CN104242745B - 一种四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法,在转子位置区间[0°,θr/4]设置第一组转矩阈值,在转子位置区间[θr/4,θr/2]设置第二组转矩阈值,对相邻的A相和B相供电励磁,A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4,A相到B相的整个换相过程分为两个区间,在转子位置区间[0°,θ1]区间A相使用第二组转矩阈值,B相使用第一组转矩阈值,临界位置θ1是在换相过程中自动出现的,无需额外进行计算,总转矩控制在[Te+th2low,Te+th2up]之间;在转子位置区间[θ1,θr/4]区间A相继续使用第二组转矩阈值,B相继续使用第一组转矩阈值,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1up]之间,抑制了四相开关磁阻电机转矩脉动,具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法,适用于四相开关磁阻电机驱动系统。
背景技术
开关磁阻电机以其结构简单坚固,制造成本低以及良好的调速性能而广受关注。然而其特殊的双凸极结构以及开关式的励磁方式,使之输出的电磁转矩存在较大脉动,严重制约了其领域的应用,为此研究者们提出了多种方法,在消除转矩脉动的同时还实现了铜损最小化,这些方法在一定速度范围段取得了良好的效果,然而当转速较高时,由于受有限的直流供电电压限制,系统控制跟踪期望电流、期望磁链、期望转矩的能力减弱,转矩脉动难以有效消除。此外,受绕组所能承受的最大电流及半导体器件伏安容量的限制,开关磁阻电机系统存在电流上限,电流的限制使得开关磁阻电机只能输出有限范围的平滑转矩。因此,对于所有输出平滑转矩的控制都存在一定的可操作范围。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中存在的问题,提供一种四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法。
本发明的四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法,包括如下步骤:
a.在转子位置区间[0°,θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),在转子位置区间[θr/4,θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),这6个转矩阈值满足条件:
th1up>th1zero>th2up>0 (1)
0>th1low>th2zero>th2low (2)
|th1zero|=|th2zero| (3)
|th1up|=|th2low| (4)
|th2up|=|th1low| (5)
其中,转子位置0°为最小相电感位置,转子位置θr为齿距角即一个转子周期,半个转子周期是θr/2;
b.设置励磁状态SA为A相供电励磁状态,励磁状态SA=1表示A相励磁电压为正,励磁状态SA=0表示A相励磁电压为零,励磁状态SA=-1表示A相励磁电压为负;设置励磁状态SB为B相供电励磁状态,励磁状态SB=1表示B相励磁电压为正,励磁状态SB=0表示B相励磁电压为零,励磁状态SB=-1表示B相励磁电压为负,期望的总平滑转矩为Te;
c.对相邻的A相和B相供电励磁,A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4,此时,A相关断,B相开通,通过将A相到B相分为两个区间的换相过程,实现四相开关磁阻电机转矩脉动三电平的抑制。
所述将A相到B相分为两个区间的换相过程如下:
(1)在转子位置区间[0°,θ1],A相使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),临界位置θ1是在换相过程中自动出现的,无需额外进行计算;
(1.1)在转子位置0°位置进入B相导通周期,设定初始励磁状态SB=1,B相电流和转矩从0开始增大;励磁状态SA保持原有状态SA=1,A相电流与转矩增加。总转矩增加;
(1.2)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,励磁状态SA由1转换为-1,A相转矩减小;B相保持原有状态,B相转矩继续增加。由于此时B相电感变化率及相电流较小,B相转矩增加速率小于A相转矩下降速率,总转矩变化趋势由A相决定,总转矩减小;
(1.3)当总转矩首先减小到转矩值Te+th1low,不满足A、B两相状态转移条件,励磁状态SA和SB保持原有状态,总转矩继续减小;
(1.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2zero,触发A相由励磁状态SA=-1转变为励磁状态SA=0,A相转矩减小,但减小速率比励磁状态SA=-1时要小;B相保持原有励磁状态,转矩继续增加。此时在励磁状态SA=0和励磁状态SB=1的情况下,A相转矩减小速率大于B相转矩增加速率,总转矩减小;
