基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统及方法与流程

本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，具体涉及一种基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术：

开关磁阻电机是一种新型的机电一体化电机，具有结构简单坚固，运行可靠，调速性能好，制造成本低，适宜于高速和恶劣环境下运行等优点，这些优良的性能使其成为电气传动领域的热门研究课题之一，目前已经在电动机驱动系统、风机、水泵、航空航天等领域中获得一定的应用，显示出了其强大的市场竞争力。但开关磁阻电机定、转子的双凸极结构和其非线性的电磁特性，导致其运行时转矩脉动较大，直接影响着其控制系统的输出特性。转矩脉动及由此引起的振动和噪声问题限制了开关磁阻电机在要求转矩平稳场合下的应用。因此，降低开关磁阻电机的转矩脉动对于扩展其应用领域，促进其高速发展有十分重要的作用。

关于改善开关磁阻电机的转矩输出、降低转矩脉动的研究，目前主要集中在两个方面：第一种是通过改进优化开关磁阻电机的本体结构设计来降低转矩脉动，例如增加定转子极对数、改变定转子极弧大小等，但这会减小输出转矩，且成本较大耗时长，实现起来不经济；第二种是从优化控制策略入手，在不改变电机原有结构的基础上实现性能的优化。由于传统的开关磁阻电机控制方法没有直接对电机转矩进行控制，而是利用控制绕组电流来间接控制电磁转矩，不能控制每一相的瞬时转矩，因此无法有效降低开关磁阻电机的转矩脉动。而如果能采用合理的控制方法来有效的降低开关磁阻电机的转矩脉动，将使这种电机能更加广泛的应用于各种领域。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有产品中不足，提供一种基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统及方法，以开关磁阻电机的转矩作为直接控制对象，对施加给功率变换器的空间电压矢量进行改进，在每相之间的换相区增加改进的空间电压矢量，提高了转矩的响应速度，抑制了转矩失控现象的产生，能够达到很好的控制效果，从根本上有效降低开关磁阻电机的转矩脉动。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统，包括直流电源、开关磁阻电机、功率变换器、检测单元、磁链计算模块、转矩计算模块、3S/2S变换模块、扇区判断模块、基于换相区的改进电压矢量开关表、磁链滞环比较器、转矩滞环比较器、速度PI调节器，所述直流电源连接功率变换器，所述功率变换器、开关磁阻电机都连接检测单元，所述转矩计算模块、磁链计算模块都连接检测单元，所述3S/2S变换模块通过扇区判断模块连接基于换相区的改进电压矢量开关表，所述3S/2S变换模块还通过磁链滞环比较器连接基于换相区的改进电压矢量开关表，所述转矩计算模块通过转矩滞环比较器连接基于换相区的改进电压矢量开关表，所述检测单元通过速度PI调节器连接转矩滞环比较器。

本发明的检测单元包括电压检测模块、电流检测模块、位置检测模块，所述电压检测模块连接磁链计算模块，所述电流检测模块、位置检测模块都连接转矩计算模块。

本发明的所述功率变换器为不对称半桥结构的功率变换器。

本发明的开关磁阻电机为三相电机。

基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其步骤如下：

1、通过检测单元检测开关磁阻电机的转子位置信号、电流值和电压值；

2、转矩计算模块通过转子位置信号、电流值得到开关磁阻电机的电磁转矩，磁链计算模块通过开关磁阻电机的电流值和电压值得到开关磁阻电机的磁链；

3、扇区判断模块通过开关磁阻电机的磁链判断开关磁阻电机当前时刻的扇区位置；

4、通过磁链滞环比较器、转矩滞环比较器根据其给定值和计算值的差值产生滞环控制指令；

5、根据开关磁阻电机当前时刻的扇区位置及滞环控制指令来选择当前应施加给功率变换器的空间电压矢量，然后通过功率开关器件对开关磁阻电机进行通断控制。

所述换相区空间电压矢量指的是电机每两相之间的换相区域添加改进的空间电压矢量。

本发明通过研究发现，在开关磁阻电机的直接转矩控制过程中，使用基本空间电压矢量来对功率开关器件进行通断控制，有时会出现较严重的转矩失控现象，不利于电机的实际工作以及降低电机的转矩脉动，造成这种现象产生的主要原因是由于所选取的空间电压矢量不当。

