CN111697903B - 一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法，属于开关磁阻电机技术领域。本发明能够实现对转速、转矩、径向力三个对象进行控制，在保证电机拥有良好转速特性的情况下，使电机输出转矩更加平滑，转矩脉动明显减小，保证其在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。同时，有效降低了开关磁阻电机定子的径向振动，使其产生的振动噪声大大减小。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机技术领域，涉及一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)作为一种新型特种电机，具有结构简易坚固、调速性能好、可控参数多、起动转矩高、起动电流低、适于恶劣环境等特点，因此显现出广阔的应用前景。
然而开关磁阻电机有着其固有的缺点，即存在较大的转矩脉动和振动噪声。开关磁阻电机在低速运行阶段时，往往会产生较大的转矩脉动，这主要是受开关形式与非线性因素的影响。开关磁阻电机的振动噪声则主要是由定子的径向振动引起的，而定子的径向振动源于开关磁阻电机驱动转矩的产生。这两大缺点影响了开关磁阻电机的效率和可靠性，阻碍了其在电动汽车、家用电器等领域的进一步发展。
为解决开关磁阻电机的这两种问题，国内外专家学者对开关磁阻电机的控制策略进行大量研究。但他们大都只考虑了转矩脉动或振动噪声的一个方面，没有将二者结合起来提出解决方案。因此，需要发明一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制策略。
发明内容
本发明的目的是提出一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制策略，以提高开关磁阻电机转矩的输出质量，并降低其振动产生的影响，从而实现电机的平稳、高效运行，拓展其应用的领域。
本发明的技术方案：
一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法，实现控制方法的系统包括转速控制器、转矩-径向力估算器、参考生成器和电流控制器；其中，转速控制器控制开关磁阻电机达到设定转速，并保持稳定；转矩-径向力估算器根据外部信号估算出当前的转矩值和径向力值；参考生成器通过对转矩值、径向力值进行处理，得到参考相电流；电流控制器则根据参考相电流与实际值，确定功率变换器的开关信号，实现对开关磁阻电机的控制；系统的控制方法如下：
(1)转速控制器
将人工设定的参考转速ω*与电机的实际转速ω输入至转速控制器中，转速控制器对参考转速与实际转速之差，使用比例-积分调节，即PI调节，从而得到参考电流i*作为输出；
(2)转矩-径向力估算器
所述控制方法中两次使用转矩-径向力估算器；一次是：将转速控制器输出的参考电流i*以及位置传感器输出的实际角位置θ作为输入，估算得出参考转矩T*、参考径向力F*；另一次是：将开关磁阻电机的实际相电流in以及位置传感器所测的实际角位置θ作为输入，估算得出实际转矩T、实际径向力F；
(3)参考生成器
参考生成器包括转矩分配函数部分和参数整定部分；
A.转矩分配函数部分
转矩分配函数为三角函数型转矩分配函数，三角函数型转矩分配函数主要分为进相函数fup和出相函数fdn两部分，见式(1)、(2)；三角函数曲线和开关磁阻电机实际相转矩的曲线轮廓相似，并且保证满足式(3)的关系，即进相参考转矩和出相参考转矩之和等于总参考转矩；
∑T*＝fup+fdn (3)
其中，ξ和λ分别是转矩调节系数和径向力调节系数，用于调节整定参考转矩大小和进出相的份额；控制系统启动运行时，ξ和λ存在初值，见式(4)、(5)；运行过程中，ξ和λ由参数整定部分给出；θ表示位置传感器输出的实际角位置，θon表示开通角位置，θoff表示关断角位置；
ξ0＝1 (4)
B.参数整定部分
