CN113992108A - 一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统及方法，涉及电机直接转矩控制领域。本发明为了解决现有技术中的开关磁阻电机直接转矩控制存在控制精度低的问题；本发明建立了由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定当前时刻的电压矢量；根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值和转矩预测值；根据磁链给定值、转矩给定值、磁链预测值和转矩预测值确定最优电压矢量。本发明能够有效的抑制开关磁阻电机的转矩脉动，实现开关磁阻电机较高精度的转矩输出。

Description

一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机直接转矩控制领域，特别是涉及一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统及方法。

背景技术

随着电机理论、电力电子技术和微型计算机技术的高速发展，开关磁阻电机调速系统的发展也日益成熟，开关磁阻电机转子由硅钢片叠压而成，这种特殊的结构决定了开关磁阻电机在一些恶劣的环境中也能够可靠工作，而且结构简单、调速范围广、启动转矩大，在航空航天、汽车、纺织工业、家用电器等领域得到了广泛的应用。由于开关磁阻电机双凸极结构以及特殊的运行方式，使其具有高度非线性，体现为转矩是电流和转子位置的非线性函数，所以在运行过程中转矩脉动问题较为严重，这也限制了开关磁阻电机的应用推广。将直接转矩控制应用在开关磁阻电机中，可以不依赖于精确的开关磁阻电机模型，只需要电机定子侧的参数，在静止的定子坐标下，通过对磁链和转矩的变化，将其控制在滞环宽度以内，从而能够实现降低开关磁阻电机的转矩脉动。

现有技术中的开关磁阻电机的直接转矩控制虽然在一定程度上改善了转矩脉动的问题，但开关磁阻电机的运行是通过换相来维持的，各相转矩的叠加之和就是开关磁阻电机输出的总电磁转矩，在换相的过程中，由于绕组中的电流不能突变，存在一定的换相时间，而不能瞬时完成，关断相电流逐步减小，开通相电流逐步增大，即存在换相延迟。在换相过程中，关断相减小的电磁转矩要大于导通相增加的电磁转矩，所以叠加之后总的电磁转矩呈现下降趋，使得转矩脉动问题依旧很突出。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统及方法，能够有效的抑制开关磁阻电机的转矩脉动，实现开关磁阻电机较高精度的转矩输出。

本发明第一方面提供了一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统，包括：

采样模块，用以采样当前时刻的电流、电压和转子位置角，进而得到磁链和磁链角；

扇区判断模块，用以建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定当前时刻的电压矢量；

预测模块，用以根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；

评价模块，用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量。

本发明第二方面提供了一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，包括：

S1、采样当前时刻的电流、电压和转子位置角，进而得到磁链和磁链角；

S2、建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定电压矢量；

S3、根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；

S4、用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量。

进一步的，所述12电压扇区中各扇区角度δ与扇区编号N的对应关系为：

扇区N＝1时，扇区角度δ为[0，π/6)；扇区N＝2时，扇区角度δ为[π/6，π/3)；扇区N＝3时，扇区角度δ为[π/3，π/2)；扇区N＝4时，扇区角度δ为[π2，2π3)；扇区N＝5时，扇区角度δ为[2π/3，5π/6)；扇区N＝6时，扇区角度δ为[5π/6,π)；扇区N＝7时，扇区角度δ为[-π,-5π/6)；扇区N＝8时，扇区角度δ为[-5π/6,-2π/3)；扇区N＝9时，扇区角度δ为[-2π/3，-π/2)；扇区N＝10时，扇区角度δ为[-π/2,-π/3)；扇区N＝11时，扇区角度δ为[-π/3,-π/6)；扇区N＝12时，扇区角度δ为[-π/6,0)。

进一步的，所述磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)分别为：

其中，

θ_k+1＝θ_k+ωΔT。

进一步的，步骤S4包括：

S41、建立评价函数：

S42、将磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)输入评价函数中，误差最小的一组电压矢量为最优电压矢量。

