CN106685281A - 一种开关磁阻电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关磁阻电机控制方法，其技术方案是：开关磁阻电机包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯的中间为转子铁芯，所述的定子铁芯有六个大齿极，大齿极之间为齿槽，大齿极上分别设有A相线圈、B相线圈、C相线圈，两个相对的大齿极上设有相同的线圈，所述的定子铁芯的中间设有磁通，转子铁芯上设有与六个大齿极相互配合的四个小齿极，两半圆形磁通穿过转子铁芯连通A相线圈；本发明的有益效果是：与径向磁场开关磁阻电机相比，可以产生轴向磁场的盘式开关磁阻电机主磁路与电机运动方向垂直，磁路与电路结构解耦，具有更高的功率密度和转矩密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机及电机的控制***，特别涉及一种开关磁阻电机控制方法。
背景技术
传统的开关磁阻电机为双凸极结构，转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体。定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。开关磁阻电机遵循“磁阻最小原理”进行工作，磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，使电机转子发生转动。与其它常用电机相比，开关磁阻电机在可靠性、寿命、单机成本、效率和运行能力方面均有优势，只要解决了控制性能及噪声问题，高性价比的开关磁阻电机市场化将是水到渠成的事情。随着稀土价格的疯狂攀升，开关磁阻电机的成本优势更为明显。而且，开关磁阻电机可以以较小的起动电流就可输出较高的起动转矩，可广泛应用于对起动性能、调速范围、机械强度、可靠性等指标要求较高的驱动场合，如电动车辆、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动等领域。
虽然开关磁阻电机结构简单，但由于其本质上是一种大时变、强耦合的非线性***，采用传统控制方法难以实现电机的高性能控制。为改善开关磁阻电机的控制性能，必须实时获取准确的转子位置和速度信息，把位置信息作为换相依据，把速度信息作为速度闭环的反馈；必须实现平滑的转矩控制，减小转矩脉动，以降低电机速度波动和运行噪声；必须实现高性能的电机位置/速度控制，抑制各种干扰因素对控制性能的影响。为此，人们对开关磁阻电机的转子位置检测技术、转矩控制技术、位置/速度控制技术进行了深入研究，并取得了一批有价值的研究成果。
为获取开关磁阻电机的转子位置信息，可在电机上安装光电编码器、磁编码器、霍尔位置传感器等位置传感器，直接对转子位置进行检测，称为直接位置检测法。在直接位置检测法中，由于位置传感器的存在，增加了电机结构的复杂性和制造成本。一旦位置传感器失效，还将直接影响电机控制***的正常运行。为此，国内外学者不再采用位置传感器，而是利用开关磁阻电机的电气参数估算或解算转子位置，称为间接位置检测法。根据检测原理，间接位置检测大致可分为三类，即被动探测技术、主动探测技术和混合探测技术。被动探测技术不需要任何人为产生的电压和电流信息，直接利用电机运行时的相电压、相电流及其他有用信息来估计转子位置。主动探测技术通过向空闲相注入检测脉冲信号或附加电元件来获取转子位置信息。混合探测技术利用电机运行时激励相和空闲相的相电压、相电流及其他有用信息来估计转子位置的方法。其中，混合探测技术典型的方法有相间互感检测法(Ehsani et al. 1994)、递归最小二乘法(Thompson et al. 2000)研究较为深入。相间互感检测法直接检测相间由于互感效应产生的感生电压来估计转子位置，无需从外部注入检测脉冲，具有较强的抗干扰性，但难于用于互感很小的电机。递归最小二乘法通过对转子位置及转速误差的补偿，得到准确的转子位置及转速，抗干扰性强，准确度较高，但算法复杂。间接位置检测方案均可在一定条件下实现转子位置的估算，而不采用直接的位置传感器。但是，有些方案增加了其它测量装置，增加了***的复杂性；有些方案虽未增加其它测量装置，但算法复杂，计算量大，实时性差；有些方案虽可通过简化算法减小计算量，但精度较差。因此，目前还没有一种转子位置检测方案可以完全满足开关磁阻电机的应用需求。
