[发明专利]基于电压矢量的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电压矢量的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，属于开关磁阻电机转矩控制方法领域。

背景技术

开关磁阻电机是一种基于可变磁阻原理设计的电机。与其他类型的电机相比，开关磁阻电机具有许多独特的优点。开关磁阻电机具有定转子双凸极结构，并且只在定子齿极上有绕组，而转子上不存在绕组，也无永磁体，这种结构使得开关磁阻电机能够很好的适用于各种诸如高温、强振动等恶劣环境。由于开关磁阻电机遵循磁阻最小原理运行，绕组电流的极性不会对电磁转矩产生影响，因而可以采用功率器件与绕组串联的电路结构，这种结构可以避免两个功率器件直通的危险，从而提高驱动系统的可靠性，驱动电路结构简单可靠。开关磁阻电机各相绕组之间相互独立，即使缺相也可以运行，系统容错能力强。此外，开关磁阻电机还具有启动电流小、启动转矩大、可以频繁启停的特点调速性能好，转换效率高，成本低廉等特点，这使其成为电动车用驱动电机的理想选择之一。

然而，开关磁阻电机本身具有很强的非线性，其电磁转矩是关于转子位置角和定子电流的非线性函数，导致其运行时存在比较明显的转矩脉动现象。转矩脉动直接影响到开关磁阻电机的输出特性，会造成转速波动以及引起很大的振动和噪声，限制了开关磁阻电机在伺服驱动、家用电器等对脉动和噪声要求比较高的场合下的应用。随着开关磁阻电机应用更加广泛，开关磁阻电机的转矩脉动问题成为电机运行控制过程中不容忽视的问题。目前，抑制开关磁阻电机转矩脉动常用的控制方法有：

两步换相控制方法：针对不对称半桥驱动电路所存在的三种开关状态，应用两步换相策略，控制换相阶段消磁相(即将关闭相)零电压续流段的长度，合理叠加两相转矩，减小了转矩脉动，由于没有直接对转矩进行控制，对于不同负载与转速很难找到合适的开关角策略。

转矩分配控制方法：通过转矩分配函数在线或者离线得到每相跟踪的电流曲线或者转矩曲线，然而在换相区域如何合理的选取转矩分配方式是难点。Jin Ye提出了一种在线确定每相转矩分配的方法，但是计算繁琐复杂度较高，转矩环采样频率高达Mhz。

直接转矩控制方法：根据当前磁链所处扇区以及转矩误差选择合适的电压矢量，保持磁链大小不变，该方法能显著抑制转矩脉动，但是电压矢量的选取没有考虑位置信息，可能会产生负转矩，降低了电机效率。

直接瞬时转矩控制：Robert B Inderka针对开关磁阻电机磁链的非线性特性，提出了一种更为简洁有效的直接瞬时转矩控制方法，不需要跟踪磁链，通过在线拟合或者离线方法得到电机的转矩特性，采取双滞环控制，响应迅速鲁棒性好，然而每个转矩环采样周期，任意一相只能是导通，续流和关闭三个状态之一，可供选择的电压矢量有限，控制效果受采样周期的影响较大。对此，有方法通过改变变流器的物理结构来得到更多的基础电压矢量，改善了传统直接瞬时转矩控制方法电压矢量太少所造成的的问题，但实现的成本较高。更值得注意的是，与转矩分配方法不同，传统的直接瞬时转矩控制方法没有考虑相电流曲线走势，这导致电机运行时可能出现相电流峰值过大的问题。

因此，就本发明研究的开关磁阻电机转矩脉动抑制问题，除了能够减小开关磁阻电机转矩脉动外，还应该能拓展转矩环的采样周期，扩展电压矢量，抑制相电流尖峰。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于基于电压矢量的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法。该方法根据开关磁阻电机的转矩特性曲线划分扇区，依据转矩脉动系数K_T以及期望转矩T_ref自适应的确定滞环区域[-T_H，T_H]的大小，考虑了换相区域刚导通相的转矩输出能力，细化了直接瞬时转矩控制的电压矢量。本发明方法实现成本低，拓展了采样周期，减小了电流脉动与转矩脉动，绕组铜耗低，实用性强，便于推广使用。

技术方案：本发明的基于电压矢量的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对m相开关磁阻电机一个转子周期进行扇区划分：

其中电机相数m≥3，转子齿极距为θ_r，即一个转子周期转过的机械角度为θ_r，开关磁阻电机的步进角为θ_r/m对应的电角度为2π/m；