CN109546918B - 一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，包括以下步骤：通过光电编码器计算转子的位置角，计算旋转坐标系下的电机磁链和电流；根据给定转矩与反馈转矩的误差与给定磁链以及定子坐标系下的三相电压和电流；计算下一拍控制电机运行的旋转坐标系下的空间电压矢量；获得六路脉冲信号控制电机。本发明通过控制旋转参考坐标系中的两相基准电压来直接控制转矩和磁链，在一个控制周期内控制磁链和转矩，使转矩脉动更小的同时也明显减小了磁链。

Description

一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机转矩控制方法，具体的说是涉及一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法。
背景技术
开关磁阻电机(Switched reluctance motor,SRM)最早于19世纪40年代提出，但受于当时的技术限制，没有得到很好的发展。随着电力电子器件的发展以及开关磁阻电机本身的结构简单、成本低、容错性好、调速范围宽等优点，它引起了学术界和工业界的广泛关注，大量的研究也随之开展。各种规格的开关磁阻电机调速系统陆续被投入市场，产品覆盖电动汽车、家用电器等领域，这显示了开关磁阻电机广阔的应用前景。然而，开关磁阻电机的双凸极结构使其存在较大的转矩脉动。高度磁饱和导致非线性电感分布以及随电流、转子位置而变化的电磁转矩，这使得SRM的转矩脉动抑制更具挑战性。目前国内外学者主要从两个方面进行减小转矩脉动的研究：(一)电机本体优化设计；(二)适当的控制策略。但是方案一往往以牺牲开关磁阻电机的效率为代价。因此，学术界和工业界通常选择方案二，它主要包括两个方面：(1)间接转矩控制；(2)直接转矩控制(Direct torque control,DTC)。间接控制方法通常是通过电流或磁链间接控制转矩。由于转矩不是直接的控制变量，使得转矩脉动的减小受限。与间接转矩控制相比，DTC具有响应快、避免多坐标变换等优点。在DTC中，通过控制磁链的大小和定子磁链矢量的速度的变化来实现直接控制电磁转矩。尽管在DTC中转矩被用作直接控制变量，但转矩脉动并没有最小化，且由于DTC使用Bang-Bang控制，因此不可避免地存在误差。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法。本发明包含一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过光电编码器计算转子的位置角，并与三相电流一并传给电流和磁链观测器，计算旋转坐标系下的电机磁链和电流；
S2：根据给定转矩Tref与反馈转矩的差、给定磁链ψref、定子坐标系下的三相电压和电流以及通过磁链观测获得旋转坐标系下的电机磁链和电流，通过无差拍直接转矩控制方法计算下一拍控制电机运行的所述旋转坐标系下的空间电压矢量；
S3：将所述旋转坐标系下的空间电压矢量转换为所述定子坐标系下的三相电压；通过SVM模块调制无差拍直接转矩控制的输出空间电压矢量，得到六路脉冲信号控制电机。
进一步的，所述开关磁阻电机中电流分为交流和直流分量；在每个电路上施加均匀的交流电流产生旋转定子磁场，当直流电流被施加到三相开关磁阻电机时，产生主磁通回路和合成磁链矢量；所述主磁链回路的角度是转子角度的两倍。
更进一步的，所述定子坐标系下建模过程为：
所述开关磁阻电机的电压平衡方程为：
Figure BDA0001884072740000021
其中，iu、iv和iw分别表示U相、V相、和W相的相电流；R表示相绕组电阻；Lu、Lv和Lw分别表示U相、V相、和W相的自感；p表示微分算子。
进一步的，所述开关磁阻电机的瞬时电磁转矩方程为：
Figure BDA0001884072740000022
其中，Te表示电磁转矩；θr表示转子位置角；P表示为转子磁极数；
自感分布为：
Figure BDA0001884072740000031
其中，N表示相数，k＝1,2,3......N，Ldc和Lac分别表示直流自感和自感幅值。
进一步的，所述转子坐标系下建模过程为：
由所述直流电流引起的磁通即为转子磁通；所述转子磁通的矢量以正交旋转方向的电角速度的两倍旋转变换；
所述旋转变换通过电流矩阵实现；所述电流矩阵为：
Figure BDA0001884072740000032
其中，θ表示d轴与U相之间的夹角，i0表示零相电流；
所述电流矩阵的逆变换为：
Figure BDA0001884072740000033
将所述三相电流变换为id和iq，其中id表示旋转坐标系下的d轴电流；
iq表示旋转坐标系下的q轴电流：
