CN104467568B - 一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法，属于电机制动闭环控制系统及方法。该闭环控制系统由转矩调节器、模式选择器、电流调节器、角度优化控制器和转矩估计器组成；整个系统采用制动转矩闭环控制，模式选择器根据电机转速，在低转速区选择实现相电流软斩波控制，在高转速区选择实现角度位置控制，电流调节器实现软斩波滞环电流调节，角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压和相电流在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值，实现制动转矩信号反馈。该方法开关频率低、开关损耗小，制动转矩响应快、制动转矩控制精度高、制动转矩脉动小、能量回馈效率高。

Description

一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电机制动闭环控制系统及方法，特别是一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法。

背景技术

开关磁阻电机系统结构坚固耐用、启动转矩大而启动电流小、在较宽的转速和转矩工作区具有较高的系统效率、故障容错能力强，是电动车理想的电机驱动系统之一，开关磁阻电机系统四象限运行方便，通过后推功率变换器主开关开通角和关断角，让电机相电流主要出现在相电感下降区，电流产生制动转矩，同时将电机与负载的机械能量转换成电能回馈到电源，实现再生制动控制。将开关磁阻电机系统应用于电动车驱动，为了提高车辆加减速动态性能，须实时跟踪主控制给定的制动转矩命令，提高开关磁阻电机驱动系统的制动响应速度，制动转矩闭环控制是当前开关磁阻电机系统的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的是要提供一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统及方法，该闭环控制系统及方法开关频率低、开关损耗小、响应速度快、控制精度高、制动转矩脉动小、能量回馈效率高的制动转矩闭环控制方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括：闭环控制系统及控制方法；

该闭环控制系统包括：低速转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节器、第一角度优化控制器、第二角度优化控制器和转矩估计器；模式选择器的输出端分别与低速转矩调节器和高速转矩调节器的输入端连接，低速转矩调节器和高速转矩调节器的输出端分别与电流调节器和第二角度优化控制器的输入端连接，电流调节器和第二角度优化控制器的输出端通过不对称半桥功率变换器与开关磁阻电机连接，开关磁阻电机的实际相电流i(t)信号分别连接到电流调节器和转矩估计器的输入端；开关磁阻电机的实际相电压u(t)信号连接到转矩估计器的输入端，转矩估计器的输出端反馈到模式选择器的输入端；第一角度优化控制器的输出端与电流调节器的输入端连接，开关磁阻电机的转子位置信号P、Q和R分别与电流调节器、第二角度优化控制器和模式选择器的输入端连接。

所述的低速转矩调节器由前馈环节和PI调节器组成，给定制动转矩值T_ref通过前馈环节与反馈环节连接，转矩误差值ε_T通过PI调节器与反馈环节连接，反馈环节输出为给定相电流值i_ref。

所述的转矩估计器由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器、第一乘法器和第二乘法器组成，第一乘法器通过反馈环节与磁链积分器的输入端连接，磁链积分器的输出端通过磁共能积分器与采样保持器的输入端连接，采样保持器的输出端与第二乘法器的输入端连接，第二乘法器的输出端输出实际制动转矩估计值T_est；实际相电流i(t)信号同时连接到第一乘法器、磁共能积分器和过零检测器的输入端，过零检测器的输出端分别与磁链积分器、磁共能积分器和采样保持器的输入端连接。

所述的电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，实际相电流i(t)信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的一输入端连接，给定相电流值i_rcf信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的另一输入端连接，滞环控制器的输出端与一个与门的一个输入端连接；单次触发比较器的输出端与另一个与门的一个输入端连接；第一角度优化控制器的输出端分别与二个与门的一个输入端连接，转子位置信号P、Q和R分别与二个与门的一个输入端连接和单次触发比较器的一个输入端连接，其中一个与门的输出端输出Q₁、Q₃或Q₅信号，另一个与门的输出端输出Q₂、Q₄或Q₆信号。

所述的闭环控制方法：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环控制，模式选择器根据开关磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优化控制器实现角度位置控制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压u(t)和实际相电流i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，实现制动转矩信号反馈，让实际制动转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref、给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出给定相电流值i_ref，电流调节器根据给定相电流值i_ref与实际相电流值i(t)的电流误差值ε_i，输出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号，经第二角度优化控制器优化输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断，实现开关磁阻电机制动转矩闭环控制。

