CN114826037A - 一种开关磁阻电机的降噪控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机降噪控制方法及系统，通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。上述方案针对开关磁阻电机固有的换相转矩脉动问题，优化开关磁阻电机的转矩控制特性，从而降低开关磁阻电机运行的空气噪声，减小开关磁阻电机运行的高频机械抖动。

Description

一种开关磁阻电机的降噪控制方法及系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机的降噪控制方法及系统。

背景技术

开关磁阻电机是一种利用磁阻效应的新型调速电机，调速系统一般采用电力电子功率开关管组成的H桥型电路为基础，单H桥为开关磁阻电机的一相驱动；其具有直流系统调速范围宽和交流系统成本低适应范围广的优点，是继交流变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的新一代无级调速系统。开关磁阻电机组成的电机系统，调速范围宽，调速性能优异，调速系统没有电力电子开关管功率桥臂短路风险，控制中不需要插入死区，减小了不必要的损耗，在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。

开关磁阻电机的本体结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围数十W～数MW的各种高低速驱动调速系统。开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用(电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域)。

由于开关磁阻电机利用磁阻效应的机理工作，开关磁阻电机绕组电感随转子位置不同而非线性变化，其总的输出电磁转矩为各相绕组转矩的合成，每相转矩与此相绕组的定子电感以及电流相关，为非线性，故存在较大的转矩脉动，从而运行中存在较大的空气及机械噪声。

开关磁阻电机的转矩脉动，主要来源于换相过程，换相过程中，关断相电流按指数形式缓慢减小，其转矩急剧减小；而开通相转矩未完全建立，总的输出转矩存在较大的凹陷，尤其是中低速范围内重载条件下，转矩波动更加巨大。运行在中低速范围内时，其反电势低，关断角可以尽量接近转速方向上的电感上升区末端，通过绕组负压能有足够的时间进行绕组能量泄放，而不会造成电流拖尾，从而引起负转矩而降低开关磁阻电机运行效率；在中高速范围内，其反电势高，需适当提前关断，以给绕组足够的时间进行能量泄放，但此时因转速较高，换相转矩脉动频率高，由其产生的空气噪声和机械振动频率高，影响相对小。因此要着重减小中低速的换相转矩脉动。

发明内容

鉴于开关磁阻电机系统运行中存在以上问题，本发明提出一种开关磁阻电机的降噪控制方法及系统，通过对开关磁阻电机总的输出转矩控制，动态调整各相的开关激励状态，尤其是换相过程中的开关状态，保持输出转矩基本恒定，从而减小噪声；经过实际运转测试，验证了本方案的可行性和稳定性。

本发明通过以下内容实现：

一种开关磁阻电机降噪控制方法，所述方法包括：

通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

优选的，所述换相角调整包括：基于开通与关断角度值随着转速提高线性超前、导通角度随着转速提高而线性减小的变化规律提高转速，直至开通与关断角度值达到最大超前值，导通角度达到最小导通角度范围；

将开关磁阻电机每一相的开通阶段划分为导通角度范围内的正常开通阶段和从关断角起始点至运行方向上定子电感最大值起始点的换相过渡阶段；

其中，所述定子电感最大值起始点根据开关磁阻电机的定转子极弧系数进行确定。

优选的，所述电压调整包括：所述开关磁阻电机各相是由2个功率MOS管和2个二极管组成的非对称H桥型电路；调压时，针对功率MOS管和功率二极管组成的非对称H桥，采用上管定频高频调节、下管常开机制，正常满压调节时，采用非定频调节方式进行电压调整。

优选的，所述实时控制开关磁阻电机输出的总转矩包括：采用转速外环与转矩内环DITC控制双闭环策略，将转速外环输出的目标总转矩值作为转矩内环DITC控制的输入，通过动态调整所述转矩内环DITC控制的输出，使得开关磁阻电机输出的总转矩达到开关磁阻电机的目标转矩。