根据转矩-径向力估算器输出的T*、F*、T和F来确定当前的工作点；以(T*，F*)为中心将原有的工作区划分为四个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，故在各区域中有了以下关系：
Ⅰ：T>T*，F>F*；
Ⅱ：T<T*，F>F*；
Ⅲ：T<T*，F<F*；
Ⅳ：T>T*，F<F*；
当工作点位于区域Ⅰ时，需要减小电流，使当前工作点向参考工作点靠近，对应方案就是减小转矩分配函数的转矩调节系数ξ；
当工作点位于区域Ⅲ时，需要增大电流，使当前工作点向参考工作点靠近，对应方案就是增大转矩分配函数的转矩调节系数ξ；
当工作点在区域Ⅱ换相时，进相应占更大的份额，对应的方案是增大转矩分配函数的径向力调节系数λ；
当工作点在区域Ⅳ换相时，出相应占更大的份额，对应的方案是减小转矩分配函数的径向力调节系数λ；
以(T*，F*)为中心，长宽分别为a、b的矩形区域，视为允许误差范围；应根据系统选取合适的a、b值，取值过小会导致系统频繁响应，取值过大则影响系统控制精度；在误差允许范围内时，不对转矩调节系数和径向力调节系数进行调整，即使转矩、径向力保持不变；
最终，根据角位置θ可将转矩曲线fup和fdn转化为电流曲线，从而确定不同位置下的参考相电流in *；
(4)电流控制器
将相参考电流值in *与实际相电流in作差，对该差值使用PI调节，得到输出PWM占空比，从而确定功率变换器的开关信号，实现对开关磁阻电机的控制。
所述转矩-径向力估算器的估算方法分为两种：
A、查表法，通过离线的方式得到转矩-电流-角度TIθ和径向力-电流-角度FIθ两个表，将其存储在主控制器中；
B、数据拟合法，同样需要离线得到TIθ和FIθ两个表，然后将数据拟合成求值函数，使用时在线计算出T和F的值。
本发明的有益效果：实现对转速、转矩、径向力三个对象进行控制，在保证电机拥有良好转速特性的情况下，使电机输出转矩更加平滑，转矩脉动明显减小，保证其在电气传动系统中更加平稳、高效地运行。同时，有效降低了开关磁阻电机定子的径向振动，使其产生的振动噪声大大减小。
附图说明
图1为本发明控制系统框图。
图2为转矩分配函数示意图。
图3为转矩-径向力工作区示意图。
图4为开关磁阻电机控制系统硬件结构图
图中：1微控制器；2三相开关磁阻电机；3功率变换器；4PWM驱动单元；5电流检测单元；6位置检测单元；A、B、C分别为电机的三相定子绕组；C1、C2、C3是安装在三相的电流传感器。
具体实施方式
下面根据具体实验并结合图4，对本发明作进一步说明。
实验样机采用12/8极三相开关磁阻电机，额定功率4kW，额定转速2200rpm。
微控制器1选用单片机STM32F103RBT6，C1、C2、C3使用电压型霍尔电流传感器，可将三相电流信号传入单片机。单片机通过A/D转换模块，将模拟信号转化为数字信号，供内部程序处理使用。位置检测单元由转子位置测量齿盘、三个槽型霍尔开关器件以及相应电路组成。单片机通过输入捕获中断来获取3个霍尔开关的状态，从而确定转子的当前位置。
控制程序采用本发明所述的控制策略，各部分参数设定如下：转速控制器PI参数：比例系数Kp1＝2，积分系数Ki1＝10；电流控制器PI参数：比例系数Kp2＝1，积分系数Ki2＝0.5；参考生成器参数整定部分转矩径向力误差范围a＝2，b＝10。转矩径向力估算器采用转子位置切片函数拟合法，该方法是介于查表法和数据拟合法间的折中方案。
为体现实验结论的客观有效，本发明所述控制策略的实验结果，将与当前主流的控制策略DITC(直接瞬时转矩控制)和转速电流双闭环进行对比。
表1和表2分别给出了不同情况下，三种控制策略的转矩脉动和径向力脉动。可见，采用本发明控制策略时，对径向力的控制效果优于DITC和双闭环控制。虽然本发明控制策略的转矩脉动小于双闭环，但在某些情况下却大于DITC，这是由于DITC只考虑转矩而不考虑径向力，双目标控制难以做到两全的缘故。但综合转矩和径向力两个指标来看，本发明的控制策略对转矩脉动和径向力脉动的抑制还是十分有效的。
表1三种控制策略转矩脉动对比
表2三种控制策略径向力脉动对比
