一种开关磁阻电机的低速控制方法与流程
本发明涉及开关磁阻电机技术领域，特别是一种开关磁阻电机的低速控制方法。
背景技术：
开关磁阻电机(srm)是一种结构简单坚固的新型调速电机，其调速范围宽，系统可靠性高。开关磁阻电机主要有电机实体、功率变换器、控制器与位置检测器等部分组成，控制器内包含功率变换器和控制电路，而转子位置检测器则安装在电机的一端。
目前，开关磁阻电机已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，尤其在料理机产品中(如高速破壁机)，其往往需要达到10000rpm(rpm＝转/分钟)左右的高转速，而且要求能够实现快速启动，采用传统的电机根本无法实现；而开关磁阻电机的转子结构形式对转速限制小，可制成高转速电动机，并且，开关磁阻电机的转子转动惯量小，在电流每次换相时又可以改变相匝转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应，开关磁阻电机的特性使其特别适合应用于料理机产品。但是，料理机产品除了工作在高速运转状态之外，常常还需要工作在低速运转状态下(如低速和面)，但在低速揉面过程中，由于刀片不断接触面团，容易引起转矩突变，使得电机的输出转矩脉动大，造成产品在低速运转时的转速不稳定(通常要求低速揉面时的转速稳定在100rpm)，工作时产生的噪声和震动也大。
现有技术中，如已有的发明专利申请201310152752.5《一种开关磁阻电机的低速控制算法》公开了一种开关磁阻电机的低速控制算法，其特征在于：实现开关磁阻电机低转速区域的分段控制，具体步骤为：开关磁阻电机初始起动和小于200rpm极低速阶段采用开环步进控制，从而使开关磁阻电机顺利起动和维持极低速运行；在200rpm以上、最小连续脉宽转速以下的电机低速阶段，采用单双拍交替导通的六拍导通的闭环控制；负载高时自动采用固定pwm频率控制；负载低时固定功率变换器开关器件的开通时间，动态改变关断时间，实现开关磁阻电机在低速阶段能够平稳调速。
上述专利虽然涉及开关磁阻电机的低速控制方法，但是，该专利中的低速控制方法需要判断低速阶段负载的变化来采用合适的控制方式，其本质是为了解决如何实现开关磁阻电机在低速下保持连续运转，同时实现在低速运转下的平稳调速，调节方式相对复杂，而且，该专利并不能很好的解决现有技术中针对料理机产品在低速和面工作状态下的转速不稳定以及转矩脉冲大的问题。综上所述，当前还有待于对开关磁阻电机的低速控制方法作出进一步的完善和改进。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种电机效率高且使得电机转速稳定的开关磁阻电机的低速控制方法，该低速控制方法使得电机在转矩突变时的抗扰动性能提高，适用于料理机在低速运行时的特性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种开关磁阻电机的低速控制方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤一、程序开始，检测电机是否正常启动，如是，则继续执行下一步骤；如否，则提示电机启动故障，并循环本步骤；
步骤二、根据电机低速运行时的预设目标转速vset，计算电机的固定换向时间tfix，设定窗口长度限制时间tlimit，初始化设置实时换向时间tc和延迟换向时间td；
其中，固定换向时间tfix为在预设目标转速vset下两个相邻外部中断的理论时间差；窗口长度限制时间tlimit为预设常量；实时换向时间tc为电机换向后再次接收到外部中断所需要的实际时间；延迟换向时间td为引入负转矩的时间；
步骤三、计时器tc清零，重新开始计时；
步骤四、判断是否有外部中断，如有，则继续下一步骤；如无，则跳转到步骤十；
步骤五、实时检测获得两个相邻外部中断的实际时间差texti，并由此计算获得电机当前的实时转速vrt和实时输出占空比drt；
步骤六、根据实时输出占空比drt，求得实时换向时间tc；
步骤七、判断步骤六得到的实时换向时间tc是否大于设定窗口长度限制时间tlimit，如是，则继续下一步骤；如否，则跳转到步骤九；
步骤八、设定延迟换向时间td＝tfix－tc，跳转到步骤十；
步骤九、设定延迟换向时间td＝tlimit，跳转到步骤十；
步骤十、获取转子当前位置，电机延迟td时间后换向，且实时换向时间tc清零；
步骤十一、判断计时器tc的累计时长是否大于设定的最大换向时间tmax，如是，则继续下一步骤；如否，则返回步骤三；
