开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制方法

1.本发明涉及电机及其控制系统领域，尤其涉及开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、容错性能好、易于实现四象限运行，并且无需稀土永磁材料等优点，在通用工业、航空航天、电动汽车及家用电器等多个领域都有广阔应用前景。尽管目前对开关磁阻电机的理论和应用研究已经取得了较大进展，但开关磁阻电机转矩脉动严重的缺点一直没有得到有效解决。转矩脉动不仅会恶化电机驱动性能，引起传动系统轴系振荡，而且严重的还会造成传动系统的损坏，极大地限制了开关磁阻电机在许多高品质要求场合下(如电动汽车、伺服系统)的应用。
3.在现有技术中，解决开关磁阻电机转矩脉动问题普遍采用的方法包括如下几种：
4.基于转矩分配的转矩控制方法。基于转矩分配的转矩控制方法是利用转矩分配函数将总转矩分配到各相，然后通过转矩-电流转换器获得相电流指令，进而可以通过控制各相电流实时跟踪相参考电流，使得各相转矩可以跟踪相参考转矩，间接实现转矩控制。因此，转矩-电流转换器和电流控制器的性能直接决定了最终的转矩控制性能。
5.现有转矩-电流转换器一般采用对非线性转矩逆模型进行查表插值或者基于迭代学习法对转换误差进行非线性补偿。然而，这些方法过于复杂，不易于工程实施。
6.遗传算法是借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的一种全局优化自适应概率搜索算法。遗传算法使用群体搜索技术，它通过对当前群体施加选择、交叉、变异等一系列遗传操作，从而生产出新一代的群体，并逐步使群体进化到包含或接近最优解的状态。由于其具有思想简单、易于实现、应用效果明显等优点而被众多应用领域所接受。用遗传算法来优化开关磁阻电机转矩分配函数的开通角、关断角，这样可以在转矩分配函数控制的基础上进一步减小转矩脉动。


