阅读说明：本技术 一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方法 (Method for inhibiting torque ripple of switched reluctance motor ) 是由 汪凯鑫 孙瑜 杨涛 李�昊 陈阳阳 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方法,包括：将开关磁阻电机相位换相分为两个区间,获取开关磁阻电机换相时的开通、关断角、实际转矩；建立转矩分配函数,根据开关磁阻电机换相时的开通、关断角获取转矩分配值；获取第k相的转矩参考值；将转矩参考值与实际转矩值进行比较,获得转矩函数补偿值,计算得到新的转矩值；将得到新的转矩值代入PI补偿器,经过遗传算法迭代,不断评估磁通链变化率的值,最后PI补偿器输出稳定后,将转矩值输出。(The invention provides a method for inhibiting torque ripple of a switched reluctance motor, which comprises the following steps: dividing the phase commutation of the switched reluctance motor into two intervals to obtain the turn-on angle, the turn-off angle and the actual torque of the switched reluctance motor during the phase commutation; establishing a torque distribution function, and acquiring a torque distribution value according to the turn-on and turn-off angles of the switched reluctance motor during phase conversion; acquiring a torque reference value of a k phase; comparing the torque reference value with the actual torque value to obtain a torque function compensation value, and calculating to obtain a new torque value; and substituting the obtained new torque value into a PI compensator, continuously evaluating the value of the flux linkage change rate through genetic algorithm iteration, and finally outputting the torque value after the output of the PI compensator is stable.)

一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术，特别是一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑 制的方法。

背景技术

开关磁阻电机SRM(switched reluctance motor)因其结构简单，运行稳定， 系统可靠性高，启动转矩大，鲁棒性好等优点，成为一种极具发展潜力的新型调 速电机并受到越来越多学者的关注。但是，开关磁阻电机具有特殊的双凸极结构 以及采取开关式的供电方式，磁路呈强非线性和饱和性，决定了电机运转时转矩 脉动严重，在换相和低速时尤为明显，因此如何降低转矩脉动成为当前开关磁阻 电机研究的热点。

目前，用于开关磁阻电机转矩脉动抑制的方案主要有两种：其一为本体结构 优化设计，其二为采取先进的控制策略。在开关磁阻电机本体结构优化方面，主 要考虑通过调整开关磁阻电机定转子极数，使得转子极数高于定子极数来提高电 机运行性能；还可以通过改变电机定转子结构参数来影响气隙，使得电机电感得 到优化而减小转矩脉动；此外，通过减小不对齐位置时各相绕组的最小电感和互 感，降低各相绕组的开关频率等都可以抑制转矩脉动。在控制策略方面，主要包 括传统控制策略、变结构控制、智能控制、转矩分配控制、直接转矩控制等策略。

目前国内外较为成熟的开关磁阻电机调速(SRD)系统，还是多采用经典 PID控制算法，但对转矩脉动抑制效果不佳。此外，速度的脉动虽然由来自于转 矩脉动的因素而产生，但是速度脉动的抑制其实也是反向促进转矩脉动抑制的方 式之一。因此，开关磁阻电机转矩脉动抑制这种多目标的问题若寻求多目标及相 应的控制算法更为合理，应该对转矩脉动的抑制更为有效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方 法，包括：

步骤1，将开关磁阻电机相位换相分为两个区间，获取开关磁阻电机换相时 的开通、关断角、实际转矩；

步骤2，建立转矩分配函数，根据开关磁阻电机换相时的开通、关断角获取 转矩分配值f_k(θ)；

步骤3，获取第k相的转矩参考值；

步骤4，将转矩参考值与实际转矩值进行比较，获得转矩函数补偿值Δf_I、 Δf_II，计算得到新的转矩值；

步骤5，将得到新的转矩值代入PI补偿器，经过遗传算法迭代，不断评估 磁通链变化率M_λ的值，最后PI补偿器输出稳定后，将转矩值输出。

进一步地，步骤1中所述的开关磁阻电机相位换相分为两个区间的分离点设 置为后一相绕组实际转矩与参考转矩相等的时刻。

进一步地，步骤2中所述的转矩分配函数为

其中，θ_on、θ_ov和θ_off分别为开通角、换向重叠角和关断角，θ为变相 产生的磁链角。

进一步地，步骤3中所述的第k相的转矩参考值T_{e_ref(k)}为

其中，T_{e_ref}为总转矩参考值，f_rise(θ)为输入项转矩分配函数上升 值，f_fall(θ)为输出项转矩分配函数下降值，θ_on θ_off θ_ov θ_p分别为电机 换相时的开通角、关断角、重叠角、极点角。