转矩控制是开关磁阻电机控制的核心。然而，由于开关磁阻电机磁阻转矩特性的高度非线性以及绕组磁链的高度饱和特性，难以实现平稳的转矩控制，往往存在较大的转矩脉动，从而导致电机运行速度波动较大，运行噪声较高。为降低电机速度波动和运行噪声，必须减小转矩脉动，研究高性能的转矩控制技术。针对开关磁阻电机，主要的转矩控制方案包括平均转矩控制、基于反馈线性化的非线性控制、滑模变结构控制、转矩分配控制和直接瞬时转矩控制等。平均转矩控制只是根据速度来控制电机的开通角、关断角以及电流限流幅值，以达到控制相电流的目的，没有直接对转矩进行控制，没有考虑电机内部磁场的非线性，难于精确控制每一相瞬时转矩，转矩脉动较大。基于反馈线性化的非线性控制策略(Ilic-Spong et al. 1987)依赖开关磁阻电机精确的非线性模型，实施较为困难。滑模变结构控制结构简单，易于实现，对参数变化及干扰不敏感，但存在变结构控制带来的颤振问题。转矩分配控制策略的实质是通过定义转矩分配函数合理地分配与调节各相电流所对应的电磁转矩分量，保证各相瞬时转矩之和为一恒定值，再通过矩角特性反演出各相电流指令，加以适当的控制策略实现电机转矩控制。由于转矩分配函数是一个函数族，是不唯一的，需要根据设定指标进行优化。为实现转矩指令的最优分配，通常可使铜损最小、相电压最小、转矩误差最小、转矩脉动最小等等。转矩分配策略是目前使用较为广泛的一种转矩控制方法，具有较好的转矩脉动抑制效果，但这种方法依赖于转矩与相电流的精确数学模型，总是假设相间互感为零，因此无法抑制因互感而产生的转矩脉动。直接瞬时转矩控制的核心在于根据实际转矩与参考转矩的偏差，采用滞环控制器，生成控制绕组通电或断电的开关指令。传统的直接瞬时转矩控制可以实现开关磁阻电机转矩的良好控制，然而在实时控制过程中，需要实际转矩作为反馈，而实际转矩只能根据开关磁阻电机的数学模型进行计算。实际上，在开关磁阻电机额定负载运行时，磁场高度饱和，绕组磁链相互耦合，难以获得电机的精确数学模型。综上所述，以上转矩控制策略均可在一定条件下开关磁阻电机的转矩控制，抑制转矩脉动及电机振动。但是，有些方案需要开关磁阻电机的精确数学模型，数学模型的精度将直接决定转矩控制性能；有些方案虽不需要开关磁阻电机的精确数学模型，但需要在线学习，算法复杂，计算量大，实时性差；有些方案虽既不需要开关磁阻电机的精确数学模型，也不需要在线学习，算法简单，易于实现，但转矩控制性能稍差。因此，目前还没有一种转矩控制策略可以完全满足开关磁阻电机高性能控制的需求。
为实现开关磁阻电机的高性能控制，除获取准确的转子位置和速度信息、实现平滑的转矩控制外，还必须设计高性能的位置/速度控制器，抑制***非线性及内外扰动对控制性能的影响。与一般电机相比，开关磁阻电机不仅是一个大时变、强耦合的高度非线性***，难以获得精确的数学模型，而且转矩脉动大，干扰因素多，对位置/速度控制器的设计提出了挑战。针对开关磁阻电机的位置/速度控制问题，国内外相关领域进行了深入研究，并探讨了多种控制方法在开关磁阻电机中的应用，如PID控制、自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、自适应逆控制、重复控制、自抗扰控制、模糊控制、神经网络控制等。这些控制方法各有优缺点，到现在为止，还没有一种控制器能完全解决开关磁阻电机的大时变、强耦合、高度非线性及转矩脉动带来的大干扰问题。与实际应用的需求相比，有些控制算法过于复杂，不易实现；有些算法虽然简单，易于实现，但干扰抑制能力稍差。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种开关磁阻电机控制方法。
