CN103414407A - 一种开关磁阻电机控制系统装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机控制系统装置，其特征在于：包括MCU模块、外部人机接口模块、驱动变换驱动保护和制动驱动模块、三相电流采样模块、功率变换模块、三相开关磁阻电机模块、制动电路模块、开关电源模块、整流滤波模块、电源模块和位置码盘模块。本发明控制参数与选定或设计的电机匹配，且需提供人机接口、重载情况下的极低速运转、快速的加减速特性、电机匹配的自适应控制算法、超过15000RPM的高速特性、快速智能的停机制动、全调速范围内的稳定调速转速特性，且要求较低的成本和高的性价比。

Description

一种开关磁阻电机控制系统装置及其控制方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机领域，具体地说，涉及一种开关磁阻电机控制系统装置及其控制方法。 

背景技术

开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。 

开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W～5MW的各种高低速驱动调速系统。开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。开关磁阻电机有以下特点： 

1、其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕组和磁铁。 

2、电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却，效率高，损耗小。 

3、转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路和控制电路简单可靠，具有较高的经济性和可靠性。 

4、转子上没有电刷结构坚固，适用于高速驱动。 

5、调速范围宽，控制灵活，易于实现各种再生制动能力。 

6、可频繁起动(1000次/小时)，适用于正向反向运转的特殊场合使用。 

7、起动电流小，起动转矩大，低速时更为突出。 

鉴于开关磁阻电机拥有以上问题，我们设计出一种开关磁阻电机低速控制 算法，经过反复的研究、调试、实验，以及整机的实际运转测试，验证了本发明算法的可行性和稳定性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种控制参数与选定或设计的电机匹配，且需提供人机接口、重载情况下的极低速运转、快速的加减速特性、电机匹配的自适应控制算法、超过15000RPM的高速特性、快速智能的停机制动、全调速范围内的稳定调速转速特性，且要求较低的成本和高的性价比的开关磁阻电机控制系统装置。 

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是： 

一种开关磁阻电机控制系统装置，其特征在于：包括MCU模块、外部人机接口模块、驱动变换驱动保护和制动驱动模块、三相电流采样模块、功率变换模块、三相开关磁阻电机模块、制动电路模块、开关电源模块、整流滤波模块、电源模块和位置码盘模块；电源模块电连接整流滤波模块和开关电源模块，整流滤波模块电连接功率变换模块，开关电源模块分别电连接驱动变换驱动保护和制动驱动模块和MCU模块；所述MCU模块电连接外部人机接口模块、三相开关磁阻电机模块、位置码盘模块和三相电流采样模块，所述三相电流采样模块电连接功率变换模块；所述驱动变换驱动保护和制动驱动模块电连接制动电路模块。 

作为一种改进，所述三相开关磁阻电机模块为6-4结构的三相开关磁阻电机模块。 

作为一种改进，所述位置码盘模块为光电开关编码器，光电开关编码器产生有六个编码位置信号。 

本发明还提供了一种开关磁阻电机控制系统装置的控制方法，其特征在于： 实现开关磁阻电机转速的分段控制，具体为： 

开关磁阻电机起动和小于200RPM的极低速阶段采用步进程序，从而使电机获得较大的起动转矩，使电机顺利起动和维持极低速运行； 

在开关磁阻电机200RPM以上、2600RPM以下的低速段时，采用单双拍交替导通的六拍导通的闭环控制，可以实现电机在低速段能够平稳调速； 

在开关磁阻电机2600r/min以上的高速段时，采用移角度单六拍闭环控制，从而出现负转矩，通过移角度控制，可以使导通相提前关断，避免出现负转矩，获得高速段的平稳调速。 

作为一种改进，开关磁阻电机电流控制采用了分段PWM和控制角模糊控制，具体为： 

设定开关磁阻电机转速低于200RPM时，转速控制上采取开环步进状态控制策略，PWM控制采取PAM调制策略，电流控制采取标量方式； 

设定开关磁阻电机转速高于200RPM且转速低于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定有效脉宽而改变无效脉宽的变频率控制策略，电流采取滞环控制； 

设定开关磁阻电机转速高于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定频率控制策略，电流采取滞环控制。 

作为一种改进，所述最小连续脉宽转速为每个PWM周期内都有输出的最小脉宽对应的转速。 

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1、电机如果采用6-4式定转子构造，当电机带重载从转矩死区开始起动时，起动转矩不足，此时根据电流和位置信号变化自动按照期望的方向采取开环方式拖动转子，使电机正常起动。 

