一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法

1.本发明涉及电机控制领域，更具体地，涉及一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机定、转子为双凸极结构，转子无绕组，具有结构简单、成本低、可靠性高、容错能力强、恒功率调速范围宽等优点，近年来受到越来越广泛的关注。然而，开关磁阻电机电磁特性呈现高度非线性，使得常规的控制方式转矩脉动较大，这一缺点限制了开关磁阻电机进一步发展和应用。
3.有学者通过优化开通角和关断角降低开关磁阻电机的转矩脉动，但这种方法对转矩脉动的降低有限。为了进一步减小开关磁阻电机的转矩脉动，国内外学者提出了转矩分配控制、矢量控制、谐波注入、直接瞬时转矩控制等控制方法。然而，这些控制方法在实施时只考虑了对转矩脉动的抑制，未关注对电流均方根的负面影响，难以避免地造成了转矩电流比下降的问题，电流均方根利用率不高。而电机的铜耗与电流均方根的二次方成正比，转矩电流比下降意味着：在相同输出转矩下，电流均方根增大，铜耗增大，效率降低；在相同的电流均方根下，平均转矩降低，电机的输出能力下降。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，旨在解决转矩脉动抑制方法电流均方根利用率不高的问题。
5.为实现上述目的，本发明公开了一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，本方法提出了一种新的电流表达式并在此基础上建立了新的电流优化模型，将相电流用一组傅里叶级数的系数以及开通角和导通角表示，令相电流的均方根为一固定值，在不降低电机转矩电流比的前提下，通过优化算法调节傅里叶级数的系数以及开通角和导通角，进而优化电机在每个转子位置的相电流，得到电流均方根利用率高且转矩脉动低的理论最佳相电流波形，通过滞环控制使电机实际相电流波形跟踪理论最佳相电流波形，达到转矩脉动的效果。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
8.步骤1：将相电流用一组傅里叶级数的系数以及开通角和导通角表示：
[0009][0010]
式中，i1,i2,
…
,in分别是第n阶傅里叶级数的系数，n是傅里叶级数的最高阶数，θ
on
，θ
exc
分别是开通角和导通角，仅当转子电角度θe处于[θ
on
，θ
on
+θ
exc
]这一区间时，相绕组内存在电流，其它转子位置相绕组电流为0；
[0011]
步骤2：令相电流的均方根为固定值i
rms
，给定傅里叶级数的系数、开通角、关断角的初始值i
10
,i
20
,
…
,i
n0
、θ
on0
、θ
exc0
，得到电流均方根为i
rms
的初始相电流波形i0；
[0012]
步骤3：在满足电流均方根、转矩电流比等约束条件的前提下，以转矩脉动最小为优化目标，以傅里叶级数的系数以及开通角和导通角为优化变量，采用优化算法，通过不断改变优化变量来优化相电流波形，基于开关磁阻电机转矩-电流-位置数据表计算约束条件和优化目标的相关参数，得出满足约束条件且目标函数最小的电流波形对应的傅里叶级数的系数i
1opt
,i
2opt
,
…
,i
nopt
以及开通角θ
onopt
和导通角θ
excopt
，从而得到电流均方根利用率高且转矩脉动小的最佳相电流波形i
opt
：
[0013][0014]
步骤4：将步骤3优化得到的最佳相电流波形标准化，得到单位相电流均方根下的最佳相电流波形i
norm
表达式：
[0015][0016]
步骤5：将电流波形匹配电机实际运行工况。电机控制器根据给定转速与实际转速的差值，经过比例积分运算，得到对应负载工况所需的相电流均方根i
fms_load
，将其与步骤4标准化优后的最佳相电流波形相乘，得到对应负载工况下的最佳相电流波形i
ref
表达式：
[0017]iref
(θe)＝i
norm
(θe)i
rms_load
[0018]
步骤6：通过滞环控制，使电机实际相电流跟踪步骤5得到的对应负载工况下的最佳相电流波形i
ref
，达到转矩脉动抑制的效果。
[0019]
上述步骤中，所述约束条件包括相电流均方根固定为i
rms
、转矩电流比ratio不低于设定值ratio
set
。
[0020]
上述步骤中，所述相电流波形的均方根可以根据下式方便地计算：
[0021][0022]
上述步骤中，所述转矩电流比为平均转矩与电流均方根的比值：
[0023][0024]
其中，t
mean
为相电流波形i(θe)对应的平均转矩。
[0025]
上述步骤中，所述转矩脉动为一个电周期内最大转矩与最小转矩之差与平均转矩的比值：
[0026][0027]
其中，t
max
为一个电周期内最大转矩，t
max
为一个电周期内最小转矩。
[0028]
上述步骤中，优化算法可以采用有效集法，也可以是内点法、序列二次规划法等其他优化算法。
[0029]
上述步骤中，所有计算和优化均是在一个电周期内进行的。
[0030]
上述步骤中，所述转矩-电流-位置数据表可以通过有限元分析得到，也可以根据电机设计参数解析计算得出，还可以通过实验测量得到。
[0031]
本发明提供的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，具有优秀的普适性，不仅适用于开关磁阻电机，还适用于分块转子开关磁阻电机、分块定子开关磁阻电机等其他结构的磁阻电机。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[0033]
