CN110247607B - 一种开关磁阻电机开绕组控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机开绕组控制系统及控制方法，系统包括：控制器，电流传感器，位置传感器，以及开绕组逆变器；控制器用于接收并基于电流传感器采集的开关磁阻电机的三相电流反馈值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的位置和转速反馈值，采用交流电机转速‑电流双闭环矢量控制法，控制开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流并注入开关磁阻电机。本发明引入控制器，基于交流电机转速‑电流双闭环矢量控制，利用三相开绕组逆变器，实现带有直流偏置电流的双极性正弦波电流注入，有效地降低了开关磁阻电机的转矩脉动，且实现励磁磁场的灵活调节，适用于对转矩脉动和转矩输出要求较高的高性能开关磁阻电机驱动系统，应用范围广。

Description

一种开关磁阻电机开绕组控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制技术领域，特别是涉及一种开关磁阻电机开绕组控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国工业和制造业的发展，能源问题已经成为了社会关注的热点，清洁新能源的利用势在必行。电能已经在工业生产、交通运输等各个方面起到了替代化石能源的重要作用，其中，电机作为机电能量转换中最关键的部件，在电能的工业应用中有着不可替代的作用。相比于内燃机，电机具有控制灵活、污染小、振动噪声小等一系列优点，因此，电机的应用，引起了人们的广泛关注。

在电机驱动系统中，永磁同步电机的应用比较广泛，这种电机具有转矩密度较高的优点，然而永磁电机中需添加稀土永磁材料，这不仅会提升电机的生产制造成本，同时，稀土资源的过分开采和加工也会对生态环境造成极大的危害。此外，永磁体可能会面临的退磁问题也导致其在高温高速运行时可靠性降低，限制了电机系统的应用场景。

开关磁阻电机是一种新型无稀土电机，其定子绕组采用集中绕组，转子为简单的凸极结构，因此，具有启动转矩大、转矩输出能力强、结构坚固可靠、效率高、可靠性高等优点，适用于多种应用场合。

然而，开关磁阻电机传统的方波控制和斩波控制，会引起较大的转矩脉动，进而制约了开关磁阻电机驱动系统的性能。因此，开关磁阻电机的转矩脉动抑制亟待研究。

发明内容

本发明提供一种开关磁阻电机开绕组控制系统及控制方法，用以解决现有开关磁阻电机因采用方波控制和斩波控制而导致转矩脉动过大的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种开关磁阻电机开绕组控制系统，包括：控制器，电流传感器，位置传感器，以及开绕组逆变器；

所述控制器，用于接收并基于所述电流传感器采集的开关磁阻电机的三相电流反馈值以及所述位置传感器采集的所述开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，控制所述开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流；

所述开绕组逆变器，用于将所述带有直流偏置的双极性正弦电流注入所述开关磁阻电机。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种开关磁阻电机开绕组正弦波注入控制系统，其控制器基于交流电机转速-电流双闭环矢量控制，利用三相开绕组逆变器，实现双极性的正弦波电流注入，进而有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。同时，通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，在不需添加额外绕组的前提下，即可实现励磁磁场的灵活调节，进而提升开关磁阻电机的转矩输出能力。因此，本发明的控制系统可适用于对转矩脉动和转矩输出要求较高的高性能开关磁阻电机驱动系统，应用范围广。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述带有直流偏置的双极性正弦电流为三相对称正弦波交流电流与直流电流的叠加。

本发明的进一步有益效果：采用开绕组逆变器，实现带有直流偏置的双极性正弦电流，该双极性正弦电流为相对称正弦波交流电流与直流电流的叠加，简单方便，该种叠加电流可有效降低转矩脉动。

进一步，所述开绕组逆变器包括：两个三相全桥逆变器；

其中，所述两个三相全桥逆变器之间同相的全桥电路中，其中一个全桥电路的输出端与所述开关磁阻电机中同相绕组的一端电连接，另一个全桥电路的输出端与该同相绕组的另一端电连接，以向所述开关磁阻电机的每相绕组注入所述带有直流偏置的双极性正弦电流。

