CN113300653B - 一种开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法。本发明方法，包括如下步骤：设定转矩滞环上下限以及参考转矩，检测各相输出转矩并得到实际输出转矩，计算转矩偏差；基于转矩偏差与转矩滞环上限、下限的关系对单相和换相运行时功率变换器的工作状态进行调整；将实际输出转矩对时间求导得到离散的斜率数据，进而得到一个电周期完整的斜率数据曲线；计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限到滞环上限最合理的采样时间次数，选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限和动态滞环上限，实现滞环的自适应控制。本发明电机输出转矩平滑，转矩脉动明显减小，保证其在电气传动系统中更加稳定、高效地运行。

Description

一种开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机技术领域，尤其涉及一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法。
背景技术
开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)由于其特殊的双凸极结构,以及定子上有集中绕阻，转子无永磁材料和绕阻，具备结构简单、控制灵活、高适应性以及容错性强等优点。但由于开关磁阻电机独特的结构特征和工作原理，电机特性与其他的交直流电机有显著的区别，所以也导致很多不足急待研究改善。开关磁阻电机是双凸极结构并且使用开关方法供电，运转时边缘磁通会致使非线性的电流变化，其次由于转矩和转子角度与电流两者的联系是非线性的，使电机的合成转矩无法维持在一个定值，将导致不可避免的转矩脉动现象，一般SRM转矩脉动的数值在15％左右。此外，电机在换相时期，相电流迅速地改变导致电机定子径向振动电磁噪声比其他电机更加严重，对于小功率的控制系统来说，是无法接受的，这就是SRM在小功率、控制要求平稳的场合没能广泛应用的重要原因之一。
开关磁阻电机传统的控制方式有电压斩波控制(Chopped Voltage Control,CVC)、电流斩波控制(Current Chopping Control,CCC)和角度位置控制(Angle PositionControl,APC)。但以上三种传统的控制策略没有对转矩脉动抑制采取有针对性的控制，且不能同时解决调速和抑制转矩脉动两大问题。针对以上传统控制策略的不足之处，转矩控制策略的优化主要有两种途径，一种是通过控制相电流或相磁链实现对转矩的间接控制，如转矩分配函数(Torque Sharing Function,TSF)；另一种是通过控制合成的瞬时转矩实现对转矩的直接控制，目前SRM的直接转矩控制策略又可细分为直接转矩控制(DirectTorque Control，DTC)和直接瞬时转矩控制(Direct Instantaneous Torque Control，DITC)。以上两种途径均为滞环控制方法，均对转矩脉动抑制具有较好效果。在上述方法中DITC对开关磁阻电机转矩脉动抑制效果最好，且仍具有很大的优化空间。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法。本发明优化算法原理简单，转矩脉动抑制效果好。本发明采用的技术手段如下：
一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，包括：
开关磁阻电机；
位置传感器，用于检测开关磁阻电机的转子位置，将位置信号提供给其他模块；
转矩估计单元，用于接收位置信号和开关磁阻电机电流信号，计算各相输出转矩，并通过矢量合成得到实际输出转矩；
滞环估计单元，用于对实际输出转矩求导，对求导后的滤波取一个电周期的数据进行傅里叶拟合得到转矩斜率曲线，再由转矩斜率曲线结合转子位置计算出滞环下限值和动态滞环上限值；
转矩滞环控制器，用于接收参考转矩，实际输出转矩和滞环上下限的值，参考转矩与实际输出转矩的偏差值与滞环上下限作比较，输出状态信号；
开关信号单元，用于根据参考转矩大小决定导通角和关断角的大小；
开关逻辑单元，用于基于状态信号和开关信号输出功率变换器的工作状态信号；
功率变换器，用于基于接收的工作状态信号对开关磁阻电机进行开通或关断。
一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，包括如下步骤：
步骤1、设定转矩滞环上限、下限以及参考转矩，检测各相输出转矩并通过矢量合成得到实际输出转矩，基于参考转矩与实际输出转矩计算转矩偏差；设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态；
步骤2、基于转矩偏差与转矩滞环上限、下限的关系对单相和换相运行时功率变换器的工作状态进行调整；
步骤3、将所述实际输出转矩对时间求导得到离散的斜率数据，进而得到一个电周期完整的斜率数据曲线；