方法的具体过程如下：

所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值T_ref直接输出前馈电流值i_f，给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T输入到PI调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i_c，前馈电流值i_f与饱和误差补偿电流值i_c之和构成电流调节器的给定相电流值i_ref，给定制动转矩值T_ref和前馈电流值i_f的关系如下式：

式中k_L是电机相电感斜率。

所述的高速转矩调节器由给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。

所述的转矩估计器利用转矩估计器实现实际制动转矩在线估计，电机实际相电压u(t)减去实际相电流i(t)乘以相电阻R得到磁链ψ(t)对时间t的导数作为磁链积分器的输入，磁链积分器的输出为磁链ψ(t)作为磁共能积分器的两个输入之一，实际相电流i(t)作为磁共能积分器的另一个输入，磁共能积分器的输出为磁共能W_m'(t)作为采样保持器的输入，采样保持器的输出为磁共能变化量ΔW_m'，过零检测器检测到实际相电流i(t)为零时，向磁链积分器和磁共能积分器发送复位信号Reset，同时向采样保持器发送触发信号Trigger，采样保持器就采样输出当前电气周期结束时刻的磁共能变化量ΔW_m'，第二乘法器将磁共能变化量ΔW_m'乘以mN_r/2π得到开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，其中，m为电机相数，N_r为电机转子极数。

所述的模式选择器，根据开关磁阻电机的转速，在低转速区选择电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，在高转速区选择第二角度优化控制器实现角度位置控制。

所述的电流调节器利用电流调节器实现软斩波滞环电流调节，滞环控制器比较实际相电流值i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，滞环控制器的输出信号S_h、位置信号P或Q或R，和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关上管的控制信号Q₁或Q₃或Q₅，单次触发比较器比较实际相电流i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，单次触发比较器的输出信号S_C、位置信号P或Q或R和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关下管的控制信号Q₂或Q₄或Q₆，位置信号P或Q或R的下降沿对单次触发比较器发送复位信号Reset。

第一角度优化控制器和第二角度优化控制器均采用遗传算法由适配值函数：

w_τ≥0，w_η≥0，w_τ+w_η＝1 (3)

优化功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off，以平滑制动转矩脉动和提高制动能量回馈效率，式中制动转矩平滑系数T_ave为制动转矩平均值，T_max为瞬时制动转矩最大值，T_min为瞬时制动转矩最小值，τ_max为最优的τ，w_τ为制动转矩平滑系数τ的权重系数，制动能量回馈效率P_Gen为制动时电机系统的发电功率，P_Mech为制动时电机系统的输入机械功率，I_Ch为制动时电机系统的输出电流，U_Bat为制动时电机系统的输出电压，ω为制动时电机角速度，η_max为最优的回馈效率η，w_η为能量回馈效率η的权重系数。

初始化遗传算法参数，设置功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off的范围，并采用10位二进制编码，设置群体大小为M＝20，遗传算法的终止进化代数为G＝100，交叉概率P_c＝0.60，采用自适应变异概率P_m＝0.001-[1:1:M]*0.001/M；接着进行初始化群体，计算出适应度函数f(τ,η)，然后判断是否达到进化迭代次数，如果没有达到进化迭代次数，则继续进行选择、交叉、变异的遗传操作来产生子代，并更新父代、更新种群，继续优化，如果达到进化迭代次数，则输出优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。

有益效果，由于采用了上述方案，对多种相数、多种拓扑结构的开关磁阻电机系统实现了制动转矩闭环控制运行，采用软斩波电流滞环控制，功率变换器开关频率低、开关损耗小；采用制动在线估计，仅滞后实际制动转矩一个电气周期，实现了实际制动转矩快速反馈；转矩调节器既采用前馈环节，加快了系统动态制动转矩响应速度，又采用饱和补偿环节，补偿了电机磁场饱和所引起的制动转矩误差，提高了制动转矩控制精度；采用遗传算法，优化了功率变换器主开关开通角和关断角，制动转矩脉动小、制动能量回馈效率高。该方法具有良好工程应用价值。

