CN105811849B - 一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法与系统，本方法以开关磁阻电机线性电感模型的电磁转矩数学表达式计算基本控制电流，用最优转矩分配函数将设定转矩分配为开通相和关断相的分配转矩，折算得到各相基本控制电流；求出各相非线性电流补偿值与各相基本控制电流叠加作为各相控制电流，其与实测电流的偏差控制电流滞环控制器。本系统微处理器连接开关磁阻电机上的三个电流传感器和转子位置角、转矩传感器，其程序存储器配有数据采集模块和本方法的各计算模块，根据各实测信号计算得控制信号，经脉宽调制器控制开关磁阻电机的三相输入电流。本发明有效地抑制开关磁阻电机转矩脉动，可构成嵌入式系统，方便在线控制。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车电机的控制领域，具体为一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法与系统。
背景技术
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)与其它类型电机比较，具有结构简单、坚固、无需永磁材料、高转速、运行可靠及调速范围宽等优点，逐渐成为驱动调速领域的研究热点。但是，开关磁阻电机SRM固有的双凸极结构、高度非线性的电磁特性及开关供电特性，导致开关磁阻电机的转矩脉动问题。因开关磁阻电机电磁特性非线性强，且目前尚无符合控制要求的SRM数学模型，传统的电机线性控制方法无法用于开关磁阻电机的转矩脉动控制。此问题限制了开关磁阻电机在新能源汽车驱动及高精度伺服控制等领域的广泛应用。
当前国内外对抑制开关磁阻电机转矩脉动的研究主要集中在电机本体结构优化及电机转矩控制策略改进两个方面。最为流行的转矩控制策略大致分为两大类：一类是控制变量为电流或磁链的间接转矩控制；另一类是控制变量为瞬时合成转矩的直接转矩控制。
转矩分配函数TSF(Torque-Sharing Function,TSF))控制，是减轻开关磁阻电机转矩脉动的一种特有的控制方法，但对于开关磁阻电机的强非线性特性，固定形状的转矩分配函数难以保证换相期间脉动抑制的效果。为了解决关断的相电流未能及时减为零、而在负电感变化率区间产生负转矩的问题，现有文献提出了采用模糊控制、在线修改转矩分配函数，补偿导通时的期望转矩以抵消拖尾电流带来的影响。此方法以转矩偏差及其变化率作为模糊控制的输入，输出为分配函数的补偿量，并考虑了电机磁场的非线性及高度磁饱和性，通过优化换相期间导通相与关断相电流曲线，实现对开关磁阻电机转矩脉动的抑制控制。直接转矩控制方法是通过转矩偏差经过空间迭代学习生成电压修正值，在几个迭代周期后，希望转矩能收敛至期望值。现有研究成果共同点是通过补偿或优化各控制量非线性特性以减小转矩脉动。
由于开关磁阻电机转矩分配函数(TSF)的控制，采用理想的线性电感模型，线性电感将转矩简化为随电流平方变化关系。
而实际上开关磁阻电机各相电感L随电流I变化而变化，转矩-电流的关系是强非线性，使电感L难以解析。
因此目前开关磁阻电机转矩分配函数(TSF)的控制难以从根本上解决转矩-电流之间的强非线性关系，仍不能有效地抑制SRM转矩脉动。
发明内容
本发明的目的是针对现有的开关磁阻电机的转矩脉动控制控制问题设计的一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法，本方法在转矩分配函数TSF控制方法的基础上引入瞬时转矩反馈，采用泰勒多项式，根据转矩-电流强非线性关系，由转矩偏差折算得到电流偏差，并将电流偏差叠加到主通路基本控制电流上，以补偿电流非线性部分，间接补偿转矩非线性特性，实现电机恒转矩控制，在补偿优化后的电流控制下，输出转矩快速收敛到给定转矩，转矩脉动明显减小，有效抑制了转矩脉动。
本发明的另一目的是根据上述电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法设计一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统。