进一步的，转矩给定值

的获取方法为：

将转子速度与转子速度给定值做差后经PI调节得到转矩给定值

如上所述，本发明具有如下效果：

1、本发明重新划分扇区，将现有技术中的6个扇区重新划分成12个扇区，避免由于6个扇区中的电压矢量过少早证最优矢量选择错误造成降低控制精度的问题；

2、本发明将改进的直接转矩控制与模型预测方式结合，利用模型预测预选电压矢量下对应的磁链预测值和转矩预测值，所述磁链预测值与转矩预测值结合磁链给定值和转矩给定值通过预测函数筛选出最优的电压矢量作为输出，从而减小并抑制开关磁阻电机转矩脉动，实现开关磁阻电机较高精度的转矩输出。

附图说明

图1为本发明一具体实施例的开关磁阻电机的直接转矩控制系统的结构原理图；

图2为本发明一具体实施例的电压矢量与扇区的扩展示意图；

图3为本发明一具体实施例的主程序流程图，图3a为主程序流程图，图3b为初始化子程序流程图。

图4为本发明一具体实施例的终端子程序流程图；

图5为本发明一具体实施例的开关磁阻电机采用本申请的直接转矩控制的转矩波形图；

图6为本发明一具体实施例的开关磁阻电机采用本申请的直接转矩控制和传统直接转矩控制时不同转速下转矩脉动系数波形图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例的一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统，包括：

采样模块，用以采样当前时刻的电流、电压和转子位置角，进而得到磁链和磁链角；

扇区判断模块，用以建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定当前时刻的电压矢量；

预测模块，用以根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；

评价模块，用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量。

本实施例的开关磁阻电机的直接转矩控制系统外环为转速及PI控制，内环采用模型预测直接转矩的控制策略。

在一具体实施例中，基于所述一种开关磁阻电机的直接转矩控制的控制方法，包括如下步骤：

S1、采样当前时刻的电流i、电压V和转子位置角θ，进而得到磁链和磁链角；

S2、建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定电压矢量；

在开关磁阻电机运行的过程中，由于电机本体自身的双凸极结构以及磁路非线性饱和等问题，导致了其转矩脉动现象与其他电机相比更为显著。采用开关磁阻电机的直接转矩控制虽然在一定程度上改善了转矩脉动问题，但转矩脉动问题依旧很突出，主要由于在开关磁阻电机换相区引入了负转矩使得三相叠加总转矩减小。传统直接转矩控制由于可选择的电压矢量过少，所以选择的电压矢量未必是最优矢量，而只是在6个电压矢量中最接近最优解的电压矢量，导致控制精度过低，因此，本实施例通过重新划分扇区，增加电压矢量对传统直接转矩控制进行改进，通过确定磁链所在扇区预选出相应的电压矢量，避免在换相区引入负转矩，通过模型预测从预选电压矢量中选出最优矢量作为输出，从而抑制SRM转矩脉动，实现SRM较高精度的转矩输出，本是实施例所述12电压扇区中各扇区角度δ与扇区编号N的对应关系为：

扇区N＝1时，扇区角度δ为[0，π/6)；扇区N＝2时，扇区角度δ为[π/6，π/3)；扇区N＝3时，扇区角度δ为[π/3，π/2)；扇区N＝4时，扇区角度δ为[π2，2π3)；扇区N＝5时，扇区角度δ为[2π/3，5π/6)；扇区N＝6时，扇区角度δ为[5π/6,π)；扇区N＝7时，扇区角度δ为[-π,-5π/6)；扇区N＝8时，扇区角度δ为[-5π/6,-2π/3)；扇区N＝9时，扇区角度δ为[-2π/3，-π/2)；扇区N＝10时，扇区角度δ为[-π/2,-π/3)；扇区N＝11时，扇区角度δ为[-π/3,-π/6)；扇区N＝12时，扇区角度δ为[-π/6,0)。

