CN107659223A - 一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，包括用于输出转矩给定量Tcmd的速度环PI调节器，并具有对转矩给定量Tcmd进行平滑处理的转矩平滑控制模块，以及根据转矩平滑控制模块输出信号对开关磁阻电机的各相绕组进行PWM控制的PWM执行机构。本发明通过对开关磁阻电机的每相绕组电流进行独立控制，减小电机运行时的转矩脉动，使电机的转矩更加平滑。

Description

一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机的控制技术领域，具体地说是一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置。
背景技术
开关磁阻电机由于其基于“磁阻最小原理”的运行原理，其转矩脉动会大于那些旋转磁场运行的电机。且开关磁阻在相控制上，为了使电机的利用率更高，经常采用180°电角度导通的方式，势必存在两相同时导通的时候，并且由于其运行时电感容易饱和，非线性特性明显，这些因素导致对其转矩的精确控制比较困难，进而导致转矩脉动很难减小。而较大的转矩脉动会对与电机相连的机械结构造成损伤，进而减小了与之相连的机械设备的使用寿命。常见的减小开关磁阻电机转矩脉动的方式大多采用细分转矩表格，提高平均转矩控制精度的方式。但是这些方式只能减小电机每转的平均转矩脉动，但是减小的幅度有限，尤其在两相重叠区域通入相电流的时候，很难做到转矩的平滑控制。
发明内容
本发明针对上述现有技术现状，而提供一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，以减小电机运行时的转矩脉动，使电机的转矩更加平滑。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，包括用于输出转矩给定量Tcmd的速度环PI调节器，并具有对转矩给定量Tcmd进行平滑处理的转矩平滑控制模块，以及根据转矩平滑控制模块输出信号对开关磁阻电机的各相绕组进行PWM控制的PWM执行机构。
上述的转矩平滑控制模块包括转矩分配控制模块、各相给定转矩到给定电流换算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器。
上述的转矩分配控制模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并根据当前电机各相绕组对转矩的需要进行分配，分别输出各相转矩给定量TNcmd，其中N代表电机第N相绕组。
上述的各相给定转矩到给定电流换算模块接收所述的各相转矩给定量TNcmd，并将各相转矩给定量TNcmd进行转换计算，分别输出对应的各相电流给定量INcmd1，其中N代表电机第N相绕组。
上述的各相电流PI调节器接收所述的各相电流给定量INcmd1，并接收各相绕组转矩补偿计算模块输出的转矩补偿量INcmd2和接收各相绕组的实际电流反馈量N_Ifb，并将接收信号值进行计算获得各相电流PI调节器的输入量INcmd，各相电流PI调节器将这些值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量INcmd-Out，其中N代表电机第N相绕组。
上述的转矩平滑控制模块包括转矩到电流计算模块、给定电流分配到各相电流计算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器。
上述的转矩到电流计算模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并将Tcmd转换计算为对应的电流给定量Icmd。
上述的给定电流分配到各相电流计算模块接收所述的电流给定量Icmd，并根据当前电机各相绕组对所要产生的转矩对应所要的电流的需要进行分配，分别输出各相电流给定量INcmd1。
上述各相电流PI调节器接收所述的各相电流给定量INcmd1、各相绕组转矩补偿计算模块输出的各相转矩补偿量INcmd2和各相绕组的实际电流反馈量N_Ifb，并将接收的信号值进行计算获得各相PI调节器的输入量INcmd，各相PI调节器将计算值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量INcmd-Out，其中N代表电机第N相绕组。
上述的PWM执行机构接收各相电流PI调节器输出的各相电流给定量INcmd-Out，并根据各相电流给定量INcmd-Out分别控制电机各相绕组对应的功率执行器件，输出各相独立的PWM指令，以在对应的绕组上产生所要求的电流值。
本发明的一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，通过对开关磁阻电机的每相绕组电流进行独立控制，减小电机运行时的转矩脉动，使电机的转矩更加平滑。
附图说明
图1为本发明的控制总框图。
图2为本发明其中一种转矩平滑控制模块的框图。
图3为本发明另一种转矩平滑控制模块的框图。
图4为优选实施例的控制总框图。
图5为优选实施例的其中一种转矩平滑控制模块的框图。
图6为优选实施例的另一种转矩平滑控制模块的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，包括用于输出转矩给定量Tcmd的速度环PI调节器，并具有对转矩给定量Tcmd进行平滑处理的转矩平滑控制模块，以及根据转矩平滑控制模块输出信号对开关磁阻电机的各相绕组进行PWM控制的PWM执行机构。
本发明中的开关磁阻电机，可以是N相开关磁阻电机，其中N＝2、3、4、……，且其极对数分别为对应相数下，所有可能的极对数组合。
