降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法与流程

文档序号:11137950
降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法与制造工艺

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θon和关断角θoff。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θu转子凸极和定子凸极完全不对齐的位置,Lu是该位置对应的电感,θa是转子凸极和定子凸极完全对齐的位置,La是该位置对应的电感;θm1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,θm2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,θn1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,θn2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[θm2,θn1]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θm2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θm2出现第一次斩波;非斩波模式下,对应的电流在位置θm2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θa位置归零;非斩波模式下,对应电流在θn2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θu,关断角为θa,待电机速度ω超过阈值转速ωth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θu,关断角为θα,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ωth,则转到步骤S3,否则,设置开通角为θu,关断角为θa,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[θonm2]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δθon=θm2ch,转到步骤A4;

步骤A3:计算δi=im2-icmd,δθon=ωLuδi/v;

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

步骤A5:计算中间变量θt=θon+δθon,再对θt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θq_opt=θa,计算δθoff=θq_optq,转到步骤B4;

步骤B3:设置期望的电流归零位置θq_opt=θn2,计算δθoff=(θq_optq)/2;

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

步骤B5:计算中间变量θt=θoff+δθoff,再对θt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,θon为开通角;θoff为关断角;θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置;θa为定子凸极和转子凸极对齐位置;θstep为角度阈值;θq_opt为期望的电流归零位置;θq为实际的电流归零位置;θch为出现第一次斩波时的位置;θm1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,θm2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,θn1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,θn2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;ωth为转速阈值;icmd为电流命令;im2为θm2处电流;Lu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vphA和iphA,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im2

icmd和iphA经比较器比较得斩波信号ChopA,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icmd进行A/D转换,得到计算所需数字量icmd;将信号θ和ChopA输入MCU的定时/计数器单元,判断得到[θonm2]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、θu、θa、θch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im2、θq值;

ωth、θstep预先设定,θm1、θm2、θn1、Lu、θn2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,θon为开通角;θoff为关断角;θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置;θa为定子凸极和转子凸极对齐位置;θstep为角度阈值;θq_opt为期望的电流归零位置;θq为实际的电流归零位置;θch为出现第一次斩波时的位置;θm1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,θm2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,θn1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,θn2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;ωth为转速阈值;icmd为电流命令;im2为θm2处电流;Lu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θu,关断角为θa,待电机速度ω超过阈值转速ωth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θu,关断角为θa,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ωth(如300转/分),则转到步骤S3,否则,设置开通角为θu,关断角为θa,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[θon,θm2]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[θm1,θm2]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[θonm2]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δθon=θm2ch,转到步骤A4;

步骤A3:计算δi=im2-icmd,δθon=ωLuδi/v;

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

步骤A5:计算中间变量θt=θon+δθon,再对θt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[(θm2n1)/2,θn1]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θq_opt=θa,计算δθoff=θq_optq,转到步骤B4;

步骤B3:设置期望的电流归零位置θq_opt=θn2,计算δθoff=(θq_optq)/2;

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

步骤B5:计算中间变量θt=θoff+δθoff,再对θt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,θon为开通角;θoff为关断角;θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置;θa为定子凸极和转子凸极对齐位置;θstep为角度阈值;θq_opt为期望的电流归零位置;θq为实际的电流归零位置;θch为出现第一次斩波时的位置;θm1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,θm2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,θn1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,θn2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;ωth为转速阈值;icmd为电流命令;im2为θm2处电流;Lu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vphA和iphA,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im2

icmd和iphA经比较器比较得斩波信号ChopA,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icmd进行A/D转换,得到计算所需数字量icmd;将信号θ和ChopA输入MCU的定时/计数器单元,判断得到[θonm2]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、θu、θa、θch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im2、θq值;

ωth、θstep预先设定,θm1、θm2、θn1、Lu、θn2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tq是绕组电流归零时刻,ton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。

再多了解一些
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