步骤4、基于完整的斜率数据曲线计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限到滞环上限最合理的采样次数，基于此选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限和动态滞环上限，实现滞环的自适应控制。
进一步地，所述步骤1中，设定转矩滞环上限、下限分别为Tup和Tdown，参考转矩为Tref，检测各相输出转矩Tk并通过矢量合成得到实际输出转矩Tins，通过公式(1)计算转矩偏差ΔT；
ΔT＝Tref-Tins (1)
设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态，三者分别记为S＝1，S＝0，S＝-1，其中1表示功率变换器一个桥臂的上下开关管同时开通，0表示上下开关管只导通一个，-1表示上下开关管同时关断。
进一步地，步骤2调整开关磁阻电机滞环方案，具体为：设k相为开关磁阻电机当前励磁相，k+1相为下一励磁相，
单相运行时，ΔT>Tup时工作状态切换为励磁状态，ΔT<Tdown时工作状态切换为续流状态；
换相运行时，ΔT>Tup时k+1相工作状态切换为励磁状态，k相工作状态切换为退磁状态，ΔT<Tdown时k相与k+1相工作状态同时切换为续流状态。
进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：将矢量合成的实际转矩Tins对时间求导得到离散的斜率数据，滤除数据中小于零的数据，取一个电周期内的数据进行傅里叶四阶拟合，得到一个电周期完整的斜率数据曲线，其变量和曲线表达式见(2)、(3)。
Figure GDA0003590541840000031
f(x)＝a0+a1·cos(x·ω)+b1sin(x·ω)+a2·cos(2·x·ω)+b2sin(2·x·ω)+a3·cos(3·x·ω)+b3sin(3·x·ω)+a4·cos(4·x·ω)+b4sin(4·x·ω) (3)
其中，ton(k+1)为k+1相开关管导通时刻，ton(k)为k相开关管导通时刻，θins为当前转子位置，θon为导通角，θoff为关断角，a(0,1,2,3,4)、b(1,2,3,4)和ω为傅里叶系数。
进一步地，所述步骤4包括如下步骤：得到完整的转矩斜率公式后，计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限Tdown到滞环上限Tup最合理的采样时间Ts次数，从而选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限Tmin和动态滞环上限TD，实现滞环的自适应控制，分别见公式(4)(5)(6)(7)；
ΔTt＝ΔTup-ΔTdown (4)
Figure GDA0003590541840000041
Figure GDA0003590541840000042
Figure GDA0003590541840000043
其中，ΔTt为滞环宽度，n为转矩上升次数，Tmin为改进的滞环下限，TD为改进的动态滞环上限。
本发明利用傅里叶函数拟合的方式，得到了一个电周期下高精度的转矩斜率函数，通过该函数选取更合理的滞环限值，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稳定、高效地运行。
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DITC系统框图；
图2为本发明开关磁阻电机功率变换器三种工作状态原理图；
图3为本发明开关磁阻电机的滞环方案；
图4为本发明开关磁阻电机转矩斜率傅里叶拟合的曲线图；
图5为本发明开关磁阻电机动态滞环优化示意图；
图6为本发明开关磁阻电机传统DITC输出转矩波形图；
图7为本发明开关磁阻电机优化DITC输出转矩波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为开关磁阻电机改进后的直接瞬时转矩控制(Direct Instantaneous TorqueControl，DITC)系统框图。该系统由功率变换器、位置传感器、转矩估计单元、滞环估计单元、转矩滞环控制器、开关信号和开关逻辑模块组成，具体地，基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，包括：
开关磁阻电机；
位置传感器，用于检测开关磁阻电机的转子位置，将位置信号提供给其他模块；
转矩估计单元，用于接收位置信号和开关磁阻电机电流信号，通过转矩计算公式
Figure GDA0003590541840000051
计算各相输出转矩Tk，并通过矢量合成得到实际输出转矩Tins；
滞环估计单元，用于对实际输出转矩Tins求导，对求导后的滤波取一个电周期的数据进行傅里叶拟合得到转矩斜率曲线，再由转矩斜率曲线结合转子位置计算出滞环下限值和动态滞环上限值；
转矩滞环控制器，用于接收参考转矩Tref，实际输出转矩Tins和滞环上下限的值，参考转矩与实际输出转矩的偏差值与滞环上下限作比较，输出状态信号；
开关信号单元，用于根据参考转矩大小决定导通角θon和关断角θoff的大小；
开关逻辑单元，用于基于状态信号和开关信号输出功率变换器的工作状态信号；
功率变换器，用于基于接收的工作状态信号对开关磁阻电机进行开通或关断。
