CN105958890B - 一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，该方法在无中点电容裂相式电路的母线上放置一个电流传感器，输出端给入峰值控制模块；单片机产生PWM信号来触发峰值控制模块，在触发信号进来时，峰值控制模块输出开通信号，当母线电流峰值大于给定值时，模块保持输出关断信号，直到下个周期的PWM信号触发，然后重复整个过程。峰值控制模块的控制信号输入给单片机，单片机通过捕获四路位置信号的跳沿获得换相信息，峰值控制信号只作用于单相驱动信号的前四分之一个周期。本发明控制方法减少了母线电压的脉动，降低了母线电容纹波电流，实现了对母线电容容值的降低，同时，减少了控制器的设计难度，降低了产品设计成本及计算复杂度。

Description

一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法
技术领域
本发明涉及一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，具体涉及一种开关磁阻电机单电流传感器下降低母线电容容值的控制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
传统的开关磁阻电机驱动系统中，换相时电流源与电机间的能量交换是引起母线电压及电流脉动的主要原因，因而母线上需要一个大容量的电解电容来存储释放能量，从而减少电压、电流的脉动。但是电解电容的尺寸、体积、费用以及可靠性是主要矛盾点并限制了他们在高功率密度、高可靠性的这类潜在应用场合。传统的降低电容容值的方法是通过改变变换器结构或者调节功率因数来实现，但是这会增大系统的复杂度、尺寸以及花费，更会影响系统的效率。
文献(Wisaruda Suppharangsan,Jiabin Wang.Switching technique forminimization of DC-link capacitance in switched reluctance machine drives.IETElectrical Systems in Transportation,2015,Vol.5(4):185-193)中采样母线电流积分控制来减小母线电容值，在传感器输出端连接了积分器，通过对母线电流积分值的控制来实现对母线电容的减小，但是需要一个高频积分器，同时每相电流均需采样，不但增加处理器的复杂度，同时成本也需上升，且该方法存在最高转速的限制，不能在全速范围内实行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，通过对母线峰值电流的控制，减少了母线电压的脉动，降低了母线电容纹波电流，实现对母线电容容值的降低，解决了现有技术无法实现单电流传感器控制的技术问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括A、B、C、D四相绕组，该方法设置单片机用于驱动A、B、C、D四相绕组对应的功率管，设置峰值控制模块与单片机交互通信，设置电流传感器用于实时采集母线电流并传送至峰值控制模块；
单片机以10kHz频率的PWM信号触发峰值控制模块，当峰值控制模块被触发时，向单片机输出功率管开通信号，由单片机控制功率管开通，同时，峰值控制模块被触发时，对实时采集的母线电流进行判断，峰值控制模块中存储有预设给定值，当母线电流小于等于给定值时，峰值控制模块向单片机输出功率管开通信号，当母线电流大于给定值时，峰值控制模块向单片机输出功率管关断信号；当下一周期的PWM信号触发时，重复上述过程；
当峰值控制模块输出开通信号时，将两相绕组中对应上桥臂的功率管和对应下桥臂的功率管开通；当峰值控制模块输出关断信号时，将后一相绕组对应的功率管关断，等待下一周期的PWM信号触发峰值控制模块；
峰值控制模块向单片机输出信号后，单片机通过捕获A、B、C、D各相位置信号的跳沿获得换相信息，且峰值控制模块输出的信号交替地与各相位置信号的前四分之一个周期相与，从而得到各相功率管的驱动信号。
作为本发明的一个优选方案，所述开关磁阻电机为偶数相电机。
作为本发明的一个优选方案，所述当峰值控制模块输出开通信号时，将两相绕组中对应上桥臂的功率管和对应下桥臂的功率管开通时，两相绕组的相电流与母线电流相等。
作为本发明的一个优选方案，所述当峰值控制模块输出关断信号时，将后一相绕组对应的功率管关断时，母线电流等于0。