S3、根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；具体包括如下步骤：

当磁链处于非换相扇区，根据传统直接转矩控制原理可知从相应八个电压矢量中选出最优解。当磁链处于换相扇区，若转矩需要增加时，需要将电感处于下降状态的相关闭，避免引入负转矩；当转矩需要减小时，将电感处于上升状态的相关闭，使总转矩满足转矩减小的要求，综上分析，磁链处于换相扇区，将从相应的四个电压矢量选择最优矢量。

S31、根据SRM磁链、电流曲线，定、转子非对齐位置的P相磁链表达式为：

ψ_p＝L_qi_p；

式中：L_q是磁路非饱和电感系数，i_p是P相的电流。

在定、转子对齐位置，考虑磁链饱和特性，得到磁链表达式为：

式中：L_d为磁路饱和前电感系数为，L_dsat为饱和电感系数；I_m是与ψ_m相一致的最大额定电流；A、B分别为计算磁链ψ_p的参考系数。

S32、在对其位置与非对齐位置之间的极限位置之间选择插值函数进行插值计算，进而角度修正表达式为：

因此，可得到开关磁阻电机的磁链特性为：

式中：θ_p是P相的转子位置角，L_q是磁路非饱和电感系数，f(θ_p)是修正角度表达式。

结合开关磁阻电机的机电联系方程得到电磁转矩为：

结合开关磁阻电机电磁转矩方程可得转矩表达式：

S33、根据开关磁阻电机微分方程科迪电流表达式：

式中：ω是转子角速度，R是P相绕组电阻。

S34、在一个采样时间内，分别对转矩、磁链、电流表达式进行欧拉方程离散化，可得磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)分别为：

其中，

θ_k+1＝θ_k+ωΔT。

S4、用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量，具体包括：

S41、建立评价函数；

评价函数反映磁链、转矩与设定值之间的差异程度，MPC根据评价函数来选择最优电压矢量，所以评价函数的选择决定了整个系统控制性能的好坏。由于转矩、磁链为不同量纲，需要引入权重系数，评价函数定义为：

本发明为了消除权重系数，将转矩、磁链误差转换为转矩、磁链误差率，使其成为在同一量纲上的物理量，可得到评价函数为：

S42、将磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)输入评价函数中，误差最小的一组电压矢量为最优电压矢量。

其中，转矩给定值

的获取方法为：

将转子速度与转子速度给定值做差后经PI调节得到转矩给定值

在一具体实施例中，开关磁阻电机为三相12/8开关磁阻电机；如图2所示的电压矢量与扇区扩展图可见，扩展的12个扇区后，对应的电压矢量也从6个增加至12个，可以实现更精准的控制。

通过确定磁链所在扇区来选择相应电压矢量直接转矩控制，如表1所示的扇区编号与电压矢量对应表格，当磁链位于N＝1扇区时，电压矢量V₁、V₂、V₃、V₄均可使转矩增大，电压矢量V₉、V₁₀、V₁₁、V₁₂可使转矩减小，所以，从这八个电压矢量中选择最优矢量。当定子磁链处于N＝2扇区，理论上电压矢量V₂、V₃、V₄、V₅都可使转矩增大，V₁、V₁₂、V₁₁、V₁₀都可使转矩减小，但当进入换相区，此刻转矩需要增加时，电压矢量V₂、V₃会使A相导通或者续流从而引入了负转矩，所以此时可以从电压矢量V₄、V₅中选择；当转矩需要减小时，应关断B相，A相、C相可产生负转矩满足转矩减小的需求，此时可从电压矢量V₁₁、V₁₀中选择，因所预选的电压矢量通过评价函数来选择，无需考虑转矩的增减，只是优选出与设定转矩值最接近的转矩所对应的电压矢量，此处将在下文中进行详细说明，所以当磁链位于2扇区时可以从V₄、V₅、V₁₁、V₁₀这四个电压矢量中优选，同理可得磁链处于其他扇区时选定的电压矢量。

