CN109660176B - 一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法。该方法通过针对同步磁阻电机，将三相电流合成的定子电流矢量离散细分，按一定的循环拍数获得空间的离散定位位置，从而通过控制定子磁场的空间位置，实现电机的位置控制，进而实现速度控制；提出的具有位置特征的同步磁阻电机步进传动控制，正是利用交流步进控制方法，将转子凸极的非线性导致难以精确建模的控制难点，转化为控制优势，实现高精度的位置控制，解决了传统控制方式存在的低速转矩脉动大，结构复杂等缺点。

Description

一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法

技术领域

本发明涉及交流电机传动技术领域，具体涉及一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法。

背景技术

同步磁阻电机结构简单，定子与三相交流电机相同，转子与开关磁阻电机类似，具有磁阻性质的同步电机具有高效率、高功率密度、易弱磁扩速、易维护、成本低等显著优点，在新能源汽车驱动系统中有很高的利用价值。

交流步进传动控制是东北大学刘宗富教授于1981年提出的。1996年，孙鹤旭博士出版了学术专著《交流步进传动系统》，书中对它进行了更为全面系统地阐述。随后，在理论研究和工程应用方面，Discrete Current Control Strategy ofPermanent MagnetSynchronous Motors和《永磁同步电机步进控制在武器定位系统中的应用研究》相继拓展到开关磁阻电机和永磁同步电机的控制上，也使得理论体系不断深入和完善。

同步磁阻电机传统的控制方式有直接转矩控制和矢量控制。直接转矩控制系统由于双位式控制和磁链计算准确度易受影响，造成电机低速情况下转矩脉动大，低速性能不好。而传统的矢量控制需要进行复杂的坐标变换，使系统结构复杂，计算量大，实际应用存在一定困难，因此当前而言尚未有交流步进控制用于同步磁阻电机控制上。

发明内容

本发明结合同步磁阻电机的结构与运行特性，提出了具有位置特征的同步磁阻电机步进传动控制，利用交流步进控制方法，将转子凸极的非线性导致难以精确建模的控制难点，转化为控制优势，实现高精度的位置控制，使得电机在低速甚至接近零速时，都可以实现对电机位置的精确控制。

本发明的技术方案为：

一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，包括以下步骤：

同步磁阻电机离散步进控制的运行方法所用装置包括DSP控制模块、功率电路、同步磁阻电机、编码器位置检测模块和输入电源模块，其中，输入电源模块分别和DSP控制模块、功率电路、编码器位置检测模块相连，DSP控制模块、功率电路、同步磁阻电机和编码器位置检测模块依次连接，编码器位置检测模块再与DSP控制模块相连；当同步磁阻电机运行时，执行以下步骤：

步骤1：由输入电流圆的一个周期等分份数b_H，确定相应的电流矢量i_s幅值的表达式；

其中，i_s为定子电流合成矢量；I_m为输入三相交流电的幅值；b_H为循环拍数，也是将输入电流的一个周期等分份数；k＝0～b_H-1整数；j为虚数单位。

步骤2：同步磁阻电机低速启动时的b_H值＝96；则根据公式(5)，得到电流矢量i_s的幅值后，再根据电流矢量i_s和电磁转矩间的关系公式(6)，得到电磁转矩值T_em，从而使电机获得相应的加速度；

其中，

式中：i_s为定子电流合成矢量；T_em为电磁转矩；ε为定子电流矢量与转子凸极轴线位置的夹角；p_τ为电机极对数；

步骤3：当确定b_H＝96后，得到电流矢量i_s的幅值，根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的加速度值，从而开始运行，并逐渐达到基速值；

步骤4：编码器位置检测模块检测同步磁阻电机的转子位置及速度进入1500Rpm-2000Rpm之间的中高速阶段后，将给到DSP控制模块1的同步磁阻电机3的b_H调用12，即确定b_H＝12，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的新加速度值，从而开始运行，并逐渐达到中高速值；

步骤5：编码器位置检测模块继续检测同步磁阻电机的转子位置及速度进入2000Rpm-2500Rpm之间的高速阶段后，将给到DSP控制模块的b_H值调用6，确定b_H＝6，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的另一个新加速度值，从而开始加速，并逐渐达到高速值；

步骤6：功率模块停止输出三相离散电流，电机失能，控制过程结束。

所述的步骤1中，所述的电流矢量i_s幅值的表达式(5)的推导过程如下：

按等步距方法对定子中通入的正弦电流进行离散，离散结果为式(1)、式(2)和式(3)

