阅读说明：本技术 一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法 (Multiphase switched reluctance motor system and control method thereof ) 是由 甘醇 俞志跃 曲荣海 孔武斌 孙剑波 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法,包括直流母线电流传感器、位置传感器、多相功率变换器、多相开关磁阻电机、控制器；直流母线电流传感器的个数为一个,一端与直流母线电容的负极和直流电源的负极相连,另一端分别与多相功率变换器中各相半桥变换电路中下开关管的发射极相连。本发明通过将多相功率变换器的负直流母线进行分离,在分离的负直流母线上安装直流母线电流传感器,并通过直流母线电流传感器在特定的各相采样时间点上采集母线电流,仅利用一个直流母线电流传感器即可得到多相开关磁阻电机各相绕组电流,大大降低了系统的体积和成本,提升了系统的功率密度和鲁棒性,稳定性高。(The invention discloses a multiphase switch reluctance motor system and a control method thereof, wherein the system comprises a direct current bus current sensor, a position sensor, a multiphase power converter, a multiphase switch reluctance motor and a controller; one end of each direct current bus current sensor is connected with the negative electrode of the direct current bus capacitor and the negative electrode of the direct current power supply, and the other end of each direct current bus current sensor is connected with the emitting electrode of the lower switch tube in each phase of half-bridge conversion circuit in the multiphase power converter. According to the invention, the negative direct current buses of the multiphase power converter are separated, the direct current bus current sensors are arranged on the separated negative direct current buses, the bus current is collected at specific sampling time points of each phase through the direct current bus current sensors, and the winding current of each phase of the multiphase switched reluctance motor can be obtained by only using one direct current bus current sensor, so that the volume and the cost of the system are greatly reduced, the power density and the robustness of the system are improved, and the stability is high.)

一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制技术领域，更具体地，涉及一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有功率密度高、结构简单、成本低、起动转矩大、调速性能良好等优点，在电动汽车领域具有广阔的应用前景。然而，相比于电动汽车行业中常用的永磁同步电机，由于开关磁阻电机具有简单的双凸极结构，使得开关磁阻电机具有较大的转矩脉动，这也限制了开关磁阻电机的应用场景。

在电机结构上，为了降低开关磁阻电机由于双凸极结构导致的转矩脉动，通常采用多相开关磁阻电机的结构。电机相数的增多，不仅降低了开关磁阻电机的转矩脉动，同时也提高了电机的转矩输出能力和效率。

在驱动控制策略方面，为了减小在电机低速运行时由于电流过冲导致的转矩脉动，开关磁阻电机通常采用电流斩波控制方式来进行控制，通过将开关磁阻电机各相绕组电流的实际值和给定值进行比较，从而得到控制功率变换器的驱动信号。因此，对于开关磁阻电机系统，在每一个控制周期内，电机各相绕组电流必须被实时采样。在传统开关磁阻电机驱动拓扑中，电流传感器直接安放在电机各相绕组上，用以分别检测电机各相绕组电流，因此电流传感器的数量与多相开关磁阻电极的相数N相同。但是大量的电流传感器不但提高了多相开关磁阻电机系统的成本和体积，同时也降低了多相开关磁阻电机系统的稳定性。

综上所述，提出一种成本较低的多相开关磁阻电机系统及其控制方法是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法，旨在解决现有技术由于的电流传感器数量多而导致的多相开关磁阻电机系统成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多相开关磁阻电机系统，包括直流母线电流传感器、位置传感器、多相功率变换器、多相开关磁阻电机、控制器；

其中，多相开关磁阻电机的各相绕组分别连接至多相功率变换器中各相半桥功率变换器的上开关管发射极和下开关管集电极之间；多相功率变换器中各相半桥变换电路的下开关管分别连接在负直流母线上，直流母线电流传感器放置在多相功率变换器的负直流母线上与多相功率变换器相连，直流母线电流传感器和位置传感器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端连接在多相功率变换器上；

直流母线电流传感器用于采集多相功率变换器中导通区域的各相电流之和，即母线电流；

位置传感器用于采集开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值；

多相功率变换器用于为多相开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁电流；

控制器用于通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值，并基于该绕组电流反馈值、转速给定值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用电流斩波进行控制，为多相功率变换器中的开关管提供驱动信号。

