一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法
【专利摘要】一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法，属于电机制动闭环控制系统及方法。该闭环控制系统由转矩调节器、模式选择器、电流调节器、角度优化控制器和转矩估计器组成；整个系统采用制动转矩闭环控制，模式选择器根据电机转速，在低转速区选择实现相电流软斩波控制，在高转速区选择实现角度位置控制，电流调节器实现软斩波滞环电流调节，角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压和相电流在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值，实现制动转矩信号反馈。该方法开关频率低、开关损耗小，制动转矩响应快、制动转矩控制精度高、制动转矩脉动小、能量回馈效率高。
【专利说明】一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电机制动闭环控制系统及方法，特别是一种开关磁阻电机制动转 矩闭环控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻电机系统结构坚固耐用、启动转矩大而启动电流小、在较宽的转速和转 矩工作区具有较高的系统效率、故障容错能力强，是电动车理想的电机驱动系统之一，开关 磁阻电机系统四象限运行方便，通过后推功率变换器主开关开通角和关断角，让电机相电 流主要出现在相电感下降区，电流产生制动转矩，同时将电机与负载的机械能量转换成电 能回馈到电源，实现再生制动控制。将开关磁阻电机系统应用于电动车驱动，为了提高车辆 加减速动态性能，须实时跟踪主控制给定的制动转矩命令，提高开关磁阻电机驱动系统的 制动响应速度，制动转矩闭环控制是当前开关磁阻电机系统的技术难题之一。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法，该闭环 控制系统及方法开关频率低、开关损耗小、响应速度快、控制精度高、制动转矩脉动小、能量 回馈效率高的制动转矩闭环控制方法。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：本发明包括：闭环控制系统及控制方法；
[0005] 该闭环控制系统包括：低速转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节 器、第一角度优化控制器、第二角度优化控制器和转矩估计器；模式选择器的输出端分别与 低速转矩调节器和高速转矩调节器的输入端连接，低速转矩调节器和高速转矩调节器的输 出端分别与电流调节器和第二角度优化控制器的输入端连接，电流调节器和第二角度优化 控制器的输出端通过不对称半桥功率变换器与开关磁阻电机连接，开关磁阻电机的实际相 电流i(t)信号分别连接到电流调节器和转矩估计器的输入端；开关磁阻电机的实际相电 压u(t)信号连接到转矩估计器的输入端，转矩估计器的输出端反馈到模式选择器的输入 端；第一角度优化控制器的输出端与电流调节器的输入端连接，开关磁阻电机的转子位置 信号P、Q和R分别与电流调节器、第二角度优化控制器和模式选择器的输入端连接。
[0006] 所述的低速转矩调节器由前馈环节和PI调节器组成，给定制动转矩值TMf通过前 馈环节与反馈环节连接，转矩误差值e T通过PI调节器与反馈环节连接，反馈环节输出为 给定相电流值iMf。
[0007] 所述的转矩估计器由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器、第一 乘法器和第二乘法器组成，第一乘法器通过反馈环节与磁链积分器的输入端连接，磁链积 分器的输出端通过磁共能积分器与采样保持器的输入端连接，采样保持器的输出端与第 二乘法器的输入端连接，第二乘法器的输出端输出实际制动转矩估计值T est;实际相电流 i (t)信号同时连接到第一乘法器、磁共能积分器和过零检测器的输入端，过零检测器的输 出端分别与磁链积分器、磁共能积分器和采样保持器的输入端连接。
[0008] 所述的电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，实际 相电流i(t)信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的一输入端连接，给定相电流值i TCf 信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的另一输入端连接，滞环控制器的输出端与一个 与门的一个输入端连接；单次触发比较器的输出端与另一个与门的一个输入端连接；第一 角度优化控制器的输出端分别与二个与门的一个输入端连接，转子位置信号p、Q和R分别 与二个与门的一个输入端连接和单次触发比较器的一个输入端连接，其中一个与门的输出 端输出QpQs或Q 5信号，另一个与门的输出端输出〇2、〇4或Qe信号。
[0009] 所述的闭环控制方法：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环 控制，模式选择器根据开关磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和 第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优 化控制器实现角度位置控制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器 主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际 相电压u(t)和实际相电流i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值T est，实现制 动转矩信号反馈，让实际制动转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据 给定制动转矩值T Mf、给定制动转矩值TMf与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T est的 转矩误差值e T，输出给定相电流值iMf，电流调节器根据给定相电流值iMf与实际相电流值 i(t)的电流误差值 ￡i，输出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变 换器主开关开通角0?