一种开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法

1.本发明涉及一种开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法，属于电机控制领域。


背景技术：

2.开关磁阻电机由于其结构简单、调速范围宽、生产成本低等特点，在航空航天、电动汽车、风力发电等领域有着广泛的应用前景。但是，独特的双凸极结构导致其换相转矩脉动大，严重影响其控制性能。研究人员对转矩脉动抑制方法进行了大量研究，提出了一系列控制策略，如直接转矩控制、直接瞬时转矩控制、转矩分配函数、迭代学习等。但是大多数方法仅针对转矩脉动的抑制，而不能兼顾母线电流脉动，导致系统的支撑电容承受冲击电流大，寿命缩短。
3.在离散方式运行的数字控制中，有限集模型预测控制是基于功率变换器开关状态的一种新颖控制方法。其将优化目标以权重的形式构建成本函数，直观方便地实现多目标优化，在电力电子变换器中受到越来越多的关注。在开关磁阻电机驱动系统中，母线电流是逆变器输入电流和电容电流之和，逆变器输入电流可以由各相开关信号和电流表示，而各相转矩也与开关信号密切相关，以逆变器输入电流纹波和转矩脉动为主要对象，通过构建开关磁阻电机转矩和逆变器输入电流值的成本函数，以成本函数值最小的运行状态作为开关信号，将可以实现直接解决转矩脉动和间接抑制母线电流脉动的问题，对提高开关磁阻电机驱动系统的紧凑性和调速性能有着重要作用。