进一步地，上述多相功率变换器包括直流母线电容、多相半桥变换电路；其中，每一相半桥变换电路均包括上开关管、下开关管；各相下二极管和下开关管分别连接在两条电路上；上述直流母线电流传感器的个数为一个，一端与直流母线电容的负极和直流电源的负极相连，另一端分别与各相半桥变换电路中下开关管的发射极相连。

进一步优选地，上述直流母线电流传感器为霍尔型电流传感器。

本发明另一方面提供了一种多相开关磁阻电机控制方法，包括以下步骤：

S1、基于转速给定值和位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值，利用比例积分调节器，计算绕组电流给定值；

S2、通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值；

S3、基于绕组电流给定值、绕组电流反馈值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的位置反馈值，采用电流斩波进行控制，得到多相功率变换器中各个开关管的驱动信号。

进一步优选地，通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值的方法，包括以下步骤：

S21、根据在一个相电流采样周期内基准辅助脉冲的下降沿，得到各相采样时间点；

S22、根据各相采样时间点，对多倍频辅助脉冲信号进行时延，得到各相多倍频辅助脉冲信号，使得各辅助脉冲信号在每一个采样点上只有一个为高电平；

S23、在多相功率变换器的各相的导通区间内，将各相多倍频辅助脉冲信号分别输入到相应的半桥变换电路的下开关管中；

S24、在各相采样时间点分别记录直流母线电流传感器上采集到的电流值，即为多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值。

进一步优选地，上述多倍频辅助脉冲信号的占空比D满足：

其中，T_min为直流母线电流传感器完成一次精确采样和A/D转换所需要的最小时间，T_PWM为辅助脉冲信号的周期。

进一步优选地，上述多倍频辅助脉冲信号的脉冲频率与控制器所期望的绕组电流采样频率之比等于多相开关磁阻电机的相数，此时上述多相开关磁阻电机控制方法适用于任意相数的开关磁阻电机。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种多相开关磁阻电机系统，通过将多相功率变换器的负直流母线进行分离，并在分离的负直流母线上安装直流母线电流传感器，通过对多相功率变换器中的下开关管中分别注入辅助脉冲信号，即可得到多相开关磁阻电机各相绕组电流，相比于传统的多相开关磁阻电机绕组电流检测技术，本发明利用一个直流母线电流传感器即可实现各相绕组电流的检测，减少了多相开关磁阻电机系统中电流传感器的数量，解决了现有技术由于的电流传感器数量多而导致的多相开关磁阻电机系统成本较高的问题。

2、本发明提供了一种多相开关磁阻电机控制方法，仅采用一个直流母线电流传感器来测量各相开关磁阻电机各相绕组电流，通过使直流母线电流传感器在特定的各相采样时间点上采集母线电流，即可得到多相开关磁阻电机各相绕组电流，进而降低了系统的体积和成本，提升了系统的功率密度和鲁棒性，稳定性高。

附图说明

图1是本发明所提供的一种多相开关磁阻电机系统示意图；

图2是本发明实施例所提供的五相功率变换器的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的五相开关磁阻电机在电流斩波控制方式下的工作电流示意图；

图4是本发明实施例所提供的A相半桥变换电路在电流斩波控制下的三种工作模式示意图；其中，图(a)为A相半桥变换电路在电流斩波控制下的励磁模式示意图；图(b)为A相半桥变换电路在电流斩波控制下的续流模式示意图；图(c)为A相半桥变换电路在电流斩波控制下的退磁模式示意图；

图5是本发明实施例所提供的辅助脉冲信号的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多相开关磁阻电机系统，如图1所示包括直流母线电流传感器、位置传感器、多相功率变换器、多相开关磁阻电机、控制器；

其中，多相开关磁阻电机的各相绕组分别连接至多相功率变换器中各相半桥功率变换器的上开关管发射极和下开关管集电极之间；多相功率变换器中各相半桥变换电路的下开关管分别连接在负直流母线上，直流母线电流传感器放置在多相功率变换器的负直流母线上与多相功率变换器相连，直流母线电流传感器和位置传感器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端连接在多相功率变换器上；

