抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的電機(jī) 驅(qū)動系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻（以下簡稱SR)電機(jī)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、制造成本低、能夠在較高的 溫度和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行等眾多優(yōu)點(diǎn)。所以SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景和市場 潛力的新型調(diào)速系統(tǒng)。目前，已經(jīng)在新能源汽車、通用工業(yè)（抽油機(jī)、壓縮機(jī)等）、航空航天 (啟動發(fā)電機(jī)）等領(lǐng)域中獲得了不同程度的應(yīng)用。
[0003] SR電機(jī)傳統(tǒng)控制方法以控制對象劃分，主要包含電流斬波控制（CCC)、電壓斬波 控制（CVC)和角度位置控制（APC)三種。SR電機(jī)在不同的特性區(qū)間具有不同的運(yùn)行特性， 實(shí)際應(yīng)用中較為常見的控制策略是將以上三種控制方法通過組合，達(dá)到滿足電氣傳動系統(tǒng) 的多樣化需求，使電機(jī)運(yùn)行在最佳的工作狀態(tài)。
[0004] 傳統(tǒng)的控制方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行，卻無法有效解決 開關(guān)磁阻電機(jī)所存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題。到目前為止在SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動最小化研究方面，國 內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多不同的技術(shù)。
[0005] 在減小轉(zhuǎn)矩脈動，改善轉(zhuǎn)矩輸出方面，目前主要存在兩種途徑：一種是從電機(jī)本體 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面考慮，如通過調(diào)整SR電機(jī)的定轉(zhuǎn)子極弧來減小轉(zhuǎn)矩脈動，通過改變電機(jī)機(jī) 械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以得到較好的轉(zhuǎn)矩特性，在特定的場合和性能指標(biāo)下是合適的，但這種方法將 會犧牲電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩水平。另一種是以離線計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求出期望轉(zhuǎn)矩下優(yōu)化的相電 流波形作為控制目標(biāo)，在控制器中執(zhí)行這樣的算法需要大量的計(jì)算開銷和存儲空間，實(shí)現(xiàn) 起來較為復(fù)雜，而且靜態(tài)數(shù)據(jù)離線計(jì)算缺乏對實(shí)際動態(tài)過程的反應(yīng)，控制精度會存在一定 誤差。如果能夠采用合理科學(xué)的控制策略改善SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，將能夠在更大的范圍內(nèi) 實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制，也更容易推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的，在于以轉(zhuǎn)矩作為SR電機(jī)的直接控制對象，且能夠有效的實(shí)現(xiàn) 對合成轉(zhuǎn)矩的控制，與其它控制方式相比具有最快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，不管是低速還是高速控制 中，都能夠達(dá)到更好的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化效果。
[0007] 本發(fā)明為達(dá)到上述目的所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 提供一種抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，包括SR電機(jī)、功率變換 器、控制器和檢測單元，其中：
[0009] 所述控制器包括電壓控制模塊和轉(zhuǎn)矩控制模塊；
[0010] 所述功率變換器包括不對稱半橋電路，該不對稱半橋電路在轉(zhuǎn)矩控制模塊的控制 下，對SR電機(jī)進(jìn)行直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制；該功率變換器還包括級聯(lián)在該不對稱半橋電路前端 的DC/DC變換電路，該DC/DC變換電路在電壓控制器的PffM控制下，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)不對稱半橋電 路的輸入電壓。
[0011] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述檢測單元包括位置檢測模塊、電路檢測模塊和電壓檢 測模塊，所述位置檢測模塊與SR電機(jī)連接，電流檢測模塊與不對稱半橋電路連接，所述電 壓檢測模塊與功率變換器連接。
[0012] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述DC/DC變換電路為四象限D(zhuǎn)C/DC變換電路。