本发明中的转矩平滑控制模块根据分配方式不同，可以有两种控制方式。如图2所示的一种转矩平滑控制模块，包括转矩分配控制模块、各相给定转矩到给定电流换算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器，将速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd直接进行各相的分配，分别将给定的转矩量分配到各相绕组，而每相再根据分配到的转矩量，将此转矩量转换计算为每相绕组的电流给定值。
具体地说，转矩分配控制模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并根据当前电机各相绕组对转矩的需要进行分配，分别输出各相转矩给定量TAcmd、TBcmd、TCcmd、……、TNcmd，本发明中的N代表电机第N相绕组。
各相给定转矩到给定电流换算模块接收各相转矩给定量TAcmd、TBcmd、TCcmd、……、TNcmd，并将各相转矩给定量进行转换计算，分别输出对应的各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、……、INcmd1。
各相电流PI调节器接收各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、……、INcmd1，并接收各相绕组转矩补偿计算模块输出的转矩补偿量IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、……、INcmd2和接收各相绕组的实际电流反馈量A_Ifb、B_Ifb、C_Ifb、……、N_Ifb，并将接收信号值进行计算获得各相电流PI调节器的输入量IAcmd、IBcmd、ICcmd、……、INcmd，各相电流PI调节器将这些值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量IAcmd-Out、IBcmd-Out、ICcmd-Out、……、INcmd-Out。
如图3所示的另一种转矩平滑控制模块，包括转矩到电流计算模块、给定电流分配到各相电流计算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器。
转矩到电流计算模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并将Tcmd转换计算为对应的电流给定量Icmd。
给定电流分配到各相电流计算模块接收电流给定量Icmd，并根据当前电机各相绕组对所要产生的转矩对应所要的电流的需要进行分配，分别输出各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、……、INcmd1，其中N代表电机第N相绕组。
各相电流PI调节器接收上述各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、……、INcmd1、各相绕组转矩补偿计算模块输出的各相转矩补偿量IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、……、INcmd2和各相绕组的实际电流反馈量A_Ifb、B_Ifb、C_Ifb、……、N_Ifb，并将接收的信号值进行计算获得各相PI调节器的输入量IAcmd、IBcmd、ICcmd、……、INcmd，各相PI调节器将计算值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量IAcmd-Out、IBcmd-Out、ICcmd-Out、……、INcmd-Out。
PWM执行机构接收各相电流PI调节器输出的各相电流给定量IAcmd-Out、IBcmd-Out、ICcmd-Out、……、INcmd-Out，并根据各相的给定量分别控制电机各相绕组对应的功率执行器件，输出各相独立的PWM指令，以在对应的绕组上产生所要求的电流值。
以下以四相开关磁阻电机作为优选实施例说明本发明的技术方案。
如图4所示，本实施例包括速度环PI调节器、转矩平滑控制模块、PWM执行机构和四相开关磁阻电机SRM。其中，转矩平滑控制模块主要是作用在传统的三环或是两环控制的速度环PI调节器的输出之后。
如图4所示，Vcmd为速度给定量，Vfb为电机实际速度反馈量，两者的差值进入速度环PI调节器进行调节，速度环PI调节器输出转矩给定量Tcmd，转矩平滑控制模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量，经过处理后，输出相应的给定值Icmd-Out到PWM执行机构，PWM执行机构根据Icmd-Out对电机各相绕组进行PWM的控制。
转矩平滑控制模块根据分配方式不同，可以有两种控制方式。其中一种如图5所示，另一种如图6所示。
图5所示的转矩平滑控制模块采用将速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd直接进行各相的分配，分别将给定的转矩量分配到各相绕组，而每相再根据分配到的转矩量，将此转矩量转换计算为每相绕组的电流给定值。
而图6所示的转矩平滑控制模块采用将速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd转换计算为给定的电流量，每相再根据此电流给定量获得本相绕组的电流给定量。
图5中的转矩平滑控制模块主要由转矩分配控制模块、以及A、B、C、D相给定转矩到给定电流换算模块、以及A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块、以及A、B、C、D相电流PI调节器和A、B、C、D相PWM执行机构这几模块组成。
