CN109951116B - 一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统及控制方法，包括开关磁阻电机、功率变换模块、脉冲产生模块、双电流传感器、驱动模块、位置传感器及控制器；所述功率变换模块提供多相方波电压驱动开关磁阻电机；所述脉冲产生模块用于产生两路相位差为180°的高占空比PWM信号；所述双电流传感器用于测量开关磁阻电机的相电流；所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子的位置，并将位置信号传递至控制器；所述控制器用于计算开关磁阻电机的转子转速和相电流，并向驱动模块提供驱动控制信号。本发明只需两个电流传感器实现五相或六相开关磁阻电机各相电流的检测，有效降低了电流检测系统的成本，同时降低了检测系统出现故障的概率。

Description

一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统及控制方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统及控制方法。

背景技术

我国能源发展坚持节约发展、清洁发展和安全发展的战略路线，现阶段电动汽车和混合动力汽车以电能作为动力，通常会通过风能发电、潮汐发电、光伏发电等清洁方式获取电能，因此，电动汽车和混合动力汽车是未来解决能源和环境问题的方案之一，也是未来汽车发展的趋势。目前，电动汽车或混合动力汽车使用永磁电机作为驱动电机，但是永磁电机的永磁体在高温下存在退磁问题，在应用于安全性能要求较高、运行环境较为恶劣的汽车时存在安全隐患。

开关磁阻电机具有结构简单、启动转矩大、效率高、调速范围广、容错能力强、不需要使用稀土永磁体等优点，很适合用于电动汽车或混合动力汽车。但是，开关磁阻电机也存在转矩脉动较大，振动噪声较大的缺点。目前，对于开关磁阻电机，有很多针对减小转矩脉动、优化电机结构参数、抑制电机振动和噪声、提升功率密度和提高低速性能等方面的研究。多相开关磁阻电机是提高启动转矩，减小转矩脉动的有效途径之一。但是，相数的增加意味着控制复杂度的增加和电流传感器数目的增加，将带来经济性的下降。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统及控制方法，旨在解决电机系统因采用双电流传感器无法测量五相或六相不对称半桥逆变器的相电流导致电流检测成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换模块、脉冲产生模块、双电流传感器、驱动模块、位置传感器及控制器；

所述功率变换模块的输入端与驱动模块的输出端连接，其第一输出端与开关磁阻电机的输入端连接，其第二输出端双电流传感器的输入端连接；所述开关磁阻电机与位置传感器共轴连接；所述脉冲产生模块、位置传感器和双电流传感器的输出端均连接控制器的输入端；所述控制器的输出端与驱动模块的输入端连接；

所述功率变换模块提供多相方波电压驱动开关磁阻电机；所述脉冲产生模块用于产生两路相位差为180°的高占空比PWM脉冲信号；所述双电流传感器用于,测量五相或六相开关磁阻电机的相电流；所述驱动模块用于为功率变换模块提供驱动信号；所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子的位置，并将位置信号传递至控制器；所述控制器通过接收的系统工作信息获取实际驱动控制信号，并重构相电流，同时用于计算开关磁阻电机的转子转速。

优选地，所述开关磁阻电机包括5个或6个独立的定子相绕组L_n，其中n＝a，b，c，d，e或者n＝a，b，c，d，e，f，每相定子相绕组由功率变换模块对应的不对称半桥逆变器供电。

优选地，所述控制器接收的信号包括：开关磁阻电机的转子位置信号、控制信号、双电流传感器获取的第一电流信号和PWM脉冲信号。

优选地，所述功率变换模块包括一个电容器、五相或六相不对称半桥逆变器；所述电容器与不对称半桥逆变器并联；各相不对称半桥逆变器均包括第一开关管、第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；

