CN106571755A - 用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制设备以及包括该控制设备的开关磁阻电机系统 - Google Patents

用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制设备以及包括该控制设备的开关磁阻电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制设备以及包括该控制设备的开关磁阻电机系统。根据本发明，一种直接瞬时转矩控制设备包括：传感器，用于检测开关磁阻电机的转子的位置角度；转矩估计器，用于估计开关磁阻电机的瞬时转矩；滞环转矩控制器，用于基于参考转矩和所估计的瞬时转矩生成滞环控制信号；工作模式选择器，用于基于所检测的转子的位置角度来选择开关磁阻电机的工作模式；开关逻辑，用于基于滞环控制信号和所述工作模式来调节开关磁阻电机的逆变器的工作模式，其中所述逆变器用于向所述开关磁阻电机的各相定子提供电压。其中所述直接瞬时转矩控制设备还包括升降压变流器，其基于开关磁阻电机的转速来调节输出到所述逆变器的瞬时输出电压。

Description

用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制设备以及 包括该控制设备的开关磁阻电机系统
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机的控制设备，尤其涉及改善了开关磁阻电机的转矩脉动的直接瞬时转矩控制(DITC)设备以及包括该控制设备的开关磁阻电机系统。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)是一种简单、节能的电磁设备。特别是，开关磁阻电机转子中没有绕组或永磁体，而是利用定子和转子之间的凸极效应进行工作。定子线圈被选择性地通电以吸引最近的转子凸极(即，使转子凸极与被通电的定子线圈对准)。通过顺序地给定子线圈通电，从而可以控制转子的旋转方向和旋转速度。
在电动汽车的应用中，开关磁阻电机是非常有潜力的。因为其具有高的转矩对惯性比、高功率密度、高效率以及对于电动车辆牵引而言更好的机械特性。但是，对于电动车辆应用而言，需要解决转矩脉动问题以便提供更好的驾驶体验。
常规地，降低开关磁阻电机中转矩脉动的现有技术方案包括改变电机的机械设计，或者是控制开关磁阻电机的定子的电流波形。电流波形控制方法的一个例子是CCC(电流斩波控制)。但是在DITC的情况下，因为电流不是被直接控制的，因此对电流波形进行控制的方法不适用。存在一篇公开的文献，A designed converter for minimizingSRM torque ripple with controlled boost capacitor automatically.L.SAMANI,M,ABDOLHAMIDI,A RASHIDI,SMSAGHAIANNEZHAD。其披露了在利用DITC策略时通过包括升压电容器利用四级变流器在额定和高速操作下降低转矩脉动。但是，其并没有提及如何在开关磁阻电机低速工作时降低转矩脉动。
如本领域技术人员所公知的，与直接转矩控制(DTC)策略相比，直接瞬时转矩控制DITC策略不仅直接控制转矩并且具有良好的转矩响应性能。但是，如上所述，DITC策略的问题是其并不直接控制电流，因而电流动态仍然会引起过量的转矩脉动。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善了开关磁阻电机的转矩脉动的直接瞬时转矩控制设备以及包括该控制设备的开关磁阻电机系统。