将式(4)代入式(2)对iq求解为：
Figure BDA0001884072740000034
Figure BDA0001884072740000035
表示下一时刻将要施加的电流；
其中，
Figure BDA0001884072740000036
Figure BDA0001884072740000037
Figure BDA0001884072740000041
则
Figure BDA0001884072740000042
其中，
Figure BDA0001884072740000043
Figure BDA0001884072740000044
其中
Figure BDA0001884072740000045
将(5)代入到(1)中，得
Figure BDA0001884072740000046
其中，ud表示旋转坐标系下的d轴电压；uq表示旋转坐标系下的q轴电压；u0表示旋转坐标系下的零相电压；忽略异步，则式(9)简化为：
Figure BDA0001884072740000047
将式(2)两边同时对时间微分，得：
Figure BDA0001884072740000048
根据定子磁场定向理论，即将定子磁链与d-q坐标系的d轴重合，则有ψsq＝0，一阶离散化后，得到电压
Figure BDA0001884072740000049
为：
Figure BDA0001884072740000051
其中，
Figure BDA0001884072740000052
表示给定的定子磁链；ψsd表示旋转坐标系下的d轴定子磁链；ψsq表示旋转坐标系下的q轴定子磁链；
Figure BDA0001884072740000053
表示旋转坐标系下k时刻的d轴电压；
Figure BDA0001884072740000054
表示旋转坐标系下k时刻的q轴电压；isd(k)表示旋转坐标系下k时刻的d轴电流、iq(k)表示旋转坐标系下k时刻的q轴电流；
将所得到的
Figure BDA0001884072740000055
代入到(10)中，可得到为：
Figure BDA0001884072740000056
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过控制旋转参考坐标系中的两相基准电压来直接控制转矩和磁链，在一个控制周期内控制磁链和转矩，使转矩脉动更小的同时也减小了磁链。在相同的运行条件下，无差拍直接转矩控制的电流幅值有明显的减小，转矩脉动大大减小，突变响应能力也很好，实现方法简单。与传统的直接转矩控制方法相比，无差拍直接转矩控制提高了磁链和转矩控制的精度。同时本申请在一个控制周期内使电机能跟踪给定转矩和给定磁链，从而减少了开关磁阻电机的转矩脉动和损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明开关磁阻电机无差拍直接转矩控制系统框图。
图2为本发明的实施例当ω＝450rpm，TL＝10N·m时的磁链圆，(a)表示DTC磁链圆波形，(b)表示DB-DTFC磁链圆波形；
图3为本发明的实施例当ω＝1200rpm，TL＝0N·m的稳态波形，(a)表示DTC电流转矩波形，(b)表示DB-DTFC电流转矩波形；
图4为本发明的实施例当ω＝450rpm，TL＝10N·m的稳态波形，(a)表示DTC电流转矩波形，(b)表示DB-DTFC电流转矩波形；
图5为本发明的实施例当ω＝450rpm，TL＝40N·m的稳态波形，(a)表示DTC电流转矩波形，(b)表示DB-DTFC电流转矩波形；
图6为本发明的实施例当ω＝1000rpm，TL从25N·m到10N·m再到15N·m的变负载波形，(a)表示DTC电流转矩波形，(b)表示DB-DTFC电流转矩及转速波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-6所示，本发明提供了一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过光电编码器计算转子的位置角，并与三相电流一并传给电流和磁链观测器，计算旋转坐标系下的电机磁链和电流；三相电流首先经过电流采样模块采样，其次经AD转换模块将模拟量转换成数字量送至DSP芯片中然后DSP根据设计的DB-DTFC程序对数字量进行计算处理后再将数字量通过DA转换模块转换成模拟量进而完成对电机的控制。
步骤S2：根据给定转矩Tref与反馈转矩的误差、给定磁链ψref、定子坐标系下的三相电压和电流以及通过磁链观测获得旋转坐标系下的电机磁链和电流，通过无差拍直接转矩控制方法计算下一拍控制电机运行的所述旋转坐标系下的空间电压矢量。