本发明的进一步有益效果是：每一相对应有两个全桥，可方便实现极性相反的电压电流输入，有效降低转矩脉动。

进一步，所述控制器包括：

dq0旋转轴电流给定值确定模块，用于接收所述位置传感器采集的所述转速反馈值，并基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法和电流分配，分别得到d、q和0轴电流给定值并传输至αβ0旋转轴电压给定值确定模块；

所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块，用于接收所述电流传感器采集的所述三相电流反馈值和所述位置传感器采集的所述位置反馈值，并基于所述d、q和0轴电流给定值及所述三相电流反馈值和所述位置反馈值，采用PI控制法和坐标变换，分别得到α、β和0轴电压给定值并传输至空间矢量脉宽调制模块；

所述空间矢量脉宽调制模块，用于基于所述α、β和0轴电压给定值，采用空间矢量脉宽调制法，产生两个PWM控制信号，控制所述开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流。

本发明的进一步有益效果是：利用空间矢量脉宽调制模块，采用空间矢量脉宽调制方法，在开关磁阻电机绕组中注入双极性的正弦波电流，有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。另外，利用空间矢量脉宽调制方法，实现通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，实现励磁磁场的灵活调节，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

进一步，所述两个PWM控制信号对应的电压矢量的相位角相差为120°。

本发明的进一步有益效果是：两个PWM控制信号通过三相开绕组逆变器输出两个电压矢量，电压矢量的相位角相差120°，以抑制电机绕组相电流中的三次谐波成分。

进一步，所述dq0旋转轴电流给定值确定模块包括：

速度调节器，用于接收所述位置传感器采集的所述转速反馈值，并基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值并传输至电流分配模块；

所述电流分配模块，用于基于所述q轴电流给定值，采用直流偏置型电机最大转矩电流比控制法，得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，并分别将所述d轴电流给定值、所述q轴电流给定值和所述0轴电流给定值传输至所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块。

进一步，所述电流分配模块具体用于：

采用带有直流偏置的双极性正弦电流驱动下的电磁转矩方程，基于所述q轴电流给定值，最大化所述开关磁阻电机的转矩，计算得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，其中，所述d轴电流给定值为0；所述0轴电流给定值为所述q轴电流给定值的

倍。

本发明的进一步有益效果是：推导开关磁阻电机正弦波驱动情况下的电磁转矩方程，电流分配模块基于该电磁转矩方程，根据q轴电流给定值，计算d轴电流给定值和0轴电流给定值，具体为：设定d轴电流给定值为0；设定0轴电流给定值为q轴电流给定值的

倍，以实现最大转矩电流比(MTPA)控制效果，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

进一步，所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块包括：

第一旋转坐标变换单元，用于接收并基于所述电流传感器采集的所述三相电流反馈值和所述位置传感器采集的所述位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值并传输至电流调节器；

所述电流调节器，用于基于所述d、q和0轴电流给定值以及所述d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，分别得到d、q和0轴电压给定值，并将0轴电压给定值传输至空间矢量脉宽调制模块，分别将d和q轴电压给定值传输至第二旋转坐标变换单元；

所述第二旋转坐标变换单元，用于接收所述位置传感器采集的所述位置反馈值，并基于所述d和q轴电压给定值以及所述位置反馈值，采用反CLARK变换，分别得到α和β轴电压给定值并传输至所述空间矢量脉宽调制模块。

本发明还提供一种开关磁阻电机开绕组控制方法，包括：

步骤1、实时采集开关磁阻电机的转速反馈值、位置反馈值和三相电流反馈值；

步骤2、基于给定转速值、所述转速反馈值和所述位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，得到两个PWM控制信号；