本发明设计的一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法，以现有的开关磁阻电机线性电感模型的电磁转矩数学表达式计算基本控制电流，采用最优转矩分配函数，得到各相分配转矩，由实测转矩与设定转矩的转矩偏差折算得到相非线性补偿电流值，并将其叠加到基本控制电流上，补偿电流非线性部分，从而补偿开关磁阻电机的非线性，达到减小换相时转矩脉动的目的。主要步骤如下：
Ⅰ、根据分配函数(TSF)进行各相转矩分配
电机转矩由电机相邻两相转矩叠加组成，其中一相转矩逐渐减小，另一相转矩逐渐增加，分配函数实现对各相转矩的分配。考虑到控制效果、损耗及运算量等指标，在线性、正弦、指数及立方函数不同的分配函数中，本发明选择立方分配函数作为转矩分配函数，如下：
其中θ为转子位置角，θon为开通角，θoff为断开角。
根据分配函数将设定转矩(目标转矩)Tref分配到相邻两相，其中一个开通相的分配转矩为Tup，另一个关断相的分配转矩为Tdn。设定转矩分配如下式：
Ⅱ、基本控制电流
根据电机的结构及所需的控制精度适当简化开关磁阻电机各相电感数学描述，相电感为转子位置角度的函数。基于线性电感模型(Linear Inductance Model,LIM)的电磁转矩数学表达式为：
其中Tk、Lk(θ)(简写为Lk)和Ik分别代表开关磁阻电机第k相转矩、电感和电流，θ表示转子位置角。
此式将电机第k相转矩简化为与线性电感和电流平方的关系。
在不考虑磁饱和及边缘效应前提下，上式的逆函数式为：
在确定的转矩分配函数下，电感Lk作为线性处理时，dLk/dθ＝c，c为常值。
根据步骤Ⅰ的Tk计算式(1)分别得到开通相分配转矩Tup和关断相分配转矩Tdn，由上述Ik计算式(2)式可分别得到开通相和关断相的对应的基本控制电流Ik,其为线性电流。
由于开关磁阻电机实际的各相电感为非线性变化，要得到输出恒定转矩，必须提供变化的非线性电流控制信号，也就是要对上述基本控制电流进行补偿。
Ⅲ、电流的非线性补偿
Ⅲ-1、电流的非线性补偿
由于采用线性电感模型造成了控制转矩与设定转矩出现偏差，本发明以反馈方式，从实际电机总转矩与设定转矩之间偏差，折算得到对应的补偿电流，间接补偿开关磁阻电机电感的非线性。
设定转矩为Tref，Tmear为转矩传感器所测得到的电机总转矩，转矩偏差为：△T＝Tref-Tmear，电流偏差为：△I＝g(Tref)-g(Tmear)。
将步骤Ⅱ的Ik计算式(2)式代入，通过泰勒定理，本发明电流偏差△I与转矩偏差△T关系表达为：
其中：
c取值对控制效果影响较小，c取值为0.1～0.3较佳。
Ⅲ-2各相非线性电流补偿值
根据步骤Ⅰ的转矩立方分配函数，由步骤Ⅲ-1的电流偏差△I计算式(3)式得到各相非线性补偿电流值为：
Ⅲ-3各相的控制电流
各相的控制电流由步骤Ⅲ-2所得各相非线性电流补偿值ΔIk,c与步骤Ⅱ所得各相基本控制电流Ik叠加所得：
Ik *＝Ik+△Ik,c (5)
Ⅳ、实际电流的跟踪控制
各相的电流传感器所测量得到的电流Ik,mear与步骤Ⅲ所得的各相控制电流存在偏差e，
本发明采用电流滞环控制器进行两位式开关控制，电流滞环控制器输出值u按下式取值
其中umax是电流滞环控制器控制量的最大值3.3～5Vu1和u2分别是偏差e正程变化时的阈值和偏差e逆程变化时的阈值，u1＝0.01～0.03，u2＝-0.03～-0.01，是e的导数。电流滞环控制器的输出u为控制脉宽调制器的不同占空比的开关量。脉宽调制器控制开关磁阻电机的功率驱动装置，补偿开关磁阻电机的非线性，减小开关磁阻电机的转矩脉动。
本发明根据上述一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法设计的一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统，包括微处理器、模数转换模块、脉宽调制器、功率驱动装置和电流传感器，三个电流传感器分别安装于开关磁阻电机的三条相线上，电流传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接，微处理器控制端连接脉宽调制器，脉宽调制器的输出连接功率驱动装置，功率驱动装置三相输出分别连接控制开关磁阻电机的三相线，开关磁阻电机上还安装转子位置角传感器和转矩传感器，转子位置角传感器和转矩传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接。
