用于新型解耦型双定子开关磁阻电机的转矩脉动抑制方法及装置

本发明属于新型双定子开关磁阻电机控制，尤其涉及一种用于新型解耦型双定子开关磁阻电机的转矩脉动抑制方法及装置。

背景技术：

1、开关磁阻电机具有结构坚固、简单、成本低、起动转矩大等优点，但开关磁阻电机的双凸极结构、非线性铁心磁路、脉冲工作方式的相电流导致了较明显的瞬时转矩脉动，其限制了位置控制精度和速度控制性能的进一步提高。因此降低转矩脉动已经成为开关磁阻电机的研究热点。常用的降低开关磁阻电机转矩脉动的控制策略有：基于转矩分配函数的控制策略模型预测控制策略。基于转矩分配函数的控制策略的原理是将参考转矩通过离线设置的转矩分配函数分配到各相绕组，通过转矩滞环得到功率变换器各相开关管的控制信号，实现实际转矩对参考转矩的追踪来达到降低转矩脉动的控制目标。模型预测控制的原理是通过开关磁阻电机的数学模型预测未来时刻相绕组的转矩值，通过代价函数最小的原则选择与未来相绕组参考参考转矩值相差最小的候选电压矢量实现对参考转矩的追踪。目前流行的基于补偿型转矩分配函数的控制策略的原理是根据转矩产生能力将两相换相区进行分段，在不同区间采用不同的补偿策略即：在前半段利用关断相的转矩产生能力，将关断相的参考转矩增加以开通相参考转矩与实际转矩的差值；在后半段利用开通相的转矩产生能力，对开通相的参考转矩减小以关断相的实际转矩与参考转矩的差值。这种方法存在着两种弊端：首先增加关断相参考转矩和降低开通相参考转矩的行为会影响关断相转矩的下降以及开通相转矩的上升，在高速时控制效果变差；其次，利用实时转矩与参考转矩的差值进行补偿会存在延时性，进一步影响转矩脉动的转矩抑制效果。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出了一种用于新型解耦型双定子开关磁阻电机的转矩脉动抑制方法。该方法通过在每个时刻实时测量开关磁阻电机的位置、转速和电流信息，结合开关磁阻电机的转矩预测模型得到下一时刻所有的转矩预测值，并将转矩预测值与利用转矩分配函数所得未来时刻内外定子绕组的转矩参考值进行对比，根据对比情况以及转子所处区域采用不同的参考转矩修正策略，最后将修正后的参考转矩与预测转矩代入代价函数选择出当前时刻的最佳开关动作，从而达到转矩脉动的效果，充分发挥了新型解耦型双定子开关磁阻电机的本体设计上的优势。

2、本发明按以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种用于新型解耦型双定子开关磁阻电机的转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

4、实时在线采集电机的运行数据；所述运行数据包括：转子位置角、电机转速、内外定子绕组相电流及转子的角速度；

5、根据采集的电机运行数据计算得出内外定子绕组在k+1时刻的参考转矩值；

6、将采集的电机运行数据结合开关磁阻电机的转矩预测模型，得出内外定子相绕组k+1时刻的所有转矩预测值以及预测转矩的最大值与最小值；

7、根据离线设定的内定子的开通角、内定子的关断角、外定子的开通角、外定子的关断角和换相重叠角将转子周期进行分区；

8、判断当前转子位置所处的分区，并根据转子位置所处的分区对转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小进行比较，选择不同的参考转矩修正策略得出k+1时刻的参考转矩修正值；

9、将参考转矩修正值和转矩预测值代入代价函数，得出内外定子各相绕组的功率变换器开关管的状态信号，实现对新型解耦型双定子开关磁阻电机的控制。

10、在一种实施方式中，所述根据采集的电机运行数据计算得出内外定子绕组在k+1时刻的参考转矩值，包括：

11、将电机的参考转速与采集到的电机转速通过pi环节得到参考转矩；

12、将参考转矩通过内外定子转矩分配函数得到内外定子的参考转矩值；

13、根据得到的内外定子的参考转矩值以及采集得到的转子位置角、转子的角速度，计算得到k+1时刻的转子位置角；

14、通过k+1时刻的转子位置角以及内外定子的参考转矩值，得到内外定子绕组在k+1时刻的参考转矩值。

15、在一种实施方式中，所述内外定子转矩分配函数为：

16、

17、式中，tref(in)和tref(out)分别表示内定子的参考转矩和外定子的参考转矩。

18、在一种实施方式中，内外定子相绕组在k+1时刻的转矩参考值为：

19、tref_in(k+1)＝tref(in)·f(θk+1)

