一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法及系统的制作方法

一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法及系统，所述方法包括如下步骤：计算当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩以及反馈磁链；基于前述电机反馈转矩与给定转矩的偏差，以及前述反馈磁链与给定磁链偏差，确定下一采样周期的空间电压矢量，以补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差；调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号，以控制开关磁阻电机改变当前所输出的电机反馈转矩以及反馈磁链。本发明能够精确有效地对开关磁阻电机的电机反馈转矩及反馈磁链进行调节控制，特别是在电机低速和高速时，都具有良好的动态和静态性能，解决了传统控制方法转矩脉动大的问题。
【专利说明】
-种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种开关磁阻电机转矩控制方法，具体的说是设及一种开关磁阻电机 磁链无差拍直接转矩控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻电机转（SRM)矩控制策略的优化目前主要有两种途径:①通过控制相电 流或相磁链实现对转矩的间接控制;②通过控制合成的瞬时转矩实现对转矩的直接控制。 其中，相对于间接转矩控制，直接转矩控制具有转矩响应快、控制策略直观、结构简单等优 点，是减少SRM转矩脉动和噪声，提高SRM动态性能最有效的手段，符合SRM控制策略的发展 趋势。
[0003] 在实施直接转矩控制时，控制变量是瞬时合成转矩，首先由各相电流或者磁链反 馈信号W及转子位置角计算出转矩反馈值，然后根据参考转矩指令值与转矩反馈值的误差 信号采取适当的换相逻辑，通过调节SRM定子磁链矢量的幅值及其旋转速度控制转矩；因此 直接转矩控制对电机模型依赖性低，计算模型简单，克服了传统线性控制和非线性控制的 不足，在保证电机可靠运行的情况下，一定范围内有效的抑制了转矩脉动。
[0004] 但是现有直接转矩控制方法尚存在一定不足之处，具体体现在:对于直接转矩控 制来说，虽然把转矩作为了直接控制变量，一定程度上减小了转矩脉动，但是未能将转矩脉 动最小化。究其根本原因，主要由于直接转矩控制时采用滞环控制即Bang-Bang控制，滞环 控制采用的是一种容差控制，不可避免的存在纹波脉动，显然在直接转矩控制过程中，逆变 器的开关频率随转速、负载转矩W及磁链和滞环控制器的滞环宽度的变化而改变，由此而 引起了转矩和磁链的潜在脉动。运种纹波脉动的存在还有一个重要原因是，在数字系统中， 处理器的控制过程是离散的，在一个周期内控制器的输出不能和电机的反馈同步，采样时 刻与控制时刻之间存在一个采样周期的延迟，在第k个采样点计算获得的数值在第化+1)个 周期才作用。

【发明内容】

[0005] 鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种开关磁阻电机磁链无差拍 直接转矩控制方法，该控制方法综合考虑了直接转矩控制的优缺点，在保证电机可靠运行 的情况下，一定范围内有效抑制了转矩脉动且又避免了磁链滞环带来的本质上的脉动，弥 补了滞环控制因一个采样周期的延迟而引起的潜在纹波问题，达到了精确地补偿磁链参考 值与实际值之间的偏值，有效降低转矩脉动的目的。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案：
[0007] -种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法，其特征在于，该方法包括如下 步骤：
[000引步骤1、计算当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩W及反馈磁链；
[0009]步骤2、基于前述电机反馈转矩与给定转矩的偏差，W及前述反馈磁链与给定磁链 偏差，确定下一采样周期的空间电压矢量，w补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差，所 述空间电压矢量是指两相静止邮坐标系下的空间电压矢量；
[0010] 步骤3、调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号，W控制开关磁阻 电机改变当前所输出的电机反馈转矩W及反馈磁链。
[0011] 进一步的，作为本发明的优选，