直流母线电流传感器用于采集多相功率变换器中导通区域的各相电流之和，即母线电流；优选地，直流母线电流传感器可以为霍尔型电流传感器，霍尔型电流传感器具有采样时间小、精度高等优点，其采样时间远小于辅助脉冲周期，因此辅助脉冲占空比可以近似等效为1，即辅助脉冲的注入不会对电机的正常运行造成较大影响。

位置传感器用于采集开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值；

多相功率变换器用于为多相开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁电流；

控制器用于通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值，并基于该绕组电流反馈值、转速给定值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用电流斩波进行控制，为多相功率变换器中的开关管提供驱动信号。

具体的，上述多相功率变换器包括直流母线电容、多相半桥变换电路；其中，每一相半桥变换电路均包括上开关管、下开关管；各相下二极管和下开关管分别连接在两条电路上；上述直流母线电流传感器的个数为一个，一端与直流母线电容的负极和直流电源的负极相连，另一端分别与各半桥变换电路中下开关管的发射极相连。

本发明另一方面提供了一种多相开关磁阻电机控制方法，包括以下步骤：

S1、基于转速给定值和位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值，利用比例积分调节器，计算绕组电流给定值；

S2、通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值；

S3、基于绕组电流给定值、绕组电流反馈值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的位置反馈值，采用电流斩波进行控制，得到多相功率变换器中各个开关管的驱动信号。

具体的，上述通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到多相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值的方法，包括以下步骤：

S21、根据在一个相电流采样周期内基准辅助脉冲的下降沿，得到各相采样时间点；

具体的，基准辅助脉冲由控制器实际输入到开关管的驱动信号来确定。基准辅助脉冲的下降沿触发直流母线电流传感器的采样以及相应的A/D转换，故在一个相电流采样周期内基准辅助脉冲的下降沿作为各相采样时间点。

S22、根据各相采样时间点，对多倍频辅助脉冲信号进行时延，得到各相多倍频辅助脉冲信号，使得各辅助脉冲信号在每一个采样点上只有一个为高电平；

具体的，为了不影响电机运行，辅助脉冲的占空比需要尽可能大，但是由于电流传感器的采样和A/D转换需要一定的时间，为了保证直流母线电流传感器在每个采样点均能完成准确的采样，辅助脉冲的最大占空比D需满足：

其中，T_min为直流母线电流传感器完成一次精确采样和A/D转换所需要的最小时间，T_PWM为辅助脉冲信号的周期。

具体的，上述辅助脉冲信号的脉冲频率与控制器所期望的绕组电流采样频率之比等于多相开关磁阻电机的相数，此时上述多相开关磁阻电机控制方法适用于任意相数的开关磁阻电机。

具体的，每一相采样时间点，只有当前相的辅助脉冲为高电平，其余各相辅助脉冲均为低电平，即在每个采样点，只有一相的下开关管开通，其余各相的下开关管均关断，从而可以采用一个直流母线电流传感器分别测得各相开关磁阻电机的绕组电流。

S23、在多相功率变换器的各相的导通区间内，将各相多倍频辅助脉冲信号分别输入到相应的半桥变换电路的下开关管中；

S24、在各相采样时间点分别记录直流母线电流传感器上采集到的电流值，即为多相开关磁阻电机各相绕组电流。

为了更进一步说明本发明所提供的一种多相开关磁阻电机系统，结合实施例和附图进行详述：

实施例1、

以五相开关磁阻电机系统为例，包括直流母线电流传感器、位置传感器、五相功率变换器、五相开关磁阻电机、控制器；

其中，五相功率变换器的结构示意图如图2所示，包括直流电源U_dc、直流母线电容C、五个不对称的半桥变换电路；每个半桥变换电路均包括上开关管、下开关管、上二极管，下二极管。每个半桥变换电路分别对应多相开关磁阻电机的一相，五相开关磁阻电机的各相绕组分别连接至多相功率变换器中各相半桥功率变换器的上开关管发射极和下开关管集电极之间。其中，以A相为例，A相半桥变换电路包括上开关管S1、下开关管为S2、上二级管D1、下二极管D2，其中，上开关管S1与下二极管D2相连，上二级管D1与下开关管S2相连，五相开关磁阻电机的A相绕组在连接至上开关管S1的发射极与下开关管S2的集电极之间。各相下二极管和下开关管分别连接在两条电路上。其中，五相功率变换器中各相半桥变换电路的下开关管分别连接在负直流母线上，直流母线电流传感器放置在多相功率变换器的负直流母线上，直流母线电流传感器的一端与直流母线电容C相连，连接到直流电源到负极；直流母线电流传感器的另一端分别与A～E相半桥变换电路中下开关管S2、S4、S6、S8、S10的发射级相连，并共同连接到直流电源U_dc的负极。