本发明公开的一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，包括如下步骤：
步骤1、设定转矩滞环上限、下限以及参考转矩，检测各相输出转矩并通过矢量合成得到实际输出转矩，基于参考转矩与实际输出转矩计算转矩偏差；设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态；
步骤2、基于转矩偏差与转矩滞环上限、下限的关系对单相和换相运行时功率变换器的工作状态进行调整；
步骤3、将所述实际输出转矩对时间求导得到离散的斜率数据，进而得到一个电周期完整的斜率数据曲线；
步骤4、基于完整的斜率数据曲线计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限到滞环上限最合理的采样次数，基于此选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限和动态滞环上限，实现滞环的自适应控制。
具体地，所述步骤1中，设定转矩滞环上限、下限分别为Tup和Tdown，参考转矩为Tref，检测各相输出转矩Tk并通过矢量合成得到实际输出转矩Tins，通过公式(1)计算转矩偏差ΔT；
ΔT＝Tref-Tins (1)
设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态，三者分别记为S＝1，S＝0，S＝-1，其中1表示功率变换器一个桥臂的上下开关管同时开通，0表示上下开关管只导通一个，-1表示上下开关管同时关断。
步骤2调整开关磁阻电机滞环方案，具体为：设k相为开关磁阻电机当前励磁相，k+1相为下一励磁相，
单相运行时，ΔT>Tup时工作状态切换为励磁状态(S＝1)，ΔT<Tdown时工作状态切换为续流状态(S＝0)；
换相运行时，ΔT>Tup时k+1相工作状态切换为励磁状态(S＝1)，k相工作状态切换为退磁状态(S＝-1)，ΔT<Tdown时k相与k+1相工作状态同时切换为续流状态(S＝0)，具体地，图2为开关磁阻电机功率变换器三种工作状态原理图。图示为三相不对称半桥功率变换器的其中一相，上下桥臂的开关管都导通时为励磁状态，对应图中S＝1处；只导通上桥臂或下桥臂的开关管时，电流经过二极管进入续流状态，对应图中S＝0处；上下桥臂的开关管同时关断时，电流流经两个二极管进入退磁状态，对应图中S＝-1处。图3开关磁阻电机改进滞环方案。单相运行时，T>Tup时工作状态切换为励磁状态(S＝1)，T<Tdown时工作状态切换为续流状态(S＝0)。换相运行时，T>Tup时k+1相工作状态切换为励磁状态(S＝1)，k相工作状态切换为退磁状态(S＝-1)，T<Tdown时k相与k+1相工作状态同时切换为续流状态(S＝0)。
所述步骤3具体包括如下步骤：将矢量合成的实际转矩Tins对时间求导得到离散的斜率数据，滤除数据中小于零的数据，取一个电周期内的数据进行傅里叶四阶拟合，得到一个电周期完整的斜率数据曲线，其变量和曲线表达式见(2)、(3)。
Figure GDA0003590541840000071
f(x)＝a0+a1·cos(x·ω)+b1sin(x·ω)+a2·cos(2·x·ω)+b2sin(2·x·ω)+a3·cos(3·x·ω)+b3sin(3·x·ω)+a4·cos(4·x·ω)+b4sin(4·x·ω) (3)
其中，ton(k+1)为k+1相开关管导通时刻，ton(k)为k相开关管导通时刻，θins为当前转子位置，θon为导通角，θoff为关断角，a(0,1,2,3,4)、b(1,2,3,4)和ω为傅里叶系数。
图4为开关磁阻电机转矩斜率傅里叶拟合的曲线图。实际转矩Tins对时间求导得到离散的斜率数据，将数据中小于零的数据滤除，取一个电周期内的数据进行傅里叶四阶拟合，得到一个电周期完整的斜率曲线，可以看到数据足够密集所以拟合曲线光滑且精度较高。
所述步骤4包括如下步骤：得到完整的转矩斜率公式后，计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限Tdown到滞环上限Tup最合理的采样时间Ts次数，从而选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限Tmin和动态滞环上限TD，实现滞环的自适应控制，分别见公式(4)(5)(6)(7)，公式(4)基于公式(1)；
ΔTt＝ΔTup-ΔTdown (4)
Figure GDA0003590541840000081
Figure GDA0003590541840000082
Figure GDA0003590541840000083
其中，ΔTt为滞环宽度，n为转矩上升次数，Tmin为改进的滞环下限，TD为改进的动态滞环上限。
图5为开关磁阻电机动态滞环优化示意图。根据转矩斜率数据计算不同转子位置的最佳滞环上下限值，最大限度的抑制转矩脉动，保证换相区与单相区的平滑转换。
图6为开关磁阻电机传统DITC输出转矩波形图，图7为本发明开关磁阻电机优化DITC输出转矩波形图。初始给定转速为600r/min，负载转矩为5N·m，仿真结果表明采用本发明方法，可以有效的抑制换相区的转矩脉动，提高了开关磁阻电机运行时的平滑性。
