CN115037221A - 基于自适应导通角tsf的开关磁阻电机ditc控制系统 - Google Patents

基于自适应导通角tsf的开关磁阻电机ditc控制系统 Download PDF

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任萍
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郭昭言
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Abstract

本发明公开了一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统，具体包括：转矩分配函数模块、导通角计算模块、扇区判断模块、电压状态选择模块、转矩计算模块、功率变换器、速度PI控制器和转矩滞环控制器。该系统对开关磁阻电机的传统直接瞬时转矩控制进行了改进，在引入了转矩分配函数模块的基础上，利用换相重叠角、开通角和关断角对扇区进行了重新划分，并给出了不同扇区对应的电压状态选择表。另外，设计了导通角计算函数，在电机给定转速和负载转矩的不同的情况下，导通角计算函数所求得的开通角和关断角不同，因此所划分的扇区位置以及转矩分配函数所分配的转矩波形会随着开通角和关断角的改变而改变，实现了自适应控制。该发明在降低开关磁阻电机转矩脉动的同时，避免了负转矩的产生，同时也提高了运行效率。

Description

基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统。
背景技术
由于开关磁阻电机及其驱动系统性能优越，调速性能好、结构简单的特性，目前已成功应用在电动汽车、航天工业等领域。但由于开关磁阻电机独特的双凸极结构和脉冲式的供电方式导致其具有很大的转矩脉动，限制了其应用发展。传统的直接瞬时转矩控制采用固定的开通角和关断角控制，虽然在一定程度上减小了电机的转矩脉动，但需要大量的仿真和实验来选取合适的开关角，过程繁琐。若选取的开关角不合适，不仅会增大电机的转矩脉动，而且还会降低电机的效率。
申请号为(CN201810170212.2)名称为：一种高效率开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法的专利中，对换相重叠区进行了重新划分，使其在换相时依据励磁相和退磁相转矩电流比高低以及电流过渡需求来确定电机的励磁模式，优先对转矩电流比高的相进行励磁。该方法虽然在减小转矩脉动的同时提高了效率，但在实际运行中固定的开关角仍然无法达到理想的控制效果。开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制方法通过磁路饱和系数对换相区的合成转矩进行修正来优化转矩计算模块，进而得到更精准的转矩值来抑制转矩脉动，但是没有考虑到开关角的因素。基于关断角优化的开关磁阻电机转矩控制方法及系统主要采用固定开通角，利用神经网络方法对不同转速下的关断角进行寻优。该方法实现了大转速范围内转矩脉动最小化，但需要预先在不同转速下获取转矩脉动最小值下的关断角做为神经网络数据进行训练，过程繁琐且不易于实现，因此该方法得不到广泛的应用。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统，具体包括：位置传感器模块、速度PI控制器、导通角计算模块、转矩分配函数模块、扇区判断模块、转矩计算模块、转矩滞环控制器、电压状态选择模块和功率变换器；
所述位置传感器模块实时检测电机运行过程中的实际转子位置角度；
所述速度PI控制器根据电机给定转速与实际转速的差值经过PI控制输出总参考转矩值；
所述导通角计算模块根据不同的给定转速和负载转矩值、通过导通角计算函数求取最优的开通角和关断角；
所述转矩分配函数模块基于重叠角、开通角和关断角、总参考转矩值以及实际转子位置角度，通过函数分配得到各相参考转矩值；
所述扇区判断模块首先基于重叠角、开通角和关断角预先划分扇区，然后通过位置传感器模块输出的实际转子位置来判断所处的扇区位置；
所述转矩计算模块在电机运行过程中通过实时检测的电流值和实际转子位置角度，通过对转矩、电流、角度特性表进行插值处理获得实际相转矩值；
所述转矩滞环控制器接收转矩分配函数模块传送的相参考转矩值和转矩计算模块传送的实际相转矩值并将二者做差，如果差值大于滞环上限值则输出1表示转矩需要增加，如果差值小于滞环下限值则输出0表示转矩需要减小；
所述电压状态选择模块根据扇区判断模块传送的扇区位置和转矩滞环控制器输出的转矩增减信号，通过查询电压状态选择表来选取最优的电压状态给功率变换器模块；
所述功率变换器采用不对称半桥式的变换器来控制开关磁阻电机运行。