作为本发明的一个优选方案，所述母线电压的脉动量小于等于5％。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，在换相时，母线峰值电流的控制方法减少了母线电压的脉动，降低了母线电容纹波电流，实现了对母线电容容值的降低。
2、本发明降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，通过在母线上安装单个电流传感器，实现对4相开关磁阻电机的控制，同时滤除低频换相谐波，降低了母线电容的纹波电流，进一步压缩成本，减少了控制器的设计难度，降低了产品设计成本及计算复杂度。
附图说明
图1是本发明降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法的整体架构图。
其中，PWM为10kHz的触发信号，Idclink为直流母线电流，A、B、C、D为电机各相绕组，Da、Db、Dc、Dd均为二极管，Sa、Sb、Sc、Sd均为功率管。
图2是本发明中非换相区内，变换器的工作模态，其中，(a)是A、D相开通时电流的流向，(b)是A相关断时电流的流向。
图3是本发明中换相区内，变换器的工作模态，其中，(a)是D相关断，A、B相开通时电流的流向，(b)是B相关断时电流的流向。
图4是A相的驱动信号、B相的驱动信号、C相的驱动信号、D相的驱动信号和峰值控制模块的控制信号图。
图5是峰值电流控制下，母线电流最大值Idcmax、母线电流Idclink、各相电流Iphs的波形图。
图6(a)是传统滞环控制下流过母线电容的纹波电流图。
图6(b)是峰值电流控制下流过母线电容的纹波电流图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明针对母线电流积分法所存在的转速限制、成本高、计算复杂等问题提出的低成本、宽转速下，用于降低母线电容容值的控制方法。本发明通过对母线峰值电流的控制，实现了降低母线电压的脉动量的技术要求，将其脉动量控制在5％以内；同时省略除各相电流的电流传感器，只在母线上安装单个电流传感器，能够实现对4相开关磁阻电机的控制，降低了设计成本及计算的复杂程度；采用固定频率的高频控制信号，滤除母线电流存在的低频换相谐波，减少了流过电容的纹波电流。
本发明的控制方法为：在无中点电容裂相式电路的母线下端放置一个电流传感器，输出端经过调理电路再给入峰值控制模块。在无中点电容裂相式电路的母线上放置一个电流传感器，当一个上桥臂的功率管和一个下桥臂的功率管开通时，流过电机绕组的相电流与母线电流相等，因此能够实现对相电流的控制；开关磁阻电机系统为偶数相电机。
峰值控制模块的工作原理：单片机产生10kHz的PWM信号来触发峰值控制模块，在触发信号进来时，峰值控制模块输出开通信号，当母线电流峰值大于给定值时，模块保持输出关断信号，直到下个周期的PWM信号触发，然后重复整个过程。驱动信号的生成：峰值控制模块的控制信号输入给单片机，单片机通过捕获四路位置信号的跳沿获得换相信息。峰值控制信号只作用于驱动信号的前四分之一个周期。开关模态：当峰值控制信号为开通时，将一个上桥臂的功率管和一个下桥臂的功率管开通，当峰值控制信号为关断时，将后一相绕组对应的功率管关断，此时母线电流等于0，峰值控制模块保持关断，等待下个周期PWM信号触发。
如图1所示，本发明利用单电流传感器实现了减少母线电容容值的原理与方法，为了解释上的方便，将一个开关周期划分成两个区间：换相区与非换相区。假设四相电机的导通顺序为：AB-BC-CD-DA。
在非换相区内，关断相C与开通相A的电流换相已经完成，此时A、D相开通且励磁电流恒定的。单片机产生10kHz的PWM信号来触发峰值控制模块，在触发信号进来时，峰值控制模块输出开通信号，A相和D相将被开通，如图2(a)所示，图2和图3中的虚线表示电流的流向，电流通过功率管向两相励磁。直流母线电流Idclink是正向电流并且等于相电流：Ia＝Id。同时，电流传感器对母线电流进行采样，其输出值给入峰值电流控制模块。如图2(b)所示，当电流峰值达到给定值后，上管Sa关断，各相电流通过二极管、下功率管实现自然续流，此时直流母线电流为0，峰值控制模块保持关断。在下个周期PWM信号触发时，峰值控制模块再次输出开通信号，然后整个过程再重复。可知母线峰值电流控制策略将会维持母线电流最大值在一个恒定值的同时A、D相电流也维持在恒定值。