具体的，直流母线电流传感器用于采集多相功率变换器中导通区域的各相电流之和，即母线电流；优选地，直流母线电流传感器可以为霍尔型电流传感器，霍尔型电流传感器具有采样时间小、精度高等优点，其采样时间远小于辅助脉冲周期，因此辅助脉冲占空比可以近似等效为1，即辅助脉冲的注入不会对电机的正常运行造成较大影响。

位置传感器用于采集开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值；

五相功率变换器用于为五相开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁电流；

控制器用于通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到五相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值，并基于该绕组电流反馈值、转速给定值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用电流斩波进行控制，为多相功率变换器中的开关管提供驱动信号。

具体的，为了降低由于电流过冲导致的转矩脉动，在本实施例中，控制器采用电流斩波控制方式。五相开关磁阻电机在电流斩波控制方式下的工作电流示意图如图3所示。其中，横轴表示时间值，纵轴表示直流母线电流传感器采集的电流值，电流I_a～I_e分别为A～E相半桥变换电路中绕组上的电流，为从图中可以看出，仅关注导通状态下的五相开关磁阻电机，在区域I内，直流母线电流传感器采集的电流值为A相绕组电流、D相绕组电流、E相绕组电流的叠加。在区域II内，直流母线电流传感器采集的电流值为A相绕组电流与E相绕组电流的叠加。在区域III内，直流母线电流传感器采集的电流值为A相绕组电流、B相绕组电流、E相绕组电流的叠加。在区域IV内，直流母线电流传感器采集的电流值为A相绕组电流、B相绕组电流的叠加。在区域V内，直流母线电流传感器采集的电流值为B相绕组电流、C相绕组电流、D绕组电流的叠加。区域II和区域IV为两相电流在导通区间的重叠，区域I、区域III和区域V为三相电流在导通区间的重叠。可以看出，在五相开关磁阻电机的运行过程中，两相电流重叠和三相电流重叠的情况都可能发生。此时安装在负直流母线上的直流母线电流传感器检测的是各相绕组在导通区间的电流之和。

具体的，上述五相开关磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：

S1、基于转速给定值和位置传感器采集的开关磁阻电机的转速反馈值，利用比例积分调节器，计算绕组电流给定值；

S2、通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到五相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值；

S3、基于绕组电流给定值、绕组电流反馈值以及位置传感器采集的开关磁阻电机的位置反馈值，采用电流斩波进行控制，得到五相功率变换器中各个开关管的驱动信号。

采用电流斩波控制方式控制开关磁阻电机的过程中，需要将开关磁阻电机各相绕组电流的实际值和给定值进行比较，从而得到控制功率变换器的驱动信号。故在每一个控制周期内，必须实时采集开关磁阻电机的各相绕组电流。为了，得到各相绕组电流，需要使得直流母线电流传感器在每个采样时刻采集到的母线电流中仅包括一相绕组电流。

具体的，以A相半桥变换电路为例，电流斩波控制的三种工作模式分别由图4所示，其中图4中的(a)图为励磁模式，在这种工作模式下，A相对应的不对称半桥变换器中的两个开关管均导通，绕组L_A两端的电压等于正电压U_dc，A相绕组电流流过直流母线电流传感器。图4中的(b)图为续流模式，在这种工作模式下，A相半桥变换电路中的上开关管S1关断，下开关管S2导通，绕组L_A两端的电压等于零，A相绕组电流流过直流母线电流传感器。图4中的(c)图为退磁模式，在这种工作模式下，A相半桥变换电路中的上下两个开关管均关断，绕组L_A两端的电压等于负电压-U_dc，A相电流不流过直流母线电流传感器。因此，流过直流母线电流传感器的电流i_dc可以表示如下：

