降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法与流程

本发明涉及开关磁阻电机，具体涉及降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法。

背景技术：

开关磁阻电机结构简单坚固，成本低，可靠性好，由其构成的开关磁阻电机驱动系统(SRD)特别适合需要快速频繁正反转和在很宽转速范围内调速的设备，如龙门吊、电动车辆、风力发电、航空设备等。开关磁阻电机的转动是通过依次切换各相绕组的导通和关断实现的，导通和关断时刻对应的位置分别称为开通角θ_on和关断角θ_off。开通角和关断角的选取对于电机的能量转换效率影响很大。

开关磁阻电机常见的有3相、4相等结构，各相对称。对任意一相，其电感随位置角周期性变化，每个变化周期称为一个电气周期。图1所示是任意一相电感随转子位置在一个电气周期内的变化图形。图中θ_u转子凸极和定子凸极完全不对齐的位置，L_u是该位置对应的电感，θ_a是转子凸极和定子凸极完全对齐的位置，L_a是该位置对应的电感；θ_m1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θ_m2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θ_n1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θ_n2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置。记绕组电流为i，则一相绕组产生的转矩T可表示为下述公式：

为了提高能量转换效率，要求在输入电流相同的情况下，输出转矩越大越好。由图1可见，理想情况下的电流应完全位于区间[θ_m2，θ_n1]内，这样dL/dθ>0，产生的转矩完全为正，这种理想情况下的电流如图2中实线所示。但实际绕组电流的上升和下降均有一个时间过程，其形状如图2中虚线所示。为此，需要有一个科学合理的方法，确定开通角和关断角。

首先定义期望的开通角。文献[Microcomputer control of switched reluctance motor,IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.IA-22,pp.708-15.]定义了斩波模式下的期望开通角，即该开通角对应的电流满足在位置θ_m2处出现第一次斩波。本发明将其扩展，定义期望的开通角为：斩波模式下，对应的电流在位置θ_m2出现第一次斩波；非斩波模式下，对应的电流在位置θ_m2处达到指令电流。期望的关断角为本发明定义为：斩波模式下，对应电流在θ_a位置归零；非斩波模式下，对应电流在θ_n2位置归零。发明人试图建立一种方法通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降低铜损、提高开关磁阻电机能量转换效率的开关角度自动调节方法，通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，启动阶段固定开通角为θ_u，关断角为θ_a，待电机速度ω超过阈值转速ω_th后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：

步骤S1：设置开通角为θ_u，关断角为θ_α，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；

步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ω_th，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θ_u，关断角为θ_a，重复该步骤；

步骤S3：启动开通角调节过程；

步骤S4：启动关断角调节过程；

步骤S5：转到步骤S2；

其中，步骤S3开通角调节过程具体包括如下步骤：

步骤A1：判断上一个电气周期内，在[θ_on,θ_m2]区间内是否有斩波，如果有，转到步骤A2，否则，转到步骤A3；

步骤A2：计算δθ_on＝θ_m2-θ_ch，转到步骤A4；

步骤A3：计算δi＝i_m2-i_cmd,δθ_on＝ωL_uδi/v；

步骤A4：δθ_on＝δθ_on/2,判断|δθ_on|是否小于位置传感器的精度值θ_step，若是，转到步骤A6，否则，转到步骤A5；

步骤A5：计算中间变量θ_t＝θ_on+δθ_on，再对θ_t进行如下所示的饱和运算：

步骤A6：本次开通角调节过程结束，返回进入上述步骤S4；

其中，步骤S4关断角调节过程具体包括如下步骤：

步骤B1：判断上一个电气周期内是否有斩波，如有，转到步骤B2，否则，转到步骤B3；

步骤B2：设置期望的电流归零位置θ_{q_opt}＝θ_a，计算δθ_off＝θ_{q_opt}-θ_q，转到步骤B4；

步骤B3：设置期望的电流归零位置θ_{q_opt}＝θ_n2，计算δθ_off＝(θ_{q_opt}-θ_q)/2；

步骤B4：计算δθ_off＝δθ_off/2，判断|δθ_off|是否小于位置传感器的精度值θ_step，若是，转到步骤B6，否则，转到步骤B5；

步骤B5：计算中间变量θ_t＝θ_off+δθ_off，再对θ_t进行如下所示的饱和运算：

步骤B6：本次关断角调节过程结束，返回进入上述步骤S5；

上述方法中，θ_on为开通角；θ_off为关断角；θ_u为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θ_a为定子凸极和转子凸极对齐位置；θ_step为角度阈值；θ_{q_opt}为期望的电流归零位置；θ_q为实际的电流归零位置；θ_ch为出现第一次斩波时的位置；θ_m1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θ_m2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θ_n1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θ_n2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置；ω为转速；ω_th为转速阈值；i_cmd为电流命令；i_m2为θ_m2处电流；L_u为不对齐位置电感；v为导通时的相电压；T为转矩。

