开关磁阻电机及其控制方法

开关磁阻电机及其控制方法
【专利摘要】本发明适用于电机【技术领域】，提供了一种开关磁阻电机的控制方法，采用位置开环方式与位置闭环方式相结合，解决如何控制开关磁阻电机在低速状态下稳定运行的问题。该控制方法包括步骤：启动开关磁阻电机，其固定输出转矩大于最小输出转矩；轻负载时，开关磁阻电机以位置开环方式运行；负载加大并超过固定输出转矩，利用位置检测单元检测转子与定子之间的相对位置以判断开关磁阻电机运行是否稳定，若不稳定，则切换至位置闭环方式运行；开关磁阻电机以位置闭环方式运行，判断负载是否小于最小输出转矩，若小于，则切换至位置开环方式运行。利用位置检测单元检测转子与定子的相对位置，在位置开环方式与位置闭环方式之间切换而保持低速稳定运行。
【专利说明】
开关磁阻电机及其控制方法

【技术领域】
[0001]本发明属于电机【技术领域】，尤其涉及一种开关磁阻电机以及该开关磁阻电机的控制方法。

【背景技术】
[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)是一种可以在很大范围调速的新型电子换相电机(Electronic Commutat1n Motor, EC Motor),目前已广泛应用于家用电器、航空航天、电子、机械及电动车辆等领域。对于一些应用，如搅拌机，某些功能需要电机以极低的速度(通常低于10rpm)稳定运行。而对于开关磁阻电机，由于电机本身没有永磁体，磁场依赖自身绕组激励，运行时存在较大的转矩脉动，所以低速控制往往难以实现，这也制约了开关磁阻电机的推广应用。因此，亟待提供一种控制方法以使开关磁阻电机能够在低速状态下稳定运行。


【发明内容】

[0003]本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机的控制方法，采用位置开环方式与位置闭环方式相结合，旨在解决现有技术中如何控制开关磁阻电机以在低速状态下稳定运行的问题。
[0004]本发明是这样实现的，一种开关磁阻电机的控制方法，包括以下步骤:
[0005]步骤一:启动开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括相绕组以及相对转动的定子和转子，并具有固定输出转矩和最小输出转矩，所述固定输出转矩大于所述最小输出转矩；
[0006]步骤二:在轻负载条件下，所述开关磁阻电机以位置开环方式运行，给所述相绕组通固定大小的电流，所述开关磁阻电机输出所述固定输出转矩；
[0007]步骤三:负载加大并超过所述固定输出转矩，利用位置检测单元检测所述转子与所述定子之间的相对位置以判断所述开关磁阻电机运行是否稳定，若所述开关磁阻电机运行不稳定，则将所述开关磁阻电机切换至位置闭环方式运行；若所述开关磁阻电机运行稳定，则保持所述开关磁阻电机以所述位置开环方式运行；
[0008]步骤四:所述开关磁阻电机以所述位置闭环方式运行，控制所述开关磁阻电机的负载与所述相绕组的电流；
[0009]步骤五:判断所述开关磁阻电机的负载是否小于所述最小输出转矩，若所述开关磁阻电机的负载大于所述最小输出转矩，增大所述开关磁阻电机的转矩以使其转速维持在固定值；若所述开关磁阻电机的负载小于所述最小输出转矩，则将所述开关磁阻电机切换至所述位置开环方式运行。
[0010]进一步地，在步骤一中，提供驱动和控制所述开关磁阻电机运行的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括:
[0011]电源，用于将交流输入电压转换为驱动所述开关磁阻电机运行的直流电压；
[0012]驱动桥，用于控制所述开关磁阻电机进行换相；
[0013]所述位置检测单元，用于检测所述转子与所述定子之间的相对位置并输出所述开关磁阻电机的位置状态；
[0014]电流检测单元，用于检测所述相绕组上的电流大小；以及
[0015]控制单元，读取所述位置检测单元的位置状态和所述电流检测单元的电流大小，并对所述状态信号和所述电流大小进行综合分析，控制所述驱动桥以驱动所述开关磁阻电机运行。
[0016]进一步地，所述控制单元采用脉冲宽度调制来控制所述绕行组的电流大小。
[0017]进一步地，所述位置检测单元包括与所述定子相对设置且固定安装于所述定子上的位置传感器以及与所述转子相对设置且固定安装于所述转子上的遮光片，所述遮光片位于所述位置传感器与所述转子之间。
[0018]进一步地，在步骤四中，所述控制单元通过读取所述位置检测单元的位置状态来控制所述驱动器以提供所述相绕组电流。