[0012] 前述步骤1中的电机反馈转矩是通过将开关磁阻电机的转子位置角度信息W及Ξ 相电流信号与所设定的角度电流转矩表进行比对，来获得对应的反馈转矩;反馈磁链是通 过计算开关磁阻电机的Ξ相电流信号、Ξ相电压信号来获得对应的反馈磁链所述合成磁链 的位置角度信息。
[0013] 进一步的，作为本发明的优选，
[0014] 前述步骤2中确定下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式计算出 两相静止邮坐标系下的空间电压矢量，所述公式为：
[0017] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中，ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0018] 进一步的，作为本发明的优选，
[0019] 所述公式(9)、（10)通过如下步骤得出：
[0020] 基于开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)
[0021] (1)
[0022] 可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的，即在t化-1)时刻，若 要使得反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链4化-1)正向旋转A Θ角度，若要使得反馈转矩 减小，则需使得定子合成磁链4化-1)反向旋转A Θ角度；
[0023] 基于上述原理，则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤：
[0024] 首选，确定Δ Θ的饱和限幅，即使得Δ θ< Δ 0max，所述Δ 为在一个采样周期Ts中 使定子磁链矢量转过的最大角度，月
[0025] 其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子 磁链护化)的幅值，对应的公式表示为|iKk) I = I护I (3);
[0026] 最后，确定护化)与iKk-1)的关系，即要使磁链空间矢量iKk-1)运动变化到护化）， 所需施加的电压矢量iKk)，在Uk)时刻，对应的电压矢量如下式：
[0036] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0037] 进一步的，作为本发明的优选，
[0038] 在步骤3中的调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号的过程包 括：
[0039] 判断所确定的两相静止αβ坐标系下的空间电压矢量，下一刻位于哪个扇区；
[0040] 基于所确定的扇区所对应的两个相邻的基本电压矢量，获得相邻两相各自对应的 作用时间Τ;
[0041 ]将所获得的作用时间Τ转化为对应的脉冲信号并输出。
[0042] 本发明的另一目的是要提供一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制系统，所 述系统，其特征在于，包括：
[0043] 转矩观测器，该转矩观测器能够计算出当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩；
[0044] 磁链观测器，该磁链观测器能够计算出当前时刻开关磁阻电机的反馈磁链；
[0045] 分别连接所述转矩观测器、磁链观测器的无差拍控制器，该无差拍控制器能够基 于前述电机反馈转矩与给定转矩的偏差，W及前述反馈磁链与给定磁链偏差，确定下一采 样周期的空间电压矢量，W补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差，进而实现下一采样 周期的无差拍控制;所述空间电压矢量是指两相静止邮坐标系下的空间电压矢量；
[0046] 连接所述无差拍控制器的空间电压矢量调制模块，该空间电压矢量调制模块能够 基于所确定的空间电压矢量输出对应的脉冲信号；
[0047]连接所述空间电压矢量调制模块的功率变换器，该功率变换器能够基于所述脉冲 信号控制开关磁阻电机改变当前所输出的电机反馈转矩W及反馈磁链；
[004引 W及供电电源。
[0049] 进一步的，作为本发明的优选，
[0050] 所述系统还包括能够检测并计算出开关磁阻电机当前时刻的转子位置角度信息 的角度检测器。优选的，所述角度检测器为光电编码器。
[0051] 进一步的，作为本发明的优选，
[0052] 所述转矩观测器能够基于所计算的转子位置角度信息W及Ξ相电流信号与所设 定的角度电流转矩表进行比对，来获得对应的反馈转矩;所述磁链观测器能够根据霍尔传 感器所采集的开关磁阻电机的Ξ相电流信号、Ξ相电压信号计算出两相静止坐标系下的反 馈磁链W及合成磁链的位置角度信息。
[0053] 进一步的，作为本发明的优选，