步骤3、基于所述两个PWM控制信号，驱动开绕组逆变器，产生带有直流偏置的双极性正弦电流并注入所述开关磁阻电机，完成开关磁阻电机的开绕组控制。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种开关磁阻电机开绕组正弦波注入控制方法，基于交流电机转速-电流双闭环矢量控制，利用开绕组逆变器，实现双极性的正弦波电流注入，进而有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。同时，通过开绕组逆变器，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，在不需添加额外绕组的前提下，即可实现励磁磁场的灵活调节，进而提升开关磁阻电机的转矩输出能力。因此，本发明的控制方法可适用于对转矩脉动和转矩输出要求较高的高性能开关磁阻电机驱动系统，应用范围广。

进一步，所述步骤2包括：

基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值，并基于所述q轴电流给定值，以最大化电机转矩为目标，分别得到d和0轴电流给定值；

基于所述三相电流反馈值和所述位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值；

基于d、q和0轴电流给定值及所述d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，进行电流调节，分别得到d、q和0轴电压给定值，并分别对d和q轴电压给定值进行反PARK变换，得到α和β轴电压给定值；

基于α、β和0轴电压给定值，经过空间矢量脉宽调制，得到两个PWM控制信号。

本发明的进一步有益效果是：采用空间矢量脉宽调制方法，在开关磁阻电机绕组中注入双极性的正弦波电流，有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。另外，利用空间矢量脉宽调制方法，实现通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，实现励磁磁场的灵活调节，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种开关磁阻电机开绕组控制系统的示意性结构框图；

图2为本发明一个实施例提供的一种带有直流偏置的双极性正弦电流波形；

图3为本发明一个实施例提供的一种开绕组逆变器电路；

图4为本发明一个实施例提供的一种开关磁阻电机开绕组控制系统的控制框图；

图5为本发明一个实施例提供的一种开关磁阻电机开绕组控制方法的流程框图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种开关磁阻电机开绕组控制系统100，如图1所示，包括：控制器，电流传感器，位置传感器，以及开绕组逆变器；

控制器，用于接收并基于电流传感器采集的开关磁阻电机的三相电流反馈值以及所述位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，控制开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流；

开绕组逆变器，用于将带有直流偏置的双极性正弦电流注入开关磁阻电机。

需要说明的是，电流传感器用于检测开关磁阻电机三相定子绕组上对应的三相电流；位置传感器用于检测电机转子机械转速和转子位置。开绕组逆变器中，开关管均可采用带有反并联快速回复二极管的CoolMOS管或IGBT。

本实施例提出了一种开关磁阻电机开绕组正弦波注入控制系统，其控制器基于交流电机转速-电流双闭环矢量控制，利用三相开绕组逆变器，实现双极性的正弦波电流注入，进而有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。同时，通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，在不需添加额外绕组的前提下，即可实现励磁磁场的灵活调节，进而提升开关磁阻电机的转矩输出能力。因此，本发明的控制系统可适用于对转矩脉动和转矩输出要求较高的高性能开关磁阻电机驱动系统，应用范围广。

优选的，如图2所示，带有直流偏置的双极性正弦电流为三相对称正弦波交流电流与直流电流的叠加。图中，实线曲线代表带有直流偏置的双极性正弦电流，虚线示意性表示直流电流，实线曲线表示的电流已叠加该直流电流。

采用开绕组逆变器，实现带有直流偏置的双极性正弦电流，该双极性正弦电流为相对称正弦波交流电流与直流电流的叠加，简单方便，该种叠加电流可有效降低转矩脉动。

优选的，开绕组逆变器包括：两个三相全桥逆变器；

其中，两个三相全桥逆变器之间同相的全桥电路中，其中一个全桥电路的输出端与开关磁阻电机中同相绕组的一端电连接，另一个全桥电路的输出端与该同相绕组的另一端电连接，以向开关磁阻电机的每相绕组注入所述带有直流偏置的双极性正弦电流。