如图5中所示，速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd输入到转矩分配控制模块。转矩分配控制模块将输入的转矩给定量Tcmd根据当前电机各相绕组对转矩的需要进行分配，分别输出各相转矩给定量TAcmd、TBcmd、TCcmd、TDcmd。每相绕组对获得给定转矩进行换算，将转矩给定量换算为本相的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1。IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、IDcmd2分别为各相绕组的独自的转矩补偿量，可根据当前本相绕组所需要的转矩量对本相给定的转矩量进行补偿，补偿后的量与本相绕组的实际电流反馈量进行相减，从而获得所要的本相电流给定量。以A相绕组为例，IAcmd2为A相绕组的转矩补偿量，其为通过A相绕组转矩补偿计算模块获得，A_Ifb为A相绕组当前的实际电流反馈量，IAcmd1为上述的转矩分配后换算得到的电流给定量。根据下式：IAcmd＝IAcmd1+IAcmd2-A_Ifb，其中IAcmd、IAcmd1、IAcmd2、A_Ifb各自带符号，从而获得A相绕组的电流最终给定量IAcmd，并将此值输入到A相电流PI调节器中，进行PI调节，A相电流PI调节器最终输出IAcmd-Out，此IAcmd-Out值输入到A相PWM执行机构中，将由A相PWM执行机构根据相应的IAcmd-Out值，控制每相绕组开关管的开关状态，从而控制每相绕组的电流，以达到对A相绕组的输出转矩的独立控制。B、C、D相绕组的控制方式与A相绕组的控制方式相同，在此不再一一举例。
转矩分配控制模块主要将由速度环PI调节器输出的Tcmd的值，根据当前电机各相绕组对转矩的需要进行分配，并输出对应的TAcmd、TBcmd、TCcmd、TDcmd。
A、B、C、D相给定转矩到给定电流换算模块主要将由转矩分配控制模块输出获得的转矩给定量TAcmd、TBcmd、TCcmd、TDcmd转换成对应的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1。
A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块主要是接收上述本相给定转矩到给定电流换算模块输出的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1，并根据当前本相绕组所需要的转矩量，与当前本相绕组的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1进行比较，判断是否需要对本相的给定转矩进行补偿，如果需要将输出本相对应的转矩补偿量IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、IDcmd2。
A、B、C、D相电流PI调节器主要是接收上述A、B、C、D相给定转矩到给定电流换算模块输出的电流给定量、A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块输出的转矩补偿量和相绕组的实际电流反馈量的和IAcmd、IBcmd、ICcmd、IDcmd，并将此值进行PI调节，输出各相所需要的电流给定量IAcmd-Out、IBcmd-Out、ICcmd-Out、IDcmd-Out。其中各相的输入量可采用下式计算获得：INcmd＝INcmd1+INcmd2-N_Ifb，其中N代表第N相，N可以是A、B、C、D。
A、B、C、D相PWM执行机构主要是将接收A、B、C、D相电流PI调节器的输出值IAcmd、IBcmd、ICcmd、IDcmd，并根据对应的值的大小控制各相的开关管，输出PWM信号。
图6所示的转矩平滑控制模块主要由转矩到电流计算模块、以及A、B、C、D相给定电流分配到各自相电流计算模块、以及A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块、以及A、B、C、D相电流PI调节器和A、B、C、D相PWM执行机构这几模块组成。如图6所示速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd输入到转矩到电流计算模块，转矩到电流计算模块将输入的Tcmd转换计算为对应的电流给定量Icmd。每相绕组获得电流给定量Icmd，并根据当前电机各相绕组对所要产生的转矩对应所要的电流的需要进行分配，分别输出各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1。如图6所示IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、IDcmd2分别为各相绕组的独自的转矩补偿量，可根据当前本相绕组所需要的转矩量对本相给定的转矩量进行补偿，补偿后的量与本相绕组的实际电流反馈量进行相减，从而获得所要的本相电流给定量。以A相绕组为例，IAcmd2为A相绕组的转矩补偿量，其为通过A相绕组转矩补偿计算模块获得，A_Ifb为A相绕组当前的实际电流反馈量，IAcmd1为上述的给定电流分配到A相电流模块计算获得。根据下式：IAcmd＝IAcmd1+IAcmd2-A_Ifb，其中IAcmd、IAcmd1、IAcmd2、A_Ifb各自带符号，从而获得A相绕组的电流最终给定量IAcmd，并将此值输入到A相电流PI调节器中，进行PI调节，PI调节器最终输出IAcmd-Out，此IAcmd-Out值输入到A相PWM执行机构中，将由A相PWM执行机构根据相应的IAcmd-Out值，控制每相绕组开关管的开关状态，从而控制每相绕组的电流，以达到对A相绕组的输出转矩的独立控制。以下B、C、D相绕组的控制方式与A相绕组的控制方式相同，在此不再一一举例。
所示转矩到电流计算模块主要是将由速度环PI调节器输出的Tcmd转换计算为对应的电流给定量Icmd。
A、B、C、D相给定电流分配到各自相电流计算模块主要将每相绕组获得电流给定量Icmd，根据当前电机各相绕组对所要产生的转矩对应所要的电流的需要进行分配，分别输出各相电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1。
