1引言

      由于其简单的结构，SRM提供了出色的鲁棒性和可靠性高于其他电机类型。

       它们的旋转部分不需要稀土材料或绕组。因此，它们提供低成本、高容错、低维护和宽速度范围的驱动器。这些重要的偏好使他们成为非常有潜力的选择在电动汽车产业中。然而，转子和定子极都是突出的，导致电机转矩和噪声问题的不希望的波纹。

       对于转矩脉动问题，前人提出了两种方法。第一种方法是在调整机器设计的基础上，如绕组配置或优化其几何尺寸。这种策略可以最小化机器产生的转矩脉动和噪声，但只是在一定程度上。此外，一旦机器制造出来，就很难对其尺寸进行修改。第二种方法依赖于先进的控制策略，如电流斩波控制，平均转矩控制(ATC)，间接瞬时转矩控制(IITC)，直接瞬时转矩控制(DITC)。在这些技术中，IITC和DITC可以大大降低电机的转矩脉动，特别是在低和中速范围内。在相关中，实现了一种改进的IIT控制器，以实现电动汽车的转矩脉动最小化、效率最大化和转矩电流比最大化的要求。通过分析得到了在定子和转子极点开始重叠的时刻，使相电流精确地达到指令值的导通角。

       这样就保证了最大的转矩电流比采用了一种升级的蚁群优化算法来优化预先选定的正弦TSF的开启角和重叠角。优化问题的目标是在保证平均输出转矩在允许范围内的情况下，降低SRM转矩脉动和铜损耗。

       将磁通量变化率和电流的均方根值组合成一个多目标函数，并基于所提出的离线TSF最小化。我们在本文中分析和讨论了不同的TSFs，包括正弦、三次、线性和指数TSFs。实现了基于模糊逻辑控制(FLC)的dtc，并在不同工况下进行了测试，准确地跟踪了转矩参考值。因此，减小了转矩脉动。我们提出了一种基于优化DITC的自适应换向策略。实时调节导通角，使两相电流干扰期间的转矩误差最小化。虽然调节关断角使电流相位在两个端点之间衰减为零，但在低速运行时，电流急剧衰减。因此，在两个端点之间可以获得相当大的电流。在基本速度以上采用ATC方法。在这两种情况下，最佳地选择了开关角。在较宽的转速范围内，转矩脉动和电机效率都得到了提高。

       但是在同一控制器中使用两种技术会增加控制器的复杂性;此外，从DITC过渡到ATC时，换向角可能发生较大变化，导致过渡运行不稳定。

       采用改进版firefly算法对DITC参数进行了优化，大大减小了转矩脉动，增强了整体动态响应。将转矩滞环控制器替换为PWM控制器以获得固定的开关频率。

      在本研究中，提出了一种改进的DITC策略，以充分利用SRM的扭矩产生能力。同时提高了效率和转矩脉动。在不同的运行速度和负载条件下，分析计算了两个开关角的初值，充分利用了电感的正斜率区域。然后，通过两个换向控制器在每个电循环中实时调整这两个角度。通过对开关角进行修正，补偿了指令参考扭矩与SRM平均扭矩之间的误差。这有助于提高所提出的DITC的转矩跟踪精度，从而减少转矩波动。电流检测器用于调节关断角度，以抑制严重的负扭矩产生。因此，它有助于提高运动效率。引入基于dtc的新型自适应换相策略，实现了良好的转矩脉动抑制，提高了电机效率。

       本文的布局如下:第二节简要介绍了SRM中常用的控制技术。第三节简要分析了开关角度对SRM性能的影响。第四节说明了拟议的DITC的换向策略。

      第五节和第六节分别给出仿真结果和实验结果。第七章为结论部分。

2 SRM驱动器中的转矩控制方案

      经典的电流斩波控制(CCC)方法由于能提供简单有效的控制器而被广泛应用于SRM驱动器中。

      参考电流直接由比例积分(PI)速度控制器获得。CCC的目标是通过使用一个简单的两级磁滞控制器来调节导通区和关断瞬间之间的相电流来跟踪命令电流。

      从滞环控制器输出的是开关信号，它被馈送到IGBT功率转换器来操作机器。基于CCC的SRM驱动器受到相当大的转矩波动的影响。

       相反，瞬时转矩控制策略可以极大地减小SRM转矩脉动。它们可分为间接(IITC)和直接(DITC)瞬时转矩控制。IITC采用扭矩分配函数，通常称为扭矩共享函数(TSF)，从而在机器相之间智能划分一个参考扭矩值。然后将每个相位参考转矩信号转换为与之对应的参考电流信号。通过控制得到的电流信号，间接控制电机的瞬时转矩。

       通过位置编码器实时估计转子位置，通过微分转子位置得到电机转速。每个相电流直接用电流传感器测量。SRM转矩随转子位置和电流呈高度非线性变化，因此很难得到准确的解析表达式。为此，本文采用有限元法获得电机转矩数据，并利用静态转矩传感器对这些数据进行实验验证。其中，在每一次转子位置和相电流组合时，记录对应的转矩并保存在查表中，然后用查表来估计电机转矩。