需要说明的是，开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc，每相绕组具有一个正接线端和一个负接线端，开绕组逆变器包含两个三相全桥逆变器，两个全桥逆变器的输入端共用同一直流母线，其中一个全桥逆变器的输出端连接开关磁阻电机三相定子绕组的正接线端，另一个全桥逆变器的输出端连接开关磁阻电机三相定子绕组的负接线端(具体的，一个全桥逆变器的输出端连接到开关磁阻电机三相定子绕组La、Lb和Lc的正接线端，另一个全桥逆变器的输出端连接到开关磁阻电机三相定子绕组La、Lb和Lc的负接线端)，因此，每相绕组相当于和一个H桥电路相连接，进而可以实现双极性的电流流通。

开绕组逆变器的结构如图3所示，由直流电源、第一全桥逆变器和第二全桥逆变器组成，其中，每个全桥逆变器包括六个带有反并联快速回复型二极管的开关管，第一全桥逆变器的输出端，连接至开关磁阻电机三相定子绕组的正接线端，第二全桥逆变器的输出端，连接至开关磁阻电机三相定子绕组的负接线端；在第一PWM控制信号和第二PWM控制信号的驱动下，第一全桥逆变器和第二全桥逆变器分别输出两个幅值相同、转速相同、相位互差120°的空间旋转电压矢量，驱动开关磁阻电机，实现开关磁阻电机绕组的正弦波电流注入控制，电机定子绕组电流波形如图2所示，其中，有效电压矢量对应相电流中的交流部分，零电压矢量对应相电流中的直流偏置部分。

每一相对应有两个全桥，可方便实现极性相反的电压电流输入，有效降低转矩脉动。

优选的，控制器包括：dq0旋转轴电流给定值确定模块，αβ0旋转轴电压给定值确定模块，以及空间矢量脉宽调制模块。其中，

dq0旋转轴电流给定值确定模块，用于接收位置传感器采集的转速反馈值，并基于给定转速值和转速反馈值，采用PI控制法和电流分配，分别得到d、q和0轴电流给定值并传输至αβ0旋转轴电压给定值确定模块；

αβ0旋转轴电压给定值确定模块，用于接收电流传感器采集的三相电流反馈值和位置传感器采集的位置反馈值，并基于d、q和0轴电流给定值及三相电流反馈值和位置反馈值，采用PI控制法和坐标变换，分别得到α、β和0轴电压给定值并传输至空间矢量脉宽调制模块；

空间矢量脉宽调制模块，用于基于α、β和0轴电压给定值，采用空间矢量脉宽调制法，产生两个PWM控制信号，控制开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流。

需要说明的是，d、q和0轴电流给定值表示d轴电流给定值、q轴电流给定值和0轴电流给定值。α、β和0轴电压给定值表示α轴电压给定值、β轴电压给定值和0轴电压给定值。

控制器利用转速电流双闭环矢量控制的思想，按照开关磁阻电机开绕组正弦波注入控制方法，根据电机的给定转速指令和位置传感器测得的电机转子机械转速，计算得到dq0坐标系下的电流给定值，结合电流传感器测得的定子电流和位置传感器测得的电机转子位置，进行计算和坐标变换，得到开绕组逆变器中两个全桥逆变器对应的给定电压矢量。

利用空间矢量脉宽调制模块，采用空间矢量脉宽调制方法，在开关磁阻电机绕组中注入双极性的正弦波电流，有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。另外，利用空间矢量脉宽调制方法，实现通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，实现励磁磁场的灵活调节，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

优选的，两个PWM控制信号对应的电压矢量的相位角相差为120°。

两个PWM控制信号通过三相开绕组逆变器输出的两个电压矢量，幅值相同，电压矢量的相位角相差120°，以抑制电机绕组相电流中的三次谐波成分。

优选的，dq0旋转轴电流给定值确定模块包括：

速度调节器，用于接收位置传感器采集的转速反馈值，并基于给定转速值和转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值并传输至电流分配模块；

电流分配模块，用于基于q轴电流给定值，采用直流偏置型电机最大转矩电流比控制法，得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，并分别将d轴电流给定值、q轴电流给定值和0轴电流给定值传输至αβ0旋转轴电压给定值确定模块。

