一种基于转矩分配函数在线修正的srm转矩脉动最小化控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于转矩分配函数在线修正的SRM 转矩脉动最小化控制方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SRM)结构简单、价格便宜、性能高并 且鲁棒性好，自20世纪80年代问世以来，便获得了国内外电气传动界的广泛重视，成为当 时最热门的调速电动机之一，并逐渐形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。近几十 年来，伴随着电子学和微电子学的迅速发展，开关磁阻电机成为最有发展潜力的可控直流 调速系统之一，该系统由双凸极式磁阻电机、功率变换器、位置传感器、电流传感器和控制 器组成，是机电一体化的调速驱动装置。
[0003] 开关磁阻电机系统（SwitchedReluctanceMotorDrive，SRD)中，开关磁阻电机 是该系统中实现机电能量装换的部件，也是SRD有别于其他电机系统的主要标志；功率变 换器负责向SRM提供运行所需要的能量，由蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电， 该模块采用的是不对称半桥型功率变换器结构，由于其各相绕组之间相互独立、容错性能 好、稳定性强的特点而广泛应用。位置检测模块是用来检测SRM转子的位置；电流检测模块 则是用于检测SRM绕组中的各相电流；控制器模块是整套调速系统的核心，它综合处理转 速给定、速度反馈信号、位置传感器和电流传感器的反馈信息，然后对功率变换器发出控制 信号，实现功率变换器对SRM运行状态的驱动。
[0004] 由于固有的双凸极结构和开关形式供电电源，开关磁阻电机的转矩脉动比较大， 所以最大限度的减少转矩脉动成为SRM的热门研究领域之一。而转矩分配函数（Torque SharingFunction，TSF)方案是研究者经常采用的一种高级控制策略，该方案按照电机的 转子位置将期望的输出转矩分配到绕组各相，得到各相期望的参考值，再分别对各相绕组 产生的转矩进行实时控制，最终使转矩之和维持恒定值，达到减少转矩脉动的目的。
[0005] TSF的实现具有不同的分配方案，但是无论是哪一种方案，都应该满足以下两个条 件：
[0006] (1)为了使各相瞬时转矩之和为期望转矩，在任意时刻的各相绕组转矩分配函数 之和应该为1，即：
[0007]
[0008] 式中，η为电机总相数，k为电机第k相绕组，fk(Θ)为第k相转矩分配函数。
[0009] (2)SRM各相绕组实际产生的转矩要尽可能能够跟踪上有转矩分配函数确定的各 相绕组的期望转矩，因此要求转矩分配函数的变化率不要太大。
[0010] 通常采用的转矩分配函数类型包括线型、余弦函数型、立方型和指数型。在传统的 TSF方案中，当电机位于两相绕组导通的前子区间，由于转矩特性、电压限制以及速度升高 等因素，后一相产生的转矩不能跟踪上期望的转矩参考值，会造成总输出转矩不足，引起实 际转矩比期望的转矩参考数值偏低；而在电机两相绕组导通的后子区间，前一相产生的转 矩不能迅速减少到期望的转矩参考值，会造成总输出转矩偏高，同样引起较大转矩脉动。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于转矩分配函数在线 修正的SRM转矩脉动最小化控制方法，实现转矩的实时补偿，使SRM具有更高的稳定性和运 行性能。
[0012] -种基于转矩分配函数在线修正的SRM转矩脉动最小化控制方法，包括如下步 骤：
[0013] (1)采集SRM的三相定子电流Ia~I。和转子位置角Θ;
[0014] (2)根据步骤⑴中采集到的信息通过转矩-电流-位置角的特性模型，计算出 SRM的三相实际转矩Ta~Tc;
[0015] (3)根据给定的总参考转矩Te_raf通过转矩分配函数进行在线修正，计算得到SRM 修正后的三相参考转矩！？~T
[0016] (4)使修正后的三相参考转矩1^~Τ/对应减去三相实际转矩Ta~Τ。，得到三相 转矩误差A!^~ΔT
[0017] (5)使所述的三相转矩误差Δ!^~ΔΤ/经过滞环比较器，得到SRM功率变换器 的三相驱动信号Sa~S。，进而使三相驱动信号Sa~S。经功率放大后以对SRM功率变换器 进tx开关控制。
[0018] 所述的步骤（3)中通过转矩分配函数进行在线修正，计算SRM修正后的三相参考 转矩??~ΤΛ具体过程如下：
[0019] a使总参考转矩Te_raf乘以三相转矩分配函数得到SRM修正前的三相参考转矩 T，~T，.
