一种针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统及方法技术方案

本发明专利技术为一种针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统及方法。该系统包括开通角优化模块、关断角优化模块和转矩滞环控制器，开通角优化模块根据系统运行的实时转速、参考转矩与转矩偏差系数得到系统优化后的开通角；关断角优化模块根据系统运行的实时转速、电流传感器反馈的电流信号和转矩偏差系数得到系统优化后的关断角；转矩滞环控制器根据优化后的开通角和关断角、转矩偏差值、系统运行的各相实时位置信号输出合适的控制信号控制功率变换器开关器件的导通与关断驱动系统正常运行。该方法能够在宽调速范围下充分利用多相开关磁阻电机多相励磁的特点，在充分利用系统的转矩产生能力的前提下实现转矩脉动最小化、提高运行效率。行效率。行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统及方法


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体涉及一种基于瞬时转矩控制的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统及方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance motor,SRM)具有结构简单，成本低，可靠性高，调速范围广的特点，在航空航天及新能源电动车等领域拥有良好的发展前景。但是，由于电机本身的双凸极结构和高度的非线性电磁特性，导致开关磁阻电机驱动系统具有噪声和转矩脉动大，功率密度低等不足。由于SRM脉冲式供电方式，尤其在电机换相期间，会造成大的转矩脉动，多相开关磁阻电机由于步距角的减少能够采取多相励磁的方式增加相电流重叠区域来降低系统的转矩脉动，但是由于磁极排布方式的不对称性，在不同磁极交界处会产生一定转矩脉动且系统在宽调速范围下具有转矩脉动大的缺点。
[0003]目前现有转矩脉动抑制策略大多运用在少相电机的研究上，对于多相开关磁阻电机转矩脉动抑制的研究关注尚少，文献《A torque ripple minimization method for 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，包括多相开关磁阻电机、位置传感器、功率变换器、电流传感器、PID速度控制器、转矩滞环控制器、PID转矩控制器、转速计算模块、转矩计算模块；其特征在于，该系统还包括关断角优化模块、开通角优化模块，所述开通角优化模块根据转速计算模块输出的电机实时运行的转速ω、PID速度控制器输出的总参考转矩T
ref
和PID转矩控制器输出的转矩偏差系数k，输出为系统优化后的开通角θ
on
；所述关断角优化模块根据转速计算模块输出的电机实时运行的转速ω、电流传感器获取的相电流值I和PID转矩控制器输出的转矩偏差系数k，输出为系统优化后的关断角θ
off
；所述的转矩滞环控制器根据开通角优化模块输出的开通角θ
on
、关断角优化模块输出的关断角θ
off
、位置传感器获取的各相位置信号和PID转速控制器输出的总参考转矩T
ref
与转矩计算模块输出的总瞬时转矩T
e
的偏差T
err
，输出为系统的控制信号控制功率变换器开关器件的导通与关断用于驱动系统正常运行。2.根据权利要求1所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述转矩计算模块根据当前时刻反馈的各相位置信号θ和当前时刻反馈的各相电流值I得到当前时刻各相的瞬时相转矩值；所述转速计算模块根据反馈的任一相的位置信号来获取电机实时运行的转速ω；所述PID速度控制器根据系统所设定的参考转速ω
ref
与电机实时运行的转速ω的偏差获取系统运行的总参考转矩T
ref
；所述PID转矩控制器根据PID速度控制器输出的总参考转矩T
ref
与转矩计算模块输出的总瞬时转矩T
e
的偏差T
err
获取系统运行的转矩偏差系数k；位置传感器和电流传感器用于获取多相开关磁阻电机实时运行的各相位置信号和相电流值；所述的转矩计算模块根据有限元仿真获取的转子位置和电流值的二维数据表通过线性插值查表法获取；所述的转速计算模块根据控制器捕获的其中任意一相的位置信号两个相邻的脉冲边沿通过控制器内部定时器计数计算获取；所述的PID速度控制器根据传统的比例积分微分公式获取系统总参考转矩；所述PID转矩控制器将总参考转矩T
ref
与转矩计算模块输出的总瞬时转矩T
e
的偏差T
err
带入比例积分微分公式，输出为系统的转矩偏差系数k；所述开通角优化模块在小电感区间进行励磁控制，即在小电感区间内相绕组所加电压为直流母线电压；所述关断角优化模块在每个电周期关断后进行去磁控制，即在关断之后相绕组所加电压为负的直流母线电压。3.根据权利要求1所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述开通角优化模块具体实施步骤包括：A.1根据开关磁阻电机电压平衡方程式并忽略相绕组的电阻压降和小电感区域内的电感变化率，获得小电感区间内相电流变化率的表达式；A.2根据PID速度控制器输出的总系统参考转矩T
