阅读说明：本技术 基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法 (Switched reluctance motor braking torque control system and method based on four-phase current and voltage ) 是由 朱曰莹 吴浩 甄成聪 樊志强 张美威 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法,属于电机控制技术领域。该系统主要包括转矩估计器、电流检测器、转矩选择器和转矩调节器。首先通过开关磁阻电机输出的四相电流和电压输入到转矩估计器当中,计算获得四相的估计转矩输入到转矩选择器,同时电流检测器检测到电机的四相电流输出四相的转矩控制信号；然后转矩选择器根据转矩控制信号对四相估计转矩进行选择输出总估计转矩；最后根据转矩调节器对参考转矩和总估计转矩进行进一步调节输出开关磁阻电机参考电流,形成制动转矩闭环控制。本发明可以准确及时地对实际转矩进行估计,满足驾驶员对制动转矩准确和响应需求,提高用开关磁阻电机驱动的电动汽车在制动或者滑行工况下的综合制动性能。(The invention provides a four-phase current and voltage-based switched reluctance motor braking torque control system and method, and belongs to the technical field of motor control. The system mainly comprises a torque estimator, a current detector, a torque selector and a torque regulator. Firstly, four-phase current and voltage output by a switched reluctance motor are input into a torque estimator, four-phase estimated torque is obtained through calculation and input into a torque selector, and meanwhile, a current detector detects that the four-phase current of the motor outputs four-phase torque control signals; then the torque selector selects the four-phase estimated torque according to the torque control signal to output the total estimated torque; and finally, further regulating and outputting the reference current of the switched reluctance motor according to the reference torque and the total estimated torque by the torque regulator to form closed-loop control of the braking torque. The invention can accurately and timely estimate the actual torque, meet the requirements of a driver on the accuracy and response of the braking torque and improve the comprehensive braking performance of the electric automobile driven by the switched reluctance motor under the braking or sliding working condition.)

基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及到开关磁阻电机驱动系统控制领域，尤其涉及基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法。

背景技术

开关磁阻电机驱动的电动汽车在滑行动或者制动工况下都要求制动系统可以及时有效地反馈驾驶员的需求制动力，驾驶员会根据实际制动工况踩下制动踏板以要求电动汽车制动减速，其制动力来源于机械制动系统的机械制动力和再生制动系统的电机制动力，只有在紧急制动和极低速制动条件下电机不参与制动，其小强度制动、中强度制动或者在不同车速下，电机都会参与制动，这就要求开关磁阻电机制动转矩需要高的控制精度和快的控制响应速度来保证电动汽车制动安全性能和稳定性能。

由于开关磁阻电机是非线性动态模型，而且电机输出转矩没有精确的数学表达式去计算获得，因此开关磁阻电机应用在电动汽车的制动或者滑行工况时要对电机转矩进行间接制动转矩控。目前，并没有通过四相电流和电压对开关磁阻电机制动转矩闭环控制的研究，即使存在转矩的研究，也是通过一相电流和电压对电机转矩的控制。而且四相电流和电压得到的总估计转矩比一相电流和电压估计的总估计转矩要精确得多，经过一个电器周期总估计转矩只落后实际转矩四分之一个电气周期，使得开关磁阻电机制动转矩控制系统响应迅速，估计转矩能够及时有效的追踪驾驶员需求的参考制动转矩，使得开关磁阻电机驱动的电动汽车在电机制动转矩作用下迅速制动减速，保证制动安全的前提下提高关磁阻电机制动转矩响应速度和动态稳定性。

发明内容

本发明的内容在于提高开关磁阻电机驱动的电动汽车在制动工况或者滑行工况下制动转矩响应速度和制动转矩稳定性能，因此在电动汽车存在电机转矩作用的工况下，提出了一种基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统包括转矩估计器、电流检测器、转矩选择器和转矩调节器。

四相电流和电压进入转矩估计器估计四相的估计转矩，转矩估计器的四相估计转矩没有精确的数学表达式去计算得到，因此需要通过机-电能量转换原理，即通过磁共能计算得到，首先通过四相的电流和电压计算得到四相的磁链，然后对四相磁链分别进行积分，最终得到四相的估计转矩，其中转矩估计器包括乘法器、磁链积分器、磁共能积分器、电流检测器和采样保持器。其计算公式为：