[0019]进一步地，在步骤三中，若所述开关磁阻电机运行稳定，所述位置检测单元输出稳定的位置状态，并利用当前位置状态预测下一次位置状态；若所述位置检测单元检测的位置状态与预测的位置状态不符，则判断所述开关磁阻电机运行不稳定。
[0020]进一步地，在步骤二中，所述转子自动运行至磁阻最小的位置。
[0021]进一步地，所述开关磁阻电机为三相或者四相开关磁阻电机。
[0022]本发明还提供了一种开关磁阻电机，所述开关磁阻电机为采用上述开关磁阻电机的控制方法控制的开关磁阻电机。
[0023]本发明相对于现有技术的有益效果是:利用所述位置检测单元检测所述转子与所述定子的相对位置以判断所述开关磁阻电机是否稳定运行，若所述开关磁阻电机运行不稳定，则所述开关磁阻电机由位置开环方式切换至位置闭环方式运行，保证所述开关磁阻电机在负载变化情况下仍保持低速稳定运行。即通过自动识别负载变化，以根据所述开关磁阻电机当前负载而选择合适的运行方式。

【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例提供的开关磁阻电机的控制方法的流程图；
[0025]图2是本发明提供的开关磁阻电机的驱动控制装置的电路框图；
[0026]图3是本发明提供的开关磁阻电机的结构分解图。

【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]请参照图1至图3，本发明实施例提供的开关磁阻电机的控制方法包括以下步骤:
[0029]步骤一 S1:启动开关磁阻电机10，所述开关磁阻电机10包括相绕组11以及相对转动的定子12和转子14，并具有固定输出转矩Tl和最小输出转矩T2，所述固定输出转矩Tl大于所述最小输出转矩T2 ；
[0030]步骤二 S2:在轻负载条件下，所述开关磁阻电机10以位置开环方式运行，给所述相绕组11通固定大小的电流，所述开关磁阻电机10输出所述固定输出转矩Tl ；
[0031]步骤三S3:负载加大并超过所述固定输出转矩Tl，利用位置检测单元23检测所述转子14与所述定子12之间的相对位置以判断所述开关磁阻电机10运行是否稳定，若所述开关磁阻电机10运行不稳定，则将所述开关磁阻电机10切换至位置闭环方式运行；若所述开关磁阻电机10运行稳定，则保持所述开关磁阻电机10以所述位置开环方式运行；
[0032]步骤四S4:所述开关磁阻电机10以所述位置闭环方式运行，控制所述开关磁阻电机10的负载与所述相绕组11的电流；
[0033]步骤五S5:判断所述开关磁阻电机10的负载是否小于所述最小输出转矩T2，若所述开关磁阻电机10的负载大于所述最小输出转矩T2，增大所述开关磁阻电机10的转矩以使其转速维持在固定值；若所述开关磁阻电机10的负载小于所述最小输出转矩T2，则将所述开关磁阻电机10切换至所述位置开环方式运行。
[0034]在该实施例中，通过将所述位置开环方式中的固定输出转矩Tl大于所述位置闭环运行方式中的最小输出转矩T2，这样，无论从位置开环方式切换到位置闭环方式运行，还是从位置闭环方式运行切换到位置开环方式都可以保证切换稳定，无临界振荡。
[0035]经试验测试，在较大负载的低速(小于10rpm)控制中，激励磁场较大，所述开关磁阻电机10的磁阻力较大，转矩脉动不明显，所述开关磁阻电机10可以稳定运行；在较小负载的低速(小于10rpm)控制中，由于所述开关磁阻电机10存在转矩脉动，在转矩较大的位置，所述开关磁阻电机10转速变快，控制并减小所述开关磁阻电机10的磁阻力，而小的磁阻力却不能维持较小转矩位置的转速，而在这些位置增大磁阻力，较大磁阻力又会使所述开关磁阻电机10在转矩较大位置的转速更快，如此反复就会造成开关磁阻电机10在较小负载的低速运行中转速持续震荡而不能稳定。根据开关磁阻电机10的低速运行特点，并确保所述开关磁阻电机10能在负载大范围变化而保持低速稳定运行，本发明实施例提供的开关磁阻电机的控制方法采取所述位置开环方式与位置闭环方式相结合，以保证所述开关磁阻电机10保持低速稳定运行。
[0036]在该实施例中，位置开环方式是指按照固定的相序给对应相绕组11通固定大小的电流，这样所述开关磁阻电机10将输出固定的转速与转矩。在小负载状态小，只要负载转矩不超过固定输出转矩Tl，所述开关磁阻电机10将会按照给定的速度稳定运行；当负载超过固定输出转矩Tl时，所述开关磁阻电机10运行将不会稳定，所述位置检测单元23检测到所述开关磁阻电机10运行不稳定时，所述开关磁阻电机10就切换到位置闭环方式运行。切换至位置闭环方式后，所述开关磁阻电机10已具有一定的负载，所述开关磁阻电机10加载的磁阻力较大，转矩脉动不明显，所述开关磁阻电机10可以较稳定的运行。在位置闭环状态下，如果负载变小，所述开关磁阻电机10转速将变大，所述位置检测单元23检测到所述开关磁阻电机10转速变大后，再将所述开关磁阻电机10切换至位置开环方式运行。
