一种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，特别是开关磁阻电机转矩脉动抑制方法。

背景技术：

开关磁阻电机(switchedreluctancemotor，srm)具有结构简单、可靠性高、起动转矩大、制造成本低等优势，但因其高度非线性的电磁特性和脉冲供电的控制方式，使其转矩脉动与其它电机相比较为严重，限制了srm的应用范围。如何减小转矩脉动是当前srm研究的热点，抑制转矩脉动对srm的推广与应用具有重要意义。

目前，常见的srm抑制转矩脉动控制策略有转矩分配函数法、智能控制策略、电流波形控制和直接瞬时转矩控制等。智能控制策略通常为模糊控制和神经网络控制，属于非线性控制，具有很强的自适应能力，但算法较为复杂，难以在实际应用中推广。转矩分配函数法与电流波形控制都属于间接瞬时转矩控制方法，间接瞬时转矩控制方法需要转矩与电流或磁链之间关系曲线，且转矩控制器通常为开环控制，对模型的误差与扰动比较敏感。而直接瞬时转矩控制直接将电磁转矩作为控制对象，直接根据指令转矩和瞬时输出转矩得到所需的参考电压，控制系统结构更加简单可靠，在转矩脉动抑制方面效果良好。

直接瞬时转矩控制中控制策略的设计与功率变换电路的工作状态有关。功率变换电路的作用是将电源提供的能量提供给srm，控制器通过控制功率变换电路中的主开关器件的导通与关断来控制电机运行。结合功率变换电路的工作状态设计合适的控制策略，可以有效提高开关磁阻电机的动态特性。中国实用新型专利《一种开关磁阻电机四电平功率电路》，专利号为cn201721657582.6，公开日期为2018.6.12，公开了一种新型srm多电平功率电路，在实现快速励磁、退磁的同时，使srm各相电平在任意时刻均能独立切换，能够更加灵活地设计滞环控制策略，解决电机在两相重叠运行时多电平功率电路不能有效工作的问题。本发明旨在基于该新型多电平功率电路，发挥其各相可独立工作的特点，提出一种srm转矩脉动抑制方法，减小电机的转矩脉动。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是抑制srm的转矩脉动，基于新型多电平功率电路快速励磁、退磁且各相可独立运行的特点，本发明提出一种抑制srm转矩脉动的方法，通过直接瞬时转矩控制实现减小srm转矩脉动。

一种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，其特征在于，所述系统包括：速度控制器(1)、直接瞬时转矩控制单元(2)、开关表(3)、新型多电平功率电路(4)、开关磁阻电机(5)、电流传感器(6)、绝对编码器(7)、转矩计算单元(8)和转速计算单元(9)，其中：

电流传感器(6)检测电机绕组的电流值，绝对编码器(7)检测电机的转子位置；

转矩计算单元(8)根据相电流和转子位置，通过事先建立的开关磁阻电机转矩-电流-位置特性模型得到电机的实际输出转矩；

转速计算单元(9)根据编码器信号计算出电机的实际转速；

速度控制器(1)根据参考转速与实际转速之差计算出电机的参考转矩；

直接瞬时转矩控制单元(2)根据转矩偏差以及当前的转子位置，通过滞环控制策略得到下一时刻电机的工作状态，转矩偏差的计算公式为

δterr＝tref-test，

其中δterr为转矩偏差，tref为参考转矩，test为输出转矩；

开关表(3)将电机的工作状态转化为新型多电平功率电路(4)的开关状态；

新型多电平功率电路(4)通过改变开关状态来控制开关磁阻电机(5)运行。

一种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，包括如下步骤：

步骤1，采用实验测量的方法，或根据开关磁阻电机本体设计参数进行有限元仿真，或者通过电机设计软件均可得到电机不同转子位置和不同相电流条件下的磁链数据，经计算得到电机电磁转矩，建立转矩-电流-位置特性模型；

步骤2，根据srm的几何结构与各相电感随转子位置的变化情况，将电机的一个电周期划分为三个区域，以a、b两相换相过程为例，其中区域i为从b相开通角到a、b两相的电感变化率相等的位置θe为止的区域，区域ii为从θe到a相对齐位置的区域，区域iii是从a相对齐位置到c相的开通角为止的区域；

