一種開關磁阻電機轉矩脈動控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電機控制領域，具體涉及一種開關磁阻電機轉矩脈動控制系統以及應 用該系統進行波形控制和轉子位置估算的方法。 技術背景
[0002] 開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優 點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統。開關磁阻電機 由于結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優異，且在整個調速范圍內都具有較高效率，系 統可靠性高，更加適用電動工具、家用電器、健身器材等場合。開關磁阻電機的雙凸極結構 和開關性供電特點，其固有的特質導致較大的電磁脈動，通過優化設計電機結構和控制策 略，電機轉矩脈動完全可以得到有效的抑制。
[0003] 通過分析，電磁噪聲是開關磁阻電機主要噪聲，有效的抑制電磁噪聲就能達到電 機降噪的目的。電磁噪聲源于開關磁阻電機定子和轉子之間徑向脈動磁吸力。定子和轉子 之間的徑向磁吸力，導致定子壓縮、擴張變形是激發振動噪聲的誘因，若徑向磁力的諧波頻 率與電機固有頻率一致，共振將會帶來更惡劣的振動和噪聲。電機各相繞組外施相電壓的 躍變導致相電流、徑向磁力的躍變是引起電機振動的主要原因。
[0004] 開關磁阻電機的定子勵磁極和轉子凸極之間通過氣隙產生磁場力，磁場力驅使磁 路的磁阻最小。將磁場力分解為徑向、切向兩個方向的分量，其中切向磁力產生開關磁阻電 機運轉所需的動力轉矩，由于轉矩波動產生的電機振動并不明顯，徑向磁力并不產生有效 轉矩，并且成為一個脈動的力波，在徑向磁力的作用下，電機定子機殼將形成壓縮、擴張變 形，強烈的振動通過機殼發射噪聲形成了開關磁阻電機噪聲的主要來源，電磁噪聲的強度 與磁場力的大小、轉子剛度、定子機殼有關。尤其當徑向磁力的諧波頻率與定義固有頻率相 重合，共振引起的振動噪聲將更為惡劣。

【發明內容】

[0005] 本發明主要針對現有技術存在的噪聲缺點，發明了一種開關磁阻電機轉矩脈動控 制系統及其控制方法，本發明通過控制開關磁阻電機相鄰極之間的徑向力，利用轉矩復合 原理有效抑制開關磁阻電機的周期性擾動特點，改善開關磁阻電機在運行中因轉矩脈動而 造成電機系統振動的問題。本發明通過內模控制原理進行極間轉矩復合，通過調頻式轉子 位置估計方法估計轉子位置，便于轉矩控制。
[0006] 本發明的上述技術問題是通過以下技術方案得以實施的：一種開關磁阻電機轉矩 脈動控制系統，其特征在于，包括延遲控制器、滯環控制器、PWM輸出控制裝置、開關磁阻電 機（SRM)、電流檢測裝置、多路復用器、轉子位置估算裝置，其中，延遲控制器連接滯環控制 器，滯環控制器連接PWM輸出控制裝置，PWM輸出控制裝置連接開關磁阻電機，開關磁阻電 機分別連接電流檢測裝置和多路復用器，多路復用器連接轉子位置估算裝置，轉子位置估 算裝置連接所述的延遲控制器，所述的電流檢測裝置分別連接滯環控制器和PWM輸出控制 裝置；所述的延遲控制器包括內模控制器，內模控制器由周期延遲控制結構（S^f)、正反饋 環節控制結構（Q(S))、補償控制單元結構（KdP(S))組成；所述的轉子位置估算裝置包括相 互串聯的LC振蕩電路、頻率-電壓轉換電路、光電耦合隔離器、數字信號處理裝置（DSP)。
[0007] 作為優選，所述延遲控制器為復合閉環式延遲控制器，由開環式的延遲控制器嵌 入閉環控制器構成；其中，周期延遲的控制參數為S'正反饋環節的控制參數為Q(S)體現， 補償控制單元的控制參數為KdP(s)。
[0008] 作為優選，所述LC振蕩電路包括多路復用器、調制電路。
[0009] 利用上述開關磁阻電機轉矩脈動控制系統進行轉子位置估算的方法，其特征在 于，利用轉子轉動過程中極間電感的周期性變化進行檢測轉子位置，具體步驟為：
[0010] 1)高頻的電感變化信號經由LC振蕩電路產生帶相電感信息的波形，該帶相電感 信息的波形為轉子位置信號；
[0011] 2)設置LC振蕩電路中的元器件參數，使該振蕩頻率與相電感的平方根的倒數成 正比；
[0012] 3)將有相電感變化信息的調制信號&通過頻率-電壓轉換電路轉化成電壓變化 信號；
[0013] 4)電壓信號經過光電隔離后通過數字信號處理裝置（DSP)估算轉子的位置。
[0014] 利用上述開關磁阻電機轉矩脈動控制系統進行PWM波形控制的方法，其特征在 于，利用內模控制器產生延遲控制信號，在不同的轉子位置角度，通過內模控制器和PWM輸 出裝置計算輸出不同的目標電流，以達到抑制轉矩脈動的目的；其中，延遲控制器的增益Kd 取1，補償單元P(S)取系統閉環傳遞函數的倒數，N為每個轉矩脈動周期內的采樣次數， Q(S)取截止頻率為2倍轉矩脈動頻率的低通濾波器；各相繞組的控制輸出電流提供給滯環 單元，將電流給定值與實際檢測到的電機電流i進行延遲滯環控制，實現對電流的準確 控制。