[0037]在该实施例中，在轻负载条件下，所述开关磁阻电机10以位置开环方式运行，当负载增大后且负载增大至超过所述固定输出转矩Tl时，所述开关磁阻电机10切换至位置闭环方式运行。如此反复，实现从零开始的大范围负载变化调节下所述开关磁阻电机10低速稳定运行。
[0038]本发明实施例提供的开关磁阻电机的控制方法利用所述位置检测单元23检测所述转子14与所述定子12的相对位置以判断所述开关磁阻电机10是否稳定运行。若所述开关磁阻电机10运行不稳定，则所述开关磁阻电机10由位置开环方式切换至位置闭环方式运行，保证所述开关磁阻电机10在负载变化情况下仍保持低速稳定运行。即通过自动识别负载变化，以根据所述开关磁阻电机10当前负载而选择合适的运行方式。
[0039]请参照图1至图3，进一步地，在步骤一 SI中，提供驱动和控制所述开关磁阻电机10运行的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括:
[0040]电源21，用于将交流输入电压转换为驱动所述开关磁阻电机10运行的直流电压；
[0041]驱动桥22，用于控制所述开关磁阻电机10进行换相；
[0042]所述位置检测单元23，用于检测所述转子14与所述定子12之间的相对位置并输出所述开关磁阻电机10的位置状态；
[0043]电流检测单元24，用于检测所述相绕组11上的电流大小；以及
[0044]控制单元25，读取所述位置检测单元23的位置状态和所述电流检测单元24的电流大小，并对所述状态信号和所述电流大小进行综合分析，控制所述驱动桥22以驱动所述开关磁阻电机10运行。
[0045]在该实施例中，所述换相就是将所述开关磁阻电机10的当前导通状态切换至另一导通状态，以三相12-8极开关磁阻电机10为例，其中三相12-8极是指所述开关磁阻电机10的结构，该开关磁阻电机10具有三相绕组11A、B和C、定子12上具有12个极和转子14上具有8个极，当给三相绕组11A、B和C按照A — B — C次序通电，该开关磁阻电机10将正转运行；若按照A — C — B次序通电，该开关磁阻电机10将反向运行。上述描述中，将A相通电状态切换为B相通电状态就称为换相。
[0046]在该实施例中，所述开关磁阻电机10在驱动控制装置的控制下运行，具体地，所述开关磁阻电机10何时换相是由所述开关磁阻电机10的转子14与定子12之间的相对位置决定的，利用所述位置检测单元23检测所述转子14与所述定子12之间的相对位置，当所述开关磁阻电机10运行时，所述位置检测单元23就会输出所述开关磁阻电机10不同位置状态的信号，并利用所述控制单元25读取和分析哲学位置状态信号以判断当前所述转子14与所述定子12之间的相对位置。
[0047]优选地，所述电流检测单元24采用运算放大器来实现。
[0048]优选地，所述控制单元25采用单片微处理器来实现。
[0049]在轻负载条件下，所述开关磁阻电机10按照位置开环方式运行，给所述相绕组11通固定大小的电流，所述开关磁阻电机10输出固定输出转矩Tl，该固定输出转矩Tl的大小根据所述开关磁阻电机10的实际情况确定。如果负载加大，超过了所述开关磁阻电机10的固定输出转矩Tl，所述开关磁阻电机10将运行不稳；所述控制单元25通过检测位置检测单元23输出的位置状态来判断所述开关磁阻电机10运行是否稳定。如果所述开关磁阻电机10运行稳定，位置检测单元23输出的位置状态也是稳定的，并且可以用本次位置状态预测下一次位置状态，如果检测到的位置状态与预测位置状态不符，就说明所述开关磁阻电机10运行不稳定。所述控制单元25检测到所述开关磁阻电机10在位置开环方式运行不稳定时就说明负载变大，此时将所述开关磁阻电机10切换到位置闭环方式运行。
