本發明涉及新能源汽車驅動用開關磁阻電機的控制技術領域，具體為一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法與系統。

背景技術：

開關磁阻電機srm(switchedreluctancemotor，srm)具有成本低、結構簡單、魯棒性好以及相對較高的轉矩輸出等特點，適合應用于新能源電動汽車領域。然而，開關磁阻電機的雙凸極結構、電磁特性的高度非線性和強耦合性，導致其運行時尤其是低速運行時轉矩脈動較大，由轉矩脈動導致的噪音問題嚴重，特定頻率下的諧振問題也較為突出。這些缺點限制了開關磁阻電機在小型電動汽車上的應用。目前，抑制轉矩脈動主要方法有兩類：一類是從電機設計的角度出發，改進電機的結構；另一類是從控制策略的角度出發，設計更適宜的控制方案。現有的控制方案中，改進的轉矩分配函數tsf(torque-sharingfunction,tsf)控制有廣泛應用。相關文獻報道考慮到srm的強非線性，舍棄固定的tsf，而是不斷調整tsf函數使相電流的平方最小。也有的文獻考慮了電機磁場的非線性及高度磁飽和性，通過優化換相期間開通相與關斷相電流曲線以抑制脈動。還有的方案是采用模糊邏輯控制在線修改tsf，以轉矩偏差及其變化率作為模糊邏輯控制的輸入，分配函數的補償量為輸出，補償開通期望轉矩以抵消拖尾電流的影響以降低轉矩脈動。其中tsf控制均有參考相轉矩轉換成相電流的環節，本質上是對電流的分配。轉矩-電流轉換有兩種方法：一種方法是查表法，但是表格不易獲取且占用大量系統資源；另一種方法是數學計算。也有的文獻報道采用交流電動機坐標變換的思想，將開關磁阻電動機的給定電流進行坐標變換，然后再進行一系列復雜的數學運算，以獲得開關磁阻電動機各相的參考控制電流。現有的方法的計算均太復雜或者結果不精確，難以實現有效抑制開關磁阻電機的轉矩脈動。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法，根據相電流平方之和與轉子位置角的周期性關系，設計了基于電流-位置神經網絡模型，直接由轉子位置角計算相電流平方之和，作為參考總電流，再通過分配函數得到三相參考電流。三相參考電流與三相實測電流的差作為電流遲滯控制器的輸入信號，控制開關磁阻電機的運行，本方法有效地降低srm的轉矩脈動。

本發明的另一目的是設計一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制系統。包括信號處理器、功率驅動器、電流傳感器、轉矩傳感器、位置傳感器及開關磁阻電機srm。信號處理器含有電流-位置神經網絡模塊、電流分配模塊及電流滯環控制器。信號處理器接收各傳感器信號，其各模塊運算得到電流遲滯控制器的輸入信號，控制功率驅動器，驅動開關磁阻電機。

本發明設計的一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法，包括以下步驟：

步驟ⅰ、電流-位置神經網絡模型

ⅰ-1、相電流平方之和與轉矩的關系

srm遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的原理，產生磁拉力形式轉矩，轉矩的大小與相電感、相電流和轉子位置角有關，srm輸出轉矩的數學模型為：

式(1)中，tkk為第kk相轉矩的值；lkk為第kk相電感的值；ikk為第kk相實測電流的值；θ為電機轉子位置角。kk＝1,2,3，分別對應srm的a、b及c相。

選擇合適的開通關斷角，在srm磁路未達到飽和時，相電感與轉子位置角近似為線性關系，電感變化率近似為常數kl，式(1)寫成：

即：

式(2)和式(3)中，t為srm的輸出轉矩。

由式(3)得知，相電流平方之和與輸出轉矩是線性對應關系。

ⅰ-2、電流-位置神經網絡模型構建

以srm某相導通至其鄰相導通為一個運行區間，將電機的運行劃分為不同的運行區間。以θ1、θ2及θ3分別為電機三相在不同位置的轉子位置角，那么θ1-θ2為一個運行區間，θ2-θ3為下一個運行區間。