所述第一开关管的一端与第一续流二极管的阴极相连，第一开关管的另一端与第二续流二极管的阴极连接，第二开关管的一端与第一续流二极管的阳极相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管阳极相连；所述第二续流二极管的阴极和第一续流二极管的阳极构成不对称半桥逆变器的第一输出端口；各相不对称半桥逆变器的第一输出端口与对应的开关磁阻电机的定子相绕组连接；

所述第一开关管和第二开关管通过控制不对称半桥逆变器的第一输出端口的电压值，控制向开关磁阻电机传输的能量；

所述第一续流二极管和第二续流二极管用于提供不对称半桥逆变器中开关管断开时的电流通路。

优选地，所述控制器包括：信号处理单元、逻辑运算单元、数学运算单元和AD采样单元；

所述信号处理单元的输入端与数学运算单元的输出端、位置传感器的输出端连接，其输出端与逻辑运算的一输入端相连；所述逻辑运算单元的另一输入端与脉冲产生模块的输出端相连，其输出端与驱动模块的输入端连接；所述AD采样单元的输入端与双电流传感器的输出端连接，其输出端与数学运算单元的输入端连接；

所述信号处理单元用于接收系统工作信息，且输出初始控制信号；

所述逻辑运算单元将PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；

所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；

所述AD采样单元用于将双电流传感器输出的第一电流信号进行数字化处理，获取第二电流信号；

所述数学运算单元用于将获取的第二电流信号与实际驱动控制信号通过重构函数获取不对称半桥逆变器的各相相电流。

具体地，所述双电流传感器为第一电流传感器和第二电流传感器，当所述不对称半桥逆变器为五相时，所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和。

当所述不对称半桥逆变器为六相时；所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D和F相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和。

优选地，所述第一开关管和第二开关管均为带反并联的CoolMOS管或IGBT。

基于上述的开关磁阻电机系统，本发明提供了相应的控制方法，包括:

(1)根据位置信号、控制信号和第三电流信号，获取初始控制信号；

(2)PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；

所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；

(3)实际驱动控制信号放大的驱动信号通过控制功率变换模块中各开关管的开通或关断控制不对称半桥逆变器的工作模式；

(4)测量不对称半桥逆变器工作模式下的第一电流信号，并对其进行数字化处理，获取第二电流信号；所述第一电流信号包括第一电流传感器测量的A、C、E相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和以及第二电流传感器测量的B、D相或者B、D、F相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和；

(6)以第二电流信号与实际驱动控制信号为输入，通过重构函数处理，输出第三电流信号，获取各相不对称半桥逆变器的相电流。

优选地，所述PWM脉冲信号与初始控制信号的逻辑运算为：

不对称半桥逆变器的两个第二开关管初始控制信号均开通时，PWM脉冲信号为实际驱动控制信号；

否则，初始控制信号为实际驱动控制信号。

优选地，所述重构函数为：

或

其中，S_{n2_P}(n＝a,b,c,d,e，f)为各相第二开关管的开关函数，第二开关管开通时其值为1，关断时其值为0，i_sen1均为第一电流传感器所测电流,i_sen2均为第二电流传感器所测电流。

优选地，所述PWM脉冲信号的占空比为：0.9～0.95。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)传统五相或六相开关磁阻电机的电流检测方案需要在每相绕组单独放置一个电流传感器，而此方案只需两个电流传感器实现五相或六相开关磁阻电机各相电流的检测，有效降低了电流检测系统的成本。

(2)假设每个电流传感器出现故障的概率相同，传统五相或六相开关磁阻电机电流检测系统中任何一个电流传感器故障都会导致电机系统出现故障，因此，本发明减少电流传感器的数量，可有效减少电流检测系统出现故障的概率，提高系统的可靠性。