本方法提出了一种电流优化并在此基础上建立了新的电流优化模型，将相电流用一组傅里叶级数的系数以及开通角和导通角表示，在抑制转矩脉动时将电流均方根考虑在内，充分利用了电流的均方根，相同的输出转矩下铜耗小，转矩脉动低，效率高；将一个周期内的电流用一组傅里叶级数的系数以及开通角和导通角表示，而不是大量离散的电流数据点，优化变量少，减少了对控制器的内存需求，不需要额外的插值；不单是优化开通角和关断角，还通过调节傅里叶级数的系数来调节每个转子位置的电流，理论上本方法提出的电流表达式可以表示任意波形的电流，基于这一电流表达式的优化模型搜索能力强，优化得到的电流波形转矩脉动抑制效果好；相对于谐波注入法，本方法傅里叶级数各次谐波的频率和相位可以通过改变开通角和导通角调节，谐波次数可通过改变傅里叶级数的最高阶数自由调节，优化自由度大；对于开关磁阻电机，在电感上升率低的区间通入电流时转矩输出能力低，甚至在电感下降的区间通入电流会产生负转矩，本方法提出的电流表达式在导通区间外电流为零，具有直接将电流利用率低的区间电流置零的能力，不存在负的相转矩，电流利用率高；巧妙地设计电流表达式，不仅可以方便地计算电流均方根，还使得电流在整个电周期内是连续的，便于控制器实现；具有优秀的普适性，不仅适用于开关磁阻电机，还适用于分块转子开关磁阻电机、分块定子开关磁阻电机等其他结构的磁阻电机。
附图说明
[0034]
图1为本发明的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的相电流优化流程图；
[0035]
图2为本发明的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的整体控制框图；
[0036]
图3为本发明的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的相电流示意图；
[0037]
图4为本发明其中一个实施例三相12/8极开关磁阻电机采用传统电流斩波控制的电感、电流、转矩波形图；
[0038]
图5为本发明其中一个实施例三相12/8极开关磁阻电机采用本发明的控制方法的电感、电流、转矩波形图。
具体实施方式
[0039]
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。
[0040]
一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0041]
步骤1：将相电流i用一组傅里叶级数的系数以及开通角和导通角表示：
[0042][0043]
式中，i1,i2,
…
,in分别是第n阶傅里叶级数的系数，n是傅里叶级数的最高阶数，θ
on
，θ
exc
分别是开通角和导通角，仅当转子电角度处于[θ
on
，θ
on
+θ
exc
]这一区间时，相绕组内存在电流，其它转子位置相绕组电流为0；
[0044]
步骤2：令相电流的均方根为固定值i
rms
，给定傅里叶级数的系数、开通角、关断角的初始值i
10
,i
20
,
…
,i
n0
、θ
on0
、θ
exc0
，得到电流均方根为i
rms
的初始相电流波形i0；
[0045]
步骤3：在满足电流均方根、转矩电流比等约束条件的前提下，以转矩脉动最小为优化目标，以傅里叶级数的系数以及开通角和导通角为优化变量，采用优化算法，通过不断改变优化变量来优化相电流波形，基于开关磁阻电机转矩-电流-位置数据表计算约束条件和优化目标的相关参数，得出满足约束条件且目标函数最小的电流波形对应的傅里叶级数的系数i
1opt
,i
2opt
,
…
,i
nopt
以及开通角θ
onopt
和导通角θ
excopt
，从而得到电流均方根利用率高且转矩脉动小的最佳相电流波形i
opt
：
[0046][0047]
步骤4：将步骤3优化得到的最佳相电流波形标准化，得到单位相电流均方根下的最佳相电流波形i
norm
表达式：
[0048][0049]
步骤5：将电流波形匹配电机实际运行工况。电机控制器根据给定转速与实际转速的差值，经过比例积分运算，得到对应负载工况所需的相电流均方根i
rms_load
，将其与步骤4标准化优后的最佳相电流波形相乘，得到对应负载工况下的最佳相电流波形i
ref
表达式：
[0050]iref
(θe)＝i
norm
(θe)i
rms_load
[0051]
步骤6：通过滞环控制，使电机实际相电流跟踪步骤5得到的对应负载工况下的最佳相电流波形i
ref
，达到转矩脉动抑制的效果。
[0052]
上述步骤中，所述的计算和优化均是在一个电周期内进行的；所述约束条件包括电流均方根固定为i
rms
、转矩电流比ratio不低于设定值ratio
set
；所述转矩-电流-位置数据表可以通过有限元分析得到，也可以根据电机设计参数解析计算得出，还可以通过实验测量得到；优化算法可以采用有效集法，也可以是内点法、序列二次规划法等其他优化算法。
[0053]
上述步骤中，所述电流波形的均方根可以根据下式方便地计算：
[0054][0055]
上述步骤中，所述转矩电流比为平均转矩与电流均方根的比值：
[0056][0057]
上述步骤中，所述转矩脉动为一个电周期内最大转矩与最小转矩之差与平均转矩的比值：
[0058][0059]
在本实施例中，所述电流初始波形i0只包含第1阶傅里叶级数的系数，其余阶次傅里叶级数的系数为0，初始开通角设定为最小电感对应的电角度，初始导通角设定为m为电机相数，则初始电流i0可表示为：
[0060][0061]
图2为本发明的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的整体控制框图，图3为本发明的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的相电流示意图。图4为本发明其中一个实施例三相12/8极开关磁阻电机采用传统电流斩波控制的电感、电流、转矩波形图，图5为本发明其中一个实施例三相12/8极开关磁阻电机采用本发明提出的方法的电感、电流、转矩波形图。相对于传统电流斩波控制，采用本方法后，转矩输出能力和电流均方根不变，转矩脉动从103.78％降低到3.12％。由此可见，本发明提出的一种基于电流优化的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法对转矩脉动抑制具有明显的效果，且不会增加铜耗、不会降低转矩输出能力。
[0062]
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。