2、根据光电开关编码器解码来确定怎样的开通相序和开通时间，并以此信号为参考来计算转速。 

3、不同的转速阶段，使用不同的导通角，最大范围地发挥电机的出力，提高电机效率。 

4、不同的转速阶段，采取不同的导通相序列表，不同的转速计算方式和转速控制策略。 

5、不同的转速阶段，采取不同的电压给定算法，使电机能在不同的负载情况下都能够稳定到给定转速。 

6、根据实时电机转速、制动电阻温度、制动电流大小、制动电流变化趋势、转子位置信号的参数来综合判断制动力是否合理，并调节制动力大小。 

同时下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

附图说明

图1为本发明一种实施例的6-4定转子结构的开关磁阻电机导通示意图； 

图2为本发明一种实施例的6-4定转子结构的导通方式与导通角调节的软件流程图； 

图3为本发明一种实施例的不同转速的电压和电流控制算法的软件流程图； 

图4为本发明一种实施例的不同转速的转速计算软件流程图。 

具体实施方式

实施例： 

一种开关磁阻电机控制系统装置，包括MCU模块、外部人机接口模块、驱动变换驱动保护和制动驱动模块、三相电流采样模块、功率变换模块、三相开关磁阻电机模块、制动电路模块、开关电源模块、整流滤波模块、电源模块和位置码盘模块；电源模块电连接整流滤波模块和开关电源模块，整流滤波模块 电连接功率变换模块，开关电源模块分别电连接驱动变换驱动保护和制动驱动模块和MCU模块；所述MCU模块电连接外部人机接口模块、三相开关磁阻电机模块、位置码盘模块和三相电流采样模块，所述三相电流采样模块电连接功率变换模块；所述驱动变换驱动保护和制动驱动模块电连接制动电路模块。 

在本实施例中，所述三相开关磁阻电机模块为6-4结构的三相开关磁阻电机模块。所述位置码盘模块为光电开关编码器，光电开关编码器产生有六个编码位置信号。 

如图1所示，本发明一种开关磁阻电机控制系统装置的控制方法，实现开关磁阻电机转速的分段控制，具体为： 

开关磁阻电机起动和小于200RPM的极低速阶段采用步进程序，从而使电机获得较大的起动转矩，使电机顺利起动和维持极低速运行； 

在开关磁阻电机200RPM以上、2600RPM以下的低速段时，采用单双拍交替导通的六拍导通的闭环控制，可以实现电机在低速段能够平稳调速； 

在开关磁阻电机2600r/min以上的高速段时，采用移角度单六拍闭环控制，从而出现负转矩，通过移角度控制，可以使导通相提前关断，避免出现负转矩，获得高速段的平稳调速。 

其中，开关磁阻电机电流控制采用了分段PWM和控制角模糊控制，具体为： 

设定开关磁阻电机转速低于200RPM时，转速控制上采取开环步进状态控制策略，PWM控制采取PAM调制策略，电流控制采取标量方式；设定开关磁阻电机转速高于200RPM且转速低于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定有效脉宽而改变无效脉宽的变频率控制策略，电流采取滞环控制；设定开关磁阻电机转速高于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定频率控制策略，电流采取滞 环控制。 

在本实施例中，所述最小连续脉宽转速为每个PWM周期内都有输出的最小脉宽对应的转速。 

本发明以6-4式定转子构造的开关磁阻电机为例，说明情况。由于位置码盘安装偏差，使电机转矩存在一定的死区；当电机带重载从转矩死区开始起动时，起动转矩不足；如果电机在50ms内，位置码盘信号没有变化，说明电机起动困难，软件将首先停止，然后快速重新增加力矩起动电机，反复3次后，位置码盘信号仍然没有变化，则自动按照期望的方向采取开环方式往前跳过一拍拖动转子，使电机正常起动。 

在低速小于200RPM时，如图2所示，通电方式为单双拍方式，即A-AB-B-BC-C-CA；转速采用开环控制方式，并以固定的32ms为换相周期，而与位置码盘无关，转速也无需计算，如图4。位置信号用于电流的给定判断，同时用于负载的大小判断，而电流控制方式为标量方式，电流闭环为滞环控制，如图3所示。 

在中速阶段，转速小于1000RPM时，通电方式为单双拍方式，如图2；转速控制为闭环控制，转速计算采用位置码盘信号变化的周期为基础，如图4；由于电机空载转速超过18000RPM，正常运行时PWM的频率为超过12KHz，周期为83us，考虑功率管的最小开通脉冲为2us，这样按照最小占空比2.5％计算，电机转速超过450RPM，无法实现200-450RPM的转速闭环控制，故转速控制中的PWM不是定频调节占空比的方式，而是在轻载的时候，固定最小脉宽，增加关断时间，如图3；电流控制为转速控制环的内环，随转速变换而变化，电流闭环为滞环控制。 