[0054] 所述无差拍控制器确定下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式 计算出两相静止邮坐标系下的空间电压矢量，所述公式为：
[0057]其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[005引进一步的，作为本发明的优选，
[0059] 所述公式(9 )、（ 10)通过如下步骤得出：
[0060] 基于开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)
[0061] (1)
[0062] 可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的，即在t化-1)时刻，若 要使得反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链4化-1)正向旋转A Θ角度，若要使得反馈转矩 减小，则需使得定子合成磁链4化-1)反向旋转A Θ角度；
[0063] 基于上述原理，则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤：
[0064] 首选，确定Δ Θ的饱和限幅，即使得Δ θ< Δ 0max，所述Δ 为在一个采样周期Ts中 使定子磁链矢量转过的最大角度，月
[0065] 其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子 磁链护化)的幅值，对应的公式表示为|iKk) I = I护I (3);
[0066]最后，确定护化)与iKk-1)的关系，即要使磁链空间矢量iKk-1)运动变化到护化）， 所需施加的电压矢量iKk)，在Uk)时刻，对应的电压矢量如下式：
[0076] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0077] 进一步的，作为本发明的优选，
[0078] 所述空间电压矢量调制模块包括：
[0079] 扇区判断子模块，该扇区判断子模块能够判断所确定的两相静止αβ坐标系下的空 间电压矢量，下一刻位于哪个扇区；
[0080] 作用时间计算子模块，该作用时间计算子模块能够基于所确定的扇区所对应的两 个相邻的基本电压矢量，获得相邻两相各自对应的作用时间Τ;
[0081] W及脉冲信号输出子模块，该脉冲信号输出子模块能够将所获得的作用时间Τ转 化为对应的脉冲信号并输出。
[0082] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0083] 本发明能够精确有效地对开关磁阻电机的电机反馈转矩及反馈磁链进行调节控 审IJ，特别是在电机低速和高速时，都具有良好的动态和静态性能，解决了传统控制方法转矩 脉动大的问题;其之所W能够实现上述效果则是因为本发明从本质上避免了磁链滞环带来 的本质上的脉动，弥补了滞环控制因一个采样周期的延迟而引起的潜在纹波问题，并精确 地补偿磁链参考值与实际值之间的偏值，从而降低转矩脉动，总之本发明在诸如伺服控制、 航空航天、电动汽车、船舶W及医疗等对转矩平滑要求较高的领域均有较好的应用前景。
【附图说明】
[0084] 图1为本发明所述方法对应的步骤流程示意图；
[0085] 图2为本发明所述方法对应的步骤流程例图；
[0086] 图3为本发明所述系统对应的电路原理例图；
[0087] 图4为采样时刻Uk-l)与Uk)时的无差拍矢量图；
[0088] 图5为本发明的基本空间电压矢量例图；
[0089] 图6为本发明所述系统对应仿真电路例图；
[0090] 图7a为传统DTC系统转矩恒定时仿真对应的磁链波形图；
[0091 ]图7b为传统DTC系统转矩恒定时仿真对应的转矩恒定时的仿真图；
[0092] 图7c为传统DTC系统转矩恒定时仿真对应的转矩突变时的仿真图；
[0093] 图8a为磁链无差拍直接转矩控制-转矩恒定时仿真对应的磁链波形图；
[0094] 图8b为磁链无差拍直接转矩控制-转矩恒定时仿真对应的转矩恒定时的仿真图； [00M]图8c为磁链无差拍直接转矩控制-转矩恒定时仿真对应的转矩突变时的仿真图。
【具体实施方式】
[0096] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图，对本发明进 行进一步详细说明。
[0097] 如图1-图2所示，本发明提出了一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法， 其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0098] 步骤1、计算当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩W及反馈磁链；作为具体实 例，步骤1中的电机反馈转矩是通过将开关磁阻电机的转子位置角度信息W及Ξ相电流信 号与所设定的角度电流转矩表进行比对，来获得对应的反馈转矩，其中所述转子位置角度 信息由光电编码器获得，角度电流转矩表可通过按照预先选定的电机的相应参数W及电机 模型通过Matlab仿真试验获得;反馈磁链是通过霍尔传感器采集开关磁阻电机的Ξ相电流 信号、Ξ相电压信号并积分计算出两相静止坐标系下的反馈磁链私、化W及合成磁链的位置 角度信息。