进一步地，步骤3中根据转矩参考值对实际转矩值进行调整包括对区间I内 和区间II内的实际转矩转矩值进行补偿，具体包括：

(1)区间I内，对前一相绕组产生的转矩进行正补偿，补偿值为Δf_I；对于 后一相绕组产生转矩通过更新前一相的转矩分配函数值

实现转矩补偿

其中，ΔT_I为实际转矩与参考转矩的差，

为新的转矩分配值，

为前一相计算得到的新转矩，

为后一相的新转矩；

(2)区间II内，对后一相绕组产生的转矩进行负补偿，补偿值为Δf_II；对 于前一相绕组产生转矩通过更新前一相的转矩分配函数值

实现转矩补 偿

其中，ΔT_II为实际转矩与参考转矩的差。

进一步地，步骤5中所述的PI补偿器包括前一相补偿器G_(k-1)(s)和后一相补 偿器G_(k)(s)

G_(k-1)(s)＝G_(k)(s)＝K_p+(K_i/s)

其中

K_p＝cosθ/A₁

K_i＝-(w₁ sinθ)/A₁

w₁为开关磁阻电机角速度，A₁为转矩分配函数控制模块中传递函数的增益 幅度，θ为转子位置。

进一步地，评估标准定义M_λ如下：

λ_rise为输入相磁链，λ_fall为输出相磁链。

本发明提供的用于对开关磁阻电机的转矩脉动进行抑制的开关磁阻电机转 矩脉动抑制方法，通过在开关磁阻电机系统转矩分配函数控制方案中，将直接瞬 时转矩控制方法(DITC)引入转矩分配函数控制；在经典PID控制的开关磁阻 电机调速系统(SRD)中引入遗传算法(GA)，以速度脉动最小化和转矩脉动最 小化为双目标优化经典PID控制的SRD系统。相比于传统的转矩分配函数(TSF) 控制算法，引入直接瞬时转矩控制(DITC)与遗传算法(GA)后，开关磁阻电 机的转矩脉动情况得到有效抑制。从而抑制转矩脉动，效果显著。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是实施例中的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的系统原理图。

图2是余弦函数型转矩分配函数曲线图。

图3是区间I内TSF在线修正算法示意图。

图4是区间II内TSF在线修正算法示意图。

具体实施方式

一种用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制的方法，采用如下系统：转矩分配函 数模块，以速度脉动最小化及转矩脉动最小化为总目标，通过转矩分配函数对瞬 时转矩进行修正，对转矩进行补偿，采用遗传算法对速度控制器与电流控制器的 比例和积分增益k_p和k_i，以及电机绕组开关角θ_on和θ_off这些参 数进行优化并输出控制信息；电流控制器，根据输出的参考电流值与实际反馈电 流值的差，经过比例积分调节，输出相应的控制信息；功率变换器，采用不对称 半桥回路，接收转矩分配函数模块的控制信息，改变其中的开关管开关情况，以 及电机相绕组的供电电压大小；转子位置检测模块，检测转子位置并计算出实际速度值；电流检测模块，检测相应相电流的大小；换相开关角控制器，根据转子 位置以及转矩分配函数模块的结果计算出开通、关断角的信息给功率变换器。

对于转矩分配函数控制模块，每相的转矩参考值由转矩分配函数定义。开关 磁阻电机的一般电磁相位转矩方程如下：

根据该等式导出相电流参考值。式中λ是开关磁阻电机的相位磁链，i是相电 流，θ是转子位置，T_e为转矩。

然后通过带硬斩波的滞后电流控制方法控制相电流以符合其参考值，再由仿 真开关磁阻电机模型得到的转矩特性表，查找匹配获得转矩，从而让每个电机相 位产生由转矩分配函数定义的转矩。

本系统控制方案中，转矩分配函数采用余弦式，如图2所示。

转矩分配函数表达式如图：

式中：θ_on、θ_ov和θ_off分别为开通角、换向重叠角和关断角。

开关磁阻电机中的余弦式转矩分配函数如图2所示。在相位换向期间，输入 相的转矩值上升到转矩参考值，并且输出相的转矩参考值减小到零。每相的转矩 参考值可以通过移动转矩分配函数的步进角来创建(三相12/8电机步进角为 15°)。

因此，第k相的转矩参考值定义为：

T_{e_ref(k)}为第k相的转矩参考值，T_{e_ref}为总转矩参考值，f_rise(θ) 为输入项转矩分配函数上升值，f_fall(θ)为输出项转矩分配函数下降值， θ_on θ_off θ_ov θ_p分别为开通角，关断角，重叠角，极点角。

输入相和输出相的转矩参考值之和是总转矩参考值，因此转矩分配函数上升 值和下降值之间的关系是：f_fall(θ)＝1-f_rise(θ+θ_on-θ_off)

