CN106849771A - 一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法是将每相绕组在提前于0°的位置θ on 处导通，在转子转过一步进角后下一相绕组导通，当前相绕组开始零压续流；当前相绕组由零压续流转为反压关断后，下一相绕组继续导通，直到下一相绕组由正压导通转为零压续流，反复进行，实现开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法。本发明保证了相绕组开通角θ on 和零压续流角θ z 根据电机转速的自适应调节，解决了当电机转速较高时，绕组电流延续到电感下降区产生制动转矩的问题，提高了开关磁阻电机高速运行时带载能力，改善了换相时刻的电流波形，减小了转矩脉动。

Description

一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法
技术领域
本发明涉及一种单双相励磁控制方法，尤其是一种用于开关磁阻电机高速运行时的单双相励磁控制方法。
背景技术
现有开关磁阻电机采用单相励磁方法，即每一时刻只给一相绕组通电，在需要较大驱动转矩的场合，单相励磁方法输出的电磁转矩不能够驱动大负载，这时通常采用增加驱动电机数量的方式实现重载运行，但这使得工业运行成本增加，而且单相励磁方法在换相瞬间的电流突变带来的电磁噪声和转矩脉动也进一步限制了开关磁阻电机在驱动领域的推广和应用。
为解决上述问题，引入了现有单双相励磁控制方法。现有单双相励磁控制方法，以12/8极开关磁阻电机为例，每相绕组于转子位置0°导通，在转子转过一个步进角15°后，下一相绕组导通，当前相绕组开始零压续流，续流角度为7.5°，从而实现了单双相励磁控制，增加了电机的带载能力，在一定程度上解决了上述问题。但现有单双相励磁控制方法改变了电机换相逻辑表，这使得每相绕组只能于转子位置0°开通，且零压续流区间只能固定为7.5°，随着电机转速的升高，每相绕组仍然固定续流7.5°会使电流延续到电感下降区，从而产生制动转矩，反而减小了电机带载能力，因此该控制方法不够灵活，只能适用于低转速范围。
发明内容
本发明的目的是针对现有单双相励磁控制方法的不足，在现有控制方法的基础上提供一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法，以期电机在高速运行时具有一定的带载能力和转矩平滑度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下。
一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法，该开关磁阻电机为3相12/8极电机，电机步进角是15°，转子极距角是45°，每相绕组通过两个主开关器件控制，分别串联在绕组上下两侧。将定子凸极中心与转子凹槽中心轴线对齐的位置设定为0°，电机运行在高速时，每相绕组在提前于0°的位置θ on 处导通，导通期间绕组两端施加正压，在转子转过一个步进角15°后，下一相绕组导通，当前相绕组开始零压续流，续流角度为θ z ，θ z 区间采用双相励磁方法，当前相绕组由零压续流转为反压关断后，下一相绕组继续导通，此时采用单相励磁方法，直到下一相绕组由正压导通转为零压续流，单相励磁方法又变为双相励磁方法，如此反复，实现开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法。
在上述技术方案中，进一步的附加技术特征如下。
所述两个主开关器件均为全控型IGBT。
所述电机运行在高速时，高速是现有单双相励磁控制方法所允许的最高转速以上的转速区间。
所述现有单双相励磁控制方法所允许的最高转速是保证相绕组电流在电感下降前降为零，超过这一转速后相绕组电流会延伸到电感下降区，现有单双相励磁控制方法不再适用。
所述每相绕组在提前于0°的位置θ on 处导通是电机运行在不同转速时θ on 的值不同，θ on 设置值要保证相绕组电流在电感开始上升时达到最大值。
所述正压、零压、反压是通过控制与绕组串联的两个全控型器件导通与关断配合实现。