将输入电流的一个周期等分为b_H份(b_H为正整数)，考虑到三相交流电机的对称性，循环拍数b_H必须是6的整数倍，k＝0～b_H-1整数，由此得到气隙磁动势将是一个步进磁动势，即式(4)

其合成矢量i_s是空间离散的(k＝0～b_H-1整数)，即式(5)：

所述的步骤2中，电机电磁转矩公式为式(6)的推导过程如下：

在定子电流定向的坐标系下，取坐标横轴与电流矢量i_s重合，记做d轴；与之垂直纵轴记做q轴，得到定子磁动势下的电机数学模型，即式(11)与式(12)：

式中：ψ_d、ψ_q为d、q轴磁链；L_d、L_q为d、q轴电感；M为d、q轴互感；R_s为定子电阻；u_d、u_q为d、q轴电压；p为微分算子；ω为电机角速度；

从而得到电机电磁转矩公式为式(6)：

所述的步骤2中，确定b_H值的过程为：

θ需满足公式(7)：

θ＝2π/b_H (7)

此时K值应满足公式(8)：

K为不为零的正整数，θ为步进电流角。基速以下阶段，b_H必须是6的正整数倍也是8的正整数倍；

所述的步骤5中，确定b_H值的过程为：

ε需满足公式(9)：

ε＝tan^-1ξ (9)

其中ξ为凸极比，此处取ξ＝10；则ε为

此时K值应满足式(10)：

K为不为零的正整数。

结合b_H的取值要求：基速以上阶段，b_H是6的正整数倍；从而确定b_H值。

本发明的实质性特点为：

当前驱动电机的外特性与发动机的外特性的区别是驱动电机有一个额定转速。在电机的运行转速低于额定转速时，电机可以非常平稳的保持恒定转矩的输出，在这个转速区间，电机的输出功率随着转速的增大而增大，成正比关系；在电机的运行转速高于额定转速时，电机的功率达到一个上限值，不能再保持增大而变成了恒定转矩输出，在这个转速区间，电机的转矩随着转速的增大而减小，成反比关系。根据新能源汽车的不同驱动工况特征，将驱动工况分为恒转矩阶段和恒功率阶段，而电动汽车整车参数和性能目标是电机功率的选择依据，一般以期望达到的最大车速为目标，要求车辆启动转矩大，且在较长时间内保持高速行驶。

本发明将速度控制、位置控制和伺服控制等不同的传动控制方式有机地结合起来，提供了同步磁阻电机离散步进控制的运行方法，通过针对同步磁阻电机，将三相电流合成的定子电流矢量离散细分，按一定的循环拍数获得空间的离散定位位置，从而通过控制定子磁场的空间位置，实现电机的位置控制，进而实现速度控制；提出的具有位置特征的同步磁阻电机步进传动控制，正是利用交流步进控制方法，将转子凸极的非线性导致难以精确建模的控制难点，转化为控制优势，实现高精度的位置控制，解决了传统控制方式存在的低速转矩脉动大，结构复杂等缺点。使得电机在低速甚至接近零速时，可以获得良好的电机控制效果。

交流步进控制方式与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明方法提出了同步磁阻电机交流步进控制方法。在低速运动情况下，选择步数较多，使得电机在低速运行时，转矩脉动更小，转动更平滑。在高速运动下，选择步数相对较少，使得电机在高速下电流跟随性更强。步进控制可以改善同步磁阻电机各转速范围控制效果。

(2)本发明方法以电流矢量为控制目标，直接反应为定子磁场控制，可以改善对电机转矩响应的控制特性。

(3)推导出同步磁阻电机交流步进控制下各个调速范围对应的b_H值，使同步磁阻电机得以在各调速阶段正常运行，在低速情况下获得大扭矩，在高速情况下响应迅速，更符合新能源汽车对驱动电机的性能要求。

附图说明

图1是同步磁阻电机交流步进控制的运行方法的控制流程示意图；

图2是三相定子电流的离散；

图3a为b_H＝12时定子磁场离散空间矢量图；

图3b为初始电机转子位置θ＝0时，电机步进控制运行矢量图；

图3c为初始电机转子位置θ≠0时，电机步进控制运行矢量图；

图4是电机额定转矩和额定功率外特性参数示意图；

图5是同步磁阻电机矩角特性示意图；

图6是交流步进控制原理示意图；

图7中，1.DSP控制模块，2.功率电路，3.同步磁阻电机，4.编码器位置检测模块，5.输入电源模块；

图8功率电路2输出的三相电流波形图；

图9为电机运行的三段式转速波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明包括但不限于下述实施例。

A.运行方法所用装置及操作：

同步磁阻电机离散步进控制的运行方法所用装置如图7所示，包括DSP控制模块1、功率电路2、同步磁阻电机3、编码器位置检测模块4和输入电源模块5，其中，输入电源模块5分别和DSP控制模块1、功率电路2、编码器位置检测模块4相连，DSP控制模块1、功率电路2、同步磁阻电机3和编码器位置检测模块4依次连接，编码器位置检测模块4再与DSP控制模块1相连。