优选的，电流分配模块具体用于：

采用带有直流偏置的双极性正弦电流驱动下的电磁转矩方程，基于q轴电流给定值，最大化开关磁阻电机的转矩，计算得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，其中，d轴电流给定值为0；0轴电流给定值为q轴电流给定值的

倍。

推导开关磁阻电机正弦波驱动情况下的电磁转矩方程(为方便描述，相关推导，请见该实施例一末尾说明)，电流分配模块基于该电磁转矩方程，根据q轴电流给定值，计算d轴电流给定值和0轴电流给定值，具体为：设定d轴电流给定值为0；设定0轴电流给定值为q轴电流给定值的

倍，以实现最大转矩电流比(MTPA)控制效果，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

优选的，αβ0旋转轴电压给定值确定模块包括：

第一旋转坐标变换单元，用于接收并基于电流传感器采集的三相电流反馈值和位置传感器采集的位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值并传输至电流调节器；

电流调节器，用于基于d、q和0轴电流给定值以及d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，分别得到d、q和0轴电压给定值，并将0轴电压给定值传输至空间矢量脉宽调制模块，分别将d和q轴电压给定值传输至第二旋转坐标变换单元；

第二旋转坐标变换单元，用于接收位置传感器采集的位置反馈值，并基于d和q轴电压给定值以及位置反馈值，采用反CLARK变换，分别得到α和β轴电压给定值并传输至空间矢量脉宽调制模块。

需要说明的是，d、q和0轴电流反馈值表示d轴电流反馈值、q轴电流反馈值和0轴电流反馈值。d、q和0轴电压给定值表示d轴电压给定值、q轴电压给定值和0轴电压给定值。d和q轴电压给定值表示d轴电压给定值和q轴电压给定值。α和β轴电压给定值表示α轴电压给定值和β轴电压给定值。

例如，如图4所示，位置传感器8，其输入端与三相开关磁阻电机7的转轴相连，用于检测三相开关磁阻电机7的转子位置，并根据转子位置θ_r，计算得到电机的转速反馈值ω_r；

电流传感器9，其输入端与三相开关磁阻电机7的三相定子绕组相连，用于采集三相开关磁阻电机7的三相定子绕组中的电流，A相电流i_A、B相电流i_B、C相电流i_C；

第一旋转坐标变换单元10，其第一输入端连接至位置传感器8的第一输出端，用于接收电机的转子位置角度θ_r，其第二输入端连接至电流传感器9的输出端，用于接收三相开关磁阻电机7的定子A相电流i_A、B相电流i_B、C相电流i_C。利用恒幅值变换的坐标变换方程，将三相静止坐标系下的电机三相定子电流i_A、i_B、i_C变换到dq0旋转坐标系下，得到d轴电流i_d、q轴电流i_q和0轴电流i₀；

速度调节器1，其第一输入端外接总控中心，用于接收三相开关磁阻电机7的转速给定值ω^*，其第二输入端连接至位置传感器8的第二输出端，用于接收电机的转速反馈值ω_r，将转速给定值ω^*与转速反馈值ω_r作差，进行PI调节，输出电机的q轴电流给定值

电流分配模块2，其输入端连接至速度调节器1的输出端，用于根据速度调节器输出的q轴电流给定值

以电机输出转矩与定子电流幅值之比最大为目标，计算d轴电流给定值

和0轴电流给定值

电流调节器3，其第一输入端连接至电流分配模块2的第一输出端，其第二输入端连接至电流分配模块2的第二输入端，分别用以接收q轴电流给定值

d轴电流给定值

和0轴电流给定值

其第三输入端连接至一旋转坐标变换单元10的第一输入端，其第四输入端连接至第一旋转坐标变换单元10的第二输入端，分别用以接收d轴电流反馈值i_d、q轴电流反馈值i_q和0轴电流反馈值i₀；对d轴、q轴和0轴的电流给定值和反馈值分别作差，进行PI调节，计算输出d轴电压给定值