[0050]当所述开关磁阻电机10切换到位置闭环方式运行后，所述开关磁阻电机10已具有一定的负载，所述开关磁阻电机10的激励磁场较大，因此，所述开关磁阻电机10的磁阻力也较大，转矩脉动不明显，所述开关磁阻电机10可以稳定运行。在位置闭环运行状态下，为保证速度稳定，若负载变大控制单元25就增大所述相绕组11电流，若负载变小就减小所述相绕组11电流。为保证运行稳定，在位置闭环方式运行下，给所述开关磁阻电机10设置了一个最小输出转矩T2，所述最小输出转矩T2的大小根据所述开关磁阻电机10的实际情况确定，若负载大于所述最小输出转矩T2，控制单元25会通过驱动桥22增大所述相绕组11电流来增大所述开关磁阻电机10输出转矩，使所述开关磁阻电机10转速维持在固定值；若负载小于最小输出转矩T2，控制单元25会维持所述开关磁阻电机10的最小输出转矩T2，这样所述开关磁阻电机10转速就会增大，如果控制单元25检测到所述开关磁阻电机10的转速变大就说明负载变轻，将所述开关磁阻电机10切换到位置开环方式运行。
[0051]请参照图1至图3，进一步地，所述控制单元25采用脉冲宽度调制来控制所述绕行组的电流大小。在步骤四S4中，采用所述控制单元25控制所述相绕组11的电流大小，具体采用脉冲宽度调制来实现控制。当相绕组11电流大时，所述开关磁阻电机10的输出力矩大；当所述相绕组11电流小时，所述开关磁阻电机10的输出力矩小。在确保所述开关磁阻电机10运行速度稳定的前提下，若负载加大，则通过增大脉冲宽度的方法增大所述相绕组11的电流，反之亦然，若负载减小，则通过减小脉冲宽度的方法减小所述相绕组11的电流。
[0052]请参照图1至图3，进一步地，所述位置检测单元23包括与所述定子12相对设置且固定安装于所述定子12上的位置传感器16以及与所述转子14相对设置且固定安装于所述转子14上的遮光片18，所述遮光片18位于所述位置传感器16与所述转子14之间。优选地，所述位置传感器16采用光电开关来实现。当所述开关磁阻电机10运行时，所述位置传感器16就会输出不同的位置状态信号，该位置状态信号反应了当前所述开关磁阻电机10转子14与定子12的相对位置。通过将所述位置传感器16与所述定子12相对设置且固定连接以及所述遮光片18与所述转子14相对设置且固定连接，当所述转子14相对于所述定子12转动时，所述位置传感器16与所述遮光片18配合以测定所述转子14与所述定子12之间的相对位置，得到当前的位置状态信号。
[0053]请参照图1至图3，进一步地，在步骤四S4中，所述控制单元25通过读取所述位置检测单元23的位置状态来控制所述驱动器以提供所述相绕组11电流。当所述开关磁阻电机10处于位置闭环方式运行状态中，为了保证所述开关磁阻电机10运行速度稳定，利用所述控制单元25读取所述位置状态以控制所述相绕组11电流，若负载加大，则通过增大脉冲宽度的方法增大所述相绕组11的电流，反之亦然，若负载减小，则通过减小脉冲宽度的方法减小所述相绕组11的电流。
[0054]请参照图1至图3，进一步地，在步骤三S3中，若所述开关磁阻电机10运行稳定，所述位置检测单元23输出稳定的位置状态，并利用当前位置状态预测下一次位置状态；若所述位置检测单元23检测的位置状态与预测的位置状态不符，则判断所述开关磁阻电机10运行不稳定。如果所述开关磁阻电机10运行稳定，所述位置检测单元23的位置状态输出是按一定规律输出且可以预测。也就是说所述控制单元25可以用当前的位置状态预测下一次的位置状态，如果下一次检测到的位置状态与预测的位置状态相同就说明所述开关磁阻电机10运行稳定；如果下一次检测到的位置状态与预测的位置状态不同就说明负载大于输出转矩，所述开关磁阻电机10运行不稳。利用该方法检测所述开关磁阻电机10在位置开环方式中是否运行稳定。
[0055]请参照图1至图3，进一步地，在步骤二 S2中，所述转子14自动运行至磁阻最小的位置。由于所述开关磁阻电机10在给相绕组11通电后，转子14会自动运行到磁阻最小的位置，即给对应相绕组11通电流后转子14最终会固定到磁阻最小的位置。以三相12-8极开关磁阻电机10为例，若给开关磁阻电机10按照AB — BC — CA的次序通电且每次通电固定的时间为t(t的大小由开关磁阻电机10运行速度决定)，所述开关磁阻电机10就会以步进的方式运行，每步时间为t ;若给所述开关磁阻电机10按照AC — CB — BA的次序通电，所述开关磁阻电机10就会反向运行。在位置开环方式运行中，给相绕组11通固定大小的电流，这样所述开关磁阻电机10就具有固定大小的输出转矩，没有转矩脉动。如果负载转矩小于固定输出转矩Tl，所述开关磁阻电机10就能以稳定的转速运行，如果负载转矩超过固定输出转矩Tl，所述开关磁阻电机10运行将不会稳定，发生抖动。
[0056]进一步地，所述开关磁阻电机10为三相或者四相开关磁阻电机。所述开关磁阻电机10具有不同结构，并采用该控制方法可以实现稳定地低速运行。
[0057]本发明还提供了一种开关磁阻电机10，所述开关磁阻电机10为采用上述开关磁阻电机的控制方法控制的开关磁阻电机。