技术实现要素：

4.针对开关磁阻电机驱动系统，本发明提出了一种开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法。该方法需要通过离线实验测量获取开关磁阻电机的磁链特性、转矩特性。总转矩参考值由速度比例积分调节器输出，由转矩分配函数计算各相参考转矩值。根据k时刻的位置和电流信息以及储存的k-1时刻的位置信息，预测k 1时刻的位置信息，结合上一时刻计算得到的最优开关矢量计算k 1时刻的磁链和电流信息进行延时补偿，在此基础上，预测k 2时刻的位置信息以及可用开关矢量下的磁链和电流信息，然后查表获取各开关状态下的转矩和逆变器输入电流值并带入成本函数，以成本函数值最小的运行状态作为开关信号，施加于控制功率变换器。母线电流是逆变器输入电流和电容电流之和，以逆变器输入电流纹波和转矩脉动为主要对象，分别施加的权重系数以选择合适的开关信息使得两者同时被抑制，即实现了直接抑制了转矩脉动并间接抑制了母线电流脉动的效果。
5.本发明的技术方案如下：
6.所述一种开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法，包括以下步骤：
7.步骤1：实验测量获取开关磁阻电机磁链特性和转矩特性；通过转子固定夹持法获取开关磁阻电机磁链特性ψ(i,θ)，其中，ψ为磁链，i为电流，θ为位置；根据磁链特性ψ(i,θ)，利用插值的方法构建电流数据表i(ψ,θ)。在磁链特性基础上，根据磁共能对位置求偏导构
建转矩数据表t(i,θ)；磁共能w
′
的计算公式为：
[0008][0009]
转矩t的计算公式为：
[0010][0011]
步骤2：给定参考转矩t
ref
，在闭环系统中，t
ref
可由转速环比例积分调节器输出得到；
[0012]
步骤3：转矩分配函数对参考转矩t
ref
计算，获取各相转矩参考值t
ph,ref
；
[0013]
步骤4：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)，进一步查磁链特性数据表ψ(i,θ)得到k时刻的磁链ψ
ph
(k)，储存θ(k-1)时刻的转子位置信息；
[0014]
步骤5：预测k 1时刻的转子位置θ(k 1)、相磁链ψ
ph
(k 1)，进一步通过查电流特性数据表i(ψ,θ)预测k 1时刻的电流i
ph
(k 1)；θ(k 1)的具体计算公式为：
[0015]
θ(k 1)＝θ(k) (θ(k)-θ(k-1))
[0016]
ψ
ph
(k 1)的计算公式为：
[0017]
ψ
ph
(k 1)＝ψ
ph
(k) [v
*-r
ph
i(k)]ts[0018]
式中，ts为采样频率，r
ph
为绕组电阻，v
*
为k-1时刻计算出的最优电压矢量。
[0019]
步骤6：预测k 2时刻转子位置θ(k 2)并判定电机运行状态，预测k 2时刻的相磁链ψ
ph
(k 2)，进一步通过查表i(ψ,θ)求得k 2时刻的电流i
ph
(k 2)，k 2时刻转子位置θ(k 2)计算公式为：
[0020]
θ(k 2)＝2θ(k 1)-θ(k)
[0021]
预测k 2时刻相磁链ψ
ph
(k 2)的计算公式为：
[0022]
ψ
ph
(k 2)＝ψ
ph
(k 1) (v
ph
(k 1)-r
phiph
(k 1))ts[0023]
式中，v
ph
(k 1)是k 1时刻的预测相电压值，其值与开关矢量有关，ts为采样频率，r
ph
为绕组电阻；
[0024]
步骤7：结合k 2时刻预测的相电流和转子位置信息，通过查表t(i,θ)预测k 2时刻的各相转矩t
ph
(k 2)，计算各相转矩预测值与其参考值t
ph,ref
差的平方和t
p
(k 2)，以及逆变器输入电流值i
srm
(k 2)：
[0025][0026]
式中n
ph
表示开关磁阻电机相数，t
p
(k 2)表示k 2时刻的各相转矩预测值与其参考值差的平方和；
[0027][0028]
其中，i
srm
(k 2)表示预测的k 2时刻的逆变器输入电流值，s
ph
为开关矢量；
[0029]
步骤8：根据步骤7预测出k 2时刻的各相预测转矩与其参考值差的平方和以及逆变器输入电流值，计算成本函数j
[0030]
j＝ω
t
t
p
(k 2) ωii
srm
(k 2)2[0031]
式中，ω
t
、ωi分别是各相转矩预测值与其参考值差的平方和和逆变器输入电流值
的权重系数；
[0032]
步骤9：以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关。
[0033]
有益效果
[0034]
本发明公开了一种开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法。该方法需要通过离线实验测量获取开关磁阻电机的磁链特性、转矩特性。总转矩参考值由速度环比例节分控制器，由转矩分配函数计算各相参考转矩值。根据k时刻的位置和电流信息以及k-1时刻的位置信息，结合上一时刻计算得到的最优开关矢量计算k 1时刻的磁链和电流信息进行延时补偿，在此基础上，预测k 2时刻的位置信息以及可用开关矢量下磁链和电流信息，然后查表获取各开关状态下的转矩和逆变器输入电流值并带入成本函数，以成本函数值最小的运行状态作为开关信号，施加于控制功率变换器，由此达到直接抑制转矩脉动，以及通过减小逆变器输入电流纹波实现间接抑制母线电流脉动的效果。
[0035]
仿真验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、转矩脉动以及母线电流脉动抑制效果明显，实现电机平顺控制的同时有效减小母线电流对支撑电容的冲击。
[0036]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0037]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0038]
图1为开关磁阻电机磁链特性曲线；
[0039]
图2为开关磁阻电机电流数据表曲线；
[0040]
图3为开关磁阻电机转矩特性曲线；
[0041]
图4为本发明提出的控制方法原理框图；
[0042]
图5为开关磁阻电机效率优化模型预测转矩控制方法流程图；
[0043]