本发明的开关磁阻电机控制策略，可有效地抑制电机的转矩脉动与振动，使其输出转矩质量和运行平稳性大大提高，对开关磁阻电机应用于更广泛的领域有着重要意义。
Claims (2)
1.一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法，其特征在于，实现控制方法的系统包括转速控制器、转矩-径向力估算器、参考生成器和电流控制器；其中，转速控制器控制开关磁阻电机达到设定转速，并保持稳定；转矩-径向力估算器根据外部信号估算出当前的转矩值和径向力值；参考生成器通过对转矩值、径向力值进行处理，得到参考相电流；电流控制器则根据参考相电流与实际值，确定功率变换器的开关信号，实现对开关磁阻电机的控制；系统的控制方法如下：
(1)转速控制器
将人工设定的参考转速ω*与电机的实际转速ω输入至转速控制器中，转速控制器对参考转速与实际转速之差，使用比例-积分调节，即PI调节，从而得到参考电流i*作为输出；
(2)转矩-径向力估算器
所述控制方法中两次使用转矩-径向力估算器；一次是：将转速控制器输出的参考电流i*以及位置传感器输出的实际角位置θ作为输入，估算得出参考转矩T*、参考径向力F*；另一次是：将开关磁阻电机的实际相电流in以及位置传感器所测的实际角位置θ作为输入，估算得出实际转矩T、实际径向力F；
(3)参考生成器
参考生成器包括转矩分配函数部分和参数整定部分；
A.转矩分配函数部分
转矩分配函数为三角函数型转矩分配函数，三角函数型转矩分配函数主要分为进相函数fup和出相函数fdn两部分，见式(1)、(2)；三角函数曲线和开关磁阻电机实际相转矩的曲线轮廓相似，并且保证满足式(3)的关系，即进相参考转矩和出相参考转矩之和等于总参考转矩；
∑T*＝fup+fdn (3)
其中，ξ和λ分别是转矩调节系数和径向力调节系数，用于调节整定参考转矩大小和进出相的份额；控制系统启动运行时，ξ和λ存在初值，见式(4)、(5)；运行过程中，ξ和λ由参数整定部分给出；θ表示位置传感器输出的实际角位置，θon表示开通角位置，θoff表示关断角位置；
ξ0＝1 (4)
B.参数整定部分
根据转矩-径向力估算器输出的T*、F*、T和F来确定当前的工作点；以(T*，F*)为中心将原有的工作区划分为四个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，故在各区域中有了以下关系：
Ⅰ：T>T*，F>F*；
Ⅱ：T<T*，F>F*；
Ⅲ：T<T*，F<F*；
Ⅳ：T>T*，F<F*；
当工作点位于区域Ⅰ时，需要减小电流，使当前工作点向参考工作点靠近，对应方案就是减小转矩分配函数的转矩调节系数ξ；
当工作点位于区域Ⅲ时，需要增大电流，使当前工作点向参考工作点靠近，对应方案就是增大转矩分配函数的转矩调节系数ξ；
当工作点在区域Ⅱ换相时，进相应占更大的份额，对应的方案是增大转矩分配函数的径向力调节系数λ；
当工作点在区域Ⅳ换相时，出相应占更大的份额，对应的方案是减小转矩分配函数的径向力调节系数λ；
以(T*，F*)为中心，长宽分别为a、b的矩形区域，视为允许误差范围；应根据系统选取合适的a、b值，取值过小会导致系统频繁响应，取值过大则影响系统控制精度；在误差允许范围内时，不对转矩调节系数和径向力调节系数进行调整，即使转矩、径向力保持不变；
最终，根据角位置θ可将转矩曲线fup和fdn转化为电流曲线，从而确定不同位置下的参考相电流in *；
(4)电流控制器
将相参考电流值in *与实际相电流in作差，对该差值使用PI调节，得到输出PWM占空比，从而确定功率变换器的开关信号，实现对开关磁阻电机的控制。
2.根据权利要求1所述的一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法，其特征在于，所述转矩-径向力估算器的估算方法分为两种：
A、查表法，通过离线的方式得到转矩-电流-角度TIθ和径向力-电流-角度FIθ两个表，将其存储在主控制器中；
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