所述的输入电源模块5为DSP控制模块1、功率电路2和编码器位置检测模块4进行供电。首先由输入电源模块给DSP控制模块、功率电路以及编码器位置检测模块供电，再通过编码器位置检测模块检测同步磁阻电机的转子初始位置，并将该电机的转子位置信号给到DSP控制模块中；

为所述DSP控制模块1中的DSP控制芯片为美国德州仪器TMS320F28335，功率电路2为英飞凌生产的FF150R12ME3G型号IGBT模块及其配套电路，同步磁阻电机3的基本参数为：额定电压380V，极对数为2，d轴电感165mH，q轴电感17mH，定子电阻为1.008Ω。编码器位置检测模块4采用增量编码器，型号为E22120167A/2。输入电源模块5为中国兵器工业第208研究所生产的SYN-60-D24A2与SYN-35-D15A型号的电源模块。

B.本发明同步磁阻电机交流步进控制方法，该方法包括以下步骤：

一、确定电机步进控制过程中b_H值：(建立定子磁势下的电机数学模型)

在定子电流定向的坐标系下，取坐标横轴与电流矢量i_s重合，为区分常用转子磁链定向的坐标，记做d轴；与之垂直纵轴记做q轴，得到定子磁动势下的电机数学模型，即式(11)与式(12)：

式中：ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链；L_d、L_q分别为d、q轴电感；M为d、q轴互感；R_s为定子电阻；u_d、u_q分别为d、q轴电压；p为微分算子；ω为电机角速度；

同步磁阻电机的电磁转矩与定子电流矢量的平方成正比，且和二倍的定子电流与转子凸极轴线位置的夹角的正弦值成正比。例如：当b_H＝12时，离散电流矢量的空间分布，每个定位点对转子产生的电磁转矩T_e则成为一种定位转矩。

二、确定定子电流矢量的离散方法：

将定子电流矢量在一个周期内进行离散，变为均匀离散的离散定子电流矢量，离散波形的选择应满足在圆形旋转磁场上进行离散这一基本原则。b_H为循环拍数，当细分步数增加时，输出电流的全部失真系数会得到改进，但要考虑到控制实现的可能性和简便性。

从控制效果的有效性和控制算法的简单性考虑，本实施例按等步距方法对定子中通入的正弦电流进行离散，离散结果为式(1)、式(2)和式(3)

将输入电流的一个周期等分为b_H份(b_H为正整数)，考虑到三相交流电机的对称性，循环拍数b_H必须是6的整数倍，k＝0～b_H-1整数，由此得到气隙磁动势将是一个步进磁动势，即式(4)

其合成矢量i_s是空间离散的(k＝0～b_H-1整数)，即式(5)：

则电流矢量在空间中形成b_H个定位点。

三、确定电流矢量的空间离散位置：

在离散电流矢量的驱动下，同步磁阻电机在启动过程或逐渐升高电流步进频率时，如果定子电流矢量超前某一转子凸极超过π/2电角度，驱使转子朝另一个稳定零位转动，将导致电机反转并引起失步。在电流幅值不变的情况下，可以采用减小步距角的方式增大最大启动转矩T_qmax这一临界转矩，所以采取变步距策略，可保证电流稳定跟随，输出稳定转矩。如图5所示。

依据发明内容中提出的针对同步磁阻电机在各个运行阶段总结出的b_H值，确定电流矢量实际的空间离散位置；

四、选择超前步数，确定给定电流幅值；

电机在运行过程中将有明显的步进特性，而调速时，通常不希望电机跃动式前进，其转速、位置曲线尽可能平滑，并且，转矩能及时跟随给定值的变化，以保证电机不失步。这样，结合特性分析，需对不同速度下的电流离散步数做相应的调整，即实现多步距控制。低速时，在保证位置跟随的前提下，适当增加周期离散步数，缩减电流恒定时间，减少位置保持时间，使得电机转动更加平滑。高速时，适当减少周期离散步数，延长电流恒定时间，以保证电流的及时跟随，以及转矩的稳定。