[0013] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制模塊包括扇區(qū)判斷模塊、轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊、滯環(huán)控制 器和DITC開關(guān)表模塊，扇區(qū)判斷模塊與位置檢測模塊連接，轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊與位置檢測模 塊、電流檢測模塊連接，滯環(huán)控制器與轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊、DITC開關(guān)表模塊連接；
[0014] 轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊根據(jù)位置檢測模塊和電流檢測模塊的輸出計(jì)算轉(zhuǎn)矩估計(jì)值；滯環(huán) 控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩估計(jì)值生成滯環(huán)控制指令；DITC開關(guān)表模塊中預(yù)先存儲有 DITC開關(guān)表，該DITC開關(guān)表模塊根據(jù)扇區(qū)判斷模塊計(jì)算的扇區(qū)位置以及滯環(huán)控制指令選 擇DITC開關(guān)表中的開關(guān)狀態(tài)值，并輸出給不對稱半橋電路。
[0015] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，SR電機(jī)為SR三相電機(jī)。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的方法，包括以下步驟：
[0017] 在不對稱半橋電路之前級聯(lián)一個(gè)DC/DC變換電路；
[0018] 通過PffM控制DC/DC變換電路的輸入電壓，并調(diào)節(jié)SR電機(jī)的繞組直流母線電壓；
[0019] 通過瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值控制SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
[0020] 本發(fā)明所述的方法中，該方法中瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值具體通過以下步驟得到：
[0021] 檢測SR電機(jī)的位置數(shù)據(jù)，以及不對稱半橋電路的電流值；
[0022] 根據(jù)位置數(shù)據(jù)計(jì)算SR電機(jī)的扇區(qū)位置
[0023] 根據(jù)檢測的位置數(shù)據(jù)和電流值生成轉(zhuǎn)矩估計(jì)值；
[0024] 根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令值和轉(zhuǎn)矩估計(jì)值生成滯環(huán)控制指令；
[0025] 根據(jù)扇區(qū)位置以及滯環(huán)控制指令選擇預(yù)先存儲的DITC開關(guān)表中的開關(guān)狀態(tài)值， 并輸出給不對稱半橋電路。
[0026] 本發(fā)明所述的方法中，轉(zhuǎn)矩估計(jì)值的具體計(jì)算過程為：將位置數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)子位置 角和電流值中的相電流作為輸入變量，經(jīng)過查表和線性插值運(yùn)算得到單相電磁轉(zhuǎn)矩，三相 疊加得到SR電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)值。
[0027] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明提出了一種針對傳統(tǒng)SRD功率電路的改進(jìn)方 法，為了實(shí)現(xiàn)對直流母線電壓的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)一個(gè)級聯(lián)在不對稱半橋電路上的DC/DC變換電 路，控制系統(tǒng)通過對該DC/DC變換電路主開關(guān)管IGBT的PffM控制，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)SR電機(jī)相 繞組直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下直流母線電壓最優(yōu)匹配，在DITC的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 減小轉(zhuǎn)矩脈動。
【附圖說明】
[0028] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0029] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的三相不對稱半橋電路；
[0031 ] 圖3是磁鏈關(guān)于位置和電流分布曲線；
[0032] 圖4是轉(zhuǎn)矩關(guān)于位置和電流分布曲線；
[0033] 圖5是本發(fā)明結(jié)合DC/DC變換電路電壓調(diào)節(jié)的DITC控制框圖；
[0034] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的SR電機(jī)非線性結(jié)構(gòu)；
[0035] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的單相不對稱半橋電路；
[0036] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的電機(jī)驅(qū)動示意圖；