进一步地，获取所述转速外环输出的目标总转矩值包括：采样开关磁阻电机位置传感器信息，计算实时转速，通过转速PI调节，调节器输出得到开关磁阻电机的目标转矩。

进一步地，所述转矩内环DITC控制包括：采样开关磁阻电机各相实时角度和各相电流值，采用转矩、电流标幺化算法，针对不同电流峰值、不同转矩峰值的开关磁阻电机，以最大值十进制为标幺化目标进行标幺化运算，确定各自在预先定义的转矩-角度-电流T-θ-i关系曲线中的角度下标和电流下标，根据角度和电流下标查找相应相的开关磁阻电机实际转矩；得到每相的实际转矩值后，经过合成获得实际总转矩值；

通过对比获得所述实际总转矩值与目标总转矩值之间的转矩差值，并将所述转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态；根据当前状态下的转子角度驱动三相功率桥，继而驱动开关磁阻电机，完成转矩内环DITC控制。

进一步地，所述将实时总转矩控制为开关磁阻电机目标转矩包括：在开关磁阻电机每相开通且实际总转矩值未达到目标总转矩值之前，采用降压控制；到达后，采用全压控制，减小开通瞬间的电流过冲。

进一步地，所述将转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态包括：在非换相运行状态时，设二级滞环的第一级和第二级滞环值分别为ΔT_Low和ΔT_High，通过如下式所示的二级滞环算法计算开关磁阻电机绕组开关状态，NC表示状态不改变，且0＜ΔT_Low＜ΔT_High：

其中，1、0、-1分别表示开关磁阻电机绕组的工作状态：工作状态“1”表示开关磁阻电机绕组供电，Q1和Q2开通，电流方向为“V_s+→Q1→L_a→Q2→R_s→V_s-”，此状态下开关磁阻电机绕组加正压，电流上升，能量从电源往电机内转移；工作状态“0”表示Q1关断，Q2开通，电流方向为“D1→L_a→Q2→D1”，此状态下，开关磁阻电机绕组电流自然续流，由于绕组电阻作用，电流缓慢下降；工作状态“-1”表示Q1和Q2都关断，电流方向为“V_s-→R_s→D1→L_a→D2→V_s+”，此状态下，开关磁阻电机绕组加负压，绕组电流快速下降，绕组储能能量由电机往电源转移；Q1和Q2均为功率MOS管，用于通过电源V_s给开关磁阻电机绕组L_a供电，D1和D2是开关磁阻电机绕组续流二极管，R_s是开关磁阻电机绕组采样电阻。

优选的，所述换相控制包括：在换相过程中，采用高频调压与满压斩波结合的方式，对待开通相采用高频调压，降低绕组电压，采用恒定低压供电，减小过冲电流；对待关断相采用满压斩波方式，转矩过大则使用“-1”开关状态，转矩过小则使用“1”开关状态，转矩在预设范围内则使用“0”开关状态。

一种开关磁阻电机降噪控制系统，所述系统包括：

运行控制单元，用于通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

转矩换相控制单元，用于采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

输出转矩恒定单元，以实现经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

本发明的有益效果体现在：

本发明提供的一种开关磁阻电机降噪控制方法及系统，对比其它现有技术，具有以下优势：

控制算法简易，维护简单，对于同一种定转子结构的开关磁阻电机，在T-θ-i曲线特性一致条件下，该算法能提供通用的算法核心，与其他类型的DITC算法相比，不需要定子磁链参与运算；

采用转矩、电流标幺化算法，对不同电流峰值、不同转矩峰值的开关磁阻电机，都以最大值十进制32767为标幺化目标输出，算法实现通用性强；

中低速运行时，可根据功率电力电子器件的最大开关速度、散热情况，选定总转矩控制精度，选择转矩、开关损耗最合适的控制精度，最大限度发挥开关磁阻电机与功率电力电子器件的容量；开关磁阻电机输出转矩稳定，噪音小；

针对开关磁阻电机结构相关的极弧系数，确定换相过程参数，采用高频转矩控制策略，动态限制电流，减小可能的电流过冲，可靠保护功率电力电子器件及开关磁阻电机定子绕组，从原则上防止发生过流情况；