附图说明：

图1是本发明的开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统结构示意图。

图2是本发明的低速转矩调节器结构示意图。

图3是本发明的转矩估计器结构示意图。

图4是本发明的电流调节器结构示意图。

图5是本发明的遗传算法优化功率变换器主开关开通角和关断角流程示意图。

具体实施方式

本发明包括：闭环控制系统及控制方法；

该闭环控制系统包括：低速转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节器、第一角度优化控制器、第二角度优化控制器和转矩估计器；模式选择器的输出端分别与低速转矩调节器和高速转矩调节器的输入端连接，低速转矩调节器和高速转矩调节器的输出端分别与电流调节器和第二角度优化控制器的输入端连接，电流调节器和第二角度优化控制器的输出端通过不对称半桥功率变换器与开关磁阻电机连接，开关磁阻电机的实际相电流i(t)信号分别连接到电流调节器和转矩估计器的输入端；开关磁阻电机的实际相电压u(t)信号连接到转矩估计器的输入端，转矩估计器的输出端反馈到模式选择器的输入端；第一角度优化控制器的输出端与电流调节器的输入端连接，开关磁阻电机的转子位置信号P、Q和R分别与电流调节器、第二角度优化控制器和模式选择器的输入端连接。

所述的低速转矩调节器由前馈环节和PI调节器组成，给定制动转矩值T_ref通过前馈环节与反馈环节连接，转矩误差值ε_T通过PI调节器与反馈环节连接，反馈环节输出为给定相电流值i_ref。

所述的转矩估计器由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器、第一乘法器和第二乘法器组成，第一乘法器通过反馈环节与磁链积分器的输入端连接，磁链积分器的输出端通过磁共能积分器与采样保持器的输入端连接，采样保持器的输出端与第二乘法器的输入端连接，第二乘法器的输出端输出实际制动转矩估计值T_est；实际相电流i(t)信号同时连接到第一乘法器、磁共能积分器和过零检测器的输入端，过零检测器的输出端分别与磁链积分器、磁共能积分器和采样保持器的输入端连接。

所述的电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，实际相电流i(t)信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的一输入端连接，给定相电流值i_rcf信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的另一输入端连接，滞环控制器的输出端与一个与门的一个输入端连接；单次触发比较器的输出端与另一个与门的一个输入端连接；第一角度优化控制器的输出端分别与二个与门的一个输入端连接，转子位置信号P、Q和R分别与二个与门的一个输入端连接和单次触发比较器的一个输入端连接，其中一个与门的输出端输出Q₁、Q₃或Q₅信号，另一个与门的输出端输出Q₂、Q₄或Q₆信号。

所述的闭环控制方法：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环控制，模式选择器根据开关磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优化控制器实现角度位置控制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压u(t)和实际相电流i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，实现制动转矩信号反馈，让实际制动转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref、给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出给定相电流值i_ref，电流调节器根据给定相电流值i_ref与实际相电流值i(t)的电流误差值ε_i，输出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号，经第二角度优化控制器优化输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断，实现开关磁阻电机制动转矩闭环控制。

方法的具体过程如下：

所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值T_ref直接输出前馈电流值i_f，给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T输入到PI调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i_c，前馈电流值i_f与饱和误差补偿电流值i_c之和构成电流调节器的给定相电流值i_ref，给定制动转矩值T_ref和前馈电流值i_f的关系如下式：

式中k_L是电机相电感斜率。

所述的高速转矩调节器由给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。

所述的转矩估计器利用转矩估计器实现实际制动转矩在线估计，电机实际相电压u(t)减去实际相电流i(t)乘以相电阻R得到磁链ψ(t)对时间t的导数作为磁链积分器的输入，磁链积分器的输出为磁链ψ(t)作为磁共能积分器的两个输入之一，实际相电流i(t)作为磁共能积分器的另一个输入，磁共能积分器的输出为磁共能W_m'(t)作为采样保持器的输入，采样保持器的输出为磁共能变化量ΔW_m'，过零检测器检测到实际相电流i(t)为零时，向磁链积分器和磁共能积分器发送复位信号Reset，同时向采样保持器发送触发信号Trigger，采样保持器就采样输出当前电气周期结束时刻的磁共能变化量ΔW_m'，第二乘法器将磁共能变化量ΔW_m'乘以mN_r/2π得到开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，其中，m为电机相数，N_r为电机转子极数。

所述的模式选择器，根据开关磁阻电机的转速，在低转速区选择电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，在高转速区选择第二角度优化控制器实现角度位置控制。

所述的电流调节器利用电流调节器实现软斩波滞环电流调节，滞环控制器比较实际相电流值i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，滞环控制器的输出信号S_h、位置信号P或Q或R，和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关上管的控制信号Q₁或Q₃或Q₅，单次触发比较器比较实际相电流i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，单次触发比较器的输出信号S_C、位置信号P或Q或R和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关下管的控制信号Q₂或Q₄或Q₆，位置信号P或Q或R的下降沿对单次触发比较器发送复位信号Reset。