(3)本发明提供的开关磁阻电机系统，可适用于电流斩波控制、角度位置控制等成熟控制方法，有利于减少开发控制算法的人力成本，提高电机运行性能和可靠性。

附图说明

图1是基于双电流传感器的五相开关磁阻电机系统示意图；

图2是基于双电流传感器的六相开关磁阻电机系统示意图；

图3是基于双电流传感器的开关磁阻电机系统的控制示意图；

图4(a)是,B相不对称半桥逆变器的励磁模式示意图；

图4(b)是B相不对称半桥逆变器的零电压续流模式示意图；

图4(c)是B相不对称半桥逆变器的退磁模式示意图；

图5是五相10/8极开关磁阻电机各相电流和各相电感的关系示意图；

图6是五相10/8极开关磁阻电机B、D相电流重叠时第二开关管控制信号程序流程图；

图7是五相10/8极开关磁阻电机脉冲注入逻辑框图；

图8(a)是五相10/8极开关磁阻电机系统中第一电流传感器相电流检测等效电路图；

图8(b)是五相10/8极开关磁阻电机系统中第二电流传感器相电流检测等效电路图；

图9是六相12/10极开关磁阻电机各相电流和各相电感的关系示意图；

图10是六相12/10极开关磁阻电机B、F相电流重叠时第二开关管控制信号程序流程图；

图11为六相12/10极开关磁阻电机脉冲注入逻辑框图；

图12(a)为六相12/10极开关磁阻电机第一电流传感器相电流检测等效电路；

图12(b)为六相12/10极开关磁阻电机第二电流传感器相电流检测等效电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换模块、脉冲产生模块、双电流传感器、驱动模块、位置传感器以及控制器；

所述功率变换模块的输入端与驱动模块的输出端连接，其第一输出端与开关磁阻电机的输入端连接，其第二输出端双电流传感器的输入端连接；所述开关磁阻电机与位置传感器共轴连接；所述脉冲产生模块、位置传感器和双电流传感器的输出端均连接控制器的输入端；所述控制器的输出端与驱动模块的输入端连接；

所述功率变换模块提供多相方波电压驱动开关磁阻电机；所述脉冲产生模块用于产生两路相位差为180°的PWM(Pulse Width Modulation)信号；所述双电流传感器用于测量多相开关磁阻电机的相电流；所述驱动模块用于为功率变换模块提供驱动信号；所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子的位置，并将位置信号传递至控制器；所述控制器通过接收的信息获取驱动控制信号，并重构相电流，同时用于计算开关磁阻电机的转子转速。

所述控制器接收的信号包括：开关磁阻电机的转子位置信号、控制信号、双电流传感器获取的电流信号和PWM脉冲信号；

所述控制信号与PWM脉冲信号进行逻辑运算，输出驱动控制信号；

所述双电流传感器传递的电流信号与驱动控制信号进行乘法运算，重构相电流。

所述功率变换模块包括一个电容器、五相或六相不对称半桥逆变器；其中，电容器与不对称半桥逆变器并联；各相不对称半桥逆变器均包括第一开关管、第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；

所述第一开关管的一端与第一续流二极管的阴极相连，第一开关管的另一端与第二续流二极管的阴极连接，第二开关管的一端与第一续流二极管的阳极相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管阳极相连；所述第二续流二极管的阴极和第一续流二极管的阳极构成不对称半桥逆变器的第一输出端口；各相不对称半桥逆变器的第一输出端口与对应的开关磁阻电机的定子相绕组连接；

所述第一开关管和第二开关管通过控制不对称半桥逆变器的第一输出端口的电压值U_dc，0，-U_dc，控制向开关磁阻电机传输的能量；

所述第一续流二极管和第二续流二极管用于提供不对称半桥逆变器中开关管断开时的电流通路。

优选地，所述开关磁阻电机包括5个或6个独立的定子相绕组L_n，其中n＝a，b，c，d，e或者n＝a，b，c，d，e，f，每相定子相绕组由功率变换模块对应的不对称半桥逆变器供电。