在确定各运行阶段b_H值后，依据公式(5)确定各运行阶段电流幅值，并依据公式(8)、公式(9)确定相应的超前步数K。

五、实现同步磁阻电机交流步进运行

首先由输入电源模块5给DSP控制模块1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通过编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子初始位置，并将同步磁阻电机3的转子位置信号给到DSP控制模块1中。DSP控制模块1通过编码器位置检测模块4检测到的位置信号输出控制功率电路2的控制信号，功率电路2收到控制信号后，输出三相离散电流，同步磁阻电机3接收到控制电流后，开始运行，编码器位置检测模块4再次将检测的位置信号输入到DSP控制模块1中，以此反复，实现同步磁阻电机交流步进控制的运行。

图1所示实施例显示本发明新能源同步磁阻电机交流步进控制的运行方法的控制流程是：开始→确定同步磁阻电机低速启动时的b_H值→按b_H确定电流矢量的空间位置，获得同步磁阻电机低速运行离散定位点→由b_H确定相应的电流矢量i_s幅值→电机到达基速后，改变b_H值→按b_H确定电流矢量的空间位置，获得同步磁阻电机中高速运行离散定位点→进一步提高转速，再次改变b_H值→按b_H确定电流矢量的空间位置，获得同步磁阻电机高速运行离散定位点→结束。

在电机开始启动后，恒转矩阶段下，为了以满足MTPA控制策略启动，以公式(7)和公式(8)确定b_H＝96，然后按b_H确定电流矢量的空间位置，获得低速运行离散定位点，再由公式(5)给出相应的给定电流矢量i_s幅值。当电机达到基速之后，基于电流快速跟随原则，改变b_H，使b_H＝12，再按b_H确定电流矢量的空间位置，获得中高速运行离散定位点。为了进一步提高转速，对电机进行弱磁控制，依据公式(9)与公式(10)选取b_H＝6，然后按b_H确定电流矢量的空间位置，获得高速运行离散定位点，进而整个运行过程结束。

具体包括如下步骤：

步骤1：由输入电流圆的一个周期等分份数b_H，确定相应的电流矢量i_s幅值的表达式；

从控制效果的有效性和控制算法的简单性考虑，本实施例按等步距方法对定子中通入的正弦电流进行离散，离散结果为式(1)、式(2)和式(3)

将输入电流的一个周期等分为b_H份(b_H为正整数)，考虑到三相交流电机的对称性，循环拍数b_H必须是6的整数倍，k＝0～b_H-1整数，由此得到气隙磁动势将是一个步进磁动势，即式(4)

其合成矢量i_s是空间离散的(k＝0～b_H-1整数)，即式(5)：

则电流矢量i_s的幅值依据步骤1中b_H的具体数值得以确定。

步骤2：同步磁阻电机低速启动时的b_H值＝96；则根据公式(5)，得到电流矢量i_s的幅值后，再根据电流矢量i_s和电磁转矩间的关系公式(6)，得到电磁转矩值T_em，从而使电机获得相应的加速度；

其中，

式中：i_s为定子电流合成矢量；T_em为电磁转矩；ε为定子电流矢量与转子凸极轴线位置的夹角；p_τ为电机极对数；

电机的相应运行为：首先由输入电源模块5给DSP控制模块1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通过编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子初始位置，并将同步磁阻电机3的转子位置信号给到DSP控制模块1中，DSP控制模块1通过编码器位置检测模块4检测到的位置及速度信号，输出控制功率电路2的控制信号，功率电路2收到控制信号后，输出三相离散电流合成电流矢量i_s，同步磁阻电机3接收到控制电流后，得到电磁转矩T_em，获得初始加速度，开始运行；

同步磁阻电机的基础运行机理如图6所示，定子电流产生了定子磁场，转子对应转子磁场，那么一台电机就可以理解为两个旋转电磁铁之间的相互运动。转子磁铁总是跟随定子磁铁运动，两者之间错开的角度就产生了电磁转矩，当定子磁场超前转子磁场时，就产生正电磁转矩，反之，产生反向电磁转矩，从而开始运行，并逐渐达到基速值，完成电机的低速启动运行阶段；

在定子电流定向的坐标系下，取坐标横轴与电流矢量i_s重合，为区分常用转子磁链定向的坐标，记做d轴；与之垂直纵轴记做q轴，得到定子磁动势下的电机数学模型，即式(11)与式(12)：

式中：ψ_d、ψ_q为d、q轴磁链；L_d、L_q为d、q轴电感；M为d、q轴互感；R_s为定子电阻；u_d、u_q为d、q轴电压；p为微分算子；ω为电机角速度；

