双开关磁阻电机同步控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种双开关磁阻电机同步控制方法，步骤如下：以电机A构建转速控制闭环，即通过设定该电机的转速给定并通过检测其实际转速以获得相应的转速偏差，再由该转速偏差得到开关磁阻电机的参考转矩；通过检测两台开关磁阻电机的实际转矩并将其进行比较以获得转矩偏差，再将该转矩偏差、转矩偏差变化率以及电机A的实际转矩与参考转矩相比较后得到的偏差经模糊控制算法进行处理得到两台电机转矩给定的调整值，再将转矩给定调整值分别与参考转矩相加得到两台电机新的转矩给定，通过对两台电机转矩给定的调节使两台电机实际转矩基本达到一致，从而达到双开关磁阻电机同步控制的目的，具有控制精度高、应用范围广的优点。

权利要求

1.一种双开关磁阻电机同步控制装置，其特征在于：包括转速给定模块、电机A转速检测模块、电机A转速比较模块、PID模块、电机A转矩估算模块、电机B转矩估算模块、实际转矩比较模块、电机A实际转矩与参考转矩比较模块、模糊控制器、电机A转矩给定调节模块、电机B转矩给定调节模块、电机A转矩比较模块、电机B转矩比较模块、磁链给定模块、电机A磁链估算模块、电机B磁链估算模块、电机A磁链比较模块、电机B磁链比较模块、电机A控制器及电机B控制器，所述转速给定模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速检测模块的输入端与电机A相连，电机A转速检测模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速比较模块的输出端与PID模块的输入端相连，所述电机A转矩估算模块的输入端与电机A相连，电机A转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机B转矩估算模块的输入端与电机B相连，电机B转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输入端与电机A转矩估算模块的输出端、PID模块的输出端相连，模糊控制器的输入端与实际转矩比较模块的输出端、电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输出端相连，模糊控制器的输出端分别与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，PID模块的输出端与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，电机A转矩比较模块的输入端与电机A转矩给定调节模块的输出端、电机A转矩估算模块的输出端相连，电机B转矩比较模块的输入端与电机B转矩给定调节模块的输出端、电机B转矩估算模块的输出端相连，所述磁链给定模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端、电机B磁链比较模块的输入端相连，电机A磁链估算模块的输入端与电机A相连，电机A磁链估算模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端相连，电机A控制器的输入端与电机A转矩比较模块的输出端、电机A磁链比较模块的输出端相连，电机A控制器的输出端与电机A相连，电机B磁链估算模块的输入端与电机B相连，电机B磁链估算模块的输出端与电机B磁链比较模块的输入端相连，电机B控制器的输入端与电机B转矩比较模块的输出端、电机B磁链比较模块的输出端相连，电机B控制器的输出端与电机B相连。

2.一种双开关磁阻电机同步控制方法，包括以下步骤：

1)在双开关磁阻电机构成的同步控制系统中，以其中一台电机构建转速控制闭环，并设该电机为电机A，另一台电机为电机B，再针对该两台电机分别构建转矩控制闭环，其中以转速控制为外环，转矩控制为内环；

2)根据电机A的转速给定，同时检测电机A的实际转速并与给定转速进行比较，得到电机A的转速偏差，该转速偏差经PID控制算法处理得到开关磁阻电机的参考转矩T*，将该参考转矩T*作为两台电机的初始转矩给定；

3)估算电机A与电机B的实际转矩TA与TB，并将两者进行比较得到实际转矩的偏差e，并由该偏差e得到偏差变化率ec，再将该实际转矩的偏差e、实际转矩偏差的变化率ec以及电机A的实际转矩与上述参考转矩相比较得到的偏差eA经模糊控制算法处理，分别得到电机A和电机B转矩给定的调整值 和

4)将获得的转矩调整值 和 分别与参考转矩T*相加，得到两台电机新的转矩给定和 并将新的转矩给定 和 分别与两台电机的实际转矩TA与TB进行比较，得到两台电机的转矩偏差ΔTA和ΔTB；

5)根据开关磁阻电机的磁链给定，同时估算两台电机A和B的实际磁链并分别与给定磁链进行比较，得到两台电机的磁链偏差ΔψA和ΔψB；

6)将获得的转矩偏差ΔTA和ΔTB和磁链偏差ΔψA和ΔψB分别作为电机A控制器和电机B控制器的输入，电机A控制器和电机B控制器分别根据相应的转矩偏差和磁链偏差控制开关磁阻电机所对应功率变换器中功率开关的开关状态，实现对电机输出转矩的实时调节；