根据理论分析与仿真验证，发现上述转矩失控现象主要发生在换相区附近，当电机进行换相时，在换相区内前一相绕组转矩的减小值比后一相绕组转矩的增大值要大，换相区的这种转矩特性将不能满足转矩和磁链均需增大时的系统要求。经过研究得出：可以通过在换相区增加改进的空间电压矢量以增加换相区内的导通相数来提高转矩幅值，消除转矩失控现象。而增加导通相数可以通过在换相区内选取本发明改进的电压矢量，使相邻相提前导通，而上一扇区内导通的相此时保持导通，这样将使电磁转矩幅值提高，以消除转矩失控现象。通过研究六个磁链扇区的电压矢量和开关磁阻电机的转矩、磁链之间的关系，本发明提出在每两相之间的换相区位置增加一个改进的电压矢量，由于采用三相开关磁阻电机，因此共添加三个改进的电压矢量，分别为和以B相和C相的换相区为例，当转矩和磁链均需增大时，改进前，换相区内电压矢量从转换到该电压矢量的作用效果是：A相转矩不变、B相转矩减小、C相转矩增大，根据前面分析知，B相转矩减小的量比C相转矩增加的量要大，因此，该换相区内总的电磁转矩减小，不满足系统要求，这样就产生了转矩失控现象。在换相区增加改进的电压矢量后，换相区内电压矢量从转换到使C相绕组提前开通了，该时刻B相和C相绕组同时导通，最后的作用效果是：A相转矩缓慢减小、B相转矩不变、C相转矩快速增大，则三相转矩合成的总电磁转矩增大，满足系统要求，使转矩得到正确控制。同理，在C相与A相的换相区，增加在A相与B相的换相区，增加即当系统检测到转矩和磁链均需增大时，在换相区位置处，采用换相区的空间电压矢量来对开关管进行控制，以达到消除转矩失控现象，降低电机的转矩脉动的目标。

本发明的所述改进的空间电压矢量为三个，其分别为和若开关磁阻电机的转子位置在B相和C相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在C相与A相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在A相与B相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为

本发明的有益效果如下：以开关磁阻电机的转矩作为直接控制对象。由于开关磁阻电机具有高度非线性的数学模型，这给其控制带来困难，而发明对施加给功率变换器的空间电压矢量进行改进，在三相绕组的换相区添加改进的空间电压矢量，使得出现转矩失控的换相区在进行电压转换时，上一扇区的导通相保持导通以及相邻相提前开通，以消除转矩失控现象。当检测到开关磁阻电机要求转矩和磁链需增大时，在换相区位置采用添加的换相区空间电压矢量通过功率变换器对开关磁阻电机的通断状态进行控制，与其它控制方式相比，无需简化电机的数学模型，其控制效果取决于转矩的实际状况，控制既直接又方便，实现磁链和转矩的直接控制，把转矩脉动限制在一定的容差范围内，以达到消除转矩失控现象，降低电机的转矩脉动的目标；本发明采用以DSP为核心的数字化控制器，精度高，运算速度更快，能实现复杂的控制算法，采用的不对称半桥结构的功率变换器，各相之间独立控制，换相时提供反压快速退磁，可以实现多种控制方法。经过试验运行表明，该发明提高了转矩的响应速度，抑制了转矩失控现象的产生，能够达到很好的控制效果，从根本上有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，且系统运行平稳，控制效果好，有益于扩展开关磁阻电机的应用范围，增强其使用价值。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为换相区空间电压矢量及基本电压矢量图；

图3为本发明的三相绕组换相区示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1所示，基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统，包括直流电源1、开关磁阻电机3、功率变换器2、检测单元、磁链计算模块7、转矩计算模块8、3S/2S变换模块9、扇区判断模块10、基于换相区的改进电压矢量开关表5、磁链滞环比较器11、转矩滞环比较器12、速度PI调节器13，所述直流电源1连接功率变换器2，所述功率变换器2、开关磁阻电机3都连接检测单元，所述转矩计算模块8、磁链计算模块7都连接检测单元，所述3S/2S变换模块9通过扇区判断模块10连接基于换相区的改进电压矢量开关表5，所述3S/2S变换模块9还通过磁链滞环比较器11连接基于换相区的改进电压矢量开关表5，所述转矩计算模块8通过转矩滞环比较器12连接基于换相区的改进电压矢量开关表5，所述检测单元通过速度PI调节器13连接转矩滞环比较器12。

如图1所示，本发明的检测单元包括电压检测模块61、电流检测模块62、位置检测模块63，所述电压检测模块61连接磁链计算模块7，所述电流检测模块62、位置检测模块63都连接转矩计算模块8。