发明人洞悉到了开关磁阻电机存在如下的现象，即，在低速时，运动反电动势与直流母线电压相比较小，这使得相电流快速建立，并且使得转矩和电流快速增加。然而在高速时，反电动势与直流母线电压相比是不可忽视的，这使得其难以建立理想的相电流，并且使得转矩和电流下降。由于转矩的增加和降低，在滞环周期内不能总是调节总的转矩，这导致了转矩脉动的增加并且因此使得控制精度下降。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制设备，包括：传感器，用于检测所述开关磁阻电机的转子的位置角度；转矩估计器，用于估计所述开关磁阻电机的瞬时转矩；滞环转矩控制器，用于基于参考转矩和所估计的所述开关磁阻电机的瞬时转矩生成滞环控制信号；工作模式选择器，用于基于所检测的转子的位置角度来选择所述开关磁阻电机的工作模式；开关逻辑，用于基于所述滞环控制信号和所述工作模式来调节所述开关磁阻电机的逆变器的工作模式，其中所述逆变器用于向所述开关磁阻电机的各相定子提供所需的电流。其中，所述直接瞬时转矩控制设备还包括：升降压变流器，所述升降压变流器基于所述开关磁阻电机的转速来调节输出到所述逆变器的瞬时输出电压。
通过在直接瞬时转矩控制设备中引入升降压变流器，并且根据开关磁阻电机的转速、利用所述升降压变流器来相应调节输出到开关磁阻电机的逆变器的瞬时输出电压，从而降低了开关磁阻电机的转矩脉动。
在优选的实施例中，在开关磁阻电机的转速超过第一预定转速时，使所述升降压变流器进入升压模式。此外，在转速低于第二预定转速时，使升降压变流器进入降压模式。所述第一预定转速大于所述第二预定转速。
通过这种方式，使得根据本发明的直接瞬时转矩控制设备能够根据具体使用的开关磁阻电机的类型及其工作状态来对输出到开关磁阻电机的逆变器的瞬时输出电压进行更细致的调整，从而能够按照实际状况来获得理想的转矩脉动并且因此进一步提高了控制精度。
此外，本领域技术人员应当能够理解的是，所述第一预定转速和第二预定转速可以根据具体使用的开关磁阻电机的类型以及相关的测试来进行确定。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制方法，包括：检测所述开关磁阻电机的转子的位置角度；估计所述开关磁阻电机的瞬时转矩；基于参考转矩和所估计的所述开关磁阻电机的瞬时转矩生成滞环控制信号；基于所检测的转子的位置角度来选择所述开关磁阻电机的工作模式；基于所述滞环控制信号和所述工作模式来调节所述开关磁阻电机的逆变器的工作模式，其中所述逆变器用于向所述开关磁阻电机的各相定子提供电压以满足电机旋转所需的电流。其中，所述直接瞬时转矩控制方法还包括：基于所述开关磁阻电机的转速，利用升降压变流器来调节输出到所述逆变器的瞬时输出电压。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关磁阻电机系统，包括：开关磁阻电机以及根据本发明的直接瞬时转矩控制设备。
参照结合附图进行的说明，本发明的其他目的和效果将变得更加显而易见并且更加易于理解。
附图说明
下面将结合实施例并且参照附图更加具体地介绍和解释本发明，在附图中：
图1示出了包括六个转子以及四个定子的开关磁阻电机10的示意图；
图2是常规的用于开关磁阻电机10的直接瞬时转矩控制设备20的原理框图；
图3示出了根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30的原理框图；
图4是根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30所采用的升降压变流器34的电路图；
图5是根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30对开关磁阻电机10的控制框图；