从而得到电机电磁转矩公式为式(6)：

式中：i_s为定子电流合成矢量；T_em为电磁转矩；ε为定子电流矢量与转子凸极轴线位置的夹角；p_τ为电机极对数；

首先根据式(11)(12)推导出式(6)，式(6)作为同步磁阻电机的电机特性，可以得出在电机低速启动过程中，若以最优启动方式启动(即以最大转矩电流比方式启动)需要步磁阻电机定子电流合成矢量与转子凸极轴线位置的夹角ε需要保持在π/4，从而推导出式(7)、式(8)，所以得出b_H既是8的倍数又是6的倍数(见孙鹤旭《交流步进传动系统》)，从而得出b_H＝48或96，又依据步进控制理论可知，b_H在低速启动过程时，较大的话会使控制效果更好，但是又不能太大，所以选取b_H＝96；其中，b_H为循环拍数。

这是因为，在较低速运行下，同步磁阻电机定子电流合成矢量与转子凸极轴线位置的夹角ε需要保持在π/4时，方能以最大转矩电流比启动，从而实现连续稳定的运动。由上文已知，步进电流角θ的求取公式为式(7)：

θ＝2π/b_H(7)

为了实现以最大转矩电流比低速运行，即定子电流合成矢量超前转子凸极轴线超前步数应满足公式(8)：

K为不为零的正整数，b_H是8的倍数且b_H应为6的整数倍，结合同步磁阻电机在步进控制下的实际控制效果，当b_H值增加时，输出电流的全部失真系数会得到改进，取b_H＝48或者96，但要考虑到控制实现的可能性和简便性，所以b_H不再取超过96的值。因为如果b_H的取值超过96的话，鉴于当前硬件的技术水平，功率模块不能达到要求，不能使电机启动。如果取值48，电机转子运行不如取值96运行平滑。

在恒转矩阶段，电机输出最大转矩，电机由此开始加速启动，与此同时，电机输出功率开始增加；低速运行时，电流频率低、周期长(例如0.1Hz，T＝10s)，可增大b_H值(如b_H＝96)，此时，定子电流矢量个数增加，电流变化的周期变长，为166.7ms，此时系统有足够的时间进行电流调节，步数的增加，又使得电机位置更加细分，控制精度更高。

步骤3：当确定b_H＝96后，得到电流矢量i_s的幅值，由电机基础知识可知电流矢量i_s会使电机产生电磁转矩进而电机会得到一个加速度，从而开始运行，并逐渐达到基速值。

DSP控制模块1通过编码器位置检测模块4检测到的位置及速度信号输出控制功率电路2的控制信号，功率电路2收到控制信号后，输出三相离散电流，同步磁阻电机3接收到控制电流后，开始运行。

步骤4：编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子位置及速度进入1500Rpm-2000Rpm之间的中高速阶段后，将给到DSP控制模块1的同步磁阻电机3的b_H调用12，即确定b_H＝12，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；电流矢量i_s会使电机产生电磁转矩进而电机会得到一个新加速度，从而开始运行，并逐渐达到中高速值。

电机到达基速后，为了测试同步磁阻电机步进控制在中高速阶段(1500Rpm-2000Rpm)(Rpm为电机转速单位)控制效果，电流切换频率减小为f_max/2，从而改变b_H值，此时电流频为50Hz，p＝2，电流周期T＝20ms，选择b_H＝12，按b_H确定电流矢量的空间位置，获得同步磁阻电机中高速运行离散定位点。电机得到新的加速度，总而进一步提升转速，使电机速度达到中高速阶段。

随着电机高速运行，反电势对电流影响不可忽视，电流响应的滞后时间会凸显，若仍以理想的保证电机不失步的最大频率f_max通电，电流会由于跟不上给定的变化或跟踪效果差，而无法输出需要的转矩，导致运行失步。所以此时减少定子电流矢量个数，可增加电流在每步区间保持直流的时间，便于实现电流的实时快速控制。

当中高速运行时，电流频率较高(f＝50Hz，p＝2)，电流周期较小(T＝20ms)，故选择较小的b_H值(即b_H＝12)，取b_H＝12可增加电流在每步区间保持直流的时间，便于实现电流的实时快速控制。如果b_H值取大于12的值，将因切过于频繁无法保证电流实时跟踪；在当前速度阶段，若b_H值取小于12的值，又会使电机速度不稳定，不利于稳定运行。

如图3a所示，在电角度空间，确定循环拍数b_H＝12，使得离散电流矢量位置得以划分且幅值大小得以确定，控制电机时，则依序给定这些电流矢量，步进角θ＝30°。图3a表明了b_H＝12时，离散电流矢量的空间分布，每个定位点对转子产生的电磁转矩T_e作为一种定位转矩，可以很好的控制电机正常运行。

