CN103684130B - 开关磁阻电机直接瞬时转矩的pwm调压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，包括以下步骤：步骤一、开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角及第p相定子绕组电流信号的采集与传输，步骤二、确定出开关磁阻电机的瞬时转矩T，步骤三、确定出PWM调压控制策略并对开关磁阻电机的瞬时转矩进行控制。本发明方法简单，实现方便，转矩波动小，响应速度快，能够提高系统的性能，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机的转矩控制技术领域，尤其是涉及一种开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法。
背景技术
开关磁阻电机是一种调速性能良好的调速电机。但是，开关磁阻电机也有一些缺点，例如转矩脉动较大。输出转矩脉动大影响了开关磁阻电机的广泛应用。因此如何抑制开关磁阻电机的转矩脉动成了开关磁阻电机研究领域内的研究热点。
常见的转矩控制方法是Kim C-H和Ha I-J，在1996年的IEEE Transactions onControl Systems Technology提出的转矩分配函数控制法是一种应用广泛的转矩脉动抑制方法。它的实质是合理地分配与调节各相电流所对应的电磁转矩分量，使总输出转矩以较小的误差跟踪期望的转矩波形。
为了实现速度控制，速度误差经过控制算法限幅后，成为给定转矩，而给定转矩在分配函数处于不同位置时能够精确计算出各相期望转矩，然后分配的各相转矩再一次通过转矩模型映射对应参考相电流或者参考相磁链，较常用的一种计算方法是通过事先已经测量好的转矩表，在对应位置角通过查表的形式获得参考相电流或者参考相磁链，还可以通过智能算法将已经训练好的模型根据输入的转矩、位置计算输出的参考相电流或者参考相磁链。这样，电流或磁链控制环就可以根据给定的输入电流或者磁链和捕获的反馈电流或者磁链计算出它们误差，通过一定的方式驱动开关磁阻电机各相按照给定导通，实现给定速度准确控制。转矩分配法就是恒定转矩分配给各相，再利用静态转矩模型，实现转矩到电流的映射，最后通过控制电流实现恒转矩控制。
但是不同转速下电机对电流波形的要求不尽相同，就使得采用固定转矩分配函数的策略难以获得较好的电流跟踪效果，对于实时控制的适应性较差。而且，转矩控制在转矩分配法中，是以一种电流或磁链优化的间接方法，转矩响应速度有待提高。
直接瞬时转矩控制方法研究是Robert B Inderka在2003年IEEE Transactionson Industry Application提出的一种转矩控制的新思想。这种方法提出了转矩闭环的直接瞬时转矩控制转矩脉动方法，该方法以开关磁阻电机正向串联的单相工作为基础。通过分析每相输出转矩是绕组电压励磁并根据“开关磁阻电机转动时磁阻最小理论”带动电机旋转，并且输出转矩。提出通过反馈转矩和给定转矩的误差计算每一瞬时下的电机绕组电压等级，从而控制电机的输出转矩的方法。
国内有大批学者也对直接瞬时转矩方法进行了深入的研究，并且将成果发表在国内权威期刊。漆汉宏等在2007年《电工技术学报》，夏长亮等在2006年《中国电机工程学报》，李珍国在2010年《电工技术学报》上，对这种方法进行了深入的分析和研究。这些研究方法沿用了Robert BInderka提出的控制方法和思想，他们通过提出新型滞环策略或者新型驱动拓扑，控制绕组瞬时电压控制输出转矩，抑制转矩脉动。这些学者仍然采用的是滞环控制绕组电压等级，改变输出转矩，抑制转矩脉动。
滞环控制方法是一种常见的控制方法，它结构简单，应用广泛。但是，滞环控制方法和转矩误差限的设计关系紧密，如果误差限较小，那么转矩响应快，但是容易给系统带来震荡。如果误差限设的较大，那么达不到转矩脉动抑制目的，控制系统的响应速度也降低了。因此，从控制方法看，滞环控制策略并非最优，想要进一步提高转矩脉动抑制能力，必须采用新的控制算法提高抑制转矩脉动的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，其方法简单，实现方便，转矩波动小，响应速度快，能够提高系统的性能，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角及第p相定子绕组电流信号的采集与传输：位置传感器对开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块；电流传感器对开关磁阻电机的第p相定子绕组电流信号进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块；其中，第p相定子绕组为m相开关磁阻电机的当前相定子绕组，m的取值为3、4、5或6；
步骤二、确定出开关磁阻电机的瞬时转矩T：微控制器模块对其接收到的开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角信号和第p相定子绕组电流信号进行分析处理，得到开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i，并根据其得到的开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i查找预先存储在数据存储模块中的转矩检测表，确定出开关磁阻电机的瞬时转矩T；其中，所述转矩检测表为开关磁阻电机的各相定子绕组对应转子位置角、各相定子绕组电流和瞬时转矩之间的对应关系表；
步骤三、确定出PWM调压控制策略并对开关磁阻电机的瞬时转矩进行控制，其具体过程为：
步骤301、微控制器模块将开关磁阻电机的瞬时转矩T与给定转矩Te进行比对，计算得到瞬时转矩T与给定转矩Te的误差；