进一步的，在电机实际运行过程中所述导通角计算模块根据不同的转速值和负载转矩值实时改变电机DITC控制系统的开通角和关断角的大小，电机的开通角θon和关断角θoff需要满足如下公式：
θoff-θon≤2π/(Nr·m) (3)
其中，m为电机的相数，Nr为转子极数；
忽略绕组压降，开关磁阻电机的相电压方程如公式(4)所示，在开通角θon和定转子刚重叠的位置θ1u位置对公式(4)两边进行积分得到公式(5)，通过磁链和转矩反查表得到公式(6)；
Uk＝dψ/dt＝(dψ/dθ)·ω (4)
Figure BDA0003658014720000021
Figure BDA0003658014720000031
其中，T1u为转子位置为θ1u对应的参考转矩值，ψ(θ1u,T1u)为转矩和转子位置分别为T1u和θ1u对应的磁链值，ψ(θon,Ton)约等于0，根据公式(6)推导出开通角的计算公式，如公式(7)所示，对于一台三相12/8电机，根据公式(3)可选取关断角的计算公式，如公式(8)所示。
Figure BDA0003658014720000032
θoff＝θon+15° (8)
进一步的，所述扇区判断模块首先利用开通角、关断角以及重叠角预先将一个转子位置周期划分成三个换相重叠区和三个单相导通区，其中扇区的位置可根据导通角的改变进行自适应控制，根据电机运行过程中实时采集的实际转子位置大小来判断所在的扇区位置。
进一步的，所述电压状态选择模块根据转子位置所处的扇区和转矩滞环控制器的输出信号通过查询电压状态选择表选出合适的电压状态传送至功率变换器从而控制电机的运行。
进一步的，所述转矩滞环控制器模块只需要设置一个滞环宽度，与传统DITC控制系统需要设置两个滞环宽度相比，滞环规则更加简单直接，减小开关频率且易于硬件实现。
进一步的，根据导通角计算模块的输出值的变化从而改变转矩分配函数模块和扇区判断模块的开通角和关断角的值，进而来实时改变转矩分配函数的波形以及扇区的分配位置。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统，该系统对开关磁阻电机的传统直接瞬时转矩控制进行了改进，在引入了转矩分配函数模块的基础上，利用重叠角、开通角和关断角对扇区进行了重新划分，并给出了不同扇区对应的电压状态选择表。本发明还设计了导通角计算函数，在电机给定转速和负载转矩的不同的情况下，导通角计算函数所求得的开通角和关断角不同，因此扇区判断模块所划分的扇区位置以及转矩分配函数模块所分配的转矩波形会随着开关角的改变而改变，实现了导通角的自适应控制。该发明在降低开关磁阻电机转矩脉动的同时，提高了运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本发明系统的结构框图
图2为本发明中开通角计算模块的工作原理图
图3为本发明中扇区判断模块的扇区划分及判断过程示意图
图4为本发明中电流波形和转子位置角的关系示意图
图5为本发明中低速时传统DITC和所提出方法的波形对比示意图
图6为本发明中高速时传统DITC和所提出方法的波形对比示意图
图7为本发明中开通角变化图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统，包括位置传感器模块、速度PI控制器、导通角计算模块、转矩分配函数模块、扇区判断模块、转矩计算模块、转矩滞环控制器、电压状态选择模块和功率变换器。
所述位置传感器模块实时检测电机运行过程中的实际转子位置角度；
所述速度PI控制器根据电机给定转速与实际转速的差值经过PI控制输出总参考转矩值；
所述导通角计算模块根据不同的给定转速和负载转矩值、通过导通角计算函数求取最优的开通角和关断角；
所述转矩分配函数模块基于重叠角、开通角和关断角、总参考转矩值以及实际转子位置角度，通过函数分配得到各相参考转矩值；
所述扇区判断模块首先基于重叠角、开通角和关断角预先划分扇区，然后通过位置传感器模块输出的实际转子位置来判断所处的扇区位置；
所述转矩计算模块在电机运行过程中通过实时检测的电流值和实际转子位置角度，通过对转矩、电流、角度特性表进行插值处理获得实际相转矩值；
所述转矩滞环控制器接收转矩分配函数模块传送的相参考转矩值和转矩计算模块传送的实际相转矩值并将二者做差，如果差值大于滞环上限值则输出1表示转矩需要增加，如果差值小于滞环下限值则输出0表示转矩需要减小；
所述电压状态选择模块根据扇区判断模块传送的扇区位置和转矩滞环控制器输出的转矩增减信号，通过查询电压状态选择表来选取最优的电压状态给功率变换器模块；
所述功率变换器采用不对称半桥式的变换器来控制开关磁阻电机的运行。
其中转速误差信号通过速度PI控制器输出总参考转矩值，总参考转矩值根据TSF合理的分配给各相得到相参考转矩值，与转矩计算模块得到的实际相转矩值作差，然后根据差值通过转矩滞环控制器得到各相转矩的增加或者减小信号(1或者0)，最后根据转子位置所在的扇区以及转矩增减信号选取最优的电压状态输出给功率变换器，进而控制开关磁阻电机运行。
