示，为所搭建的SR电机的非线性模型，其结构可分为两部分，一部分与功率电路接口，另一部分根据电磁参数计算电机的运行信息，两者之间通过电流和电压接口相连接。三相SR电机虽然有A、B和C三组绕组，但每个绕组的功率电路完全相同而且独立并联在直流母线上。图7为连接C相的绕组电路，电路输入端子V+和V-分别连接直流母线的正极和负极，C1和C2连接SR电机模型C相绕组端，G1和G2为主开关器件T1和T2的触发信号。当G1和G2同时触发，则T1和T2导通，正电压加在绕组上；当G1和G2中只有一路触发，则绕组电流通过一个IGBT和二极管实现零电压续流；当G1和G2都不触发，则T1和T2截止，绕组上将加反压。这就是相绕组上的三种电压状态，DITC控制器即通过合理分配各相三种开关状态实现对SR电机的控制。

本发明实施例的转矩控制模块包括扇区判断模块、转矩估计模块、滞环控制器和DITC开关表模块，表1是DITC开关函数表，扇区判断模块与位置检测模块连接，转矩估计模块与位置检测模块、电流检测模块连接，滞环控制器与转矩估计模块、DITC开关表模块连接。

表1DITC开关函数表

	ΔT>内滞环上限	ΔT<内滞环下限	ΔT>外滞环上限	ΔT<外滞环下限
					扇区I	(1,-1,0)	(0,-1,0)	(1,-1,1)	(0,-1,-1)
扇区II	(1,-1,-1)	(0,-1,-1)	---	---
					扇区III	(0,1,-1)	(0,0,-1)	(1,1,-1)	(-1,0,-1)
扇区IV	(-1,1,-1)	(-1,0,-1)	---	---
					扇区V	(-1,0,1)	(-1,0,0)	(-1,1,1)	(-1,-1,0)
扇区VI	(-1,-1,1)	(-1,-1,0)	---	---

转矩估计模块根据位置检测模块和电流检测模块的输出生成转矩估计值；滞环控制器根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；DITC开关表模块中预先存储有DITC开关表，该DITC开关表模块根据扇区判断模块计算的扇区位置以及滞环控制指令选择DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

本发明针对高转速和低转速场合SR电机转矩脉动较大情况，提出一种新的改进思路：即在传统不对称半桥电路基础上，前端级联一个DC/DC变换电路，以直接瞬时转矩控制为基础，辅以SR电机绕组直流母线电压调节，实现在原有基础上进一步减小转矩脉动。

DITC控制理论将SR电机瞬时输出的合成转矩作为系统的直接控制对象。将转矩指令值和转矩估计值的差送入转矩滞环控制器，通过滞环控制逻辑结合转子所处扇区位置生成SR电机各相开关状态实现对合成转矩的控制。

图8是SR电机直接瞬时转矩控制系统的原理框图，由图可见，控制系统根据转矩偏差和转子所处扇区位置来确定供电变流器的工作状态。在直接瞬时转矩控制中，扇区判断需要根据转子位置信息结合开通角和关断角来计算，SR电机的瞬时转矩值需要依据电机运行工况进行估计。

首先，需要设定开通角和关断角以根据转子位置确定各相的工作状态。在负载一定时，当电机处于低转速区间，由于旋转电势很小，相电流增长迅速，此时开通角应适当滞后，避免开通后相电流在较小电感下迅速的上升，关断角应位于电感上升阶段，以避免相电流进入负转矩区间。当电机处于高转速区间，此时旋转电势较大，相电流建立缓慢无法产生足够的电磁转矩，此时开通角应适当提前，关断角亦位于电感上升阶段，这样提前开通有助于导通相电流在小电感区间的快速建立，可以减小换相点的转矩脉动且避免负转矩的产生。所以，导通角的设定应随着转速和负载的情况变化而变化，以得到最好的性能指标。

