CN104579047B - 一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法 Download PDF

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Abstract

一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，利用电流斩波模式(CCC)与电压控制模式(VC)相结合的方法，以外部操作人通过转把或踏板传递过来的电平给定信号为开环输入量，经过微处理器(CPU)内置的模数转换模块(ADC)采样后，换算成开环控制比例系数后，同时等比例调节电流斩波模式(CCC)中的斩波限，以及电压控制模式(VC)中的脉宽调制信号(PWM)，输出跟随输入条件变化的上开关功率管电流斩波信号，从而同时控制开关磁阻电机的相电流峰值和相电压，实现电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，实现软启动的效果。

Description

一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机的启动方法，尤其涉及一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，该方法可以实现开关磁阻电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，从而实现软启动的效果，特别适用于某些需要细微控制的场合，如电动装卸车辆的点动位置调整等，避免传统开环控制方法出现的车辆启动冲击过大导致无法实现点动问题，属于电机控制技术领域。
背景技术
开关磁阻电动机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电动机调速系统、直流电动机调速系统和无刷直流电动机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。近年来逐渐从原来的纺机、抽油机等应用向电动车行业拓展。
以拖动为主要目的的电动车应用中，有些分支应用如铲车、叉车等装卸类车辆，需要在装货和卸货时做装卸位置定位，以保证装卸的安全性和效率，因此需要一种能够微动或者点动的操作方式，每次点动后电动车的运行距离在5cm以内。而传统开关磁阻在启动时主要采用的方法有：①固定斩波限的电流斩波模式(CCC)结合可变PWM占空比的电压控制模式(VC)；②可变斩波限度电流斩波模式(CCC)结合固定PWM占空比的电压控制模式(VC)；③比例-积分-微分(PID)、矢量控制、直接转矩控制(DTC)等闭环调节斩波限或PWM占空比。上述方法中，第一种方法存在启动力矩太大的问题，无法获得点动效果；第二种方法存在控制精度差的问题，无法获得平滑控制效果；第三种则需要大量闭环调节的过程，收敛性和稳定性都有待观察，无法迅速响应操作员的给定。
发明内容
本发明针对已有开关磁阻电机启动控制方式无法达到电动装卸车辆要求的技术问题，提出了一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，能够实现开关磁阻电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，从而实现电动车软启动的效果，且响应操作员给定迅速，解决开关磁阻电机在电动装卸车辆中的应用问题。
本发明采取的技术方案如下：一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，其特征在于：以外部操作人通过转把或踏板传递过来的电平给定信号为输入条件，同时等比例调节电机各相电流斩波模式CCC中的斩波限以及电压控制模式VC中的脉宽调制信号PWM，输出跟随输入条件变化的功率变换器中上开关功率管电流斩波信号，控制并驱动功率变换器以实现开关磁阻电机的励磁、续流过程，利用电流斩波模式CCC与电压控制模式VC相结合的方法同时控制开关磁阻电机的相电流峰值和相电压，实现电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，达到磁阻电机软启动的效果，包括以下步骤：
1)首先检测磁阻电机的转速，通过磁阻电机中位置传感器送来的转速信号，根据磁阻电机的当前转速是否低于预定值，来判断是否需要进入软启动控制阶段，若速度高于预定值则不开启软启动控制，直至下个运算周期继续检测；
2)若速度低于预定值则进入软启动控制阶段，此时需要先读取外部操作人通过调速转把或踏板传递过来的电平给定信号；
3)将电平给定信号通过微处理器CPU、内置的模数转换模块ADC转换并采样后形成开环输入量参数In1；
4)将开环输入量参数In1经过与满量程输入量MaxIn之间的线性拟合公式计算后，得到开环控制比例系数In2；
5)继而再通过开环控制比例系数In2同时等比例调节电流斩波模式CCC的斩波限以及电压控制模式VC中的脉宽调制信号PWM的占空比D，分别得到实际斩波限In3和实际脉宽调制信号In4；
6)将实际斩波限In3信号和通过电流传感器采样得到的磁阻电机的相电流采样值In5相比较，输出斩波判断信号In6，若In3大于In5则In6输出置高，若In3小于In5则In6输出置低；
7)将实际脉宽调制信号In4与斩波判断信号In6相与后，输出上开关功率管控制信号ConUp1，若ConUp1为高，则关断上开关功率管以实现电流斩波，若ConUp1为低，则打开上开关功率管以电机励磁；
8)若为多相开关磁阻电机，则每一相均采用上述相同的控制方法。
上述步骤3)中通过开环输入量参数In1与满量程输入量MaxIn之间的线性拟合得到开环控制比例系数In2公式为：