图6是采用根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30在开关磁阻电机10低转速下得到的转矩脉动的仿真结果；以及
图7是采用根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30在开关磁阻电机10高转速下得到的转矩脉动的仿真结果。
在附图中相同的附图标记表示相似或相应的特征和/或功能。
具体实施方式
下文中将参照附图更加具体地说明本发明的实施例。
图1示出了常规的开关磁阻电机10的示意图。如图1所示，其是具有六个转子以及四个定子的三相开关磁阻电机。本领域技术人员应当能够理解，图1所示的开关磁阻电机10仅仅是作为一个例子。本发明的技术方案显然也可以应用于其他不同数量的转子和定子的开关磁阻电机，并且可以应用于不同型号和不同工作参数的开关磁阻电机。
图2示出了常规的用于开关磁阻电机10的直接瞬时转矩控制设备20的原理框图。通过该框图可以理解其基本的控制策略。
如图2所示，常规的直接瞬时转矩控制设备20通过逆变器11对开关磁阻电机10进行控制。所述逆变器11用于向开关磁阻电机10的各相定子提供电压U。
直接瞬时转矩控制设备20包括传感器21，其用于检测开关磁阻电机10的转子的位置角度θ。工作模式选择器24则根据所检测的转子的位置角度θ来选择开关磁阻电机10的工作模式。
此外，设备20还包括转矩估计器22，其用于估计开关磁阻电机10的瞬时转矩Test。在一个实施例中，转矩估计器22基于开关磁阻电机10的各相电流和转子的位置角度θ来估计开关磁阻电机10的瞬时转矩Test。在另一个实施例中，转矩估计器22也可以基于开关磁阻电机10的各相电流以及各相磁链来估计瞬时转矩Test。
作为DITC和DTC的显著区别，直接瞬时转矩控制设备20包括了滞环转矩控制器23。该滞环转矩控制器23根据一个参考转矩Tref和转矩估计器22所估计的瞬时转矩Test生成滞环控制信号。
接下来，设备20中包括的开关逻辑25基于滞环控制信号和工作模式选择器24所选择的工作模式来调节逆变器11的工作模式。其中，逆变器11用于向开关磁阻电机10的各相定子提供电压U以满足所需的电流。
本领域技术人员应当能够理解，图2仅仅是示意性示出常规的DITC的控制策略。其中给开关磁阻电机10的各相定子提供电压U的逆变器11可以位于直接瞬时转矩控制设备20外部作为独立的部件。当然，在另外的实施方式中，所述逆变器11也可以集成到所述直接瞬时转矩控制设备20中，成为其组成部件。
此外，上述转矩估计器22、滞环转矩控制器23、工作模式选择器24以及开关逻辑25可以分别由单个的硬件电路来实现。在一个优选的实施方式中，上述转矩估计器22、滞环转矩控制器23、工作模式选择器24以及开关逻辑25也可以由单个处理器电路来实现。
从图2可以看出，与直接转矩控制(DTC)策略相比，DITC具有更好的转矩响应性能，因为其使用理想的转矩作为控制设定点并且采用了滞环转矩控制器来调整转矩。但是其仍然具有缺陷，即电流不被直接控制，从而如何在安全限度内控制电流以便进一步降低开关磁阻电机的转矩脉动是常规的DITC需要解决的技术问题。
如上所述，发明人洞察到了开关磁阻电机存在如下的现象，即，在低速时，运动反电动势与直流母线电压U相比较小，这使得相电流快速建立，并且使得转矩和电流快速增加。然而在高速时，反电动势与直流母线电压U相比是不可忽视的，这使得其难以建立理想的相电流，并且使得转矩和电流下降。由于转矩的增加和降低，在滞环带周期内不能总是调节总的转矩，这导致了转矩脉动的增加并且因此使得控制精度下降。
有鉴于此，发明人基于该现象得出的认识而做出了本发明，即，开关磁阻电机的转矩脉动与开关磁阻电机的各相定子的电压U有关。由于开关磁阻电机的各相定子的电压是由开关磁阻电机的逆变器根据转矩控制设备输出到其的瞬时输出电压所产生的，因此通过根据开关磁阻电机的转速来调节转矩控制设备输出到开关磁阻电机的逆变器的瞬时输出电压可以相应调节开关磁阻电机的各相定子的电压，从而改善开关磁阻电机的转矩脉动。