i_dc＝i_aS_a-+i_bS_b-+i_cS_c-+i_dS_d-+i_eS_e-

其中，i_a、i_b、i_c、i_d、i_e分别表示A～E相绕组电流，S_a-、S_b-、S_c-、S_d-、S_e-分别表示A～E相半桥变换电路中下开关管的驱动信号。当驱动信号为1时，对应的开关管导通；当驱动信号为0时，对应的开关管关断。因此，如果两相电流发生重叠，以图3中的区域II为例，在这一区域中，流过直流母线电流传感器的电流为A相电流和E相电流之和。当A相下管关断时，直流母线电流传感器的电流即为E相绕组电流；当E相下管关断时，直流母线电流传感器的电流即为A相绕组电流。利用同样的分析思路，当三相电流发生重叠时，以图3中的区域I为例，在这一区域中，流过直流母线电流传感器的电流为A相、D相和E相电流之和。当A相和D相下管同时关断时，直流母线电流传感器的电流即为E相绕组电流；当A相和E相下管同时关断时，直流母线电流传感器的电流即为D相绕组电流；当D相和E相下管同时关断时，直流母线电流传感器的电流即为A相绕组电流。

基于上述分析，步骤S2中通过控制读取直流母线电流传感器采集到的母线电流的时间，得到五相开关磁阻电机各相绕组电流反馈值的方法，包括以下步骤：

S21、根据在一个相电流采样周期内基准辅助脉冲的下降沿，得到各相采样时间点；

具体的，基准辅助脉冲由控制器实际输入到开关管的驱动信号来确定。

S22、根据各相采样时间点，对多倍频辅助脉冲信号进行时延，得到各相多倍频辅助脉冲信号，使得各辅助脉冲信号在每一个采样点上只有一个为高电平；

具体的，上述多倍频辅助脉冲信号的占空比D可以表示为：

其中，t_on和t_off分别为一个辅助脉冲周期内高电平和低电平的持续时间。注入的辅助脉冲的频率和占空比应该足够大，以保证电流采样的准确性。

为了不影响电机运行，辅助脉冲的占空比需要尽可能大，但是由于电流传感器的采样和A/D转换需要一定的时间，为了保证直流母线电流传感器在每个采样点均能完成准确的采样，辅助脉冲的占空比D需满足：

其中，T_min为直流母线电流传感器完成一次精确采样和A/D转换所需要的最小时间，T_PWM为辅助脉冲信号的周期。

其中，辅助脉冲信号的脉冲频率与控制器所期望的绕组电流采样频率之比等于多相开关磁阻电机的相数5。

S23、在多相功率变换器的各相的导通区间内，将各相多倍频辅助脉冲信号分别输入到相应的半桥变换电路的下开关管中；

S24、在各相采样时间点分别记录直流母线电流传感器上采集到的电流值，即为多相开关磁阻电机各相绕组电流。

具体的，辅助脉冲信号的示意图如图5所示，其中，基准辅助脉冲的下降沿触发直流母线电流传感器的采样以及相应的A/D转换，因此T1、T2、T3、T4和T5分别为一个相电流采样周期中的五个电流采样点。将A、B、C、D、E相辅助脉冲分别为注入到A、B、C、D、E相半桥变换电路的下开关管的辅助脉冲信号，辅助脉冲信号的频率为相电流采样频率的五倍。在每个采样点，在上述每一相采样时间点，只有当前相的辅助脉冲为高电平，其余各相辅助脉冲均为低电平，即在每个采样点，只有一相的下开关管开通，其余各相的下开关管均关断，此刻直流母线电流传感器采集到的电流值，即为此刻下开关管开通的那一相绕组电流。在各个采样点下，直流母线电流传感器的采样值和各相电流的对应关系如表1所示。分别在T1、T2、T3、T4和T5这五个电流采样点进行采样，并根据表1中的对应关系，即可得到五相绕组电流。

表1

本发明提供了一种多相开关磁阻电机系统及其控制方法，通过将多相功率变换器的负直流母线进行分离，并在分离的负直流母线上安装直流母线电流传感器，并通过直流母线电流传感器在特定的各相采样时间点上采集母线电流，即可得到多相开关磁阻电机各相绕组电流，相比于传统的多相开关磁阻电机绕组电流检测技术，本发明仅利用一个直流母线电流传感器即可实现各相绕组电流的检测，减少了多相开关磁阻电机系统中电流传感器的数量，解决了现有技术由于的电流传感器数量多而导致的多相开关磁阻电机系统成本较高的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。