开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制（DITC）

摘要—本文提出了一种用于开关磁阻电机的在线瞬时转矩控制技术，称为直接瞬时转矩控制。该方法包括两种新颖方面。首先根据端子量（即磁链和相电流）估算扭矩，所以转矩估算与转子位置无关。 其次通过实现数字转矩迟滞控制器可以获得高带宽驱动性能。所以该方法无需转矩轮廓函数和辅助相位转换策略即可工作。此控制算法可提供广泛的驱动器运行范围，无需使用高分辨率的轴位置传感器或敏感的位置估算技术。
关键词：控制，直接转矩控制，非线性估计，开关磁阻驱动，转矩脉动。
Ⅰ 介绍
固有的转矩脉动是开关磁阻电机的特征。电机的双凸极结构以及磁通曲线的非线性是引起转矩脉动的主要原因。特别是在低速时，转矩脉动会产生速度振荡，并可能刺激传动系统机械部分的共振频率。所以迄今为止，人们已经提出了各种不同针对开关磁阻电机转矩脉动最小化的方法。
可以使用基于机械结构设计的转子偏斜等优化本体设计的方法来最小化转矩脉动，这些方法不需要额外的计算能力，并且对于在有限的操作范围内可以较好的抑制转矩脉动，但是也会带来由于增加的有效气隙而导致总转矩减小等问题。
与这些改造电机设计相比，通过电力电子技术优化控制策略，可以在更大的工作范围内将转矩脉动最小化。这些控制技术大多数使用离线或在线计算电流曲线和级联电流控制器。这些技术中的大多数被限制在有限的操作范围内，并且需要精确地感测转子位置。仅有少数出版物文章讨论了直接瞬时转矩控制，但是这些技术还需要准确且连续的转子位置信息以及附加的磁通控制器。
本文提出了一种避免需要高精度转子位置传感器的方法。本文提出的直接瞬时转矩控制（DITC）不使用电流或转矩曲线以及换向波形。瞬时转矩值仅根据端子数量估算，同时为了获得高带宽，使用了数字转矩磁滞控制器，如图2所示。
图2 瞬时转矩控制的闭环结构
使用参考转矩和瞬时转矩值，数字转矩磁滞控制器会基于预定义的开关角度为功率器件生成开关信号。根据瞬时转矩与参考转矩的偏差，将负，零或正电压电平施加到相绕组端子。
Ⅱ 瞬时转矩的估计
由于开关磁阻电机的非线性，转矩和电流不会像连续励磁电机那样直接线性连接。通过使用线性磁阻转矩数学模型，可以执行简单但相当有限的转矩估算。实际上，精确的电机模型必须使非线性的。图3列出了呈现精确切换的磁阻电机特性的不同可能性。
目前，通过有限元分析或直接测量可以得到准确的数学模型。这些特性可以直接用于控制算法中。图4 T（i，θ）显示了四相开关磁阻电机的转矩特性作为相电流和转子位置的函数。

图3 瞬时转矩在线估算技术

图4 静态转矩与电流和转子位置的关系

转矩关于电流和转子位置的函数T（i ，θ ）的特性取决于转子位置。如果有准确且连续的转子位置信号可用，则可以进行准确的转矩估算，并随后进行精确的控制。通过将图4中的扭矩特性与相应的磁链特性相结合，可以避免对这种精确的转子位置信号的需求。替代转子位置会导致产生图5中所示的静态转矩特性。

图5 静态转矩与电流和磁通的关系

图6瞬时扭矩在线估算结构
对于负转矩值，该特性将反映在当前磁链平面上。因此，相同的查找表可用于预测发电模式下的扭矩。对于所有电流分析技术而言，DITC中该机器特性的精度至关重要。建模的最关键点发生在重叠开始时，此时扭矩梯度达到最大值。由于这种陡峭的扭矩特性，查找表是描述扭矩特性的最理想方式T（i，Ψ）在实时应用中。图6 中说明了在线扭矩估算技术的框图。
基本上，转矩估算需要磁链和相电流作为输入变量。磁链可以根据定子相电压和定子电流来估算。相电压既可以直接测量，也可以根据每个电机相的逆变器电源开关的状态进行数字估算。在这种情况下，只需测量直流电源电压。
Ⅲ DITC
通过在控制器中使用瞬时转矩估算，可以实现闭环直接扭矩控制来在线调节气隙扭矩。
A. DITC的工作原理
DITC包括一个数字转矩滞后控制器，该控制器用于生成开关信号。在单相作用时，磁滞控制器调节一相的估计转矩。在相换相期间，通过控制总转矩间接控制两个相邻相的转矩。为了获得令人满意的转矩换向，在控制器中实施了表I所示的策略。

在有效导通的时间内，即从导通角到截止角，使能信号为1。在单相导通中，开关状态S的绝对值等于1，用于将相绕组连接至正直流电压。0状态表示相位为续流。 - 1状态表示对相施加负直流电压的相的退磁状态。如果电机以两相传导（即换相）运行，则磁化的相将切换到零电压状态。当输入相位仍不能在内部磁滞带内产生所需的转矩时，输出零电压相位会变回状态（1）。这样，可以调节总扭矩。图7示出了所讨论的磁滞控制器的可变结构图。