所述当前相绕组开始零压续流，续流角度为θ z ，电机运行在不同转速时θ z 的值不同，θ z 设置值要保证相绕组电流在电感下降前降为零。
与现有技术相比，本发明实现了开关磁阻电机高速运行时的单双相励磁控制，保证了相绕组开通角θ on 和零压续流角θ z 根据电机转速的自适应调节，解决了当电机转速较高时，绕组电流延续到电感下降区产生制动转矩的问题，提高了开关磁阻电机高速运行时带载能力，改善了换相时刻的电流波形，减小了转矩脉动。
附图说明
图1是本发明12/8极开关磁阻电机定转子结构图。
图2是本发明采用的功率变换电路。
图3是本发明一相绕组电流与电感、转子位置关系示意图。
图4是本发明三相绕组电流与转子位置关系示意图。
图5是单相励磁控制方法在给定转速为900r/min时的实测三相电流波形。
图6是本发明在给定转速为900r/min时的实测三相电流波形。
图7是单相励磁控制方法在给定转速为1500r/min时的实测三相电流波形。
图8是本发明在给定转速为1500r/min时的实测三相电流波形。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
附图1是三相12/8极开关磁阻电机定转子结构图，每相由定子上径向相对的四个凸极绕组串并联结合构成，每相步进角为15°，转子极距角45°。
附图2是本发明采用的功率变换电路，是三相不对称半桥主电路，三相绕组相互独立，每相绕组与上下两个IGBT串联，结构上没有直通的危险。Us为直流电源，电容C1、C2分别与均压电阻R1、R2并联后再串联实现稳压。T1~T6分别为IGBT1~IGBT6，D1~D6为快恢复二极管。以A相为例，A相绕组上下两端分别串联T1与T3，T1与T3同时导通时，忽略T1与T3导通压降，绕组两端施加正向电压Us。在绕组两端施加正压期间，若T1关断，T3继续导通，绕组电流通过T3与D3续流，忽略T3与D3自身压降，A相绕组两端为零压；若T3关断，T1继续导通，绕组电流通过T1与D1续流，忽略T1与D1自身压降，A相绕组两端为零压。在绕组两端施加正压期间，若同时关断T1和T3，绕组电流通过D1和D3续流，A相绕组两端施加反向电压-Us。
实现本控制方法采用的控制核心为数字信号处理器DSP，三相12/8极开关磁阻电机三相绕组分别是A相、B相和C相。附图3有两条曲线，L（θ）为A相绕组电感曲线，i（θ）为电机在角度位置控制方式下对应的A相绕组电流波形。以A相绕组作为分析对象，定子凸极中心与转子凹槽中心轴线对齐的位置为0°，A相绕组在θ on 开通后，绕组电流开始上升，在A相电感开始上升处θ 1 达到最大值，之后由于电感的增加和转速的上升，绕组电流呈现下降趋势，在转子转过一个步进角15°后到达θ 2 时，下一相绕组导通，同时A相绕组由正压导通转为零压续流，续流角度保证A相绕组电流在转子进入电感下降区前降为零，零压续流阶段为两相同时导通阶段，即双相励磁。电机顺时针方向旋转时，下一相绕组是B相；电机逆时针方向旋转时，下一相绕组是C相。当转子转到θ off 时，A相绕组由零压续流转为反压关断，即停止对A相绕组通电，A相绕组电流明显下降，下一相绕组则继续导通，此时为单相励磁；转子转过一个极距角45°后，A相绕组重复上述控制步骤。
B相绕组和C相绕组的控制步骤与A相绕组相同，只是相位上相差15°的机械角度。
附图4是三相绕组电流与转子位置关系示意图，图中θ onA 、θ onB 、θ onC 分别是A相、B相、C相绕组的开通角，θ offA 、θ offB 、θ offC 分别是A相、B相、C相绕组的关断角。
