一種基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)在線修正的srm轉(zhuǎn)矩脈動最小化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)在線修正的SRM 轉(zhuǎn)矩脈動最小化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor，SRM)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、性能高并 且魯棒性好，自20世紀(jì)80年代問世以來，便獲得了國內(nèi)外電氣傳動界的廣泛重視，成為當(dāng) 時最熱門的調(diào)速電動機(jī)之一，并逐漸形成了理論研究與實際應(yīng)用并重的發(fā)展態(tài)勢。近幾十 年來，伴隨著電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)成為最有發(fā)展?jié)摿Φ目煽刂绷?調(diào)速系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)由雙凸極式磁阻電機(jī)、功率變換器、位置傳感器、電流傳感器和控制 器組成，是機(jī)電一體化的調(diào)速驅(qū)動裝置。
[0003] 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)（SwitchedReluctanceMotorDrive，SRD)中，開關(guān)磁阻電機(jī) 是該系統(tǒng)中實現(xiàn)機(jī)電能量裝換的部件，也是SRD有別于其他電機(jī)系統(tǒng)的主要標(biāo)志；功率變 換器負(fù)責(zé)向SRM提供運(yùn)行所需要的能量，由蓄電池或者交流電整流后得到的直流電供電， 該模塊采用的是不對稱半橋型功率變換器結(jié)構(gòu)，由于其各相繞組之間相互獨(dú)立、容錯性能 好、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。位置檢測模塊是用來檢測SRM轉(zhuǎn)子的位置；電流檢測模塊 則是用于檢測SRM繞組中的各相電流；控制器模塊是整套調(diào)速系統(tǒng)的核心，它綜合處理轉(zhuǎn) 速給定、速度反饋信號、位置傳感器和電流傳感器的反饋信息，然后對功率變換器發(fā)出控制 信號，實現(xiàn)功率變換器對SRM運(yùn)行狀態(tài)的驅(qū)動。
[0004] 由于固有的雙凸極結(jié)構(gòu)和開關(guān)形式供電電源，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動比較大， 所以最大限度的減少轉(zhuǎn)矩脈動成為SRM的熱門研究領(lǐng)域之一。而轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（Torque SharingFunction，TSF)方案是研究者經(jīng)常采用的一種高級控制策略，該方案按照電機(jī)的 轉(zhuǎn)子位置將期望的輸出轉(zhuǎn)矩分配到繞組各相，得到各相期望的參考值，再分別對各相繞組 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實時控制，最終使轉(zhuǎn)矩之和維持恒定值，達(dá)到減少轉(zhuǎn)矩脈動的目的。
[0005] TSF的實現(xiàn)具有不同的分配方案，但是無論是哪一種方案，都應(yīng)該滿足以下兩個條 件：
[0006] (1)為了使各相瞬時轉(zhuǎn)矩之和為期望轉(zhuǎn)矩，在任意時刻的各相繞組轉(zhuǎn)矩分配函數(shù) 之和應(yīng)該為1，即：
[0007]
[0008] 式中，η為電機(jī)總相數(shù)，k為電機(jī)第k相繞組，fk(Θ)為第k相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)。
[0009] (2)SRM各相繞組實際產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要盡可能能夠跟蹤上有轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)確定的各 相繞組的期望轉(zhuǎn)矩，因此要求轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的變化率不要太大。
[0010] 通常采用的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)類型包括線型、余弦函數(shù)型、立方型和指數(shù)型。在傳統(tǒng)的 TSF方案中，當(dāng)電機(jī)位于兩相繞組導(dǎo)通的前子區(qū)間，由于轉(zhuǎn)矩特性、電壓限制以及速度升高 等因素，后一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能跟蹤上期望的轉(zhuǎn)矩參考值，會造成總輸出轉(zhuǎn)矩不足，引起實 際轉(zhuǎn)矩比期望的轉(zhuǎn)矩參考數(shù)值偏低；而在電機(jī)兩相繞組導(dǎo)通的后子區(qū)間，前一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 矩不能迅速減少到期望的轉(zhuǎn)矩參考值，會造成總輸出轉(zhuǎn)矩偏高，同樣引起較大轉(zhuǎn)矩脈動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)在線 修正的SRM轉(zhuǎn)矩脈動最小化控制方法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的實時補(bǔ)償，使SRM具有更高的穩(wěn)定性和運(yùn) 行性能。