在换相区内，D相关断，A、B相开通，因为母线电流不包含D相电流，峰值电流并未达到给定值，如图3(a)所示，开通相A、B在一个10kHz开关周期的开始产生正向压降，同时关断相D与A相串联成续流回路，绕组两端产生幅值为Ua＝Udc-Uo的负向压降，电流减小。D相绕组存储的磁能一部分转换为机械能，一部分传递给A相。在此状态下，直流母线电流等于开通相电流：Ia＝Ib，开通相从母线吸收正向电流，关断相电流不将电流回馈给母线。同时如图3(b)所示，当母线电流峰值达到给定值后，下管Sb关断，各相电流通过二极管、上功率管实现续流，关断相D将部分磁能传输给A相，此时直流母线电流为0，峰值电流固定不变。在下个周期的PWM信号触发时，峰值控制模块输出开通信号，然后整个过程再重复。如图5所示，给出了换相前后，各相电流的合成波形、直流母线电流波形、峰值波形。可以看出，在换相阶段，连续几个10kHz开关周期内，母线电流最大值因未达到给定值，峰值电流一直在增大，同时在整个换相区内，D相电流始终与A相串联成续流回路，将大部分磁能传递给A相，减少损耗。各功率管的开关为Sa、Sb、Sc、Sd，当功率管开通时开关状态为“1”，关断时开关状态为“0”。为了避免关断相电流回馈母线，各相在其导通周期内，存在不同的开关状态。在A相导通周期内，A、D相开通时，母线电流过流后Sa关断，在A、B相开通时，母线电流过流后Sb关断。如图4所示，从上至下分别为A、B、C、D各相功率管的驱动信号和峰值控制模块的控制信号。因为各相功率管的驱动信号对称，现对A相功率管的驱动信号进行讨论。从图中可以看出，A相功率管驱动信号的前四分之一周期，是由A相位置信号与峰值控制模块的控制信号相“与”所得。A相功率管驱动信号的后四分之三周期，与A相位置信号保持一致。B、C、D相功率管驱动信号的计算过程与A相功率管驱动信号的计算过程一致，采用四分之一周期的斩管策略，解决续流相电流回馈的问题。
图6(a)和图6(b)分别为传统控制下母线电容的纹波电流和峰值电流控制下母线电容的纹波电流，经过对比可见，峰值电流控制策略可以有效降低母线电容的纹波电流峰峰值，纹波电流的减少可以有效延长电容使用寿命，降低电容值。
从结果上看，采用单电流传感器采样的母线峰值电流控制装置能够实现对各相电流的控制，在理想状态下，母线电流上低于PWM频率的电流谐波将会被滤除。控制策略上是根据给定的母线电流峰值来控制变换器上功率管的开关状态。从能量转换的角度来说，这种开关策略是将磁能储存在关断相以防止能量回馈给直流源，所储存的能量，要么消耗在关断相，要么在换相区传递给了开通相。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括A、B、C、D四相绕组，其特征在于，该方法设置单片机用于驱动A、B、C、D四相绕组对应的功率管，设置峰值控制模块与单片机交互通信，设置电流传感器用于实时采集母线电流并传送至峰值控制模块；
单片机以10kHz频率的PWM信号触发峰值控制模块，当峰值控制模块被触发时，向单片机输出功率管开通信号，由单片机控制功率管开通，同时，峰值控制模块被触发时，对实时采集的母线电流进行判断，峰值控制模块中存储有预设给定值，当母线电流小于等于给定值时，峰值控制模块向单片机输出功率管开通信号，当母线电流大于给定值时，峰值控制模块向单片机输出功率管关断信号；当下一周期的PWM信号触发时，重复上述过程；
当峰值控制模块输出开通信号时，将两相绕组中对应上桥臂的功率管和对应下桥臂的功率管开通；当峰值控制模块输出关断信号时，将后一相绕组对应的功率管关断，等待下一周期的PWM信号触发峰值控制模块；
峰值控制模块向单片机输出信号后，单片机通过捕获A、B、C、D各相位置信号的跳沿获得换相信息，且峰值控制模块输出的信号交替地与各相位置信号的前四分之一个周期相与，从而得到各相功率管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机为偶数相电机。
3.根据权利要求1所述降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，所述当峰值控制模块输出开通信号时，将两相绕组中对应上桥臂的功率管和对应下桥臂的功率管开通时，两相绕组的相电流与母线电流相等。
4.根据权利要求1所述降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，所述当峰值控制模块输出关断信号时，将后一相绕组对应的功率管关断时，母线电流等于0。
5.根据权利要求1所述降低母线电容容值的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，所述母线电压的脉动量小于等于5%。
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