q轴电压给定值

和0轴电压给定值

第二旋转坐标变换单元4，其第一输入端连接至电流调节器3的第一输出端，用以接收d轴电压给定值

q轴电压给定值

其第二输入端连接至位置传感器8的第一输出端，用以接受电机转子位置信息；根据电机转子的位置信息，利用恒幅值变换，将dq0旋转坐标系下的d轴电压给定值

和q轴电压给定值

转换为两相静止坐标系下的α轴电压给定值

和β轴电压给定值

空间矢量脉宽调节模块5，其第一输入端连接至电流调节器3的第二输出端，用以接收0轴电压给定值

其第二输入端连接至第二旋转坐标变换单元4的第一输出端，用以接收α轴电压给定值

和β轴电压给定值

根据0轴电压给定值

计算零电压矢量对应的占空比T0；利用α轴电压给定值

和β轴电压给定值

计算其他各个有效电压矢量对应的占空比；输出驱动开绕组逆变器中第一全桥逆变器的第一PWM控制信号和第二全桥逆变器的第二PWM控制信号，如图3中PWM1-6对应第一全桥逆变器，PWM7-12对应第二全桥逆变器，两组信号对应的电压矢量互差120°的空间电角度，以抑制电机绕组电流中的三次谐波分量；零电压矢量对应的占空比T₀的计算公式为：

其中，U_dc为开绕组逆变器的直流母线电源电压。

需要说明的是，图4中，i_A、B、C代表i_A、i_B和i_C；i_d、q代表i_d和i_q；

和

同理，在此不再赘述。

经过本实施例的开绕组正弦波注入控制系统的控制，当开关磁阻电机的运行进入稳态后，其三相绕组中的d轴电流反馈值与d轴电流给定值相等、q轴电流反馈值与q轴电流给定值相等，0轴电流反馈值与0轴电流给定值相等，电机转速反馈值与转速给定值相等，即

且

实现了电机转速和电流的无差控制。

实际控制过程中，电流分配模块2按照开关磁阻电机7的电磁转矩方程进行d轴电流给定值、q轴电流给定值和0轴电流给定值的最优化配置，以实现最佳转矩输出效果，开关磁阻电机7在开绕组正弦波注入控制下的电磁转矩方程如下：

其中，T_e为开关磁阻电机的电磁转矩，n_p为电机的极对数，L_t为电机绕组等效电感，i_q为q轴电流，i₀为0轴电流；根据电磁转矩方程可知，在电机的极对数、电机绕组等效电感一定的情况下，开关磁阻电机的电磁转矩，由q轴电流和0轴电流决定，与d轴电流无关，d轴电流i_d对电磁转矩并无贡献，因此将d轴电流给定值设定为0，既不影响电机的电磁转矩，又可以简化控制过程。

第二旋转坐标变换单元4和第一旋转坐标变换单元10均采用恒幅值变换，由恒幅值变换的原理可知，电机相电流有效值可以由下式表示：

其中，I_rms为电流有效值，I_{rms_AC}和I_{rms_DC}分别为电机绕组电流中交流分量的有效值和直流分量的有效值。

因此，根据定子相电流有效值I_rms的表达式，dq0旋转坐标系下的电流矢量应当满足如下关系：

其中，β为定子电流矢量与q轴的夹角；γ为定子电流矢量与0轴的夹角。

将上述关系式代入开关磁阻电机在开绕组正弦波注入控制下的电磁转矩方程中，可将电磁转矩表达式改写为下式中的表达形式：

因此，在电机的相电流有效值一定的情况下，为了实现最大的转矩输出，上式中的cosβ和sin2γ均等于1，此时β和γ分别对应为0度和45度。利用这一结论，可以得到d轴电流、q轴电流、0轴电流之间的关系，表示为：

因此，得到上述d轴电流给定值为0；所述0轴电流给定值为所述q轴电流给定值的

倍。

实施例二

一种开关磁阻电机开绕组控制方法200，如图5所示，包括：

步骤210、实时采集开关磁阻电机的转速反馈值、位置反馈值和三相电流反馈值；

步骤220、基于给定转速值、转速反馈值和位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，得到两个PWM控制信号；