图3b显示，在α-β坐标系下，将一个循环周期等分为12份，即循环拍数为b_H＝12，步进角θ＝30°，若电机从电机转子N极的轴线位置

与α轴重合的位置开始，初始电机转子位置θ＝0，施加2位置的电流矢量i_s2，超前步数K＝1步，该电流矢量的幅值由公式(5)确定。电机将在步进转矩的驱动下，向前运行一步。当转子位置与2位置重合后，超前角度此时为0，电磁转矩为0，电机停在该位置上，完成一步的运行。再施加3位置的电流矢量，超前步数K＝1，再由公式(2)确定相应电流矢量的幅值，按恒定频率依次重复该步骤，即依次加4、5、…、x、x+1、…位置的电流矢量，电机将一步一步地运行，并且每一步运行30°。

图3c所示，在α-β坐标系下，将一个循环周期等分为12份，在图中对每一份进行编号，沿α正半轴顺时针依次编号为1、2、3、4、5、…、x、x+1、…、12位置，循环拍数为b_H＝12，步进角θ＝30°，

为电机转子N极的轴线位置，运行方向为逆时针方向，给定电流矢量最大幅值I_m，其余各个位置的电流矢量幅值可由公式(5)获得。

未与离散位置重合，落在了2与3位置之间更靠近2的位置，初始电机转子位置2θ<θ₀<3θ，取换算后的小于其的最大整数位置，转子位置按2位置开始，拟定超前步数K＝1步，则施加3位置上的电流矢量i_s3，电流矢量的幅值按公式(5)计算，在电机输出电磁转矩的拖动下，通过编码器位置检测模块4进行位置检测，当检测到转子位置前进一个步进角，即与3位置重合时，电流矢量向前跃进一步，即施加4位置对应的电流矢量i_s4。依次重复该步骤。在图3c的驱动过程中，电磁转矩始终大于0，电机连续运行。电机转子位置电角度θ₁就是转子N极的轴线位置

与α轴间的夹角。

图3a-图3c的表述说明了以b_H＝12值运行时，可以实现带有位置反馈的同步磁阻电机以高精度定位步进方式驱动的连续运行。当b_H＝96时，由于与b_H＝12时的机理相同，因相关布图过于复杂的原因，不再进一步介绍。

步骤5：编码器位置检测模块4继续检测同步磁阻电机3的转子位置及速度进入2000Rpm-2500Rpm之间的高速阶段后，将给到DSP控制模块1的b_H值调用6，确定b_H＝6，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；电流矢量i_s会使电机产生电磁转矩进而电机会得到一个新的加速度，从而继续加速，并逐渐达到高速值。

确定b_H＝6的过程为：

为了进一步提高转速，需要再次改变b_H值，此时ε需满足公式(9)：

ε＝tan^-1ξ(9)

其中ξ为凸极比，此处取ξ＝10。则ε为

此时K值应满足式(10)：

结合b_H的取值要求，

因为K取值为不为零的正整数，当K＝1时，根据公式(10)，

又因为在高速阶段，b_H值应为6的倍数，所以b_H值选取最接近4.29且为6的倍数的值，所以b_H＝6；

若K＝2，根据公式(10)，

同理，b_H值选取最接近8.57且为6的倍数的值，所以b_H＝6；

若K＝3，

同理，b_H值选取最接近12.86且为6的倍数的值，所以b_H＝12，但是在中高速阶段，b_H已经取值为12，故为了保证高速阶段的运行效果，达到电机弱磁运行的目的，b_H需要选取小于12的值，故b_H＝6。

同步磁阻电机运行到中高速阶段后，需要进一步弱磁以提升转速，在弱磁阶段，由于同步磁阻电机转子不存在退磁问题，所以弱磁范围很宽，更适合作为新能源车用电机。

步骤6：功率模块2停止输出三相离散电流，电机失能，测试流程结束。

实施例1

本实施例同步磁阻电机交流步进控制方法，该方法包括以下步骤：

本实施例选取待控制电机为功率11kw的凸极转子同步磁阻电机，额定电压是310v，额定电流22.2A，额定转速为1500Rpm。

图7所示实施例表明，本发明同步磁阻电机交流步进控制的运行方法所用装置的构成包括DSP控制模块1、功率电路2、同步磁阻电机3、编码器位置检测模块4和输入电源模块5，其中，输入电源模块5为DSP控制模块1、功率电路2和编码器位置检测模块3进行供电，DSP控制模块1、功率电路2、同步磁阻电机3和编码器位置检测模块4依次用导线连接，编码器位置检测模块4再与DSP控制模块1用导线相连；首先由输入电源模块5给DSP控制模块1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通过编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子初始位置，并将同步磁阻电机3的转子位置信号给到DSP控制模块1中。

