CN104539212A - 一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。本发明方法在开关磁阻电机不同功率变换器的开关模式下，通过对其绕组相电压重构，估算绕组磁链等效电阻，并根据误差实时调节与优化；在此基础上，采用一种基于半周期激励磁链的在线实验测量方法，构建以DSP为核心的在线检测系统；通过一系列有序的空载和带载运行，采集必要的相电压、相电流、位置角度数据，经由控制系统软件计算出磁链，然后将数据上传到上位机绘制磁链特性曲线。本发明无需对电机进行复杂的建模和耗时计算，测量系统结构简单，成本低廉，测量结果准确可靠，实用性强，可以作为对开关磁阻电机控制系统进一步分析和设计的基础。

Description

一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，属于开关磁阻电机控制领域。

背景技术

开关磁阻电机(SRM)具有结构简单、容错性强、工作可靠和效率高等优点，已经在工业、家用电器、航空航天等领域等许多领域得到了应用。为了获取较大力矩，电机的导磁磁路通常被设计得较为饱和，这样就难以建立参数化、解析化数学模型，无法对其系统性能进行准确预估。由于磁链特性是电机数学模型的重要组成部分，因此，获得磁链特性并建立准确的数学模型是实现系统高性能控制的首要任务。现有较为可行的磁链特性获取方法通常有两种，分别是有限元分析方法和实验测量法。

有限元分析法是采用有限元分析软件对电机磁场进行静态分析计算来求取不同转子位置下磁链曲线。有限元法虽然全面考虑了电机的各种因素，提高了准确性，但计算过于耗时繁琐，且受电机尺寸和电机个体差异影响较大，没有得到广泛的应用。因此实验测量法依然是目前获取磁链特性的主要方法，而传统的实验测量法为堵转实验测量法，其测量精度高，但需要增加额外的测试平台和设备，数据需随转子位置变化的每一个角度逐个记录，属于离线测量，可移植性较差。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法。

技术方案：本发明方法在开关磁阻电机功率变换器的不同开关模式下，通过对其绕组相电压重构，估算绕组磁链等效电阻，并根据误差实时调节与优化；在此基础上，采用一种基于半周期激励磁链的在线实验测量方法，构建以DSP为核心的在线检测系统；通过一系列有序的空载和带载运行，采集必要的相电压、相电流、位置角度数据，经由控制系统软件计算出磁链，然后将数据上传到上位机绘制磁链特性曲线。

一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)，在不同功率变换器的开关模式下，考虑功率器件IGBT的导通压降，根据开关磁阻电机的电压方程得出磁链ψ_k微分表达式；

步骤(2)，为了简化分析，假设功率器件IGBT导通压降V_T和二极管导通压降V_D相同(由于V_T和V_D随电流变化的特征相同)，根据步骤(1)得出磁链ψ_k表达式；

步骤(3)，根据步骤(2)中磁链表达式得出开关磁阻电机的磁链等效电阻；

步骤(4)，选取一个初始磁链等效电阻，进行一次测量，再根据等效电阻校准原理判断其偏向，若等效电阻偏大，则在下一次测试中减小等效电阻，反之，增大等效电阻，直到等效电阻匹配为止；

步骤(5)，根据步骤(4)中校准好的磁链等效电阻，基于磁链在线检测平台，通过半周期激励磁链的在线实验测量，具体的实验步骤如下：

a.系统采用电流单闭环运行方式，设置初始给定电流，通过电流斩波控制方式将绕组中的电流稳定在给定值附近；

b.导通角设置为0°，关断角设置为22.5°，保证每相绕组激励区间为电感半周期上升区，以便能够获取转子由非对齐到对齐所有的磁链数据；

c.启动电机，当转速升高至200-300r/min左右时，以一个采样周期开始对三相电流、磁链、位置角度和直流母线电压数据进行采样；

d.获取4096个采样点数据之后发出停机指令，并将采样获取的数据样本存储至主控板的外部RAM中；

e.重新设置给定电流值(间隔为5A)，反复以上操作，直到完成0-60A电流范围内所有数据的测量工作；

步骤(6)，根据步骤(5)中获得的数据，经由控制系统软件计算出磁链，最后将数据上传到上位机绘制磁链曲线；

根据以上所述方法即可得到开关磁阻电机的磁链特性曲线。

有益效果：由于采用了上述技术方案，直接利用电机的电压、电流和位置角度计算磁链，无需增加额外的测试设备，从而使系统结构更加简单可靠，运行高效，成本更加低廉。以三相12/8极开关磁阻电机为控制对象，首先对磁链等效电阻校准与优化，从而提高测量精度，然后根据电机的空载和带载运行，采集采集必要的相电压、相电流、位置角度数据。测得结果对于分析电机性能，实现更优的控制方法，以及研究无位置传感器控制算法等方面提供了数据基础，为数学建模、性能分析等后续研究提供参考。

