一种减小开关磁阻电机转矩跟踪误差的方法

摘要

本发明公开了一种减小开关磁阻电机转矩跟踪误差的方法，其特征是采用灵活的转矩分配方式，达到对瞬时转矩的控制，并将转矩跟踪误差的大小作为控制变量，通过开通角的在线调整限制跟踪误差的大小，使电机输出的瞬时转矩尽量小偏差地跟踪参考转矩，从而减小电机转矩脉动和噪声，保证电机平稳运转。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减小开关磁阻电机转矩跟踪误差的方法，属于开关磁阻电机的转矩控制 领域。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，启动电流小、转矩大，是一种很有潜力的新型电机，但因 其转矩脉动和噪音较大，限制了该电机进一步的应用。如何抑制电机的转矩脉动成为该种电 机研究的热点，而且从控制策略上改善电机的转矩脉动是一个主要的研究方向。

在已有技术中，传统的电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）和电压斩波控制 （PWM）没有将瞬时转矩作为控制变量，不能够很好控制输出转矩，容易造成较大的转矩脉 动，基于转矩分配的瞬时转矩控制方法以电机各相瞬时转矩作为控制变量，将参考转矩按固 定的比例分配给电机各相，从而限制电机每相瞬时转矩的变化，但是电机本身严重的非线性 使得瞬时转矩的变化规律较复杂，瞬时转矩的上升和下降并不能始终按照分配函数所描述的 轨迹变化，若某一相或两相瞬时转矩始终达不到该相参考转矩，便会造成合成输出转矩小于 参考转矩，产生很大的转矩跟踪误差。若设计在线更改形状的分配函数，则会增加运算的复 杂性。所以，此方法建立准确的转矩分配函数难度较大。

目前，各种控制方法均没有直接针对电机的转矩跟踪误差大小做出主动控制，来限制跟 踪误差的大小。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种减小开关磁阻电机转矩跟踪 误差的方法，以期减少开关磁阻电机的输出转矩与参考转矩之间的误差，提高输出转矩的平 滑度，从而减小电机的转矩脉动。

本发明解决的技术问题采用如下技术方案：

本发明一种减小开关磁阻电机转矩跟踪误差的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤一：给定开关磁阻电机的参考转矩T^*；

步骤二：根据开关磁阻电机“角度-电流-转矩”数据表，获得开关磁阻电机在不同转 子角度θ和每一相定子绕组的电流i_k下所对应的瞬时转矩T_k，k=0、1、2…n，k为电机的 任意一相，n为电机总的相数；

所述开关磁阻电机“角度—电流—转矩”数据表是根据开关磁阻电机运转时位置传感器 采集到的转子角度θ和电流传感器采集到的每相定子绕组的电流i_k利用式(1)离线计算所获得 的：

$T_k=\frac{\partial }{\partial \theta }{\int }_0^{i_k}{\int }_0^{t_k}(u_k-i_k{R}_k){\mathrm{dt}}_k{\mathrm{di}}_k---\left(1\right)$

式(1)中，R_k为定子绕组电阻值，u_k为施加给定子绕组的电压值，t_k为每一相定子绕组的 电流从0变化到i_k的时间；

步骤三：利用式(2)获得电机导通的第m相参考转矩T_m^*为：

${T_m}^{*}=T^{*}-(\underset{k=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}+\underset{k=m+1}{\overset{n}{\Sigma }})T_k---\left(2\right)$

式(1)中，m为电机的导通相，m=0、1、2…n；

步骤四：根据所述开关磁阻电机“角度—电流—转矩”数据表获得所述导通相m的瞬时 转矩T_m，利用所述参考转矩T_m^*，通过式(3)获得m相的转矩跟踪误差ΔT：

ΔT=T_m–T_m^*     (3)

步骤五：比较转矩跟踪误差ΔT与设定的转矩跟踪误差限值ε的大小，并根据比较结果调 整导通相绕组的通断状态，限制转矩跟踪误差ΔT的大小；

步骤六：利用式(4)获得第m相定子导通期间转矩跟踪误差的和∑ΔT：

$\mathrm{\Sigma \Delta T}={\int }_0^{t_k}\Delta {\mathrm{Tdt}}_k;---\left(4\right)$

根据所述单相导通区间内转矩误差的和∑ΔT与所述转矩跟踪误差限值ε的大小调整开 关磁阻电机的开通角，根据所述开关磁阻电机的开通角调整瞬时转矩的峰值和幅值，减小转 矩跟踪误差。