上述自动调节方法的实现方法，基于比较器和微控制器MCU，包括变量的获取和计算：

(1)变量的获取：

通过电压和电流传感器采集到的电压和电流分别为v_phA和i_phA，经过MCU的内置A/D转换器转换后得到调节过程计算所需数字变量v和i_m2；

i_cmd和i_phA经比较器比较得斩波信号Chop_A，θ是电机转子位置信号，由位置传感器得到；

MCU的内置A/D转换器将输入的模拟信号i_cmd进行A/D转换，得到计算所需数字量i_cmd；将信号θ和Chop_A输入MCU的定时/计数器单元，判断得到[θ_on,θ_m2]区间内是否有斩波、选定相一个电气周期内是否有斩波、选定相一个电气周期是否结束，获取ω、θ_u、θ_a、θ_ch值；将定时/计数器单元和A/D转换器单元的控制相关联，获取i_m2、θ_q值；

ω_th、θ_step预先设定，θ_m1、θ_m2、θ_n1、L_u、θ_n2是已知的电机参数；

(2)计算：按照所述自动调节方法进行计算，编制程序在MCU中执行即可实现。

本发明的有益效果：

本发明提供的自动调节方法通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置，可降低铜损、提高开关磁阻电机能量转换效率。

附图说明

图1为一个电气周期内电感随位置角变化图；

图2为绕组电流的期望形状和实际形状；

图3为开关磁阻电机开关角度自动调节方法逻辑流程图；

图4为开通角调节方法逻辑流程图；

图5为关断角调节方法逻辑流程图；

图6为实现方法的框图；

图7为开关角度自动调节过程图；

图8为使用本发明自动调节方法前后RMS电流对比图，图中1-转子位置，2-绕组电流，3-输出总转矩(5V/div,2A/div,0.8N.m/div,2ms/div)；

其中，θ_on为开通角；θ_off为关断角；θ_u为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θ_a为定子凸极和转子凸极对齐位置；θ_step为角度阈值；θ_{q_opt}为期望的电流归零位置；θ_q为实际的电流归零位置；θ_ch为出现第一次斩波时的位置；θ_m1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θ_m2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θ_n1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θ_n2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置；ω为转速；ω_th为转速阈值；i_cmd为电流命令；i_m2为θ_m2处电流；L_u为不对齐位置电感；v为导通时的相电压；T为转矩。

具体实施方式

下面结合实施例和附图具体介绍本发明的技术方案。

如图3所示一种降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，启动阶段固定开通角为θ_u，关断角为θ_a，待电机速度ω超过阈值转速ω_th后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：

步骤S1：设置开通角为θ_u，关断角为θ_a，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；

步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ω_th(如300转/分)，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θ_u，关断角为θ_a，重复该步骤；

步骤S3：启动开通角调节过程；

步骤S4：启动关断角调节过程；

步骤S5：转到步骤S2。

电机在运行过程中，实际开通角与期望开通角不会完全吻合，存在偏左或者偏右两种情况，这会间接表现为在[θ_on，θ_m2]区间有无斩波。通过实时检测电流斩波的情况，分两种情况计算每次角度调节步长的理论值，并将其除以2以保证调节过程的收敛性。随后将其与角度阈值(角度阈值设置为与位置传感器的精度相同)相比较，如果小于该阈值，则跳过本次开通角的更新；否则，更新开通角，并执行一次饱和操作，以将开通角限制在[θ_m1，θ_m2]范围内。步骤S3开通角调节过程如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤A1：判断上一个电气周期内，在[θ_on,θ_m2]区间内是否有斩波，如果有，转到步骤A2，否则，转到步骤A3；

步骤A2：计算δθ_on＝θ_m2-θ_ch，转到步骤A4；

步骤A3：计算δi＝i_m2-i_cmd,δθ_on＝ωL_uδi/v；

步骤A4：δθ_on＝δθ_on/2,判断|δθ_on|是否小于位置传感器的精度值θ_step，若是，转到步骤A6，否则，转到步骤A5；

步骤A5：计算中间变量θ_t＝θ_on+δθ_on，再对θ_t进行如下所示的饱和运算：

步骤A6：本次开通角调节过程结束，返回进入上述步骤S4；

电机在运行过程中，实际关断角与期望关断角不会完全吻合，存在偏左或者偏右两种情况，这可通过检测电流归零的位置间接进行判断。首先通过实时检测电流斩波的情况，分两种情况设置期望的电流归零位置，计算每次角度调节步长的理论值，并将其除以2以保证调节过程的收敛性。随后将其与角度阈值相比较，如果小于该阈值，则跳过本次关断角的更新；否则，更新关断角，并执行一次饱和操作，以将关断角限制在[(θ_m2+θ_n1)/2，θ_n1]范围内。步骤S4关断角调节过程如图5所示，具体包括如下步骤：

