CN107046381A - 一种开关磁阻电机变角度pi控制方法、控制器及调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关磁阻电机变角度PI控制方法、控制器及调速系统，将传统转速PI控制器输出信号的绝对值作为电流斩波控制器的参考电流，并根据传统转速PI控制器输出的正负来变换每相的开通、关断角，当其输出为负时，将每相的开通、关断角置于正向转矩区，电机输出正向转矩；否则，将所述开通、关断角以θ＝θr/2为对称轴翻转至负向转矩区，电机输出负向转矩。本发明使开关磁阻电机在给定转向一定时可以输出与给定转向相反的转矩，提高了给定转向一定时突减给定转速及突卸负载情况下的动态响应速度，并使得开关磁阻电机具备了在给定转向与负载方向相反情况下的带载能力，控制方法简单可靠，通用性强，易于推广。

Description

一种开关磁阻电机变角度PI控制方法、控制器及调速系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种开关磁阻电机变角度PI控制方法、控制器及调速系统。

背景技术

开关磁阻电机是一种新型的机电一体化电机，具有结构简单坚固、运行可靠、调速性能好、制造成本低、适于高速和恶劣环境下运行等优点，这些优良的特性使其成为电气传动领域的研究课题之一，目前已经在电机驱动系统、风机、水泵、航空航天等领域中获得一定的应用，显示出其强大的市场竞争力。合适的控制策略是实现开关磁阻电机良好性能的基础，开关磁阻电机定、转子的双凸极结构和其高度非线性的电磁特性，导致传统的线性控制策略并不适用于开关磁阻电机，国内外针对开关磁阻电机控制策略的研究很多，也有将智能控制等非线性控制策略应用于开关磁阻电机，取得了一定的控制效果。

非线性控制策略虽然能够改善控制效果，但是控制方法复杂，实现成本高，不利于开关磁阻电机在高性能电气传动领域的推广应用。目前国内外比较成熟的系统，还是多采用转速闭环控制，对转速PI控制器进行参数整定，将转速PI控制器的输出作为参考电流，利用电流斩波控制器实现对参考电流的跟踪，从而实现对开关磁阻电机的控制。但传统转速PI控制器存在这样的问题：给定转向一定时，各相的开通角和关断角固定不变，电机只能输出与给定转向同向的转矩，使得当转速差小于零时，电机只能通过自由停车来对跟踪给定转速，导致系统动态响应慢以及实际平均转速高于给定转速，使得开关磁阻电机对于方向与给定转向相反的干扰的抵抗能力很差，且电机在给定转向与负载方向相反情况下不具备带载能力。

发明内容

针对上述传统转速PI控制器的缺陷，本发明提供一种开关磁阻电机变角度PI控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种开关磁阻电机变角度PI控制方法，所述控制方法基于的控制器由传统转速PI控制模块、角度变换模块和绝对值模块组成，其中传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，输出参考电流信号；传统PI控制模块的输出端同时连接角度变换模块和绝对值模块，角度变换模块的输出端输出每相的开通角和关断角信号，绝对值模块的输出端输出每相参考电流；

传统PI控制模块的输出信号可认为是复合信号，包含了给定电流信号和角度变换控制信号，通过所述绝对值模块分解出给定电流信号，通过所述角度变换模块分解出角度变换控制信号；

所述角度变换模块对传统PI控制模块的输出的参考电流信号是否为正进行判断，若为非正，则将每相的开通角和关断角置于正向转矩区，电机输出正向转矩；否则，将每相的开通角和关断角以θ＝θr/2为对称轴翻转至负向转矩区，电机输出负向转矩，其中θ为转子位置角，θr为转子周期；与此同时，所述绝对值模块将传统转速PI控制器输出的参考电流信号取绝对值后送入电流斩波控制器作为参考电流，利用电流斩波控制器实现对参考电流的跟踪，从而实现对开关磁阻电机的控制。

本发明还提供了一种开关磁阻电机变角度PI控制器，包括传统转速PI控制模块、角度变换模块和绝对值模块，其中传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，其输出端同时连接角度变换模块和绝对值模块，角度变换模块的输出端输出电机每相开关器件的开通角和关断角信号，绝对值模块的输出端输出电机每相的参考电流；所述控制器采用权利要求1所述的方法对开关磁阻电机进行控制。

本发明还提供了一种开关磁阻电机调速系统，包括变角度PI控制器、位置检测单元、电流斩波控制器和功率变换器；功率变换器输出连接至开关磁阻电机，为电机提供电能，并控制电机转速；

变角度PI控制器接收转速差信号，输出每相的开通角和关断角及每相的参考电流；位置检测单元对实际转速信号进行积分运算以检测每相转子位置角，然后判断每相的转子位置角是否位于每相开通角和关断角之间，并将判断结果输出至电流斩波控制器，电流斩波控制器的输出连接至功率变换器，作为功率变换器内部各功率开关器件的控制信号；若每相的转子位置角处于每相的开通角和关断角之间，则电流斩波控制器控制功率开关器件在θ等于开通角时导通，直至θ等于关断角时关断，通过多次导通和关断，将每相实际电流限制在每相参考电流的上限值和下限值之间，从而实现对每相参考电流的跟踪，否则，电流斩波控制器输出低电平，控制功率开关器件关断；其中参考电流的上限值＝参考电流+(电流滞环环宽)/2，参考电流的下限值＝参考电流-(电流滞环环宽)/2。