ref
通过转矩、转子位置二维数据表查表得到转子运行到相电感变化率突变位置所需的最大相电流值i
max
，其中相电感变化率突变位置为系统固定的转子位置信号，用θ
ref_1
表示；A.3根据步骤A.1获得的小电感区间内相电流变化率的表达式，将步骤A.2确定的最大相电流值i
max
代入该表达式中，使系统在相电感变化率突变位置θ
ref_1
达到所需的最大相电流值，获得系统运行的第一个电周期的开通角的表达式；A.4根据PID转矩控制器输出的转矩偏差系数k对每个电周期的开通角进行在线优化。
4.根据权利要求3所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述步骤(A.4)中根据PID转矩控制器输出的转矩偏差系数k对每个电周期的开通角进行在线优化的具体过程是：A.41)将当前时刻的相电感变化率突变位置θ
ref_1
、最大相电流值i
max
、小电感区域电感值和系统设定参考转速ω
ref
、k相绕组的母线电压U
k
代入第一个电周期的开通角的表达式中获得系统第一个电周期运行的开通角，记为A.42)设定系统运行电周期循环次数变量n，n从1开始取值，将开通角赋给A.43)利用位置传感器和电流传感器获取在第n个电周期下k相绕组的相电流值和位置信号按周期个数进行循环；A.44)获取电流传感器反馈的相电流值，当在第n个电周期下k相绕组的电流值为最大相电流值i
max
时，利用位置传感器反馈的各相位置信号判断第n个电周期下k相绕组的位置是否超前于相电感变化率突变位置θ
ref_1
；最大相电流值i
max
根据PID速度控制器输出的系统参考转矩通过二维数据查表得到转子运行到相电感变化率突变位置所需的最大相电流值；若第n个电周期下k相绕组的位置超前于相电感变化率突变位置θ
ref_1
，则第n+1个电周期的开通角由式(6)进行计算：式中，ω分别为第n个电周期的开通角，第n+1个电周期的开通角，第n个电周期的转矩偏差系数，电机实时运行的转速；若第n个电周期下k相绕组的位置没有超前于相电感变化率突变位置θ
ref_1
，则需要再判断第n个电周期下k相绕组的位置是否滞后于相电感变化率突变位置θ
ref_1
；若第n个电周期下k相绕组的位置滞后于相电感变化率突变位置θ
ref_1
，则在第n+1个电周期的开通角由式(7)进行计算：若第n个电周期下k相绕组的位置没有滞后于相电感变化率突变位置θ
ref_1
，则在第n+1个电周期的开通角由式(8)进行计算：5.根据权利要求3所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，系统运行的第一个电周期的开通角θ
on
的表达式为公式(5)：其中，L
min
为小电感区域电感值，ω
ref
为系统设定参考转速，U
k
为k相绕组的母线电压。6.根据权利要求1所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述关断角优化模块的实现步骤包括：B.1找出系统运行的大电感区域边界范围，确定每个电周期内大电感区域的两个边界值，大电感区域边界左端表示为θ
ref_2
，右端表示为θ
ref_3
；
B.2利用开关磁阻电机电压平衡方程式与大电感边界范围的中点位置值建立方程联系，使相电流在大电感区间内下降到零，获得系统运行的第一个电周期的关断角的表达式为公式(12)其中，ψ
max
为系统的最大磁链，ω
ref
为系统设定参考转速，U
k
为k相绕组的母线电压；B.3根据PID转矩控制器输出的转矩偏差系数对每个电周期的关断角进行在线优化；B.31)结合系统设定参考转速根据公式(12)计算出系统第一个运行电周期的关断角B.32)设定系统运行电周期循环次数变量n，n从1开始取值，将关断角赋给B.33)利用电流传感器和位置传感器获取在第n个电周期下k相绕组的相电流值和位置信号B.34)当在第n个电周期下k相绕组的电流值时，判断第n个电周期下k相绕组的位置信号是否超前于大电感区域边界右端θ
ref_3
；若第n个电周期下k相绕组的位置信号超前于大电感区域边界右端θ
ref_3
，则在第n+1个电周期的关断角由式(10)进行计算：式中，分别为第n个电周期的关断角，第n+1个电周期的关断角，第n个电周期的转矩偏差系数，第n个周期关断位置的相电流值；若第n个电周期下k相绕组的位置信号没有超前于大电感区域边界右端θ
ref_3
，则需要再判断第n个电周期下k相绕组的位置是否滞后于大电感区域边界左端θ
ref_2
；若第n个电周期下k相绕组的位置滞后于大电感区域边界左端θ
ref_2
，则在第n+1个电周期的关断角由式(11)进行计算：若第n个电周期下k相绕组的位置没有滞后于大电感区域边界左端θ
ref_2
，则在第n+1个电周期的关断角由式(12)进行计算：7.根据权利要求1所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，所述转矩滞环控制器的实现步骤包括：C.1在同一个电周期内，根据开通角优化模块输出的开通角和关断角优化模块输出的关断角计算每个电周期的导通宽度；C.2判断每个电周期的导通宽度是否介于一倍步距角θ