srm不同區間運行狀態相同只是通斷的相不同，也就是說各個區間相電流波形是相同的。因此，srm運行時相電流平方之和iz與轉子位置角θ呈周期函數關系。

利用相電流平方之和與轉子位置角所表現出的周期關系，構建電流-位置神經網絡模型。因相電流平方之和與輸出轉矩是線性對應關系,所以在電流-位置神經網絡模型中，直接采用轉矩偏差作為學習信號，得到相電流平方之和。根據srm各周期的相電流波形與高斯函數接近的特點，為提高計算速度并減小計算量，神經網絡的激勵函數選用高斯函數。本發明選擇rbf_nn(radiobasisfunctionneuralnetwork)神經網絡模型的結構。神經網絡的輸入為轉子位置角θ；神經網絡的輸出即相電流平方之和iz，作為參考總電流；激勵函數為高斯基函數hj；為了消除控制系統設計對電機參數的依賴，融入神經網絡的權值中。

rbf_nn神經網絡模型輸出的相電流平方之和iz通過電流分配及電流滯環控制器，控制srm運轉；期望轉矩td與srm實測的輸出轉矩t之差為誤差信號δt，作為rbf_nn神經網絡模型的學習信號。

電流-位置神經網絡中各參數間關系如式(4)、式(5)所示：

式(4)和(5)中，hj為高斯函數的輸出，wj為輸出層加權系數，cj為節點的中心；bj為節點的基參數，j為某個隱含節點，隱含節點總數為n，取值范圍5～20。

誤差目標e(k)為：

式(6)中，td(k)為k時刻的期望轉矩，t(k)為k時刻的srm的輸出轉矩。δt(k)是td(k)與t(k)之差。

根據梯度下降法，權值、節點中心及節點基寬參數的迭代算法為：

δwj(k)＝ηδt(k)hj(k)(7)

wj(k+1)＝wj(k)+δwj(k)+α[wj(k)-wj(k-1)](8)

bj(k+1)＝bj(k)+△bj(k)+α[bj(k)-bj(k-1)](10)

cj(k+1)＝cj(k)+△cj(k)+α[cj(k)-cj(k-1)](12)

式(7)～式(12)中，wj(k)為k時刻的輸出層權值，wj(k-1)是k時刻的前一時刻的輸出層權值，△wj(k)為k時刻的調整權值增量；bj(k)為k時刻的高斯函數中寬度參數，bj(k-1)是k時刻的前一時刻的高斯函數中寬度參數，△bj(k)為高斯函數中寬度參數增量；cj(k)為k時刻的高斯函數中心參數，cj(k-1)是k時刻的前一時刻的高斯函數中心參數，δcj(k)為高斯函數中心參數的增量；θ(k)為k時刻的轉子位置角。hj(k)為k時刻的高斯函數的輸出。η為學習速率取值在0～1；α為動量因子，取值范圍0.001～0.1。

步驟ⅱ、電流分配

典型的分配函數有直線型、指數型、正弦型、立方型四種。本發明選擇正弦型分配函數作為電流分配函數，正弦型電流分配函數如下：

式(13)中，fkk(θ)為第kk相的電流分配函數；θon為開通角；θov為相電流重疊角；θoff為導通相電流減小的起始角；τr為360度周期角。

通過分配函數對相電流平方之和iz進行分配，求得各相參考電流。

ikk＝izfkk(θ)(14)

式(14)中，ikk為srm第kk相的參考電流。

步驟ⅲ、電流滯環控制

傳統電流滯環控制器的輸出僅對應功率驅動器的開1和關-1兩種狀態。本發明的電流滯環控制器的輸出對應功率驅動器的開1、關-1和續流0三種狀態。在srm單相導通區和開通區，當電流偏差小于閾值|△imax|時，功率驅動器的狀態為續流0。

本發明根據實時檢測的srm電機轉子位置角，轉矩偏差δt，作為rbf_nn神經網絡模型的學習信號，通過該rbf_nn神經網絡模型，得到srm三相的相電流平方和iz作為參考總電流。通過電流分配后，得到srm的三相參考電流與三相實測電流的差送入電流滯環控制器。電流滯環控制器的輸出送給功率驅動器，驅動srm運轉。

本發明設計的一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制系統，包括信號處理器、功率驅動器、電流傳感器、轉矩傳感器、位置傳感器及開關磁阻電機srm。