具体而言，开关磁阻电机的相电压平衡方程为：
其中U是施加到定子线圈的直流母线电压，i是瞬时相电流，θ是转子的位置角度，R是定子电阻，ψ(i,θ)是磁链，其取决于相电流和转子位置角度。是开关磁阻电机的转速。
发明人发现，在低速范围时，ω非常小，并且运动反向电动势低。因此在施加直流母线电压U时，第二项非常高，并且非常高。高的电流增加率在低速时引起高的转矩脉动。因此需要对电路拓扑和控制策略进行改进。
进一步分析可以发现方程(1)可以被改写为：
假定磁性电路是线性的，通过忽略互感，可以得到ψ＝L(θ)i。通过忽略定子电阻，方程2可以被改写为：
在低速范围时，ω非常小，也很小，足以被忽略。于是可以得到：
并且
在方程5中，定子线圈电感L在非常短的时间内可以被认为是常数。Δt是开关器件的开关时间。对于10KHz开关频率而言，Δt为100μs。因此，从方程(5)可以看出，在低速时降低Δi以便降低转矩脉动的唯一的方式是降低施加到定子线圈的直流母线电压U。
而相反，在开关磁阻电机运行在额定转速或高速时，ω高并且反向电动势高，因此直流母线电压U必需被升压以允许更高的以便维持转矩水平。
图3示出了根据本发明的实施例的用于开关磁阻电机10的直接瞬时转矩控制设备30。与图2所示的常规直接瞬时转矩控制设备20相比，图3所示的直接瞬时转矩控制设备30还包括升降压变流器34，所述升降压变流器34基于开关磁阻电机10的转速来调节输出到逆变器11的瞬时输出电压。
在图3所示的实施例中，直接瞬时转矩控制设备30还包括速度传感器31，用于检测开关磁阻电机10的转速。此外，控制设备30还包括电压变化逻辑32，其根据速度传感器31所检测的转速生成参考电压Uref。
接着，升降压控制器33根据所述参考电压Uref和所述升降压变流器34的瞬时输出电压的比较来控制所述升降压变流器34。在图上所示的实施例中，升降压控制器33通过脉宽调制(PWM)电路来对升降压变流器34进行相应的控制。但是，本领域技术人员应当能够理解其他的控制方式也是可行的。
此外，虽然在图3所示的实施例中采用了速度传感器31来检测开关磁阻电机10的转速，但是本领域技术人员应当能够理解开关磁阻电机的转速10也可以基于传感器21检测的转子的位置角度θ通过计算来获得，从而可以省略相应的速度传感器。在其余的实施例中，速度传感器31也可以位于直接瞬时转矩控制设备30外部。即，直接瞬时转矩控制设备30可以基于任何能够检测开关磁阻电机10的转速的设备获得的转速信号来进行相应的控制。
更进一步，虽然在图3所示的实施例中采用了参考电压Uref和所述升降压变流器34的瞬时输出电压的比较来控制所述升降压变流器34，但是本领域技术人员应当能够理解在其他的实施例中也可以直接采用开关磁阻电机10的转速与预定转速的比较来对升降压变流器34的瞬时输出电压进行控制。
例如，在转速超过第一预定转速时，将所述升降压变流器34设置为进入升压模式，从而相应升高输出到逆变器11的瞬时输出电压由此升高逆变器11输出到开关磁阻电机10的各相定子的直流母线电压U。而相应地，在转速低于第二预定转速时，可以将升降压变流器34设置为进入降压模式以便降低输出到开关磁阻电机10的各相定子的直流母线电压U。其中，第一预定转速大于第二预定转速。
在一个实施例中，为了自动调节用于SRM 10控制的直流母线电压U，提出将升降压变流器34添加到直流母线电容器之后。为了利于电动汽车的应用，可以采用双向升降压变流器以允许双向能量路线，即电动和发电模式。