(1.5)当总转矩减小到转矩值Te+th2low,满足A相状态转移条件,A相由励磁状态SA=0转变为励磁状态SA=1,A相转矩增大;B相保持原有状态,转矩继续增加;总转矩增加;
(1.6)当总转矩依次增加到转矩值Te+th2zero与Te+th1low,但均不满足A、B相的状态转移条件,总转矩继续增加;
(1.7)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,重复步骤(1.2)~(1.6),B相状态未被触发而改变,保持励磁状态SB=1;A相励磁状态SA在1、0和-1间切换,将总转矩控制在[Te+th2low,Te+th2up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°,θ1]的脉动;
(1.8)随着转子位置增大,B相电感变化率及电流增大到一定水平,在某一临界位置之后,当励磁状态SA=0,励磁状态SB=1时,A相转矩减小速率小于B相转矩增加速率,总转矩上升;
(2)在转子位置区间[θ1,θr/4],A相继续使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相继续使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up);
(2.1)在转子位置θ1位置,总转矩达到转矩值Te+th2up,A相状态切换为励磁状态SA=-1;B相保持励磁状态SB=1。在该位置A相转矩在负供电电压激励下的下降速率大于B相转矩在正供电电压激励下的增加速率,因此总转矩下降。然而该状况在随后发生改变,随着转子位置增加,尽管A、B两相励磁状态均未变,但A相在励磁状态SA=-1状态下的转矩下降速率小于B相在励磁状态SB=1状态下的转矩增加速率,从而总转矩上升;
(2.2)当总转矩上升到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续上升;
(2.3)当总转矩达到转矩值Te+th1zero,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为0,B相转矩减小;A相保持原有励磁状态SA=-1,总转矩减小;
(2.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.5)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为1,B相转矩增加;A相保持原有励磁状态SA=-1,总转矩上升;
(2.6)重复步骤(2.2)~(2.5),励磁状态SA保持-1,A相转矩和电流持续变小;励磁状态SB在0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.7)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0时转矩增加,且增加速率大于A相在励磁状态SA=-1时转矩下降速率,此时总转矩上升;
(2.8)当总转矩上升至转矩值Te+th1up,B相状态被触发改变,励磁状态SB从0转为-1,B相转矩减小;A相转矩继续减小,总转矩减小;
(2.9)当总转矩依次减小到转矩值Te+th1zero与转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.10)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,励磁状态SB被触发改变为1,B相转矩增加;A相保持原有状态,A相转矩继续减小,总转矩增加;
(2.11)当总转矩增加到转矩值Te+th1zero,励磁状态SB被触发改变为0,励磁状态SA保持为-1,此时情况与(2.7)相同,重复步骤(2.7)~(2.11),励磁状态SA保持-1,励磁状态SB在-1,0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.12)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0、励磁状态SA=-1时总转矩不再增加,而是降低,从此刻起重复步骤(2.2)~(2.5),总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动。
有益效果:由于采用了上述技术方案,本发明只需通过设置两组转矩阈值和设置相邻的A相和B相励磁状态,分别使A相和B相在供电励磁电压为正、零、负三种励磁状态之间切换,控制总转矩在两组转矩阈值之间,抑制了四相开关磁阻电机转矩脉动,实现了四相开关磁阻电机直接瞬时转矩平滑控制,电机绕组所受激励电压波形与期望电压波形具有相同的特征,实际相电流与期望相电流高度吻合,使开关磁阻电机输出最大范围的平滑转矩。通用性强,适用于各种类型、各种结构的四相开关磁阻电机驱动系统,实用效果好,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的开关磁阻电机三电平转矩阈值设定示意图;
图2(a)是本发明的B相供电励磁状态的转换示意图;
图2(b)是本发明的A相供电励磁状态的转换示意图;