20、tref_out(k+1)＝tref(out)·f(θk+1)

21、式中，tref_in(k+1)为内定子相绕组k+1时刻的转矩参考值，tref_out(k+1)为外定子相绕组k+1时刻的转矩参考值，f(θ)表示内外定子相绕组的转矩分配函数。

22、在一种实施方式中，所述将采集的电机运行数据结合开关磁阻电机的转矩预测模型，得出内外定子相绕组k+1时刻的所有转矩预测值及预测转矩的最大值与最小值，包括：

23、建立开关磁阻电机的转矩预测模型；所述转矩预测模型为：

24、

25、tpre(k+1)＝t[i(k+1),θk+1]

26、式中，i(k+1)表示k+1时刻相绕组的电流预测值，δt表示采样周期，r表示相绕组的等效电阻值，ψk表示k时刻相绕组的磁链值，uk为绕组两端的相电压；

27、根据候选的电压状态得出所对应的电压值；所述候选的电压状态有：“1”，即上下两个开关管都开通的状态；“0”，即上开关管开通、下开关管关断的状态；“-1”，即上下两个开关管都关断的状态；

28、三种候选电压状态所对应的电压值为：

29、

30、式中，ubus表示母线电压，ut表示开关管的管压降，ud表示二极管的压降；

31、将三个候选电压状态所对应的电压值带入到电流预测公式中，得到所有的k+1时刻的电流预测值；

32、将i(k+1)和θk+1经转矩查表tpre(k+1)＝t[i(k+1),θk+1]可以得到k+1时刻的所有转矩预测值；其中，当电压值选取状态“1”时所得到的转矩预测值为预测转矩的最大值tpre_max(k+1)，电压值选取状态“-1”时所得到的转矩预测值为预测转矩的最小值tpre_min(k+1)。

33、在一种实施方式中，根据离线设定的内定子的开通角θon_in、、内定子的关断角θoff_in、外定子的开通角θon_out、外定子的关断角θon_off和换相重叠角θov将转子周期进行分区，分区依据为：

34、若满足θon_in<θ<θon_in+θov或者θoff_in<θ<θoff_in+θov则为内定子的换相区；

35、若满足θon_out<θ<θon_out+θov或者θoff_out<θ<θoff_out+θov则为外定子的换相区；

36、若满足θon_in+θov≤θ≤θoff_in则为内定子的单相导通区；

37、若满足θon_out+θov≤θ≤θoff_out则为外定子的单相导通区；

38、将判断的结果进行组合即可得到转子位置角所处的分区；

39、转子周期的分区包括：内定子换相一外定子单相导通区、内定子单相导通外定子换相区。

40、在一种实施方式中，所述判断当前转子位置所处的分区，并根据转子位置所处的分区对转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小进行比较，选择不同的参考转矩修正策略得出参考转矩修正值，包括：

41、(1)若判断当前位置所处的区域为内定子换相—外定子单相导通区，则判断k+1时刻内定子上升相转矩的参考值tref_in_rise(k+1)与内定子上升相的预测转矩最大值tpre_in_rise_max(k+1)以及k+1时刻内定子转矩下降相转矩的参考值tref_in_fall(k+1)与k+1时刻内定子转矩下降相的预测转矩最小值tpre_in_fall_min(k+1)的大小关系；

42、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_in_rise(k+1)≥tpre_in_rise_max(k+1)、tref_in_fall(k+1)≥tpre_in_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

43、

44、式中，trev_rise(k+1)为k+1时刻内定子转矩上升相的参考转矩修正值，trev_fall(k+1)为k+1时刻内定子转矩下降相的参考转矩修正值，tref_in_fall(k+1)为k+1时刻内定子转矩下降相的参考转矩值，trev_out(k+1)为k+1时刻外定子单相导通相的参考转矩修正值，tref_out(k+1)是k+1时刻外定子单相导通相的转矩的参考值；

45、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_in_rise(k+1)≥tpre_in_rise_max(k+1)、tref_in_fall(k+1)<tpre_in_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

46、

47、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_in_rise(k+1)<tpre_in_rise_max(k+1)、tref_in_fall(k+1)≥tpre_in_fall_min(k+1)，此时不对内外定子的参考转矩进行修正，即此时导通相的参考转矩修正策略如下：

