开关磁阻电机的控制方法和系统与流程

本技术涉及电机领域，特别涉及开关磁阻电机技术。

背景技术：

1、本部分旨在为理解本技术的实施方式提供背景或上下文，仅供参考，不应认为申请人承认本部分属于本技术的申请日之前已经被公开的现有技术。

2、电机是现代工业和生活中不可或缺的动力来源，其种类繁多，应用广泛。开关磁阻电机(switched reluctance motor，简称srm)是一种常见的电机类型。它依靠“磁阻最小原理”工作，即磁通总是试图沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，驱动电机动子运动。开关磁阻电机因其结构简单牢固、启动转矩(或力，对于直线电机而言)大、无需永磁体、成本较低、可靠性高以及能够适应高温强震等恶劣环境等优点，在一些特定领域得到了应用。

3、开关磁阻电机通常由定子和动子(对于旋转电机称为转子，对于直线电机则称为动子)组成，两者均采用凸极结构。定子凸极上绕有集中绕组，而动子通常由硅钢片叠压而成，不设绕组或永磁体。工作时，通过依次导通各相定子绕组，产生电磁吸力，吸引动子凸极对齐，从而实现动子的运动。为了使电机连续运行，需要精确控制各相绕组的通断电顺序和时刻，这一过程称为换相。

4、然而，开关磁阻电机也存在一些固有的缺点，其中最为突出的是输出力(或转矩)脉动大、运行抖动以及由此产生的噪声较大等问题。特别是在换相期间，即电流从一相绕组切换到另一相绕组的过程中，由于各相电磁力的非线性和切换的不连续性，很容易产生较大的输出力波动。这种输出力脉动严重影响了开关磁阻电机的性能表现和使用体验，限制了其在对平稳性要求较高的领域的应用，例如机器人、精密机械、电动汽车等主流市场。

5、为了解决开关磁阻电机的输出力脉动问题，领域内的技术人员进行了大量的研究和探索。一种常见的思路是通过转矩分配函数(或力分配函数)来控制换相期间前后相的输出力，目标是使它们的合力尽可能保持稳定。为此，研究者们提出了多种不同的分配函数模式，如直线型、指数型、正弦型、立方型等。此外，也发展了诸如直接瞬时转矩控制等更高级的控制策略。

6、尽管现有的控制方法在理论上和某些特定运行工况下能够一定程度上改善输出力脉动，但由于开关磁阻电机固有的双凸极结构所带来的磁饱和、边缘效应等强非线性电磁特性，以及在传统结构中各相定子绕组之间可能存在的互感干扰，使得这些控制方法在实际应用中往往难以达到理想的效果。控制算法通常变得非常复杂，参数整定和校准的工作量也很大，并且往往难以在电机的全部工作范围内(例如从低速到高速、从小输出到大输出、从低温到高温等所有工作状态)都保持良好的平稳性。

7、因此，如何有效抑制开关磁阻电机，尤其是在换相期间的输出力脉动，提高运行平稳性，同时寻求一种相对简单且鲁棒性强的控制方案，仍然是该领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种开关磁阻电机的控制方法和系统，如何降低开关磁阻电机在换相期间的输出力脉动和运行抖动，以实现电机的平稳运行。

2、本发明的一个方面公开了一种开关磁阻电机的控制方法，所述开关磁阻电机包括一个动子和至少三个独立的单相定子，每个单相定子具有定子绕组和独立的磁路，所述方法包括以下步骤：

3、接收外部输入的力控制信号，并根据所述力控制信号确定电机所需的电流幅值im；

4、获取所述动子的动子位置x，根据所述动子位置确定所述至少三个单相定子中各相定子绕组的电流值，其中，第j相定子绕组的电流ij(x)按照以下公式计算：

5、

6、其中，xon为换相接通区间开始的位置，xoff为换相关断区间开始的位置，xov为换相区间的宽度，cr为直流补偿常数；

7、根据计算出的电流值向各相定子绕组提供相应的电流，驱动电机运转。

8、本发明的另一个方面还公开了一种开关磁阻电机的控制方法，所述开关磁阻电机包括一个动子和至少四个独立的单相定子，每个单相定子具有定子绕组和独立的磁路，所述方法包括以下步骤：

9、接收外部输入的力控制信号，并根据所述力控制信号确定电机所需的电流幅值im；

10、获取所述动子的动子位置x，根据所述动子位置确定所述至少四个单相定子中各相定子绕组的电流值，其中，第j相定子绕组的电流ij(x)按照以下公式计算：

11、

12、其中，xon为换相接通区间开始的位置，xov为换相区间的宽度，cr为直流补偿常数；

13、根据计算出的电流值向各相定子绕组提供相应的电流，驱动电机运转。

14、本发明的另一个方面还公开了一种开关磁阻电机的控制方法，所述开关磁阻电机包括一个动子和至少三个独立的单相定子，每个单相定子具有定子绕组和独立的磁路；ki是预先设定的多个关键点k0…kn中的第i个关键点，n为预先设定的正整数；iki是第i个关键点对应的预先设定的电流；