      SRM建模的过程在前人的工作中有详细的解释。采用PI控制器进行闭环速度控制。它产生命令的参考扭矩。

       与IITC不同，DITC通过将命令转矩与瞬时估计转矩进行比较，直接控制命令转矩。

       得到的转矩误差信号被馈送到转矩控制器或开关单元。然后使用开关单元的输出开关信号来操作功率转换器并运行机器。导通角和关断角由换向控制器获得。它们对SRM驱动器的性能有直接影响。由于SRM的电感、磁通量和转矩特性高度非线性，开关角度的优化选择是一项具有挑战性的任务，将在下一节中说明。

       由于直接控制瞬时转矩具有直接控制瞬时转矩的优点，因此本文采用了直接控制转矩的方法。消除了从转矩到电流的转换，因此，不需要电流控制器。

       此外，DITC能够及时处理转矩误差，从而获得更好的动态响应，减小转矩脉动。

3 SRM传动中的换向分析

       感应剖面(L)与电流的机器的一个阶段对转子位置h的描绘。其中，分别为导通和关断角，分别为转子和定子开始和结束重叠时的角。是处的采样电流。

       在SRMs中，输出转矩是电流和电感变化率对转子位置的非线性函数。

       因此，为了产生正转矩，每个相位都应该在电感轮廓的正斜率区域(dL= d> 0)开关。或者，如果相位在负斜率区域(dL= d < 0)退出，则会产生负转矩，或者如果相位在完全对齐或未对齐位置(dL/d=0)被激发，则不会产生转矩，因此，电机效率将降低。因此，为了获得高性能的机器，应该仔细选择开关角度。

      如果在之前过早地接通相位，那么将需要大量的电流来产生所需的转矩，因为该区域的电感变化率非常低，导致电机效率较差。另一方面，如果相位在之后开得太迟，则正电感区将不能完全利用，因此，平均输出转矩将会降低。

       关于关相角度，如果相位在对准位置之前过早关闭，相位将在负斜率区域之前完全退磁。因此，将为零，即，将没有负扭矩生产。然而，在这种情况下，正电感区将不会被完全利用，因此，平均输出扭矩将会降低。另一方面，如果相位在完全对齐的位置关闭，电流在之前不会完全退磁，并且会有相当多的导致负转矩产生。一个简短的总结可以在表1中看到。

       此外，开关角度对电机转矩脉动也有显著影响。转矩脉动是一个需要考虑的关键因素，特别是在电动汽车(ev)使用SRM时。为了提高机床的转矩脉动，可离线或在线优化开关角度。为了提高电机的转矩分布和效率，本文提出了一种基于DITC的实时(在线)换相方法。

4 DITC策略和换向方法

      为了充分利用SRM的转矩产生能力，提高转矩脉动和运行效率，提出了一种改进的DITC策略。在转速和转矩确定的每个工作点上，分析计算两个开关角的初值，目的是充分利用电感的正斜率区域。然后，通过两个换相控制器实时调节这两个角度，进一步提高转矩脉动和电机效率。

      4.1. 所提出的导通角控制器

      选择导通角hon(0)的初始值，使相电流在转子和定子极开始重叠的瞬间(hm)精确地达到其命令参考值。在这种情况下，最大的扭矩生产与较低的相电流将实现。

这可以通过从hm向后计算hon(0)来分析，如下所示:

其中，X为电机转速，tr为相电流达到其命令值所需时间，可由式(2)计算。

式中，Iu为未对准位置的电感，仅为转子位置的函数，Kb为其导数，R为相电阻，I*为参考电流，Vdc为功率变换器提供的直流电压。开启角度为消除式(3)中给出的平均扭矩误差ΔTave，从而提高所述DITC的扭矩跟踪能力，本文提出的扭矩误差补偿器在实时运行的每个电气周期进行更新。

       因此，转矩脉动将被有效地最小化。

       其中，T*为PI转速控制器获得的命令参考转矩。Tave是一个电循环的平均扭矩。Tave在电机运行的每个电周期更新为:

       因此，相应的平均扭矩误差在实时运行中不断更新并反馈给补偿器。如果转矩误差为正，即电机在一个电循环中的转矩平均值小于指令转矩参考值，则应提供适当的负角度减量，并将由此产生的转矩提前，以产生更高的转矩，弥补转矩不足。

       另一方面，如果扭矩误差为负，则必须提供适当的正角度增量，并且所产生的转角延迟产生较低的扭矩。通过这种方式，打开角度不断更新，直到达到接近零的平均扭矩误差。因此，转矩脉动最小。。在实践中，获得零具有挑战性，因此在T*和Tave之间允许有最小的预选公差。