7)重复步骤3)至步骤6)，分别对两台电机实际转矩进行估算、比较和判断，并通过调节两台电机的转矩给定最终实现两台电机实际转矩的基本平衡，使两台开关磁阻电机的输出转矩基本达到一致，实现同步控制。

说明书

双开关磁阻电机同步控制方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及开关磁阻电机控制领域，特别涉及一种双开关磁阻电机同步控制方法及装置。

背景技术

[0002] 开关磁阻电机因具有起动电流小、起动转矩大、结构简单及成本低等系列优点而在许多领域得到了广泛的应用。然而在一些大功率的应用场合，单台电机的功率往往难以满足要求，这就需要采用两台电机进行同步传动。然而由于存在制造误差等原因，使得电机的机械特性难以达到完全一致，在采用两台电机同步传动时会因其机械特性的差异而造成两台电机输出转矩的不平衡，严重时会因其中某台电机的输出转矩过大而造成电机过载甚至烧毁的危险。目前在有关双开关磁阻电机同步控制方面已开展了一些研究工作，所采用的控制方法主要有主令控制、主从控制、交叉耦合控制及虚拟主轴同步控制等，这些控制方法虽已获得了一定的控制效果，但均存在不同程度的不足：其中主令控制和主从控制因电机单元之间不存在耦合，同步控制精度完全依赖于各电机参数的一致性，在实际应用中微小的电机参数误差都会影响最终的控制效果，因而难以满足实际应用的要求；交叉耦合控制虽实现了电机单元之间的转速交叉耦合，但对电机输出功率不能起到平衡作用，容易造成单台电机过载情况的发生；虚拟主轴同步控制则一般只适用于软连接电机的同步控制，因而应用范围受到限制。因此针对目前在双开关磁阻电机同步控制方面存在的不足，研究更为有效的同步控制方法，以满足大功率同步控制的要求具有重要的现实意义。

发明内容

[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种控制精度高、应用范围广的双开关磁阻电机同步控制方法，并提供一种双开关磁阻电机同步控制装置。

[0004] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种双开关磁阻电机同步控制装置，包括转速给定模块、电机A转速检测模块、电机A转速比较模块、PID模块、电机A转矩估算模块、电机B转矩估算模块、实际转矩比较模块、电机A实际转矩与参考转矩比较模块、模糊控制器、电机A转矩给定调节模块、电机B转矩给定调节模块、电机A转矩比较模块、电机B转矩比较模块、磁链给定模块、电机A磁链估算模块、电机B磁链估算模块、电机A磁链比较模块、电机B磁链比较模块、电机A控制器及电机B控制器，所述转速给定模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速检测模块的输入端与电机A相连，电机A转速检测模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速比较模块的输出端与PID模块的输入端相连，所述电机A转矩估算模块的输入端与电机A相连，电机A转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机B转矩估算模块的输入端与电机B相连，电机B转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输入端与电机A转矩估算模块的输出端、PID模块的输出端相连，模糊控制器的输入端与实际转矩比较模块的输出端、电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输出端相连，模糊控制器的输出端分别与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，PID模块的输出端与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，电机A转矩比较模块的输入端与电机A转矩给定调节模块的输出端、电机A转矩估算模块的输出端相连，电机B转矩比较模块的输入端与电机B转矩给定调节模块的输出端、电机B转矩估算模块的输出端相连，所述磁链给定模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端、电机B磁链比较模块的输入端相连，电机A磁链估算模块的输入端与电机A相连，电机A磁链估算模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端相连，电机A控制器的输入端与电机A转矩比较模块的输出端、电机A磁链比较模块的输出端相连，电机A控制器的输出端与电机A相连，电机B磁链估算模块的输入端与电机B相连，电机B磁链估算模块的输出端与电机B磁链比较模块的输入端相连，电机B控制器的输入端与电机B转矩比较模块的输出端、电机B磁链比较模块的输出端相连，电机B控制器的输出端与电机B相连。

[0005] 一种双开关磁阻电机同步控制方法，包括以下步骤：

[0006] 1)在双开关磁阻电机构成的同步控制系统中，以其中一台电机构建转速控制闭环，并设该电机为电机A，另一台电机为电机B，再针对该两台电机分别构建转矩控制闭环，其中以转速控制为外环，转矩控制为内环；

