专利名称：开关磁阻电动机开通角的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种开关磁阻电动机开通角的控制方法，属于开关磁阻电动机角度控 制的技术领域。
背景技术：
开关磁阻电动机的控制方式主要分为三种电流斩波控制(CCC)、电压斩波控制 (PWM)、位置角度控制(APC)。其中位置角度控制(APC)即通过设置开通角、关断角来实现对 电动机的控制。由于电动机运行时，关断角对电动机的影响相对开通角的影响要小，因此一 般采用固定关断角、控制开通角的方法来实现电动机控制。传统的开通角控制需要测量开 关磁阻电动机运行时的磁链特性，利用复杂的偏微分方程求导不同工作点的开通角。将工 作点与开通角的关系线性化为表格结构，程序中利用查表的方式实现实时控制。这种方法 有很多缺点1.编制查找需要的表格计算量大，过程复杂；2.表格数据量大，需要额外的存储空间，频繁性的执行查表操作，降低控制系统的 性能；3.只对实验的特定电动机对象成立，更换电动机型号甚至同种型号的不同电动 机，需要重新进行测量，不具备通用性。
发明内容
本发明的目的是针对现有开通角控制方式存在的弊端，提出一种简便易行且具有 自适应性的开关磁阻电动机开通角的控制方法。其技术方案为将位置检测单元产生的位置电平输出到可编程逻辑器件，经可编程逻辑器件编码 后产生位置编码和位置中断信号，处理器在位置中断信号请求下，检测开关磁阻电动机相 绕组电流值，并计算实际转速值，与预先设定的目标电流值进行综合计算处理，设置开关磁 阻电动机下一导通周期的开通角，其特征在于位置检测单元包括多个传感器，多个传感器 等距离安装在开关磁阻电动机轴的同心位置上，具体的安装位置能使在开关磁阻电动机的 定、转子开始对齐位置、最大电感位置、最小电感位置均产生位置中断信号，电流传感器将 开关磁阻电动机相绕组电流信号分别经A/D转换器、电流斩波控制单元对应接处理器和可 编程逻辑器件，处理器根据位置中断信号计算开关磁阻电动机的实际转速值，并与设定转 速进行PI调节，得到所需的相绕组目标电流值，处理器根据目标电流值、实际采样电流值、 实际转速值实现开通角的设置。所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，传感器之间的角度的确定根据公式 g )计算传感器之间的角度，其中m为开关磁阻电动机相
数，Ns为定子极数，Nr为转子极数。所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，确定位置检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘相对位置的步骤是给开关磁阻电动机的一相绕组通电，使该相的定子与转子处 于对齐位置，设定传感器在遮光位置信号为1、非遮光位置信号为0，调节位置检测单元与 开关磁阻电动机的遮光盘的相对位置，使其中一传感器处于该传感器输出方波的下降沿位 置，此时在开关磁阻电动机的定、转子开始对齐位置、最大电感位置、最小电感位置均产生 位置中断信号，固定位置检测单元。所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，处理器根据目标电流值、实际采样电 流值、实际转速值实现开通角的设置的具体步骤是处理器判断实际转速值、实际采样电流
值是否发生变化，如果是则进行PI调节得到新的目标电流值，通过公Si&二^^得
到开通角的值，继而比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值与目标电流值的大小， 否则直接比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值与目标电流值的大小；若实际采样 电流值大于目标电流值，则减小提前开通角的值，否则增大提前开通角的值，然后将开通角 的值转化为处理器内部定时器可以处理的时间变量，完成一个开通角的设置周期，周而复
始，其中公式& = mmy^ ，Lmin表示开关磁阻电动机的最小电感，iEEF表示目标电流值，
R表示实际转速值，Vdc表示母线电压值。所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，处理器可采用微处理器MCU或数字信 号处理器DSP，传感器可采用光电传感器或霍尔传感器。其工作原理为根据公式^^！^ +丄“！^^^“^，^…；！计算传感器之间的角度，其中！！！为开