因此，转矩分配函数协调输入和输出相位转矩，使得合成转矩在开关磁阻电 机相位之间的换向期间保持恒定。

在换相的开始阶段，对前一相绕组的转矩分配函数进行在线正补偿，对后一 相绕组的转矩分配函数不做处理；在换相的结束阶段，对后一相绕组的转矩分配 函数实现在线负补偿，对前一相绕组转矩分配函数不做处理，从而实现电机在换 相阶段转矩脉动的抑制。基于转矩分配函数的开关磁阻电机驱动器的控制框图如 图1所示，分为两个区间I，II。

对于区间Ⅰ内，首先要计算得到后一相绕组造成的转矩误差，其表达式为：

ΔT_I＝T_ref(K)-T(k)

转矩误差经过补偿器，转化为对前一相转矩分配函数的修正补偿值Δf_I， 此时前一相补偿之后的转矩分配函数以及新的前一相参考转矩可以计算得到，而 后一相转矩分配函数以及相参考转矩在该区间维持不变。因此，对于后一相绕组 产生转矩的不足通过更新前一相的转矩分配函数最终实现转矩补偿。

对于区间Ⅱ，由于前一相绕组转矩无法及时下降到参考转矩引起电机转矩偏 高，而此时的后一相绕组已经具备很好的转矩跟踪性能，因此，可以通过降低后 一相的转矩分配函数来实现对前一相绕组转矩偏高的修正。

在区间Ⅱ，前一相绕组造成的转矩误差表达式为:

ΔT_II＝T_ref(k-1)-T(k-1)

该转矩误差经过补偿器，转化为后一相转矩分配函数的修正值Δf_II，此时后 一相补偿之后的转矩分配函数以及新的后一相参考转矩可以计算得到。因此，对 于前一相绕组产生转矩的偏高通过更新后一相的转矩分配函数最终实现转矩修 正。

经过在两个区间内的转矩分配函数在线修正，使总参考转矩更合理的分配， 从而达到转矩脉动最小化控制的目的。同时，为了使得各相转矩能快的上升和下 降到其参考值，开关管将均采用硬斩波导通方式，即上下开关管受到相同的斩波 信号控制。

对于在线转矩分配函数，虽然相较于传统减小了转矩脉动，但实际转矩输出 由电机相位转矩跟踪性能决定。在电机高速运行下，由于高反电动势、有限的 DC链路电压和转矩波动增加，相电流不能精确地跟踪电流参考值。

本系统引入相对于转子位置的磁通链接变化率(ARCFL)这一参数，在直 流链路电压范围内，使转矩分配函数的最大转矩脉动自由速度(TRFS)最小。 对于转矩分配函数，其定义如下：

λ_rise为输入相磁链，λ_fall为输出相磁链。

基于转子位置的磁链参考值的有效(最大)变化率由下式给出：

这里N_S是转子位置角取样的数量，k是当前采样的转子位置角。铜损取 决于相电流的平方：

这里i为TSF的相电流参考值。所以分配算法的适应度函数为：

和

是关于参考转矩T_ref的函数，θ_on和θ_ov是在 转矩分配函数的固定转子位置的采样步长(选择0.2°以消除电机速度对采样位置 的影响)。w_f是权重因子。通过遗传算法的的优化过程找到θ_on和θ_ov的值。

转矩分配函数在换向期间，存在两种模式：模式I和模式II。

输入相的磁通链接变化率高于模式I中的输出相(在相位换向开始时)，并 且输出相的磁通链接变化率变得远高于模式II中的输入相(在相位换向结束时)。

引入在线转矩分配函数方法，使得最小化磁通链接变化率，最大化转矩分配 函数的最大转矩脉动自由速度区域。在线转矩分配函数使用比例和积分(PI)补 偿器作用于参考转矩和估计转矩之间的误差。PI补偿器输出到相位换向期间具 有较低磁通链接变化率的相位，即模式I中的输出相位和模式II中的输入相位。

因此，对于在线转矩分配函数，转矩误差由在模式I和II中具有较低磁通链 接变化率(更好的转矩跟踪能力)的相位确定，大大增加了转矩跟踪能力，并且 特别是在传统的相位换向期间减小了它们的转矩波动，提高了转矩速度性能。如 图3、4所示，为相位换向期间两种模式的在线转矩分配函数系统。

这里G_(k-1)(s)，G_(k)(s)分别是输入和输出阶段的比例积分PI补偿器，I(θ，T)表示给定参考转矩和转子位置的电流，H_(k-1)(s)，H_(k)(s)代表电 流控制子系统的近似模型，T(θ，i)表示实际相位的估计转矩输出值。

G_(k-1)(s)，G_(k)(s)和H(s)由下式定义：

G_(k-1)(s)＝G_(k)(s)＝G(s)＝K_p+(K_i/s)

H_(k-1)(s)＝H_(k)(s)＝H(s)＝1/(ts+1)