步骤B1：判断上一个电气周期内是否有斩波，如有，转到步骤B2，否则，转到步骤B3；

步骤B2：设置期望的电流归零位置θ_{q_opt}＝θ_a，计算δθ_off＝θ_{q_opt}-θ_q，转到步骤B4；

步骤B3：设置期望的电流归零位置θ_{q_opt}＝θ_n2，计算δθ_off＝(θ_{q_opt}-θ_q)/2；

步骤B4：计算δθ_off＝δθ_off/2，判断|δθ_off|是否小于位置传感器的精度值θ_step，若是，转到步骤B6，否则，转到步骤B5；

步骤B5：计算中间变量θ_t＝θ_off+δθ_off，再对θ_t进行如下所示的饱和运算：

步骤B6：本次关断角调节过程结束，返回进入上述步骤S5；

上述方法中，θ_on为开通角；θ_off为关断角；θ_u为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θ_a为定子凸极和转子凸极对齐位置；θ_step为角度阈值；θ_{q_opt}为期望的电流归零位置；θ_q为实际的电流归零位置；θ_ch为出现第一次斩波时的位置；θ_m1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θ_m2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θ_n1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θ_n2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置；ω为转速；ω_th为转速阈值；i_cmd为电流命令；i_m2为θ_m2处电流；L_u为不对齐位置电感；v为导通时的相电压；T为转矩。

上述自动调节方法的实现方法如图6所示，图中虚线框内对应控制器的功能，实现电机系统的调速控制，和本发明所述开关角度自动调节方法，其实体为具体设计的电路板，其上包含微处理器及其外围电路、微处理器程序(也可将微处理器及其程序功能设计为专用集成电路，实现本发明所述功能)。实现方法包括变量的获取和计算：

(1)变量的获取：

通过电压和电流传感器采集到的电压和电流分别为v_phA和i_phA，经过MCU的内置A/D转换器转换后得到调节过程计算所需数字变量v和i_m2；

i_cmd和i_phA经比较器比较得斩波信号Chop_A，θ是电机转子位置信号，由位置传感器得到；

MCU的内置A/D转换器将输入的模拟信号i_cmd进行A/D转换，得到计算所需数字量i_cmd；将信号θ和Chop_A输入MCU的定时/计数器单元，判断得到[θ_on,θ_m2]区间内是否有斩波、选定相一个电气周期内是否有斩波、选定相一个电气周期是否结束，获取ω、θ_u、θ_a、θ_ch值；将定时/计数器单元和A/D转换器单元的控制相关联，获取i_m2、θ_q值；

ω_th、θ_step预先设定，θ_m1、θ_m2、θ_n1、L_u、θ_n2是已知的电机参数；

(2)计算：按照所述自动调节方法进行计算，编制程序在MCU中执行即可实现。

实施效果：

为考察实施本方法前后电机铜损的变化情况，定义铜损占输入能量的比例为Loss_cu，考虑到开关磁阻电机各相绕组的对称性，其计算可在任意一相进行，公式如下：

式中t_q是绕组电流归零时刻，t_on是绕组电流开通时刻，i是绕组电流，R是绕组电阻，v是绕组电压。

使用本方法，电机从静止状态带负载(TL＝1N.m)启动，转速指令为120rad/s，在0.1s时刻负载从1N.m突变为3N.m的瞬态响应过程如图7所示。由图可见，在此过程中，开关角度实现了自动调节，系统能很好地跟踪转速指令，负载突变期间的转速波动很小，铜损所占比例总体趋势在不断下降。图中的Loss_cu值在0s～0.031s期间显示为“x”，代表不可获取，这是因为铜损的计算需要经过一个电气周期才有结果输出。

稳态运行期间的实验结果如图8所示。图中Irms是一相绕组的RMS电流，通过对瞬时电流在一个电气周期内的值进行计算获取，公式如下：

式中τ为一个电气周期时间，t₀是一个电气周期开始的时刻。由图可见，使用角度自动调节功能后，在相同转速的情况下获得相同的转矩输出所需的一相绕组RMS电流从2.8A下降到2.0A，取得较好的效果。

上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。