步骤十二、实时输出占空比drt每隔t毫秒增加n％，返回步骤三；其中，t和n均为预设常量值。
为了限制引入的负转矩大小，使得电机效率提高，作为优选，所述的窗口长度限制时间tlimit的取值范围宜为：1/2tfix≤tlimit≤4/5tfix，tlimit值越大，电机效率越高，tlimit值小，对抗负载扰动能力越好，实际以选择tlimit＝1/2tfix为较优值。
为了防止干扰信号的影响，避免因信号波动引起占空比的频繁切换，保证电机运行的稳定性，作为优选，所述的最大换向时间tmax的取值范围为：1.2tfix≤tmax≤1.5tfix。
作为优选，所述步骤十二中的t的取值范围为：0.5≤t≤5；所述步骤十二中的n的取值范围为：0.05≤n≤0.2。通过占空比的逐渐增加可以保证电机在负载阻力较大情况下的正常连续转动，又能避免占空比过大造成的能源浪费。
所述步骤五中求取实时占空比的计算方法可以采用现有技术中的各种算法实现，优选地，可以采用传统pid调节算法或神经元自适应算法或模糊控制算法。
作为优选，所述步骤一中检测电机是否正常启动的方法包括如下步骤：
(1.1)、定时器t1开启，位置传感器检测转子当前位置，设定导通绕组；
(1.2)、判断定时器t1的累计时长是否大于设定的最大累计时间ttotal，如是，则继续执行下一步骤；如否，则跳转到步骤(1.4)；
(1.3)、启动占空比dstart每隔t毫秒增加n％；其中，t和n均为预设常量；
(1.4)、判断是否有外部中断，如有，则执行下一步骤；如否，则返回步骤(1.2)；
(1.5)、位置传感器检测转子当前位置，导通绕组换向；
(1.6)、定时器t1清零，电机正常启动。
作为优选，所述启动占空比dstart的初始值可以设置为0.01。
作为优选，所述步骤(1.3)中的t的取值范围为：0.5≤t≤5。
作为优选，所述步骤(1.3)中的n的取值范围为：0.05≤n≤0.2。
作为优选，所述最大累计时间ttotal的取值范围为：1.2tfix≤ttotal≤1.5tfix。
本实施例的开关磁阻电机为四相8/6级开关磁阻电机，针对四相8/6级开关磁阻电机的电机结构，相应地，所述电机转子的当前位置由设置于电机上的位置传感器检测获得，所述的位置传感器包括有透射式传感器和遮光盘；其中，所述的透射式传感器有两个且分别设置于定子上相邻的a+凸极和d-凸极上，所述的遮光盘为设置于转子轴上的盘片，该遮光盘包括有与转子的凸极和凹槽在数量及形状上相匹配的齿槽结构。如果采用其他结构的开关磁阻电机，则位置传感器的设置方式需要作出相应的改变。
与现有技术相比，本发明的优点在于：重新定义换向时间的概念，通过检测实时转速vrt求得实时换向时间tc和延迟换向时间td，进而控制电机每次延迟td时间后再换向，设置预设的窗口长度限制时间tlimit来限制延迟换向时间td的大小，使得引入的负转矩得到限制，使得电机效率获得提高；另外，在电机低速运行时，采用类似步进控制的方式，使得电机转速稳定，转矩突变时的抗扰动性能提高，适用于料理机低速运行的特性。
附图说明
图1为本发明实施例的四相8/6级开关磁阻电机的位置传感器的设置结构示意图。
图2为本发明实施例的四相8/6级开关磁阻电机的转矩特性图。
图3为本发明实施例的四相8/6级开关磁阻电机的四相绕组稳定零位特性图。
图4为本发明实施例的四相8/6级开关磁阻电机的位置信号与导通绕组特性图(启动阶段)。
图5为本发明实施例的四相8/6级开关磁阻电机的位置信号与导通绕组特性图(低速运行阶段)。
图6为本发明实施例的电机低速控制方法总流程图。
图7为本发明实施例的电机启动控制方法子流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例采用的是四相8/6级开关磁阻电机，其中8为定子级数，6为转子级数，其步进角为15°，由于开关磁阻电机自身特点，在电机运行过程中转矩的脉动比较大，现有技术中通常都是通过转矩向量控制的方法，合成向量转矩，微步驱动开关磁阻电机，从而减少转矩脉动。
如图1所示，本实施例的电机包括定子1和转子2，转子2的位置通过光敏式转子位置传感器来检测，光敏式转子位置传感器一般由透射式光电传感器(包括红外发射管和红外接收管的光电开关)和遮光盘组成，透射式光电传感器和遮光盘的结构均为现有技术；