第一角度优化控制器和第二角度优化控制器均采用遗传算法由适配值函数：

w_τ≥0，w_η≥0，w_τ+w_η＝1 (3)

优化功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off，以平滑制动转矩脉动和提高制动能量回馈效率，式中制动转矩平滑系数T_ave为制动转矩平均值，T_max为瞬时制动转矩最大值，T_min为瞬时制动转矩最小值，τ_max为最优的τ，w_τ为制动转矩平滑系数τ的权重系数，制动能量回馈效率P_Gen为制动时电机系统的发电功率，P_Mech为制动时电机系统的输入机械功率，I_Ch为制动时电机系统的输出电流，U_Bat为制动时电机系统的输出电压，ω为制动时电机角速度，η_max为最优的回馈效率η，w_η为能量回馈效率η的权重系数。

初始化遗传算法参数，设置功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off的范围，并采用10位二进制编码，设置群体大小为M＝20，遗传算法的终止进化代数为G＝100，交叉概率P_c＝0.60，采用自适应变异概率P_m＝0.001-[1:1:M]*0.001/M；接着进行初始化群体，计算出适应度函数f(τ,η)，然后判断是否达到进化迭代次数，如果没有达到进化迭代次数，则继续进行选择、交叉、变异的遗传操作来产生子代，并更新父代、更新种群，继续优化，如果达到进化迭代次数，则输出优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

实施例1：如图1所示，为开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，为闭环控制方法的专用系统，该控制系统由低速转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节器、第一角度优化控制器、第一角度优化控制器和转矩估计器组成。

所述的闭环控制方法：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环控制，模式选择器根据开关磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优化控制器实现角度位置控制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压u(t)和实际相电流i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，实现制动转矩信号反馈，让实际制动转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref、给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出给定相电流值i_ref，电流调节器根据给定相电流值i_ref与实际相电流值i(t)的电流误差值ε_i，输出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号，经第二角度优化控制器优化输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断，实现开关磁阻电机制动转矩闭环控制。

1)如图2所示，所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值T_ref直接输出前馈电流值i_f，给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T输入到PI调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i_c，前馈电流值i_f与饱和误差补偿电流值i_c之和构成电流调节器的给定相电流值i_ref，给定制动转矩值T_ref和前馈电流值i_f的关系如下式：

式中k_L是电机相电感斜率；

2)利用高速转矩调节器由给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号；

3)如图3所示，转矩估计器实现实际制动转矩在线估计，它由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器和乘法器组成，电机实际相电压u(t)减去实际相电流i(t)乘以相电阻R得到磁链ψ(t)对时间t的导数作为磁链积分器的输入，磁链积分器的输出为磁链ψ(t)作为磁共能积分器的两个输入之一，实际相电流i(t)作为磁共能积分器的另一个输入，磁共能积分器的输出为磁共能W_m'(t)作为采样保持器的输入，采样保持器的输出为磁共能变化量ΔW_m'，过零检测器检测到实际相电流i(t)为零时，向磁链积分器和磁共能积分器发送复位信号Reset，同时向采样保持器发送触发信号Trigger，采样保持器就采样输出当前电气周期结束时刻的磁共能变化量ΔW_m'，第二乘法器将磁共能变化量ΔW_m'乘以mN_r/2π得到开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，其中，m为电机相数，N_r为电机转子极数；

4)利用模式选择器根据开关磁阻电机的转速，在低转速区选择电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，在高转速区选择第二角度优化控制器实现角度位置控制；

5)如图4所示，电流调节器实现软斩波滞环电流调节，电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，滞环控制器比较实际相电流值i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，滞环控制器的输出信号S_h、位置信号P或Q或R，和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关上管的控制信号Q₁或Q₃或Q₅，单次触发比较器比较实际相电流i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，单次触发比较器的输出信号S_C、位置信号P或Q或R和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关下管的控制信号Q₂或Q₄或Q₆，位置信号P或Q或R的下降沿对单次触发比较器发送复位信号Reset；

6)第一角度优化控制器和第二角度优化控制器均采用遗传算法由适配值函数：

w_τ≥0，w_η≥0，w_τ+w_η＝1 (3)

优化功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off，以平滑制动转矩脉动和提高制动能量回馈效率，式中制动转矩平滑系数T_ave为制动转矩平均值，T_max为瞬时制动转矩最大值，T_min为瞬时制动转矩最小值，τ_max为最优的τ，w_τ为制动转矩平滑系数τ的权重系数，制动能量回馈效率P_Gen为制动时电机系统的发电功率，P_Mech为制动时电机系统的输入机械功率，I_Ch为制动时电机系统的输出电流，U_Bat为制动时电机系统的输出电压，ω为制动时电机角速度，η_max为最优的回馈效率η，w_η为能量回馈效率η的权重系数；