15、在存储器中预先存储以下预存波形序列：

16、pws_ki[x]：第i个关键点处，动子位置x在换相接通区间内对应的归一化电流值序列；

17、pws_br[im]：电流幅值im对应的渐变比率br的序列，其中渐变比率br是一个0到1之间的数值，用于控制在相邻关键点波形之间的平滑过渡程度；

18、所述方法包括以下步骤：

19、接收外部输入的力控制信号，并根据所述力控制信号确定电机所需的电流幅值im；

20、获取所述动子的动子位置x，根据所述动子位置确定所述至少三个单相定子中各相定子绕组的电流值；

21、根据计算出的电流值向各相定子绕组提供相应的电流，驱动电机运转；

22、其中，所述根据所述动子位置确定所述至少三个单相定子中各相定子绕组的电流值,进一步包括：

23、当im大于预定阈值ik0时，确定满足iki≤im

24、

25、其中，xon为换相接通区间开始的位置，xoff为换相关断区间开始的位置，xov为换相区间的宽度，cr为直流补偿常数。

26、所述根据所述动子位置确定所述至少三个单相定子中各相定子绕组的电流值,还包括：

27、当im小于或等于预定阈值ik0时，按照以下公式计算第j相定子绕组的电流ij(x)：

28、

29、可选地，所述定子和动子铁芯材料为具有显著半饱和区的软磁材料。

30、可选地，所述pws_ki[x]的获取方法包括：

31、对于pws_k0[x]，根据公式计算并进行归一化得到；

32、当i>0时，所述pws_ki[x]是通过仿真或测量确定的，其步骤包括：将动子定位于换相接通区间内的位置x，调整处于该区间的定子绕组电流，使得与处于换相关断区间的定子绕组共同作用产生的合力等于关键点ki对应的输出力fki，记录所需电流并除以iki进行归一化。

33、可选地，在上述各方法中，所述根据所述力控制信号确定电机所需的电流幅值im，进一步包括：

34、根据所述力控制信号确定电机输出力fout，根据以下公式确定im，

35、

36、其中，kr是预先标定的与电机铁芯的材料和气隙长度相关的一个常数。

37、可选地，在上述各方法中，所述cr为预先标定的，与所述电机凸极结构和磁性材料对应的直流补偿常数。

38、本发明的另一个方面还公开了一种开关磁阻电机系统，包括：

39、动子；

40、至少三个单相定子，每个单相定子具有定子绕组和独立的磁路；

41、位置检测器，用于监测所述动子的动子位置x；

42、可控电流源，与所述至少三个单相定子单元的定子绕组电连接，其输出电流的大小由控制信号确定；

43、微处理器，与所述位置检测器和所述可控电流源电连接，所述微处理器被配置根据所述位置检测器输出的动子位置x，执行权利要求1至8中任一项所述的方法以控制所述可控电流源向各相定子绕组输出电流。

44、可选地，所述开关磁阻电机的动子和定子的凸极形状满足以下条件：动子和定子的凸极极宽相等，且极宽等于极距的一半减去气隙长度的0.75倍，并且凸极极面和槽侧交接处的过渡倒角半径小于0.2倍的气隙长度。

45、本技术的实施方式中，针对具有至少三个独立单相定子(每个定子具有独立磁路)的电机，接收外部力控制信号确定电流幅值im，并根据动子位置x，按照特定的分段函数公式计算各相定子绕组的电流值，可以有效地平滑换相过程。具体来说，通过在换相接通区间和换相关断区间分别使用经过特定设计的sin和cos函数，并叠加一个直流补偿常数cr(该常数根据电机凸极结构和磁性材料预先标定，用于补偿换相区因凸极效应形成的输出力波谷)，再进行归一化处理，使得两相电流的平方和(与输出力成正比)在换相期间保持近似恒定，从而显著降低开关磁阻电机在换相期间的输出力脉动和运行抖动，实现电机平稳运行。这种方法避免了传统控制方法因电机非线性特征和相间互感难以解决的输出波动难题，并且该直流补偿常数cr在各种工况下保持不变，简化了电机控制的复杂度。

46、此外，针对至少四个独立单相定子的开关磁阻电机，在之前的控制方法基础上，取消了恒流运行区间，使得电流波形变为带有直流脉冲补偿的半波正弦脉冲，可以使得电机在任何时刻都处于换相运行状态，从而进一步改善输出力的平稳性，达到更高的精密控制水平，同时由于施加的是半波正弦脉冲，改善了定子单元的受力情况，使定子受力呈现二倍频的全波正弦脉冲特征，从而减小电机震动和噪声。

47、此外，通过在开关磁阻电机的控制中，当电流幅值im大于预定阈值ik0时，预先存储关键点ki对应的归一化电流值序列pws_ki[x]以及电流幅值im对应的渐变比率br序列pws_br[im]，然后在换相接通区间采用公式im*(1-br)*pws_ki[x]+im*br*pws_ki+1[x]进行相邻关键点波形之间的平滑过渡计算电流，而在换相关断区间仍采用基于cos函数和cr补偿的电流计算方法，可以有效地拓展电机在铁芯半饱和区的工作范围，解决了在半饱和区输出力与电流平方关系不再成立，导致之前控制方案无法达到理想效果的问题，使得电机能充分利用铁芯的导磁能力，设计出更高输出力的电机，同时通过平滑渐变保证输出力的平稳性。

48、进一步地，通过提供具体的预存波形序列pws_ki[x]的获取方法，可以为模式三的平滑渐变控制提供准确、可靠的基准波形数据，确保控制效果。

49、进一步地，通过使开关磁阻电机的动子和定子的凸极形状满足特定几何条件：动子和定子的凸极极宽相等，且极宽大致等于极距的一半减去气隙长度的0.75倍，并且凸极极面和槽侧交接处的过渡倒角半径小于0.2倍的气隙长度，可以优化电机本体的磁场分布特性，使得在死点1(x＝0)和死点2(x＝p/2)附近输出力的变化过程基本对称，这对于采用对称电流波形(如本发明中的sin/cos波形)的控制方法而言尤为重要，能够进一步减小因磁场不对称性引入的输出力波动，从而达到更低的整体输出波动率。