[0099] 步骤2、基于前述电机反馈转矩与给定转矩Tref与反馈转矩的误差，W及前述反馈 磁链与给定磁链如ef偏差，确定下一采样周期的空间电压矢量，W补偿开关磁阻电机的反馈 值与给定值偏差，所述空间电压矢量是指两相静止邮坐标系下的空间电压矢量;其中确定 下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式计算出两相静止邮坐标系下的空 间电压矢量Ua、化，所述公式为：
[0102]其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，iKk-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0103] 进一步的，作为具体实例，所述公式(9)、（10)通过如下步骤得出：
[0104] 在传统直接转矩控制DTC中，开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)
[0105] (1)
[0106] 因此由式（1)可W得出，通过控制磁链变化率的极性即可实现对转矩的控制，因此 可见开关磁阻电动机SRM的控制方法定义为下述设定：
[0107] (1)需要使得定子磁链幅值保持一个常值；
[0108] (2)利用加速或减速定子磁链矢量来控制相应的电机转矩。
[0109] 同时由公式（1)可知，可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的， 即在Uk-I)时刻，若要使得下一刻反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链iKk-1)正向旋转 A Θ角度，若要使得反馈转矩减小，则需使得定子合成磁链iKk-1)反向旋转ΔΘ角度；因此可 知，为了确定待发的空间电压矢量，则需要做到W下两点：
[0110] (1)纠正定子磁链运动轨迹与给定圆形轨迹的偏差，使控制周期结束时，定子磁链 矢量4化)的矢尖落在预定的磁链圆上。
[0111] (2)根据Uk-i)时刻转矩与给定转矩偏差确定定子磁链的旋转方向。
[0112] 基于上述原理，则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤：
[0113] 首选，确定Δ Θ的饱和限幅，即使得Δ θ< Δ Θ胃，其中Δ Θ角为一个给定周期定子合成 磁链旋转的角度，由于A Θ角要满足小于空间电压矢量在一个采样周期Ts中使定子磁链矢量转过 的最大角度A 0max，而空间电压矢量的最大幅值只能为馬。冶/2,此最大幅值的空间电压矢 量在一个控制周期Ts中能使定子磁链矢量转过的最大角度关
[0114] 其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子 磁链护化)的幅值，对应的公式表示为|4化）I = I护I (3);至此给定定子磁链护化)的幅值和 相对于iKk-1)的角度A Θ都确定了，则护化)与iKk-1)的关系就可W确定。
[0115] 最后，确定护化)与iKk-1)的关系，如图3所示，要使磁链空间矢量iKk-1)运动变化 到护化），所需施加的电压矢量iKk)，在Uk)时刻，对应的电压矢量如下式：
[0116]
(4)
[0117] 对应的在两相静止αβ坐标系下的空间电压矢量为
[01 別]
(8)
[0122] 将式(7)、（8)代入式(5)、（6)，将可求出所述的空间电压矢量:即
[0125] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0126] 步骤3、调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号，W控制开关磁阻 电机改变当前所输出的电机反馈转矩W及反馈磁链;所述调制前述所确定的空间电压矢量 并输出对应的脉冲信号的过程包括:判断所确定的两相静止αβ坐标系下的空间电压矢量U 化），下一刻位于哪个扇区；基于所确定的扇区所对应的两个相邻的基本电压矢量，获得相 邻两相各自对应的作用时间Τ;将所获得的作用时间Τ转化为对应的脉冲信号并输出。进一 步的，作为具体实例，空间电压矢量iKk)由扇区的相邻电压矢量来合成，如图5所示，若判断 空间电压矢量落在0扇区（-V6~V6)，则用化、U6基本电压矢量来合成，继而求得相邻两相 的各自作用时间Τι、T6，其具体求解过程为根据伏秒积分守恒得：