微处理器配有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电流数据采集模块、各相转矩分配模块、各相基本控制电流计算模块、总的补偿电流计算模块和各相补偿电流计算模块、补偿后各相控制电流计算模块及电流滞环控制器模块。
微处理器根据三个电流传感器、转子位置角传感器和转矩传感器的实时信号，由各程序模块计算得到各相转矩分配值、各相基本控制电流值，再由此计算总的非线性电流补偿值和各相非线性电流补偿值，最终得到补偿后各相控制电流值并经电流滞环控制器实现对补偿后电流的跟踪控制。
微处理器所得控制信号输出到脉宽调制器，脉宽调制器的输出作为功率驱动装置的输入信号，功率驱动装置由三相交流电供电，其按脉宽调制器的控制信号输出开关磁阻电机的三相电流，驱动开关磁阻电机转子旋转。
所述微处理器连接RS232接口与计算机连接，计算机连接显示屏，实时显示开关磁阻电机的各相电流、转矩等运行信息。
微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器、模数转换模块和脉宽调制器构成嵌入式控制系统。
与现有技术相比，本发明一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法与系统的优点为：1、采用泰勒多项式，完成转矩偏差到电流偏差的折算，得到对应的补偿电流，开关磁阻电机电流的非线性特性进行间接补偿；在补偿优化后的电流控制下，有效地抑制开关磁阻电机转矩脉动，转矩脉动明显减少；2、本系统可构成嵌入式系统，方便开关磁阻电机的在线控制。
附图说明
图1是本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例的流程图
图2是本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例的步骤Ⅰ所述的转矩分配示意图；
图3是本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例的步骤Ⅱ所述的理想相电感及相电流关系曲线图；
图4是本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例，其流程如图1所示，本例设置参数c＝0.2，umax＝5v，u1＝0.02，u2＝-0.02，对开关磁阻电机SRM的三相电流值、总转矩和转子位置角度实测采样。主要步骤如下：
Ⅰ、根据分配函数(TSF)进行各相转矩分配
选择立方分配函数作为转矩分配函数，如下：
其中θ为转子位置角，θon为开通角，θoff为断开角。
根据分配函数将设定转矩Tref分配到相邻两相，其中一个开通相的分配转矩为Tup，另一个关断相的分配转矩为Tdn。设定转矩分配如下式：
转矩分配函数如图2所示，纵坐标为转矩值，横坐标为转子位置角，实线和虚线分别表示开通相和关断相对应的分配转矩。
Ⅱ、基本控制电流
基于线性电感模型的电磁转矩数学表达式为：
其中Tk、Lk(θ)(简写为Lk)和Ik分别代表开关磁阻电机第k相转矩、电感和电流，θ表示转子位置角。此式的理想相电感及相电流关系曲线如图3所示，纵坐标为开关磁阻电机转矩，横坐标为转子位置角，点划线表示理想相电流，实线表示理想相电感。
上式的逆函数式为：
本例dLk/dθ＝c，c为常值。
根据步骤Ⅰ所得Tk分别得到开通相和关断相的对应的基本控制电流Ik,。
Ⅲ、电流的非线性补偿
Ⅲ-1、电流的非线性补偿
设定转矩为Tref，Tmear为转矩传感器所测得到的电机总转矩，转矩偏差为：△T＝Tref-Tmear，电流偏差为：△I＝g(Tref)-g(Tmear)。
电流偏差△I与转矩偏差△T关系表达为：
其中：
本例c取值为0.2。
Ⅲ-2各相非线性电流补偿值
根据步骤Ⅰ的转矩立方分配函数，由(3)式得到各相非线性补偿电流为：
Ⅲ-3各相的控制电流
各相的控制电流由步骤Ⅲ-2所得各相非线性电流补偿值与步骤Ⅱ所得各相基本控制电流Ik叠加所得：
Ik *＝Ik+△Ik,c (5)
Ⅳ、实际电流的跟踪控制
各相的电流传感器所测量得到的电流Ik,mear与步骤Ⅲ所得的各相控制电流存在偏差e，
电流滞环控制器输出值u按下式取值