双向升降压变流器34的一个例子如图4所示。当然，应当可以理解的是，升降压变流器的其他类型的拓扑结构也可以应用于本申请。在图4中，开关T1-T4可以是MOSFET或者IGBT或者是任何可控开关器件。当T2，T3，T4关断、控制T1导通的占空比时，可使升降压变流器34处在降压模式，输出电压低于输入电压(Vo<Vi)。而当T1保持常通、T2，T3保持截止时，控制T4导通的占空比可使升降压变流器34工作在升压模式，输出电压高于输入电压(Vo>Vi)。类似地，T2和T3可以被控制为允许实现从Vo到Vi的升降压变流器，从而允许双向能量路线，即电动和发电模式，以满足电动汽车的应用环境。
图5示出了根据本发明的直接瞬时转矩控制设备对开关磁阻电机的控制框图。具有更大带宽用于更好的动态性能的电流内环(具有自动电流调节器ACR)以及电压外环(具有自动电压调节器AVR)，其根据开关磁阻电机的转速来控制直流母线电压。在低速范围，升降压变流器被控制为工作在降压模式，使得抑制了电流的快速增加并且降低了转矩脉动。在额定和高速范围，升降压变流器被控制为工作在升压模式，从而降低了转矩脉动。
图6和图7分别是采用根据本发明的直接瞬时转矩控制设备在开关磁阻电机低转速下得到的转矩脉动的仿真结果。
其中，图6的仿真是在如下的参数下进行的：开关磁阻电机的旋转速度为1000rpm，理想的转矩为70Nm，并且在0.2s时直流母线电压U从320V减小到150V。该结果示出了显著的转矩脉动下降。
而图7的仿真参数设置如下：转速恒定为6000rpm；相电压在0.1s处由320V阶跃到700V；转矩给定值恒定为20Nm；滞环控制器内滞环上下限为0.5Nm和-0.5Nm，外滞环上下限为1Nm和-1Nm；并且导通角在低压和高压下分别为(340，150)和(10，170)。
从图7可以看出，在开关磁阻电机在高速下工作时，利用增加的直流母线电压也同样降低了转矩脉动。
在本发明的实施例中，在直接瞬时转矩控制设备中引入升降压变流器，并且根据开关磁阻电机的转速、利用升降压变流器来相应调节输出到开关磁阻电机的逆变器的瞬时输出电压，从而降低了开关磁阻电机的转矩脉动。
在优选的实施例中，在开关磁阻电机的转速超过第一预定转速时，使所述升降压变流器进入升压模式。此外，在转速低于第二预定转速时，使升降压变流器进入降压模式。所述第一预定转速大于所述第二预定转速。
通过这种方式，使得根据本发明的直接瞬时转矩控制设备能够根据具体使用的开关磁阻电机的类型及其工作状态来对输出到开关磁阻电机的逆变器的瞬时输出电压进行更细致的调整，从而能够按照实际状况来获得理想的转矩脉动并且因此进一步提高了控制精度。
本领域技术人员应当能够理解的是，所述第一预定转速和第二预定转速可以根据具体使用的开关磁阻电机的类型以及相关的测试来进行确定。
通过上述说明，本领域技术人员应当能够清楚地理解本发明的原理以及如何实施相关操作，因此根据本发明的用于开关磁阻电机10的直接瞬时转矩控制方法就不再赘述。
此外，本领域技术人员还应当能够理解，根据本发明的直接瞬时转矩控制设备30可以与开关磁阻电机10以及控制开关磁阻电机的逆变器11构成一个开关磁阻电机系统，用于各种相关的应用当中，包括但不限于本发明所提及的电动车辆的应用环境。
本发明可以用包含多个不同部件的硬件、以及适当计算机程序来实现。在列举多个部件的装置权利要求中，这些部件中的一些可以用同一个硬件实现。某些装置在互不相同的权利要求项中进行描述并不说明这些装置的组合不能有益地结合使用。
应当注意上述实施例示意而非限制本发明并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下应当能够设计出各种替代实施例。在权利要求书中，不应该将括号中的任何附图标记理解成是对权利要求的限制。词语“包括”并不排除存在权利要求或说明书中没有列举的元件或步骤。元件之前的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这种元件。在列举了几个单元的系统权利要求中，这些元件中的几种可以由同一类软件和/或硬件来实施。使用词语“第一”、“第二”和“第三”等并不表示任何顺序关系。应当将这些词语理解成名称。