[0007] 2)根据电机A的转速给定，同时检测电机A的实际转速并与给定转速进行比较，得到电机A的转速偏差，该转速偏差经PID控制算法处理得到开关磁阻电机的参考转矩T*，将该参考转矩T*作为两台电机的初始转矩给定；

[0008] 3)估算电机A与电机B的实际转矩TA与TB，并将两者进行比较得到实际转矩的偏差e，并由该偏差e得到偏差变化率ec，再将该实际转矩的偏差e、实际转矩偏差的变化率ec以及电机A的实际转矩与上述参考转矩相比较得到的偏差eA经模糊控制算法处理，分别得到电机A和电机B转矩给定的调整值 和

[0009] 4)将获得的转矩调整值 和 分别与参考转矩T*相加，得到两台电机新的转矩给定 和 并将新的转矩给定 和 分别与两台电机的实际转矩TA与TB进行比较，得到两台电机的转矩偏差ΔTA和ΔTB；

[0010] 5)根据开关磁阻电机的磁链给定，同时估算两台电机A和B的实际磁链并分别与给定磁链进行比较，得到两台电机的磁链偏差ΔψA和ΔψB；

[0011] 6)将获得的转矩偏差ΔTA和ΔTB和磁链偏差ΔψA和ΔψB分别作为电机A控制器和电机B控制器的输入，电机A控制器和电机B控制器分别根据相应的转矩偏差和磁链偏差控制开关磁阻电机所对应功率变换器中功率开关的开关状态，实现对电机输出转矩的实时调节；

[0012] 7)重复步骤3)至步骤6)，分别对两台电机实际转矩进行估算、比较和判断，并通过调节两台电机的转矩给定最终实现两台电机实际转矩的基本平衡，使两台开关磁阻电机的输出转矩基本达到一致，实现同步控制。

[0013] 本发明的有益效果在于：本发明针对双开关磁阻电机构成的同步控制系统，以其中一台电机构建转速控制闭环，即通过设定该电机的转速给定并通过检测其实际转速以获得相应的转速偏差，再针对该转速偏差采用PID控制算法得到开关磁阻电机的参考转矩，并以该参考转矩作为两台开关磁阻电机的初始转矩给定；通过检测两台开关磁阻电机的实际转矩并将其进行比较以获得相应的转矩偏差，由转矩偏差得到转矩偏差变化率，将转矩偏差、转矩偏差变化率以及其中一台电机的实际转矩与上述参考转矩相比较后得到的偏差经模糊控制算法进行处理得到两台电机转矩给定的调整值，再将获得的转矩给定调整值分别与上述参考转矩相加得到两台电机新的转矩给定，通过对两台电机转矩给定的调节使两台电机实际转矩基本达到一致，从而达到双开关磁阻电机同步控制的目的，具有控制精度高、应用范围广的优点。

附图说明

[0014] 图1为本发明的同步控制装置的结构框图。

[0015] 图2为本发明的同步控制方法的流程图。

[0016] 图3为本发明模糊控制原理框图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0018] 如图1所示，一种双开关磁阻电机同步控制装置，包括转速给定模块、电机A转速检测模块、电机A转速比较模块、PID模块、电机A转矩估算模块、电机B转矩估算模块、实际转矩比较模块、电机A实际转矩与参考转矩比较模块、模糊控制器、电机A转矩给定调节模块、电机B转矩给定调节模块、电机A转矩比较模块、电机B转矩比较模块、磁链给定模块、电机A磁链估算模块、电机B磁链估算模块、电机A磁链比较模块、电机B磁链比较模块、电机A控制器及电机B控制器，所述转速给定模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速检测模块的输入端与电机A相连，电机A转速检测模块的输出端与电机A转速比较模块的输入端相连，电机A转速比较模块的输出端与PID模块的输入端相连，所述电机A转矩估算模块的输入端与电机A相连，电机A转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机B转矩估算模块的输入端与电机B相连，电机B转矩估算模块的输出端与实际转矩比较模块的输入端相连，电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输入端与电机A转矩估算模块的输出端、PID模块的输出端相连，模糊控制器的输入端与实际转矩比较模块的输出端、电机A实际转矩与参考转矩比较模块的输出端相连，模糊控制器的输出端分别与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，PID模块的输出端与电机A转矩给定调节模块的输入端、电机B转矩给定调节模块的输入端相连，电机A转矩比较模块的输入端与电机A转矩给定调节模块的输出端、电机A转矩估算模块的输出端相连，电机B转矩比较模块的输入端与电机B转矩给定调节模块的输出端、电机B转矩估算模块的输出端相连，所述磁链给定模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端、电机B磁链比较模块的输入端相连，电机A磁链估算模块的输入端与电机A相连，电机A磁链估算模块的输出端与电机A磁链比较模块的输入端相连，电机A控制器的输入端与电机A转矩比较模块的输出端、电机A磁链比较模块的输出端相连，电机A控制器的输出端与电机A相连，电机B磁链估算模块的输入端与电机B相连，电机B磁链估算模块的输出端与电机B磁链比较模块的输入端相连，电机B控制器的输入端与电机B转矩比较模块的输出端、电机B磁链比较模块的输出端相连，电机B控制器的输出端与电机B相连。

