基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法和系统

本发明涉及开关磁阻电机转矩控制，具体而言，尤其涉及一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法和系统。

背景技术：

1、开关磁阻电机(switched reluctance motor,srm)仅由硅钢构成，转子中不具有永磁体和绕组，简化了电机的结构，降低了制造成本，并保持了良好的热稳定性和机械稳定性，在新能源汽车系统、工业应用、航天航空等领域获得广泛的应用。然而，srm固有的双凸极结构会产生较大的转矩纹波、振动和噪声，这使得srm的转矩脉动抑制更具挑战性。

2、近年来，直接转矩控制(direct torque control,dtc)技术因其结构简单，易于实现的性能，在srm的高性能转矩控制领域得到了广泛应用。dtc采用闭环反馈控制结构对转矩和定子磁链大小的两个状态变量进行电磁转矩调节。然而，通常通过估计的定子磁链分量来估计转矩，较高的定子磁链波动阻碍了转矩波动的有效减小。因此，精确的定子磁链控制可以进一步减小转矩脉动。

3、无差拍直接转矩和磁链控制(deadbeat direct torque and flux linkagecontrol,db-dtfc)不仅继承了直接转矩控制的高动态响应特性，又提高转矩和磁链预测控制的精确度，进一步提高srm驱动器的整体性能。然而电机转子磁链缺失，基于d-q轴坐标系建立的传统db-dtfc无法实现转矩和磁链解耦控制，无差拍算法控制率推导复杂，加重数字控制器的运算负担；此外，srm高度磁饱和导致非线性电感分布,影响了转矩和磁链表达式的准确性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法和系统，以解决传统db-dtfc无法实现转矩和磁链解耦控制的技术问题。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，包括如下步骤：

4、s1、获取开关磁阻电机的实测数据，根据所述电机实测数据，估计开关磁阻电机的转矩和定子磁链；

5、s2、基于开关磁阻电机的转矩和定子磁链，构建开关磁阻电机离散数学模型；

6、s3、基于开关磁阻电机离散数学模型和开关磁阻电机虚拟转子磁场原理，构建基于定子磁场的坐标系，计算出下一拍能准确控制电机运行的d-q轴的参考电压矢量；

7、s4、将d-q轴的参考电压矢量采用空间矢量脉宽调制的方法生成控制脉冲，将脉冲信号发送到功率变换器进行开关磁阻电机驱动。

8、进一步地，所述电机实测数据包括开关磁阻电机的定子电流、转子速度和转子位置数据。

9、进一步地，s2的具体步骤如下：

10、开关磁阻电机基本数学模型：

11、

12、式中，k＝1，2,3；uk、ik、ψk和tk分别为定子第k相绕组的电压、电流、磁链和电磁转矩；r、nr和θr分别为定子电阻、转子极数和转子位置；

13、开关磁阻电机非线性数学模型：

14、自感分布用傅里叶级数近似表示：

15、

16、式中，p为相数，k＝1,2,3......p；l0和l1为直流自感和自感幅值；

17、结合公式2的自感模型，转矩表达式进一步简化为：

18、

19、进一步地，s3的具体步骤如下：

20、根据开关磁阻电机虚拟转子磁场原理，定子磁链方程为：

21、

22、式中，ψr、ψsd和ψsq分别为虚拟转子磁链、d轴和q轴的定子磁链；ψsd和ψsq分别为总磁链在d轴和q轴的分量；

23、开关磁阻电机在转矩产生机制上类似永磁同步电机，因此，其平均转矩表达为：

24、

25、其中，

26、式中，θ为d轴与a相夹角；id、iq和i0分别为d-q轴定子电流和零相电流；

27、由开关磁阻电机基本数学模型可得，定子磁链的离散模型为：

28、

29、将电机定子模型对准d轴定子方向，即ψsq＝0，因此，d轴的参考电压矢量表达式为：

30、

31、求平均转矩的状态方程，得到下式：

32、

33、将式2和式5代入式1，求平均值可得到电压平衡方程：

34、

35、式中，p为微分算子；ω代表电角速度；

36、使用一阶泰勒公式将式9离散化，得到：

37、

38、

39、整理式8、式10和式11，q轴的控制电压表达式为：

40、

41、式中，δte(k)＝teref-te(k)。

42、本发明还提供了一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制系统，用以实现上述任意一项基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，包括：

43、db-dtfc控制器，用以计算d-q轴的参考电压矢量；

44、坐标变换，用以d-q轴的参考电压矢量通过park坐标变换获得α-β轴的参考电压矢量；

45、svpwm调制器，用以α-β轴的参考电压矢量送入调制算法生成功率变换器的开关信号；

46、功率变换器，用于接收svpwm调制器的开关信号，调节输出开关磁阻电机的开通或关断；

47、电流观测器，用以接收开关磁阻电机电流信号，计算旋转标系下的各相电流值；

48、转矩和磁链估计单元，用以接收开关磁阻电机位置信号和电流信号，计算输出转矩和磁链值；

49、位置传感器，用以采集开关磁阻电机转子位置的反馈信息，将位置信号传输给控制系统的其他模块；

50、pi速度控制器，用以接收开关磁阻电机的速度信号，通过pi调节输出参考转矩值。

51、本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述任一项基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法。

52、本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述任一项基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法。

53、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

54、本发明通过建立离散数学模型和无差拍算法控制率，将复杂的电机控制问题转化为简单的数学运算问题。本发明在转矩控制部分，采用电感的傅里叶级数形式建立了srm的非线性转矩模型。在磁链控制方面，基于定子磁链定向实现db-dtfc的磁链控制。与传统的db-dtfc控制方法相比，本发明在一个控制周期内实现了转矩和磁链解耦控制，满足下一节拍使得转矩和磁链到达给定的参考电压存在唯一解，进一步提高了磁链和转矩控制的精度。

技术特征：

1.一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，其特征在于，所述电机实测数据包括开关磁阻电机的定子电流、转子速度和转子位置数据。

3.根据权利要求1所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，其特征在于，s2的具体步骤如下：

4.根据权利要求2所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，其特征在于，s3的具体步骤如下：

5.一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制系统，用以实现权利要求1-4中任意一项权利要求所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，其特征在于，包括：

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行所述权利要求1至4中任一项权利要求所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法。

7.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行所述权利要求1至4中任一项权利要求所述的基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法。

技术总结
本发明提供了一种基于定子磁链定向的开关磁阻电机无差拍直接转矩和磁链控制方法，包括如下步骤：S1：测量电机定子电流、转子速度、转子位置数据，根据所述电机实测数据，估计电机的转矩和定子磁链；S2：构建电机离散数学模型；S3：基于电机虚拟转子磁场原理，构建基于定子磁场的坐标系，计算出下一拍能准确控制电机运行的d‑q轴的参考电压矢量；S4：将d‑q轴的参考电压矢量采用空间矢量脉宽调制的方法生成控制脉冲，将脉冲信号发送到功率变换器进行电机驱动。本发明在一个控制周期内实现了转矩和磁链解耦控制，满足下一节拍使得转矩和磁链到达给定的参考电压矢量存在唯一解，进一步降低了转矩和磁链耦合导致的转矩脉动。

技术研发人员：许爱德,林世宁
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5