[0012] -種基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)在線修正的SRM轉(zhuǎn)矩脈動最小化控制方法，包括如下步 驟：
[0013] (1)采集SRM的三相定子電流Ia~I。和轉(zhuǎn)子位置角Θ;
[0014] (2)根據(jù)步驟⑴中采集到的信息通過轉(zhuǎn)矩-電流-位置角的特性模型，計算出 SRM的三相實際轉(zhuǎn)矩Ta~Tc;
[0015] (3)根據(jù)給定的總參考轉(zhuǎn)矩Te_raf通過轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)進(jìn)行在線修正，計算得到SRM 修正后的三相參考轉(zhuǎn)矩??？~T
[0016] (4)使修正后的三相參考轉(zhuǎn)矩1^~Τ/對應(yīng)減去三相實際轉(zhuǎn)矩Ta~Τ。，得到三相 轉(zhuǎn)矩誤差A(yù)!^~ΔT
[0017] (5)使所述的三相轉(zhuǎn)矩誤差Δ!^~ΔΤ/經(jīng)過滯環(huán)比較器，得到SRM功率變換器 的三相驅(qū)動信號Sa~S。，進(jìn)而使三相驅(qū)動信號Sa~S。經(jīng)功率放大后以對SRM功率變換器 進(jìn)tx開關(guān)控制。
[0018] 所述的步驟（3)中通過轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)進(jìn)行在線修正，計算SRM修正后的三相參考 轉(zhuǎn)矩??~ΤΛ具體過程如下：
[0019] a使總參考轉(zhuǎn)矩Te_raf乘以三相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)得到SRM修正前的三相參考轉(zhuǎn)矩 T，~T，.
[0020] b使修正前的三相參考轉(zhuǎn)矩Ta'~T。'對應(yīng)減去三相實際轉(zhuǎn)矩Ta~T。，得到三相正 向轉(zhuǎn)矩誤差；使三相實際轉(zhuǎn)矩Ta~T。對應(yīng)減去修正前的三相參考轉(zhuǎn)矩Ta'~T。'，得到三相 反向轉(zhuǎn)矩誤差；
[0021] c在兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)對三相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償：
[0022] 在兩相導(dǎo)通區(qū)間的前子區(qū)間內(nèi)，對后一相的正向轉(zhuǎn)矩誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到前一 相的TSF補(bǔ)償量，并使該TSF補(bǔ)償量加上前一相的TSF;后一相在前子區(qū)間內(nèi)保持TSF不 變；
[0023] 在兩相導(dǎo)通區(qū)間的后子區(qū)間內(nèi)，對前一相的反向轉(zhuǎn)矩誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到后一 相的TSF補(bǔ)償量，并使后一相的TSF減去該TSF補(bǔ)償量；前一相在后子區(qū)間內(nèi)保持TSF不 變；
[0024] 所述前子區(qū)間與后子區(qū)間的分隔線為兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)后一相修正前的參考轉(zhuǎn)矩 與后一相實際轉(zhuǎn)矩相等的時刻；所述兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的后一相為TSF上升沿所對應(yīng)的相， 且該相在兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的TSF= 6U);所述兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的前一 相為TSF下降沿所對應(yīng)的相，且該相在兩相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)TSF=G_5-a5cGS_f(d唞）；其 (y〇v 中，0@為3冊當(dāng)前相的開通角，Θ。"為SRM當(dāng)前相的關(guān)斷角，ΘJ%SRM當(dāng)前導(dǎo)通兩相的 重疊角；
[0025] d使總參考轉(zhuǎn)矩Te_"#以補(bǔ)償后的三相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)得到SRM修正后的三相參考 轉(zhuǎn)矩??~ΤΛ