优点：本发明的磁链在线测量方法简易可行，计算量大大降低，测量结果准确可靠，实用性高。

附图说明

图1是开关磁阻电机不同开关模式下的电路原理图。

其中，(a)为励磁模式，(b)为自然续流模式，(c)为退磁模式。

图2是开关磁阻电机磁链等效电阻原理图。

图3是本发明实施例样机磁链等效电阻校准曲线图。

图4是开关磁阻电机半周期激励磁链的在线实验测量原理图。

图5是本发明实施例样机在线测量磁链曲线图。

图6是本发明实施例实验硬件平台示意图。

具体实施方式

实施例1：该方法在开关磁阻电机功率变换器的不同开关模式下，通过对其绕组相电压重构，估算绕组磁链等效电阻，并根据误差实时调节与优化；在此基础上，采用一种基于半周期激励磁链的在线实验测量方法，构建以DSP为核心的在线检测系统；通过一系列有序的空载和带载运行，采集必要的相电压、相电流、位置角度数据，经由控制系统软件计算出磁链，然后将数据上传到上位机绘制磁链特性曲线。

一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)，在不同功率变换器的开关模式下，考虑功率器件IGBT的导通压降，根据开关磁阻电机的电压方程得出磁链ψ_k微分表达式；

步骤(2)，为了简化分析，假设功率器件IGBT导通压降V_T和二极管导通压降V_D相同(由于V_T和V_D随电流变化的特征相同)，根据步骤(1)得出磁链ψ_k表达式；

步骤(3)，根据步骤(2)中磁链表达式得出开关磁阻电机的磁链等效电阻；

步骤(4)，选取一个初始磁链等效电阻，进行一次测量，再根据等效电阻校准原理判断其偏向，若等效电阻偏大，则在下一次测试中减小等效电阻，反之，增大等效电阻，直到等效电阻匹配为止；

步骤(5)，根据步骤(4)中校准好的磁链等效电阻，基于磁链在线检测平台，通过半周期激励磁链的在线实验测量，具体的实验步骤如下：

a.系统采用电流单闭环运行方式，设置初始给定电流，通过电流斩波控制方式将绕组中的电流稳定在给定值附近；

b.导通角设置为0°，关断角设置为22.5°，保证每相绕组激励区间为电感半周期上升区，以便能够获取转子由非对齐到对齐所有的磁链数据；

c.启动电机，当转速升高至200-300r/min左右时，以一个采样周期开始对三相电流、磁链、位置角度和直流母线电压数据进行采样；

d.获取4096个采样点数据之后发出停机指令，并将采样获取的数据样本存储至主控板的外部RAM中；

e.重新设置给定电流值(间隔为5A)，反复以上操作，直到完成0-60A电流范围内所有数据的测量工作；

步骤(6)，根据步骤(5)中获得的数据，经由控制系统软件计算出磁链，最后将数据上传到上位机绘制磁链曲线；

根据以上所述方法即可得到开关磁阻电机的磁链特性曲线。

实施例2：以12/8极15kw开关磁阻电机为例，并结合附图详细说明。

附图1所示为开关磁阻电机功率变换器的不同开关模式图，考虑IGBT导通压降，根据开关磁阻电机电压方程得出磁链ψ_k微分表达式为：

式(1)中U_s为母线电压，i_k为绕组相电流，R为绕组电阻，V_T、V_D分别为IGBT和二极管的导通压降，V_T1、V_T2为功率器件上下管的导通或关断(其中“1”表示开通，“0”表示关断)。

根据V_T＝V_D，V_T可以写作：

V_T＝iR_T(i)    (2)

式(2)中R_T(i)为IGBT的通态电阻，则得到磁链ψ_k表达式为：

ψ_k(t)＝∫[s_gU_s-i_k(t)(R+2R_T(i))]dt+ψ_k(0)   (3)

式(3)中s_g为不同开关模式下的符号函数，ψ_k(0)为初始磁链，令R_eq(i)＝R+2R_T(i)，R_eq(i)称为磁链等效电阻，其离散形式为：

${\mathrm{\ψ}}_k\left(m\right)=T_s\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[s_g{u}_k\left(n\right)-R_{\mathrm{eq}}\left(i_k\right)i_k\left(n\right)]+{\mathrm{\ψ}}_k\left(0\right)---\left(4\right)$