进一步的，转矩分配函数模块选用余弦型转矩分配函数，如下所示：
Figure BDA0003658014720000051
其中，Te *为电机的总参考转矩值，Tp *为相参考转矩值，θ为实际转子位置角度，θon,θoff,θov分别为开通角、关断角以及换相重叠角，θe为电周期角度，其计算表达式为(2)，对于三相12/8极开关磁阻电机，θe为45°。
θe＝2π/Nr (2)
导通角计算模块的工作原理如下：开通角和关断角的选择对于开关磁阻电机至关重要，对于传统DITC控制系统是采用固定的开通角和关断角，会导致转矩脉动大以及效率低的问题。通常情况下，开通角和关断角要满足公式：
θoff-θon≤2π/(Nr·m) (3)
其中，m为电机的相数，Nr为转子极数。如图4所示为电流波形和转子位置角的关系，θu,θa分别为电机定转子完全不对齐和完全对齐的位置，θ1u为定转子刚重叠的位置。本发明采用的12/8极三相开关磁阻电机，设定关断角滞后开通角15°，且θu为22.5°，θa为45°，θ1u为6°。
忽略绕组压降，相电压方程如公式(4)所示，在θon和θ1u位置对公式(4)两边进行积分得到公式(5)，通过磁链和转矩反查表可以得到公式(6)。
Uk＝dψ/dt＝(dψ/dθ)·ω (4)
Figure BDA0003658014720000061
Figure BDA0003658014720000062
其中，T1u为转子位置为θ1u对应的参考转矩值，ψ(θ1u,T1u)为转矩和转子位置分别为T1u和θ1u对应的磁链值，ψ(θon,Ton)约等于0，根据公式(6)推导出开通角的计算公式，如公式(7)所示，对应的开通角计算原理如图2所示。根据公式(3)可选取关断角的计算公式，如公式(8)所示。
Figure BDA0003658014720000063
θoff＝θon+15° (8)
扇区判断模块的工作原理为：如图3所示，结合开通角、关断角以及重叠角可以将一个电周期角度分成六个扇区，三个单相导通区分别为II，IV，VI扇区，三个换相重叠区分别为I，III，V扇区。
电压状态选择模块的工作原理如下：如表1所示，根据扇区位置N和转矩滞环控制器输出的转矩增减信号，通过查询表1可选择最优的电压状态给功率变换器。换相重叠区以扇区III为例进行说明，扇区III为A相到B相的换相重叠区，C相处于关闭状态，即“-1”状态；A相和B相则通过转矩滞环控制器来控制其开关状态，当A相的转矩误差值ΔTa大于滞环上限ΔT，滞环控制器输出为1表示转矩需要增加，则A相处于开通状态，即“1”状态；当ΔTa矩误小于滞环下限-ΔT，输出为0表示转矩需要减小，则A相处于续流状态，即“0”状态，B相控制原理与A相一致。单相导通区以扇区II为例进行说明，扇区II为A相的单相导通区，B相和C相处于关闭状态，即“-1”状态。同理当A相转矩需要增加时，处于“1”状态；当A相转矩需要减小时，处于“0”状态。
表1：
Figure BDA0003658014720000071
转矩计算模块根据实时采样得到的电流和转子位置值通过查表法获得电机的相转矩值。
速度PI控制器根据实际转速与给定转速的差值经过PI控制输出给定总转矩值，构成速度外环。
转矩滞环控制器根据实际相转矩与参考相转矩的差值经过滞环控制器输出增加或者减小转矩信号给电压状态选择模块，构成转矩内环。
图5为开关磁阻电机低速时(300r/min)，传统DITC和所提方法的电流、相转矩、总转矩的仿真波形对比图，结果表明在低速时传统DITC转矩脉动和电流峰值较大，相比于传统DITC，所提方法的转矩脉动系数减小了64％，电流峰值减小了0.62A。图6为高速时(1200r/min)的仿真波形对比图，结果表明在高速时，传统DITC产生了负转矩，而所提方法在避免负转矩的同时，有效的减小了电机的转矩脉动。另外，可以看出在电机转速较低的情况下，开通角和关断角滞后了Δθ角度，而转速较高的情况下，开通角和关断角提前了Δθ角度。
图7左右两图分别为不同转速和不同负载的情况下的开通角变化图，结果表明当给定转速由300r/min逐渐上升到1500r/min的过程中，开通角由25.8734°逐渐提前到23.3305°；当负载转矩由2N·m跳变到8N·m再到5N·m的过程中，开通角由25.8941°提前到25.03°再滞后到25.44°。
本系统内环为转矩控制环，首先利用转矩分配函数将总参考转矩分配给每一相得到相参考转矩，然后根据转矩滞环输出的增减转矩信号以及所在的扇区位置在电压状态表中选取最优的电压状态给功率变换器，实现开关磁阻电机运行。与传统DITC方法不同，本控制器设计了导通角计算函数，可实时计算最优的开通角和关断角，实现在电机运行过程中根据负载和转速的变化来实时改变扇区的位置以及TSF曲线的波形，该发明实现了转矩的精准跟踪，在低速时可以有效的减小转矩脉动，提高运行效率，高速时可以有效的避免电机负转矩的产生。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于自适应导通角TSF的开关磁阻电机DITC控制系统，其特征在于包括：