電流傳感器、轉矩傳感器和位置傳感器安裝于開關磁阻電機，分別采集srm的a、b和c相的三相電流值ia、ib和ic，srm的輸出轉矩t，以及srm的轉子位置角θ；各傳感器的信號線與信號處理器連接。

信號處理器含有電流-位置神經網絡模塊、電流分配模塊及電流滯環控制器。

信號處理器接收電流傳感器、轉矩傳感器、位置傳感器輸出信號以及輸入的期望轉矩值td，電流-位置神經網絡模塊根據期望轉矩值td與實測轉矩的差δt以及轉子位置角θ得到輸出相電流平方之和iz，iz經電流分配模塊得到對應srm電機a、b及c三相的參考電流ia、ib及ic；三相參考電流與三相實測電流的差δia、δib和δic接入電流滯環控制器作為輸入信號，得到控制信號接入功率驅動器，驅動srm運轉。

信號處理器連接顯示設施，實時顯示本系統控制狀態和srm的控制結果。

信號處理器連接can(控制器局域網絡controllerareanetwork)接口，提供與外設通信接口。

與現有技術相比，本發明一種基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法與系統的優點為：1、根據相電流平方之和與轉子位置角的周期性特殊關系，設計了電流-位置神經網絡模型，直接由轉子位置角和轉矩偏差計算相電流平方之和；2、參考tsf控制的分配方法，通過分配函數得到參考相電流與三相實測電流的差作為電流滯環控制器的輸入信號；3、本發明有效地降低srm轉矩脈動，脈動率可低至僅1.7％。

附圖說明

圖1為本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法實施例步驟ⅰ-2中電機運行區間劃分示意圖；

圖2為本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法實施例步驟ⅰ-2中電流-位置神經網絡模型的拓撲結構示意圖；

圖3為本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法實施例步驟ⅰ-2中電流-位置神經網絡模型的實現原理圖；

圖4本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制系統結構示意圖。

具體實施方式

基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法實施例

本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制方法實施例，包括以下步驟：

步驟ⅰ、電流-位置神經網絡模型

ⅰ-1、相電流平方之和與轉矩的關系

srm輸出轉矩的數學模型為：

式(1)中，tkk為第kk相轉矩的值；lkk為第kk相電感的值；ikk為第kk相實測電流的值；θ為電機轉子位置角。kk＝1,2,3，分別對應srm的a、b及c相。

選擇合適的開通關斷角，在srm磁路未達到飽和時，相電感與轉子位置角近似為線性關系，電感變化率近似為常數kl，式(1)寫成：

即：

式(2)和式(3)中，t為srm的輸出轉矩。

由式(3)得知，相電流平方之和與輸出轉矩是線性對應關系。

ⅰ-2電流-位置神經網絡模型構建

如圖1所示，以srm某相導通至其鄰相導通為一個運行區間，將電機的運行劃分為不同的運行區間。以θ1、θ2及θ3分別為電機三相在不同位置的轉子位置角，那么θ1-θ2為一個運行區間，θ2-θ3為下一個運行區間。

srm不同區間運行狀態相同只是通斷的相不同，也就是說各個區間相電流波形是相同的。因此，srm運行時相電流平方之和iz與轉子位置角θ呈周期函數關系。

利用相電流平方之和與轉子位置角所表現出的周期關系，構建電流-位置神經網絡模型。因相電流平方之和與輸出轉矩是線性對應關系,所以在電流-位置神經網絡模型中，直接采用轉矩偏差作為學習信號得到相電流平方之和。如圖2所示，本例選擇rbf_nn神經網絡模型的結構。神經網絡的輸入為轉子位置角θ；神經網絡的輸出即相電流平方之和iz；激勵函數為高斯函數hj；融入神經網絡的權值中。rbf_nn神經網絡模型輸出的相電流平方之和iz通過電流分配及電流滯環控制器，控制srm運轉；期望轉矩td與srm實測的輸出轉矩t之差為誤差信號δt，作為rbf_nn神經網絡模型的學習信號。