A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块主要是接收上述A、B、C、D相给定电流分配到各自相电流计算模块输出的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1，并根据当前本相绕组所需要的转矩量，与当前本相绕组的电流给定量IAcmd1、IBcmd1、ICcmd1、IDcmd1进行比较，判断是否需要对本相的给定转矩进行补偿，如果需要将输出本相对应的转矩补偿量IAcmd2、IBcmd2、ICcmd2、IDcmd2。
A、B、C、D相电流PI调节器主要是接收上述A、B、C、D相给定电流分配到各自相电流计算模块输出的电流给定量、A、B、C、D相绕组转矩补偿计算模块输出的转矩补偿量和相绕组的实际电流反馈量的和IAcmd、IBcmd、ICcmd、IDcmd，并将此值进行PI调节，输出各相所需要的电流给定量IAcmd-Out、IBcmd-Out、ICcmd-Out、IDcmd-Out。其中各相的输入量可采用下式计算获得：INcmd＝INcmd1+INcmd2-N_Ifb，其中N代表第N相，N可以是A、B、C、D。
A、B、C、D相PWM执行机构主要是将接收A、B、C、D相电流PI调节器的输出值IAcmd、IBcmd、ICcmd、IDcmd，并根据对应的值的大小控制各相的开关管，输出PWM信号。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种减小开关磁阻电机转矩脉动的转矩控制装置，包括用于输出转矩给定量Tcmd的速度环PI调节器，其特征是：具有对转矩给定量Tcmd进行平滑处理的转矩平滑控制模块，以及根据转矩平滑控制模块输出信号对开关磁阻电机的各相绕组进行PWM控制的PWM执行机构。
2.根据权利要求1所述的转矩控制装置，其特征是：所述的转矩平滑控制模块包括转矩分配控制模块、各相给定转矩到给定电流换算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器。
3.根据权利要求2所述的转矩控制装置，其特征是：所述的转矩分配控制模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并根据当前电机各相绕组对转矩的需要进行分配，分别输出各相转矩给定量TNcmd，其中N代表电机第N相绕组。
4.根据权利要求3所述的转矩控制装置，其特征是：所述的各相给定转矩到给定电流换算模块接收所述的各相转矩给定量TNcmd，并将各相转矩给定量TNcmd进行转换计算，分别输出对应的各相电流给定量INcmd1，其中N代表电机第N相绕组。
5.根据权利要求4所述的转矩控制装置，其特征是：所述的各相电流PI调节器接收所述的各相电流给定量INcmd1，并接收各相绕组转矩补偿计算模块输出的转矩补偿量INcmd2和接收各相绕组的实际电流反馈量N_Ifb，并将接收信号值进行计算获得各相电流PI调节器的输入量INcmd，各相电流PI调节器将这些值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量INcmd-Out，其中N代表电机第N相绕组。
6.根据权利要求1所述的转矩控制装置，其特征是：所述的转矩平滑控制模块包括转矩到电流计算模块、给定电流分配到各相电流计算模块、各相绕组转矩补偿计算模块和各相电流PI调节器。
7.根据权利要求6所述的转矩控制装置，其特征是：所述的转矩到电流计算模块接收速度环PI调节器输出的转矩给定量Tcmd，并将Tcmd转换计算为对应的电流给定量Icmd。
8.根据权利要求7所述的转矩控制装置，其特征是：所述的给定电流分配到各相电流计算模块接收所述的电流给定量Icmd，并根据当前电机各相绕组对所要产生的转矩对应所要的电流的需要进行分配，分别输出各相电流给定量INcmd1。
9.根据权利要求8所述的转矩控制装置，其特征是：所述的各相电流PI调节器接收所述的各相电流给定量INcmd1、各相绕组转矩补偿计算模块输出的各相转矩补偿量INcmd2和各相绕组的实际电流反馈量N_Ifb，并将接收的信号值进行计算获得各相PI调节器的输入量INcmd，各相PI调节器将计算值进行调节，并输出所需要的各相电流给定量INcmd-Out，其中N代表电机第N相绕组。
10.根据权利要求2至9任一权利要求所述的转矩控制装置，其特征是：所述的PWM执行机构接收各相电流PI调节器输出的各相电流给定量INcmd-Out，并根据各相电流给定量INcmd-Out分别控制电机各相绕组对应的功率执行器件，输出各相独立的PWM指令，以在对应的绕组上产生所要求的电流值。
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PB01 Publication
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Inventor after: Jiang Zhe

Inventor after: Zhang Chi

Inventor after: Yu Guanjie

Inventor after: Qiao Hai

Inventor after: Yang Guilin

Inventor after: Chen Feixue

Inventor before: Jiang Zhe

Inventor before: Zhang Chi

Inventor before: Yu Guanjie

Inventor before: Qiao Hai

Inventor before: Chen Feixue

Inventor before: Zhu Renfeng

CB03 Change of inventor or designer information
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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