一种开关磁阻电机调速系统

摘要

本发明提供一种开关磁阻电机调速系统，直接瞬时转矩控制器的输入端接收给定转速，输入的给定转速和反馈的实际转速求取状态误差，输入模糊模糊PI转速调节器，经过模糊控制和PI调节复合控制算法处理，由于积分项的增加，可以有效的消除系统的稳态误差，保持整个调速系统的稳定运行。在直接瞬时转矩模糊PI调节控制的基础上加入开通角的自动调节，通过不断调节开通角来改变换相过程，从而抑制电流尖峰，提高电机运行效率的目的。

权利要求

1.一种开关磁阻电机调速系统，其特征在于，包括：模糊PI转速调节器、转矩控制模块、开关逻辑控制模块、功率变换器模块、第一反馈比较模块、位置及转速估算模块、传感器模块、第二反馈比较模块、磁链估算模块以及转矩估算模块；

直接瞬时转矩控制器给定转速作为输入端与模糊PI转速调节器的输入端连接，模糊PI转速调节器的输出端与转矩控制模块的输入端连接；

转矩控制模块的输出端通过开关逻辑控制模块与功率变换器模块的输入端连接；功率变换器模块的输出端与开关磁阻电机连接；

直接瞬时转矩控制器给定转速和位置及转速估算模块的输出端分别与第一反馈比较模块的输入端连接，第一反馈比较模块的输出端与模糊PI转速调节器的输入端连接；位置及转速估算模块的输入端与传感器模块输出端连接；传感器模块的输入端与开关磁阻电机连接；位置及转速估算模块的输出端还与转矩控制模块连接；

模糊PI转速调节器的输出端与第二反馈比较模块输入端连接；第二反馈比较模块的输出端分别与转矩控制模块的输入端和转矩估算模块输出端连接；

功率变换器模块的输出端分别与开关磁阻电机，转矩估算模块输入端，磁链估算模块输入端连接，磁链估算模块输出端与转矩估算模块输入端连接。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，还包括：积分模块；

第一反馈比较模块的输出端分别与积分模块的输出端和模糊PI转速调节器的输入端连接；

积分模块的输入端与位置及转速估算模块的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，模糊PI转速调节器用于在直接瞬时转矩控制的基础上运用了模糊控制和PI控制的复合算法对转速进行控制；

若直接瞬时转矩控制下开关磁阻电机的反馈转速n转速>预设转速n*，则减小转矩输出，使n转速＝n*；若n转速＝n*，转矩保持不变；若n转速

4.根据权利要求1或3所述的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，模糊PI转速调节器的离散表达式为：

其中，Ts是采样周期；e(k)是输入量；kp、ki是控制参数。

5.根据权利要求3所述的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，转矩控制模块用于接收给定转矩T，对换相区域的开通角进行自动调节，通过调节开通角来改变换相过程；

开关磁阻电机A相换到B相时，利用相绕组电压U，电流i，磁链ψ，最大开通角获取方式为；

在最大开通角的基础上，根据实时监测换相区域两相的电流峰值，在线调整开通角，使得A相B相的电流峰值相等；式中θm是B相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θa为A相的对齐位置，此位置A相转矩为0，Tref为给定转矩，ω为角速度；

开关磁阻电机B相换到C相时，最大开通角获取方式为；

式中θm是C相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θB为B相的对齐位置，此位置B相转矩为0；

开关磁阻电机C相换到A相时，最大开通角获取方式为；

式中θm是A相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θC为C相的对齐位置，此位置C相转矩为0。

说明书

一种开关磁阻电机调速系统

技术领域

[0001] 本发明涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种开关磁阻电机调速系统。

背景技术

[0002] 开关磁阻电机(SRM)具有结构简单牢固、可靠性高和制造成本低等特点。近年来随着全球环境污染的加重和能源危机，以及我国经济的快速发展，电动汽车、高速铁路和风力发电等电力牵引技术和可再生能源发电等产业得到了蓬勃发展，此外随着稀土等矿产资源的供应不稳，开关磁阻电机等新型电机成为世界各国的研究热点。