[0015] 作為優選，將滯環控制與PWM輸出結合，通過設置環寬h，將給定值電流與實際 電流i的關系劃分為四種情況，四種情況具體控制方法如下：
[0020] 其中，Vl>V2,V3 <V4 ;D1 <D2 < 50%<D3 <D4。
[0021] 綜上所述，本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0022] 本發明本發明通過控制開關磁阻電機相鄰極之間的徑向力，利用轉矩復合原理有 效抑制開關磁阻電機的周期性擾動特點，改善開關磁阻電機在運行中因轉矩脈動而造成電 機系統振動的問題。本發明通過內模控制原理進行極間轉矩復合，通過調頻式轉子位置估 計方法估計轉子位置，便于轉矩控制；本發明通過軟開關緩沖型功率電路減少單相磁阻電 機相關開關電磁沖擊，以及通過轉矩合成原理和內模控制原理使轉子的電磁轉矩在極間平 滑移動，有效減少了轉矩脈動，同時減少振動，降低噪聲。
【附圖說明】
[0023] 圖1是開關磁阻電機動作原理圖；
[0024] 圖2是轉矩變化圖；
[0025] 圖3是本發明的系統框圖；
[0026]圖4是本發明延遲控制器的結構框圖；
[0027] 圖5是本發明轉子位置估算裝置的結構框圖。
【具體實施方式】
[0028] 實施例1:
[0029]對于開關磁阻電機，定子凸極中心與轉子凹槽中心重合時電感最小，磁阻最大；轉 子凸極的前沿和定子凸極的后沿對齊，兩者的對齊開始隨著轉子角度的增大重疊增大，相 電感開始增加，直到轉子凸極與定子凸極全部重合，此時電感最大，磁阻最小。
[0030]忽略相繞組電阻壓降的情況下，相電壓方程為土U=diD/dt，式中，土U為動率器 件開通時繞組的端電壓；-U為功率器件斷開時繞組的端電壓，W為繞組磁鏈。
[0031]在假設磁路在變化過程中為線性情況下可用下式表示：it( 0 )=L( 0 )i( 0 );代
[0032]說明輸入總功率P=Ui，一部分以增加繞組儲能，一部分轉為機械功率輸出。在電 感上升時，旋轉電動勢為正，產生電動轉矩，電源的功率一部分以機械能形式輸出，一部分 以磁場能形式存貯于繞組中；若斷電，則磁場能一部分轉化為機械能，一部分回饋電源；電 感達到最大值時，旋轉電動勢為零，如果繞組有電流只能反饋電源，而不會產生轉矩。電感 下降過程中，如果繞組還有電流通過，則旋轉電動勢是負的，產生制動轉矩，磁場能以及制 動轉矩產生的機械能全部反饋電源，工作在發電狀態。
[0033]應用中為了得到盡量大的轉矩，一方面在繞組電感上升區域流過較大電流，所以 開通角設計在電感上升前，另一方面盡量減少制動轉矩，在繞組電感減少盡快讓電流衰減 到零，所以關閉角通常設計在電感值還沒有增加到最大前。
關磁阻電機中磁路飽和及邊緣效應，符合開關磁阻電機的線性模型，假定電感同電流無關，
自感，電感變化的周期正比于轉子中的極對數，比如單相4/4級開關磁阻電機，定子每繞一 周，電感變化4次。如果用傅里葉變換分解成不同頻率，忽略高次諧波，得到相繞組的自感 為L=Lc^L1C0s (N，0 )，其中常數LjPLi為電感的恒定分量和諧波分量的電感幅值，代入上
矩與角度之間的變化公式。從公式中可說明繞組產生的基波電磁轉矩是一種空間正弦波， 電磁轉矩的穩定零位取決于該磁極中心線的位置。考慮相繞組電磁轉矩為矢量變量，T矢 量空間角度和相繞組磁極中心線一致，在定子兩極之間循環變動，造成電磁轉矩的高頻率 振動。
[0035] 對于單相4/4結構的開關磁阻電機而言，同相繞組產生的穩定零位在不同的極間 依次相差一個轉子步進角90°，如圖1所示。如果忽略電動機互感，將定位轉矩進行矢量疊 加，且保持其幅值恒定，則得到如圖2所示的轉矩變化圖，以A、B極舉例，TAB、TA，B，為合成的 定位轉矩，其大小與方向可以通過A極和B極之間的電流變化加以控制，A極的電流由PWMl 輸出控制，B極的電流由PWM2輸出控制。在P麗1和PWM2波形可控的條件下，如果能合理 調節相鄰兩極之間的電流，在兩極之間合成新的定位轉矩，并隨著定子的轉動連續調節，使 得合成電磁轉矩在360°轉動過程中較均勻分布，電機運行過程轉矩過渡平穩，可有效抑制 轉矩脈動。
[0036] 實現上述目標需要解決2個主要問題：1、PWM波形的連續控制方法；2、轉子的位置 估計方法。
[0037] 1、對PWMl和PWM2波形連續控制的方法。
[0038] 利用內模原理產生延遲控制信號，用于模擬前一個信號的變化和前后兩個信號之 間的差值。內模控制原理要求在穩定的閉環系統內設置一個可以產生與參考輸入同周期的 內部模型，從而使系統實現對外部周期性參考信號的漸近跟蹤，即加到被控對象的輸入信 號除直接信號外，還疊加上一周期該時刻的控制偏差。把上一周期的偏差和當前的偏差一 起疊