[0020] b使修正前的三相参考转矩Ta'~T。'对应减去三相实际转矩Ta~T。，得到三相正 向转矩误差；使三相实际转矩Ta~T。对应减去修正前的三相参考转矩Ta'~T。'，得到三相 反向转矩误差；
[0021] c在两相导通区间内对三相转矩分配函数进行补偿：
[0022] 在两相导通区间的前子区间内，对后一相的正向转矩误差进行PI调节，得到前一 相的TSF补偿量，并使该TSF补偿量加上前一相的TSF;后一相在前子区间内保持TSF不 变；
[0023] 在两相导通区间的后子区间内，对前一相的反向转矩误差进行PI调节，得到后一 相的TSF补偿量，并使后一相的TSF减去该TSF补偿量；前一相在后子区间内保持TSF不 变；
[0024] 所述前子区间与后子区间的分隔线为两相导通区间内后一相修正前的参考转矩 与后一相实际转矩相等的时刻；所述两相导通区间内的后一相为TSF上升沿所对应的相， 且该相在两相导通区间内的TSF= 6U);所述两相导通区间内的前一 相为TSF下降沿所对应的相，且该相在两相导通区间内TSF=G_5-a5cGS_f(d唞）；其 (y〇v 中，0@为3冊当前相的开通角，Θ。"为SRM当前相的关断角，ΘJ%SRM当前导通两相的 重叠角；
[0025] d使总参考转矩Te_"#以补偿后的三相转矩分配函数得到SRM修正后的三相参考 转矩??~ΤΛ
[0026] 所述步骤a中三相转矩分配函数的表达式如下：
[0027]
[0028] 其中：f(Θ)为当前相的TSF。
[0029] 所述的步骤（5)中对SRM功率变换器进行开关控制时，在三相转矩分配函数的单 相导通区间内，功率变换器中的上管对应采用功率放大后三相驱动信号Sa~S。，下管均保 持导通。
[0030] 在电机两相绕组导通的前子区间，由于转矩特性、电压限制以及速度升高等因素， 后一相绕组产生的转矩不能迅速跟踪上期望的转矩参考值，会造成总输出转矩不足，鉴于 此时的前一相绕组具有很好的转矩跟踪性能，本发明便利用前一相实现转矩的正向在线修 正补偿，从而实现转矩脉动最小化；
[0031] 在电机两相绕组导通的后子区间，由于转矩特性、电压限制以及速度升高等因素， 前一相绕组产生的转矩不能迅速减少到期望的转矩参考值，会造成总输出转矩偏高，鉴于 此时的后一相绕组具有很好的转矩跟踪性能，本发明便利用后一相实现转矩的负向在线修 正补偿，从而实现转矩脉动最小化。
[0032] 本发明通过对SRM传统TSF控制方案的分析，指出了该方案在电机运行中仍然存 在的转矩脉动问题，并提出了TSF的在线优化补偿策略，有效减小了转矩脉动，使电机运行 更加稳定。另外，为了减少开关损耗，提高电机效率，本发明中涉及到的SRM驱动信号采用 了硬斩波和软斩波相结合的方式。
【附图说明】
[0033] 图1为三相开关磁阻电机驱动系统的结构示意图。
[0034] 图2为三相SRM不对称半桥型功率变换器的结构示意图。
[0035] 图3(a)~图3(c)分别为SRM功率转换器某一相运行时三个阶段的原理示意图。
[0036] 图4为SRM在线性模型下相电流与相电感的关系示意图。
[0037] 图5为传统TSF方案的控制流程示意图。
[0038] 图6为余弦函数型TSF的示意图。
[0039] 图7 (a)为传统TSF方案中的转矩波形示意图。
[0040] 图7 (b)为传统TSF方案中SRM功率转换器每相上管的驱动信号示意图。
[0041] 图7(c)为传统TSF方案中SRM功率转换器每相下管的驱动信号示意图。
[0042] 图8为本发明TSF在线补偿方案的控制流程示意图。
[0043] 图9为传统TSF与在线修正后TSF的比较示意图。
[0044] 图10为在区间I对传统TSF的在线修正补偿方案示意图。
[0045] 图11为在区间II对传统TSF的在线修正补偿方案示意图。
[0046] 图12(a)为本发明TSF在线修正方案中的参考转矩波形示意图。
[0047] 图12 (b)为本发明TSF在线修正方案中SRM功率转换器每相上管的驱动信号示意 图。
[0048] 图12(c)为本发明TSF在线修正方案中SRM功率转换器每相下管的驱动信号示意 图。
【具体实施方式】
[0049] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 及其相关工作原理进行详细说明。
[0050] 如图1所示，本发明基于母线电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机 SRM、功率变换器、位置检测装置、电流检测装置以及控制器；开关磁阻电机具有三相定子绕 组，变换器为各定子绕组励磁；控制器为开关器件提供驱动信号。