在中速阶段，转速在1000RPM以上，小于2600RPM时，通电方式仍然为 单双拍，如图2；转速控制为闭环控制，转速计算采用位置码盘信号变化的频率为基础，固定以80ms采样转速脉冲的个数，计算实时转速，如图4；电机此时的控制电压，采用正常的PWM方式，如图3；电流控制为转速控制环的内环，电流闭环为滞环控制，随转速变换而变化。 

在高速阶段，转速超过2600RPM时，通电方式为单拍方式，及A-A-B-B-C-C，导通尾部15°区间不开通，如图2；转速控制为闭环控制，转速计算采用位置码盘信号变化的频率为基础，在3000RPM-5000RPM以60ms采样间隔采样转速脉冲的个数，计算实时转速，而在5000RPM-8000RPM和8000RPM以上分别是30ms和10ms的采样间隔，如图4；电机的控制电压，采用正常的PWM方式，如图3；电流控制为转速控制环的内环，电流闭环为滞环控制，随转速变换而变化。 

在停机制动阶段，采用了电流自适应跟踪控制。具体为：一旦停车制动开始，则以转速为60RPM为控制目标，实时跟踪制动电阻温度、制动电流大小、制动电流变化趋势、转子位置信号，在保证制动电阻温度不超过85℃，且制动电流不超过8A、电流大小处于变化不超过2倍、转子位置不发生反向运行变化的前提下，尽量提高制动力，保证快速制动，从15000RPM下降到零速，最快不超过2.5秒。以上条件的任何一条发生错误，则实时调节制动力大小，减少对硬件的冲击。 

虽然在此根据定转子结构为6-4极的具体的实施方案对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员来说，各种其他的变化和修改以及其他应用是显而易见的。本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机控制系统装置，其特征在于：包括MCU模块、外部人机接口模块、驱动变换驱动保护和制动驱动模块、电流采样模块、功率变换模块、开关磁阻电机模块、制动电路模块、开关电源模块、整流滤波模块、电源模块和位置码盘模块；电源模块电连接整流滤波模块和开关电源模块，整流滤波模块电连接功率变换模块，开关电源模块分别电连接驱动变换驱动保护和制动驱动模块和MCU模块；所述MCU模块电连接外部人机接口模块、开关磁阻电机模块、位置码盘模块和电流采样模块，所述电流采样模块电连接功率变换模块；所述驱动变换驱动保护和制动驱动模块电连接制动电路模块。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机控制系统装置，其特征在于：所述开关磁阻电机模块为定转子结构为6-4或8-6结构的开关磁阻电机模块。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机控制系统装置，其特征在于：所述位置码盘模块为光电开关编码器，光电开关编码器根据不同的定转子结构产生一定个数的编码位置信号。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机控制系统装置的控制方法，其特征在于：实现开关磁阻电机转速的分段控制，具体为：

开关磁阻电机起动和小于200RPM的极低速阶段采用步进程序，从而使电机获得较大的起动转矩，使电机顺利起动和维持极低速运行；

在开关磁阻电机200RPM以上且最小连续脉宽转速以下的低速段时，采用单双拍交替导通的六拍导通的闭环控制，可以实现电机在低速段能够平稳调速；

在开关磁阻电机在最小连续脉宽转速以上的高速段时，采用移角度单六拍闭环控制，从而出现负转矩，通过移角度控制，可以使导通相提前关断，避负出现负转矩，获得高速段的平稳调速。

5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机控制系统装置的控制方法，其特征在于：开关磁阻电机电流控制采用了分段PWM和控制角模糊控制，具体为：

设定开关磁阻电机转速低于200RPM时，转速控制上采取开环步进状态控制策略，PWM控制采取PAM调制策略，电流控制采取标量方式；

设定开关磁阻电机转速高于200RPM且转速低于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定有效脉宽而改变无效脉宽的变频率控制策略，电流采取滞环控制；

设定开关磁阻电机转速高于最小连续脉宽转速时，转速控制采取位置闭环控制策略，PWM控制采取固定频率控制策略，电流采取滞环控制。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机控制系统装置的控制方法，其特征在于：所述最小连续脉宽转速为每个PWM周期内都有输出的最小脉宽对应的转速。

Images