根据DITC原理可知，静态转矩分布表的准确度对于DITC精度的重要性是至关重要的。所以，在控制器算法设计上，以有限元计算的静态转矩表为基础，采用线性插值算法估计实时转矩，可以获得更好的精度效果。图9给出了在线瞬时转矩估计的结构图，其基本工作过程为：转子位置角和相电流作为输入变量，经过查表和线性插值运算得到单相电磁转矩，三相叠加得到SR电机总的电磁转矩值。

本发明根据上述系统还提出了抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，具体包括以下步骤：

在不对称半桥电路之前级联一个DC/DC变换电路；

通过PWM控制DC/DC变换电路的输入电压，并调节SR电机的绕组直流母线电压；

通过瞬时转矩值控制SR电机的转矩。

该方法中瞬时转矩值具体通过以下步骤得到：

检测SR电机的位置数据，以及不对称半桥电路的电流值；

根据位置数据计算SR电机的扇区位置

根据检测的位置数据和电流值计算转矩估计值；

根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；

根据扇区位置以及滞环控制指令选择预先存储的DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

其中，转矩估计值的具体计算过程为：将位置数据中的转子位置角和电流值中的相电流作为输入变量，经过查表和线性插值运算得到单相电磁转矩，三相叠加得到SR电机总的电磁转矩估计值。

为了验证本发明的方法和系统，Matlab仿真模型仿真整个电机驱动系统基于该模型可以实现对SR电机DITC控制系统性能的仿真分析。在满足性能要求前提下，电磁设计以尽可能小的转矩脉动为目标，

可选取该SR电机的额定工作点进行DITC控制系统仿真，其中SR电机工作在额定电压和额定转速下，指令转矩设置为额定扭矩值。经过上述仿真可验证本发明提出的基于DITC的抑制SR电机转矩脉动的方法能减小开关磁阻转矩脉动。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的电机驱动系统，其特征在于，包括SR电机、功率变换器、控制器和检测单元，其中：

所述控制器包括电压控制模块和转矩控制模块；

所述功率变换器包括不对称半桥电路，该不对称半桥电路在转矩控制模块的控制下，对SR电机进行直接瞬时转矩控制；该功率变换器还包括级联在该不对称半桥电路前端的DC/DC变换电路，该DC/DC变换电路在电压控制器的PWM控制下，实时调节不对称半桥电路的输入电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测单元包括位置检测模块、电路检测模块和电压检测模块，所述位置检测模块与SR电机连接，电流检测模块与不对称半桥电路连接，所述电压检测模块与功率变换器连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DC/DC变换电路为四象限DC/DC变换电路。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，转矩控制模块包括扇区判断模块、转矩估计模块、滞环控制器和DITC开关表模块，扇区判断模块与位置检测模块连接，转矩估计模块与位置检测模块、电流检测模块连接，滞环控制器与转矩估计模块、DITC开关表模块连接；

转矩估计模块根据位置检测模块和电流检测模块的输出计算转矩估计值；滞环控制器根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；DITC开关表模块中预先存储有DITC开关表，该DITC开关表模块根据扇区判断模块计算的扇区位置以及滞环控制指令选择DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，SR电机为SR三相电机。

6.一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在不对称半桥电路之前级联一个DC/DC变换电路；

通过PWM控制DC/DC变换电路的输入电压，并调节SR电机的绕组直流母线电压；

通过瞬时转矩值控制SR电机的转矩。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法中瞬时转矩值具体通过以下步骤得到：

检测SR电机的位置数据，以及不对称半桥电路的电流值；

根据位置数据计算SR电机的扇区位置

根据检测的位置数据和电流值计算转矩估计值；

根据转矩指令值和转矩估计值生成滞环控制指令；

根据扇区位置以及滞环控制指令选择预先存储的DITC开关表中的开关状态值，并输出给不对称半桥电路。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，转矩估计值的具体计算过程为：将位置数据中的转子位置角和电流值中的相电流作为输入变量，经过查表和线性插值运算得到单相电磁转矩，三相叠加得到SR电机总的电磁转矩估计值。