[0003] 然而，与传统电机相比，开关磁阻电机固有的双凸极结构特点，磁路和电路的非线性、开关性使得定子绕组电流和磁链波形极不规则等因素致使转矩脉动较大，传统控制方式抑制转矩脉动效果不佳，而直接瞬时转矩控制在抑制转矩脉动，提高系统稳定性上表现出一定优势。因此，研究开关磁阻电机驱动系统转矩脉动抑制具有重要的理论意义和应用价值。

[0004] 传统PI转速调节控制器不能满足非线性严重的开关磁阻电机在全速度范围内的调速要求，因此会造成整个控制系统的运行效率低下。在换相区域，相电流会出现较大的尖峰，较大的电流尖峰会使得电机运行效率下降。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种开关磁阻电机调速系统，包括：模糊PI转速调节器、转矩控制模块、开关逻辑控制模块、功率变换器模块；

[0006] 直接瞬时转矩控制器给定转速作为输入端与模糊PI转速调节器的输入端连接，模糊PI转速调节器的输出端与转矩控制模块的输入端连接；

[0007] 转矩控制模块的输出端通过开关逻辑控制模块与功率变换器模块的输入端连接；功率变换器模块的输出端与开关磁阻电机连接。

[0008] 优选地，还包括：第一反馈比较模块，位置及转速估算模块、传感器模块；

[0009] 直接瞬时转矩控制器给定转速和位置及转速估算模块的输出端分别与第一反馈比较模块的输入端连接，第一反馈比较模块的输出端与模糊PI转速调节器的输入端连接；位置及转速估算模块的输入端与传感器模块输出端连接；传感器模块的输入端与开关磁阻电机连接；位置及转速估算模块的输出端还与转矩控制模块连接。

[0010] 优选地，还包括：第二反馈比较模块、磁链估算模块、转矩估算模块；

[0011] 模糊PI转速调节器的输出端与第二反馈比较模块输入端连接；第二反馈比较模块的输出端分别与转矩控制模块的输入端和转矩估算模块输出端连接；

[0012] 功率变换器模块的输出端分别与开关磁阻电机，转矩估算模块输入端，磁链估算模块输入端连接，磁链估算模块输出端与转矩估算模块输入端连接。

[0013] 优选地，还包括：积分模块；

[0014] 第一反馈比较模块的输出端分别与积分模块的输出端和模糊PI转速调节器的输入端连接；

[0015] 积分模块的输入端与位置及转速估算模块的输出端连接。

[0016] 优选地，模糊PI转速调节器用于在直接瞬时转矩控制的基础上运用了模糊控制和PI控制的复合算法对转速进行控制；

[0017] 若直接瞬时转矩控制下开关磁阻电机的反馈转速n转速>预设转速n*，则减小转矩输出，使n转速＝n*；若n转速＝n*，转矩保持不变；若n转速

[0018] 优选地，模糊PI转速调节器的离散表达式为：

[0019]

[0020] 其中，Ts是采样周期；e(k)是输入量；kp、ki是控制参数。

[0021] 优选地，转矩控制模块用于接收给定转矩T，对换相区域的开通角进行自动调节，通过调节开通角来改变换相过程；

[0022] 开关磁阻电机A相换到B相时，利用相绕组电压U，电流i，磁链ψ，最大开通角获取方式为；

[0023]

[0024] 在最大开通角的基础上，根据实时监测换相区域两相的电流峰值，在线调整开通角，使得A相B相的电流峰值相等；式中θm是B相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θa为A相的对齐位置，此位置A相转矩为0，Tref为给定转矩，ω为角速度；

[0025] 开关磁阻电机B相换到C相时，最大开通角获取方式为；

[0026]

[0027] 式中θm是C相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θB为B相的对齐位置，此位置B相转矩为0；

[0028] 开关磁阻电机C相换到A相时，最大开通角获取方式为；

[0029]

[0030] 式中θm是A相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θC为C相的对齐位置，此位置C相转矩为0。

[0031] 从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

[0032] 直接瞬时转矩控制的开关磁阻电机调速方法与系统中将PI控制器与模糊控制器结合起来了这种复合的控制方法可以解决模糊控制存在控制盲区的问题，并且由于积分项的增加，可以有效的消除系统的稳态误差，保持整个调速系统的运行稳定。

[0033] 系统能够有效抑制转矩脉动，同时通过自动调节开通角来改变换相过程，从而抑制电流尖峰，提高电机运行效率的目的。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035] 图1为开关磁阻电机调速系统整体示意图。