信号、关断角0信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换 器主开关控制信号Q1、…、Q6,控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转 矩调节器根据给定制动转矩值T Mf与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T est的转矩误 差值eT，输出功率变换器主开关开通角0m信号和关断角0信号，经第二角度优化控制 器优化输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6,控制功率变换器主开关的开通和关断， 实现开关磁阻电机制动转矩闭环控制。
[0010] 方法的具体过程如下：
[0011] 所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值TMf直接输出前馈电流值 i f，给定制动转矩值TMf与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T est的转矩误差值e滿 入到PI调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i。，前馈电流值if与饱和误差补偿电流 值i。之和构成电流调节器的给定相电流值i Mf，给定制动转矩值Traf和前馈电流值i f的关 系如下式：
【权利要求】
1. 一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：该闭环控制系统包括：低速 转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节器、第一角度优化控制器、第二角度优 化控制器和转矩估计器；模式选择器的输出端分别与低速转矩调节器和高速转矩调节器的 输入端连接，低速转矩调节器和高速转矩调节器的输出端分别与电流调节器和第二角度优 化控制器的输入端连接，电流调节器和第二角度优化控制器的输出端通过不对称半桥功率 变换器与开关磁阻电机连接，开关磁阻电机的实际相电流i(t)信号分别连接到电流调节 器和转矩估计器的输入端；开关磁阻电机的实际相电压u(t)信号连接到转矩估计器的输 入端，转矩估计器的输出端反馈到模式选择器的输入端；第一角度优化控制器的输出端与 电流调节器的输入端连接，开关磁阻电机的转子位置信号P、Q和R分别与电流调节器、第二 角度优化控制器和模式选择器的输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述 的低速转矩调节器由前馈环节和PI调节器组成，给定制动转矩值Traf通过前馈环节与反馈 环节连接，转矩误差值ετ通过PI调节器与反馈环节连接，反馈环节输出为给定相电流值 Iref0
3. 根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述 的转矩估计器由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器、第一乘法器和第二 乘法器组成，第一乘法器通过反馈环节与磁链积分器的输入端连接，磁链积分器的输出端 通过磁共能积分器与采样保持器的输入端连接，采样保持器的输出端与第二乘法器的输入 端连接，第二乘法器的输出端输出实际制动转矩估计值Test;实际相电流i(t)信号同时连 接到第一乘法器、磁共能积分器和过零检测器的输入端，过零检测器的输出端分别与磁链 积分器、磁共能积分器和采样保持器的输入端连接。
4. 根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述 的电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，实际相电流i(t)信 号同时与滞环控制器和单次触发比较器的一输入端连接，给定相电流值iMf信号同时与滞 环控制器和单次触发比较器的另一输入端连接，滞环控制器的输出端与一个与门的一个输 入端连接；单次触发比较器的输出端与另一个与门的一个输入端连接；第一角度优化控制 器的输出端分别与二个与门的一个输入端连接，转子位置信号P、Q和R分别与二个与门的 一个输入端连接和单次触发比较器的一个输入端连接，其中一个与门的输出端输出QpQ3 或Q5信号，另一个与门的输出端输出Q2、仏或Qe信号。
5. 采用权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环控制，模式选择器根据开关 磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和第一角度优化控制器实现 相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优化控制器实现角度位置控 制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以 减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压u(t)和实际相电流 i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值Test，实现制动转矩信号反馈，让实际制动 转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据给定制动转矩值Tmf、给定制 动转矩值Iref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值Test的转矩误差值ετ，输出给定相 电流值iMf，电流调节器根据给定相电流值iMf与实际相电流值i(t)的电流误差值εi，输 出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变换器主开关开通角Θ"信 号、关断角9。"