步骤1：由输入电流圆的一个周期等分份数b_H，确定相应的电流矢量i_s幅值的表达式；

步骤2：首先由输入电源模块5给DSP控制模块1、功率电路2以及编码器位置检测模块4供电，再通过编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子初始位置，并将同步磁阻电机3的转子位置信号给到DSP控制模块1中，DSP控制模块1通过编码器位置检测模块4检测到的位置及速度信号，输出控制功率电路2的控制信号，功率电路2收到控制信号后，输出三相离散电流合成电流矢量i_s，同步磁阻电机3接收到控制电流后，得到电磁转矩T_em，获得初始加速度，开始运行；其中，同步磁阻电机低速启动时的b_H值＝96；则根据公式(5)，得到电流矢量i_s的幅值后，再根据电流矢量i_s和电磁转矩间的关系公式(6)，得到电磁转矩值，从而使电机获得相应的加速度，从而开始运行，并逐渐达到基速值，完成电机的低速启动运行阶段；

步骤3：当确定b_H＝96后，得到电流矢量i_s的幅值，DSP控制模块1通过编码器位置检测模块4检测到的位置及速度信号输出控制功率电路2的控制信号，功率电路2收到控制信号后，输出三相离散电流，同步磁阻电机3接收到控制电流后，开始运行。

步骤4：编码器位置检测模块4检测同步磁阻电机3的转子位置及速度进入1500Rpm-2000Rpm之间的中高速阶段后，将给到DSP控制模块1的同步磁阻电机3的b_H调用12中，确定b_H＝12，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；电流矢量i_s会使电机产生电磁转矩进而电机会得到一个新加速度，从而开始运行，并逐渐达到中高速值。

传统的交流电机定子电流为连续的正弦波，现在将一个周期内的正弦波离散为b_H份，形成阶梯波电流，每一区间对应一步。图2所示实施例显示，b_H＝12时，同步磁阻电机交流步进控制三相电流幅值变化情况。从图2所示电流波形可以看出，步进控制原理简单，易于实现；

步骤5：编码器位置检测模块4继续检测同步磁阻电机3的转子位置及速度进入2000Rpm-2500Rpm之间的高速阶段后，将给到DSP控制模块1的b_H值调用6，确定b_H＝6，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；电流矢量i_s会使电机产生电磁转矩进而电机会得到一个新的加速度，从而继续加速，并逐渐达到高速值。

步骤6：功率模块2停止输出三相离散电流，电机失能，测试流程结束。

图4所示实施例显示，在电机的运行转速低于额定转速时，电机可以非常平稳的保持恒定转矩的输出，在这个转速区间，电机的输出功率随着转速的增大而增大，成正比关系；在电机的运行转速高于额定转速时，电机的功率达到一个上限值，不能再保持增大而变成了恒定转矩输出，在这个转速区间，电机的转矩随着转速的增大而减小，成反比关系。

图8为功率电路2输出的三相电流波形图，由波形可以看出输出电流是三相对称的正弦波，可见本发明控制方法控制输出的电流高次谐波的分量很小，电流不会产生跳变，减小了转矩脉动，从而使电机运行阶段不会出现抖震情况，运行效果良好。

图9为电机运行的三段式转速波形图，在T₀-T₁阶段，电机由静止状态开始加速并最终达到基速状态；在T₁-T₂阶段，电机稳定运行在基速阶段；在T₂-T₃阶段，电机由基速状态降速并最终停止运行。由图可见在在T₀-T₁阶段和T₂-T₃阶段电机处于调速阶段，在调速阶段步进控制的电机转速是均匀变化的，而在T₁-T₂阶段电机转速恒定，没有产生转速波动，所以本发明控制方法能实现准确的定位控制和步进传动，从而使实现同步磁阻电机获得良好的运行状态。鉴于基速以上调速阶段与图9相同，故不再进一步介绍。

电机经过了启动加速并达到基速，中高速，高速等不同的转速阶段，实现了全速范围内的稳定运行。通过交流步进控制方法对同步磁阻电机进行控制，获得了正弦度良好的控制电流，从而使得电机在各个转速阶段运行平稳，而在调速阶段也可以实现均匀调速，避免了电机抖震情况的产生，也就解决了电机固有的“转矩脉动大，低速性能不好”的缺陷。步进控制方法实现了同步磁阻电机在全速范围内稳定的运行，验证了步进控制方法对车用同步磁阻电机具有良好的控制效果(例如运行的可靠性、加减速阶段的稳定性、低速阶段转矩大、高速阶段速度稳定)。