图3是本发明的开关磁阻电机转矩波形。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述:
如图1所示,针对一台四相开关磁阻电机,具体步骤如下:
a.在转子位置区间[0°,θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),在转子位置区间[θr/4,θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),这6个转矩阈值满足条件:
th1up>th1zero>th2up>0 (1)
0>th1low>th2zero>th2low (2)
|th1zero|=|th2zero| (3)
|th1up|=|th2low| (4)
|th2up|=|th1low| (5)
其中,转子位置0°为最小相电感位置,转子位置θr为齿距角即一个转子周期,半个转子周期是θr/2;
b.如图2所示,设置励磁状态SA为A相供电励磁状态,励磁状态SA=1表示A相励磁电压为正,励磁状态SA=0表示A相励磁电压为零,励磁状态SA=-1表示A相励磁电压为负;设置励磁状态SB为B相供电励磁状态,励磁状态SB=1表示B相励磁电压为正,励磁状态SB=0表示B相励磁电压为零,励磁状态SB=-1表示B相励磁电压为负,期望的总平滑转矩为Te;
c.对相邻的A相和B相供电励磁,A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4,此时,A相关断,B相开通,如图1所示,A相到B相的换相过程分为两个区间:
(1)在转子位置区间[0°,θ1],A相使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),临界位置θ1是在换相过程中自动出现的,无需额外进行计算;
(1.1)在转子位置0°位置进入B相导通周期,设定初始励磁状态SB=1,B相电流和转矩从0开始增大;励磁状态SA保持原有状态SA=1,A相电流与转矩增加。总转矩增加;
(1.2)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,励磁状态SA由1转换为-1,A相转矩减小;B相保持原有状态,B相转矩继续增加。由于此时B相电感变化率及相电流较小,B相转矩增加速率小于A相转矩下降速率,总转矩变化趋势由A相决定,总转矩减小;
(1.3)当总转矩首先减小到转矩值Te+th1low,不满足A、B两相状态转移条件,励磁状态SA和SB保持原有状态,总转矩继续减小;
(1.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2zero,触发A相由励磁状态SA=-1转变为励磁状态SA=0,A相转矩减小,但减小速率比励磁状态SA=-1时要小;B相保持原有励磁状态,转矩继续增加。此时在励磁状态SA=0和励磁状态SB=1的情况下,A相转矩减小速率大于B相转矩增加速率,总转矩减小;
(1.5)当总转矩减小到转矩值Te+th2low,满足A相状态转移条件,A相由励磁状态SA=0转变为励磁状态SA=1,A相转矩增大;B相保持原有状态,转矩继续增加;总转矩增加;
(1.6)当总转矩依次增加到转矩值Te+th2zero与Te+th1low,但均不满足A、B相的状态转移条件,总转矩继续增加;
(1.7)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,重复步骤(1.2)~(1.6),B相状态未被触发而改变,保持励磁状态SB=1;A相励磁状态SA在1、0和-1间切换,将总转矩控制在[Te+th2low,Te+th2up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°,θ1]的脉动;
(1.8)随着转子位置增大,B相电感变化率及电流增大到一定水平,在某一临界位置之后,当励磁状态SA=0,励磁状态SB=1时,A相转矩减小速率小于B相转矩增加速率,总转矩上升;
(2)在转子位置区间[θ1,θr/4],A相继续使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相继续使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up);
(2.1)在转子位置θ1位置,总转矩达到转矩值Te+th2up,A相状态切换为励磁状态SA=-1;B相保持励磁状态SB=1。在该位置A相转矩在负供电电压激励下的下降速率大于B相转矩在正供电电压激励下的增加速率,因此总转矩下降。然而该状况在随后发生改变,随着转子位置增加,尽管A、B两相励磁状态均未变,但A相在励磁状态SA=-1状态下的转矩下降速率小于B相在励磁状态SB=1状态下的转矩增加速率,从而总转矩上升;
(2.2)当总转矩上升到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续上升;
(2.3)当总转矩达到转矩值Te+th1zero,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为0,B相转矩减小;A相保持原有励磁状态SA=-1,总转矩减小;