一种开关磁阻电机，其技术方案是：包括定子铁芯和转子铁芯，定子铁芯的中间为转子铁芯，所述的定子铁芯有六个大齿极，大齿极之间为齿槽，大齿极上分别设有A相线圈、B相线圈、C相线圈，两个相对的大齿极上设有相同的线圈，所述的定子铁芯的中间设有磁通，转子铁芯上设有与六个大齿极相互配合的四个小齿极，两半圆形磁通穿过转子铁芯连通A相线圈。
上述的大齿极由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，小齿极由导磁良好的硅钢片冲制后叠成。
上述的定子铁芯上的大齿极与转子铁芯上的小齿极之间有间隙，间隙便于实现转子铁芯在定子铁芯内自由转动。
上述的开关磁阻电动机通过功率变换器提供电源，功率变换器包括开关晶体管和二极管组成，A相线圈连接开关晶体管BG1、B相线圈连接开关晶体管BG2、C相线圈连接开关晶体管BG3，开关晶体管BG1、开关晶体管BG2和开关晶体管BG3向线圈供电，开关晶体管BG1、开关晶体管BG2和开关晶体管BG3分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管的一侧并联二极管，三极管的一侧通过二极管用来续流。
本发明提到的一种开关磁阻电机控制方法，由电机、速度控制器、转矩分配器、电流控制器、PWM发生器、功率放大器、SRM、开关Hall传感器、电压/电流测量器、转子位置/速度观测器组成，速度指令连接速度控制器，转矩指令连接转矩分配器，电流指令连接电流控制器，速度控制器、转矩分配器和电流控制器通过PWM发生器连接功率放大器的输入端，功率放大器的第一输出端连接电压/电流测量器，功率放大器的第二输出端连接SRM，SRM连接开关Hall传感器，电压/电流测量器的第一输出端通过电流反馈连接电流控制器，电压/电流测量器的第二输出端与开关Hall传感器的输出端连接转子位置/速度观测器，所述的转子位置/速度观测器的位置输出端连接干扰观测器和转矩分配器，转子位置/速度观测器的速度输出端连接干扰观测器和速度控制器；
其包含以下步骤：
首先，建立干扰数学模型；对于转子位置测量干扰，主要考虑传感器精度、预处理调理电路及A/D转换精度，通过物理机理及测量统计数据建模。对于转矩干扰，主要考虑电流控制及磁场畸变等因素建模。对于模型干扰，则需要考虑传动机构的摩擦、间隙、饱和、死区、弹性变形等因素及未建模动态。负载扰动是由外部因素引起的，可根据开关磁阻电机工作的具体环境和工况，建立外部干扰模型；
其次，评估干扰对控制性能的影响程度。根据建立的测量干扰、转矩干扰、模型干扰、负载干扰等干扰数学模型，利用数学仿真手段，分析不同干扰对***性能的影响机理，定量评估不同干扰对***性能的影响程度。对于严重影响***性能的转矩脉动的干扰，需要进行重点抑制；
最后，研究开关磁阻电机抗干扰复合控制方法。对于转矩脉动、负载变化信息已知的干扰，根据不同的干扰模型，分别设计干扰观测器进行估计和前馈补偿；对于高斯/非高斯随机变量、范数有界不确定变量、变化率有界变量，采用基于多目标优化方法的反馈干扰抑制方法。对干扰的前馈补偿以及反馈抑制，即可构成开关磁阻电机抗干扰复合控制***，通过实施转矩分配技术和抗干扰复合控制技术，可以极大地降低电机的转动脉动，实现电机平稳运转。
上述的转子位置/速度观测器在转子位置检测中同时采用了直接检测技术和间接检测技术相结合的复合检测技术，在转子位置复合检测技术中，依据间接检测技术中采用电压、电流等电气参数信息建立电机的数学模型，将直接检测的转子位置作为量测量，设计转子位置及速度观测器，同时获取电机转子的位置信息和速度信息。与直接检测技术相比，复合检测技术利用电气参数信息对转子位置脉冲进行了细分或插值，提高了转子位置的分辨率。复合检测技术利用转子位置的直接测量量对转子位置的估算值进行了校正，提高了转子位置检测的精度。
上述的转矩分配器把速度控制需要的转矩指令转化为相电流指令，然后通过相电流的控制间接实现转矩的控制，引入闭环的动态分配技术，对开关磁阻电机的转矩指令进行动态分配，非线性转矩动态分配算法不需要对非线性转矩模型直接求逆，通过一个动态分配算法，不断调整期望相电流，使其产生的转矩逼近期望值，期望相电流是通过积分器输出的，不会产生突变，易于实现。
