一种开关磁阻驱动系统的制作方法

本实用新型涉及电机驱动领域，特别是一种开关磁阻驱动系统。

背景技术：

开关磁阻驱动(Switched Reluctance Drive：SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数W直到数百kW，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及开关磁阻驱动系统辆等领域。

目前，普遍采用的开关磁阻驱动系统有以下几种特点：

1)电机结构简单、成本低、适用于高速。开关磁阻电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此开关磁阻电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。

2)功率电路简单，各相独立工作，可构成极高可靠性系统。因为电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。从电机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电机才能正常运转。

3)高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点，使之在起动方法中电流冲击小，电机和控制器发热较连续额定运行时还小，适用于频繁起停及正反向转运行。

4)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。

5)效率高，损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统。可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。

6)具有明显转矩脉动，且驱动运行时导致振动大。

7)开关磁阻电机噪声大，影响应用场合。

综上，目前市场上普遍应用的开关磁阻驱动系统从其特点上看，虽然具有很多优点，但也存在致命缺点，使得其应用场合和应用范围受到限制，无法再更广阔的领域使用。

当前存在的主要问题如下：

1)存在明显的转矩脉动，转矩控制精度低；

2)运行中出现振动，稳定性能较差；

3)开关磁阻电机噪声大；

4)开关磁阻驱动系统总体缺乏优化。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中存在明显的转矩脉动，导致出现振动，且电机噪声大的问题，本实用新型提供一种开关磁阻驱动系统来解决上述问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种开关磁阻驱动系统，其特征在于：它包括控制器、用户操控装置、开关磁阻电机和磁电编码器；其中，所述控制器分别连接所述用户操控装置和所述开关磁阻电机，所述开关磁阻电机连接所述磁电编码器；所述用户操控装置向所述控制器提供驱动系统运行的控制信号，所述磁电编码器检测所述开关磁阻电机的电机转子绝对角位置信号，并将其传送给所述控制器，所述控制器控制所述驱动系统带动的负载工作。

所述驱动系统还包括一电池组，所述电池组连接所述控制器。

所述控制器包括控制模块、电源模块、功率模块、电流检测模块、位置检测模块和接口模块；其中，所述控制模块分别连接所述电源模块、所述功率模块、所述电流检测模块、所述位置检测模块和所述接口模块，且所述电源模块还连接所述功率模块、所述电流检测模块、所述位置检测模块和所述电池组；所述功率模块分别连接所述电流检测模块和所述开关磁阻电机；所述位置检测模块连接所述磁电编码器；所述接口模块连接所述用户操控装置；所述电源模块为所述控制模块提供控制电源，还为所述功率模块提供功率电源，亦为所述电流检测模块和所述位置检测模块分别提供检测电源。

所述磁电编码器包括转子和定子：所述转子采用磁钢环，所述磁钢环套在所述开关磁阻电机的尾轴上，与所述开关磁阻电机的转子同步旋转；所述定子采用定子支架、霍尔磁感应元件、PCB电路板；所述霍尔磁感应元件定位安装在所述定子支架上，所述霍尔磁感应元件的引脚焊接在所述PCB电路板上，所述PCB电路板固定在所述定子支架上；所述定子支架安装固定在所述开关磁阻电机的后法兰上。

本实用新型的有益效果是：本实用新型开关磁阻驱动系统是根据电机输出的两个物理量转矩和速度采用了四象限控制策略，并在各象限里又基于对电机转子位置的精确检测，实现对电流的闭环矢量控制和对速度的闭环控制方式。采用四象限控制策略，实现开关磁阻驱动系统的总体优化；基于精确的电流和转子位置检测，实现真正的闭环矢量控制，使得电流、转矩和速度控制精度高。电流控制精度高，有效抑制了产生较大电流尖峰，同时也降低了电机噪声；转矩控制精度高，大大降低了转矩脉动，对功率模块的冲击小，提高了运行过程中的可靠性；速度控制精度高，确保了总体控制性能的稳定；频繁启动和过载状态下效率高，发热小，配合内部温度和功率调节曲线，从而优化了开关磁阻驱动系统性能。鉴于以上理由，本实用新型可以广泛用于电机驱动领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型开关磁阻驱动系统的总体框图；