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关磁阻电动机相数，Ns为定子极数，Nr为转子极数。给开关磁阻电动机的一相绕组通电，使该相的定子与转子处于对齐位置，设定传 感器在遮光位置信号为1、非遮光位置信号为0，调节位置检测单元与开关磁阻电动机的遮 光盘的相对位置，使其中一传感器处于该传感器输出方波的下降沿位置，此时在开关磁阻 电动机的定、转子开始对齐位置、最大电感位置、最小电感位置均产生位置中断信号，固定 位置检测单元。最小电感及最小电感区间是开关磁阻电动机的设计参数，电动机给定后，可以唯 一地确定电动机最小电感Lmin及最小电感区间。电流传感器将电动机相电流转化为小电流信号，并分别经A/D转换器、电流斩波 控制单元对应接处理器和可编程逻辑器件，将位置检测单元产生的位置电平输出到可编程 逻辑器件，经可编程逻辑器件编码后产生位置编码和位置中断信号，在位置中断信号请求 下，处理器集中处理位置编码与相电流信号，首先计算开关磁阻电动机的实际转速，与设定 转速一起送入PI调节器，得到所需的目标电流值。此目标电流值一方面送入电流斩波控制 单元，一方面送入开通角计算单元。电流斩波控制单元对实际采样电流值与目标电流值进行比较，一方面输出信号到 功率驱动电路，一方面输出信号到时间处理单2。时间处理单元2记录此信号的翻转时刻， 并存储在处理器内部，作为开关角优化计算的一个重要参数，供开关角计算单元使用。
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开关角计算单元根据接收的目标电流值、电动机的实际转速和时间处理单 元2记录的翻转时刻值，以定转子开始对齐位置为参考点的提前开通角计算公式为
e0 = mml^F(°R，其中Lmin表示开关磁阻电动机的最小电感，i■表示目标电流值，表示
实际转速值，vd。表示母线电压值。处理程序首先判断目标电流值或实际转速是否发生改变，继而比较定转子开始对 齐位置时的实际采样电流值与目标电流值的大小，否则直接比较定转子开始对齐位置时的 实际采样电流值与目标电流值的大小；若实际采样电流值大于目标电流值，则减小提前开 通角的值，否则增大提前开通角的值，根据上述流程，计算电动机对应相的提前开通角，并 将计算结果输出到时间处理单元1，由时间处理单元1将开通角度值转换成电动机相开通 关断信号，完成一个开通角的设置周期，周而复始，然后将该信号输出到电流斩波控制单 元，控制功率驱动电路，继而控制功率电路中IGBT的通断，实现开关磁阻电动机开通角的 控制。本发明与现有技术相比具有以下优点1.无需增加额外的控制硬件，只是对位置 检测单元的设计与安装有要求，设计完成后的位置检测系统具有通用性，可用于不同功率 等级的开关磁阻电动机控制系统；2.本发明计算所需要的最小电感及最小电感区间、最大电感、电感上升区间等参 数都是开关磁阻电动机自身的设计参数，无需额外的复杂计算；3.本发明的算法简单易行，不需要占用大量的处理器资源，且具有通用性及自适 应性，方便移植。
附图1是应用本发明的开关磁阻电动机控制系统结构图；附图2是位置检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘的位置结构图；附图3是电动机线圈电感与位置信号的对应关系图，其中实线为电动机的线性电 感曲线，竖直方向的虚线为位置中断产生点；附图4是开关角的控制原理图，图中的虚线框表示处理器；附图5是本发明开关角算法的流程图；附图6是应用本发明方法后的相电流波形图。
具体实施例方式结合附图1至附图6对本发明的技术方案进行详细说明1.传感器之间的角度的确定根据公式 +； Nr、{k = 0,1,2...)计算
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传感器之间的角度，其中m为开关磁阻电动机相数，Ns为定子极数，凡为转子极数。对于 12/8极的开关磁阻电动机，考虑到成本与实现复杂性等因素，k取0，98取15°。传感器 可以选择光电传感器或者霍尔传感器。如图2所示；2.确定位置检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘相对位置的步骤是给开关磁 阻电动机的一相绕组通电，使该相的定子与转子处于对齐位置，设定传感器在遮光位置信
5号为1、非遮光位置信号为0，调节位置检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘的相对位置， 使其中一传感器处于该传感器输出方波的下降沿位置，此时在开关磁阻电动机的定、转子 开始对齐位置、最大电感位置、最小电感位置均产生位置中断信号，固定位置检测单元，如 图2所示；3.根据电动机的设计参数，获得最小电感L-及最小电感区间[e 3，e 5]，如图3 所示；4.位置检测单元将脉冲信号送入可编程逻辑器件，经可编程逻辑器件编码后产生 位置编码和位置中断信号，送入处理器内的转速计算单元，如图4所示，由转速计算单元计 算出电动机的实际转速别输出到开关角计算单元和PI调节器；5. PI调节器输出的值经过一个限流环节，输出控制目标电流值iKEF，该目标电流值 iKEF分别输出到电流斩波控制单元、开关角计算单元，同时电动机的实际电流值“输出到电 流斩波控制单元；6.电流斩波控制单元对接收的信号进行比较判断，输出控制信号至时间处理单元 2，由时间处理单元2记录信号翻转的时刻，并存储该值，作为开关角优化计算的一个重要 参数，供开关角计算单元使用；7.开关角计算单元根据接收的目标电流值iKEF、电动机的实际转速和时间处理 单元2记录的翻转时刻值，以定转子开始对齐位置(附图3中的位置e 5)为参考点的提前
开通角计算公式为& = 1_》广。如附图5的算法流程图所示，程序首先判断目标电流值