整个转速运行范围内，转速连续可调，转矩精确可控，动态响应快，速度精度和转矩精度高，具有很好的负载适应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明具体实施方式提供的6-4定转子结构的开关磁阻电机电路结构及开关状态定义示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的6-4定转子结构的开关磁阻电机导通相序及角度控制示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的6-4定转子结构的开关磁阻电机转矩控制算法结构图；

图4是本发明具体实施方式提供的6-4定转子结构的开关磁阻电机位置换相控制算法说明示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的转矩与电流标幺化处理说明示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的定转子极弧系数及开关点定义示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的一种开关磁阻电机降噪控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本发明具体实施方式提供一种开关磁阻电机的降噪控制方法及系统，其主要目的是为了解决开关磁阻电机由于转矩脉动，尤其是换相转矩脉动，造成的运行空气噪声、机械振动问题，并且它是限制开关磁阻电机应用场景的一个重要原因，在一些对运行噪声要求高的场合，不能使用开关磁阻电机。基于此，本发明通过一种软件控制方法及系统实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，使总转矩波动在可以接受的范围内，从而减小换相转矩脉动，降低噪声。

为了实现上述目的，本发明提供的一种开关磁阻电机的降噪控制方法具体如下：电路结构上，采用功率MOS管和超快恢复二极管组成非对称H桥，调压时采用H桥上管定频高频调节、下管常开机制；正常满压调节时，采用非定频调节方式。其电路结构和开关定义如图1所示。

对开关磁阻电机的运行控制，采用角度与电压相结合的控制，开通角、换相开始角随转速提高而超前；导通角度，随转速提高而减小；换相结束角固定，尽量发挥正转矩区域范围，提高开关磁阻电机运行效率。每相刚开始导通时，电感未储能，电感处于最小区域范围，而转矩此时也最小，不能施加高电压，否则将出现电流过程；每相刚开始关断时，电感储能，反电势大，电感处于上升区结尾段，电流上升律低，此时为发挥开关磁阻电机绕组性能，可以输入高电压。其导通方式及导通角变化情况，可见图2所示。开关磁阻电机各相的激励状态，分为3个：关断态、开通状态(电压+转矩调节与单纯转矩调节两种开通状态)、换相状态。其中在换相过程中，实时控制开关磁阻电机总转矩，其激励状态可能在开通、关断、自然续流三种中切换，具体过程见图4。

采用转速—转矩双闭环策略，采样开关磁阻电机位置传感器信息，计算实时转速，通过转速PI调节，调节器输出得到开关磁阻电机目标转矩；采样开关磁阻电机各相电流值，根据开关磁阻电机的T-θ-i关系表，并且电流最大值、转矩最大值都采用以最大电流、最大转矩为标幺化运算，以适合不同功率但同样结构特性参数开关磁阻电机；得到开关磁阻电机每相的实时转矩值后，并组合形成电机实时总转矩，称为直接瞬时转矩控制(DITC)；通过对实时总转矩进行滞环控制，将实时总转矩控制为开关磁阻电机目标转矩，实现对转矩的闭环控制。上述转矩的闭环控制规则如下图3。

开关磁阻电机换相过程中，电感处于最小值区域，如图2中所示L-θ的关系曲线，尤其是中低转速时，反电势小，绕组电压如果太高，容易产生很大的电流冲击，引起过流误动作保护，严重的将影响功率器件安全性。定义“待开通相”为换相过程中从不开通到开通转化的相；“待关断相”为换相过程中从开通到不开通转化的相。

当“待开通相”电流建立过程中，转矩处于最小值区域，而此时“待关断相”刚好处于电流下降阶段，转矩处于下降阶段，这将引起总转矩的降低，为了维持转矩不变，需要动态调整换相过渡过程中的两相绕组的电流值，使“待关断相”在“-1”、“0”、“1”状态中动态切换，而“待开通相”则尽量维持电压，尽快建立转矩电流并维持恒定；而在稳定开通状态，电感上升区，假定在此段时间内，转速不变，绕组中加一个恒定电压时，电流将持续减小，按稳态时每相的瞬时转矩计算式