電流-位置神經網絡中各參數間關系如式(4)、式(5)所示：

式(4)和(5)中，hj為高斯函數的輸出，wj為輸出層加權系數，cj為節點的中心；bj為節點的基參數，j為某個隱含節點，隱含節點總數為n，本例取n＝10。

誤差目標e(k)為：

式(6)中，td(k)為k時刻的期望轉矩，t(k)為k時刻的srm輸出轉矩。△t(k)是td(k)與t(k)之差。

根據梯度下降法，權值、節點中心及節點基寬參數的迭代算法為：

△wj(k)＝η△t(k)hj(k)(7)

wj(k+1)＝wj(k)+△wj(k)+α[wj(k)-wj(k-1)](8)

cj(k+1)＝cj(k)+△cj(k)+α[cj(k)-cj(k-1)](12)

式(7)～式(12)中，wj(k)為k時刻的輸出層權值，wj(k-1)是k時刻的前一時刻的輸出層權值，△wj(k)為k時刻的調整權值增量；bj(k)為k時刻的高斯函數中寬度參數，bj(k-1)是k時刻的前一時刻的高斯函數中寬度參數，△bj(k)為高斯函數中寬度參數增量；cj(k)為k時刻的高斯函數中心參數，cj(k-1)是k時刻的前一時刻的高斯函數中心參數，δcj(k)為高斯函數中心參數的增量；θ(k)為k時刻的轉子位置角。hj(k)為k時刻的高斯函數的輸出。η為學習速率，本例η＝0.3；α為動量因子,本例α＝0.01。

步驟ⅱ、電流分配

典型的分配函數有直線型、指數型、正弦型、立方型四種。本發明選擇正弦型分配函數作為電流分配函數，正弦型電流分配函數如下：

式(13)中，fkk(θ)為第kk相的電流分配函數；θon為開通角；θov為相電流重疊角；θoff為導通相電流減小的起始角；τr為360度周期角。

通過分配函數對相電流平方之和iz進行分配，求得各相參考電流。

ikk＝izfkk(θ)(14)

式(14)中，ikk為srm第kk相的參考電流。

步驟ⅲ、電流滯環控制

本例電流滯環控制器的輸出對應功率驅動器的開1、關-1和續流0三種狀態。在srm單相導通區和開通區，當電流偏差小于閾值|△imax|時，功率驅動器的狀態為續流0。

本例根據實時檢測的srm電機轉子位置角，轉矩偏差δt作為rbf_nn神經網絡模型的學習信號，過通過該rbf_nn神經網絡模型，得到srm三相的相電流平方和iz作為參考總電流iz。通過電流分配后，得到srm的三相參考電流ia、ib及ic，三相參考電流與三相實測電流的差送入電流滯環控制器作為輸入信號。電流滯環控制器的輸出送給功率驅動器，驅動srm運轉。

基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制系統實施例

本基于電流-位置的開關磁阻電機轉矩脈動抑制系統實施例的整體結構如圖4所示，包括信號處理器、功率驅動器、電流傳感器、轉矩傳感器、位置傳感器及開關磁阻電機srm。

電流傳感器、轉矩傳感器和位置傳感器安裝于開關磁阻電機，分別采集srm的a、b和c相的三相實測電流值ia、ib和ic，srm的輸出轉矩t，以及srm的轉子位置角θ；各傳感器的信號線與信號處理器連接。

信號處理器含有電流-位置神經網絡模塊、電流分配模塊及電流滯環控制器。

信號處理器接收電流傳感器、轉矩傳感器、位置傳感器輸出信號以及輸入的期望轉矩值td，電流-位置神經網絡模塊根據期望轉矩值td與實測轉矩的差δt以及轉子位置角θ得到輸出相電流平方之和iz，iz經電流分配模塊得到對應srm電機a、b及c三相的參考電流ia、ib及ic；δia、δib和δic分別表示三相參考電流與三相對應電流之差。

三相參考電流與對應實測三相電流的差作為電流滯環控制器的輸入信號，得到控制信號接入功率驅動器，驅動srm運轉。本例開關磁阻電機的轉矩脈動率僅為1.7％。

本例信號處理器連接顯示設施，實時顯示本系統控制狀態和srm的控制結果。

本例信號處理器連接can接口，提供與外設通信接口。

上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明并非限定于此。凡在本發明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。