具体地，由于不对称半桥逆变器与开关磁阻电机的定子绕组一一对应连接，当不对称半桥逆变器为五相时，对应开关磁阻电机的定子绕组也为五相；当不对称半桥逆变器为六相时，对应开关磁阻电机的定子绕组也为六相；因此下文功率变换模块的N相分别对应开关磁阻电机的n相，其中，第N相的电流指第N相不对称半桥逆变器第二开关管流过的电流，第n相的电流指开关磁阻电机第n相的相电流。

所述控制器包括：信号处理单元、逻辑运算单元、数学运算单元和AD采样单元；

所述信号处理单元的输入端与数学运算单元的输出端、位置传感器的输出端连接，其输出端与逻辑运算的一输入端相连；所述逻辑运算单元的另一输入端与脉冲产生模块的输出端相连，其输出端与驱动模块的输入端连接；所述AD采样单元的输入端与双电流传感器的输出端连接，其输出端与数学运算单元的输入端连接；

所述信号处理单元用于接收系统工作信息，且输出初始控制信号；

所述逻辑运算单元将PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；

所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；

所述AD采样单元用于将双电流传感器输出的第一电流信号在实际驱动控制信号的控制下采样且进行数字化处理，获取第二电流信号；

所述数学运算单元用于将获取的第二电流信号与实际驱动控制信号通过重构函数获取不对称半桥逆变器的各相相电流。

所述双电流传感器为第一电流传感器和第二电流传感器，当所述不对称半桥逆变器为五相时，所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和，等同于开关磁阻电机a，c，e相的相电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和，等同于开关磁阻电机b，d相电流之和。

当所述不对称半桥逆变器为六相时；所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和，等同于开关磁阻电机a，c，e相的相电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D和F相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和，等同于开关磁阻电机b，d，f相的相电流之和。

所述第一开关管和第二开关管均为带反并联的CoolMOS管或IGBT。

如图3所示，基于上述本发明提供的开关磁阻电机系统，本发明提出相应的控制方法，包括：

(1)根据位置信号、控制信号和第三电流信号，获取初始控制信号；

(2)PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；

所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；

(3)实际驱动控制信号放大获取的驱动信号通过控制功率变换模块中各开关管的开通或关断控制不对称半桥逆变器的工作模式；

(4)测量不对称半桥逆变器工作模式下的第一电流信号，并对其进行数字化处理，获取第二电流信号；

所述第一电流信号包括第一电流传感器测量的A、C、E相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和以及第二电流传感器测量的B、D相或者B、D、F相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和；

(5)以第二电流信号与实际驱动控制信号为输入，通过重构函数处理，输出第三电流信号，获取各相不对称半桥逆变器的相电流。

优选地，所述PWM脉冲信号与初始控制信号的逻辑运算为：

不对称半桥逆变器的两个第二开关管初始控制信号均开通时，PWM脉冲信号为实际控制信号；

否则，初始控制信号为实际驱动控制信号。

具体地，所述重构函数为：

或

优选地，所述PWM脉冲信号的占空比为：0.9～0.95。

其中，S_{n2_P}(n＝a,b,c,d,e，f)为各相第二开关管的开关函数，第二开关管开通时其值为1，关断时其值为0，i_sen1均为第一电流传感器所测电流,i_sen2均为第二电流传感器所测电流。

所述PWM脉冲信号的占空比为：0.9～0.95

图1和图2分别提供了基于双电流传感器的五相和六相开关磁阻电机系统，包括五相或六相开关磁阻电机、功率变换模块、脉冲产生模块、双电流传感器、驱动模块、位置传感器以及控制器；其中第一电流传感器测量A、C、E相电流之和，第二电流传感器测量B、D相或B、D、F相电流之和。

根据功率变换模块中每相不对称半桥逆变器的开关状态不同，每相不对称半桥逆变器有三种工作模式：励磁模式、零电压续流模式和退磁模式。以B相不对称半桥逆变器为例，三种工作模式下的电流如图4(a)、图4(b)和图4(c)，三种工作模式具体如下：