图6为1000rpm运行时，传统电流斩波控制的控制效果图；
[0044]
图7为1000rpm运行时，传统模型预测转矩控制方法的控制效果图；
[0045]
图8为1000rpm运行时，本发明提出的模型预测转矩控制方法的控制效果图；
具体实施方式
[0046]
以下结合附图和具体实例，对本发明的技术方案进行详细说明。实例所用电机为一个1kw三相12/8极开关磁阻电机。
[0047]
步骤1：实验测量获取开关磁阻电机磁链特性和转矩特性；通过转子固定夹持法获取开关磁阻电机磁链特性ψ(i,θ)，其中，ψ为磁链，i为电流，θ为位置；利用插值的方法构建电流查表i(ψ,θ)。在磁链特性基础上，根据磁共能对位置求偏导构建转矩数据表t(i,θ)。磁链、电流和转矩的特性如图1-3所示。磁共能w
′
的计算公式如式(1)所示，转矩t的计算公式如式(2)所示；
[0048]
[0049][0050]
步骤2：给定参考转矩t
ref
。在如图4所示的闭环系统中，t
ref
由转速环比例积分(pi)控制器输出得到；
[0051]
步骤3：转矩分配函数计算各相转矩值；转矩分配函数如式(3)所示；
[0052][0053]
式中，θ
on
、θ
ov
、θ
off
、θ
p
分别表示开通角、换相角、关断角和转子周期角，t
ph,ref
表示各相转矩参考值；
[0054]
步骤4：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)，并进一步查磁链特性数据表ψ(i,θ)得到k时刻的磁链ψ
ph
(k)，同时储存θ(k-1)时刻的转子位置信息；
[0055]
步骤5：根据式(4)和式(5)预测k 1时刻的转子位置θ(k 1)、相磁链ψ
ph
(k 1)，进一步的通过查电流数据表i(ψ,θ)预测k 1时刻的电流i
ph
(k 1)。
[0056]
θ(k 1)＝θ(k) (θ(k)-θ(k-1))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0057]
ψ
ph
(k 1)＝ψ
ph
(k) [v
*-r
ph
i(k)]tsꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0058]
式中，ts为采样频率，r
ph
为绕组电阻，v
*
为k-1时刻计算出的最优电压矢量；
[0059]
步骤6：通过式(6)预测k 2时刻转子位置θ(k 2)并判定电机运行状态，预测k 2时刻的相磁链ψ
ph
(k 2)，进一步通过查表i(ψ,θ)求得k 2时刻的电流i
ph
(k 2)。定义开关矢量s
ph
与相电压的关系如式(7)所示，其中s
ph
＝1表示不对称半桥功率变换器两个开关管都导通，s
ph
＝0只有一个开关管导通，表示s
ph
＝-1表示两个开关管都关闭；开关状态的组合原则为：在单向导通区，只计算当前导通相的开关状态，其余相位-1；在换相区，只预测正在换相的两相开关状态，开关状态的预测表如表1所示。根据所预测k 1时刻相电压，通过式(8)预测k 2时刻相磁链ψ
ph
(k 2)，查数据表i(ψ,θ)获得k 2时刻的电流i
ph
(k 2)；
[0060]
θ(k 2)＝2θ(k 1)-θ(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0061]
式中θ(k 2)为k 2时刻的预测转子位置；
[0062][0063]
式中v
bus
表示母线电压，v
t
、vd、v
ph
、s
ph
分别表示开关管的压降、续流二极管的压降、相电压和状态变量；
[0064]
ψ
ph
(k 2)＝ψ
ph
(k 1) (v
ph
(k 1)-r
phiph
(k 1))tsꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0065]
式中，v
ph
(k 1)是k 1时刻的预测相电压值，ts为采样频率，r
ph
为绕组电阻；
[0066]
步骤7：结合k 2时刻的相电流和转子位置信息，通过查表t(i,θ)预测k 2时刻的各相转矩预测值，再通过式(9)和式(10)分别求取各相转矩预测值与其参考值差的平方和t
p
以及逆变器输入电流值i
srm
；
[0067][0068][0069]
式中，n
ph
表示开关磁阻电机相数，t
p
(k 2)、i
srm
(k 2)表示k 2时刻各相转矩预测值与参考值差的平方和以及逆变器输入电流值，s
ph
为开关矢量；
[0070]
步骤8：根据步骤7预测出k 2时刻的各相转矩预测值与参考值差的平方和以及逆变器输入电流值，通过式(11)求解成本函数的值；
[0071]
j＝ω
t
t
p
(k 2) ωii
srm
(k 2)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0072]
式中，ω
t
、ωi分别是各相转矩预测值与其参考值差的平方和和逆变器输入电流值的权重系数；
[0073]
步骤9：以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关；
[0074]
图5为本发明所提出的控制方法流程图，图6、图7和图8分别为电机在1000rpm运行时，电流斩波控制、传统的模型预测控制方法和本发明提出的控制方法的控制效果图；仿真中电源电阻设置为0.16ω，定义平均转矩t
avg
和转矩脉动t
ripple
的计算公式如式(12)和(13)所示，母线电流脉动i
srm_ripple
的计算公式如式(14)所示；
[0075][0076][0077]
式中，θ1、θ2分别表示一个转子角周期的起始值和结束值，t(θ)为各相转矩之和；
[0078][0079]
式中，i
srm_max
，i
srm_min
，i
srm_avg
分别表示母线电流的最大值，最小值和平均值。
[0080]
三种方法的控制性能如表1所示。
[0081]
表1不同控制方法的效果对比
[0082][0083]
由表1结果可知，本发明提出的开关磁阻电机转矩脉动和母线电流脉动抑制方法，
在减小转矩脉动的同时对抑制母线电流脉动有明显的效果，转矩控制平顺，对支撑电容危害小。
[0084]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。