ψ＝∫(u-Ri)dt+ψ₀

其中，m是电机相数，N_r是电机转子极数，W′(i，θ)是电机磁共能，u是相绕组电压，i是相绕组电流，R是相绕组电阻，Ψ是磁链，Ψ₀是初始磁链。

四相电流进入电流检测器检测相电流是否大于零，输出估计转矩的选择控制信号。

检测相电流输出选择控制信号的关系如下所示：

(1)若电流检测器检测相电流大于零，则电流检测器输出低电平为0的信号；

(2)若电流检测器检测相电流等于零，则电流检测器输出高电平为1的信号；

(3)若电流检测器检测相电流小于零，则电流检测器输出高电平为1的信号。

转矩选择器是根据电流检测器输出的选择控制信号对来自转矩估计器估计的四相估计转矩进行逻辑判断，即基于四相选择控制信号对四相估计转矩进行选择，最后输出总的估计转矩。

转矩选择器逻辑关系为(假设开关磁阻电机定子通电顺序为A→D→B→C)：

(1)A相的控制信号为高电平1的信号，且D相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择A相的估计转矩作为总估计转矩；

(2)D相的控制信号为高电平1的信号，且B相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择D相的估计转矩作为总估计转矩；

(3)B相的控制信号为高电平1的信号，且C相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择B相的估计转矩作为总估计转矩；

(4)C相的控制信号为高电平1的信号，且A相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择C相的估计转矩作为总估计转矩。

转矩调节器是将转矩选择器输出的总估计转矩和开关磁阻电机驱动系统需要的参考转矩进行计算，最后输出电机驱动系统的参考电流，形成开关磁阻电机驱动系统制动转矩闭环控制。其中转矩调节器包含两个环节，转矩前馈环节和补偿环节。前馈环节根据参考转矩输出前馈电流i_ref，如下公式：

其中，T_e是电磁转矩，k_L是电感斜率。

补偿环节的补偿电流i_c是由参考转矩和总估计转矩的误差输入到PI调节器计算得到，最终参考电流由前馈电流和补偿电流相加得到。转矩前馈环节会增加开关磁阻电机驱动系统的制动转矩动态响应速度，转矩饱和环节提高了系统的稳态转矩精度。

本发明的有益效果为：

目前，很少有针对开关磁阻电机驱动的电动汽车在制动或者滑行工况制动转矩控制来提高电动汽车综合制动性能的研究。为了更好地提高开关磁阻电机用于电动汽车制动或者滑行工况，满足驾驶员的制动转矩需求，提高开关磁阻电机驱动系统制动响应速度和制动转矩精度，增大制动转矩动态稳定性。本发明致力于解决这一问题，提出了一种基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法，根据驾驶员对制动转矩的需要使电机输出实际转矩以实现电动汽车制动减速的目的，总估计转矩可以准确及时地估计电机输出的实际转矩，使得电机转矩控制系统更加精确和稳定。通过建立的开关磁阻电机驱动系统模型进行仿真并验证了磁链积分器可以很好地估计磁链，并且转矩估计器计算的总估计转矩可以有效地追踪电机实际转矩，因此可以根据驾驶员对参考转矩的需要以实现电机时时输出实际制动转矩的目的。最后，经过转矩调节器输出参考电流形成开关磁阻电机制动转矩闭环控制，满足基于四相电流和电压的开关磁阻电机对制动转矩控制的精确性、稳定性，提高开关磁阻电机动态响应速度。

附图说明

图1为本发明所述的基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统图。其中，U_ph和I_ph为四相电压和电流，T_ABCD-est是四相估计转矩，S_ABCD是四相转矩控制信号，T_est是总估计转矩，T_ref是参考转矩。

图2为A相的转矩估计器。其中，i_A(t)，U_A(t)为A相电流和A相电压，Reset为复位信号，Trigger为触发信号T_{A_est}为A相估计转矩。

图3是磁链积分器得到的估计磁链和实际磁链的对比图。

图4是转矩选择器原理图。T_{A_est}，T_{B_est}，T_{C_est}，T_{D_est}分别是A，B，C，D相的估计转矩，S_A，S_B，S_C，S_D分别是A，B，C，D相的转矩控制信号。

图5是转矩选择器输出的总估计转矩、电机输出的实际转矩和需要的参考转矩。

图6是转矩调节器的框图，输出参考电流，形成电机制动转矩闭环控制。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明涉及一种基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法，控制结构框图如图1所示。制动转矩控制系统主要包括转矩估计器、电流检测器、转矩选择器和转矩调节器。

通过开关磁阻电机本体输出的四相电流和电压进入到转矩估计器，经过计算转矩估计器输出四相的估计转矩T_ABCD-est到转矩选择器，同时电流检测器检测四相电流输出四相估计转矩控制信号S_ABCD，转矩选择器在四相估计转矩和四相转矩控制信号作用下输出总估计转矩T_est到转矩调节器，转矩调节器会根据总估计转矩和驾驶员需求的参考转矩转换成开关磁阻电机的参考电流，形成制动转矩闭环控制。