位置传感器模块、速度PI控制器、导通角计算模块、转矩分配函数模块、扇区判断模块、转矩计算模块、转矩滞环控制器、电压状态选择模块和功率变换器；
所述位置传感器模块实时检测电机运行过程中的实际转子位置角度；
所述速度PI控制器根据电机给定转速与实际转速的差值经过PI控制输出总参考转矩值；
所述导通角计算模块根据不同的给定转速和负载转矩值、通过导通角计算函数求取最优的开通角和关断角；
所述转矩分配函数模块基于重叠角、开通角和关断角、总参考转矩值以及实际转子位置角度，通过函数分配得到各相参考转矩值；
所述扇区判断模块首先基于重叠角、开通角和关断角预先划分扇区，然后通过位置传感器模块输出的实际转子位置来判断所处的扇区位置；
所述转矩计算模块在电机运行过程中通过实时检测的电流值和实际转子位置角度，通过对转矩、电流、角度特性表进行插值处理获得实际相转矩值；
所述转矩滞环控制器接收转矩分配函数模块传送的相参考转矩值和转矩计算模块传送的实际相转矩值并将二者做差，如果差值大于滞环上限值则输出1表示转矩需要增加，如果差值小于滞环下限值则输出0表示转矩需要减小；
所述电压状态选择模块根据扇区判断模块传送的扇区位置和转矩滞环控制器输出的转矩增减信号，通过查询电压状态选择表来选取最优的电压状态给功率变换器模块；
所述功率变换器采用不对称半桥式的变换器来控制开关磁阻电机运行。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在电机实际运行过程中所述导通角计算模块根据不同的转速值和负载转矩值实时改变电机DITC控制系统的开通角和关断角的大小，电机的开通角θon和关断角θoff需要满足如下公式：
θoff-θon≤2π/(Nr·m) (3)
其中，m为电机的相数，Nr为转子极数；
忽略绕组压降，开关磁阻电机的相电压方程如公式(4)所示，在开通角θon和定转子刚重叠的位置θ1u位置对公式(4)两边进行积分得到公式(5)，通过磁链和转矩反查表得到公式(6)；
Uk＝dψ/dt＝(dψ/dθ)·ω (4)
Figure FDA0003658014710000021
Figure FDA0003658014710000022
其中，T1u为转子位置为θ1u对应的参考转矩值，ψ(θ1u,T1u)为转矩和转子位置分别为T1u和θ1u对应的磁链值，ψ(θon,Ton)约等于0，根据公式(6)推导出开通角的计算公式，如公式(7)所示，对于一台三相12/8电机，根据公式(3)可选取关断角的计算公式，如公式(8)所示
Figure FDA0003658014710000023
θoff＝θon+15° (8)
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述扇区判断模块首先利用开通角、关断角以及重叠角预先将一个转子位置周期划分成三个换相重叠区和三个单相导通区，其中扇区的位置可根据导通角的改变进行自适应控制，根据电机运行过程中实时采集的实际转子位置大小来判断所在的扇区位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电压状态选择模块根据转子位置所处的扇区和转矩滞环控制器的输出信号通过查询电压状态选择表选出合适的电压状态传送至功率变换器从而控制电机的运行。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述转矩滞环控制器模块只需要设置一个滞环宽度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：根据导通角计算模块的输出值的变化从而改变转矩分配函数模块和扇区判断模块的开通角和关断角的值，进而来实时改变转矩分配函数的波形以及扇区的分配位置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116248003A (zh) * 2023-05-06 2023-06-09 四川省产品质量监督检验检测院 基于滑模控制的开关磁阻电机自抗扰速度控制方法和系统

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CN116248003A (zh) * 2023-05-06 2023-06-09 四川省产品质量监督检验检测院 基于滑模控制的开关磁阻电机自抗扰速度控制方法和系统

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