其中umax是电流滞环控制器控制量的最大值，本例umax＝5v，u1是偏差e正程变化时的阈值，本例u1＝0.02，u2是偏差e逆程变化时的阈值，本例u2＝-0.02，是e的导数。电流滞环控制器的输出u为控制脉宽调制器的不同占空比的开关量。
电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统实施例
本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统实施例根据上述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例设计，如图4所示。包括微处理器、模数转换模块、脉宽调制器、功率驱动装置和电流传感器，三个电流传感器分别安装于开关磁阻电机的三条相线上，电流传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接，微处理器控制端连接脉宽调制器，脉宽调制器的输出连接功率驱动装置，功率驱动装置三相输出分别连接控制开关磁阻电机的三相线，开关磁阻电机上还安装转子位置角传感器和转矩传感器，转子位置角传感器和转矩传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接。
微处理器配有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电流数据采集模块、各相转矩分配模块、各相基本控制电流计算模块、总的补偿电流计算模块和各相补偿电流计算模块、补偿后各相控制电流计算模块及电流滞环控制器模块。
微处理器根据三个电流传感器、转子位置角传感器和转矩传感器的实时信号，由各程序模块计算得到各相转矩分配值、各相基本控制电流值，再由此计算总的非线性电流补偿值和各相非线性电流补偿值，最终得到补偿后各相控制电流值并经电流滞环控制器实现对补偿后电流的跟踪控制。
微处理器所得控制信号输出到脉宽调制器，脉宽调制器的输出作为功率驱动装置的输入信号，功率驱动装置由三相交流电供电，其按脉宽调制器的控制信号输出开关磁阻电机的三相电流，驱动开关磁阻电机转子旋转。
所述微处理器连接RS232接口与计算机连接，计算机连接显示屏，实时显示开关磁阻电机的各相电流、转矩等运行信息。
微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器、模数转换模块和脉宽调制器构成嵌入式控制系统。
用本电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统实施例完成上述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法实施例，转矩脉动明显减少。以现有的未采用电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法为对比例对相同的磁阻电机进行控制，对比例的转矩脉动率为45.5％，本发明实施例转矩脉动下降至仅2.78％，效果显著。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法，主要步骤如下：
Ⅰ、根据分配函数进行各相转矩分配
选择立方分配函数作为转矩分配函数，如下：
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<mn>3</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中θ为转子位置角，θon为开通角，θoff为断开角；
根据分配函数将设定转矩Tref分配到相邻两相，其中一个开通相的分配转矩为Tup，另一个关断相的分配转矩为Tdn；设定转矩分配如下式：
Ⅱ、基本控制电流
基于线性电感模型的电磁转矩数学表达式为：
<mrow>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
其中Tk、Lk(θ)和Ik分别代表开关磁阻电机第k相转矩、电感和电流，θ表示转子位置角；
上式的逆函数式为：
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dLk/dθ＝c，c为常值；
根据步骤Ⅰ所得的Tk计算式分别得到开通相分配转矩Tup和关断相分配转矩Tdn，由上述Ik计算式分别得到开通相和关断相的对应的基本控制电流Ik,；