结合附图2与附图4对三相绕组控制方法做具体说明。以电机顺时针旋转为例，本发明下三相绕组通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA。当转子转到θ onA 时，T4与T6关断其一，同时开通T1与T3，C相绕组两端施加零压，A相绕组两端施加正向电压Us。转子转到θ offC 时，同时关断T4和T6，T1与T3继续导通，C相绕组两端施加反向电压Us关断，A相绕组两端继续施加正向电压Us。转子转到θ onB 时，T1与T3关断其一，同时开通T2与T5，A相绕组两端施加零压，B相绕组两端施加正向电压Us。转子转到θ offA 时，同时关断T1和T3，T2与T5继续导通，A相绕组两端施加反向电压Us关断，B相绕组两端继续施加正向电压Us。转子转到θ onC 时，T2与T5关断其一，同时开通T4与T6，B相绕组两端施加零压，C相绕组两端施加正向电压Us。转子转到θ offB 时，同时关断T2和T5，T4与T6继续导通，B相绕组两端施加反向电压Us关断，C相绕组两端继续施加正向电压Us。转子转过一个极距角45°后，重复上述控制步骤。
实施例1
测试了开关磁阻电机在本发明及单相励磁控制方法下的三相电流波形。电机额定功率7.5kW，额定电压DC514V，额定转速1500r/min，额定负载47.7N·m。
附图5是单相励磁控制方法在给定转速为900r/min时的实测三相电流波形，所带负载为47.7N·m，由示波器测试得每相绕组电流波形宽度为5ms，电流平均值为21.3A。
附图6是本发明在给定转速为900r/min时的实测三相电流波形，所带负载为47.7N·m，由示波器测试得每相绕组电流波形宽度为5.2ms，大于单相励磁控制方法下的5ms，其中0.2ms为续流区间，该区间为双相同时通电区间，从而实现了单双相励磁控制。相绕组电流平均值为20A，小于单相励磁方法下的21.3A，因此给定转速为900r/min时，电机在本发明下的带载能力更大。
附图7是单相励磁控制方法在给定转速为1500r/min时的实测三相电流波形，由示波器测试得每相绕组电流波形宽度为2.82ms，绕组电峰值为21A，所带负载为33N·m，若继续加载则电机转速开始下降，因此给定转速为1500r/min时，单相励磁控制方法下的最大带载能力为33N·m。
附图8是本发明在给定转速为1500r/min时的实测三相电流波形，由示波器测试得每相绕组电流波形宽度为3.02ms，大于单相励磁控制方法下的2.82ms，其中0.2ms为续流区间，该区间为双相同时通电区间，从而实现了单双相励磁控制。绕组电峰值为27.7A，此时所带负载为48N·m，若继续加载则电机转速开始下降，则给定转速为1500r/min时，本发明下的最大带载能力为48N·m。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法，所述控制方法是控制3相12/8极开关磁阻电机，电机步进角是15°，转子极距角是45°，每相绕组通过两个主开关器件控制，分别串联在绕组上下两侧；将定子凸极中心与转子凹槽中心轴线对齐的位置设定为0°，电机运行在高速时，每相绕组在提前于0°的位置θ on 处导通，导通期间绕组两端施加正压，在转子转过一个步进角15°后，下一相绕组导通，当前相绕组开始零压续流，续流角度为θ z ，θ z 区间采用双相励磁方法；当前相绕组由零压续流转为反压关断后，下一相绕组继续导通，此时采用单相励磁方法，直到下一相绕组由正压导通转为零压续流，单相励磁方法又变为双相励磁方法，如此反复，实现开关磁阻电机高速单双相励磁控制方法。
2.如权利要求1所述的控制方法，所述两个主开关器件是全控型IGBT。
3.如权利要求1所述的控制方法，所述电机运行在高速时的高速是现有单双相励磁控制方法所允许的最高转速以上的转速区间。
4.如权利要求3所述的控制方法，所述现有单双相励磁控制方法所允许的最高转速是保证相绕组电流在电感下降前降为零，超过这一转速后相绕组电流会延伸到电感下降区，现有单双相励磁控制方法不再适用。
5.如权利要求1所述的控制方法，所述每相绕组在提前于0°的位置θ on 处导通是电机运行在不同转速时θ on 的值不同，θ on 设置值要保证相绕组电流在电感开始上升时达到最大值。
6.如权利要求1所述的控制方法，所述控制方法的正压、零压及反压是通过控制与绕组串联的两个全控型器件导通与关断配合实现。
7.如权利要求1所述的控制方法，所述当前相绕组开始零压续流的续流角度为θ z ，电机运行在不同转速时θ z 的值不同，θ z 设置值要保证相绕组电流在电感下降前降为零。
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