图2是本实用新型开关磁阻电机及磁电编码器的一种组成结构图；

图3是磁电编码器在开关磁阻电机上的装配整体示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是电机速度和电机转矩所形成的象限示意图；

图6是电机从初始状态开始进入各象限及各象限之间相互转化的原理框图；

图7是第一象限的控制流程图；

图8是第二象限的控制流程图；

图9是第三象限的控制流程图；

图10是第四象限的控制流程图；

图11是本实用新型开关磁阻驱动系统的电流控制框图；

图12是本实用新型开关磁阻驱动系统的电流控制流程图；

图13是本实用新型开关磁阻驱动系统的转矩控制框图；

图14是本实用新型开关磁阻驱动系统的转矩控制流程图；

图15是本实用新型开关磁阻驱动系统的速度控制框图；

图16是本实用新型开关磁阻驱动系统的速度控制流程图；

图17是本实用新型开关磁阻驱动系统的电流环U相解耦前馈控制框图；

图18是电流环U相解耦前馈控制流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

本实用新型开关磁阻驱动系统是根据电机输出的两个物理量转矩和速度采用了四象限控制策略，并在各象限里又基于对电机转子位置的精确检测，实现对电流的闭环矢量控制和对速度的闭环控制方式。采用四象限控制策略，实现开关磁阻驱动系统的总体优化；基于精确的电流和转子位置检测，实现真正的闭环矢量控制，使得电流、转矩和速度控制精度高。电流控制精度高，有效抑制了产生较大电流尖峰，同时也降低了电机噪声；转矩控制精度高，大大降低了转矩脉动，对功率模块的冲击小，提高了运行过程中的可靠性；速度控制精度高，确保了总体控制性能的稳定；频繁启动和过载状态下效率高，发热小，配合内部温度和功率调节曲线，从而优化了开关磁阻驱动系统性能。

本实用新型开关磁阻驱动系统根据电机输出的两个物理量转矩和速度，采用了四象限控制策略。以第一象限为例，第一象限控制进入后，首先根据当前速度反馈，进行两步法关断角提前角度计算；对速度反馈进行限速处理，同时获得临时速度反馈和计算限制滞后导通角；根据电流指令和每个控制周期电角度变化，分别计算开通角补偿值和关断角补偿值；根据当前速度反馈，进行速度判断，分为低速区、高速区、中速区；在每个速度区间，根据开通角设定值、开通角补偿值、限制滞后导通角计算开通角；根据关断角设定值、关断角补偿值计算关断角；并对开通角和关断角分别进行死区角度处理；根据死区角度处理后的关断角和两步法关断角提前角度计算两步法关断角；对开通角、关断角、两步法关断角等进行角度范围限制；根据计算出的开通角、关断角、两步法关断角通过设计相通电控制器判断导通关闭类型，结束第一象限控制结束。

本实用新型开关磁阻驱动系统在各象限里又包括电流、转矩、速度的控制。电流控制是对开关磁阻电机的U、V、W三相进行独立的电流闭环矢量控制，并根据磁电编码器检测提供的电机转子绝对角位置信号，通过设计相通电控制器最终实现开关磁阻驱动系统的电流控制。转矩控制是以上述三相独立电流控制为内环的基础上，根据磁电编码器检测提供的电机转子绝对角位置信号，经过微分器计算获得速度反馈；设计转矩处理器再根据速度反馈和转矩指令进行计算处理输出电流指令传送给电流控制内环，从而最终实现开关磁阻驱动系统外环转矩控制。速度控制是以上述三相独立电流控制为内环的基础上，根据磁电编码器检测提供的电机转子绝对角位置信号，经过微分器计算获得速度反馈；设计速度控制器再根据速度反馈和速度指令进行计算输出电流指令传送给电流控制内环，从而最终实现开关磁阻驱动系统的外环速度控制。其中，电流闭环矢量控制还包括解耦前馈控制，该方法提高了电流环的控制响应特性，对转矩控制、速度控制以及开关磁阻驱动系统的控制性能都具有良好的改善作用。