可知，每相转矩减小，此时为了维持转矩

不变，需要调高开关磁阻电机绕组端电压。为解决此问题，在换相过程中，本发明采用高频调压与满压斩波结合的方式，即“待开通相”采用高频调压，降低绕组电压，采用恒定低压供电，从而减小过冲电流；对“待关断相”采用满压斩波方式，转矩过大则使用“-1”开关状态，转矩过小则使用“1”开关状态，转矩在一定范围内则使用“0”开关状态。换相控制过程如图4。

基于上述发明技术构思，本发明提供一种开关磁阻电机降噪控制方法，如图7所示，所述方法的执行步骤具体包括：

S1通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

S2采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

S3经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

步骤S1中，所述换相角调整包括：基于开通与关断角度值随着转速提高线性超前、导通角度随着转速提高而线性减小的变化规律提高转速，直至开通与关断角度值达到最大超前值，导通角度达到最小导通角度范围；

将开关磁阻电机每一相的开通阶段划分为导通角度范围内的正常开通阶段和从关断角起始点至运行方向上定子电感最大值起始点的换相过渡阶段；

其中，所述定子电感最大值起始点根据开关磁阻电机的定转子极弧系数进行确定。

步骤S1中，所述电压调整包括：所述开关磁阻电机各相是由2个功率MOS管和2个二极管组成的非对称H桥型电路；调压时，针对功率MOS管和功率二极管组成的非对称H桥，采用上管定频高频调节、下管常开机制，正常满压调节时，采用非定频调节方式进行电压调整。

步骤S2中，所述实时控制开关磁阻电机输出的总转矩包括：采用转速外环与转矩内环DITC控制双闭环策略，将转速外环输出的目标总转矩值作为转矩内环DITC控制的输入，通过动态调整所述转矩内环DITC控制的输出，使得开关磁阻电机输出的总转矩达到开关磁阻电机的目标转矩。

其中，获取所述转速外环输出的目标总转矩值包括：采样开关磁阻电机位置传感器信息，计算实时转速，通过转速PI调节，调节器输出得到开关磁阻电机的目标转矩。

所述转矩内环DITC控制包括：采样开关磁阻电机各相实时角度和各相电流值，采用转矩、电流标幺化算法，针对不同电流峰值、不同转矩峰值的开关磁阻电机，以最大值十进制为标幺化目标进行标幺化运算，确定各自在预先定义的转矩-角度-电流T-θ-i关系曲线中的角度下标和电流下标，根据角度和电流下标查找相应相的开关磁阻电机实际转矩；得到每相的实际转矩值后，经过合成获得实际总转矩值；

通过对比获得所述实际总转矩值与目标总转矩值之间的转矩差值，并将所述转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态；根据当前状态下的转子角度驱动三相功率桥，继而驱动开关磁阻电机，完成转矩内环DITC控制。

所述将实时总转矩控制为开关磁阻电机目标转矩包括：在开关磁阻电机每相开通且实际总转矩值未达到目标总转矩值之前，采用降压控制；到达后，采用全压控制，减小开通瞬间的电流过冲。

所述将转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态包括：在非换相运行状态时，设二级滞环的第一级和第二级滞环值分别为ΔT_Low和ΔT_High，通过如下式所示的二级滞环算法计算开关磁阻电机绕组开关状态，NC表示状态不改变，且0＜ΔT_Low＜ΔT_High：

其中，1、0、-1分别表示开关磁阻电机绕组的工作状态：工作状态“1”表示开关磁阻电机绕组供电，Q1和Q2开通，电流方向为“V_s+→Q1→L_a→Q2→R_s→V_s-”，此状态下开关磁阻电机绕组加正压，电流上升，能量从电源往电机内转移；工作状态“0”表示Q1关断，Q2开通，电流方向为“D1→L_a→Q2→D1”，此状态下，开关磁阻电机绕组电流自然续流，由于绕组电阻作用，电流缓慢下降；工作状态“-1”表示Q1和Q2都关断，电流方向为“V_s-→R_s→D1→L_a→D2→V_s+”，此状态下，开关磁阻电机绕组加负压，绕组电流快速下降，绕组储能能量由电机往电源转移；Q1和Q2均为功率MOS管，用于通过电源V_s给开关磁阻电机绕组L_a供电，D1和D2是开关磁阻电机绕组续流二极管，R_s是开关磁阻电机绕组采样电阻。