上述同步磁阻电机离散步进控制的运行方法，所述DSP控制模块中的DSP控制芯片为美国德州仪器TMS320F28335，编码器位置检测模块采用增量编码器，型号为E22120167A/2。

当不同规格参数的同步磁阻电机采用本方法时，由于变化的只是电机固有的特性参数(例如额定电压、额定电流、额定转速等值)，与影响本控制方法中的相关参数(例如公式(6)中的ε)并无联系，所以对于其他同类电机，本方法同样适用。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，其特征为该方法包括以下步骤：

同步磁阻电机的运行方法所用装置包括DSP控制模块、功率电路、同步磁阻电机、编码器位置检测模块和输入电源模块，其中，输入电源模块分别和DSP控制模块、功率电路、编码器位置检测模块相连，DSP控制模块、功率电路、同步磁阻电机和编码器位置检测模块依次连接，编码器位置检测模块再与DSP控制模块相连；当同步磁阻电机运行时，执行以下步骤：

步骤1：由输入电流圆的一个周期等分份数b_H，确定相应的电流矢量i_s幅值的表达式；

其中，i_s为定子电流合成矢量；I_m为输入三相交流电的幅值；b_H为循环拍数，也是将输入电流的一个周期等分份数；k＝0～b_H-1整数；j为虚数单位；

步骤2：同步磁阻电机低速启动时的b_H值＝96；则根据公式(5)，得到电流矢量i_s的幅值后，再根据电流矢量i_s和电磁转矩间的关系公式(6)，得到电磁转矩值T_em，从而使电机获得相应的加速度；

式中：i_s为定子电流合成矢量；T_em为电磁转矩；ε为定子电流矢量与转子凸极轴线位置的夹角；p_τ为电机极对数；

步骤3：当确定b_H＝96后，得到电流矢量i_s的幅值，根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的加速度值，从而开始运行，并逐渐达到基速值；

步骤4：编码器位置检测模块检测同步磁阻电机的转子位置及速度进入1500Rpm-2000Rpm之间的中高速阶段后，将给到DSP控制模块的同步磁阻电机的b_H调用12，即确定b_H＝12，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的新加速度值，从而开始加速，并逐渐达到中高速值；

步骤5：编码器位置检测模块继续检测同步磁阻电机的转子位置及速度进入2000Rpm-2500Rpm之间的高速阶段后，将给到DSP控制模块的b_H值调用6，确定b_H＝6，将该值带入公式(5)得到对应的i_s值；根据电流矢量i_s确定电机产生电磁转矩，进而得到电机的另一个新加速度值，从而开始加速，并逐渐达到高速值；

步骤6：功率模块停止输出三相离散电流，电机失能，控制过程结束。

2.如权利要求1所述的基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，其特征为该方法所述的步骤1中，所述的电流矢量i_s幅值的表达式(5)的推导过程如下：

按等步距方法对定子中通入的正弦电流进行离散，离散结果为式(1)、式(2)和式(3)

将输入电流的一个周期等分为b_H份, b_H为正整数，由于三相交流电机的对称性，循环拍数b_H必须是6的整数倍，k＝0～b_H-1整数，由此得到气隙磁动势将是一个步进磁动势，即式(4)

其合成矢量i_s是空间离散的，k＝0～b_H-1整数，即式(5)：

3.如权利要求1所述的基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，其特征为所述的步骤2中，电机电磁转矩公式为式(6)的推导过程如下：

在定子电流定向的坐标系下，取坐标横轴与电流矢量i_s重合，记做d轴；与之垂直纵轴记做q轴，得到定子磁动势下的电机数学模型，即式(11)与式(12)：

式中：ψ_d、ψ_q为d、q轴磁链；L_d、L_q为d、q轴电感；M为d、q轴互感；R_s为定子电阻；u_d、u_q为d、q轴电压；p为微分算子；ω为电机角速度；

从而得到电机电磁转矩公式为式(6)：

4.如权利要求1所述的基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，其特征为所述的步骤2中，确定b_H值的过程为：

θ需满足公式(7)：

θ＝2π/b_H (7)

此时K值应满足公式(8)：

K为不为零的正整数，θ为步进电流角；基速以下阶段，b_H必须是6的正整数倍也是8的正整数倍；从而确定b_H值。

5.如权利要求1所述的基于交流步进控制的新能源车用同步磁阻电机控制方法，其特征为所述的步骤5中，确定b_H值的过程为：

ε需满足公式(9)：

ε＝tan^-1ξ (9)

其中ξ为凸极比，此处取ξ＝10；则ε为

此时K值应满足式(10)：

K为不为零的正整数；结合b_H的取值要求：基速以上阶段，b_H是6的正整数倍；从而确定b_H值。

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