励磁状态：第一开关管和第二开关管均导通，直流母线电压U_dc直接加载开关磁阻电机对应相绕组上，电流流经第一开关管，开关磁阻电机绕组和第二开关管，绕组电流增大；

零电压续流状态：第一开关管关断，第二开关管导通，开关磁阻电机对应相绕组电流通过第二开关管和第二续流二极管形成续流通路，绕组电压为0，绕组电流下降；

退磁状态：第一开关管和第二开关管均关断，开关磁阻电机对应相绕组电流通过第一续流二极管和第二续流二极管流回电源，绕组电压为-U_dc，绕组电流迅速下降。

由图4(a)、4(b)和4(c)可知，在不对称半桥逆变器处于励磁状态和零电压续流状态时，不对称半桥逆变器的第二开关管流过的电流与开关磁阻电机对应相绕组的相电流完全相同；在不对称半桥逆变器处于退磁状态时，不对称半桥逆变器的第二开关管中无退磁电流流过，但开关磁阻电机对应相绕组中有退磁电流。然而，在实际运行中，退磁过程非常短暂，几乎可以忽略，因此，可以近似认为不对称半桥逆变器第二开关管流过的电流与开关磁阻电机对应相绕组的相电流完全等同，即第N相不对称半桥逆变器中的电流近似等于开关磁阻电机第n相的相电流。只要能准确测量每个不对称半桥逆变器第二开关管中的电流就能获得开关磁阻电机各相的相电流。

下面，将以五相和六相开关磁阻电机为例，介绍如何从两个电流传感器中获得各相不对称半桥逆变器第二开关管的电流值。

以五相开关磁阻电机为例：考虑不对称半桥逆变器的相电流重叠严重情况，即各相对称半桥逆变电路的开通时间最长，开关磁阻电机各相电流存在时间最长的情况。

定义开关磁阻电机相移角θ_ps为相邻两相开通角的差值，表示为：

(n＝a,b,c,d,e，当n＝e时，n+1＝a)

其中，m为相数5，N_r为转子极数8，θ_(n)on和θ_(n)off(n＝a,b,c,d,e)分别为各相的开通和关断角。

定义开关磁阻电机最大激励角θ_max是相电感周期的一半：

其中，θ_off为关断角，θ_on为开通角。

对于五相10/8极开关磁阻电机，相移角θ_ps为9°，最大激励角θ_max为22.5°。为使开关磁阻电机的各相开通时间最长，各相的开通和关断角之差应等于最大激励角θ_max，即22.5°，五相10/8极开关磁阻电机各相电感和各相电流波形如图3所示。

图5中的i_a,i_b,i_c,i_d和i_e分别为开关磁阻电机的a，b，c，d和e相的相电流，功率变换模块中最多有连续的三相不对称半桥逆变器同时处于励磁状态，至少有一个电流传感器中有两相电流流过。控制器采集到的电流信息将包含两相电流之和，要获得某一相的相电流还需进一步处理电流传感器中的电流值，重构开关磁阻电机一相的电流。

B相绕组仅在θ_bon到θ_boff期间有电流流过，以B相的电流为例说明B相电流重构的方法。

开关磁阻电机B相绕组中的电流，等效为B相不对称半桥逆变器的第二开关管中的电流值，可通过第二电流传感器获取，当B相不对称半桥逆变器开通时间较长时，必然会出现相电流重叠。从图5中可以看到，开关磁阻电机b相的相电流重叠状态依次为eab，ab，abc，bc，bcd；

此时，双电流传感器测得的电流之和i_{dc_link}为：

第一电流传感器所测电流i_sen1是A、C和E相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和，具体如下：