7)如图5所示，首先初始化遗传算法GA参数，设置功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off的范围分别为[18°,28°]、[30°,40°]，(0°和45°为最小电感位置，22.5°为最大电感位置)，并采用10位二进制编码，设置群体大小为M＝20，遗传算法的终止进化代数为G＝100，交叉概率P_c＝0.60，采用自适应变异概率P_m＝0.001-[1:1:M]*0.001/M；接着初始化群体，调用SRM动态仿真模型，选择w_τ＝0.3，w_η＝0.7，计算出适应度函数f(τ,η)，然后判断是否达到进化迭代次数，如果没有达到进化迭代次数，则继续进行选择、交叉、变异的遗传操作来产生子代，并更新父代、更新种群，继续优化，如果达到进化迭代次数，则输出优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_of信号_f，优化后的指标为τ＝1.382,η＝91.36％，从而实现了较小的制动转矩脉动和较高的制动能量回馈效率。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：该闭环控制系统包括：低速转矩调节器、高速转矩调节器、模式选择器、电流调节器、第一角度优化控制器、第二角度优化控制器和转矩估计器；模式选择器的输出端分别与低速转矩调节器和高速转矩调节器的输入端连接，低速转矩调节器和高速转矩调节器的输出端分别与电流调节器和第二角度优化控制器的输入端连接，电流调节器和第二角度优化控制器的输出端通过不对称半桥功率变换器与开关磁阻电机连接，开关磁阻电机的实际相电流i(t)信号分别连接到电流调节器和转矩估计器的输入端；开关磁阻电机的实际相电压u(t)信号连接到转矩估计器的输入端，转矩估计器的输出端反馈到模式选择器的输入端；第一角度优化控制器的输出端与电流调节器的输入端连接，开关磁阻电机的转子位置信号P、Q和R分别与电流调节器、第二角度优化控制器和模式选择器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述的低速转矩调节器由前馈环节和PI调节器组成，给定制动转矩值T_ref通过前馈环节与反馈环节连接，转矩误差值ε_T通过PI调节器与反馈环节连接，反馈环节输出为给定相电流值i_ref。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述的转矩估计器由磁链积分器、磁共能积分器、采样保持器、过零检测器、第一乘法器和第二乘法器组成，第一乘法器通过反馈环节与磁链积分器的输入端连接，磁链积分器的输出端通过磁共能积分器与采样保持器的输入端连接，采样保持器的输出端与第二乘法器的输入端连接，第二乘法器的输出端输出实际制动转矩估计值T_est；实际相电流i(t)信号同时连接到第一乘法器、磁共能积分器和过零检测器的输入端，过零检测器的输出端分别与磁链积分器、磁共能积分器和采样保持器的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统，其特征是：所述的电流调节器由滞环控制器、单次触发比较器和两个三输入与门组成，实际相电流i(t)信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的一输入端连接，给定相电流值i_ref信号同时与滞环控制器和单次触发比较器的另一输入端连接，滞环控制器的输出端与一个与门的一个输入端连接；单次触发比较器的输出端与另一个与门的一个输入端连接；第一角度优化控制器的输出端分别与二个与门的一个输入端连接，转子位置信号P、Q和R分别与二个与门的一个输入端连接和单次触发比较器的一个输入端连接，其中一个与门的输出端输出Q₁、Q₃或Q₅信号，另一个与门的输出端输出Q₂、Q₄或Q₆信号。

5.采用权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：采用低速转矩调节器和高速转矩调节器实现制动转矩闭环控制，模式选择器根据开关磁阻电机的转速，低转速区选择低速转矩调节器、电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，高转速区选择高速转矩调节器和第二角度优化控制器实现角度位置控制，第一角度优化控制器和第二角度优化控制器优化功率变换器主开关开通角和关断角以 减小转矩脉动、提高制动能量回馈效率，转矩估计器由电机实际相电压u(t)和实际相电流i(t)在线估计开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，实现制动转矩信号反馈，让实际制动转矩跟踪给定的制动转矩；在低转速区，低速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref、给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出给定相电流值i_ref，电流调节器根据给定相电流值i_ref与实际相电流值i(t)的电流误差值ε_i，输出软斩波信号，并结合第一角度优化控制器输出的优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号和当前转子位置信号P、Q、R，输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断；在高转速区，高速转矩调节器根据给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号，经第二角度优化控制器优化输出功率变换器主开关控制信号Q1、…、Q6，控制功率变换器主开关的开通和关断，实现开关磁阻电机制动转矩闭环控制。

