CN101526823B - 开关磁阻电机恒定转矩的控制方法 - Google Patents

Abstract

开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，属于电机测试领域。本发明的目的是解决采用传统速度闭环和电流双闭环的控制方式控制开关磁阻电机转矩的方法存在转矩脉动大的问题。本发明方法为了保证开关磁阻电机按设定的转矩恒定输出，先给定一个参考电流，并通过查开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表获得与参考电流对应的瞬时电感，进而获得所述瞬时电感对应的电感斜率，根据公式

计算输出的相绕组电流，并判断其与参考电流的差值是否在允许误差范围内，如果不是，将此次计算的相绕组电流赋值给参考电流并按上述方法重新计算，多次循环直到满足条件，输出相绕组电流加载到开关磁阻电机相绕组两端，实现开关磁阻电机恒转矩控制。

Description

开关磁阻电机恒定转矩的控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，属于电机测试领域。

背景技术

开关磁阻电机由于存在结构简单、控制方便、可靠性能高、成本低等优点，现已得到各行各业的重视和认可。而开关磁阻电机同时又存在转矩脉动大、噪音高的缺点，使得开关磁阻电机的应用受到一定的限制，因此研究恒转矩输出的开关磁阻电机控制方法成为开关磁阻电机研究的重要方向。传统开关磁阻电机调速系统基本采用速度闭环和电流双闭环的控制方式，使得开关磁阻电机的转速具有一定的稳定性，但是开关磁阻电机是一种高磁饱和工作的电机，其参数为非线性。特别是电机的电感参数，电机的电感不仅与电机转子位置有关，同时与电机绕组电流有关，传统控制方式不能结合电机模型从根本实现恒转矩输出，致使存在转矩脉动大的问题。

发明内容

本发明的目的是解决采用传统速度闭环和电流双闭环的控制方式控制开关磁阻电机转矩的方法存在转矩脉动大的问题，提供了一种开关磁阻电机恒定转矩的控制方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一、给定开关磁阻电机的转矩T；

步骤二、开关磁阻电机的相绕组的参考电流为I_in，并初始化为

其中I_e为相绕组的额定电流；

步骤三、查开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表，获得当开关磁阻电机转子位于位置θ_n时，与相绕组参考电流I_in对应的相绕组瞬时电感，进而获得该点相绕组瞬时电感对应的电感斜率k_L，电感斜率k_L表征瞬时电感相对于转子位置的变化率；

步骤四、根据下述公式获得输出的相绕组电流i：

$i=\sqrt{\frac{2T}{k_L}};$

步骤五、判断是否满足关系式|i-I_in|＜I_L，

其中，I_L为允许电流误差；

判断结果为否，令I_in＝i，执行步骤二；判断结果为是，执行步骤六；

步骤六、将相绕组电流i输出并加载到相绕组两端，实现开关磁阻电机恒定转矩控制。

本发明的优点：方法简单，容易实现，使用本方法控制开关磁阻电机恒转矩效果好，转矩脉动很小，提高了开关磁阻电机调速系统性能。

附图说明

图1是本发明方法流程图，图2是实施方式二方法流程图，图3是实施方式二相绕组两端加载电压示意图，图4是实施方式二转子位置固定时随着采样时间变化而变化的相绕组电流曲线示意图，图5是全域非线性电感曲线簇示意图，图6是磁化曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式方法包括以下步骤：

步骤一、给定开关磁阻电机的转矩T；

步骤二、开关磁阻电机的相绕组的参考电流为I_in，并初始化为

其中I_e为相绕组的额定电流；

步骤三、查开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表，获得当开关磁阻电机转子位于位置θ_n时，与相绕组参考电流I_in对应的相绕组瞬时电感，进而获得该点相绕组瞬时电感对应的电感斜率k_L，电感斜率k_L表征瞬时电感相对于转子位置的变化率；

步骤四、根据下述公式获得输出的相绕组电流i：

$i=\sqrt{\frac{2T}{k_L}};$

步骤五、判断是否满足关系式|i-I_in|＜I_L，

其中，I_L为允许电流误差；

判断结果为否，令I_in＝i，执行步骤二；判断结果为是，执行步骤六；

步骤六、将相绕组电流i输出并加载到相绕组两端，实现开关磁阻电机恒定转矩控制。

工作原理：

根据磁共能原理，开关磁阻电机转子位置θ_n时，开关磁阻电机输出的阻转矩T为：

$T=\frac{{\∂W}^{\′}({\mathrm{\θ}}_n,i)}{{\∂\mathrm{\θ}}_n}---\left(1\right)$

其中，i是相绕组电流；

W′(θ_n，i)是磁共能，定义为如图6所示的磁化曲线下方的面积，它可以表示为：由于磁链ψ(θ_n，i)可表示成ψ(θ_n，i)＝L(θ_n，i)i，所以开关磁阻电机输出的转矩T为：

$T=\frac{1}{2}\frac{\∂}{\∂{\mathrm{\θ}}_n}{\∫}_0^{i^2}L({\mathrm{\θ}}_n,i){\mathrm{di}}^2---\left(2\right)$