图7 磁滞控制器
在图8中，通过仿真演示了磁滞控制器的性能。除了表示总的瞬时转矩波动（上），相电压（中）和每个相产生的转矩（下）之外，还描述了对应于不同开关状态周期的可变控制结构状态。

图8 瞬时总转矩和相电压的波形说明了切换策略。 输出相的状态为深灰色，输入相的状态为灰色。
在 T1时刻，换向过程开始。已经激活的相变为零电压状态。几微秒后，总扭矩下降到最低切换阈值以下（请参见图8的顶部图表）。因此，输出相再次与正的直流母线电压连接。这样，可以在外部磁滞带内控制总转矩。可以看出，要求输出相采取两次动作，以此将总转矩保持在磁滞带内。一旦输入相能够调节总转矩，输出相便会停留在零电压状态。在T2时刻，总扭矩上升到最高切换阈值以上。为了不使进入的相消磁，将处于零电压状态的退出相用负电压快速消磁。最后，在T3时刻，此阶段已完全消磁，即传导期结束。
这种直接转矩控制器（DITC）可以不需要精确了解转子位置来调节瞬时转矩。此外，切换策略自动执行相位换相[15]。
B. DITC的理论工作范围
与传统的电流分析技术一样，DITC的热容量以及因此的峰值转换器电流限制了最大可达到的转矩。DITC可达到的最大速度范围受到瞬时反电动势（EMF）的限制。只要最大瞬时反电动势等于或小于直流总线电压 Udc，DITC就可以有效执行。与通常在硬斩波中运行模式下的常见配置文件技术相比，由于使用零电压状态，存在三个电压状态，DTIC的开关器件频率更低所以效率更高。图9描绘了DITC的最终操作范围。
图9 DITC的工作范围和物理给定的驱动极限
为了将直接瞬时转矩控制扩展到整个物理可访问的运行范围，DITC可以与改进的直接平均转矩控制（DATC）技术结合使用[14][15]。使用瞬时转矩估算器，可以通过瞬时转矩的积分确定整个工作范围内的平均转矩。即使开关磁阻电机以单脉冲运行，即瞬时反电动势等于或高于直流母线电压，开关磁阻电机在一个电周期内产生的平均转矩也可以高精度地执行。因此，可以调节命令转矩以补偿平均扭矩误差。实施这样的控制器概念，即将DITC和DATC结合起来，就可以在整个可能的工作范围内控制开关磁阻驱动器，而无需更改控制硬件。因此，将自动执行无缝操作，即没有速度波动或转矩脉动。
C. DITC的实际使用范围
在转矩和电流磁通T（i，Ψ）函数关系下，在低速运行时，DITC的理论工作范围为由于实施了瞬时转矩估算方法而受到限制。当通过有源相电压测量来估算磁通量和转矩时，转矩估算的最关键因素是磁链的集成。模拟信号处理，模型电阻的调整，乘法器，A / D转换等中的所有错误或不准确性都会在磁链的积分中产生偏移，而瞬时偏移将在积分期间内累积。积分持续时间与机器速度成正比，因此小的误差会导致低速时非常大的估计误差。开关磁阻电机的优势在于，可以在每个电周期重置磁链集成，故误差不会累积，可以限制估计漂移。通过在每个激励周期结束时磁链必须为零的物理条件，可以通过在线调整模型电阻来补偿估算路径中任何地方的误差。有关这种补偿方法的详细分析，请参见[15]。尽管如此，实验表明，在实际工作条件下进行有源相电压测量和模拟信号处理时，可以实现0.5 Hz的最小机械角频率，其估计误差小于5％的转矩。
Ⅳ 结论
仿真和实验测试表明，直接转矩控制可实现直至标称速度和标称转矩的平稳转矩控制。可以验证针对转子位置不准确以及针对不正确的切换瞬间的鲁棒性。一旦打开一个相，DITC就不需要任何位置信息来计算和调节扭矩。此外，噪声随着位于接近未对准位置的一组开关角而减小。噪声随着对准位置附近的关闭角度而增加。可见，使用DITC不仅可以控制估计的总转矩的转矩波动。同样，可以直接在机器轴上监视的转矩脉动可以大大降低。然而，由于传动系统的不同机械部件的相互作用，不可能完全消除转矩脉动。
DITC使用电机终端量来估算开关磁阻电机的瞬时转矩。结果表明，DITC可以在不使用高精度高分辨率转子位置估计系统的情况下实现。可以通过简单的自感应方法或简单的低成本机械转子位置传感器生成导通信号（接通和断开角）。无论是在单相励磁期间还是在相换相期间，DITC都不需要整形相电流。通过开关控制策略，即使在粗略设置导通角的情况下，转矩脉动也能在扩展的工作范围内最小化。与传统电流分析技术相比，这种方法工作范围扩大的主要原因是对相电压的灵活的三电平控制。此外，对于由转矩，速度和直流母线电压确定的给定工作范围，不必预先计算大量不同的电流曲线。
综上，与其他用于最小化转矩脉动的技术相比，DITC具有以下基本优势：
• 仅用端子量（电压，电流）估算瞬时转矩；
• 在很大程度上与转子位置无关；
• 直接控制瞬时扭矩-无需曲线；
• 对变化的输入量（例如转矩，速度和电压）具有很高的鲁棒性；
• 通过对相电压进行三级控制，可以扩大工作范围；
• 其他优化标准（效率，噪声）灵活且易于实施