[0133] 其中，将所计算的作用时间转化为脉冲信号传递给功率变换器的开关管，即可实 现控制其按照指定的规则导通即开关磁阻电机改变当前所输出的电机反馈转矩W及反馈 磁链。
[0134] 本发明还要提供一种W开关磁阻电机为控制对象的磁链无差拍直接转矩控制系 统，如图3,其包括:转矩观测器、磁链观测器、核屯、部件-无差拍控制器、空间电压矢量调制 模块、功率变换器W及整个系统提供电源的供电电源；
[0135] 其中，转矩观测器，能够计算出当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩;所述转矩 观测器能够基于所计算的转子位置角度信息W及Ξ相电流信号与所设定的角度电流转矩 表进行比对，来获得对应的反馈转矩;进一步的，所述电机反馈转矩是通过将开关磁阻电机 的转子位置角度信息W及Ξ相电流信号与所设定的角度电流转矩表进行比对，来获得对应 的反馈转矩，其中所述转子位置角度信息由光电编码器获得，角度电流转矩表可通过按照 预先选定的电机的相应参数W及电机模型通过Mat 1 ab仿真试验获得，如下表1，其中横轴i 为电流，纵轴为转子位置角度9。
[0136] 表1:
[0137] _
[0138] 磁链观测器能够计算出当前时刻开关磁阻电机的反馈磁链;所述磁链观测器能够 根据通过霍尔传感器采集开关磁阻电机的Ξ相电流信号、Ξ相电压信号并积分计算出两相 静止坐标系下的反馈磁链私、化W及所述合成磁链的位置角度信息。
[0139] 分别连接所述转矩观测器、磁链观测器的无差拍控制器，该无差拍控制器能够基 于前述电机反馈转矩与给定转矩Tref的偏差，W及前述反馈磁链与给定磁链如ef的偏差，确 定下一采样周期的空间电压矢量，W补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差，进而实现 下一采样周期的无差拍控制;所述空间电压矢量是指两相静止地坐标系下的空间电压矢量 Ua、化，；所述无差拍控制器能计算出下一拍(采样周期)能精确补偿误差的空间电压矢量，其 确定下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式计算出两相静止邮坐标系下 的空间电压矢量，所述公式为：
[0142] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0143] 进一步的，作为本发明的优选，
[0144] 所述公式(9 )、（ 10)通过如下步骤得出：
[0145] 基于开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)
[0146]
(1)
[0147] 其中，i为单相电流，θ为转子位置角度；
[0148] 可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的，即在t化-1)时刻，若 要使得反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链4化-1)正向旋转A Θ角度，若要使得反馈转矩 减小，则需使得定子合成磁链4化-1)反向旋转A Θ角度；
[0149] 基于上述原理W及图4,则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤：
[0150] 首选，确定Δ Θ的饱和限幅，即使得Δ θ< Δ 0max，所述Δ 为在一个采样周期Ts中 使定子磁链矢量转过的最大角度，且
[0151] 其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子 磁链护化)的幅值，对应的公式表示为liKk) I = I护I (3);
[0152] 最后，确定护化)与iKk-1)的关系，即要使磁链空间矢量iKk-1)运动变化到护化）， 所需施加的电压矢量iKk)，在Uk)时刻，对应的电压矢量如下式：
[0162] 其中，iKk)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，护化)为t化)时刻要达 到的磁链即给定磁链，4化-1)为t(k-l)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链， Ts为采样周期，ΔΘ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ 之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻 反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则A Θ前的符号为正，反之则ΔΘ前 的符号为负。