本发明所述的减小开关磁阻电机转矩跟踪误差的方法的特点也在于：

所述步骤一中，开关磁阻电机电动运行时，所述参考转矩T^*为正；开关磁阻电机减速或 制动运行时，所述参考转矩T^*为负；

所述步骤五中，所述导通相绕组的通断状态调整按如下规则进行：

开关磁阻电机电动运行时：若ΔT≤ε，保持导通相绕组的导通状态不变；若ΔT＞ε，关断 导通相绕组；

开关磁阻电机减速或制动运行时：若ΔT≥-ε，保持导通相绕组的导通状态不变；若ΔT ＜-ε，关断导通相绕组；

所述步骤六中，所述开关磁阻电机的开通角按如下方式进行调整：

开关磁阻电机电动运行时：若∑ΔT＞ε时，延后开通角的位置，推迟下一相定子绕组导 通时刻；当∑ΔT＜-ε时，提前开通角的位置，提前下一相定子绕组导通时刻；当-ε≤∑ΔT≤ε 时，保持开通角的位置不变；

开关磁阻电机减速或制动运行时：当∑ΔT＞ε时，提前开通角的位置，提前下一相定子 绕组导通时刻；当∑ΔT＜-ε时，延后开通角的位置，推迟下一相定子绕组导通时刻；当 -ε≤∑ΔT≤ε时，保持开通角的位置不变；

所述提前或延后开通角的位置按如下方法确定：以所述第m相定子从导通区间内转矩误 差的和∑ΔT与所述转矩跟踪误差限值ε的差值作为输入，采用模糊控制算法或者PID算法对 所述开通角进行调整，获得的输出值即为开通角位置的变化量Δθ。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用开关磁阻电机的瞬时转矩作为控制变量，可以有效地控制输出转矩，并抑 制转矩脉动；从而避免了电机在运行时产生较大转矩跟踪误差。

2、本发明采用了灵活的转矩分配方式，达到对瞬时转矩的控制，不拘泥于固定形状的分 配函数，从而较好地适应开关磁阻电机瞬时转矩变化规律的复杂性，避免了现有分配方法需 建立准确的转矩分配函数的困难；

3、本发明将转矩跟踪误差作为控制变量，通过开通角度的在线调整限制跟踪误差的大小， 使电机输出的瞬时转矩尽量小偏差地跟踪参考转矩，从而减小了电机转矩脉动和噪声。

4、本发明具有运算速度快、操作方便、可靠性高、适应性强等特点，适用于各种相数、 结构的开关磁阻电机，应用广泛，能够有效减小转矩跟踪误差，从而保证了电机平稳运转。

附图说明：

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例一中开关磁阻电机m相最小电感位置0°示意图；

图3是本发明实施例一中开关磁阻电机m相转子位置30°示意图；

图4是本发明实施例一中开关磁阻电机m相最大电感位置45°示意图；

图5是本发明实施例一中开关磁阻电机m相转子位置75°示意图；

图6是本发明实施例一中开关磁阻电机m相最小电感位置90°示意图；

图7是本发明实施例二中开关磁阻电机m相最小电感位置0°示意图；

图8是本发明实施例二中开关磁阻电机m相转子位置20°示意图；

图9是本发明实施例二中开关磁阻电机m相最大电感位置30°示意图；

图10是本发明实施例二中开关磁阻电机m相转子位置50°示意图；

图11是本发明实施例二中开关磁阻电机m相最小电感位置60°示意图。

具体实施方式：

实施例一：本实施例中以三相6/4结构的开关磁阻电机为例，如图1所示，包括以下步 骤：

步骤一：给定开关磁阻电机的参考转矩T^*；

开关磁阻电机电动运行时，参考转矩T^*为正；开关磁阻电机减速或制动运行时，参考转 矩T^*为负；

步骤二：根据开关磁阻电机“角度—电流—转矩”数据表，获得开关磁阻电机在不同转 子角度θ和每一相定子绕组的电流i_k下所对应的瞬时转矩T_k，k=0、1、2…n，k为电机的 任意一相，n为电机总的相数，本实施例中n=3；

开关磁阻电机“角度—电流—转矩”数据表是根据开关磁阻电机运转时位置传感器采集 到的转子角度θ和电流传感器采集到的每相定子绕组的电流i_k利用式(1)离线计算所获得的：

$T_k=\frac{\partial }{\partial \theta }{\int }_0^{i_k}{\int }_0^{t_k}(u_k-i_k{R}_k){\mathrm{dt}}_k{\mathrm{di}}_k---\left(1\right)$