步骤230、基于两个PWM控制信号，驱动开绕组逆变器，产生带有直流偏置的双极性正弦电流并注入开关磁阻电机，完成开关磁阻电机的开绕组控制。

带有直流偏置的双极性正弦电流、开绕组逆变器、两个PWM控制信号等相关技术方案分析同实施例一，在此不再赘述。

本实施例提出了一种开关磁阻电机开绕组正弦波注入控制方法，基于交流电机转速-电流双闭环矢量控制，利用开绕组逆变器，实现双极性的正弦波电流注入，进而有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。同时，通过开绕组逆变器，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，在不需添加额外绕组的前提下，即可实现励磁磁场的灵活调节，进而提升开关磁阻电机的转矩输出能力。因此，本发明的控制方法可适用于对转矩脉动和转矩输出要求较高的高性能开关磁阻电机驱动系统，应用范围广。

优选的，步骤220包括：

基于给定转速值和转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值，并基于q轴电流给定值，以最大化电机转矩为目标，分别得到d和0轴电流给定值；基于三相电流反馈值和位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值；基于d、q和0轴电流给定值及d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，进行电流调节，分别得到d、q和0轴电压给定值，并分别对d和q轴电压给定值进行反PARK变换，得到α和β轴电压给定值；基于α、β和0轴电压给定值，经过空间矢量脉宽调制，得到两个PWM控制信号

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

采用空间矢量脉宽调制方法，在开关磁阻电机绕组中注入双极性的正弦波电流，有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，减小开关磁阻电机因转矩脉动而造成的振动和噪声，实现开关磁阻电机系统的平稳运行。另外，利用空间矢量脉宽调制方法，实现通过开绕组逆变器，输出极性相反的零序电压矢量(直流偏置电压)，实现开关磁阻电机绕组的直流偏置电流的注入，实现励磁磁场的灵活调节，提升开关磁阻电机的转矩输出能力。

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 (4)

1.一种开关磁阻电机开绕组控制系统，其特征在于，其采用带有直流偏置的双极性正弦电流来驱动开关磁阻电机，控制系统包括：控制器，电流传感器，位置传感器，以及开绕组逆变器；

所述控制器，用于接收并基于所述电流传感器采集的开关磁阻电机的三相电流反馈值以及所述位置传感器采集的所述开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，控制所述开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流；

所述开绕组逆变器，用于将所述带有直流偏置的双极性正弦电流注入所述开关磁阻电机；

所述控制器包括：

dq0旋转轴电流给定值确定模块，用于接收所述位置传感器采集的所述转速反馈值，并基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法和电流分配，分别得到d、q和0轴电流给定值并传输至αβ0旋转轴电压给定值确定模块；

所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块，用于接收所述电流传感器采集的所述三相电流反馈值和所述位置传感器采集的所述位置反馈值，并基于所述d、q和0轴电流给定值及所述三相电流反馈值和所述位置反馈值，采用PI控制法和坐标变换，分别得到α、β和0轴电压给定值并传输至空间矢量脉宽调制模块；

所述空间矢量脉宽调制模块，用于基于所述α、β和0轴电压给定值，采用空间矢量脉宽调制法，产生两个PWM控制信号，控制所述开绕组逆变器产生带有直流偏置的双极性正弦电流；

所述开绕组逆变器包括：两个三相全桥逆变器；

其中，所述两个三相全桥逆变器之间同相的全桥电路中，其中一个全桥电路的输出端与所述开关磁阻电机中同相绕组的一端电连接，另一个全桥电路的输出端与该同相绕组的另一端电连接，以向所述开关磁阻电机的每相绕组注入所述带有直流偏置的双极性正弦电流；

所述两个PWM控制信号对应的电压矢量的相位角相差为120°；

所述dq0旋转轴电流给定值确定模块包括：

速度调节器，用于接收所述位置传感器采集的所述转速反馈值，并基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值并传输至电流分配模块；