步骤S3：将所述旋转坐标系下的空间电压矢量转换为所述定子坐标系下的三相电压；通过SVM模块调制无差拍直接转矩控制的输出空间电压矢量，得到六路脉冲信号控制电机。
作为优选的实施方式，所述开关磁阻电机中电流分为交流和直流分量；在每个电路上加入均匀的交流电流产生旋转定子磁场，当直流电流被施加到三相开关磁阻电机时，产生主磁通回路和合成磁链矢量；所述主磁通回路的角度是转子角度的两倍。
在本实施方式中，定子坐标系下建模过程为：开关磁阻电机的电压平衡方程为：
Figure BDA0001884072740000071
其中，iu、iv和iw分别表示U相、V相、和W相的相电流；R表示相绕组电阻；Lu、Lv和Lw分别表示U相、V相、和W相的自感；p表示微分算子；
所述开关磁阻电机的瞬时电磁转矩方程为：
Figure BDA0001884072740000072
其中，Te表示电磁转矩；θr表示转子位置角；P表示为转子磁极数；
自感分布为：
Figure BDA0001884072740000073
其中，N表示相数，k＝1,2,3......N，Ldc和Lac分别表示直流自感和自感幅值。
作为优选的实施方式，所述转子坐标系下建模过程为：由所述直流电流引起的磁通即为转子磁通；所述转子磁通的矢量以正交旋转方向的电角速度的两倍旋转变换。旋转变换通过电流矩阵实现；所述电流矩阵为：
Figure BDA0001884072740000081
其中，θ表示d轴与U相之间的夹角，i0表示零相电流；
所述电流矩阵的逆变换为：
Figure BDA0001884072740000082
将所述三相电流变换为id和iq，其中id表示旋转坐标系下的d轴电流；
iq表示旋转坐标系下的q轴电流：
将式(4)代入式(2)对iq求解为：
Figure BDA0001884072740000083
Figure BDA0001884072740000084
表示下一时刻将要施加的电流；
其中，
Figure BDA0001884072740000085
Figure BDA0001884072740000086
Figure BDA0001884072740000087
则
Figure BDA0001884072740000088
其中，
Figure BDA0001884072740000089
Figure BDA0001884072740000091
其中
Figure BDA0001884072740000092
将(5)代入到(1)中，得
Figure BDA0001884072740000093
其中，ud表示旋转坐标系下的d轴电压；uq表示旋转坐标系下的q轴电压；u0表示旋转坐标系下的零相电压；忽略异步，则式(9)简化为：
Figure BDA0001884072740000094
将式(2)两边同时对时间微分，得：
Figure BDA0001884072740000095
根据定子磁场定向理论，即将定子磁链与d-q坐标系的d轴重合，则有ψsq＝0，一阶离散化后，得到电压
Figure BDA0001884072740000096
为：
Figure BDA0001884072740000097
其中，
Figure BDA0001884072740000098
表示给定的定子磁链；ψsd表示旋转坐标系下的d轴定子磁链；ψsq表示旋转坐标系下的q轴定子磁链；
Figure BDA0001884072740000099
表示旋转坐标系下k时刻的d轴电压；
Figure BDA00018840727400000910
表示旋转坐标系下k时刻的q轴电压；isd(k)表示旋转坐标系下k时刻的d轴电流、iq(k)表示旋转坐标系下k时刻的q轴电流；
将所得到的
Figure BDA0001884072740000101
代入到(10)中，可得到为：
Figure BDA0001884072740000102
作为本申请的一种实施例，如图2-6所示，为根据仿真波形，算得无差拍直接转矩控制与DTC系统在不同仿真情形下的转矩脉动系数如表1所示：
表1无差拍直接转矩控制与DTC系统在不同仿真情形下的电流与转矩脉动系数
Figure BDA0001884072740000103
通过对开关磁阻电机转矩特性的分析，本发明通过控制旋转参考坐标系中的两相基准电压来直接控制转矩和磁链，在一个控制周期内控制磁链和转矩，使转矩脉动更小。仿真结果表明，虽然传统的DTC系统的磁链也为圆形，但圆的宽度明显高于无差拍直接转矩控制。通过图2(a)、(b)所示，无差拍直接转矩控制系统的磁链明显减小。在相同的运行条件下，无差拍直接转矩控制的电流幅值有明显的减小，转矩脉动大大减小，突变响应能力也很好，实现方法简单。与传统的直接转矩控制方法相比，无差拍直接转矩控制提高了磁链和转矩控制的精度。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过光电编码器，计算转子的位置角，并与三相电流一并传给电流和磁链观测器，计算旋转坐标系下的电机磁链和电流；