步骤302、微控制器模块根据瞬时转矩T与给定转矩Te的误差且通过PID算法并经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比信号；
步骤303、微控制器模块根据其得到的开关磁阻电机的第p相定子绕组对应转子位置角θ，判断开关磁阻电机的第p相定子绕组工作在单相工作区间还是换相工作区间，当θ∈[θ(p-1)off,θpon]时，开关磁阻电机的第p相定子绕组工作在换相工作区间，当θ∈[θpon,θpoff]时，开关磁阻电机的第p相定子绕组工作在单相工作区间；其中，第p-1相定子绕组为m相开关磁阻电机的当前相定子绕组的前一相定子绕组，θ(p-1)off为m相开关磁阻电机的当前相定子绕组的前一相定子绕组的关断角，θpon为m相开关磁阻电机的当前相定子绕组的导通角，θpoff为m相开关磁阻电机的当前相定子绕组的关断角；
步骤304、当开关磁阻电机的第p相定子绕组工作在单相工作区间时，微控制器模块根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路，进而对开关磁阻电机的各相定子绕组进行控制；当开关磁阻电机的第p相定子绕组工作在换相工作区间时，微控制器模块根据电压模式为“+1”和“0”的单极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路，进而对开关磁阻电机的即将单相导通相定子绕组进行控制；且微控制器模块根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路，进而对开关磁阻电机的即将关断相定子绕组进行控制；
其中，所述不对称半桥驱动电路包括直流电源E和并联在直流电源E输出端之间的多个定子绕组独立驱动电路，所述定子绕组独立驱动电路的数量与开关磁阻电机的绕组数量相等，每个所述定子绕组独立驱动电路均由全控型开关管S1和S2以及续流二极管D1和D2构成，所述全控型开关管S1的控制端和全控型开关管S2的控制端均与所述微控制器模块相接，所述全控型开关管S1的一端和续流二极管D1的负极均与直流电源E的正极输出端相接，所述全控型开关管S1的另一端和续流二极管D2的负极均与开关磁阻电机的任意一相定子绕组的一端相接，所述续流二极管D1的正极和全控型开关管S2的一端均与开关磁阻电机的任意一相定子绕组的另一端相接，所述续流二极管D2的正极和全控型开关管S2的另一端均与直流电源E的负极输出端相接；当电压模式为“+1”时，所述微控制器模块控制全控型开关管S1和S2均导通；当电压模式为“0”时，所述微控制器模块控制全控型开关管S1断开，并控制全控型开关管S2导通；当电压模式为“-1”时，所述微控制器模块控制全控型开关管S1和S2均断开。
上述的开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，其特征在于：所述位置传感器为相对式旋转编码器。
上述的开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，其特征在于：所述微控制器模块主要由数字信号处理器DSP构成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的方法简单，实现方便。
2、本发明能够提高系统的响应速度，同时改进原滞环算法在响应过程中易于给系统带来波动的缺点，并且进一步提高系统的转矩脉动抑制能力，提高系统的性能。
3、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明方法简单，实现方便，转矩波动小，响应速度快，能够提高系统的性能，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明所采用的控制方法的方法流程框图。
图2为本发明所采用的硬件系统的电路原理框图。
图3为本发明不对称半桥驱动电路的电路原理图。
图4为滞环转矩控制方法的转矩控制效果仿真图。
图5为PWM调压控制方法的转矩控制效果仿真图。
附图标记说明:
1—位置传感器； 2—电流传感器； 3—信号调理电路模块；
4—微控制器模块； 5—数据存储模块； 6—不对称半桥驱动电路；
7—开关磁阻电机。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明所述的开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，包括以下步骤：
步骤一、开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角及第p相定子绕组电流信号的采集与传输：位置传感器1对开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块3进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块4；电流传感器2对开关磁阻电机7的第p相定子绕组电流信号进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块3进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块4；其中，第p相定子绕组为m相开关磁阻电机7的当前相定子绕组，m的取值为3、4、5或6；
步骤二、确定出开关磁阻电机7的瞬时转矩T：微控制器模块4对其接收到的开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角信号和第p相定子绕组电流信号进行分析处理，得到开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i，并根据其得到的开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i查找预先存储在数据存储模块5中的转矩检测表，确定出开关磁阻电机7的瞬时转矩T；其中，所述转矩检测表为开关磁阻电机7的各相定子绕组对应转子位置角、各相定子绕组电流和瞬时转矩之间的对应关系表；