第二电流传感器所测电流i_sen2是B和D相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和：

当第二电流传感器只有一相电流流过时，例如θ_coff到θ_don，其值就是B相不对称半桥逆变器的相电流；当第二电电流传感器中有两相电流流过时，例如θ_don到θ_boff，第二电流传感器所测电流存在相电流的重叠，需要将B、D两相电流解耦分离得到B相电流。

在θ_don到θ_boff的电流重叠期间，向D和B相不对称半桥逆变器的第二开关管分别注入两个带180°相位差的高占空比脉冲PWM1和PWM2，迫使其中一相相流经第二开关管的电流在极短时间内转移到第一续流二极管中，从而第二电流传感器中只保留另一相相电流流过，实现电流的解耦。此方法进行详细说明如下。

具体说明如下：

在θ_don到θ_boff期间第二电流传感器中同时流过D相和B相电流，采用图6所示的控制逻辑将i_b和i_d解耦。将PWM1注入到D相，PWM2注入到B相，在θ_don到θ_boff的电流重叠区开关管S_b2和S_d2的原有控制信号均为开通，图6中的S_b2和S_d2均为高电平，新的控制信号S_{b2_P}和S_{d2_P}均完全受控于PWM2和PWM1，此时第二电流传感器所测电流有3个模式：

模式1：当PWM1和PWM2均处于高电平时，第二电流传感器流过D、B相电流之和i_b+i_d，此时电路的运行状态与不注入脉冲时相同；

模式2：当PWM1处于低电平，PWM2处于高电平时，新的控制信号S_{d2_P}受控于PWM1为低电平，D相第二开关管S_d2关断，迫使D相电流从第二开关管S_d2向第二续流二极管D_d2转移，i_d不流经电流传感器，新的控制信号S_{b2_P}受控于PWM2为高电平，B相第二开关管S_b2开通，B相电流不受影响，第二电流传感器仅流过B相电流i_b；

模式3：当PWM1处于高电平，PWM2处于低电平时，新的控制信号S_{b2_P}受控于PWM2为低电平，B相第二开关管S_b2关断，迫使B相电流从第二开关管S_b2向第二续流二极管D_b2转移，i_b不流经电流传感器，新的控制信号S_{d2_P}受控于PWM1为高电平，D相第二开关管S_d2开通，D相电流不受影响，第二电流传感器仅流过D相电流i_d；

若在模式2和模式3时根据PWM1和PWM2触发控制器进行AD采样，控制器中可以从两个电流传感器中获得一系列电流采样值，但是，控制器无法区分第一电流传感器处于模式2还是模式3，即不能区分采样值是D相电流还是B相电流，因此重构相电流需对采样值做进一步处理。

首先，定义开关函数S_func：

则在θ_bon到θ_eoff的电流重叠区第二电流传感器所测电流为：

其中，S_{e2_P}和S_{a2_P}分别为B相和D相第二开关管的开关函数，在该期间的B相和D相电流则可以通过开关函数和第一电流传感器所测电流的乘积获得：

在θ_bon到θ_boff的其他角度区间，B相可以直接从第二电流传感器中获得，不需要进行运算。

上述相电流的重构方法也适用于其他相电流重叠的角度区间，通过脉冲注入，AD采样，将采样值与开关函数相乘获得各相相电流。

其中，脉冲注入方式如图7所示，在相电流的重叠相中注入PWM1和PWM2可获取所有相的电流值，进而实现使用两个电流传感器检测开关磁阻电机五相电流的完整波形；

除此之外，五相开关磁阻电机基于双电流传感器电流检测方法可以等效为一个两相的单电流传感器电流检测方法和一个三相的单电流传感器电流检测方法之和，如图8(a)和图8(b)所示，重构函数显示了控制器中重构各相电流的方法：

其中，S_{n2_P}(n＝a,b,c,d,e)为各相第二开关管的开关函数，第二开关管开通时其值为1，关断时其值为0，i_sen1均为第一电流传感器所测电流，i_sen2均为第二电流传感器所测电流。