步骤3，开关磁阻电机各相绕组的工作状态由新型多电平功率电路中各相开关管的开关状态决定，为简化控制与滞环策略的设计，选择以下四种开关状态：以a相为例，当开关管sa1、sa2、sa3全部开通时，a相工作于快速励磁(“+2”)状态，用statea＝+2表示，绕组两端电压为+(uc1+uc2)，其中uc1为电容c1两端电压，uc2为电容c2两端电压；当开关管sa2、sa3开通，sa1关断时，a相工作于励磁(“+1”)状态，用statea＝+1表示，绕组两端电压为+uc1；当开关管sa1、sa2关断，sa3导通时，a相工作于续流(“0”)状态，用statea＝0表示，绕组两端电压为零；当开关管sa2、sa3都关断，且绕组中存在电流时，二极管da2、da3正向导通，电容c1与电容c2两端的电压反向加在绕组两端，此时a相工作于快速退磁(“-2”)状态，用statea＝-2表示，绕组两端的电压为-(uc1+uc2)；

b相绕组工作状态(stateb)和c相绕组工作状态(statec)的选择与a相相同，即选择“+2”、“+1”、“0”和“-2”四种工作状态，因此在换相过程中相邻两相共有16种工作状态组合，在换相过程中，需要开通相尽快建立电流，因此开通相绕组两端电压不能为负，且依据换相的基本原理，主要的转矩输出相应该在重叠导通区域逐渐由关断相过渡到开通相，因此在每个时刻开通相绕组两端的电压都不应低于关断相绕组两端的电压，于是可供选择的工作状态组合有(+2，+2)、(+1，+2)、(+1，+1)、(0，+1)、(0，0)、(0，+2)、(-2，+2)、(-2，+1)、(-2，0)这9种；

步骤4，结合不同区域内电感的变化规律，以及相邻两相可供选择的工作状态组合，对区域i、ii、iii分别设计滞环控制策略，将所设计的滞环控制策略应用于权利要求1所述的一种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统中，以实现抑制转矩脉动。

进一步地，步骤4所述结合不同区域内电感的变化规律，以及相邻两相可供选择的工作状态组合，对区域i、ii、iii分别设计滞环控制策略，以a、b两相换相过程为例，具体为：

步骤4.1，在进入区域i时，若a相在此之前工作于“-2”状态，则将其初始工作状态置为“0”状态，否则保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且statea＝0时，令a相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且statea＝+1时，令a相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且statea＝+2时，令a相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且statea＝+1时，令a相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与a相的工作状态不满足以上四个条件，则保持a相当前的工作状态不变；

在进入区域i时，将b相绕组的初始工作状态置为“+1”；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t4且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；当检测到δterr＞-t3且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上四个条件，则保持b相当前的工作状态不变；

步骤4.2，在进入区域ii时，将a相的初始状态置为“0”状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＜t2且statea＝0时，令a相转入“-2”工作状态；当检测到δterr＞t1且statea＝-2时，令a相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与a相的工作状态不满足以上两个条件，则保持a相当前的工作状态不变；

在进入区域ii时，b相保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上四个条件，则保持b相当前的工作状态不变；

步骤4.3，在区域iii，将a相的开关管sa2、sa3关断，若a相电流没有在区域ii减小到零，则二极管da2、da3正向导通，电容c1与电容c2两端的电压反向加在绕组两端，a相工作于快速退磁状态，若a相电流减小到零，由于二极管da2、da3反向截止的作用，a相绕组的电压、电流都保持为零；

在进入区域iii时，b相保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；当检测到δterr＜-t4且stateb＝0时，令b相转入“-2”工作状态；当检测到δterr＞-t3且stateb＝-2时，令b相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上六个条件，则保持b相当前的工作状态不变。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：既能发挥新型多电平功率电路快速励磁、退磁的优点，提高电机的动态响应，又能发挥新型多电平功率电路各相电平在任意时刻均能独立切换的优点，解决了电机在两相重叠运行时多电平功率电路不能有效工作的问题，结合电感变化规律与转矩偏差的大小情况设定恰当的开关组合，有很强的转矩脉动抑制能力。

附图说明

图1是本发明所述基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统结构框图。

图2是本发明所述新型多电平功率电路。

图3是本发明所述所选择的新型多电平功率电路的四种工作状态。

图4是本发明所述对开关磁阻电机的一个电周期进行的划分，划分为i、ii、iii三个区域。

图5是本发明所述基于新型多电平功率电路设计的滞环控制策略，图5(a)是区域i的直接瞬时转矩控制策略；图5(b)是区域ii的直接瞬时转矩控制策略；图5(c)是区域iii的直接瞬时转矩控制策略。

具体实施方式

本发明提供了种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明采用的一种基于新型多电平功率电路的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统结构框图，包括：速度控制器(1)、直接瞬时转矩控制单元(2)、开关表(3)、新型多电平功率电路(4)、开关磁阻电机(5)、电流传感器(6)、绝对编码器(7)、转矩计算单元(8)和转速计算单元(9)。其中：电流传感器(6)检测电机绕组的电流值，绝对编码器(7)检测电机的转子位置；转矩计算单元(8)根据相电流和转子位置，通过事先建立的开关磁阻电机转矩-电流-位置特性模型得到电机的实际输出转矩；转速计算单元(9)根据编码器信号计算出电机的实际转速；速度控制器(1)根据参考转速与实际转速之差计算出电机的参考转矩；直接瞬时转矩控制单元(2)根据转矩偏差以及当前的转子位置，通过滞环控制策略得到下一时刻电机的工作状态，转矩偏差的计算公式为

