一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机(SRM)直接瞬时转矩控制系统及方法，属于开关磁阻电机技术领域，用于解决传统直接瞬时转矩控制(DITC)由于不对称半桥功率变换器母线电压限制以及在换相过程中制定单一的控制策略造成转矩脉动不能被有效抑制的问题。利用新型多电平功率变换器具有的快速励磁和快速退磁的优势以及根据换相区域相转矩的分布特性制定转矩滞环控制策略，来提升DITC的转矩跟踪能力，提高转矩脉动抑制效果。并通过多目标优化方法寻优开通角和关断角控制参数，实现在抑制转矩脉动的同时兼顾提升DITC系统的效率。本发明专利技术有利于提高SRM的输出性能，包括有效降低SRM的转矩脉动，拓宽DITC在SRM的转速适用范围，提高DITC系统的效率。提高DITC系统的效率。提高DITC系统的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及开关磁阻电机
，尤其涉及一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)具有结构简单坚固、容错能力强、起动转矩大和调速性能好等优点，成为未来无稀土电机的首选之一，但其自身的双凸极结构和磁饱和，使其存在转矩脉动，影响其应用推广。因此，如何有效抑制SRM的转矩脉动是广大学者重点研究的问题。
[0003]目前抑制SRM的转矩脉动主要有两种方法，优化电机的本体结构设计和优化电机的控制。其中在控制上提出了多种抑制转矩脉动的方法，平均转矩控制(ATC)简单、易实现，但其转矩脉动大，在要求低转矩脉动的场合应用困难。相比平均转矩控制，瞬时转矩控制可实现转矩的精确控制，可有效抑制转矩脉动。根据控制方法的不同可把瞬时转矩控制分为间接瞬时转矩控制(IITC)和直接瞬时转矩控制(DITC)。IITC通常使用转矩分配函数(TSF)来规划相参考转矩，根据相参考转矩得到精确的参考电流，然后通过电流控制器控制每相电流跟随相参考电流以达到间接控制相转矩的目的。相比IITC，DITC直接将瞬时转矩作为被控对象，根据参考转矩和瞬时输出转矩之间的误差生成开关信号，不需要精确控制电流波形，简化了控制系统的结构和控制算法的实现难度。
[0004]SRM的传统DITC采用不对称半桥功率变换器来驱动电机运行，电机运行在较高转速时，绕组反电动势增加，由于不对称半桥功率变换器母线电压的限制，导致电流的上升、下降速度缓慢，输出转矩难以跟随参考转矩，致使SRM的转矩脉动显著增加，同时影响系统的动态响应性能和驱动效率。中国技术专利《一种开关磁阻电机四电平功率电路》，专利号为CN201721657582.6，公开日期为2018.6.12，公开了一种新型SRM多电平功率变换器，它可以实现绕组的快速励磁和快速退磁，并且每相桥臂可在四种电平状态下独立切换，控制策略可以灵活制定。通过将该新型多电平功率变换器应用于SRM的直接瞬时转矩控制，能够提升功率变换器对相电流的控制能力，从而提升DITC系统的转矩跟踪能力，改善电机的输出性能。此外，传统DITC虽然采用双滞环控制策略，但控制上没有考虑换相区域相邻两相的转矩输出能力，造成转矩误差不可避免地进入外滞环，导致换相区域的转矩脉动较大，因此进一步提高转矩脉动抑制能力，需要优化换相区域的控制策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统及方法。本专利技术旨在利用新型多电平功率变换器具有的快速励磁和快速退磁的优势克服不对称半桥功率变换器的母线电压限制，提高SRM的输出性能，包括有效降低SRM的转矩脉动，拓宽DITC在SRM的转速适用范围，
提高DITC系统的效率。本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，包括：速度PI控制器(1)、转矩计算单元(2)、升压电容电压控制器(3)、转矩滞环控制器(4)、开关表(5)、新型多电平功率变换器(6)、开关磁阻电机(7)、电流传感器(8)、位置传感器(9)和电压传感器(10)；
[0007]电流传感器(8)用于检测电机各相绕组的电流值I
K
；
[0008]位置传感器(9)用于检测电机的转子位置θ并提供给其它模块；
