抑制開關磁阻電機轉矩脈動的電機驅動系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機控制系統領域，尤其涉及一種抑制開關磁阻電機轉矩脈動的電機 驅動系統及方法。
【背景技術】
[0002] 開關磁阻（以下簡稱SR)電機具有機械結構簡單堅固、制造成本低、能夠在較高的 溫度和轉速下運行等眾多優點。所以SR電機調速系統被認為是一種極具發展前景和市場 潛力的新型調速系統。目前，已經在新能源汽車、通用工業（抽油機、壓縮機等）、航空航天 (啟動發電機）等領域中獲得了不同程度的應用。
[0003] SR電機傳統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電機在不同的特性區間具有不同的運行特性， 實際應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，達到滿足電氣傳動系統 的多樣化需求，使電機運行在最佳的工作狀態。
[0004] 傳統的控制方法雖然能夠實現開關磁阻電機系統的四象限運行，卻無法有效解決 開關磁阻電機所存在的轉矩脈動問題。到目前為止在SR電機轉矩脈動最小化研究方面，國 內外學者已經提出了很多不同的技術。
[0005] 在減小轉矩脈動，改善轉矩輸出方面，目前主要存在兩種途徑：一種是從電機本體 的優化設計方面考慮，如通過調整SR電機的定轉子極弧來減小轉矩脈動，通過改變電機機 械結構設計以得到較好的轉矩特性，在特定的場合和性能指標下是合適的，但這種方法將 會犧牲電機輸出轉矩水平。另一種是以離線計算數據為基礎，求出期望轉矩下優化的相電 流波形作為控制目標，在控制器中執行這樣的算法需要大量的計算開銷和存儲空間，實現 起來較為復雜，而且靜態數據離線計算缺乏對實際動態過程的反應，控制精度會存在一定 誤差。如果能夠采用合理科學的控制策略改善SR電機的轉矩輸出，將能夠在更大的范圍內 實現對轉矩脈動的抑制，也更容易推廣應用。

【發明內容】

[0006] 本發明的發明目的，在于以轉矩作為SR電機的直接控制對象，且能夠有效的實現 對合成轉矩的控制，與其它控制方式相比具有最快的轉矩響應，不管是低速還是高速控制 中，都能夠達到更好的轉矩優化效果。
[0007] 本發明為達到上述目的所采用的技術方案是：
[0008] 提供一種抑制開關磁阻電機轉矩脈動的電機驅動系統，包括SR電機、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矩控制模塊的控制 下，對SR電機進行直接瞬時轉矩控制；該功率變換器還包括級聯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，實時調節不對稱半橋電 路的輸入電壓。
[0011] 本發明所述的系統中，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] 本發明所述的系統中，所述DC/DC變換電路為四象限DC/DC變換電路。
[0013] 本發明所述的系統中，轉矩控制模塊包括扇區判斷模塊、轉矩估計模塊、滯環控制 器和DITC開關表模塊，扇區判斷模塊與位置檢測模塊連接，轉矩估計模塊與位置檢測模 塊、電流檢測模塊連接，滯環控制器與轉矩估計模塊、DITC開關表模塊連接；
[0014] 轉矩估計模塊根據位置檢測模塊和電流檢測模塊的輸出計算轉矩估計值；滯環 控制器根據轉矩指令值和轉矩估計值生成滯環控制指令；DITC開關表模塊中預先存儲有 DITC開關表，該DITC開關表模塊根據扇區判斷模塊計算的扇區位置以及滯環控制指令選 擇DITC開關表中的開關狀態值，并輸出給不對稱半橋電路。
[0015] 本發明所述的系統中，SR電機為SR三相電機。
[0016] 本發明還提供了一種抑制開關磁阻電機轉矩脈動的方法，包括以下步驟：
[0017] 在不對稱半橋電路之前級聯一個DC/DC變換電路；
[0018] 通過PffM控制DC/DC變換電路的輸入電壓，并調節SR電機的繞組直流母線電壓；
[0019] 通過瞬時轉矩值控制SR電機的轉矩。
[0020] 本發明所述的方法中，該方法中瞬時轉矩值具體通過以下步驟得到：
[0021] 檢測SR電機的位置數據，以及不對稱半橋電路的電流值；
[0022] 根據位置數據計算SR電機的扇區位置
[0023] 根據檢測的位置數據和電流值生成轉矩估計值；
[0024] 根據轉矩指令值和轉矩估計值生成滯環控制指令；
[0025] 根據扇區位置以及滯環控制指令選擇預先存儲的DITC開關表中的開關狀態值， 并輸出給不對稱半橋電路。