δterr＝tref-test，

其中δterr为转矩偏差，tref为参考转矩，test为输出转矩；开关表(3)将电机的工作状态转化为新型多电平功率电路(4)的开关状态；新型多电平功率电路(4)通过改变开关状态来控制开关磁阻电机(5)运行。

图2为本发明所述新型多电平功率电路。开关磁阻电机各相绕组的工作状态由新型多电平功率电路中各相开关管的开关状态决定，为简化控制与滞环策略的设计，选择以下四种开关状态：以a相为例，当开关管sa1、sa2、sa3全部开通时，如图3(a)所示，a相工作于快速励磁(“+2”)状态，用statea＝+2表示，绕组两端电压为+(uc1+uc2)，其中uc1为电容c1两端电压，uc2为电容c2两端电压；当开关管sa2、sa3开通，sa1关断时，如图3(b)所示，a相工作于励磁(“+1”)状态，用statea＝+1表示，绕组两端电压为+uc1；当开关管sa1、sa2关断，sa3导通时，如图3(c)所示，a相工作于续流(“0”)状态，用statea＝0表示，绕组两端电压为零；当开关管sa2、sa3都关断，且绕组中存在电流时，二极管da2、da3正向导通，电容c1与电容c2两端的电压反向加在绕组两端，如图3(d)所示，此时a相工作于快速退磁(“-2”)状态，用statea＝-2表示，绕组两端的电压为-(uc1+uc2)。该新型多电平功率电路可实现各相绕组“+2”、“+1”、“0”、“-2”四种状态的完全独立控制。

图4是本发明所述对一个换相周期进行的划分，其中区域i为从b相开通角到a、b两相的电感变化率相等的位置θe为止的区域，区域ii为从θe到a相对齐位置的区域，区域iii是从a相对齐位置到c相的开通角为止的区域。

图5是本发明所述基于新型多电平功率电路设计的滞环控制策略。横轴为转矩偏差，纵轴为绕组的工作状态。

图5(a)是区域i的直接瞬时转矩控制策略，此时关断相a相的电感变化率较大，主要靠调节a相的工作状态调整输出转矩。在进入区域i时，若a相在此之前工作于“-2”状态，则将其初始工作状态置为“0”状态，否则保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且statea＝0时，令a相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且statea＝+1时，令a相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且statea＝+2时，令a相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且statea＝+1时，令a相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与a相的工作状态不满足以上四个条件，则保持a相当前的工作状态不变。

在区域i，开通相b相的电感变化率较小，为使b相尽快建立电流，在进入区域i时，将b相绕组的初始工作状态置为“+1”；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t4且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；当检测到δterr＞-t3且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上四个条件，则保持b相当前的工作状态不变。

图5(b)是在区域ii的直接瞬时转矩控制策略。在进入区域ii时，将a相的初始状态置为“0”状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＜t2且statea＝0时，令a相转入“-2”工作状态；当检测到δterr＞t1且statea＝-2时，令a相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与a相的工作状态不满足以上两个条件，则保持a相当前的工作状态不变。

在区域ii，b相的电感变化率较大且已经建立起了一定的相电流，此时b相为转矩的主要输出相，在进入区域ii时，b相保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上四个条件，则保持b相当前的工作状态不变。

图5(c)是区域iii的直接瞬时转矩控制策略，此时a相处于负转矩区，此时应将a相的开关管sa2、sa3关断，若a相电流没有在区域ii减小到零，则二极管da2、da3正向导通，电容c1与电容c2两端的电压反向加在绕组两端，a相工作于快速退磁状态，若a相电流减小到零，由于二极管da2、da3反向截止的作用，a相绕组的电压、电流都保持为零。

在区域iii，输出转矩由b相独立提供。在进入区域iii时，b相保持之前的工作状态作为初始工作状态；在每一个采样周期，当检测到δterr＞t2且stateb＝0时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＞t1且stateb＝+1时，令b相转入“+2”工作状态；当检测到δterr＜t2且stateb＝+2时，令b相转入“+1”工作状态；当检测到δterr＜-t3且stateb＝+1时，令b相转入“0”工作状态；当检测到δterr＜-t4且stateb＝0时，令b相转入“-2”工作状态；当检测到δterr＞-t3且stateb＝-2时，令b相转入“0”工作状态；若检测到的转矩偏差与b相的工作状态不满足以上六个条件，则保持b相当前的工作状态不变。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。