整理公式(2)可以得到：

$T=\frac{1}{2}{i}^2\·\frac{\∂L({\mathrm{\θ}}_n,i)}{\∂{\mathrm{\θ}}_n}---\left(3\right)$

其中

k_L为图5所示全域非线性电感曲线族中某点瞬时电感L(θ_n，i)的电感斜率。

根据公式(3)整理得到：

$i=\sqrt{\frac{2T}{k_L}}---\left(4\right)$

因此可以看出开关磁阻电机输出的转矩T与电机相绕组电流i的平方成正比，与该位置电机瞬时电感的电感斜率k_L成正比。确定开关磁阻电机按设定值转矩T转动，我们只要调整相绕组电流i和电感斜率k_L，使得i²·k_L为恒值即可。

本发明方法采用的电流逼近的方法计算出对应某个转子位置θ_n应输出的相绕组电流i，具体过程为：

已知转矩T、转子位置θ_n，给一个参考电流I_in，并初始化为

查阅开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表可得知，对应I_in的瞬时电感，也就能得到该点对应的电感斜率k_L，根据公式(4)可以得到控制开关磁阻电机的相绕组电流i。

但此时不能直接输出，必须先判断一下这个电流值是否可以实现恒转矩控制，采用电流逼近的算法，判断|i-I_in|＜I_L吗？如果此式成立，说明计算得出的相绕组电流i与参考电流I_in很接近，可以认为相等，满足电机恒转矩控制的要求，如果不相等，我们将此次计算得出的相绕组电流i赋值给参考电流I_in，重新再计算，多次循环计算，直到满足|i-I_in|＜I_L，将计算满足条件的相绕组电流i输出，加载在开关磁阻电机的相绕组上，进行恒转矩控制。

本实施方式的方法采用数字信号处理芯片DSP进行数字计算，速度非常快，在开关磁阻电机转到某个位置时能快速计算出能实现电机恒转矩的相绕组电流i，本方法充分的结合开关磁阻电机数学模型，充分的考虑了开关磁阻电机非线性的特点，实现了开关磁阻电机稳定的输出恒转矩，脉动很小。

具体实施方式二：下面结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤三所述开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表的获取方法为：

步骤a、设定n为开关磁阻电机的转子测量位置的变量，且初始化为n＝1；

步骤b、控制步进电机旋转一个步进角度θ_b，步进电机带动开关磁阻电机的转子轴，旋转步进角度θ_b，使开关磁阻电机的转子固定在测量位置θ_n，0≤θ_n≤360°；

步骤c、给开关磁阻电机的相绕组两端加载阶跃电压U；

步骤d、计算机通过电流传感器采集相绕组的电流值，采样周期为ΔT；

步骤e、计算机通过下述公式获取每个采样周期ΔT内相绕组的瞬时电感L(θ_n，i)，进而获得在转子位于位置θ_n时，不同的相绕组的电流值对应相绕组的瞬时电感L(θ_n，i)：

$i=\frac{U}{R}+(i_0-\frac{U}{R})e^{-\frac{R}{L({\mathrm{\θ}}_n,i)}\mathrm{\ΔT}}$

其中，i₀为某个采样周期ΔT开始时的电流初始值，

i为某个采样周期ΔT结束时的电流结束值，

R为相绕组的等效电阻；

步骤f、当相绕组的电流值饱和后，断开加载在相绕组两端的阶跃电压U；

步骤g、判断是否满足n×θ_b≤360°，

判断结果为是，令n＝n+1，执行步骤b；判断结果为否，执行步骤h；

步骤h、编制开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表。

其它与实施方式一相同。

开关磁阻电机的电感是非线性的，转子位置不同时，电感不同；相绕组中电流值不同时，电感也不同。精确测量开关磁阻电机的非线性电感难度很大。

首先设定n＝1，此时开关磁阻电机的转子位置为θ₁，转子位置的确定很容易，零位置为预先设定的，可以获得转子转动后到达的位置确定的角度信息。本方法涉及的转子可以不用从零位置开始旋转，为了获得转子360度范围内全域的电机的电感信息，只要让控制转子转动的步进电机转动360度即可。

步进电机每次旋转的步进角度为θ_b，步进电机的输出轴与开关磁阻电机的转子轴固定连接，即，步进电机每旋转一个步进角度θ_b，开关磁阻电机也跟着旋转角度θ_b，即当n＝2时，开关磁阻电机的转子位置为θ₁+θ_b，依此类推。

当n＝1，开关磁阻电机的转子位置为θ₁时，测量开关磁阻电机的相绕组中瞬时电感L(θ₁，i)的测量工作原理如下：

此时相绕组的电压方程为：

$U-L({\mathrm{\θ}}_1,i)\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}---\left(5\right)$

可以解得相绕组的电流函数为：

$i=\frac{U}{R}+(i_0-\frac{U}{R})e^{-\frac{R}{L({\mathrm{\θ}}_1,i)}\mathrm{\ΔT}}---\left(6\right)$