In2＝a+b×In1÷MaxIn
式中，系数a和b分别为起始基准值和提升系数，通过现场体验获得，In2最小值为a，最大值为1，且a∈(0,1)。
本发明的优点及有益效果：
本发明的优点在于比传统单一电流斩波模式(CCC)或电压控制模式(VC)开环方法具有更好的控制平滑度，也比闭环控制方法如比例-积分-微分(PID)、矢量控制和直接转矩控制(DTC)等具有更快的响应速度和稳定性。
附图说明
图1是本发明开关磁阻电机开环软启动控制方法的运行流程图；
图2是应用本发明后整个开关磁阻电机控制系统结构图；
图3是本发明中各步骤所对应关键信号波形示意图；
图4是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实例详细说明本发明提供的具体方法和运行过程(以磁阻电机的其中一相绕组为例)。
本发明公开了一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，能够实现开关磁阻电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，从而实现电动车软启动的效果，特别适用于某些需要细微控制的场合，如电动装卸车辆的点动位置调整等，避免传统开环控制方法出现的车辆启动冲击过大导致无法实现点动的问题，从而解决开关磁阻电机在电动装卸车辆中的应用问题。
应用本发明后的整个开关磁阻电机控制系统结构图如图2所示，其为整个电动装卸车辆提供动力。其工作原理是，以外部操作人通过调速转把或踏板传递过来的外部电平给定信号为开环输入量，经过微处理器CPU内置的模数转换模块ADC采样后，经过微处理器CPU中内置的计算、判断程序换算成开环控制比例系数后，同时等比例调节每相电流斩波模式(CCC)中的斩波限以及电压控制模式(VC)中的脉宽调制信号PWM，通过微处理器CPU中内置的脉宽调制模块PWM输出跟随输入条件变化的上开关功率管控制信号，控制并驱动功率变换器以实现开关磁阻电机的励磁、续流等过程，最终推动电动装卸车辆的驱动轮动作。本发明利用电流斩波模式(CCC)与电压控制模式(VC)相结合的方法，同时控制开关磁阻电机的相电流峰值和相电压，实现电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，实现软启动的效果。图2中的电源为功率变换器提供电流和直流电压，在电动装卸车辆中通常为48V-72V铅酸蓄电池或锂电池。电流传感器用于对磁阻电机的相电流进行采样，得到采样值In5。
本发明所提出的开关磁阻电机开环软启动控制方法的运行流程图如图1所示，首先检测磁阻电机的转速，通过磁阻电机中位置传感器送来的转速信号，判断电机的当前转速是否低于预定值，来判断是否需要进入软启动控制阶段(i)，若速度高于预定值则不开启软启动控制，直至下个运算周期继续检测；若速度低于预定值则进入软启动控制阶段。此时需要先读取外部操作人通过转把或踏板传递过来的电平给定信号(ii)，并通过微处理器CPU内置的模数转换模块ADC转换并采样后形成开环输入量参数In1(iii)；该参数经过与满量程输入量MaxIn之间的线性拟合公式计算后，得到开环控制比例系数In2(iv)；继而再通过In2同时等比例调节电流斩波模式(CCC)的斩波限，以及电压控制模式(VC)中的脉宽调制信号(PWM)的占空比D，分别得到实际斩波限In3(v)和实际脉宽调制信号In4(viii)；In3信号用于和电流传感器得到的相电流采样值In5相比较，输出斩波判断信号In6(vi)，若In3大于In5则In6输出置高，若In3小于In5则In6输出置低；脉宽调制信号In4与斩波判断信号In6相与后，输出上开关功率管控制信号ConUp1(vii)，若ConUp1为高，则关断上开关功率管以实现电流斩波，若ConUp1为低，则打开上开关功率管以电机励磁。
若为多相开关磁阻电机，则每一相均采用上述相同的控制方法。
开环输入量参数In1、满量程输入量MaxIn及开环控制比例系数In2的线性拟合公式为：
In2＝a+b×In1÷MaxIn
上式中系数a和b分别为起始基准值和提升系数，通过现场体验即实际测试后确定。In2最小值为a，最大值为1，且a∈(0,1)。
图3是本发明中各步骤所对应关键信号波形示意图。外部操作人通过调速转把或踏板传递过来的外部电平给定信号通常在0V～5V范围之间，图中给出了3个电压值，分别对应轻、中、重加速需求。随着给定信号的逐步增大，实际斩波限In3随之逐步提高，同时实际脉宽调制信号In4的PWM占空比D也同步提高。In3信号与相电流采样值In5相比较，输出斩波判断信号In6。In4与In6相与后，输出上开关功率管控制信号ConUp1。从ConUp1信号波形中可明显看出不同占空比效果。最终从电机相电流可以看出电流的不同峰值和电流上升速度同步变化的效果。其对应的即为同步增加的电机输出力矩和功率。
图4是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图，为已知电路。ConUp1信号即为控制其中上开关功率管栅极1的信号。而图4中的下开关功率管则采用常规控制方法，配合上开关功率管完成励磁、续流和回流等控制过程。
本发明的优点在于比传统单一电流斩波模式(CCC)或电压控制模式(VC)开环方法具有更好的控制平滑度，也比闭环控制方法如比例-积分-微分(PID)、矢量控制和直接转矩控制(DTC)等具有更快的响应速度和稳定性。
以上借助实施例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，前述具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (2)