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 (6)

1.一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，其特征在于，包括：
开关磁阻电机；
位置传感器，用于检测开关磁阻电机的转子位置，将位置信号提供给其他模块；
转矩估计单元，用于接收位置信号和开关磁阻电机电流信号，计算各相输出转矩，并通过矢量合成得到实际输出转矩；
滞环估计单元，用于对实际输出转矩求导，对求导后的实际输出转矩滤波取一个电周期的数据进行傅里叶拟合得到转矩斜率曲线，再由转矩斜率曲线结合转子位置计算出滞环下限值和动态滞环上限值；
转矩滞环控制器，用于接收参考转矩，实际输出转矩和滞环上下限的值，参考转矩与实际输出转矩的偏差值与滞环上下限作比较，输出状态信号；
开关信号单元，用于根据参考转矩大小决定导通角和关断角的大小；
开关逻辑单元，用于基于状态信号和开关信号输出功率变换器的工作状态信号；
功率变换器，用于基于接收的工作状态信号对开关磁阻电机进行开通或关断。
2.一种基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、设定转矩滞环上限、下限以及参考转矩，检测各相输出转矩并通过矢量合成得到实际输出转矩，基于参考转矩与实际输出转矩计算转矩偏差；设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态；
步骤2、基于转矩偏差与转矩滞环上限、下限的关系对单相和换相运行时功率变换器的工作状态进行调整；
步骤3、将所述实际输出转矩对时间求导得到离散的斜率数据，进而得到一个电周期完整的斜率数据曲线；
步骤4、基于完整的斜率数据曲线计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限到滞环上限最合理的采样次数，基于此选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限和动态滞环上限，实现滞环的自适应控制。
3.根据权利要求2所述的基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，所述步骤1中，设定转矩滞环上限、下限分别为Tup和Tdown，参考转矩为Tref，检测各相输出转矩Tk并通过矢量合成得到实际输出转矩Tins，通过公式(1)计算转矩偏差ΔT；
ΔT＝Tref-Tins (1)
设定功率变换器的三种工作状态，分别为励磁状态、续流状态、退磁状态，功率变换器上下桥臂的开关管都导通时为励磁状态；只导通上桥臂或下桥臂的开关管时，电流经过二极管进入续流状态；上下桥臂的开关管同时关断时，电流流经两个二极管进入退磁状态。
4.根据权利要求3所述的基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，步骤2调整开关磁阻电机滞环方案，具体为：设k相为开关磁阻电机当前励磁相，k+1相为下一励磁相，
单相运行时，ΔT>Tup时工作状态切换为励磁状态，ΔT<Tdown时工作状态切换为续流状态；
换相运行时，ΔT>Tup时k+1相工作状态切换为励磁状态，k相工作状态切换为退磁状态，ΔT<Tdown时k相与k+1相工作状态同时切换为续流状态。
5.根据权利要求4所述的基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：将矢量合成的实际转矩Tins对时间求导得到离散的斜率数据，滤除数据中小于零的数据，取一个电周期内的数据进行傅里叶四阶拟合，得到一个电周期完整的斜率数据曲线，其变量和曲线表达式见(2)、(3)；
Figure FDA0003590541830000031
f(x)＝a0+a1·cos(x·ω)+b1sin(x·ω)+a2·cos(2·x·ω)+b2sin(2·x·ω)+a3·cos(3·x·ω)+b3sin(3·x·ω)+a4·cos(4·x·ω)+b4sin(4·x·ω) (3)
其中，ton(k+1)为k+1相开关管导通时刻，ton(k)为k相开关管导通时刻，θins为当前转子位置，θon为导通角，θoff为关断角，a(0，1，2，3，4)、b(1，2，3，4)和ω为傅里叶系数。
6.根据权利要求5所述的基于滞环优化策略的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：得到完整的转矩斜率公式后，计算一个电周期内每个转子位置转矩从滞环下限ΔTdown到滞环上限ΔTup最合理的采样ΔTs次数，从而选取不同转子位置下最佳滞环值赋予滞环系统中的滞环下限Tmin和动态滞环上限TD，实现滞环的自适应控制，分别见公式(4)(5)(6)(7)；
ΔTt＝ΔTup-ΔTdown (4)
Figure FDA0003590541830000032
Figure FDA0003590541830000033
Figure FDA0003590541830000034
其中，ΔTt为滞环宽度，n为转矩上升次数，Tmin为改进的滞环下限，TD为改进的动态滞环上限。
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