本发明的功率变换器2为不对称半桥结构的功率变换器。

本发明的开关磁阻电机3为三相电机。

基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其步骤如下：

1、通过检测单元检测开关磁阻电机的转子位置信号、电流值和电压值；

2、转矩计算模块通过转子位置信号、电流值得到开关磁阻电机的电磁转矩，磁链计算模块通过开关磁阻电机的电流值和电压值得到开关磁阻电机的磁链；

3、扇区判断模块通过开关磁阻电机的磁链判断开关磁阻电机当前时刻的扇区位置；

4、通过磁链滞环比较器、转矩滞环比较器根据其给定值和计算值的差值产生滞环控制指令；

5、根据开关磁阻电机当前时刻的扇区位置及滞环控制指令来选择当前应施加给功率变换器的空间电压矢量，然后通过功率开关器件对开关磁阻电机进行通断控制。

所述换相区空间电压矢量指的是电机每两相之间的换相区域添加改进的空间电压矢量。所述的基于换相区空间电压矢量的开关磁阻电机直接转矩控制系统及方法，电机每相绕组的工作状态根据所加电压的不同分为三种：“1”状态：两个开关管均导通，相绕组承受正向电压；“0”状态：两个开关管一只导通，一只关断，绕组电压为0；“-1”状态：两个开关管均关断，绕组承受负电压。

所述改进的空间电压矢量为三个，其分别为和若开关磁阻电机的转子位置在B相和C相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在C相与A相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在A相与B相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为

换相区空间电压矢量指的是电机每两相之间的换相区域添加改进的空间电压矢量。

表1为基于换相区的改进电压矢量开关表，如下：

如图2、图3、表1所示，其中，符号↑表示幅值需增大，符号↓表示幅值需减小，以B相和C相的换相区为例，当转矩和磁链均需增大时，改进前，根据基本电压矢量选取规则，换相区内电压矢量从转换到分析发现，该电压矢量会使该换相区内总的电磁转矩减小，产生了转矩失控现象，使转矩脉动更严重。而采用本发明提出的在每两相之间的换相区处增加一个改进的电压矢量的方法时，在B相和C相的换相区增加改进的电压矢量换相区内电压矢量从转换到使C相绕组提前开通了，该时刻B相和C相绕组同时导通，最后的作用效果是使合成的总电磁转矩增大，满足系统要求，使转矩得到正确控制，如图3中的换相区部分所示。因此，利用换相区空间电压矢量来代替原有电压矢量进行控制，将该换相区位置的下一个将要导通的相提前开通，使该位置处有两相同时导通，即使得B相提前开通，使得C相提前开通，使得A相提前开通。其中，换相区的大小由电机本身的性质以及检测装置的精度和控制器的运算速度来确定，可根据自身需要进行设定及调整。当产生的滞环控制指令表明转矩和磁链的幅值都需增大时，采用原有的六个基本电压矢量和新增加的三个换相区电压矢量对各相开关管的通断状态进行控制，这样最后的作用效果是在原来的转矩失控区域三相转矩合成的总电磁转矩增大，则新增加的换相区空间电压矢量使得控制效果满足系统要求；转矩和磁链的其他控制要求情况下，采用原有的六个基本电压矢量进行控制，这样使转矩整体上得到正确控制，降低换相区的转矩脉动，消除了转矩失控现象，降低电机的转矩脉动。

改进的空间电压矢量为三个，其分别为和因此若开关磁阻电机的转子位置在B相和C相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在C相与A相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为若开关磁阻电机的转子位置在A相与B相的换相区，则添加的改进的空间电压矢量为

以开关磁阻电机的转矩作为直接控制对象。由于开关磁阻电机具有高度非线性的数学模型，这给其控制带来困难，而发明对施加给功率变换器的空间电压矢量进行改进，在三相绕组的换相区添加改进的空间电压矢量，使得出现转矩失控的换相区在进行电压转换时，上一扇区的导通相保持导通以及相邻相提前开通，提高了转矩的响应速度，抑制了转矩失控现象的产生，能够达到很好的控制效果，从根本上有效降低开关磁阻电机的转矩脉动。当检测到开关磁阻电机要求转矩和磁链需增大时，在换相区位置采用添加的换相区空间电压矢量通过功率变换器对开关磁阻电机的通断状态进行控制，与其它控制方式相比，无需简化电机的数学模型，其控制效果取决于转矩的实际状况，控制既直接又方便，实现磁链和转矩的直接控制，把转矩脉动限制在一定的容差范围内，以达到消除转矩失控现象，降低电机的转矩脉动的目标；本发明采用以DSP为核心的数字化控制器，精度高，运算速度更快，能实现复杂的控制算法，采用的不对称半桥结构的功率变换器，各相之间独立控制，换相时提供反压快速退磁，可以实现多种控制方法。经过试验运行表明，该发明提高了转矩的响应速度，抑制了转矩失控现象的产生，能够达到很好的控制效果，从根本上有效降低开关磁阻电机的转矩脉动，且系统运行平稳，控制效果好，有益于扩展开关磁阻电机的应用范围，增强其使用价值。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。

总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。