技术实现要素：

7.根据现有技术存在的问题，本发明公开了开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制方法，针对传统转矩分配函数铜耗较大，转速升高时转矩脉动显著增大的缺点，提出了一种改进型转矩分配函数，并通过遗传算法优化了该改进型转矩分配函数的开通角、关断角。
8.开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制方法，包括如下步骤：
9.(1)电流传感器采集开关磁阻电机三相绕组电流ia、ib、ic，位置传感器采集电机转子位置θ；
10.(2)控制器根据位置传感器采集的位置信号计算出电机转速ω；
11.(3)转矩脉动计算模块根据开关磁阻电机总输出转矩te计算转矩脉动t
ripple
；
12.(4)电流有效值计算模块根据电流检测模块的三相电流ia、ib、ic计算相电流有效值i
rms
；
13.(5)遗传算法模块中的第一个不等约束条件根据提前实验测得电机参数：相绕组电阻r，相绕组电感l，相绕组电感变化率结合电机转速ω和三相电流ia、ib、ic计算励磁相和退磁相的磁链变化率最大值，并与直流电源电压进行比较；
14.(6)遗传算法模块中的第二个不等约束条件将相电流有效值i
rms
和电流额定值i
rated
进行比较；
15.(7)遗传算法比较上述两个不等约束条件是否满足，并根据i
rms
和t
ripple
计算目标函数值j，比较该多次迭代中j的最小值，并输出j
min
对应迭代过程中的开通角、关断角；
16.(8)改进型转矩分配函数模块根据开通角、关断角和pi控制器输出的总参考转矩t
ref
计算出三相参考电流i
aref
、i
bref
、i
cref
；
17.(9)电流滞环控制模块根据三相电流和三相电流参考值生成三相驱动信号，该驱动信号经过放大处理后控制相应地开关器件，从而控制开关磁阻电机运行。
18.本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
19.1.本发明使用的改进型转矩分配函数，同时对转矩脉动和铜耗进行了多目标优化，使得该改进型转矩分配函数的铜耗小于传统转矩分配函数，并且在转速升高的情况下，转矩脉动仍然保持较低的水平。
20.2.本发明使用遗传算法对开通角、关断角进行了优化，减少了优化的迭代次数。
21.3.本发明的改进型转矩分配函数在励磁相的电流建立阶段结束后立刻进入退磁相的退磁阶段，因此在换相区同一时刻只需要对一相电流进行控制，另一相处于励磁/退磁状态，简化了控制过程。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制系统框图；
24.图2为本发明的改进型转矩分配函数开通角、关断角优化流程图；
25.图3为本发明的传统余弦型转矩分配函数和改进型转矩分配函数的电流参考曲线对比；
26.图4为本发明的传统余弦型转矩分配函数和改进型转矩分配函数的相电流和转矩脉动的对比；
具体实施方式
27.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
28.开关磁阻电机改进型转矩分配函数控制方法由pi速度控制器、改进型转矩分配函数模块、电流滞环控制模块、转矩脉动计算模块、电流有效值计算模块、功率变换器、开关磁阻电机、位置传感器、电流传感器、转速计算模块组成，如图1所示。
29.所述位置传感器检测所述开关磁阻电机的转子位置θ；
30.所述转速转化模块将接收所述位置传感器传送的开关磁阻电机转子位置θ转化成开关磁阻电机转速ω；
31.所述pi速度控制器接收所述转速计算模块传送的实际转速ω与给定参考转速ω
ref
作差后得到的转速误差信号，输出给定转矩t
ref
；
32.所述目标函数计算模块根据此次迭代过程的电流有效值i
rms
和转矩脉动t
ripple
,计算出目标函数值：其中，ωf表示优化目标转矩脉动的权重(0《ωf《1)，表示转矩脉动，表示电流有效值的平方，用以评估铜耗；
33.遗传算法的第一个不等约束条件模块接收转速计算模块输出的电机转速ω和电流检测模块输出的三相电流ia、ib、ic，并通过实验/有限元事先获得的相绕组电阻r、相绕组电感l(θ)和相绕组电感变化率通过下式计算得到换相区间内励磁相/退磁相的磁链变化率：变化率：其中，λk表示励磁相磁链，lk表示励磁相电感，ik表示励磁相电流，θk表示励磁相转子位置，λ
k-1
表示退磁相磁链，l
k-1
表示退磁相电感，i
k-1
表示退磁相电流，θ
k-1
表示退磁相转子位置。并且用换向区间内磁链变化率的最大值用以评价相电流跟随电流参考曲线的能力，该值需小于v-ir以保证相电流在任意转子位置都能够跟随电流参考曲线：ir以保证相电流在任意转子位置都能够跟随电流参考曲线：其中，v表示直流电源电压，rk表示励磁相绕组电阻，r
k-1
表示退磁相绕组电阻。
34.遗传算法的第二个不等约束条件：0≤ik≤i
rated
0≤i
k-1
≤i
rated
考虑到电机运行时不能过热，相电流必须小于电流额定值。
35.遗传算法模块首先在筛选除去以往迭代中不满足两个不等约束条件的开通角、关断角组合，在满足不等约束条件的组合中，比较优化目标函数的值，留下其中的最小值j
min
,并将使j最小的开通角、关断角作为优化结果，输出给改进型转矩分配函数模块。
36.所述改进型转矩分配函数模块接收所述pi速度控制器传送的给定转矩t
ref
和所述位置检测模块传送的转子位置θ，输出三相参考电流i
aref
、i
bref
、i
cref
；
37.所述滞环控制模块接收所述电流检测模块的三相电流ia、ib、ic与改进型转矩分配函数模块传送的三相参考转矩i
aref
、i
bref
、i
cref
，输出电流滞环控制信号；
38.电流滞环控制模块根据三相电流和三相电流参考值生成三相驱动信号，该驱动信号经过放大处理后控制相应地开关器件，从而控制开关磁阻电机运行。
39.图3为500r/min、0.2nm工况下，改进型转矩分配函数和传统余弦型转矩分配函数的相电流参考曲线比较，明显可以看出改进型转矩分配函数的电流峰值更小，电流有效值更小，因此开关磁阻电机运行时的铜耗更小。
40.图4为1500r/min、0.25nm工况下，传统余弦型转矩分配函数和改进型转矩分配函数的仿真结果，该结果表明，采用本发明提出的改进型转矩分配函数，相较于传统余弦型转矩分配函数，在转速升高时，不仅可以减小铜耗，还可以显著减小转矩脉动。
41.以上所述，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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。