[0163] 连接所述无差拍控制器的空间电压矢量调制模块-SVM调制模块，该空间电压矢量 调制模块能够基于所确定的空间电压矢量输出对应的脉冲信号;所述空间电压矢量调制模 块包括:扇区判断子模块，该扇区判断子模块能够判断所确定的两相静止邮坐标系下的空 间电压矢量iKk)，下一刻位于哪个扇区；作用时间计算子模块，该作用时间计算子模块能够 基于所确定的扇区所对应的两个相邻的基本电压矢量，获得相邻两相各自对应的作用时间 T;W及脉冲信号输出子模块，该脉冲信号输出子模块能够将所获得作用时间T转化为对应 的六路脉冲信号并输出。
[0164]进一步的，作为具体实例，空间电压矢量iKk)由扇区的相邻电压矢量来合成，如图 5所示，若判断空间电压矢量落在0扇区（-V6~V6)，则用化、U6基本电压矢量来合成，继而 求得相邻两相的各自作用时间Τ?、Τ6,其具体求解过程为根据伏秒积分守恒得：
[0171] 其中，将所计算的作用时间转化为脉冲信号传递给功率变换器的开关管。
[0172] 连接所述空间电压矢量调制模块的功率变换器，该功率变换器能够基于所述脉冲 信号控制开关磁阻电机改变当前所输出的电机反馈转矩W及反馈磁链；。进一步的，作为具 体实例，功率变换器采用不对称半桥式功率变换器，是连接SR电机绕组与电源端的纽带，其 可根据需要的开关信号，控制每相的通断;进而控制开关磁阻电机改变当前所输出的电机 反馈转矩W及反馈磁链。
[0173] 下述内容为与本发明对应的仿真实验过程：
[0174] 首先选择MATLAB软件作为仿真实验应用系统，MATLAB软件是由MathWork公司发布 的用于科学计算的软件，其全称是矩阵实验室(Matrix Laboratory)。它提供了矩阵计算、 数值分析、数据可视化W及非线性动态系统的建模和仿真等许多功能；Simulink是MATLAB 软件最重要的组件之一，使用者可W在该仿真环境下进行线性或非线性的建模仿真，同时 Simulink为电气领域的工作者提供了一套完善的建模仿真工具，其中电力系统模型库 (Power System Blockset)是针对电气领域的建模仿真专口开发的模型库。
[01巧]本发明则也是使用化wer System Blockset所提供的电力系统组件W及其他的常 用组件在Simulink中建立基于磁链无差拍的开关磁阻电机直接转矩控制模型并进行仿真。 [0176]根据图1-图3的原理，搭建的仿真电路如图6所示;该仿真过程具体为:首选，开关 磁阻电机采用MA化AB元件库里提供的6/4电机模型，即图6中的被控电机。由于电机模型的 输出参数里包含电机当前时刻的转矩和各相磁链值，仿真中转矩观测器和磁链观测器模块 的输出直接采用了电机模型的参数值，但实际硬件电路设计时转矩观测器和磁链观测器是 不可缺少的；
[0177] 其次，由于磁链是S相独立磁链，因此还需要进行Clark 3/2坐标变换，求出两相 静止坐标系下的Fa、Fe，并根据Fa、Fe计算出当前合成磁链旋转角度，一并传递给无差拍控制 器;该根据当前时刻磁链信息、转矩误差信息、合成磁链旋转角度与给定磁链值，计算出下 一采样周期要发的空间电压矢量；
[0178] 最后SVM模块即空间矢量调制模块，将无差拍控制器传递的空间电压矢量，转换为 6路脉冲信号传递给图中的功率变换器，调制出所需的电压矢量，实现无差拍精确补偿控 制。
[0179] 同时为了清晰比对出本发明实验效果;本例中还对传统直接转矩控制方法进行了 比对实验，其具体如下：定义纹波转矩的峰值A Τρρ与平均转矩Tav的比值为转矩脉动系数 Trf，即
[0180]
[0181] 根据仿真波形如图7a-图7c，算得DTC系统稳态时的转矩脉动系数为
[0182]
[0183] 而磁链无差拍开关磁阻电机直接转矩控制仿真过程为：
[0184] 根据仿真波形如图8a-图8c，算得磁链无差拍系统稳态时的转矩脉动系数为
[0185]
[0186] 我们通过仿真结果，可W看出磁链无差拍开关磁阻电机直接转矩控制对于转矩脉 动的抑制尤其是高速下起到了很好的效果;根据图7a-图7c，通过计算可知传统直接转矩脉 动为28%，根据图8a-8c，计算出磁链无差拍系统转矩脉动为5%，因而可看出磁链无差拍控 制使脉动波动减小了好几倍;且虽然传统DTC系统磁链也是圆形，但是明显看出圆的轨迹宽 度要高于磁链无差拍，可推出磁链无差拍系统磁链脉动更小；同时传统DTC控制系统对于突 加负载情况时，转矩脉动增大，而改进的无差拍控制方法，转矩脉动基本上维持不变。
[0187] 综上所述本方案有效的控制了转矩和磁链，使系统的动静态性能良好，解决了传 统控制方法转矩脉动大的问题，实现了转矩脉动的最小化，有效地控制了转矩脉动，并且实 现方法简单。