[0009]电压传感器(10)用于检测新型多电平功率变换器(6)中升压电容C2的电压U
C2
；
[0010]速度PI控制器(1)根据参考转速和实际转速的偏差生成参考转矩；
[0011]转矩计算单元(2)接收电流传感器检测的各相绕组电流值和位置传感器检测的电机转子位置，通过查表法得到电机的实际输出转矩；
[0012]升压电容电压控制器(3)接收电压传感器检测的电压U
C2
，并通过平均电压计算单元根据开通角θ
on
和转子位置θ计算相邻两相开通角之间的平均电压V
av
，将V
av
和升压电容C2的参考电压V
ref
的偏差经过PI调节器获得升压电容电压控制角θ
h
；
[0013]转矩滞环控制器(4)是控制系统的核心，设置开通角θ
on
、关断角θ
off
，根据参考转矩T
ref
和实际转矩T
est
的偏差ΔT，当前获取的转子位置θ，以及升压电容电压控制角θ
h
，通过滞环控制策略得到下一个时刻电机的工作状态；
[0014]开关表(5)将电机下一刻的工作状态转化为新型多电平功率变换器(6)的开关状态；
[0015]根据开关状态控制功率变换器各相桥臂开关管的开通或关断对相绕组施加不同电压来实现对开关磁阻电机(7)的直接瞬时转矩控制。
[0016]进一步地，所述的一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统通过所述的新型多电平功率变换器的升压电容C2回收绕组剩余磁能来实现升压，并通过改变V
ref
实现对高压母线电压的调整，从而满足电机在不同转速稳定运行时，电机绕组对励磁和退磁电压的不同需求。
[0017]进一步地，所述的一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统通过所述的升压电容电压控制器对升压电容电压进行闭环控制，实现对所述的新型多电平功率变换器的高压母线电压的稳定控制。
[0018]一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，包括如下步骤：
[0019]步骤1、设置新型多电平功率变换器的四种工作状态，每相桥臂可分别实现高压励磁、常压励磁、续流和高压退磁状态，以A相桥臂为例，分别对应“+2”、“+1”、“0”和
“‑
2”四种电平状态；当开关管S
A1
、S
A2
、S
A3
全部开通，A相工作于“+2”状态，记为StateA＝+2；当开关管S
A2
、S
A3
开通，S
A1
关断时，A相工作于“+1”状态，记为StateA＝+1；当S
A1
、S
A2
关断时，S
A3
导通，A相工作于“0”状态，记为StateA＝0；当开关管S
A1
、S
A2
、S
A3
全部关断，且绕组中存在电流时，此时A相工作于
“‑
2”状态，记为StateA＝
‑
2；其它相桥臂的工作状态以此类推；
[0020]步骤2、采用实验测量的方法，或者根据电机设计参数进行有限元仿真，获得SRM的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，其特征在于，该系统包括：速度PI控制器(1)、转矩计算单元(2)、升压电容电压控制器(3)、转矩滞环控制器(4)、开关表(5)、新型多电平功率变换器(6)、开关磁阻电机(7)、电流传感器(8)、位置传感器(9)、电压传感器(10)；电流传感器(8)用于检测电机各相绕组的电流值I
K
；位置传感器(9)用于检测电机的转子位置θ并提供给其它模块；电压传感器(10)用于检测新型多电平功率变换器(6)中升压电容C2的电压U
C2
；速度PI控制器(1)根据参考转速和实际转速的偏差生成参考转矩；转矩计算单元(2)接收电流传感器检测的各相绕组电流值和位置传感器检测的电机转子位置，通过查表法得到电机的实际输出转矩；升压电容电压控制器(3)接收电压传感器检测的电压U
C2
，并通过平均电压计算单元根据开通角θ
on
和转子位置θ计算相邻两相开通角之间的平均电压V
av
，将V
av
和升压电容C2的参考电压V
ref
的偏差经过PI调节器获得升压电容电压控制角θ
h
；转矩滞环控制器(4)是控制系统的核心，设置开通角θ
on
、关断角θ