如图1所示，一种开关磁阻驱动系统包括控制器100、用户操控装置200、开关磁阻电机300和磁电编码器400。

其中，控制器100分别连接用户操控装置200和开关磁阻电机300，开关磁阻电机300连接磁电编码器400。

用户操控装置200给控制器100提供开关磁阻驱动系统运行的控制信号，开关磁阻驱动系统运行的控制信号包括但不限于指令信号、前进信号、倒退信号、刹车信号等，磁电编码器400检测开关磁阻电机300的电机转子绝对角位置信号，并将其传送给控制器100，控制器100作为开关磁阻驱动系统的核心，根据磁电编码器400提供的开关磁阻电机300的电机转子绝对角位置信号和用户操控装置200提供开关磁阻驱动系统运行的控制信号，通过电流闭环矢量控制、转矩控制及速度闭环输出一进一出各两路U、V、W的PWM驱动信号给开关磁阻电机300，从而控制开关磁阻驱动系统带动负载工作。上述磁电编码器400可精确检测开关磁阻电机300的转子绝对机械位置，即电机转子绝对角位置信号。

如图1所示，一种开关磁阻驱动系统还包括电池组500，电池组500连接控制器100，用于给控制器100提供正极和负极动力电源。

如图1所示，控制器100包括控制模块101、电源模块102、功率模块103、电流检测模块104、位置检测模块105和接口模块106。

其中，控制模块101分别连接电源模块102、功率模块103、电流检测模块104、位置检测模块105和接口模块106，且电源模块102还连接功率模块103、电流检测模块104、位置检测模块105和电池组500。功率模块103分别连接电流检测模块104和开关磁阻电机300。位置检测模块105连接磁电编码器400。接口模块106连接用户操控装置200。

电源模块102为控制模块101提供控制电源(如5V或3.3V)，还为功率模块103提供功率电源，亦为电流检测模块104和位置检测模块105分别提供检测电源。

控制模块101是控制器100的核心，控制模块101接收位置检测模块105提供的开关磁阻电机300的电机转子绝对角位置信号，以及电流检测模块104提供的开关磁阻电机300的电机电流反馈信号，通过电流闭环矢量控制、转矩控制及速度闭环控制算法获得驱动开关磁阻电机300的UP、UN、VP、VN、WP、WN等6路PWM信号，传送给功率模块103；功率模块103根据电源模块102提供的功率电源和控制模块101提供的PWM信号，产生U、V、W电机三相信号驱动开关磁阻电机300；与此同时，控制模块101通过接口模块106接收用户操控装置200提供开关磁阻驱动系统运行的控制信号，实现开关磁阻驱动系统的具体功能控制。

如图2所示，磁电编码器400包括转子和定子，转子采用磁钢环401，磁钢环401套在开关磁阻电机300的尾轴409上，并用专用磁钢胶粘合，与开关磁阻电机300的转子同步旋转，即磁电编码器400的转子与开关磁阻电机300的转子同步旋转。

定子采用定子支架402、霍尔磁感应元件403、PCB电路板404和自攻螺钉405，霍尔磁感应元件403定位安装在定子支架402上，其引脚焊接在PCB电路板404上，自攻螺钉405将PCB电路板404固定在定子支架402上；定子支架402安装固定在开关磁阻电机300的后法兰408上，安装完成之后将后盖406安上。

霍尔磁感应元件403感应磁钢环401随开关磁阻电机300的转子同步旋转产生的磁场变化信号，并将磁场变化信号转化为模拟电压信号，并将该模拟电压信号传送给PCB电路板404，通过PCB电路板404的信号接口，输出给控制器100的位置检测模块105，即该信号为电机转子绝对角位置信号。

如图3所示，磁电编码器400在开关磁阻电机300上的安装结构紧凑，所需轴向尺寸和空间小，方便使用。

如图4所示，磁电编码器400的定子支架402均匀分布有4个安装槽407，在开关磁阻电机300的后法兰408上固定时，可以以开关磁阻电机300的尾轴409为轴心自由旋转，因此方便确定开关磁阻电机300的磁场位置。同时，磁电编码器400的磁钢环401(转子)外径与定子支架402的内环之间有间隙，处于非接触状态，因此在电机高速旋转或温度变化大、有粉尘油污等恶劣环境下也不会有机械上的磨损，从而提高可靠性和使用寿命。