S2：根据给定转矩Tref与反馈转矩的差、给定磁链ψref、定子坐标系下的三相电压和电流以及通过磁链、电流观测器获得旋转坐标系下的电机磁链和电流，通过无差拍直接转矩控制方法计算下一拍控制电机运行的所述旋转坐标系下的空间电压矢量；
S3：将所述旋转坐标系下的空间电压矢量转换为所述定子坐标系下的三相电压；通过SVM模块调制无差拍直接转矩控制的输出空间电压矢量，得到六路脉冲信号控制电机；
所述开关磁阻电机中电流分为交流和直流分量；在每个电路上施加均匀的交流电流产生旋转定子磁场，当直流电流被施加到三相开关磁阻电机时，产生主磁通回路和合成磁链矢量；所述主磁通回路的角度是转子角度的两倍。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，其特征还在于：
所述定子坐标系下建模过程为：
所述开关磁阻电机的电压平衡方程为：
Figure FDA0003152256530000011
其中，iu、iv和iw分别表示U相、V相、和W相的相电流；R表示相绕组电阻；Lu、Lv和Lw分别表示U相、V相、和W相的自感；p表示微分算子；
所述开关磁阻电机的瞬时电磁转矩方程为：
Figure FDA0003152256530000021
其中，Te表示电磁转矩；θr表示转子位置角；P表示为转子磁极数；
自感分布为：
Figure FDA0003152256530000022
其中，N表示相数，k＝1,2,3......N，Ldc和Lac分别表示直流自感和自感幅值。
3.根据权利要求2所述的一种开关磁阻电机的无差拍直接转矩控制方法，其特征还在于：
转子坐标系下建模过程为：
由直流电流引起的磁通即为转子磁通；所述转子磁通的矢量以正交旋转方向的电角速度的两倍旋转变换；
所述旋转变换通过电流矩阵实现；所述电流矩阵为：
Figure FDA0003152256530000023
其中，θ表示d轴与U相之间的夹角，i0表示零相电流；
所述电流矩阵的逆变换为：
Figure FDA0003152256530000024
将所述三相电流变换为id和iq，其中id表示旋转坐标系下的d轴电流；
iq表示旋转坐标系下的q轴电流：
改为将式(4)代入式(2)中，求解iq并取较小值为
Figure FDA0003152256530000031
Figure FDA0003152256530000032
其中，
Figure FDA0003152256530000033
表示下一时刻将要施加的电流；
Figure FDA0003152256530000034
Figure FDA0003152256530000035
Figure FDA0003152256530000036
则
Figure FDA0003152256530000037
其中，
Figure FDA0003152256530000038
Figure FDA0003152256530000039
其中
Figure FDA00031522565300000310
将(5)代入到(1)中，得
Figure FDA00031522565300000311
其中，ud表示旋转坐标系下的d轴电压；uq表示旋转坐标系下的q轴电压；u0表示旋转坐标系下的零相电压；忽略异步，则式(9)简化为：
Figure FDA0003152256530000041
将式(2)两边同时对时间微分，得：
Figure FDA0003152256530000042
根据定子磁场定向理论，即将定子磁链与d-q坐标系的d轴重合，则有ψsq＝0，一阶离散化后，得到电压
Figure FDA0003152256530000043
为：
Figure FDA0003152256530000044
其中，
Figure FDA0003152256530000045
表示给定的定子磁链；ψsd表示旋转坐标系下的d轴定子磁链；ψsq表示旋转坐标系下的q轴定子磁链；
Figure FDA0003152256530000046
表示旋转坐标系下k时刻的d轴电压；
Figure FDA0003152256530000047
表示旋转坐标系下k时刻的q轴电压；isd(k)表示旋转坐标系下k时刻的d轴电流、iq(k)表示旋转坐标系下k时刻的q轴电流；
将所得到的
Figure FDA0003152256530000048
代入到(10)中，可得到为：
Figure FDA0003152256530000049
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