附图2所示为磁链等效电阻原理图，首先选取一个初始磁链等效电阻，将电机转子角度固定在θ_t，再向某相绕组注入恒定电流i_t，根据公式(4)测量其相绕组磁链；若测量出的磁链增加到最大值后开始衰减，则减小等效电阻；反之增大等效电阻。

附图3所示为15kw开关磁阻电机磁链等效电阻的校准结果，从等效电阻变化趋势来看，电阻随电流增大而变小，并逐渐趋于稳定，这个变化趋势与IGBT导通电阻变化趋势相似，这也间接证明了等效电阻校准的准确性。

附图4所示为半周期激励磁链在线实验测量原理图，在CCC斩波控制方式下使相绕组电感半周期内导通，利用式(4)积分得到该电流下0-22.5度转子角度范围的磁链值。

以A相绕组为例，给定电流斩波限值I_ref，在A相电感最小处(转子位置为0度)开通A相绕组，并持续导通至相电感最大处(转子位置为22.5度)，对采样获得的电流、电压值进行磁链积分即可得电流I_ref下0-22.5度半周期电感内的磁链数据，这样便完成该电流下的磁链获取。

图5是0-60A电流范围内的15kW SRM在线实验测量的原始数据，测量电流从10A开始到60A结束，中间每隔5A测量一次，共11组数据，图中能观察到单个导通激励周期内电机绕组励磁和去磁过程。

图6为本发明实施例实验硬件平台示意图，该平台主要依靠MCU+FPGA构架模式的主控制器完成电流和电压采样、PWM控制脉冲产生和上位机实时通信等工作，此外，主控制器还实现系统过压、欠压和过流等保护功能；MCU采用了TI公司的TMS320F2812DSP芯片，在电机运行过程中，DSP完成磁链的积分运算并把数据上传到上位机进行处理。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征是：该方法在开关磁阻电机功率变换器的不同开关模式下，通过对其绕组相电压重构，估算绕组磁链等效电阻，并根据误差实时调节与优化；在此基础上，采用一种基于半周期激励磁链的在线实验测量方法，构建以DSP为核心的在线检测系统；通过一系列有序的空载和带载运行，采集必要的相电压、相电流、位置角度数据，经由控制系统软件计算出磁链，最后将数据上传到上位机绘制磁链特性曲线。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征是：所述的磁链特性测量方法包括如下步骤：

步骤(1)，在开关磁阻电机不同功率变换器的开关模式下，考虑功率器件IGBT的导通压降，根据开关磁阻电机的电压方程得出磁链ψ_k微分表达式；

步骤(2)，为了简化分析，假设功率器件IGBT导通压降V_T和二极管导通压降V_D相同(由于V_T和V_D随电流变化的特征相同)，根据步骤(1)得出磁链ψ_k表达式；

步骤(3)，根据步骤(2)中磁链表达式得出开关磁阻电机的磁链等效电阻；

步骤(4)，选取一个初始磁链等效电阻，进行一次测量，再根据等效电阻校准原理判断其偏向，若等效电阻偏大，则在下一次测试中减小等效电阻，反之，增大等效电阻，直到等效电阻匹配为止；

步骤(5)，根据步骤(4)中校准好的磁链等效电阻，基于磁链在线检测平台，通过半周期激励磁链的在线实验测量；

步骤(6)，根据步骤(5)中获得的数据，经由控制系统软件计算出磁链，最后将数据上传到上位机绘制磁链曲线。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机磁链特性在线测量方法，其特征是：所述的在线实验测量具体步骤如下：

a.系统采用电流单闭环运行方式，设置初始给定电流，通过电流斩波控制方式将绕组中的电流稳定在给定值附近：

b.导通角设置为0°，关断角设置为22.5°，保证每相绕组激励区间为电感半周期上升区，以便能够获取转子由非对齐到对齐所有的磁链数据；

c.启动电机，当转速升高至200-300r/min左右时，以一个采样周期开始对三相电流、磁链、位置角度和直流母线电压数据进行采样；

d.获取4096个采样点数据之后发出停机指令，并将采样获取的数据样本存储至主控板的外部RAM中；

e.重新设置给定电流值(间隔为5A)，反复以上操作，直到完成0-60A电流范围内所有数据的测量工作；

根据以上所述方法即可得到开关磁阻电机的磁链特性曲线。