4.2. 建议的关断角

       提出了一种适当的关断角控制器，以最大限度地利用正电感区而不产生相当大的负转矩。

        这可以通过一个相电流检测器来实现，它连续检测的采样电流Lz，其中，如果Lz高于预先确定的允许值Izmax，则会产生严重的负转矩，关断角度应提前适当的负减量。另一方面，如果Iz为零，这意味着相电流提前关闭，正倾斜电感区没有充分利用;因此，关断角必须延迟一个正增量。以这种方式，在每个电循环中连续调整关断角，直到在0和Izmax之间获得一个小的正值Iz。

       注意到Izmax只有轻微的影响，可以产生可忽略的负扭矩。初始关断角由初始开度由式(5)得到:

       所提出的关断角控制器的详细流程其中 为第n个电周期的采样电流Iz, k为常数。

        在高速运行(恒功率区域)下，电流控制能力降低。结果，转矩脉动增大。因此，DITC具有最好的性能在低和中速范围。旋转角度的控制一直到晚上都是有效的。这可能发生在一个非常高的运行速度，可能超过最大允许的速度。从其他方面来说，它不是一个操作区域，要在控制算法中考虑。这超出了一个设计良好的SRM的运行速度范围。关闭角度的控制仍然有效，没有限制。

5 仿真结果

       基于MATLAB/Simulink进行了仿真。利用有限元分析(FEA)得到了SRM的磁特性(磁通和转矩)，并进行了实验验证。采用的SRM原型参数如表2所示。

       我们给出了系统步进速度从500到1000 r/min变化时的动态结果。显示了当负载从1到2 Nm阶跃变化时，所提方法的动态结果。一个非常好的转矩轮廓是由所提出的控制器获得的。

       为了研究所提出的换向控制器在DITC内的在线响应，选择了一个案例研究。

       给出了开关角、实时平均转矩(Tave)和采样电流(Iz)的在线变化情况，通过调节接通角，将命令转矩与在线估计平均转矩ΔTave之间的平均转矩误差补偿到预先设定的小公差。通过关断角控制器，采样电流(Iz) 保持在预定的以下。Izmax在本工作中设置在0.25 A到0.5 A之间。

       我们注意到初始转矩波动(用小箭头表示)得到了补偿，因此，机器的转矩分布得到了改善。如上所述，随着开关角度的调整，纹波减小。注意到初始负扭矩(由小箭头表示)是相当大的，因此，最小化到较低的有效值。

       通过仿真和实验测量的对比分析，验证了该控制器的有效性和可行性。传统的电流斩波控制(CCC)在文献中得到了广泛的应用。它们显示了在500 r/min、1000 r/min和1500 r/min三种不同速度下的电流和转矩分布。如前所述，DITC优化了开关角度，而CCC使用方程(1)和(5)对开关角度进行解析求解。可以观察到，与CCC方法相比，所提出的DITC策略在扭矩分布上有显著改善。

      在SRM的整个速度范围内采用所提出的DITC和CCC时的性能指标。性能指标包括转矩脉动、平均输出转矩、转矩电流比和电机效率。

       与传统的CCC策略相比，所提出的DITC显示出明显的优势。其中转矩脉动明显减小。该方法的平均输出扭矩明显提高，运行效率明显提高。

       然而，在高速时，它的转矩电流比略低，但它提供了更好的整体性能。

6 实验验证

      SRM与电磁制动器机械耦合。SRM驱动系统包括一个非对称桥式IGBT转换器，TMS320F28335 DSP控制板，电流传感器，增量编码器，数据采集单元(DAQ NI USB-6009)。

       实验结果表明，与传统的CCC控制方法相比，所提出的控制方法具有稳态性能。此外，还包括速度阶跃变化和加载扭矩阶跃变化下的系统动态性能。本文提出的DITC和传统CCC所获得的实验测量电流和转矩波形。

       通过实施所提出的DITC策略，转矩脉动减小，因此，机器的转矩轮廓得到了极大的改善。然而，在仿真结果中，转矩脉动的最小化比实验结果更明显。这些差异主要受到几种实验噪声/误差的影响。电机转矩的建模误差也会对纹波量产生影响。然而，MATLAB仿真和实验测量的结果都证实了所提策略的可行性和有效性。

       系统的速度阶跃响应和扭矩阶跃响应两种试验结果表明，所提出的控制器可在传输过程中自动调节开关角度。

7 总结

       我们提出该种改进的基于DITC的自适应换向策略。其目的是改善SRM的转矩分布和效率。根据SRM的运行速度和加载扭矩，选取开关角的初始值，充分利用SRM的转矩产生能力。采用力矩误差补偿器和电流检测器对初始角度进行实时修正。开关角调整的主要思想是减小实时平均扭矩与其命令参考扭矩之间的误差。因此，它使转矩波动最小化。此外，关闭角度被调整，以防止情感负扭矩的产生。因此，它提高了运动效率。仿真和实验测量的结果都证实了所提策略在减小转矩脉动和提高电机效率方面的可行性和有效性。