iKEF或实际转速《 K是否发生改变，继而比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值iK与 目标电流值iKEF的大小，否则直接比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值iK与目标 电流值iKEF的大小；若实际采样电流值“大于目标电流值iKEF，则减小提前开通角的值，否 则增大提前开通角的值，根据上述流程，计算电动机对应相的提前开通角，并将计算结果输 出到时间处理单元1，由时间处理单元1将开通角度值转换成电动机相开通关断信号，然后 将该信号输出到电流斩波控制单元；8.电流斩波控制单元根据接收的实际电流值iK、控制目标电流值iKEF和电动机相 开通关断信号进行逻辑处理，然后输出控制信号至功率驱动单元(附图4所示)，控制驱动 电路中IGBT器件的通断，实现提前开通角的控制；9.利用本发明实现的开关磁阻电机相电流波形如图6所示。
权利要求
一种开关磁阻电动机开通角的控制方法，将位置检测单元产生的位置电平输出到可编程逻辑器件，经可编程逻辑器件编码后产生位置编码和位置中断信号，处理器在位置中断信号请求下，检测开关磁阻电动机相绕组电流值、实际转速值，并与预先设定的目标电流值进行综合计算处理，设置开关磁阻电动机下一导通周期的开通角，其特征在于位置检测单元包括多个传感器，多个传感器等距离安装在开关磁阻电动机轴的同心位置上，具体的安装位置能使在开关磁阻电动机的定、转子开始对齐位置、最大电感位置、最小电感位置均产生位置中断信号，电流传感器将开关磁阻电动机相绕组电流信号分别经A/D转换器、电流斩波控制单元对应接处理器和可编程逻辑器件，处理器根据位置中断信号计算开关磁阻电动机的实际转速值，并与设定转速进行PI调节，得到所需的相绕组目标电流值，处理器根据目标电流值、实际采样电流值、实际转速值实现开通角的设置，继而通过功率驱动电路，控制功率器件IGBT的通断，实现开关磁阻电动机开通角的控制。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，其特征在于传感器之 间的角度的确定根据公式θg=(k+1/m)π(Ns-Nr)/Nr(k = 0，l，2...)计算传感器之间的角 度，其中m为开关磁阻电动机相数，Ns为定子极数，Nr为转子极数。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，其特征在于确定位置 检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘相对位置的步骤是给开关磁阻电动机的一相绕组通 电，使该相的定子与转子处于对齐位置，设定传感器在遮光位置信号为1、非遮光位置信号 为0，调节位置检测单元与开关磁阻电动机的遮光盘的相对位置，使其中一传感器处于该传 感器输出方波的下降沿位置，此时在开关磁阻电动机的定、转子开始对齐位置、最大电感位 置、最小电感位置均产生位置中断信号，固定位置检测单元。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，其特征在于处理器根 据目标电流值、实际采样电流值、实际转速值实现开通角的设置的具体步骤是处理器判断 实际转速值、实际采样电流值是否发生变化，如果是则进行PI调节得到新的目标电流值，通过公式&到开通角的值，继而比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值与目标电流值的大小，否则直接比较定转子开始对齐位置时的实际采样电流值与目标 电流值的大小；若实际采样电流值大于目标电流值，则减小提前开通角的值，否则增大提前 开通角的值，然后将开通角的值转化为处理器内部定时器可以处理的时间变量，完成一个开通角的设置周期，周而复始，其中公式& = ^^^中，Lmin表示开关磁阻电动机的最小电感，iKEF表示目标电流值，表示实际转速值，Vd。表示母线电压值。
5.根据权利要求1所述的开关磁阻电动机开通角的控制方法，其特征在于处理器采 用微处理器MCU或数字信号处理器DSP，传感器可采用光电传感器或霍尔传感器。
全文摘要
本发明公布了一种开关磁阻电动机开通角的控制方法，属于开关磁阻电动机角度控制的技术领域。本发明首先根据开关磁阻电动机本身的特性推导出优化开通角的控制方式，设计了实现此控制方式的位置检测单元，位置检测单元位置产生位置电平信号，可编程逻辑器件编码位置电平信号，微处理器通过位置编码计算电动机实际转速，通过PI算法计算开关磁阻电动机导通相绕组所需的目标电流值，并根据此目标电流值与实际采样电流值、实际转速值通过特定的算法实现角度位置控制。本发明可以实现开关磁阻电动机开通角的自动设置，提高开关磁阻电动机的控制灵活性，简化控制程序的设计。
文档编号H02P6/16GK101860302SQ20101017599
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月8日 优先权日2010年5月8日
发明者刘志宏, 张明魁, 熊立新 申请人:山东科汇电力自动化有限公司