具体实施方式

[0036] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

[0037] 本发明提供一种开关磁阻电机调速系统，如图1所示，包括：模糊PI转速调节器1、转矩控制模块2、开关逻辑控制模块3、功率变换器模块4；直接瞬时转矩控制器给定转速作为输入端与模糊PI转速调节器1的输入端连接，模糊PI转速调节器1的输出端与转矩控制模块2的输入端连接；转矩控制模块2的输出端通过开关逻辑控制模块3与功率变换器模块4的输入端连接；功率变换器模块4的输出端与开关磁阻电机5连接。

[0038] 本实施例中，系统还包括：第一反馈比较模块13，位置及转速估算模块6、传感器模块7；直接瞬时转矩控制器给定转速和位置及转速估算模块6的输出端分别与第一反馈比较模块13的输入端连接，第一反馈比较模块13的输出端与模糊PI转速调节器1的输入端连接；位置及转速估算模块6的输入端与传感器模块7输出端连接；传感器模块7的输入端与开关磁阻电机5连接；位置及转速估算模块6的输出端还与转矩控制模块2连接。

[0039] 系统还包括：积分模块8；第一反馈比较模块13的输出端分别与积分模块8的输出端和模糊PI转速调节器1的输入端连接；积分模块8的输入端与位置及转速估算模块6的输出端连接。积分模块8可以有效的消除系统的稳态误差，保持整个调速系统的运行稳定。

[0040] 本实施例中，系统还包括：第二反馈比较模块14、磁链估算模块12、转矩估算模块11；

[0041] 模糊PI转速调节器1的输出端与第二反馈比较模块14输入端连接；第二反馈比较模块14的输出端分别与转矩控制模块2的输入端和转矩估算模块11输出端连接；功率变换器模块4的输出端分别与开关磁阻电机5，转矩估算模块11输入端，磁链估算模块12输入端连接，磁链估算模块12输出端与转矩估算模块11输入端连接。

[0042] 本发明为直接瞬时转矩控制的开关磁阻电机调速实现过程，为开关磁阻电机调速控制器的输入端接收输入给定转速n*,输入给定转速n*与反馈回来的实际转速n进行比较，通过模糊PI转速调节器模块产生的输出作为转矩控制单元的参考转矩给定。系统通过对开关磁阻电机运行时的电压和电流的测量，经过磁链估算模块和转矩估算模块后估算出实际转矩，从而实现对转矩的直接控制，达到减小转矩脉动，提高电机运行效率的目的。

[0043] 直接瞬时转矩控制下的PI速度调节器采用二维模糊控制器来对外环速度环进行控制，由于是对速度的控制，所以选择SRM给定速度与实际速度的偏差以及偏差变化量作为控制器的两个输入；模糊控制器的输出作为内环转矩环的输入，对转矩进行控制，所以模糊控制器的输出应选取期望转矩。

[0044] 本实施例中，系统对开关磁阻电机运行时电压和电流进行测量，通过磁链估算模块，转矩估算模块，估算出瞬时转矩，进而直接对转矩进行控制。

[0045] 传统的PI转速控制器不能满足非线性严重的开关磁阻电机在全速度范围内的调速要求，因此采用PI控制器与模糊控制相结合的方式对转速进行调节得到转矩Tref。

[0046] 模糊PI转速调节器用于在直接瞬时转矩控制的基础上运用了模糊控制和PI控制的复合算法对转速进行控制；

[0047] 若直接瞬时转矩控制下开关磁阻电机的反馈转速n转速>预设转速n*，则减小转矩输出，使n转速＝n*；若n转速＝n*，转矩保持不变；若n转速

[0048] 模糊PI转速调节器的离散表达式为：

[0049]

[0050] 其中，Ts是采样周期；e(k)是输入量；kp、ki是控制参数。

[0051] 具体的，通过速度误差e,误差变化率ec来再现模糊推理的过程：

[0052] (1)由模糊化公式计算精确量经过模糊化处理后得到模糊值：

[0053] E＝int(e×ke+0.5)

[0054] EC＝int(ec×kec+0.5)