1.一种开关磁阻电机的开环软启动控制方法，开关磁阻电机的功率变换器基于不对称半桥电路，其特征在于：利用电流斩波模式CCC与电压控制模式VC相结合的方法同时控制开关磁阻电机的相电流峰值和相电压，实现电机从零力矩开始至最大力矩的渐变可控输出，达到磁阻电机软启动的效果，包括以下步骤：
1)首先检测磁阻电机的转速，通过磁阻电机中位置传感器送来的转速信号，根据磁阻电机的当前转速是否低于预定值，来判断是否需要进入软启动控制阶段，若速度高于预定值则不开启软启动控制，直至下个运算周期继续检测；
2)若速度低于预定值则进入软启动控制阶段，此时需要先读取外部操作人通过调速转把或踏板传递过来的电平给定信号；
3)将电平给定信号通过微处理器CPU、内置的模数转换模块ADC转换并采样后形成开环输入量参数In1；
4)将开环输入量参数In1经过与满量程输入量MaxIn之间的线性拟合公式计算后，得到开环控制比例系数In2；
5)继而再通过开环控制比例系数In2同时等比例调节电流斩波模式CCC的斩波限以及电压控制模式VC中的脉宽调制信号PWM的占空比D，分别得到实际斩波限In3和实际脉宽调制信号In4；
6)将实际斩波限In3信号和通过电流传感器采样得到的磁阻电机的相电流采样值In5相比较，输出斩波判断信号In6，若In3大于In5则In6输出置高，若In3小于In5则In6输出置低；
7)将实际脉宽调制信号In4与斩波判断信号In6相与后，输出上开关功率管控制信号ConUp1，若ConUp1为高，则关断上开关功率管以实现电流斩波，若ConUp1为低，则打开上开关功率管以电机励磁；
8)若为多相开关磁阻电机，则每一相均采用上述相同的控制方法。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的开环软启动控制方法，其特征在于：步骤3)中通过开环输入量参数In1与满量程输入量MaxIn之间的线性拟合得到开环控制比例系数In2公式为：
In2＝a+b×In1÷MaxIn
式中，系数a和b分别为起始基准值和提升系数，通过现场体验获得，In2最小值为a，最大值为1，且a∈(0,1)。
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