转矩估计器由乘法器、磁链积分器、电流检测器、磁共能积分器和采样保持器组成，如图2所示。获得A相电流和电压的转矩估计器在乘法器和磁链积分器作用下输出磁链到磁共能积分器，同时磁共能积分器也获得A相电流检测器输出的复位信号作用输出磁共能，采样保持器在磁共能和电流检测器输出的触发信号作用下输出一个电子周期的磁共能变化量，最后在乘法器作用下输出A相估计转矩。其计算公式为：

ψ＝∫(u-Ri)dt+ψ₀

其中，m是电机相数，N_r是电机转子极数，W′(i，θ)是电机磁共能，u是相绕组电压，i是相绕组电流，R是相绕组电阻，Ψ是磁链，Ψ₀是初始磁链

为了评估转矩估计器的准确性，将估计器中的由乘法器获得的估计磁链以实际磁链进行对比分析，如图3所示。可以明显看到磁链积分器获得的估计磁链和实际磁链基本重合，即使在0.0075s时刻的波峰位置，放大后也是基本重合的，差距很小，说明磁链积分器的准确性，同时也反映了转矩估计器的有效性。

开关磁阻电机的四相电流进入电流检测器并且检测四相电流是否大于零，输出四相估计转矩的选择控制信号到转矩选择器当中。

检测相电流输出选择控制信号的关系如下所示：

(1)若电流检测器检测相电流大于零，则电流检测器输出低电平为0的信号；

(2)若电流检测器检测相电流等于零，则电流检测器输出高电平为1的信号；

(3)若电流检测器检测相电流小于零，则电流检测器输出高电平为1的信号。

转矩选择器是根据电流检测器输出的选择控制信号对来自转矩估计器估计的四相估计转矩进行逻辑判断，即基于四相选择控制信号对四相估计转矩进行选择，最后输出总的估计转矩。如图4所示，假设8/6极开关磁阻电机定子通电顺序为A→D→B→C。

转矩选择器逻辑关系为：

(1)A相的控制信号为高电平1的信号，且D相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择A相的估计转矩作为总估计转矩；

(2)D相的控制信号为高电平1的信号，且B相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择D相的估计转矩作为总估计转矩；

(3)B相的控制信号为高电平1的信号，且C相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择B相的估计转矩作为总估计转矩；

(4)C相的控制信号为高电平1的信号，且A相的控制信号为低电平0的信号，则选择器判断选择C相的估计转矩作为总估计转矩。

经过一个周期根据四相估计转矩和四相转矩控制信号输出总的估计转矩，而且输出的总估计转矩具有精确性和及时性，对比一相电流和电压估计的总估计转矩四相电流和电压估计的总转矩只落后实际转矩四分之一个周期。

为了有效评估基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法的精确性和有效性，获取了电机输出的实际转矩、由转矩估计器和转矩选择器以及电流检测器输出的总估计转矩、驾驶员需求的参考转矩进行对比分析，如图5所示。制动转矩闭环控制策略可以根据参考转矩的需求很好地估计实际转矩，以电机输出驾驶员需求的参考转矩，同时估计转矩也能准确高效的追踪实际转矩。在0.0025s电机实际转矩迅速下降，而估计转矩大约在0.005s也迅速下降，在0.01s以后估计转矩能够根据实际转矩的变化进行及时有效地估计，说明估计转矩可以高效的追踪到实际转矩，理论上估计转矩只落后实际转矩四分之一个电子周期。

转矩调节器是将转矩选择器输出的总估计转矩和开关磁阻电机驱动系统需要的参考转矩进行计算，最后输出电机驱动系统的参考电流，形成开关磁阻电机驱动系统转矩闭环控制，如图6所示。其中转矩调节器包含两个环节，转矩前馈环节和补偿环节。前馈环节根据参考转矩输出前馈电流i_ref，如下公式：

其中，T_e是电磁转矩，k_L是电感斜率。

补偿环节的补偿电流i_c是由参考转矩和总估计转矩的误差输入到PI调节器计算得到，最终参考电流由前馈电流和补偿电流相加得到。转矩前馈环节会增加开关磁阻电机驱动系统的制动转矩动态响应速度，转矩饱和环节提高了系统的稳态转矩精度。

以上转矩控制经过转矩调节器后输出的参考电流与四相电流构成电流闭环控制，和基于四相电流和电压的开关磁阻电机制动转矩控制系统及方法形成制动转矩闭环控制系统构成双闭环制动转矩控制系统。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。