透射式光电传感器有两个为传感器s和传感器p，两个传感器分别设置于相邻的两个定子1凸极上(a+凸极和d-凸极)，其中，传感器s和定子1的a+凸极中心对齐，传感器p和定子1的d-凸极中心对齐，传感器s、传感器p分别相对于电机中心连线后的夹角为45°；其中，每个传感器的红外发射管和红外接收管之间形成有凹槽，遮光盘为设置于转子轴上的盘片并可与转子2同步旋转，遮光盘沿圆周在对应转子的每个凸齿的位置设置有与该凸齿截面形状相匹配的遮光片3，该遮光片3垂直于遮光盘的盘面设置(即遮光盘上包括有6个遮光片3且沿圆周均匀分布)，图1中所示的剖面线即为垂直设置的遮光片的剖面线；
当转子2的凸齿转到设置有传感器s、p位置时，遮光片3正好穿过传感器的凹槽中，红外发射管的光被遮住而使其光敏晶体管截止，输出状态为0；而当转子的凹槽转至传感器s、p位置时，此时无遮光片穿过传感器的凹槽，红外发射管的光没有被遮住，光敏晶体管导通，输出状态为1，则在一个转子角周期(即60°)内，传感器s和传感器p会产生两个相位差为15°、占空比为50％的方波信号，且组合成四种不同的状态，分别对应四相绕组不同的参考位置。
若电机顺时针旋转，以a相绕组电感最低处中间点作为0°，如图2所示，即展现了顺时针旋转时电机各绕组的转矩特性。
两个传感器s、p用于检测外部中断信号，当传感器s、p检测到信号突变(即发生跳变时)，电机进入外部中断，开关磁阻电机进行换向操作。例如在50rpm情况下，两个外部中断间时间差为50ms，而实际使用过程中，电机转速随着转矩的扰动会不断发生变化，所以，电机在实际运行中的两个外部中断的时间差是一直变化的。
如图3所示，给出了a、b、c、d四相绕组的稳定零位。根据开关磁阻电机磁阻最小原则，如果给某相绕组激励稳定电流，那么最终转子将固定在稳定零位位置。如果同时给两相绕组激励稳定电流，最终转子也将固定在和图3中相同的稳定位置。
对于四相8/6级开关磁阻电机来说，对各项绕组激励相等大小的电流时，则会产生一组大小相等方向不同的转矩矢量
考虑到开关磁阻电机在料理机的应用，其转矩变化较大，启动时转矩亦不知，通常在实际中采用两相启动。开关磁阻电机的启动过程中，在转子位置0°～60°的一个转子角周期内，各相通电顺序为ab→da→cd→bc，类似于步进电动机双四拍启动运行方式。如图4所示，为启动时电机的位置信号与导通绕组的特性图，电机的位置信号及导通相(启动阶段)之间的逻辑关系则对应如表1所示：
表1、启动阶段换向逻辑
上述表1中阐述了电机不同的位置信号所对应的导通绕组，例如在检测到位置信号p11时，导通绕组为a相和b相；在检测到位置信号p00时，导通绕组为c相和d相。
鉴于开关磁阻电机的本身特性和其在低速运行时存在的上述问题，为了提高电机在转矩突变时的抗扰动性，使其在低速运转时能够连续平稳的工作，本实施例提出了一种开关磁阻电机的低速控制方法，如图6所示，其包括有如下步骤：
步骤一、程序开始，检测电机是否正常启动，如是，则继续执行下一步骤；如否，则提示电机启动故障，并循环本步骤；
步骤二、根据电机低速运行时的预设目标转速vset，计算电机的固定换向时间tfix，设定窗口长度限制时间tlimit，初始化设置实时换向时间tc和延迟换向时间td；
其中，固定换向时间tfix为在预设目标转速vset下两个相邻外部中断的理论时间差；窗口长度限制时间tlimit为预设常量，为了限制引入的负转矩大小，使得电机效率提高，窗口长度限制时间tlimit的取值范围宜为：1/2tfix≤tlimit≤4/5tfix，tlimit值越大，电机效率越高，tlimit值小，对抗负载扰动能力越好，本实施例实际以选择tlimit＝1/2tfix为较优值；实时换向时间tc为电机换向后再次接收到外部中断所需要的实际时间；延迟换向时间td为引入负转矩的时间；
步骤三、计时器tc清零，重新开始计时；
步骤四、判断是否有外部中断，如有，则继续下一步骤；如无，则跳转到步骤十；
步骤五、实时检测获得两个相邻外部中断的实际时间差texti，并由此计算获得电机当前的实时转速vrt和实时输出占空比drt；求取实时占空比的计算方法可以采用现有技术中的各种算法实现，优选地，可以采用传统pid调节算法或神经元自适应算法或模糊控制算法；
步骤六、根据实时输出占空比drt，求得实时换向时间tc；
步骤七、判断步骤六得到的实时换向时间tc是否大于设定窗口长度限制时间tlimit，如是，则继续下一步骤；如否，则跳转到步骤九；
步骤八、设定延迟换向时间td＝tfix－tc，跳转到步骤十；
步骤九、设定延迟换向时间td＝tlimit，跳转到步骤十；
步骤十、获取转子当前位置，电机延迟td时间后换向，且实时换向时间tc清零；