(2.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.5)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为1,B相转矩增加;A相保持原有励磁状态SA=-1。总转矩上升;
(2.6)重复步骤(2.2)~(2.5),励磁状态SA保持-1,A相转矩和电流持续变小;励磁状态SB在0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.7)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0时转矩增加,且增加速率大于A相在励磁状态SA=-1时转矩下降速率,此时总转矩上升;
(2.8)当总转矩上升至转矩值Te+th1up,B相状态被触发改变,励磁状态SB从0转为-1,B相转矩减小;A相转矩继续减小,总转矩减小;
(2.9)当总转矩依次减小到转矩值Te+th1zero与转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.10)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,励磁状态SB被触发改变为1,B相转矩增加;A相保持原有状态,A相转矩继续减小,总转矩增加;
(2.11)当总转矩增加到转矩值Te+th1zero,励磁状态SB被触发改变为0,励磁状态SA保持为-1,此时情况与(2.7)相同,重复步骤(2.7)~(2.11),励磁状态SA保持-1,励磁状态SB在-1,0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.12)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0、励磁状态SA=-1时总转矩不再增加,而是降低,从此刻起重复步骤(2.2)~(2.5),总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动。
对相邻的B相和C相供电励磁,B相供电励磁比C相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、B相和C相励磁状态切换转移方法,与上述情况类似。
对相邻的C相和D相供电励磁,C相供电励磁比D相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、C相和D相励磁状态切换转移方法,与上述情况类似。
对相邻的D相和A相供电励磁,D相供电励磁比A相供电励磁超前θr/4时的转矩阈值设定、换相过程、D相和A相励磁状态切换转移方法,与上述情况类似。
所获得的开关磁阻电机转矩波形如图3所示。
Claims (2)
1.一种四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法,其特征在于,包括如下步骤:
a.在转子位置区间[0°,θr/4]设置第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),在转子位置区间[θr/4,θr/2]设置第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),这6个转矩阈值满足条件:
th1up>th1zero>th2up>0 (1)
0>th1low>th2zero>th2low (2)
|th1zero|=|th2zero| (3)
|th1up|=|th2low| (4)
|th2up|=|th1low| (5)
其中,转子位置0°为最小相电感位置,转子位置θr为齿距角即一个转子周期,半个转子周期是θr/2;
b.设置励磁状态SA为A相供电励磁状态,励磁状态SA=1表示A相励磁电压为正,励磁状态SA=0表示A相励磁电压为零,励磁状态SA=-1表示A相励磁电压为负;设置励磁状态SB为B相供电励磁状态,励磁状态SB=1表示B相励磁电压为正,励磁状态SB=0表示B相励磁电压为零,励磁状态SB=-1表示B相励磁电压为负,期望的总平滑转矩为Te;
c.对相邻的A相和B相供电励磁,A相供电励磁比B相供电励磁超前θr/4,此时,A相关断,B相开通,通过将A相到B相分为两个区间的换相过程,实现四相开关磁阻电机转矩脉动三电平的抑制。
2.根据权利要求1所述的一种四相开关磁阻电机转矩脉动三电平抑制方法,其特征在于:所述将A相到B相分为两个区间的换相过程如下:
(1)在转子位置区间[0°,θ1],A相使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up),临界位置θ1是在换相过程中自动出现的,无需额外进行计算;
(1.1)在转子位置0°位置进入B相导通周期,设定初始励磁状态SB=1,B相电流和转矩从0开始增大;励磁状态SA保持原有状态SA=1,A相电流与转矩增加,总转矩增加;