本实用新型开关磁阻驱动系统根据电机输出的两个物理量转矩和速度，采用了四象限控制策略，实现开关磁阻驱动系统的总体优化。

1)如图5所示，以电机速度为横坐标，以电机转矩为纵坐标的四个象限划分，两个坐标的交叉点为0。如图5所示，第一象限需要满足速度>0，转矩>0条件；第二象限需要满足速度<0，转矩>0条件；第三象限需要满足速度<0，转矩<0条件；第四象限需要满足速度>0，转矩<0条件。

2)针对每一象限控制进入后，针对开关磁阻驱动系统进行电流闭环矢量控制、转矩控制及速度闭环控制；

3)如图6所示，电机从初始状态开始进入各象限及各象限之间相互转化的原理框图。

其中，箭头方向表示象限转换方向，①和②表示两种象限转换条件。①代表需要满足象限划分条件，例如从初始状态转换到第一象限时需要满足速度>0，转矩>0条件。②代表需要满足象限切换速度条件。具体为从第一象限向第二象限转换时，要满足当前速度<－象限切换速度；从第二象限向第一象限转换时，要满足当前速度>象限切换速度；从第三象限向第四象限转换时，要满足当前速度>象限切换速度；从第四象限向第三象限转换时，要满足当前速度<－象限切换速度。

如图7、图8、图9和图10所示，四象限控制流程图。下面以第一象限为例说明象限控制策略进行步骤。

第一步，第一象限控制进入后，首先根据当前速度反馈，进行两步法关断角提前角度计算；上述两步法关断角是本领域技术人员常用的技术手段，故不在详述。

第二步，对速度反馈进行限速处理，同时获得临时速度反馈和计算限制滞后导通角；上述对速度反馈进行限速处理是本领域技术人员常用的技术手段，故不在详述。

第三步，根据转矩处理器或速度控制器输出的电流指令和每个控制周期电角度变化，分别计算开通角补偿值和关断角补偿值；

第四步，根据当前速度反馈，进行速度判断，分为低速区、高速区、中速区；上述低速区、高速区、中速区的本领域技术人员常用的技术手段，故不再详述。

第五步，在每个速度区间，根据开通角设定值、开通角补偿值、限制滞后导通角计算开通角；根据关断角设定值、关断角补偿值计算关断角；并对开通角和关断角分别进行死区角度处理，即开通角减去所设定的死区角度获得开通角输出值，关断角减去所设定的死区角度获得关断角输出值；根据死区角度处理后的关断角和两步法关断角提前角度计算两步法关断角；

第六步，对开通角、关断角、两步法关断角等进行角度范围限制，上述角度范围限制是本领域技术人员常用的技术手段，故不再详述；

第七步，根据计算出的开通角、关断角、两步法关断角通过设计相通电控制器判断导通或者关闭类型，即导通或者关闭，结束第一象限控制结束。

下面以三相开关磁阻电机300为例，具体说明本实用新型开关磁阻驱动系统在各象限里的电流、转矩和速度的控制，即针对步骤2)中的内容进行详细描述。

如图11所示，电流控制是对开关磁阻电机300的U、V、W三相进行独立的电流闭环矢量控制，并根据磁电编码器400检测提供的电机转子绝对角位置信号，通过设计相通电控制器最终实现开关磁阻驱动系统的电流闭环矢量控制，使得电流控制精度高，有效抑制了产生较大电流尖峰，同时也降低了电机噪声。

如图11和图12所示，电流闭环矢量控制如下：

第一步，电流控制中断开始后，触发电流采样分别获得电机U相电流反馈Iu_fb、V相电流反馈Iv_fb和W相电流反馈Iw_fb，同时读取磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb；

第二步，电流指令I_ref分别传送给U相电流指令Iu_ref、V相电流指令Iv_ref、W相电流指令Iw_ref，即I_ref＝Iu_ref＝Iv_ref＝Iw_ref；