48、

49、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_in_rise(k+1)<tpre_in_rise_max(k+1)、tref_in_fall(k+1)<tpre_in_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

50、

51、(2)若判断当前位置所处的分区为内定子单相导通—外定子换相区，则判断k+1时刻外定子上升相转矩的参考值tref_out_rise(k+1)与外定子上升相的预测转矩最大值tpre_out_rise_max(k+1)以及k+1时刻外定子转矩下降相转矩的参考值tref_out_fall(k+1)与k+1时刻外定子转矩下降相的预测转矩最小值tpre_out_fall_min(k+1)的大小关系；

52、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_out_rise(k+1)≥tpre_out_rise_max(k+1)、tref_out_fall(k+1)≥tpre_out_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

53、

54、式中，trev_rise(k+1)为k+1时刻外定子转矩上升相的参考转矩修正值，trev_fall(k+1)为k+1时刻外定子转矩下降相的参考转矩修正值，tref_out_fall(k+1)为k+1时刻外定子转矩下降相的参考转矩值，trev_in(k+1)为k+1时刻内定子单相导通相的参考转矩修正值，tref_in(k+1)是k+1时刻内定子单相导通相的转矩的参考值；

55、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_out_rise(k+1)≥tpre_out_rise_max(k+1)、tref_out_fall(k+1)<tpre_out_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

56、

57、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_out_rise(k+1)<tpre_out_rise_max(k+1)、tref_out_fall(k+1)≥tpre_out_fall_min(k+1)，此时不对内外定子的参考转矩进行修正，即此时导通相的参考转矩修正策略如下：

58、

59、若转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小判断结果为tref_out_rise(k+1)<tpre_out_rise_max(k+1)、tref_out_fall(k+1)<tpre_out_fall_min(k+1)，则此时导通相的参考转矩修正策略如下：

60、

61、在一种实施方式中，通过代价函数得到内外定子各相绕组的功率变换器开关管的状态信号的方法为：

62、将k时刻预测的所有的k+1时刻的预测转矩以及k+1时刻的参考转矩修正值带入到代价函数中，选取令代价函数最小的转矩预测值所对应的状态作为k时刻的各相绕组的功率变换器的开关管的状态信号；若选择结果为“1”状态，则该相功率变换器开关管的状态为上下两个开关管都开通；若选择结果为“0”状态，则该相功率变换器开关管的状态为上开关管开通，下开关管关断；若选择结果为“-1”状态，则该相功率变换器开关管的状态为上下两个开关管都关断。

63、本发明还提供了一种用于新型解耦型双定子开关磁阻电机的转矩脉动抑制装置，该装置包括：

64、数据采集模块，用于实时在线采集电机的运行数据；所述运行数据包括：转子位置角、电机转速、内外定子绕组相电流及转子的角速度；

65、参考转矩模块，用于根据采集的电机运行数据计算得出内外定子绕组在k+1时刻的参考转矩值；

66、模型预测模块，用于将采集的电机运行数据结合开关磁阻电机的转矩预测模型，得出内外定子相绕组k+1时刻的所有转矩预测值以及预测转矩的最大值与最小值；

67、分区模块，用于根据离线设定的内定子的开通角、内定子的关断角、外定子的开通角、外定子的关断角和换相重叠角将转子周期进行分区；

68、参考转矩修正模块，用于判断当前转子位置所处的分区，并根据转子位置所处的分区对转矩参考值与预测转矩的最大值和最小值的大小进行比较，选择不同的参考转矩修正策略得出参考转矩修正值；

69、代价函数模块，用于根据参考转矩修正值和转矩预测值，得出内外定子各相绕组的功率变换器开关管的状态信号；

70、功率变换器，用于根据得出的开关管的状态信号，实现对新型解耦型双定子开关磁阻电机的控制。

71、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

72、当内定子或者外定子处于换相期间时，利用此时处于单相导通期间的另一个定子的转矩产生能力对处于换相期间的定子的转矩跌落或者上升进行补偿，而不是利用此时正在换相期间的转矩上升相或转矩下降相，有利于换相期间前一相绕组的退磁以及后一相绕组的励磁，在电机低速、高速运行情况下都降低了运行的转矩脉动，充分发挥了新型解耦型开关磁阻电机结构上内外定子错开一定机械角度的特点，提高了开关磁阻电机的控制精度，在一个更宽的调速范围内降低了转矩脉动。而且在参考转矩补偿修正的过程中，采用的是利用模型预测得到的预测值而不是电机运行的实时值，减少了延时性对电机控制的影响。