不论电流传感器中是否存在相重叠，开关磁阻电机各相的电流均可以用重构函数计算得到。

六相开关磁阻电机的工作原理与五相开关磁阻电机的工作原理一致，以下简单介绍六相开关磁阻电机的情况。

从图9可以看出，开关磁阻电机b相的相电流重叠状态依次为fba，ab，abc，bc，bcd；

双电流传感器所测电流之和i_{dc_link}为：

第一电流传感器所测电流i_sen1是A、C和E相励磁电流之和：

第二电流传感器所测电流i_sen2是B和D相励磁电流之和：

在θ_bon到θ_foff期间第二电流传感器中同时流过B相和F相电流，采用图10所示的控制逻辑将i_b和i_f解耦。将PWM1注入到B相，PWM2注入到F相，在θ_bon到θ_foff的电流重叠区开关管S_b2和S_f2的原有实际驱动控制信号均为开通，图10中的S_b2和S_f2均为高电平，新的实际驱动控制信号S_{b2_P}和S_{f2_P}均完全受控于PWM1和PWM2。

同样，控制器无法区分第二电流传感器处于模式2还是模式3，即不能区分采样值是B相电流还是F相电流，因此需重构相电流：

其中，S_{f2_P}和S_{b2_P}分别为F相和B相第二开关管的开关函数。在该期间的F相和B相电流则可以通过开关函数和第一电流传感器所测电流的乘积获得：

在θ_don到θ_boff的角度区间也存在类似相重叠，B相电流可以通过同样的方法解耦重构。在除θ_bon到θ_foff和θ_don到θ_boff的其他角度区间B相电流可以直接从第二电流传感器获得，不需要进行运算。

脉冲注入方式如图11所示。在相电流的重叠相中注入PWM1和PWM2可获取所有相的电流值，进而实现使用两个电流传感器检测开关磁阻电机六相电流的完整波形；

除此之外，六相开关磁阻电机基于双电流传感器电流检测方法可以等效为两个三相的单电流传感器电流检测方法，如图12(a)和图12(b)所示。重构函数显示了控制器中重构各相电流的方法：

其中，S_{n2_P}(n＝a,b,c,d,e,f)为各相第二开关管的开关函数，第二开关管开通时其值为1，关断时其值为0，i_sen1均为第一电流传感器所测的母线电流,i_sen2均为第二电流传感器所测的母线电流。

不论电流传感器中是否存在相重叠，开关磁阻电机各相的电流均可以用重构函数计算得到。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双电流传感器的开关磁阻电机系统，其特征在于，包括开关磁阻电机、功率变换模块、脉冲产生模块、双电流传感器、驱动模块、位置传感器及控制器；

所述功率变换模块的输入端与驱动模块的输出端连接，其第一输出端与开关磁阻电机的输入端连接，其第二输出端双电流传感器的输入端连接；所述开关磁阻电机与位置传感器共轴连接；所述脉冲产生模块、位置传感器和双电流传感器的输出端均连接控制器的输入端；所述控制器的输出端与驱动模块的输入端连接；

所述功率变换模块提供多相方波电压驱动开关磁阻电机；所述脉冲产生模块用于产生两路相位差为180°的PWM脉冲信号；所述双电流传感器用于测量五相或六相开关磁阻电机的相电流；所述驱动模块用于为功率变换模块提供驱动信号；所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子的位置，并将位置信号传递至控制器；所述控制器通过接收的系统工作信息获取实际驱动控制信号，并重构相电流，同时用于计算开关磁阻电机的转子转速；

所述功率变换模块包括五相或六相不对称半桥逆变器，各相不对称半桥逆变器均包括第一开关管、第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；

所述双电流传感器包括第一电流传感器和第二电流传感器；

当所述不对称半桥逆变器为五相时，所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；

当所述不对称半桥逆变器为六相时；所述第一电流传感器用于测量A、C和E相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；所述第二电流传感器用于测量B、D和F相不对称半桥逆变器中第二开关管流过的电流之和；