U相电流PID控制器根据U相电流指令Iu_ref和U相电流反馈Iu_fb的差值ΔIu通过计算输出U相驱动电压ΔUu；

V相电流PID控制器根据V相电流指令Iv_ref和V相电流反馈Iv_fb的差值ΔIv通过计算输出V相驱动电压ΔUv；

W相电流PID控制器根据W相电流指令Iw_ref和W相电流反馈Iw_fb的差值ΔIw通过计算输出W相驱动电压ΔUw；

第三步，设计相通电控制器根据三相驱动电压ΔUu、ΔUv、ΔUw，以及磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb判断并转化成PWM驱动信号输出，再经过功率模块103生成U、V、W三相电流控制开关磁阻电机300。

如图13所示，转矩控制是以上述三相独立电流控制为内环的基础上，根据磁电编码器400检测提供的电机转子绝对角位置信号，经过微分器计算获得速度反馈；设计转矩处理器再根据速度反馈和转矩指令进行计算处理输出电流指令传送给电流控制内环，从而最终实现开关磁阻驱动系统外环转矩控制，转矩控制精度高，大大降低了转矩脉动，对功率模块103的冲击小，提高了运行过程中的可靠性。

如图13和图14所示，转矩控制如下：

第一步，转矩控制中断开始后，触发电流采样分别获得电机U相电流反馈Iu_fb、V相电流反馈Iv_fb和W相电流反馈Iw_fb，同时读取磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb；

第二步，电机转子绝对角位置信号θ_fb经过微分器计算后输出速度反馈V_fb；

第三步，设计转矩处理器根据用户操控装置提供的转矩指令T_ref和速度反馈V_fb计算处理输出电流指令I_ref输入到上述三相独立电流控制中；

第四步，通过运行电流控制内环，最终实现对开关磁阻驱动系统的外环转矩控制。

如图15所示，速度控制是以上述三相独立电流控制为内环的基础上，根据磁电编码器400检测提供的电机转子绝对角位置信号，经过微分器计算获得速度反馈；速度控制器100再根据速度反馈和速度指令进行计算输出电流指令传送给电流控制内环，从而最终实现开关磁阻驱动系统的外环速度控制，速度控制精度高，确保了总体控制性能的稳定。

如图15和图16所示，速度控制如下：

第一步，速度控制中断开始后，触发电流采样分别获得电机U相电流反馈Iu_fb、V相电流反馈Iv_fb、W相电流反馈Iw_fb，同时读取磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb；

第二步，电机转子绝对角位置信号θ_fb经过微分器计算后输出速度反馈V_fb；

第三步，速度PID控制器根据速度指令V_ref和速度反馈V_fb通过计算输出电流指令I_ref输入到上述三相独立电流控制中；

第四步，通过运行电流控制内环，最终实现对开关磁阻驱动系统的外环速度控制。

本实用新型开关磁阻驱动系统的电流控制中还包括解耦前馈控制。如前，电流控制是对开关磁阻电机300的U、V、W三相进行独立的电流闭环矢量控制，因此下面以U相为例进行具体说明，如图17和图18所示，电流环U相解耦前馈控制如下：

第一步，电流控制中断开始后，触发电流采样获得电机U相电流反馈Iu_fb，同时读取磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb；

第二步，电机转子绝对角位置信号θ_fb经过微分器计算后输出速度反馈V_fb；

第三步，U相电流控制器根据U相电流指令Iu_ref和U相电流反馈Iu_fb的差值ΔIu通过计算输出驱动电压ΔUu；

第四步，U相前馈控制器根据U相电流指令Iu_ref和微分器提供的速度反馈V_fb通过计算输出U相前馈电压FF_Uu；U相驱动电压ΔUu和U相前馈电压FF_Uu相加获得U相中间驱动电压Δ`Uu，

第五步，经过电压限制处理后获得U相的最终驱动电压Δ``Uu；

第六步，设计相通电控制器根据最终驱动电压Δ``Uu，以及磁电编码器400检测输出的电机转子绝对角位置信号θ_fb计算判断并转化成PWM驱动信号输出，再经过功率模块103生成U相电流控制开关磁阻电机300。

电流环解耦前馈控制提高了电流环的控制响应特性，对转矩控制、速度控制以及开关磁阻驱动系统的控制性能都具有良好的改善作用。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。