Ⅲ、电流的非线性补偿
Ⅲ-1、电流的非线性补偿
设定转矩为Tref，Tmear为转矩传感器所测得到的电机总转矩，转矩偏差为：△T＝Tref-Tmear，电流偏差为：△I＝g(Tref)-g(Tmear)；
电流偏差△I与转矩偏差△T关系表达为：
<mrow>
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其中：
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<mo>;</mo>
</mrow>
Ⅲ-2各相非线性电流补偿值
根据步骤Ⅰ的转矩立方分配函数，由步骤Ⅲ-1的电流偏差△I计算式得到各相非线性补偿电流值为：
Ⅲ-3各相的控制电流
各相的控制电流由步骤Ⅲ-2所得各相非线性电流补偿值与步骤Ⅱ所得各相基本控制电流Ik叠加所得：
Ik *＝Ik+△Ik,c
Ⅳ、实际电流的跟踪控制
各相的电流传感器所测量得到的电流Ik,mear与步骤Ⅲ所得的各相控制电流存在偏差e，
电流滞环控制器输出值u按下式取值
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>=</mo>
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其中umax是电流滞环控制器控制量的最大值，u1和u2分别是偏差e正程变化时的阈值和偏差e逆程变化时的阈值，是e的导数；
电流滞环控制器的输出u为控制脉宽调制器的不同占空比的开关量。
2.根据权利要求1所述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法，其特征在于：
步骤Ⅱ所述c取值为0.1～0.3。
3.根据权利要求1所述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法，其特征在于：
步骤Ⅳ所述umax最大值3.3～5v，u1＝0.01～0.03，u2＝-0.03～-0.01。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制方法设计的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统，其特征在于：
包括微处理器、模数转换模块、脉宽调制器、功率驱动装置和电流传感器，三个电流传感器分别安装于开关磁阻电机的三条相线上，电流传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接，微处理器控制端连接脉宽调制器，脉宽调制器的输出连接功率驱动装置，功率驱动装置三相输出分别连接控制开关磁阻电机的三相线，开关磁阻电机上还安装转子位置角传感器和转矩传感器，转子位置角传感器和转矩传感器的信号线经模数转换模块与微处理器输入端连接；
微处理器配有程序存储器和数据存储器，程序存储器含有电流数据采集模块、各相转矩分配模块、各相基本控制电流计算模块、总的补偿电流计算模块和各相补偿电流计算模块、补偿后各相控制电流计算模块及电流滞环控制器模块；
微处理器根据三个电流传感器、转子位置角传感器和转矩传感器的实时信号，由各程序模块计算得到各相转矩分配值、各相基本控制电流值，再由此计算总的非线性电流补偿值和各相非线性电流补偿值，最终得到补偿后各相控制电流值并经电流滞环控制器实现对补偿后电流的跟踪控制；
微处理器所得控制信号输出到脉宽调制器，脉宽调制器的输出作为功率驱动装置的输入信号，功率驱动装置由三相交流电供电，其按脉宽调制器的控制信号输出开关磁阻电机的三相电流，驱动开关磁阻电机转子旋转。
5.根据权利要求4所述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统，其特征在于：
所述微处理器连接RS232接口与计算机连接，计算机连接显示屏，实时显示开关磁阻电机的各相电流和转矩运行信息。
6.根据权利要求4所述的电流非线性补偿的开关磁阻电机转矩控制系统，其特征在于：
所述微处理器及所连接的程序存储器、数据存储器、模数转换模块和脉宽调制器构成嵌入式控制系统。
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