所述电流分配模块，用于基于所述q轴电流给定值，采用直流偏置型电机最大转矩电流比控制法，得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，并分别将所述d轴电流给定值、所述q轴电流给定值和所述0轴电流给定值传输至所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块；

所述电流分配模块具体用于：

采用带有直流偏置的双极性正弦电流驱动下的电磁转矩方程，基于所述q轴电流给定值，最大化所述开关磁阻电机的转矩，计算得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，其中，所述d轴电流给定值为0；所述0轴电流给定值为所述q轴电流给定值的

倍。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机开绕组控制系统，其特征在于，所述带有直流偏置的双极性正弦电流为三相对称正弦波交流电流与直流电流的叠加。

3.根据权利要求1或2所述的一种开关磁阻电机开绕组控制系统，其特征在于，所述αβ0旋转轴电压给定值确定模块包括：

第一旋转坐标变换单元，用于接收并基于所述电流传感器采集的所述三相电流反馈值和所述位置传感器采集的所述位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值并传输至电流调节器；

所述电流调节器，用于基于所述d、q和0轴电流给定值以及所述d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，分别得到d、q和0轴电压给定值，并将0轴电压给定值传输至空间矢量脉宽调制模块，分别将d和q轴电压给定值传输至第二旋转坐标变换单元；

所述第二旋转坐标变换单元，用于接收所述位置传感器采集的所述位置反馈值，并基于所述d和q轴电压给定值以及所述位置反馈值，采用反PARK变换，分别得到α和β轴电压给定值并传输至所述空间矢量脉宽调制模块。

4.一种开关磁阻电机开绕组控制方法，其特征在于，采用带有直流偏置的双极性正弦电流来驱动开关磁阻电机，包括以下步骤：

步骤1、实时采集开关磁阻电机的转速反馈值、位置反馈值和三相电流反馈值；

步骤2、基于给定转速值、所述转速反馈值和所述位置反馈值，采用交流电机转速-电流双闭环矢量控制法，得到两个PWM控制信号；

步骤3、基于所述两个PWM控制信号，驱动开绕组逆变器，产生带有直流偏置的双极性正弦电流并注入所述开关磁阻电机，完成开关磁阻电机的开绕组控制；

所述步骤2包括：

基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值，并基于所述q轴电流给定值，以最大化电机转矩为目标，分别得到d和0轴电流给定值；

基于所述三相电流反馈值和所述位置反馈值，采用CLARK变换和PARK变换，分别得到d、q和0轴电流反馈值；

基于d、q和0轴电流给定值及所述d、q和0轴电流反馈值，采用PI控制法，进行电流调节，分别得到d、q和0轴电压给定值，并分别对d和q轴电压给定值进行反PARK变换，得到α和β轴电压给定值；

基于α、β和0轴电压给定值，经过空间矢量脉宽调制，得到两个PWM控制信号；

所述开绕组逆变器包括：两个三相全桥逆变器；

其中，所述两个三相全桥逆变器之间同相的全桥电路中，其中一个全桥电路的输出端与所述开关磁阻电机中同相绕组的一端电连接，另一个全桥电路的输出端与该同相绕组的另一端电连接，以向所述开关磁阻电机的每相绕组注入所述带有直流偏置的双极性正弦电流；

所述两个PWM控制信号对应的电压矢量的相位角相差为120°；

dq0旋转轴电流给定值的确定方法包括：

接收所述转速反馈值，并基于给定转速值和所述转速反馈值，采用PI控制法，得到q轴电流给定值；

基于所述q轴电流给定值，采用直流偏置型电机最大转矩电流比控制法，得到d轴电流给定值和0轴电流给定值；具体为：

采用带有直流偏置的双极性正弦电流驱动下的电磁转矩方程，基于所述q轴电流给定值，最大化所述开关磁阻电机的转矩，计算得到d轴电流给定值和0轴电流给定值，其中，所述d轴电流给定值为0；所述0轴电流给定值为所述q轴电流给定值的

倍。

Images