步骤S2中的换相控制包括：在换相过程中，采用高频调压与满压斩波结合的方式，对待开通相采用高频调压，降低绕组电压，采用恒定低压供电，减小过冲电流；对待关断相采用满压斩波方式，转矩过大则使用“-1”开关状态，转矩过小则使用“1”开关状态，转矩在预设范围内则使用“0”开关状态。

基于上述步骤S1—步骤S3的相同技术构思，本发明还提供一种开关磁阻电机降噪控制系统，包括：

运行控制单元，用于通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

转矩换相控制单元，用于采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

输出转矩恒定单元，以实现经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

上述具体实施方式针对开关磁阻电机固有的换相转矩脉动问题，优化开关磁阻电机的转矩控制特性，从而降低开关磁阻电机运行的空气噪声，减小开关磁阻电机运行的高频机械抖动。

开关磁阻电机的转矩脉动，主要来源于换相过程。换相过程中，关断相转矩呈下降趋势，开通相转矩此时未完全建立，导致换相过程中总转矩下降，从而造成转矩脉动。本发明分析了转矩脉动的原因、换相过程中各相转矩的特性、转矩与位置和电流的关系，通过对各相的高频转矩识别及总转矩合成算法，维持换相过程中总转矩基本稳定；同时根据开关磁阻电机的定转子极弧系数、电感范围，采用调整电压与调整转矩同步的机制，既充分利用电压输出功率，又减小换相过程中的电流冲击，减小开关磁阻电机的电流应力，从而达到在保证开关磁阻电机系统安全基础上降低转矩脉动的目的。

上述具体实施方案可直接应用于中小功率开关磁阻电机转速调节的场合，尤其是对开关磁阻电机的中低速负载转矩脉动及噪声要求高的场合。

实施例1：

本发明实施1选择了一种定子6槽，转子4齿的开关磁阻电机为试验对象，以下简称开关磁阻电机或试验电机。

1、如图1所示，是应用于本专利开关磁阻电机的一相绕组驱动控制的功率开关管原理图，定义为功率非对称H桥。图中Q1和Q2是功率MOS管，用于通过电源V_s给开关磁阻电机绕组L_a供电，D1和D2是开关磁阻电机绕组续流二极管，R_s是开关磁阻电机绕组采样电阻。定义开关磁阻电机绕组L_a的三种工作状态：1、0、-1，其他绕组等同，分别如下：

①“1”状态：开关磁阻电机绕组L_a供电，Q1和Q2开通，电流方向为“V_s+→Q1→L_a→Q2→R_s→V_s-”，此状态下开关磁阻电机绕组加正压，电流上升，能量从电源往电机内转移；

②“0”状态：Q1关断，Q2开通，电流方向为“D1→L_a→Q2→D1”，此状态下，开关磁阻电机绕组电流自然续流，由于绕组电阻作用，电流缓慢下降；

③“-1”状态：Q1和Q2都关断，电流方向为“V_s-→R_s→D1→L_a→D2→V_s+”，此状态下，开关磁阻电机绕组加负压，绕组电流快速下降，绕组储能能量由电机往电源转移。

2、如图2所示，是6-4定转子结构的三相开关磁阻电机的导通示意图。图中L_A、L_B、L_C为三相开关磁阻电机的电感随开关磁阻电机转子位置角度变化，H1、H2、H3为位置传感器信号与开关磁阻电机转子位置角度的关系，i_A、i_B、i_C为三相绕组电流，红、绿、黄的字母为三相导通相序和运转方向与电机转子位置角度的关系。以正转为例，每相的通电角度范围为电感上升区域，如位置码为5时，L_B处于上升阶段，L_A和L_C处于下降阶段，因此B相通电，此时i_B电流为正。其余依次类推。