[0026] 所述步驟a中三相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的表達(dá)式如下：
[0027]
[0028] 其中：f(Θ)為當(dāng)前相的TSF。
[0029] 所述的步驟（5)中對SRM功率變換器進(jìn)行開關(guān)控制時，在三相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的單 相導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，功率變換器中的上管對應(yīng)采用功率放大后三相驅(qū)動信號Sa~S。，下管均保 持導(dǎo)通。
[0030] 在電機(jī)兩相繞組導(dǎo)通的前子區(qū)間，由于轉(zhuǎn)矩特性、電壓限制以及速度升高等因素， 后一相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能迅速跟蹤上期望的轉(zhuǎn)矩參考值，會造成總輸出轉(zhuǎn)矩不足，鑒于 此時的前一相繞組具有很好的轉(zhuǎn)矩跟蹤性能，本發(fā)明便利用前一相實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的正向在線修 正補(bǔ)償，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化；
[0031] 在電機(jī)兩相繞組導(dǎo)通的后子區(qū)間，由于轉(zhuǎn)矩特性、電壓限制以及速度升高等因素， 前一相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能迅速減少到期望的轉(zhuǎn)矩參考值，會造成總輸出轉(zhuǎn)矩偏高，鑒于 此時的后一相繞組具有很好的轉(zhuǎn)矩跟蹤性能，本發(fā)明便利用后一相實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的負(fù)向在線修 正補(bǔ)償，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化。
[0032] 本發(fā)明通過對SRM傳統(tǒng)TSF控制方案的分析，指出了該方案在電機(jī)運(yùn)行中仍然存 在的轉(zhuǎn)矩脈動問題，并提出了TSF的在線優(yōu)化補(bǔ)償策略，有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)運(yùn)行 更加穩(wěn)定。另外，為了減少開關(guān)損耗，提高電機(jī)效率，本發(fā)明中涉及到的SRM驅(qū)動信號采用 了硬斬波和軟斬波相結(jié)合的方式。
【附圖說明】
[0033] 圖1為三相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2為三相SRM不對稱半橋型功率變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖3(a)~圖3(c)分別為SRM功率轉(zhuǎn)換器某一相運(yùn)行時三個階段的原理示意圖。
[0036] 圖4為SRM在線性模型下相電流與相電感的關(guān)系示意圖。
[0037] 圖5為傳統(tǒng)TSF方案的控制流程示意圖。
[0038] 圖6為余弦函數(shù)型TSF的示意圖。
[0039] 圖7 (a)為傳統(tǒng)TSF方案中的轉(zhuǎn)矩波形示意圖。
[0040] 圖7 (b)為傳統(tǒng)TSF方案中SRM功率轉(zhuǎn)換器每相上管的驅(qū)動信號示意圖。
[0041] 圖7(c)為傳統(tǒng)TSF方案中SRM功率轉(zhuǎn)換器每相下管的驅(qū)動信號示意圖。
[0042] 圖8為本發(fā)明TSF在線補(bǔ)償方案的控制流程示意圖。
[0043] 圖9為傳統(tǒng)TSF與在線修正后TSF的比較示意圖。
[0044] 圖10為在區(qū)間I對傳統(tǒng)TSF的在線修正補(bǔ)償方案示意圖。
[0045] 圖11為在區(qū)間II對傳統(tǒng)TSF的在線修正補(bǔ)償方案示意圖。
[0046] 圖12(a)為本發(fā)明TSF在線修正方案中的參考轉(zhuǎn)矩波形示意圖。
[0047] 圖12 (b)為本發(fā)明TSF在線修正方案中SRM功率轉(zhuǎn)換器每相上管的驅(qū)動信號示意 圖。
[0048] 圖12(c)為本發(fā)明TSF在線修正方案中SRM功率轉(zhuǎn)換器每相下管的驅(qū)動信號示意 圖。
【具體實施方式】
[0049] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案 及其相關(guān)工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0050] 如圖1所示，本發(fā)明基于母線電流采樣的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括開關(guān)磁阻電機(jī) SRM、功率變換器、位置檢測裝置、電流檢測裝置以及控制器；開關(guān)磁阻電機(jī)具有三相定子繞 組，變換器為各定子繞組勵磁；控制器為開關(guān)器件提供驅(qū)動信號。