off
，根据参考转矩T
ref
和实际转矩T
est
的偏差ΔT，当前获取的转子位置θ，以及升压电容电压控制角θ
h
，通过滞环控制策略得到下一个时刻电机的工作状态；开关表(5)将电机下一刻的工作状态转化为新型多电平功率变换器(6)的开关状态；根据开关状态控制功率变换器各相桥臂开关管的开通或关断，通过对相绕组施加不同电压来实现对开关磁阻电机(7)的直接瞬时转矩控制。2.根据权利要求1所述的一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，其特征在于，通过所述新型多电平功率变换器的升压电容C2回收绕组剩余磁能来实现升压，并通过改变V
ref
实现对高压母线电压的调整，从而满足电机在不同转速稳定运行时，电机绕组对励磁和退磁电压的不同需求。3.根据权利要求1所述的一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统，其特征在于，通过所述的升压电容电压控制器对升压电容电压进行闭环控制，实现对所述的新型多电平功率变换器的高压母线电压的稳定控制。4.一种基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设置新型多电平功率变换器的四种工作状态，每相桥臂可分别实现高压励磁、常压励磁、续流和高压退磁状态，以A相桥臂为例，分别对应“+2”、“+1”、“0”和
“‑
2”四种电平状态；当开关管S
A1
、S
A2
、S
A3
全部开通，A相工作于“+2”状态，记为StateA＝+2；当开关管S
A2
、S
A3
开通，S
A1
关断时，A相工作于“+1”状态，记为StateA＝+1；当S
A1
、S
A2
关断时，S
A3
导通，A相工作于“0”状态，记为StateA＝0；当开关管S
A1
、S
A2
、S
A3
全部关断，且绕组中存在电流时，此时A相工作于
“‑
2”状态，记为StateA＝
‑
2；其它相桥臂的工作状态以此类推；步骤2、采用实验测量的方法，或者根据电机设计参数进行有限元仿真，获得SRM的电磁特性数据，建立SRM转矩非线性模型，形成转矩
‑
角度
‑
电流的查找表；步骤3、首先根据开关磁阻电机相电感随转子位置的变化规律，以三相开关磁阻电机为例，将相邻两相的开通角之间的区域，即三分之一电周期划分为换相区域和单相导通区域；其次根据换相区域相邻两相的转矩输出能力将换相区域划分为区域I和区域II，以A、B两相
换相为例，B相开通角θ
on_b
到A相关断角θ
off_a
为区域I，A相关断角θ
off_a
到A相最大电感位置θ
a
为区域II，区域II结束到C相开通角θ
on_c
为单相导通区域，并将单相导通区域命名为区域III；步骤4、通过以转矩输出能力强的一相绕组的内滞环来调节转矩误差的原则对区域I、II、III分别制定新型的转矩滞环控制策略，将所设计的滞环控制策略应用于权利要求1所述的基于新型多电平功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统中；步骤5、构建控制系统的仿真模型，建立基于转矩脉动系数和系统驱动效率的多目标优化函数，通过对电机进行多目标优化控制来寻优角度控制参数；设置工作点(ω，T
ref
)，设置ω的最小值ω
min
、最大值ω
max
和步长Δω，设置T
ref
的最小值最大值和步长ΔT
ref
；对每个工作点下的开通角θ
on
和关断角θ
off
进行优化，最优的开通角和关断角满足目标函数最小，依次得到每个工作点下的和并建立优化控制参数的查找表；多目标优化函数的表达式见公式(1)、(2)；W
K
+W
E
＝1
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，K为转矩脉动系数，E为驱动效率，W
K
为转矩脉动系数的权重，W
E
为驱动效率的权重，K
min
为工作点(ω，T
ref
)下的最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡燕，董中山，刘慧，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：