K_p和K_i的值由频域设计确定。在低开关频率下，调整K_p和 K_i的值增加开环转矩控制系统的增益。增益交叉频率不大于最小开关频率的 十分之一。开关磁阻电机的开关频率在10KHZ到50KHZ之间，具体取决于转子 位置和滞后带。增益交叉频率ω₁选择大约1KHZ(1.5KHZ)。为确保稳定性， PI补偿系统的相位裕度应大于60°。K_p和K_i由下式计算：

K_p＝cosθ/A₁，K_i＝-(ω₁sinθ)/A₁。

A₁是转矩分配函数控制模块中传递函数的增益幅度。因此，θ为给 定值，可计算出ω₁，其值用于计算PI补偿器的增益。

对于在线转矩分配函数转矩控制方案，使用改进的滞后电流控制方案与优化的TSF的角度，当转子位置大于θ_on小于θ_off时，采用软斩波；当转子位置大于θ_off时，采用硬斩波。这与原始磁滞电流控制方案，用于所有转子位置的硬斩波形成 对比。软斩波可以减少电流纹波，转换器开关损耗和绕组电压应力。然而，对于 大于θ_off的转子位置采用硬斩波，保持电流可控。

实施例一

如图1所示，一种用干对开关磁阻电机的转矩脉动进行抑制的开关磁阻电机 转矩脉动抑制系统包括：转矩分配函数控制模块，速度控制器，电流控制器，功 率变换器，转子位置检测模块，电流检测模块。

转矩分配函数控制模块，通过转矩分配函数对瞬时转矩进行修正，对转矩进 行补偿，采用遗传算法以速度脉动最小化及转矩脉动最小化为总目标，对速度控 制器与电流控制器各自的比例和积分增益k_p和k_i，以及电机绕组开关角 θ_on和θ_off，这六个参数进行优化，将开通、关断角的信息给功率变换器；

速度控制器，根据给定参考速度值与实际反馈速度值的差，经过比例积分调 节，输出相应的电流命令；

电流控制器，根据PI速度控制器输出的参考电流值与实际反馈电流值的差， 经过比例积分调节，输出相应的控制信息；

功率变换器，接收SRM控制器的控制信息，改变开关管的开关情况，以及 电机相绕组的供电电压大小；

转子位置检测模块，检测转子位置并计算出实际速度值；

电流检测模块，检测相应相电流的大小；

本实施例中，所用的开关磁阻电机为四相12/8极，基本参数为：额定功率 750w，额定转速1500r/min，直流电源供电电压350V，最大电流20A，定子相绕 组内阻1.2Ω，定转子凸极中心线对齐位置电感(最大电感)50mH，不对齐位置 电感(最小电感)为6mH。

对于开关磁阻电机系统，由转子位置检测模块与电流检测模块对电机相关参 数进行检测，反馈到转矩特性表中，读取转矩信息发给转矩分配函数。

在换相的开始阶段，对前一相绕组的转矩分配函数进行在线正补偿，对后一 相绕组的转矩分配函数不做处理；在换相的结束阶段，对后一相绕组的转矩分配 函数实现在线负补偿，对前一相绕组转矩分配函数不做处理，从而实现电机在换 相阶段转矩脉动的抑制。

具体的，对于区间Ⅰ内，计算得到后一相绕组造成的转矩误差，其表达式为：

ΔT_I＝T_ref(K)-T(k)

转矩误差经过补偿器，转化为对前一相TSF的修正补偿值△f_I，此时前 一相补偿之后的TSF以及新的前一相参考转矩可以计算得到，而后一相TSF以 及相参考转矩在该区间维持不变。因此，对于后一相绕组产生转矩的不足通过抬 升前一相的转矩分配函数最终实现转矩补偿。

对于区间Ⅱ，由于前一相绕组转矩无法及时下降到TSF分配的参考转矩引起 电机转矩偏高，而此时的后一相绕组已经具备很好的转矩跟踪性能，因此，可以 通过降低后一相的转矩分配函数来实现对前一相绕组转矩偏高的修正。

在区间Ⅱ，前一相绕组造成的转矩误差表达式为:

ΔT_II＝T_ref(k-1)-T(k-1)

该转矩误差经过补偿器，转化为后一相TSF的修正值△f_II，此时后一相 补偿之后的TSF以及新的后一相参考转矩可以计算得到，而前一相TSF以及相 参考转矩在该区间维持不变。因此，对于前一相绕组产生转矩的偏高通过降低后 一相的转矩分配函数最终实现转矩修正。

经过在两个区间内的TSF在线修正，总参考转矩通过新的TSF实现更合理 的分配，从而达到转矩脉动最小化控制的目的。同时，为了使得各相转矩能快的 上升和下降到其参考值，开关管将均采用硬斩波导通方式，即上下开关管受到相 同的斩波信号控制。