[0019] 如图2所示，图2为本发明双开关磁阻电机同步控制方法的流程图，控制方法包括以下步骤：

[0020] 1)在双开关磁阻电机构成的同步控制系统中，以其中一台电机构建转速控制闭环，并设该电机为电机A，另一台电机为电机B，再针对该两台电机分别构建转矩控制闭环，其中以转速控制为外环，转矩控制为内环；

[0021] 2)根据电机A的转速给定v*，同时检测电机A的实际转速vA并与给定转速v*进行比较，得到电机A的转速偏差ΔvA，即：ΔvA＝v*-vA，将ΔvA经PID控制算法进行处理得到开关磁阻电机的参考转矩T*，将该参考转矩T*作为两台电机的初始转矩给定；

[0022] 3)估算电机A与电机B的实际转矩TA与TB，并将两者进行比较得到实际转矩的偏差e，即：e＝TA-TB，并由该偏差e得到偏差变化率ec，即： 如果该偏差e的绝对值小于某个设定值，则说明两台电机的输出转矩基本平衡，可不对其转矩给定进行调节；否则需对两台电机的转矩给定进行相应的调节，此时将该实际转矩的偏差e、实际转矩偏差变化率ec以及电机A的实际转矩TA与上述参考转矩T*相比较得到的偏差eA(eA＝T*-TA)经模糊控制算法进行处理，分别得到电机A和电机B转矩给定的调整值 和

[0023] 4)将获得的转矩调整值 和 分别与参考转矩T*相加，得到两台电机新的转矩给定 和 即： 并将新的转矩给定 和 分别与两台电机的实际转矩TA与TB进行比较，得到两台电机的转矩偏差ΔTA和ΔTB，即：

[0024] 5)根据开关磁阻电机的磁链给定ψ*，同时检测两台电机A和B的实际磁链ψA和ψB，并将两台电机A和B的实际磁链ψA和ψB分别与给定磁链ψ*进行比较，得到两台电机的磁链偏差ΔψA和ΔψB，即：ΔψA＝ψ*-ψA，ΔψB＝ψ*-ψB；

[0025] 6)将获得的转矩偏差ΔTA和ΔTB和磁链偏差ΔψA和ΔψB分别作为电机A控制器和电机B控制器的输入，电机A控制器和电机B控制器分别根据相应的转矩偏差和磁链偏差控制开关磁阻电机所对应功率变换器中功率开关的开关状态，实现对电机输出转矩的实时调节；

[0026] 7)重复步骤3)至步骤6)，分别对两台电机实际转矩进行估算、比较和判断，并通过调节两台电机的转矩给定最终实现两台电机实际转矩的基本平衡，使两台开关磁阻电机的输出转矩基本达到一致，实现同步控制。