本发明的有益效果是：抗干扰能力强，与径向磁场开关磁阻电机相比，可以产生轴向磁场的盘式开关磁阻电机主磁路与电机运动方向垂直，磁路与电路结构解耦，具有更高的功率密度和转矩密度。双定子盘或双转子盘式开关磁阻电机，相当于两台完全相同的开关磁阻电机并行，可进一步提高电机的低速转矩和高速运行范围，容错能力强，大大提高了开关磁阻电机的运行可靠性。不仅如此，双转子或双定子盘式还可以平衡轴向磁拉力，可有效降低单转子单定子盘式开关磁阻电机对轴承的要求。
附图说明
附图1是开关磁阻电机的结构示意图；
附图2是线圈与功率变换器的连接结构示意图；
附图3是开关磁阻电机速度抗干扰复合控制***结构示意图；
附图4是开关磁阻电机转子位置复合检测示意图；
附图5是开关磁阻电机非线性转矩动态分配示意图；
上图中：定子铁芯1、转子铁芯2、大齿极1.1、齿槽1.2、A相线圈1.3、B相线圈1.4、C相线圈1.5、磁通1.6、小齿极2.1、开关晶体管BG1、开关晶体管BG2、开关晶体管BG3、二极管D。
具体实施方式
结合附图1-5，对本发明作进一步的描述：
本发明提到的一种开关磁阻电机包括定子铁芯1和转子铁芯2，定子铁芯1的中间为转子铁芯2，所述的定子铁芯1有六个大齿极1.1，大齿极1.1之间为齿槽1.2，大齿极1.1上分别设有A相线圈1.3、B相线圈1.4、C相线圈1.5，两个相对的大齿极1.1上设有相同的线圈，所述的定子铁芯1的中间设有磁通1.6，转子铁芯2上设有与六个大齿极1.1相互配合的四个小齿极2.1，两半圆形磁通1.6穿过转子铁芯2连通A相线圈1.3。
其中的，大齿极1.1由导磁良好的硅钢片冲制后叠成，小齿极2.1由导磁良好的硅钢片冲制后叠成。
其中的，定子铁芯1上的大齿极1.1与转子铁芯2上的小齿极2.1之间有间隙，间隙便于实现转子铁芯2在定子铁芯1内自由转动。
其中的，开关磁阻电动机通过功率变换器提供电源，功率变换器包括开关晶体管和二极管组成，A相线圈连接开关晶体管BG1、B相线圈连接开关晶体管BG2、C相线圈连接开关晶体管BG3，开关晶体管BG1、开关晶体管BG2和开关晶体管BG3向线圈供电，开关晶体管BG1、开关晶体管BG2和开关晶体管BG3分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管的一侧并联二极管D，三极管的一侧通过二极管D用来续流。
结合附图3，本发明提到的一种开关磁阻电机控制方法，由电机、速度控制器、转矩分配器、电流控制器、PWM发生器、功率放大器、SRM、开关Hall传感器、电压/电流测量器、转子位置/速度观测器组成，速度指令连接速度控制器，转矩指令连接转矩分配器，电流指令连接电流控制器，速度控制器、转矩分配器和电流控制器通过PWM发生器连接功率放大器的输入端，功率放大器的第一输出端连接电压/电流测量器，功率放大器的第二输出端连接SRM，SRM连接开关Hall传感器，电压/电流测量器的第一输出端通过电流反馈连接电流控制器，电压/电流测量器的第二输出端与开关Hall传感器的输出端连接转子位置/速度观测器，所述的转子位置/速度观测器的位置输出端连接干扰观测器和转矩分配器，转子位置/速度观测器的速度输出端连接干扰观测器和速度控制器；
开关磁阻电机速度抗干扰复合控制方法：
首先，建立干扰数学模型；对于转子位置测量干扰，主要考虑传感器精度、预处理调理电路及A/D转换精度，通过物理机理及测量统计数据建模。对于转矩干扰，主要考虑电流控制及磁场畸变等因素建模。对于模型干扰，则需要考虑传动机构的摩擦、间隙、饱和、死区、弹性变形等因素及未建模动态。负载扰动是由外部因素引起的，可根据开关磁阻电机工作的具体环境和工况，建立外部干扰模型；
其次，评估干扰对控制性能的影响程度；根据建立的测量干扰、转矩干扰、模型干扰、负载干扰等干扰数学模型，利用数学仿真手段，分析不同干扰对***性能的影响机理，定量评估不同干扰对***性能的影响程度。对于严重影响***性能的转矩脉动的干扰，需要进行重点抑制；
最后，研究开关磁阻电机抗干扰复合控制方法；对于转矩脉动、负载变化信息已知的干扰，根据不同的干扰模型，分别设计干扰观测器进行估计和前馈补偿；对于高斯/非高斯随机变量、范数有界不确定变量、变化率有界变量，采用基于多目标优化方法的反馈干扰抑制方法。对干扰的前馈补偿以及反馈抑制，即可构成开关磁阻电机抗干扰复合控制***，通过实施转矩分配技术和抗干扰复合控制技术，可以极大地降低电机的转动脉动，实现电机平稳运转。