[0026] 本發明所述的方法中，轉矩估計值的具體計算過程為：將位置數據中的轉子位置 角和電流值中的相電流作為輸入變量，經過查表和線性插值運算得到單相電磁轉矩，三相 疊加得到SR電機總的電磁轉矩估計值。
[0027] 本發明產生的有益效果是：本發明提出了一種針對傳統SRD功率電路的改進方 法，為了實現對直流母線電壓的調節，設計一個級聯在不對稱半橋電路上的DC/DC變換電 路，控制系統通過對該DC/DC變換電路主開關管IGBT的PffM控制，能夠實時調節SR電機相 繞組直流母線電壓，實現不同運行工況下直流母線電壓最優匹配，在DITC的基礎上進一步 減小轉矩脈動。
【附圖說明】
[0028] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0029] 圖1是本發明實施例抑制開關磁阻電機轉矩脈動的電機驅動系統的結構框圖；
[0030] 圖2是本發明實施例的三相不對稱半橋電路；
[0031 ] 圖3是磁鏈關于位置和電流分布曲線；
[0032] 圖4是轉矩關于位置和電流分布曲線；
[0033] 圖5是本發明結合DC/DC變換電路電壓調節的DITC控制框圖；
[0034] 圖6是本發明實施例的SR電機非線性結構；
[0035] 圖7是本發明實施例的單相不對稱半橋電路；
[0036] 圖8是本發明實施例抑制開關磁阻電機轉矩脈動的電機驅動示意圖；
[0037] 圖9是在線瞬時轉矩測量結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0039] 開關磁阻電機驅動系統主要由四個單元構成，分別為SR電機、功率變換器、控制 器和檢測單元，其基本結構見圖1。其中，SR電機是系統中機電能量轉換的電磁裝置，完成 機械能和電能之間的轉換，是調速系統與機械傳動結構之間實現能量轉換和傳輸的紐帶。 功率變換器的主要作用是向SR電動機提供電能，或將SR發電機輸出的電能送到外部電源 中去，是系統與外部電源之間的接口。由于SR電機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撲。
[0040] 控制器是SR電機驅動系統最關鍵的部分，它需要實時檢測系統的電壓、電流和位 置信號，完成數據的采集運算和處理，根據控制指令生成功率電路開關的驅動脈動實現對 電機四象限運行的控制。
[0041] 本發明采用SR中最為常用的不對稱半橋電路，其電路結構如圖2所示。在不對稱 半橋電路中，SR電機各相繞組通過兩個開關器件和電源形成串聯閉合回路，各相完全對稱 并聯在直流母線上。該不對稱半橋電路和交流調速領域的H橋式電路相比，由于兩個開關 管之間串聯有電機相繞組而不存在直通短路的可能，所以具有更高的穩定性和可靠性。
[0042] 圖3所示為SR電機單相繞組磁鏈關于位置角和電流的分布曲線。從該曲線圖中 可以看出，其磁鏈分布具有復雜的非線性特性。這一特點在圖4單相轉矩關于位置和電流 的分布曲線中亦得到體現。也正是磁鏈和轉矩的高度非線性特性決定了 SR電機在常規傳 統控制策略下存在較大的轉矩脈動。
[0043] 圖4中，通常用轉矩關于電流和角度（圖3和4中橫坐標為三相12/8極SR電機 轉子機械角）的曲線描述SR電機單相轉矩特性，而且SR電機各相的轉矩分布完全相同，故 SR電機總的合成轉矩特性可以由各相轉矩特性曲線根據導通角關系相疊加得到。所以，SR 電機合成轉矩特性不僅和單相轉矩關于電流和位置角的非線性分布有關，還受到電機的相 數、凸極數目和導通角設定共同影響。
[0044] 當SR電機運行到換相點附近，如果電機處于低速運行區間，換相時當前相關斷， 在較大的電感作用下當前相電流有足夠的時間在進入負轉矩區間之前降為〇,而導通相 (下一相）開通后，由于轉速不高，反電動勢較小，電流迅速增長，將會產生較大的電磁轉 矩，導致合成轉矩突增，進而導致脈動；如果電機處于高速運行區間，換相時當前相關斷，由 于轉速較高，當前相電流無法在進入負轉矩區間之前下降到0,此時當前相將會產生負轉 矩，而導通相開通，電流增長率受到足夠大的反電動勢抑制，不足以產生所需要的電磁轉矩 值，此時必然會導致合成轉矩落差，進而導致脈動。
[0045] 根據以上分析，可以知道，SR電機換相時刻將會產生主要的轉矩脈動，而換相轉矩 脈動在不同的電機運行工況下亦有不同的表現特性。根據理想情況下的單相轉矩公式
[0046] T(i,e) = -i2(^^- 2dt)
[0047] 可以知道，轉矩特性取決與相電流波形和電感特性，所以分析SR電機的轉矩必須 從電流和磁鏈角度出發。
[0048] SR電機的瞬時轉矩無法恒定在較小的范圍，特別是在相鄰兩相繞組換相導通階 段，瞬時轉矩脈動尤為明顯，這嚴重影響了 SR電機的運行性能。在高速情況下SR電機本身 就具有比較高的