Claims (9)

1.一种用于开关磁阻电机(10)的直接瞬时转矩控制设备(30)，包括：
传感器(21)，用于检测所述开关磁阻电机(10)的转子的位置角度(θ)；
转矩估计器(22)，用于估计所述开关磁阻电机(10)的瞬时转矩(Test)；
滞环转矩控制器(23)，用于基于参考转矩(Tref)和所估计的所述开关磁阻电机(10)的瞬时转矩(Test)生成滞环控制信号；
工作模式选择器(24)，用于基于所检测的转子的位置角度(θ)来选择所述开关磁阻电机(10)的工作模式；
开关逻辑(25)，用于基于所述滞环控制信号和所述工作模式来调节所述开关磁阻电机(10)的逆变器(11)的工作模式，其中所述逆变器(11)用于向所述开关磁阻电机(10)的各相定子提供电压，
其中，所述直接瞬时转矩控制设备(30)还包括：
升降压变流器(34)，所述升降压变流器(34)基于所述开关磁阻电机(10)的转速来调节输出到所述逆变器(11)的瞬时输出电压。
2.根据权利要求1所述的直接瞬时转矩控制设备(30)，其中
所述开关磁阻电机(10)的转速是基于所述传感器(21)检测的转子的位置角度(θ)获得的或者是直接由速度传感器(31)检测的。
3.根据权利要求1或2所述的直接瞬时转矩控制设备(30)，其中
在所述转速超过第一预定转速时，所述升降压变流器(34)被设置为进入升压模式；并且
在所述转速低于第二预定转速时，所述升降压变流器(34)被设置为进入降压模式，
其中所述第一预定转速大于所述第二预定转速。
4.根据权利要求3所述的直接瞬时转矩控制设备(30)，还包括：
电压变化逻辑(32)，用于基于所述转速生成参考电压(Uref)；
升降压控制器(33)，用于基于所述参考电压(Uref)和所述升降压变流器(34)的瞬时输出电压的比较来控制所述升降压变流器(34)。
5.根据权利要求1所述的直接瞬时转矩控制设备(30)，其中
所述转矩估计器(22)基于所述开关磁阻电机(10)的各相电流和转子的位置角度(θ)来估计所述开关磁阻电机(10)的瞬时转矩。
6.一种用于开关磁阻电机(10)的直接瞬时转矩控制方法，包括：
检测所述开关磁阻电机(10)的转子的位置角度(θ)；
估计所述开关磁阻电机(10)的瞬时转矩(Test)；
基于参考转矩(Tref)和所估计的所述开关磁阻电机的瞬时转矩(Test)生成滞环控制信号；
基于所检测的转子的位置角度(θ)来选择所述开关磁阻电机(10)的工作模式；
基于所述滞环控制信号和所述工作模式来调节所述开关磁阻电机(10)的逆变器(11)的工作模式，其中所述逆变器(11)用于向所述开关磁阻电机(10)的各相定子提供电压，
其中，所述直接瞬时转矩控制方法还包括：
基于所述开关磁阻电机(10)的转速，利用升降压变流器(34)来调节输出到所述逆变器(11)的瞬时输出电压。
7.根据权利要求6所述的直接瞬时转矩控制方法，还包括：
在所述转速超过第一预定转速时，将所述升降压变流器(34)设置为进入升压模式；并且
在所述转速低于第二预定转速时，将所述升降压变流器(34)设置为进入降压模式，
其中所述第一预定转速大于所述第二预定转速。
8.根据权利要求7所述的直接瞬时转矩控制方法，还包括：
基于所述转速生成参考电压(Uref)；
基于所述参考电压(Uref)和所述升降压变流器(34)的瞬时输出电压的比较来控制所述升降压变流器(34)。
9.一种开关磁阻电机系统，包括：
开关磁阻电机(10)；
逆变器(11)；以及
根据权利要求1-5中的任一项所述的直接瞬时转矩控制设备(30)。
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