[0037] 圖9是在線瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測量結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0039] 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由四個(gè)單元構(gòu)成，分別為SR電機(jī)、功率變換器、控制 器和檢測單元，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。其中，SR電機(jī)是系統(tǒng)中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置，完成 機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，是調(diào)速系統(tǒng)與機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)募~帶。 功率變換器的主要作用是向SR電動機(jī)提供電能，或?qū)R發(fā)電機(jī)輸出的電能送到外部電源 中去，是系統(tǒng)與外部電源之間的接口。由于SR電機(jī)相電流具有單向特性，功率變換器可采 用單極性的主電路拓?fù)洹?br>[0040] 控制器是SR電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，它需要實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的電壓、電流和位 置信號，完成數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算和處理，根據(jù)控制指令生成功率電路開關(guān)的驅(qū)動脈動實(shí)現(xiàn)對 電機(jī)四象限運(yùn)行的控制。
[0041] 本發(fā)明采用SR中最為常用的不對稱半橋電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。在不對稱 半橋電路中，SR電機(jī)各相繞組通過兩個(gè)開關(guān)器件和電源形成串聯(lián)閉合回路，各相完全對稱 并聯(lián)在直流母線上。該不對稱半橋電路和交流調(diào)速領(lǐng)域的H橋式電路相比，由于兩個(gè)開關(guān) 管之間串聯(lián)有電機(jī)相繞組而不存在直通短路的可能，所以具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。
[0042] 圖3所示為SR電機(jī)單相繞組磁鏈關(guān)于位置角和電流的分布曲線。從該曲線圖中 可以看出，其磁鏈分布具有復(fù)雜的非線性特性。這一特點(diǎn)在圖4單相轉(zhuǎn)矩關(guān)于位置和電流 的分布曲線中亦得到體現(xiàn)。也正是磁鏈和轉(zhuǎn)矩的高度非線性特性決定了 SR電機(jī)在常規(guī)傳 統(tǒng)控制策略下存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動。
[0043] 圖4中，通常用轉(zhuǎn)矩關(guān)于電流和角度（圖3和4中橫坐標(biāo)為三相12/8極SR電機(jī) 轉(zhuǎn)子機(jī)械角）的曲線描述SR電機(jī)單相轉(zhuǎn)矩特性，而且SR電機(jī)各相的轉(zhuǎn)矩分布完全相同，故 SR電機(jī)總的合成轉(zhuǎn)矩特性可以由各相轉(zhuǎn)矩特性曲線根據(jù)導(dǎo)通角關(guān)系相疊加得到。所以，SR 電機(jī)合成轉(zhuǎn)矩特性不僅和單相轉(zhuǎn)矩關(guān)于電流和位置角的非線性分布有關(guān)，還受到電機(jī)的相 數(shù)、凸極數(shù)目和導(dǎo)通角設(shè)定共同影響。
[0044] 當(dāng)SR電機(jī)運(yùn)行到換相點(diǎn)附近，如果電機(jī)處于低速運(yùn)行區(qū)間，換相時(shí)當(dāng)前相關(guān)斷， 在較大的電感作用下當(dāng)前相電流有足夠的時(shí)間在進(jìn)入負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)間之前降為〇,而導(dǎo)通相 (下一相）開通后，由于轉(zhuǎn)速不高，反電動勢較小，電流迅速增長，將會產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn) 矩，導(dǎo)致合成轉(zhuǎn)矩突增，進(jìn)而導(dǎo)致脈動；如果電機(jī)處于高速運(yùn)行區(qū)間，換相時(shí)當(dāng)前相關(guān)斷，由 于轉(zhuǎn)速較高，當(dāng)前相電流無法在進(jìn)入負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)間之前下降到0,此時(shí)當(dāng)前相將會產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn) 矩，而導(dǎo)通相開通，電流增長率受到足夠大的反電動勢抑制，不足以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩 值，此時(shí)必然會導(dǎo)致合成轉(zhuǎn)矩落差，進(jìn)而導(dǎo)致脈動。
[0045] 根據(jù)以上分析，可以知道，SR電機(jī)換相時(shí)刻將會產(chǎn)生主要的轉(zhuǎn)矩脈動，而換相轉(zhuǎn)矩 脈動在不同的電機(jī)運(yùn)行工況下亦有不同的表現(xiàn)特性。根據(jù)理想情況下的單相轉(zhuǎn)矩公式
[0046] T(i,e) = -i2(^^- 2dt)
[0047] 可以知道，轉(zhuǎn)矩特性取決與相電流波形和電感特性，所以分析SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩必須 從電流和磁鏈角度出發(fā)。
[0048] SR電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩?zé)o法恒定在較小的范圍，特別是在相鄰兩相繞組換相導(dǎo)通階 段，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動尤為明顯，這嚴(yán)重影響了 SR電機(jī)的運(yùn)行性能。在高速情況下SR電機(jī)本身 就具有比較高的