开关磁阻电机是变电感电机，随着等效占空比增加，相电感储能增加，转速越高，导通相电感电流的下降时间相对于换相过渡时间的比率越来越长；如果需要关断的相电流未降到零时下一相导通，会出现负转矩，因此开关磁阻电机的导通控制需要根据转速、负载进行调节，一般情况下，随着转速提高，尾部15°区间会往反方向移动，且维持的角度会小于15°，本发明实施例中取10°；同时，首部导通开始角度会随着转速提高而往反方向移动，提前导通，但不能提前到定子电感的下降区。

根据定转子极弧系数，对于开关位置，定义三个点：开通点、关断开始点、关断结束点，如下图6，A1点定义为角度0位置点，以A相为例：

①开通点θ_start：一般情况下，A1点为此相绕组开始通电位置点；随着转速提高，开通点提前，但不能超过图6中的A0点，即A0～A1区域为开通点区域；本发明取[-8.0°,0°]区域，设开通点提前开始转速为n_{A_start}，开通点提前结束转速为n_{A_stop}，当前转速为n_r，则实时开通点为：

②关断开始点θ_{stop_start}：图6中的A5点，为此相关断开始点；随着转速提高，开通点提前，最终位置一般为图6中的A3点，即A3～A5区域为关断开始点区域；本发明取相导通角度范围为38°，设关断开始点提前开始转速为n_{s_start}，关断开始点提前结束转速为n_{S_stop}，当前转速为n_r，则实时关断开始点为：

③关断结束点θ_{stop_stop}：图6中的A4～A6区域，是转矩为0的区域，A6点之后，是负转矩区域，即A4～A6区域为关断结束点区域；这里关断开始点位置与关断结束点位置可以重合，但关断开始点位置＜关断结束点位置；超过关断结束点，应该快速关断，绕组工作状态为“-1”。

3、6-4定转子结构的开关磁阻电机直接瞬时控制算法(DITC)及其实现本发明的主要核心算法流程如图3、4、5所示。

3.1、开关磁阻电机转矩、电流标幺化处理算法及T-θ-i特性曲线表

本发明采用电流、转矩标幺化处理策略，将电流、转矩都按十进制32767进行标幺化处理，所有控制过程都采用此方式，以提高程序算法的适应性，便于程序维护。

任意时刻各相的转矩值，与此相的转子角度θ、定子瞬时电流i_s相关，每一相的转矩、角度、电流的关系做成T-θ-i的二维表格，存在CPU的Flash中；其中转子角度θ维度分辨率为4°，共90级，按[-180°,180°]标幺化为[-32768,32767]；而定子瞬时电流i_s维度分辨率为

共16级；表格为90行16列，共1440个值，根据每一个相电流瞬时值和转子角度值，可以得到此相的瞬时转矩，三相瞬时转矩的和即为总瞬时转矩。标幺及T-θ-i表格处理过程如图5所示。本发明选择试验的开关磁阻电机最大电流为I_max＝6A，对应的最大转矩为T_max＝2Nm，即6A对应电流的32767，2Nm对应转矩的32767，任一时刻的转矩和电流的标幺值为：

电流标幺值：

转矩标幺值：

得到开关磁阻电机相电流i_x与转子角度θ_x后，计算T-θ-i二维表中θ和i_s下标：

角度下标：

电流下标：

通过角度和电流下标可查表得对应相的转矩，进而合成为总转矩如下：

3.2、开关磁阻电机转矩控制算法

开关磁阻电机转矩控制算法如图3所示，采用转速外环与转矩内环DITC控制双闭环算法。其中转速外环为低速控制环，控制频率为1kHz；转矩内环为高频控制环，频率为40kHz，利于消除换相及运行过程中的电流过冲。