step
和两倍步距角之间，若导通宽度大于一倍步距角小于两倍的步距角，选择两相励磁的第一种工作模式，否则选择至少三
相励磁的第二种工作模式；在第一种工作模式下，执行第一类转矩滞环控制策略，即按照开通角θ
on
、相电感变化率突变位置θ
ref_1
、θ
off
‑
θ
step
、θ
on
+θ
step
、θ
ref_1
+θ
step
、关断角θ
off
进行位置信号区间划分，不同区间内执行不同的开关模式；在第二种工作模式下，执行第二类转矩滞环控制策略，即按照开通角θ
on
、相电感变化率突变位置θ
ref_1
、θ
on
+θ
step
、θ
ref_1
+2θ
step
、θ
on
+θ
2step
、关断角θ
off
进行位置信号区间划分，不同区间内执行不同的开关模式；根据所执行的转矩滞环控制策略输出相应的控制信号控制功率变换器开关器件的导通与关断。8.根据权利要求7所述的针对多相开关磁阻电机的转矩脉动抑制系统，其特征在于，第一类转矩滞环控制策略包括六种开关模式：设定小滞环阈值ΔT
min
和负的小滞环阈值ΔT
min
、大滞环阈值ΔT
max
和负的大滞环阈值ΔT
max
；开关模式1：当k相转子位置θ
k
在开通角θ
on
和相电感变化率突变位置θ
ref_1
区间内，执行开关模式1，此时k相绕组两端所加电压始终为直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时导通；开关模式2：当k相转子位置θ
k
在相电感变化率突变位置θ
ref_1
和θ
off
‑
θ
step
区间内，执行开关模式2，当瞬时转矩偏差值ΔT单调递增时，若ΔT大于小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为1，k相绕组两端所加电压为直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时导通；若ΔT小于小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为0，k相绕组两端所加电压为零电压，对应功率变换器中两个功率开关器件一个导通另一个关断；当瞬时转矩偏差值ΔT单调递减时，若ΔT大于负的小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为1，k相绕组两端所加电压为直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时导通；若ΔT小于负的小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为0，k相绕组两端所加电压为零电压，对应功率变换器中两个功率开关器件一个导通另一个关断；开关模式3：当k相转子位置θ
k
在θ
off
‑
θ
step
和θ
on
+θ
step
区间内，执行开关模式3，当ΔT单调递增时，若ΔT大于小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为1，k相绕组两端所加电压为直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时导通；若ΔT大于负的小滞环阈值ΔT
min
且小于小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为0，k相绕组两端所加电压为零电压，对应功率变换器中两个功率开关器件一个导通另一个关断；若ΔT小于负的小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为
‑
1，k相绕组两端所加电压为负的直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时关断；当瞬时转矩偏差值ΔT单调递减时，若ΔT大于负的小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为1，k相绕组两端所加电压为直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时导通；若ΔT大于负的大滞环阈值ΔT
max
且小于负的小滞环阈值ΔT
min
，对应的开关状态S为0，k相绕组两端所加电压为零电压，对应功率变换器中两个功率开关器件一个导通另一个关断；若转矩偏差值ΔT小于负的大滞环阈值ΔT
max
，对应的开关状态S为
‑
1，k相绕组两端所加电压为负的直流母线电压，对应功率变换器中两个功率开关器件同时关断；开关模式4：当k相转子位置θ
k
在θ
on
+θ
step
和θ
ref_1

【专利技术属性】
技术研发人员：胡艳芳，康智勇，沈晨，孙德博，谷存江，张宗，李永建，苏鹏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：