[0188] W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掲露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加 W等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制方法，其特征在于，该方法包括如下步 骤： 步骤1、计算当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩以及反馈磁链； 步骤2、基于前述电机反馈转矩与给定转矩的偏差，以及前述反馈磁链与给定磁链偏 差，确定下一采样周期的空间电压矢量，以补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差，所述 空间电压矢量是指两相静止邱坐标系下的空间电压矢量； 步骤3、调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号，以控制开关磁阻电机 改变当前所输出的电机反馈转矩以及反馈磁链。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 前述步骤2中确定下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式计算出两相 静止αβ坐标系下的空间电压矢量，所述公式为：其中，U(k)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，！T(k)为t(k)时刻要达到的 磁链即给定磁链，Φ( k-Ι)为t (k-Ι)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链，1^为 采样周期，△ Θ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中△ Θ之前 的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻反馈 转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则Α Θ前的符号为正，反之则ΛΘ前的符 号为负。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于： 所述公式(9)、（ 10)通过如下步骤得出： 基于开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的，即在t (k-1)时刻，若要使 得反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链iKk-l)正向旋转ΔΘ角度，若要使得反馈转矩减 小，则需使得定子合成磁链iKk-Ι)反向旋转△ Θ角度； 基于上述原理，则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤： 首选，确定Δ Θ的饱和限幅，即使得Δ θ< Δ 0max，所述Δ 0max为在一个采样周期Ts中使定 子磁链矢量转过的最大角度，其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子磁链f (k)的幅值，对应的公式表示为|iKk) I = Ilf I (3); 最后，确定矿(k)与！Kk-1)的关系，即要使磁链空间矢量！Kk-1)运动变化到矿(k)，所需 施加的电压矢量u(k)，在t(k)时刻，对应的电压矢量如下式：对应的在两相静止αβ坐标系下的空间电压矢量为ita*(k)=it*(k)cos(9土 Δ Θ) (7) it*e(k)=it*(k)sin(9土 Δ Θ) (8) 将式(7)、⑶代入式(5)、（6)，将可求出所述的空间电压矢量:即其中，U(k)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，！T(k)为t(k)时刻要达到的 磁链即给定磁链，Φ( k-Ι)为t (k-Ι)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链，1^为 采样周期，△ Θ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中△ Θ之前 的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻反馈 转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则Α Θ前的符号为正，反之则ΛΘ前的符 号为负。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 在步骤3中的调制前述所确定的空间电压矢量并输出对应的脉冲信号的过程包括： 判断所确定的两相静止邱坐标系下的空间电压矢量，下一刻位于哪个扇区； 基于所确定的扇区所对应的两个相邻的基本电压矢量，获得相邻两相各自对应的作用 时间Τ; 将所获得的作用时间Τ转化为对应的脉冲信号并输出。