其中，i₀为某个采样周期ΔT开始时的电流初始值，

i为某个采样周期ΔT结束时的电流结束值，

R为相绕组的等效电阻，

U为相绕组两端加载的电压值，如图3所示。

计算机开始采样并计算，采样主要指通过电流传感器采集相绕组中的电流值，采样周期为ΔT，对应一个采样周期的相绕组的瞬时电感L(θ₁，i)根据公式(6)获得，此时获得的相绕组的瞬时电感L(θ₁，i)为相绕组的电流值为(i₀+i)/2时对应的电感值，因为计算机的采样周期ΔT很小，可达1ns，所以，我们近似的认为此时的瞬时电感L(θ₁，i)为电流为某个采样周期ΔT结束时的电流结束值i对应的瞬时电感L(θ₁，i)，依此类推，计算各个采样周期电流结束值对应的瞬时电感L(θ₁，I₁)、L(θ₁，I₂)……L(θ₁，I_n)、L(θ₁，I_m)，直到相绕组的电流饱和，不再变大，结束采样，如图4所示，相绕组的非线性电感也经历了一个周期，经历了这个周期，获得了转子位置为θ₁时，随着相绕组中的电流值不同而变化的一组瞬时电感L(θ₁，i)值。

第一个采样周期，相绕组的电流初始值I₀，电流结束值为I₁，代入公式(6)获得相绕组电流值I₁对应的瞬时电感L(θ₁，I₁)；

第二个采样周期，相绕组的电流初始值I₁，电流结束值为I₂，代入公式(6)获得相绕组电流值I₂对应的瞬时电感L(θ₁，I₂)；

依此类推，直到获得相绕组的饱和电流值I_m对应的瞬时电感L(θ₁，I_m)。

按照如上方法获得转子其它位置时随相绕组中的电流值不同而变化的各组瞬时电感L(θ_n，i)值，即完成全域非线性电感的测试，测试的结果绘制成如图5所示的曲线，图中绘制的是一簇曲线，横坐标为开关磁阻电机的转子位置，纵坐标为瞬时电感，多条曲线分别表示相绕组的电流值为I₁、I₂、I₃……I_n、I_m时的瞬时电感曲线，全面的反映了瞬时电感L(θ_n，i)的数值，根据这此全面的信息编制开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于，步骤c所述阶跃电压U＝1.2I_eR，其它与实施方式二相同。

加载在相绕组两端的电压值这样设置，不会将电机烧了。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，允许电流误差I_L＝(0.3％～0.5％)I_e，其它与实施方式一相同。

Claims (4)

1.开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、给定开关磁阻电机的转矩T；

步骤二、开关磁阻电机的相绕组的参考电流为I_in，并初始化为

其中I_e为相绕组的额定电流；

步骤三、查开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表，获得当开关磁阻电机转子位于位置θ_n时，与相绕组参考电流I_in对应的相绕组瞬时电感，进而获得该点相绕组瞬时电感对应的电感斜率k_L，电感斜率k_L表征瞬时电感相对于转子位置的变化率；

步骤四、根据下述公式获得输出的相绕组电流i：

$i=\sqrt{\frac{2T}{k_L}};$

步骤五、判断是否满足关系式|i-I_in|＜I_L，

其中，I_L为允许电流误差；

判断结果为否，令I_in＝i，执行步骤二；判断结果为是，执行步骤六；

步骤六、将相绕组电流i输出并加载到相绕组两端，实现开关磁阻电机恒定转矩控制。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，其特征在于：步骤三所述开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表的获取方法为：

步骤a、设定n为开关磁阻电机的转子测量位置的变量，且初始化为n＝1；

步骤b、控制步进电机旋转一个步进角度θ_b，步进电机带动开关磁阻电机的转子轴，旋转步进角度θ_b，使开关磁阻电机的转子固定在测量位置θ_n，0≤θ_n≤360°；

步骤c、给开关磁阻电机的相绕组两端加载阶跃电压U；

步骤d、计算机通过电流传感器采集相绕组的电流值，采样周期为ΔT；

步骤e、计算机通过下述公式获取每个采样周期ΔT内相绕组的瞬时电感L(θ_n，i)，进而获得在转子位于位置θ_n时，不同的相绕组的电流值对应相绕组的瞬时电感L(θ_n，i)：

$i=\frac{U}{R}+(i_0-\frac{U}{R})e^{-\frac{R}{L({\mathrm{\θ}}_n,i)}\mathrm{\ΔT}}$

其中，i₀为某个采样周期ΔT开始时的电流初始值，

i为某个采样周期ΔT结束时的电流结束值，

R为相绕组的等效电阻；

步骤f、当相绕组的电流值饱和后，断开加载在相绕组两端的阶跃电压U；

步骤g、判断是否满足n×θ_b≤360°；

判断结果为是，令n＝n+1，执行步骤b；判断结果为否，执行步骤h；

步骤h、编制开关磁阻电机全域非线性电感曲线簇数据表。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，其特征在于：步骤c所述阶跃电压U＝1.2I_eR。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机恒定转矩的控制方法，其特征在于：允许电流误差I_L＝(0.3％～0.5％)I_e。

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