转速外环给定

V_ref为外部输入，与开关磁阻电机实际转速⑩V_r作差处理①后，得到转速偏差

进行②PI调节；调节器输出为给定转矩

T_ref。

转矩内环DITC控制算法采用滞环调节，且采用二级滞环。如上述2.1所述的方式，根据开关磁阻电机转子角度

θ和相电流

得到开关磁阻电机瞬时总转矩后③T_total；

T_ref给定与③T_total作差处理④，得到转矩差值，送入滞环调节器⑤中；在非换相运行状态时，设二级滞环的第一级和第二级滞环值分别为ΔT_Low和ΔT_High，二级滞环算法如下，式中输出为开关磁阻电机绕组开关状态，NC表示状态不改变，且0＜ΔT_Low＜ΔT_High：

滞环输出⑥后，根据转子角度

θ驱动三相功率桥⑦，驱动开关磁阻电机⑧，完成DITC控制算法。

3.3、开关磁阻电机换相控制算法

开关磁阻电机换相控制算法如图4所示，完成换相过程，是减小开关磁阻电机噪声的关键，图中的虚线1为给定总转矩值T_ref，波动的实线2为瞬时总转矩T_total；控制的目标是通过DITC二级滞环控制，设定转矩变化上下限ΔT_Low和ΔT_High，使得T_total在T_ref附近波动，不产生较大的噪声转矩；同时，DITC转矩控制的频率应该满足功率MOS的开关速度要求，开关损耗和导通损耗应满足系统散热的容量，也满足试验电机电气、机械常数要求。DITC二级滞环控制频率越高，转矩脉动越小，效果越好，但过高的频率可能会导致功率MOS发热严重；反之会导致转矩波动大，本发明选择40kHz为控制频率，比较折中。具体实现过程如下。

①t0～t1：A相单独提供总转矩，B相关断，一般情况下A相的开关状态在“0”——“1”间切换；

②t1～t2：开始A→B换相过程，A相进入“0”状态，B相进入“1”状态，总转矩下降，在t2时刻，转矩下降到了下限，即T_total＜T_ref-ΔT_High，此时总转矩T_total不足，A相仍处于电感上升区，具有较大的转矩能力，故t2时刻，A相切换到“1”状态，转矩快速提升；

③t2～t3：此阶段由于A相转矩上升快，导致T_total转矩快速提升，到达t3时刻，T_total＞T_ref+ΔT_Low，转矩超出上升下限值，此时A相进入“0”状态，B相持续“1”状态，以使得B相转矩尽快提供总转矩值；

④t3～t4：由于此时A相电流缓慢下降，故A相仍提供较大转矩，而B相转矩越来越大，导致在t4时刻，总转矩T_total过大，T_total＞T_ref+ΔT_High，此时A相进入“-1”状态，电流快速下降，转矩快速下降；B相进入“0”状态，电流缓慢下降；

⑤t4～t5：A、B相转矩都下降，在t5时刻，T_total过小，T_total＜T_ref-ΔT_Low，A相进入“0”状态，B相进入“1”状态，转矩又开始提升；

⑥t5～t6：与上述t1～t2类似；

⑦上述过程重复，一直到t15状态，即B相转矩可以完全支撑T_total，换相结束；

⑧t15～t16：换相完成，B相单独提供转矩，与上述t0～t1相同。

上述换相过程中，B相处于小电感，不适合加较大电压，因此B相电压是缓慢提升的，以免过流；A相处于大电感区，且电感上升，同时为了让A相快速完成过渡，因此A相加电压较大。

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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于，所述方法包括：

通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述换相角调整包括：基于开通与关断角度值随着转速提高线性超前、导通角度随着转速提高而线性减小的变化规律提高转速，直至开通与关断角度值达到最大超前值，导通角度达到最小导通角度范围；

将开关磁阻电机每一相的开通阶段划分为导通角度范围内的正常开通阶段和从关断角起始点至运行方向上定子电感最大值起始点的换相过渡阶段；

其中，所述定子电感最大值起始点根据开关磁阻电机的定转子极弧系数进行确定。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述电压调整包括：所述开关磁阻电机各相是由2个功率MOS管和2个二极管组成的非对称H桥型电路；调压时，针对功率MOS管和功率二极管组成的非对称H桥，采用上管定频高频调节、下管常开机制，正常满压调节时，采用非定频调节方式进行电压调整。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述实时控制开关磁阻电机输出的总转矩包括：采用转速外环与转矩内环DITC控制双闭环策略，将转速外环输出的目标总转矩值作为转矩内环DITC控制的输入，通过动态调整所述转矩内环DITC控制的输出，使得开关磁阻电机输出的总转矩达到开关磁阻电机的目标转矩。