步骤十一、判断计时器tc的累计时长是否大于设定的最大换向时间tmax，如是，则继续下一步骤；如否，则返回步骤三；为了防止干扰信号的影响，保证电机运行的稳定性，最大换向时间tmax的取值范围为：1.2tfix≤tmax≤1.5tfix；
步骤十二、实时输出占空比drt每隔t毫秒增加n％，返回步骤三；其中，t和n均为预设常量值；t的取值范围为：0.5≤t≤5，n的取值范围为：0.05≤n≤0.2。
另外，上述步骤一中检测电机是否正常启动可以采用现有技术中的各种方法实现，作为优选，如图7所示，本实施例采用以下常规控制方法，具体包括如下步骤：
(1.1)、定时器t1开启，启动占空比dstart的初始值为0.01，位置传感器检测转子2当前位置，设定导通绕组；
(1.2)、判断定时器t1的累计时长是否大于设定的最大累计时间ttotal，如是，则继续执行下一步骤；如否，则跳转到步骤(1.4)；其中，为了避免干扰影响而频繁变换占空比，最大累计时间ttotal的取值范围宜为：1.2tfix≤ttotal≤1.5tfix；
(1.3)、启动占空比dstart每隔t毫秒增加n％；其中，t和n均为预设常量；t的取值范围为：0.5≤t≤5，n的取值范围为：0.05≤n≤0.2；
(1.4)、判断是否有外部中断，如有，则执行下一步骤；如否，则返回步骤(1.2)；
(1.5)、位置传感器检测转子2当前位置，导通绕组换向；
(1.6)、定时器t1清零，电机正常启动。
上述低速控制方法可适用于各种型号的开关磁阻电机，本实施例以四相8/6级开关磁阻电机为例，对上述的控制方法中涉及的各参数的计算方法进行具体说明。
①、电机实时转速vrt
对于本实施例采用的四相8/6级开关磁阻电机，设两个相邻外部中断的实际时间差为texti，那么电机的电机实时转速vrt满足如下公式
具体推导过程：假设电机做匀速转动，那么电机转一圈，传感器s、p会输出24个外部中断信号，这连续的24个外部中断时间差的和即为电机转一圈所需要的时间，设两个相邻外部中断的时间差为texti，电机转一圈的时间为24texti(单位为秒)，转速rpm的定义为转/分钟，一分钟有60s，由此，得到电机的转速为
上述推导只适用于当前四相8/6级结构下的开关磁阻电机，且位置传感器安装位置如图1所示。
②、低速换向点(本实施例的低速为转速在40-300rpm之间)
电机在低速运行的实际使用场景中，往往存在转矩突变的情况(例如搅动食物)，本实施例采用引入负转矩的方式来进行转速的平稳。
定义：固定换向时间为tfix，即为在预设目标转速vset下两个相邻外部中断的理论时间差；已知预设目标转速为vset，则根据电机转速计算公式可知
例如，当设定的目标转速为50rpm时，tfix为50ms，利用类似步进电机的方式来驱动开关磁阻电机，由此获得转速的稳定。
③、延迟换向时间td
延迟换向时间td为自定义参数，表示引入负转矩的时间，初始化时，td＝0；其中，td越大，表明引入的负转矩越多，电机效率越低；td越小，则引入的负转矩少，电机转矩脉动大，需要合理设置td的大小，以在保证电机效率的前提下，有效减少转矩脉冲，保证电机以稳定的转速运行。
④、实时换向时间tc
实时换向时间tc为自定义参数，表示电机换向后再次接收到外部中断所需要的时间，初始化时，tc＝tfix；tc越大，表明正转矩越多，电机效率越高；tc越小，则正转矩越少，电机效率降低。
⑤、窗口长度限制时间tlimit
窗口长度限制时间tlimit为自定义参数，该值为预设的常量值，其取值范围宜为：1/2tfix≤tlimit≤4/5tfix，tlimit值越大，电机效率越高，tlimit值小，对抗负载扰动能力越好，本实施例针对四相8/6级开关磁阻电机，实际以选择tlimit＝1/2tfix为较优值，即
于是，本实施例通过引入负转矩，将电机换向时间延迟td时间，如图5所示，为在低速运行状态下，电机的位置信号与导通绕组的特性图，相应的，电机的位置信号及导通相(低速阶段)之间的逻辑关系如表2所示：
表2、低速运行阶段换向逻辑
本实施例通过引入延迟换向时间td的概念，对电机的换向时刻进行人为的控制，并对延迟换向时间td的大小进行限定，使得引入的负转矩得到限制，电机效率提高；在低速控制时采用类似步进控制的方式，使得电机转速稳定，转矩突变时的抗扰动性能提高，适用于料理机低速运行的特性。
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