[0058]本发明各实施例提供的开关磁阻电机10可以应用于需要电机长时间低速稳定运行的家电产品中，例如，一些食品处理机在煮粥或熬汤时需要电机低速搅拌。
[0059]本发明各实施例提供的开关磁阻电机10也可以应用于自动化控制、电动车辆等需要低速运行的应用场合。
[0060]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤一:启动开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括相绕组以及相对转动的定子和转子，并具有固定输出转矩和最小输出转矩，所述固定输出转矩大于所述最小输出转矩；步骤二:在轻负载条件下，所述开关磁阻电机以位置开环方式运行，给所述相绕组通固定大小的电流，所述开关磁阻电机输出所述固定输出转矩；步骤三:负载加大并超过所述固定输出转矩，利用位置检测单元检测所述转子与所述定子之间的相对位置以判断所述开关磁阻电机运行是否稳定，若所述开关磁阻电机运行不稳定，则将所述开关磁阻电机切换至位置闭环方式运行；若所述开关磁阻电机运行稳定，则保持所述开关磁阻电机以所述位置开环方式运行；步骤四:所述开关磁阻电机以所述位置闭环方式运行，控制所述开关磁阻电机的负载与所述相绕组的电流；步骤五:判断所述开关磁阻电机的负载是否小于所述最小输出转矩，若所述开关磁阻电机的负载大于所述最小输出转矩，增大所述开关磁阻电机的转矩以使其转速维持在固定值；若所述开关磁阻电机的负载小于所述最小输出转矩，则将所述开关磁阻电机切换至所述位置开环方式运行。
2.如权利要求1所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，在步骤一中，提供驱动和控制所述开关磁阻电机运行的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括:电源，用于将交流输入电压转换为驱动所述开关磁阻电机运行的直流电压；驱动桥，用于控制所述开关磁阻电机进行换相；所述位置检测单元，用于检测所述转子与所述定子之间的相对位置并输出所述开关磁阻电机的位置状态；电流检测单元，用于检测所述相绕组上的电流大小；以及控制单元，读取所述位置检测单元的位置状态和所述电流检测单元的电流大小，并对所述状态信号和所述电流大小进行综合分析，控制所述驱动桥以驱动所述开关磁阻电机运行。
3.如权利要求2所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述控制单元采用脉冲宽度调制来控制所述绕行组的电流大小。
4.如权利要求2所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述位置检测单元包括与所述定子相对设置且固定安装于所述定子上的位置传感器以及与所述转子相对设置且固定安装于所述转子上的遮光片，所述遮光片位于所述位置传感器与所述转子之间。
5.如权利要求2所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，在步骤四中，所述控制单元通过读取所述位置检测单元的位置状态来控制所述驱动器以提供所述相绕组电流。
6.如权利要求2所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，在步骤三中，若所述开关磁阻电机运行稳定，所述位置检测单元输出稳定的位置状态，并利用当前位置状态预测下一次位置状态；若所述位置检测单元检测的位置状态与预测的位置状态不符，则判断所述开关磁阻电机运行不稳定。
7.如权利要求1所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，在步骤二中，所述转子自动运行至磁阻最小的位置。
8.如权利要求1所述的开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机为三相或者四相开关磁阻电机。
9.一种开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机为采用如权利要求1至8任意一项所述的开关磁阻电机的控制方法控制的开关磁阻电机。
【文档编号】H02P6/08GK104393799SQ201410709717
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李延吉 申请人:捷和电机制品(深圳)有限公司