所述重构相电流函数为：

或

其中，S_{n2_P}(n＝a,b,c,d,e，f)为各相第二开关管的开关函数，第二开关管开通时其值为1，关断时其值为0，i_sen1均为第一电流传感器所测电流,i_sen2均为第二电流传感器所测电流。

2.如权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于，所述功率变换模块包括一个电容器；所述电容器与不对称半桥逆变器并联；

所述第一开关管的一端与第一续流二极管的阴极相连，第一开关管的另一端与第二续流二极管的阴极连接，第二开关管的一端与第一续流二极管的阳极相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管阳极相连；所述第二续流二极管的阴极和第一续流二极管的阳极构成不对称半桥逆变器的第一输出端口；各相不对称半桥逆变器的第一输出端口与开关磁阻电机对应的定子相绕组连接；

所述第一开关管和第二开关管通过控制不对称半桥逆变器的第一输出端口的电压值，控制向开关磁阻电机传输的能量；

所述第一续流二极管和第二续流二极管用于提供不对称半桥逆变器中开关管断开时的电流通路。

3.如权利要求2所述的开关磁阻电机系统，其特征在在于，所述控制器包括：信号处理单元、逻辑运算单元、数学运算单元和AD采样单元；

所述信号处理单元的输入端与数学运算单元的输出端、位置传感器的输出端连接，其输出端与逻辑运算的一输入端相连；所述逻辑运算单元的另一输入端与脉冲产生模块的输出端相连，其输出端与驱动模块的输入端连接；所述AD采样单元的输入端与双电流传感器的输出端连接，其输出端与数学运算单元的输入端连接；

所述信号处理单元用于接收位置信号、控制信号和第三电流信号，且输出初始控制信号；所述逻辑运算单元将PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；所述AD采样单元用于将双电流传感器输出的第一电流信号在实际驱动控制信号的控制下采样且进行数字化处理，获取第二电流信号；所述数学运算单元用于将获取的第二电流信号与实际驱动控制信号通过重构函数获取不对称半桥逆变器的各相相电流。

4.如权利要求3所述的开关磁阻电机系统，其特征在于，所述控制器接收的系统工作信息包括：开关磁阻电机的转子位置信号、双电流传感器检测的第一电流信号和PWM脉冲信号。

5.一种基于权利要求4所述的开关磁阻电机系统的控制方法：其特征在于，包括：

(1)根据位置信号、控制信号和第三电流信号，获取初始控制信号；

(2)PWM脉冲信号与初始控制信号进行逻辑运算，获取实际驱动控制信号；

所述实际驱动控制信号用于控制不对称半桥逆变器的工作模式，且对不对称半桥逆变器的相电流解耦；

(3)实际驱动控制信号放大获取的驱动信号通过控制功率变换模块中各开关管的开通或关断控制不对称半桥逆变器的工作模式；

(4)测量不对称半桥逆变器工作模式下的第一电流信号，并对其进行数字化处理，获取第二电流信号；

所述第一电流信号包括第一电流传感器测量的A、C、E相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和以及第二电流传感器测量的B、D相或者B、D、F相不对称半桥逆变器第二开关管流过电流之和；

(5)以第二电流信号与实际驱动控制信号为输入，通过重构函数处理，输出第三电流信号，获取各相不对称半桥逆变器的相电流。

6.如权利要求5所述的开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述PWM脉冲信号与初始控制信号的逻辑运算为：

第一电流传感器或第二电流传感器所测量各相的不对称半桥逆变器中，任意两个第二开关管初始控制信号均开通时，PWM脉冲信号为实际驱动控制信号；

否则，初始控制信号为实际驱动控制信号。

7.如权利要求6所述的开关磁阻电机系统的控制方法，其特征在于，所述PWM脉冲信号的占空比为：0.9～0.95。

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