[0055] (2)由(1)计算结果和隶属度函数图推导出在E和EC这两个输入量下对于其他语言变量的隶属度。

[0056] (3)由模糊控制规则表得出起作用的语言规则。

[0057] (4)取输入变量隶属度函数中最小值作为输出变量的隶属度。

[0058] (5)根据重心法的计算方法结合公式得到期望转矩的模糊值：

[0059]

[0060] 以上公式中ke，kec是精确量与模糊论域中模糊量之间进行转换的比例因子，ui是模糊输出的一个语言变量，μU(ui)是ui对应的隶属度。

[0061] PI控制方式对控制系统进行共同调节，把比例控制和积分控制结合起来同时作用，使系统进入稳态后无稳态误差的最佳效果。

[0062] PI调节器的离散表达式为：

[0063]

[0064] 其中，Ts是采样周期；e(k)是输入量；kp、ki是控制参数。

[0065] 在模糊PI转速控制器调节得到Tref之后，在此基础上对换相区域的开通角进行自动调节，通过调节开通角来改变换相过程，从而达到抑制电流尖峰，提高电机运行效率的目的。

[0066] 其中，转矩控制模块用于接收给定转矩T，对换相区域的开通角进行自动调节，通过调节开通角来改变换相过程；

[0067] 开关磁阻电机A相换到B相时，利用相绕组电压U，电流i，磁链ψ，最大开通角获取方式为；

[0068]

[0069] 在最大开通角的基础上，根据实时监测换相区域两相的电流峰值，在线调整开通角，使得A相B相的电流峰值相等；式中θm是B相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θa为A相的对齐位置，此位置A相转矩为0，Tref为给定转矩，ω为角速度；

[0070] 开关磁阻电机B相换到C相时，最大开通角获取方式为；

[0071]

[0072] 开关磁阻电机C相换到A相时，最大开通角获取方式为；

[0073]

[0074] 具体的，在模糊PI转速控制器调节得到Tref之后，在此基础上对换相区域的开通角进行自动调节，通过调节开通角来改变换相过程，从而达到抑制电流尖峰，提高电机运行效率的目的。计算最大的开通角，在此基础上，根据实时监测换相区域两相的电流峰值，在线调整开通角，使得两相的电流峰值相等。最大开通角计算如下：

[0075] 相绕组的端电压可以表示为

[0076]

[0077] 忽略绕组电阻上的压降，上述电压方程可以写为

[0078]

[0079] 两边同时乘dθ，并求解dθ可以得到

[0080]

[0081] 所以最大开通角可以写为

[0082]

[0083] 式中θm是B相转矩第一次达到给定转矩时对应的转子位置角，θa为A相的对齐位置，此位置A相转矩为0，Tref为给定转矩，ω为角速度。

[0084] 本发明针对SRM非线性的特点，在传统的PI调节器的基础上加入模糊控制形成模糊PI转速调节器模块即速度环运用模糊PI复合控制算法对给定速度和实际反馈速度的误差进行调节，从而得出电机转动的期望转矩，也就是把模糊PI控制的输出作为转矩环的参考输入。

[0085] 直接瞬时转矩控制器的输入端接收给定转速，输入的给定转速和反馈的实际转速求取状态误差，输入模糊PI转速调节器，经过模糊控制和PI调节复合控制算法处理，由于积分项的增加，可以有效的消除系统的稳态误差，保持整个调速系统的稳定运行。

[0086] 模糊PI转速调节器模块将给定的期望转矩Tref与反馈的实际转矩T求取状态误差，把比较结果作为控制开关器件工作状态的依据。

[0087] 将给定的参考转矩与估算出的瞬时转矩进行比较，差值作为转矩控制单元的输入，同时根据各相绕组的逻辑状态选择不同的通电方式，并根据转速和负载情况对开通角θon和关断角θoff进行控制调节，进而发出驱动信号，控制电机的运行。

[0088] 转矩控制单元不只是对转矩反馈的转矩直接进行控制，同时对电流进行控制，在运行过程中，相电流会出现比较大的尖峰，这个问题主要出现在换相期间，较大的电流峰值会使得电机运行效率下降，并且有时会损坏功率变换器。本发明在直接瞬时转矩模糊PI调节控制的基础上加入开通角的自动调节，通过不断调节开通角来改变换相过程，从而抑制电流尖峰，提高电机运行效率的目的。

[0089] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。