[0027] 如图3所示，图3为本发明模糊控制器原理框图。模糊控制器将两台开关磁阻电机实际输出转矩的偏差e、实际转矩偏差的变化率ec以及电机A的实际转矩与其参考转矩的偏差eA作为模糊控制器的输入，将两台电机转矩给定的调整值 和 作为模糊控制器的输出，并将两台电机实际转矩的偏差e、实际转矩偏差的变化率ec、电机A的实际转矩与其参考转矩的偏差eA及输出控制量 和 分别定义为5个量化等级：{负大(NB)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正大(PB)}；取e和ec的离散论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，eA的离散论域为{-2，-1，0，1，2}， 的离散论域为{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}， 的离散论域为{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。偏差e的论域为[-4，4]，偏差变化率ec的论域为[-15，15]，偏差eA的论域为[-5，5]，输出控制量 和 的论域为[-3，3]，则各比例因子为：ke＝3/4，kec＝3/15＝0.2， 为了提高模糊控制的稳态精度，对每
个输入量和输出量建立了一个隶属函数表，分别如表1-5所示。其中，表1-5中第一行分别表示转矩偏差e、转矩偏差变化率ec、电机A的转矩偏差eA、输出控制量 和 的论域，第一列分别代表转矩偏差e、转矩偏差变化率ec、电机A的转矩偏差eA、输出控制量 和 的量化等级，表中其他部分表示各量化等级对应论域的隶属度。

[0028] 表1 偏差e语言值的隶属函数

[0029]  -3 -2 -1 0 1 2 3
PB 0 0 0 0 0 0.7 1
PS 0 0 0 0 0.3 1 0.7
ZE 0 0 0 0.3 1 0.7 0
NS 0 0 0.6 1 0.6 0 0
NB 1 0.6 0.2 0 0 0 0

[0030] 表2 偏差变化率ec语言值的隶属函数

[0031]  -3 -2 -1 0 1 2 3
PB 0 0 0 0 0 0.4 1
PS 0 0 0 0.4 1 0.8 0
ZE 0 0 0.5 1 0.5 0 0
NS 0 0.6 1 0.8 0 0 0
NB 1 0.8 0 0 0 0 0

[0032] 表3 偏差eA语言值的隶属函数

[0033]  -2 -1 0 1 2
PB 0 0 0 0.6 1
PS 0 0 0.4 1 0.6
ZE 0 0.5 1 0.5 0
NS 0.4 1 0.7 0 0
NB 1 0.7 0 0 0

[0034] 表4 控制量 语言值的隶属函数

[0035]  -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
PB 0 0 0 0 0 0 0 0.8 1
PS 0 0 0 0 0 0.5 1 0.8 0
ZE 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0
NS 0 0.4 1 0.6 0 0 0 0 0
NB 1 0.6 0 0 0 0 0 0 0

[0036] 表5 控制量 语言值的隶属函数

[0037]  -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.4 1
PS 0 0 0 0 0 0 0.2 1 0.4 0 0
ZE 0 0 0 0 0.6 1 0.6 0 0 0 0
NS 0 0 0.3 1 0.5 0 0 0 0 0 0
NB 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0 0

[0038] 根据双开关磁阻电机同步控制要求以及在不同转矩偏差及偏差变化率的条件下，得输出控制量 和 的模糊控制规则，如表6所示：

[0039] 表6 和 模糊控制规则表

[0040]

[0041] 表6中所述模糊控制规则，是在综合考虑两台电机实际转矩的偏差e、实际转矩偏差的变化率ec及电机A的实际转矩与其参考转矩的偏差eA的基础上，来确定两台电机转矩给定调整值 和 的大小的。其中实际转矩的偏差e及实际转矩偏差的变化率ec主要用于确定 和 的量值的大小，而偏差eA则用于确定 和 中哪一个的量值应该取更大或更小，如eA为负大(NB)或正大(PB)，则 的取值(绝对值，下同)应较大、 的取值应较小，反之如果eA为负小(NS)或正小(PS)，则 的取值应较小、 的取值应较大。以表中任一项为例：如当eA、e及ec分别为NS、PB及PS时，其对应 和 的模糊控制规则分别为NS、PB，说明如下：eA为NS，即负小，表示电机A的实际转矩TA比参考转矩T*大，e为PB，即正大，表示电机A的实际转矩TA比电机B的实际转矩TB大很多，ec为PS，即正小，表示两台开关磁阻电机实际转矩的偏差e有往正小的趋势，为尽量减少两台电机间的实际转矩偏差，使两台电机的输出转矩达到一致，应把控制量 设为负小，使控制量 对电机A的转矩给定进行反向小的调节，把控制量 设为正大，使控制量 对电机B的转矩给定进行正向大的调节，也即如表中所所述的 为NS、 为PB。表6中其它各项所述模糊控制规则也是根据同样的规则产生，根据表中所述控制规则对两台电机的转矩给定进行调节，可以实现两台电机输出转矩的基本一致，从而达到两台电机同步控制的要求。