步骤三、确定出PWM调压控制策略并对开关磁阻电机7的瞬时转矩进行控制，其具体过程为：
步骤301、微控制器模块4将开关磁阻电机7的瞬时转矩T与给定转矩Te进行比对，计算得到瞬时转矩T与给定转矩Te的误差；
步骤302、微控制器模块4根据瞬时转矩T与给定转矩Te的误差且通过PID算法并经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比信号；
步骤303、微控制器模块4根据其得到的开关磁阻电机7的第p相定子绕组对应转子位置角θ，判断开关磁阻电机7的第p相定子绕组工作在单相工作区间还是换相工作区间，当θ∈[θ(p-1)off,θpon]时，开关磁阻电机7的第p相定子绕组工作在换相工作区间，当θ∈[θpon,θpoff]时，开关磁阻电机7的第p相定子绕组工作在单相工作区间；其中，第p-1相定子绕组为m相开关磁阻电机7的当前相定子绕组的前一相定子绕组，θ(p-1)off为m相开关磁阻电机7的当前相定子绕组的前一相定子绕组的关断角，θpon为m相开关磁阻电机7的当前相定子绕组的导通角，θpoff为m相开关磁阻电机7的当前相定子绕组的关断角；
步骤304、当开关磁阻电机7的第p相定子绕组工作在单相工作区间时，微控制器模块4根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路6，进而对开关磁阻电机7的各相定子绕组进行控制；当开关磁阻电机7的第p相定子绕组工作在换相工作区间时，微控制器模块4根据电压模式为“+1”和“0”的单极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路6，进而对开关磁阻电机7的即将单相导通相定子绕组进行控制；且微控制器模块4根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路6，进而对开关磁阻电机7的即将关断相定子绕组进行控制；
其中，如图3所示，所述不对称半桥驱动电路6包括直流电源E和并联在直流电源E输出端之间的多个定子绕组独立驱动电路，所述定子绕组独立驱动电路的数量与开关磁阻电机7的绕组数量相等，每个所述定子绕组独立驱动电路均由全控型开关管S1和S2以及续流二极管D1和D2构成，所述全控型开关管S1的控制端和全控型开关管S2的控制端均与所述微控制器模块4相接，所述全控型开关管S1的一端和续流二极管D1的负极均与直流电源E的正极输出端相接，所述全控型开关管S1的另一端和续流二极管D2的负极均与开关磁阻电机7的任意一相定子绕组的一端相接，所述续流二极管D1的正极和全控型开关管S2的一端均与开关磁阻电机7的任意一相定子绕组的另一端相接，所述续流二极管D2的正极和全控型开关管S2的另一端均与直流电源E的负极输出端相接；当电压模式为“+1”时，所述微控制器模块4控制全控型开关管S1和S2均导通；当电压模式为“0”时，所述微控制器模块4控制全控型开关管S1断开，并控制全控型开关管S2导通；当电压模式为“-1”时，所述微控制器模块4控制全控型开关管S1和S2均断开。
本实施例中，所述位置传感器1为相对式旋转编码器。所述微控制器模块4主要由数字信号处理器DSP构成。
为了验证本发明的技术效果，在MATLAB软件中对现有技术中的开关磁阻电机直接瞬时转矩的滞环转矩控制方法进行了仿真，并对本发明所述的开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法进行了仿真，仿真时，所述开关磁阻电机7选取具有A相绕组、B相绕组、C相绕组和D相绕组的四相开关磁阻电机，该四相开关磁阻电机的粘滞摩擦系数kω=0.001N·m·s，转动惯量J=0.0035kg.m2；在同一极距角范围内，A相绕组的导通角为2°，A相绕组的关断角为27°，B相绕组的导通角为17°，B相绕组的关断角为42°，C相绕组的导通角为32°，C相绕组的关断角为57°，D相绕组的导通角为47°，D相绕组的关断角为12°；取给定转矩Te=10N·m，PID算法中P=1，I=0.3；限幅取上限值为30N·m，下限值为-30N·m；PWM脉冲采用三角波，载波频率设定为10KHz。得到滞环转矩控制方法的转矩控制效果仿真图如图4所示，PWM调压控制方法的转矩控制效果仿真图如图5所示。图4和图5中，横坐标均为时间t，单位为s，纵坐标为瞬时转矩T，单位为N·m。
从图4和图5可以看出：
（1）PWM控制方法能够更好的控制由于误差产生的开关通断动作，PWM调压控制方法的瞬时转矩T毛刺明显好于滞环转矩控制方法的瞬时转矩T毛刺。这是由于滞环转矩控制方法的开关特性使得转矩响应可能出现较大的波动，而PWM调压控制方法却恒定地控制了转矩的响应，使得转矩脉动得到了控制。
（2）PWM调压控制方法的控制效果在换相区控制效果更明显；同时，由于PWM调压控制方法能够更加平滑的控制转矩误差，使得转矩脉动得到了较好的控制；因此，PWM调压控制方法的转矩脉动包络小于滞环转矩控制方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.一种开关磁阻电机直接瞬时转矩的PWM调压控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角及第p相定子绕组电流信号的采集与传输：位置传感器(1)对开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块(3)进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块(4)；电流传感器(2)对开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组电流信号进行实时检测，并将所检测到的信号经过信号调理电路模块(3)进行放大、滤波和A/D处理后实时输出给微控制器模块(4)；其中，第p相定子绕组为m相开关磁阻电机(7)的当前相定子绕组，m的取值为3、4、5或6；