5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：获取所述转速外环输出的目标总转矩值包括：采样开关磁阻电机位置传感器信息，计算实时转速，通过转速PI调节，调节器输出得到开关磁阻电机的目标转矩。

6.根据权利要求4所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述转矩内环DITC控制包括：采样开关磁阻电机各相实时角度和各相电流值，采用转矩、电流标幺化算法，针对不同电流峰值、不同转矩峰值的开关磁阻电机，以最大值十进制为标幺化目标进行标幺化运算，确定各自在预先定义的转矩-角度-电流T-θ-i关系曲线中的角度下标和电流下标，根据角度和电流下标查找相应相的开关磁阻电机实际转矩；得到每相的实际转矩值后，经过合成获得实际总转矩值；

通过对比获得所述实际总转矩值与目标总转矩值之间的转矩差值，并将所述转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态；根据当前状态下的转子角度驱动三相功率桥，继而驱动开关磁阻电机，完成转矩内环DITC控制。

7.根据权利要求6所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述将实时总转矩控制为开关磁阻电机目标转矩包括：在开关磁阻电机每相开通且实际总转矩值未达到目标总转矩值之前，采用降压控制；到达后，采用全压控制，减小开通瞬间的电流过冲。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述将转矩差值输入滞环调节器，通过滞环控制输出开关磁阻电机绕组开关状态包括：在非换相运行状态时，设二级滞环的第一级和第二级滞环值分别为ΔT_Low和ΔT_High，通过如下式所示的二级滞环算法计算开关磁阻电机绕组开关状态，NC表示状态不改变，且0＜ΔT_Low＜ΔT_High：

其中，1、0、-1分别表示开关磁阻电机绕组的工作状态：工作状态“1”表示开关磁阻电机绕组供电，Q1和Q2开通，电流方向为“V_s+→Q1→L_a→Q2→R_s→V_s-”，此状态下开关磁阻电机绕组加正压，电流上升，能量从电源往电机内转移；工作状态“0”表示Q1关断，Q2开通，电流方向为“D1→L_a→Q2→D1”，此状态下，开关磁阻电机绕组电流自然续流，由于绕组电阻作用，电流缓慢下降；工作状态“-1”表示Q1和Q2都关断，电流方向为“V_s-→R_s→D1→L_a→D2→V_s+”，此状态下，开关磁阻电机绕组加负压，绕组电流快速下降，绕组储能能量由电机往电源转移；Q1和Q2均为功率MOS管，用于通过电源V_s给开关磁阻电机绕组L_a供电，D1和D2是开关磁阻电机绕组续流二极管，R_s是开关磁阻电机绕组采样电阻。

9.根据权利要求1所述的开关磁阻电机降噪控制方法，其特征在于：所述换相控制包括：在换相过程中，采用高频调压与满压斩波结合的方式，对待开通相采用高频调压，降低绕组电压，采用恒定低压供电，减小过冲电流；对待关断相采用满压斩波方式，转矩过大则使用“-1”开关状态，转矩过小则使用“1”开关状态，转矩在预设范围内则使用“0”开关状态。

10.一种开关磁阻电机降噪控制系统，其特征在于，所述系统包括：

运行控制单元，用于通过调整换相角和电压，控制开关磁阻电机运行；

转矩换相控制单元，用于采用开关磁阻电机转矩控制与换相控制相结合的方式，通过实时控制开关磁阻电机输出的总转矩，动态调整开关磁阻电机各相开关激励状态；

输出转矩恒定单元，以实现经过动态调整后的各相开关换相转矩脉动减小，开关磁阻电机运行的空气噪声和机械振动随之减小，使得总转矩波动处于预设范围内。

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