(1.2)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,励磁状态SA由1转换为-1,A相转矩减小;B相保持原有状态,B相转矩继续增加,由于此时B相电感变化率及相电流较小,B相转矩增加速率小于A相转矩下降速率,总转矩变化趋势由A相决定,总转矩减小;
(1.3)当总转矩首先减小到转矩值Te+th1low,不满足A、B两相状态转移条件,励磁状态SA和SB保持原有状态,总转矩继续减小;
(1.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2zero,触发A相由励磁状态SA=-1转变为励磁状态 SA=0,A相转矩减小,但减小速率比励磁状态SA=-1时要小;B相保持原有励磁状态,转矩继续增加,此时在励磁状态SA=0和励磁状态SB=1的情况下,A相转矩减小速率大于B相转矩增加速率,总转矩减小;
(1.5)当总转矩减小到转矩值Te+th2low,满足A相状态转移条件,A相由励磁状态SA=0转变为励磁状态SA=1,A相转矩增大;B相保持原有状态,转矩继续增加;总转矩增加;
(1.6)当总转矩依次增加到转矩值Te+th2zero与Te+th1low,但均不满足A、B相的状态转移条件,总转矩继续增加;
(1.7)当总转矩增加到转矩值Te+th2up,重复步骤(1.2)~(1.6),B相状态未被触发而改变,保持励磁状态SB=1;A相励磁状态SA在1、0和-1间切换,将总转矩控制在[Te+th2low,Te+th2up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[0°,θ1]的脉动;
(1.8)随着转子位置增大,B相电感变化率及电流增大到一定水平,在某一临界位置之后,当励磁状态SA=0,励磁状态SB=1时,A相转矩减小速率小于B相转矩增加速率,总转矩上升;
(2)在转子位置区间[θ1,θr/4],A相继续使用第二组转矩阈值(th2low,th2zero,th2up),B相继续使用第一组转矩阈值(th1low,th1zero,th1up);
(2.1)在转子位置θ1位置,总转矩达到转矩值Te+th2up,A相状态切换为励磁状态SA=-1;B相保持励磁状态SB=1,在该位置A相转矩在负供电电压激励下的下降速率大于B相转矩在正供电电压激励下的增加速率,因此总转矩下降,然而该状况在随后发生改变,随着转子位置增加,尽管A、B两相励磁状态均未变,但A相在励磁状态SA=-1状态下的转矩下降速率小于B相在励磁状态SB=1状态下的转矩增加速率,从而总转矩上升;
(2.2)当总转矩上升到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续上升;
(2.3)当总转矩达到转矩值Te+th1zero,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为0,B相转矩减小;A相保持原有励磁状态SA=-1,总转矩减小;
(2.4)当总转矩减小到转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.5)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,满足B相状态转移条件,励磁状态SB转换为1,B相转矩增加;A相保持原有励磁状态SA=-1,总转矩上升;
(2.6)重复步骤(2.2)~(2.5),励磁状态SA保持-1,A相转矩和电流持续变小;励磁状态SB在0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.7)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0时转矩增加,且增加速率大于A相在励磁状态SA=-1时转矩下降速率,此时总转矩上升;
(2.8)当总转矩上升至转矩值Te+th1up,B相状态被触发改变,励磁状态SB从0转为-1,B相转矩减小;A相转矩继续减小,总转矩减小;
(2.9)当总转矩依次减小到转矩值Te+th1zero与转矩值Te+th2up,励磁状态SA和励磁状态SB均未被触发改变状态,总转矩继续减小;
(2.10)当总转矩减小到转矩值Te+th1low,励磁状态SB被触发改变为1,B相转矩增加;A相保持原有状态,A相转矩继续减小,总转矩增加;
(2.11)当总转矩增加到转矩值Te+th1zero,励磁状态SB被触发改变为0,励磁状态SA保持为-1,此时情况与(2.7)相同,重复步骤(2.7)~(2.11),励磁状态SA保持-1,励磁状态SB在-1,0和1之间切换,总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1up]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动;
(2.12)当转子位于临界位置,B相转矩在励磁状态SB=0、励磁状态SA=-1时总转矩不再增加,而是降低,从此刻起重复步骤(2.2)~(2.5),总转矩被控制在[Te+th1low,Te+th1zero]之间,从而抑制四相开关磁阻电机转矩在转子位置区间[θ1,θr/4]的脉动。
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