信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、 Q6,控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转矩调节器根据给定制动转矩 值Iref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值Test的转矩误差值ετ，输出功率变换器主 开关开通角θ"信号和关断角Θ信号，经第二角度优化控制器优化输出功率变换器主开 关控制信号Q1、…、Q6,控制功率变换器主开关的开通和关断，实现开关磁阻电机制动转矩 闭环控制。
6. 根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值Traf直接输出前馈电流值if，给定 制动转矩值TMf与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值Test的转矩误差值ετ输入到PI 调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i。，前馈电流值、与饱和误差补偿电流值i。之 和构成电流调节器的给定相电流值iraf，给定制动转矩值Tmf和前馈电流值if的关系如下 式：
式中匕是电机相电感斜率。
7. 根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：所述的高速转矩调节器由给定制动转矩值TMf与转矩估计器输出的实际制动转矩估计 值Test的转矩误差值ετ，输出功率变换器主开关开通角信号和关断角Θ信号。
8. 根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：所述的转矩估计器利用转矩估计器实现实际制动转矩在线估计，电机实际相电压u(t) 减去实际相电流i(t)乘以相电阻R得到磁链Φ(t)对时间t的导数作为磁链积分 器的输入，磁链积分器的输出为磁链Φ(t)作为磁共能积分器的两个输入之一，实际相电 流i(t)作为磁共能积分器的另一个输入，磁共能积分器的输出为磁共能wm' (t)作为采样 保持器的输入，采样保持器的输出为磁共能变化量AWm'，过零检测器检测到实际相电流 i(t)为零时，向磁链积分器和磁共能积分器发送复位信号Reset，同时向采样保持器发送 触发信号Trigger，采样保持器就采样输出当前电气周期结束时刻的磁共能变化量AWm'， 第二乘法器将磁共能变化量AWm'乘以mNy2π得到开关磁阻电机实际制动转矩估计值 Test，其中，m为电机相数，队为电机转子极数。
9. 根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：所述的模式选择器，根据开关磁阻电机的转速，在低转速区选择电流调节器和第一角度 优化控制器实现相电流软斩波控制，在高转速区选择第二角度优化控制器实现角度位置控 制。
10. 根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征 是：所述的电流调节器利用电流调节器实现软斩波滞环电流调节，滞环控制器比较实际相 电流值i(t)和给定相电流值iMf这两个输入信号，滞环控制器的输出信号Sh、位置信号P或 Q或R，和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角信号、关断角Θ信号 逻辑"与"后作为功率变换器主开关上管的控制信号％或Q3或Q5，单次触发比较器比较实 际相电流i(t)和给定相电流值iMf这两个输入信号，单次触发比较器的输出信号Sc、位置 信号P或Q或R和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θm信号、关断角 Θ信号逻辑"与"后作为功率变换器主开关下管的控制信号Q2或Q4或Q6，位置信号P或 Q或R的下降沿对单次触发比较器发送复位信号Reset; 第一角度优化控制器和第二角度优化控制器均采用遗传算法由适配值函数：
wT^0?wn^0?w T+wn = 1 (3) 优化功率变换器主开关开通角Θ^和关断角Θ，以平滑制动转矩脉动和提高制动能 量回馈效率，式中制动转矩平滑系数r= T:' ，τ_为制动转矩平均值，Tmax为瞬时制动 1 max1 min 转矩最大值，Imin为瞬时制动转矩最小值，τ_为最优的τ，《ττ为制动转矩平滑系数τ的 权重系数，制动能量回馈效率7 = ^ = %%，Pfcn为制动时电机系统的发电功率，Pfch KMeth ^ ανβω 为制动时电机系统的输入机械功率，Ia为制动时电机系统的输出电流，UBat为制动时电机系 统的输出电压，ω为制动时电机角速度，nmax为最优的回馈效率n，W,为能量回馈效率η 的权重系数； 初始化遗传算法参数，设置功率变换器主开关开通角0。"和关断角θ的范围，并采 用10位二进制编码，设置群体大小为M= 20,遗传算法的终止进化代数为G= 100,交叉概 率Pc= 0. 60,采用自适应变异概率Pm= 0. 001-[1:1 :Μ]*0. 001/Μ;接着进行初始化群体， 计算出适应度函数f(τ，η)，然后判断是否达到进化迭代次数，如果没有达到进化迭代次 数，则继续进行选择、交叉、变异的遗传操作来产生子代，并更新父代、更新种群，继续优化， 如果达到进化迭代次数，则输出优化的功率变换器主开关开通角θ"信号和关断角Θ。"信 号。
【文档编号】H02P6/24GK104467568SQ201410773037
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】陈昊, 程鹤, 杨洲, 王青, 王千龙, 王星 申请人:中国矿业大学