步骤二、确定出开关磁阻电机(7)的瞬时转矩T：微控制器模块(4)对其接收到的开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角信号和第p相定子绕组电流信号进行分析处理，得到开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i，并根据其得到的开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角θ和第p相定子绕组电流i查找预先存储在数据存储模块(5)中的转矩检测表，确定出开关磁阻电机(7)的瞬时转矩T；其中，所述转矩检测表为开关磁阻电机(7)的各相定子绕组对应转子位置角、各相定子绕组电流和瞬时转矩之间的对应关系表；
步骤三、确定出PWM调压控制策略并对开关磁阻电机(7)的瞬时转矩进行控制，其具体过程为：
步骤301、微控制器模块(4)将开关磁阻电机(7)的瞬时转矩T与给定转矩Te进行比对，计算得到瞬时转矩T与给定转矩Te的误差；
步骤302、微控制器模块(4)根据瞬时转矩T与给定转矩Te的误差且通过PID算法并经限幅计算得到PWM输出脉冲的占空比信号；所述PWM输出脉冲为三角波脉冲；
步骤303、微控制器模块(4)根据其得到的开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组对应转子位置角θ，判断开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组工作在单相工作区间还是换相工作区间，当θ∈[θ(p-1)off,θpon]时，开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组工作在换相工作区间，当θ∈[θpon,θpoff]时，开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组工作在单相工作区间；其中，第p-1相定子绕组为m相开关磁阻电机(7)的当前相定子绕组的前一相定子绕组，θ(p-1)off为m相开关磁阻电机(7)的当前相定子绕组的前一相定子绕组的关断角，θpon为m相开关磁阻电机(7)的当前相定子绕组的导通角，θpoff为m相开关磁阻电机(7)的当前相定子绕组的关断角；
步骤304、当开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组工作在单相工作区间时，微控制器模块(4)根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路(6)，进而对开关磁阻电机(7)的各相定子绕组进行控制；当开关磁阻电机(7)的第p相定子绕组工作在换相工作区间时，微控制器模块(4)根据电压模式为“+1”和“0”的单极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路(6)，进而对开关磁阻电机(7)的即将单相导通相定子绕组进行控制；且微控制器模块(4)根据电压模式为“+1”和“-1”的双极性PWM方法控制不对称半桥驱动电路(6)，进而对开关磁阻电机(7)的即将关断相定子绕组进行控制；
其中，所述不对称半桥驱动电路(6)包括直流电源E和并联在直流电源E输出端之间的多个定子绕组独立驱动电路，所述定子绕组独立驱动电路的数量与开关磁阻电机(7)的绕组数量相等，每个所述定子绕组独立驱动电路均由全控型开关管S1和S2以及续流二极管D1和D2构成，所述全控型开关管S1的控制端和全控型开关管S2的控制端均与所述微控制器模块(4)相接，所述全控型开关管S1的一端和续流二极管D1的负极均与直流电源E的正极输出端相接，所述全控型开关管S1的另一端和续流二极管D2的负极均与开关磁阻电机(7)的任意一相定子绕组的一端相接，所述续流二极管D1的正极和全控型开关管S2的一端均与开关磁阻电机(7)的任意一相定子绕组的另一端相接，所述续流二极管D2的正极和全控型开关管S2的另一端均与直流电源E的负极输出端相接；当电压模式为“+1”时，所述微控制器模块(4)控制全控型开关管S1和S2均导通；当电压模式为“0”时，所述微控制器模块(4)控制全控型开关管S1断开，并控制全控型开关管S2导通；当电压模式为“-1”时，所述微控制器模块(4)控制全控型开关管S1和S2均断开；
所述微控制器模块(4)主要由数字信号处理器DSP构成；
所述位置传感器(1)为相对式旋转编码器。
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| 开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制系统设计与仿真;李大威等;《电机与控制应用》;20110504;第38卷(第2期);第11-14页 * |
| 直接瞬时转矩控制策略在开关磁阻电机上的应用;程勇;《航空制造技术》;20120531;第88-91页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103684130A (zh) | 2014-03-26 |
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