结合附图4，其中转子位置/速度观测器在转子位置检测中同时采用了直接检测技术和间接检测技术相结合的复合检测技术，在转子位置复合检测技术中，依据间接检测技术中采用电压、电流等电气参数信息建立电机的数学模型，将直接检测的转子位置作为量测量，设计转子位置及速度观测器，同时获取电机转子的位置信息和速度信息。与直接检测技术相比，复合检测技术利用电气参数信息对转子位置脉冲进行了细分或插值，提高了转子位置的分辨率。复合检测技术利用转子位置的直接测量量对转子位置的估算值进行了校正，提高了转子位置检测的精度。
结合附图5，其中转矩分配器把速度控制需要的转矩指令转化为相电流指令，然后通过相电流的控制间接实现转矩的控制，引入闭环的动态分配技术，对开关磁阻电机的转矩指令进行动态分配，非线性转矩动态分配算法不需要对非线性转矩模型直接求逆，通过一个动态分配算法，不断调整期望相电流，使其产生的转矩逼近期望值，期望相电流是通过积分器输出的，不会产生突变，易于实现。
磁阻电动机转动原理，磁阻电动机则是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到60度为止； 在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到90度为止；当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。
Claims (1)
1.一种开关磁阻电机控制方法，其特征是：包括电机、速度控制器、转矩分配器、电流控制器、PWM发生器、功率放大器、SRM、开关Hall传感器、电压/电流测量器、转子位置/速度观测器，速度指令连接速度控制器，转矩指令连接转矩分配器，电流指令连接电流控制器，速度控制器、转矩分配器和电流控制器通过PWM发生器连接功率放大器的输入端，功率放大器的第一输出端连接电压/电流测量器，功率放大器的第二输出端连接SRM，SRM连接开关Hall传感器，电压/电流测量器的第一输出端通过电流反馈连接电流控制器，电压/电流测量器的第二输出端与开关Hall传感器的输出端连接转子位置/速度观测器，所述的转子位置/速度观测器的位置输出端连接干扰观测器和转矩分配器，转子位置/速度观测器的速度输出端连接干扰观测器和速度控制器；
并包含以下步骤：
1）建立干扰数学模型；对于转子位置测量干扰，即传感器精度、预处理调理电路及A/D转换精度，通过物理机理及测量统计数据建模；对于转矩干扰，根据电流控制及磁场畸变因素建模；对于模型干扰，则要考虑传动机构的摩擦、间隙、饱和、死区、弹性变形因素及未建模动态；负载扰动是由外部因素引起的，根据开关磁阻电机工作的具体环境和工况，建立外部干扰模型；
2）评估干扰对控制性能的影响程度；根据建立的测量干扰、转矩干扰、模型干扰、负载干扰的干扰数学模型，利用数学仿真手段，分析不同干扰对***性能的影响机理，定量评估不同干扰对***性能的影响程度；对于严重影响***性能的转矩脉动的干扰，要进行抑制；
3）研究开关磁阻电机抗干扰复合控制方法；对于转矩脉动、负载变化信息已知的干扰，根据不同的干扰模型，分别设计干扰观测器进行估计和前馈补偿；对于高斯/非高斯随机变量、范数有界不确定变量、变化率有界变量，采用基于多目标优化方法的反馈干扰抑制方法；
所述的转子位置/速度观测器在转子位置检测中同时采用了直接检测技术和间接检测技术相结合的复合检测技术，在转子位置复合检测技术中，依据间接检测技术中采用电压、电流电气参数信息建立电机的数学模型，将直接检测的转子位置作为量测量，设计转子位置及速度观测器，同时获取电机转子的位置信息和速度信息；
所述的转矩分配器把速度控制需要的转矩指令转化为相电流指令，然后通过相电流的控制间接实现转矩的控制，通过不断调整期望相电流，使其产生的转矩逼近期望值，期望相电流通过积分器输出。
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