式(1)中，R_k为定子绕组电阻值，u_k为施加给定子绕组的电压值，t_k为每一相定子绕组的 电流从0变化到i_k的时间；

步骤三：利用式(2)获得电机导通的第m相参考转矩T_m^*为：

${T_m}^{*}=T^{*}-(\underset{k=1}{\overset{m-1}{\Sigma }}+\underset{k=m+1}{\overset{n}{\Sigma }})T_k---\left(2\right)$

式(1)中，m为电机的导通相，m=0、1、2…n；

步骤四：根据开关磁阻电机“角度—电流—转矩”数据表获得导通相m的瞬时转矩T_m和参考转矩T_m^*，利用式(3)获得m相的转矩跟踪误差ΔT：

ΔT=T_m–T_m^*      (3)

步骤五：比较转矩跟踪误差ΔT与设定的转矩跟踪误差限值ε的大小，并根据比较结果调 整导通相绕组的通断状态，限制转矩跟踪误差ΔT的大小；

导通相绕组的通断状态调整按如下规则进行：

开关磁阻电机电动运行时：若ΔT≤ε，保持导通相绕组的导通状态不变；若ΔT＞ε，关断 导通相绕组；

开关磁阻电机减速或制动运行时：若ΔT≥-ε，保持导通相绕组的导通状态不变；若ΔT ＜-ε，关断导通相绕组；

本实施例中，导通m相之外的相绕组的转矩自由变化，不做主动控制；

步骤六：利用式(4)获得第m相定子导通期间转矩跟踪误差的和∑ΔT：

$\mathrm{\Sigma \Delta T}={\int }_0^{t_k}\Delta {\mathrm{Tdt}}_k---\left(4\right)$

根据单相导通区间内转矩误差的和∑ΔT与转矩跟踪误差限值ε的大小调整开关磁阻电 机的开通角，根据开关磁阻电机的开通角调整瞬时转矩的峰值和幅值，减小转矩跟踪误差。

开关磁阻电机的开通角按如下方式进行调整：

开关磁阻电机电动运行时：在图2所示的最小电感位置0°之后导通m相,其中开关磁阻 电机的相最大电感位置为图4所示的定转子凸极相对时的位置，相最小电感位置为图2或图 6所示的定子凸极正对相邻两个转子中心时的位置。若∑ΔT＞ε时，延后开通角的位置，推 迟下一相定子绕组导通时刻，但不能滞后于关断角的位置；当∑ΔT＜-ε时，提前开通角的 位置，提前下一相定子绕组导通时刻，最前可至最小电感的0°位置；当-ε≤∑ΔT≤ε时，保 持开通角的位置不变；此时，开关磁阻电机的关断角固定于图3所示的最大电感位置之前的 30°位置不做调整。

开关磁阻电机减速或制动运行时：在图4所示的最大电感位置45°之后导通m相；当 ∑ΔT＞ε时，提前开通角的位置，提前下一相定子绕组导通时刻，最前可至最大电感的45 °位置；当∑ΔT＜-ε时，延后开通角的位置，推迟下一相定子绕组导通时刻，但不能滞后 于关断角；当-ε≤∑ΔT≤ε时，保持开通角的位置不变；此时，开关磁阻电机的关断角固定 于图5所示的最小电感位置之前的75°位置不做调整。

提前或延后开通角的位置按如下方法确定：以第m相定子从导通区间内转矩误差的和 ∑ΔT与转矩跟踪误差限值ε的差值作为输入，采用模糊控制算法或者PID算法对开通角进行 调整，获得的输出值即为开通角位置的变化量Δθ。

开关磁阻电机转子的角度大小是以安装在图2所示的0°的位置传感器为参考基准点确 定的。

实施例二：本实施例以四相8/6结构的开关磁阻电机为例，步骤如图1所示，与实施例 一不同的是：

1、本实施例中n=4；

2、本实施例中开关磁阻电机的相最大电感位置为图9所示的定转子凸极相对时的位置， 相最小电感位置为图7或图11所示的定子凸极正对相邻两个转子中心时的位置。

3、本实施例中，开关磁阻电机电动运行时关断角固定于图8所示的最大电感位置之前的 20°位置不做调整。

4、本实施例中，开关磁阻电机减速或制动运行时，在最大电感位置30°之后导通m相； 当∑ΔT＞ε时，提前开通角的位置，提前下一相定子绕组导通时刻，最前可至最大电感的30 °位置；此时，开关磁阻电机的关断角固定于图10所示的最小电感位置之前的50°位置不 做调整。