6.根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：所述的低速转矩调节器前馈环节根据给定制动转矩值T_ref直接输出前馈电流值i_f，给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T输入到PI调节器，PI调节器输出饱和误差补偿电流值i_c，前馈电流值i_f与饱和误差补偿电流值i_c之和构成电流调节器的给定相电流值i_ref，给定制动转矩值T_ref和前馈电流值i_f的关系如下式：

式中k_L是电机相电感斜率。

7.根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：所述的高速转矩调节器由给定制动转矩值T_ref与转矩估计器输出的实际制动转矩估计值T_est的转矩误差值ε_T，输出功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。

8.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：所述的转矩估计器利用转矩估计器实现实际制动转矩在线估计，电机实际相电压u(t)减去实际相电流i(t)乘以相电阻R得到磁链ψ(t)对时间t的导数作为磁链积分器的输入，磁链积分器的输出为磁链ψ(t)作为磁共能积分器的两个输入之一，实际相电流i(t)作为磁共能积分器的另一个输入，磁共能积分器的输出为磁共能W_m′(t)作为采样保持器的输入，采样保持器的输出为磁共能变化量ΔW_m′，过零检测器检测到实际相电流i(t)为零时，向磁链积分器和磁共能积分器发送复位信号Reset，同时向采样保持器发送触发信号Trigger，采样保持器就采样输出当前电气周期结束时刻的磁共能变化量ΔW_m′，第二乘法器将磁共能变化量ΔW_m′乘以mN_r/2π得到开关磁阻电机实际制动转矩估计值T_est，其中，m为电机相数，N_r为电机转子极数。

9.根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：所述的模式选择器，根据开关磁阻电机的转速，在低转速区选择电流调节器和第一角度优化控制器实现相电流软斩波控制，在高转速区选择第二角度优化控制器实现角度位置控制。

10.根据权利要求5所述的一种开关磁阻电机制动转矩闭环控制系统的方法，其特征是：所述的电流调节器利用电流调节器实现软斩波滞环电流调节，滞环控制器比较实际相电流值i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，滞环控制器的输出信号S_h、位置信号P或Q或R，和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关上管的控制信号Q₁或Q₃或Q₅，单次触发比较器比较实际相电流i(t)和给定相电流值i_ref这两个输入信号，单次触发比较器的输出信号S_C、位置信号P或Q或R和第一角度优化控制器输出的功率变换器主开关开通角θ_on信号、关断角θ_off信号逻辑“与”后作为功率变换器主开关下管的控制信号Q₂或Q₄或Q₆，位置信号P或Q或R的下降沿对单次触发比较器发送复位信号Reset；

第一角度优化控制器和第二角度优化控制器均采用遗传算法由适配值函数：

w_τ≥0，w_η≥0，w_τ+w_η＝1 (3)

优化功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off，以平滑制动转矩脉动和提高制动能量回馈效率，式中制动转矩平滑系数T_ave为制动转矩平均值，T_max为瞬时制动转矩最大值，T_min为瞬时制动转矩最小值，τ_max为最优的τ，w_τ为制动转矩平滑系数τ的权重系数，制动能量回馈效率P_Gen为制动时电机系统的发电功率，P_Mech为制动时电机系统的输入机械功率，I_Ch为制动时电机系统的输出电流，U_Bat为制动时电机系统的输出电压，ω为制动时电机角速度，η_max为最优的回馈效率η，w_η为能量回馈效率η的权重系数；

初始化遗传算法参数，设置功率变换器主开关开通角θ_on和关断角θ_off的范围，并采用10位二进制编码，设置群体大小为M＝20，遗传算法的终止进化代数为G＝100，交叉概率P_c＝0.60，采用自适应变异概率P_m＝0.001-[1:1:M]*0.001/M；接着进行初始化群体，计算出适应度函数f(τ,η)，然后判断是否达到进化迭代次数，如果没有达到进化迭代次数，则继续进行选择、交叉、变异的遗传操作来产生子代，并更新父代、更新种群，继续优化，如果达到进化迭代次数，则输出优化的功率变换器主开关开通角θ_on信号和关断角θ_off信号。