5. -种开关磁阻电机磁链无差拍直接转矩控制系统，其特征在于，所述系统包括： 转矩观测器，该转矩观测器用以计算出当前时刻开关磁阻电机的电机反馈转矩； 磁链观测器，该磁链观测器用以计算出当前时刻开关磁阻电机的反馈磁链； 分别连接所述转矩观测器、磁链观测器的无差拍控制器，该无差拍控制器用以基于前 述电机反馈转矩与给定转矩的偏差，以及前述反馈磁链与给定磁链偏差，确定下一采样周 期的空间电压矢量，以补偿开关磁阻电机的反馈值与给定值偏差，进而实现下一采样周期 的无差拍控制;所述空间电压矢量是指两相静止邱坐标系下的空间电压矢量； 连接所述无差拍控制器的空间电压矢量调制模块，该空间电压矢量调制模块用以基于 所确定的空间电压矢量输出对应的脉冲信号； 连接所述空间电压矢量调制模块的功率变换器，该功率变换器用以基于所述脉冲信号 控制开关磁阻电机改变当前所输出的电机反馈转矩以及反馈磁链； 以及供电电源。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于： 所述无差拍控制器确定下一控制周期的空间电压矢量的过程包括依据下述公式计算 出两相静止αβ坐标系下的空间电压矢量，所述公式为：其中，U(k)为待计算的合成定 子电压矢量即空间电压矢量，f(k)为t(k)时刻要达到的磁链即给定磁链，iKk-Ι)为t(k-l) 时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链，TS为采样周期，△ Θ角为一个给定周期内 定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中ΔΘ之前的正负号，根据给定转矩与反馈转矩 的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻反馈转矩小于给定转矩，则下一采样周期 需要增加转矩，则Α Θ前的符号为正，反之则△ Θ前的符号为负。7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于： 所述公式(9)、（ 10)通过如下步骤得出： 基于开关磁阻电动机的转矩公式，即下述公式(1)可知所述反馈转矩的加速和减速是由定子磁链矢量决定的，即在t (k-1)时刻，若要使 得反馈转矩增加，则需使得定子合成磁链iKk-l)正向旋转ΔΘ角度，若要使得反馈转矩减 小，则需使得定子合成磁链iKk-Ι)反向旋转△ Θ角度； 基于上述原理，则确定所述空间电压矢量需要进行如下步骤： 首选，确定Α Θ的饱和限幅，即使得Δ Θ<Δ 0max，所述△ 0max为在一个采样周期T冲使定子 磁链矢量转过的最大角度其次，确定定子磁链矢量在控制周期结束时的幅值，即使得其幅值等于给定定子磁链f (k)的幅值，对应的公式表示为|iKk) I = Ilf I (3)； 最后，确定矿(k)与！Kk-1)的关系，即要使磁链空间矢量！Kk-1)运动变化到矿(k)，所需 施加的电压矢量u(k)，在t(k)时刻，对应的电压矢量如下式：对应的在两相静止邱坐标系下的空间电压矢量为ita*(k)=it*(k)cos(9土 Δ Θ) (7) it*e(k)=it*(k)sin(9土 Δ Θ) (8) 将式(7)、⑶代入式(5)、（6)，将可求出所述的空间电压矢量:即其中，U(k)为待计算的合成定子电压矢量即空间电压矢量，！T(k)为t(k)时刻要达到的 磁链即给定磁链，Φ( k-Ι)为t (k-Ι)时刻的定子合成磁链即该时刻所对应的反馈磁链，1^为 采样周期，△ Θ角为一个给定周期内定子合成磁链旋转的角度，且公式(9)、（10)中△ Θ之前 的正负号，根据给定转矩与反馈转矩的比较误差结果确定，若误差是正，则说明该时刻反馈 转矩小于给定转矩，则下一采样周期需要增加转矩，则Α Θ前的符号为正，反之则ΛΘ前的符 号为负。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于： 所述空间电压矢量调制模块包括： 扇区判断子模块，该扇区判断子模块能够判断所确定的两相静止αβ坐标系下的空间电 压矢量，下一刻位于哪个扇区； 作用时间计算子模块，该作用时间计算子模块能够基于所确定的扇区所对应的两个相 邻的基本电压矢量，获得相邻两相各自对应的作用时间Τ; 以及脉冲信号输出子模块，该脉冲信号输出子模块能够将所获得作用时间Τ转化为对 应的脉冲信号并输出。
【文档编号】H02P21/20GK106059432SQ201610668602
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610668602.3, CN 106059432 A, CN 106059432A, CN 201610668602, CN-A-106059432, CN106059432 A, CN106059432A, CN201610668602, CN201610668602.3
【发明人】许爱德, 何昆仑
【申请人】大连海事大学