表1

图3a是本发明的主程序流程图，主程序是一个程序的主体，通过任务调度器进行任务的分配管理，涵盖控制系统的所有功能，包括系统初始化、电机启动与停止、中断服务、转子位置判断与转速计算等。图3b为初始化子程序流程图，在DSP上电时对各个模块进行初始化才能使系统运行，初始化主要包括对已经定义的变量进行赋值，I/O的配置，数/模转换寄存器配置、PWM寄存器配置以及建立中断向量表等

图4是本发明的中断子程序流程图，由电流、电压采样、PI、MPC等环节组成。通过采样系统当前电压、电流值以及转子位置信息，来估算当前时刻磁链值，并通过合成磁链的幅值和角度来判断此时磁链所处的扇区位置选出相应的电压矢量，然后将磁链、扇区位置等信息通过模型预测模块来预测预选电压矢量对应的磁链、转矩值，通过评价函数选出最优电压矢量，最后清除中断标志位，回到主程序等待下一次中断指令。

所述开关磁阻电机采用本实施例所述的改进的直接转矩控制，其转矩波形如图5所示，并将所述开关磁阻电机采用传统的转矩控制方法与本实施例所述改进的直接转矩控制方法得到的不同转速下转矩脉动系数波形图如图6所示，通过转矩脉动系数波形对比可以看出，由于传统DTC在换相区转矩存在较大的脉动，使得整体转矩脉动系数较大，而本实施例改进的转矩脉动控制方法在换相区提前关断电感下降相，提高了换相区的转矩值，所以整体转矩脉动系数相较于传统DTC明显减小。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机的直接转矩控制系统，其特征在于，包括：

采样模块，用以采样当前时刻的电流、电压和转子位置角，进而得到磁链和磁链角；

扇区判断模块，用以建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定当前时刻的电压矢量；

预测模块，用以根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；

评价模块，用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量。

2.一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：

S1、采样当前时刻的电流、电压和转子位置角，进而得到磁链和磁链角；

S2、建立由12个电压矢量构成的12个电压扇区，根据所述磁链和磁链角确定磁链所在的扇区，通过所述扇区确定电压矢量；

S3、根据当前时刻的电压矢量对应的磁链、转子位置角、电流和扇区信息预测下一时刻的电压矢量对应的磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)；

S4、用以根据磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)确定最优电压矢量。

3.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述12电压扇区中各扇区角度δ与扇区编号N的对应关系为：

扇区N＝1时，扇区角度δ为[0，π/6)；扇区N＝2时，扇区角度δ为[π/6，π/3)；扇区N＝3时，扇区角度δ为[π/3，π/2)；扇区N＝4时，扇区角度δ为[π/2，2π/3)；扇区N＝5时，扇区角度δ为[2π/3，5π/6)；扇区N＝6时，扇区角度δ为[5π/6,π)；扇区N＝7时，扇区角度δ为[-π,-5π/6)；扇区N＝8时，扇区角度δ为[-5π/6,-2π/3)；扇区N＝9时，扇区角度δ为[-2π/3，-π/2)；扇区N＝10时，扇区角度δ为[-π/2,-π/3)；扇区N＝11时，扇区角度δ为[-π/3,-π/6)；扇区N＝12时，扇区角度δ为[-π/6,0)。

4.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)分别为：

其中，

θ_k+1＝θ_k+ωΔT。

5.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、建立评价函数：

S42、将磁链给定值ψ^*、转矩给定值

磁链预测值ψ(k+1)和转矩预测值T_e(k+1)输入评价函数中，误差最小的一组电压矢量为最优电压矢量。

6.根据权利要求5所述一种开关磁阻电机的直接转矩控制方法，其特征在于，转矩给定值

的获取方法为：

将转子速度与转子速度给定值做差后经PI调节得到转矩给定值

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