本发明的有益效果是：

使开关磁阻电机在给定转向一定时可以输出与给定转向相反的转矩，加快了开关磁阻电机调速系统在给定转向一定时突减给定转速及突卸负载情况下的动态响应速度，提高了调速系统对于方向与给定转向相反的干扰的抵抗能力，并使调速系统具备了在给定转向与负载方向相反情况下的带载能力。本发明控制方法简单可靠，通用性强，易于推广。

附图说明

图1是本发明实施例所用的系统仿真模型；

图2是本发明实施例所用的本PI控制器仿真模块；

图3是本发明实施例中传统PI控制方法及本方法在给定转速从60rpm阶跃变化至10rpm时的转速曲线；

图4是本发明实施例中传统PI控制方法及本方法在给定转速从60rpm阶跃变化至10rpm时的转矩曲线。

图5是本发明实施例中传统PI控制方法及本方法在60rpm稳态负载从150N.m阶跃变化至-50N.m时的转速曲线；

图6是本发明实施例中传统PI控制方法及本方法在60rpm稳态负载从150N.m阶跃变化至-50N.m时的转矩曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

为了验证本发明，搭建了开关磁阻电机调速系统simulink仿真模型，如图1所示，该模型主要由5个单元组成，分别为开关磁阻电机、功率变换器、电流斩波控制器、转速控制器和位置检测单元。其中，开关磁阻电机采用MATLAB元件库自带的6/4电机仿真模型。功率变换器采用不对称半桥电路。转速控制器采用PI控制器，并通过PI选择模块来确定当前的转速控制器类型，当PI选择模块的值为正数时，转速控制器即为本发明的变角度PI控制器，否则，转速控制器即为传统PI控制器。从而，研究传统PI控制器控制效果时，将PI选择模块的值定为0即可，研究本发明的变角度PI控制器控制效果时，则将PI选择模块的值定为1即可。

结合附图1，本发明的调速系统的控制流程为：转速控制器接收转速差信号，输出每相的开通角和关断角及每相的参考电流，位置检测单元对实际转速信号进行积分运算以检测每相转子位置角，然后判断每相转子位置角是否位于每相开通角和关断角之间，并将判断结果输出至电流斩波控制器，电流斩波控制器的输出连接至功率变换器，作为功率变换器内部各功率开关器件的控制信号，若每相转子位置角处于每相开通角和关断角之间，则电流斩波控制器控制功率开关器件在θ＝θ_on时导通，直至θ＝θ_off时关断，通过多次导通和关断，将每相实际电流限制在每相参考电流的上限值和下限值之间，从而实现对每相参考电流的跟踪，否则，电流斩波控制器输出低电平，功率开关器件关断。功率变换器输出连接至开关磁阻电机，为电机提供电能，从而控制电机转速。

本发明的变角度PI控制器的仿真模型如图2所示，由传统PI控制模块、角度变换模块及绝对值模块构成，其中，传统PI控制模块的输入为转速差，其输出分别通过角度变换模块及绝对值模块控制每相的开通角和关断角及参考电流。具体地，一方面，传统PI控制模块的输出经绝对值处理后连接至电流斩波控制器，作为每相参考电流，另一方面，角度变换模块对传统PI控制模块输出信号的正负进行判断，若为非正，则每相的开通角θ_on和关断角θ_off分别为θ_{on_f}和θ_{off_f}，电机输出正向转矩，否则，每相开通角θ_on和关断角θ_off以θ＝θ_r/2为对称轴翻转至负向转矩区，即每相的开通角θ_on和关断角θ_off变为θ_r-θ_{on_f}、θ_r-θ_{off_f}，电机输出负向转矩。其中，θ_r为转子周期，所述θ_{on_f}和θ_{off_f}分别为每相位于正向转矩区的开通角和关断角；θ_r是由转子极数决定的，其取值为360/转子极数；θ_{on_f}的取值一般在定子凸极中心与转子凹槽中心对齐位置，即45度附近；θ_{off_f}一般取小于等于90度的值，90度对应定子凸极中心与转子极中心对齐位置。

由于所述电机仿真模型为6/4极，故θ_r取值为90°，而θ_{on_f}和θ_{off_f}则分别为45°和90°。

实施例1：

基于图1所示simulink仿真模型，测试传统PI控制及本发明控制下的控制效果并采集数据拟合成曲线。传统PI控制及本发明控制在给定转速从60rpm阶跃变化至10rpm时的转速曲线如图3所示，对应的转矩曲线如图4所示，图中①为传统PI控制；②为本发明控制。图3中，给定转速阶跃变化前，两种方法达到了几乎一致的控制效果，但在给定转速阶跃式减小后，传统PI控制下，经过31ms才达到新的稳态，而在本发明PI控制下，仅经过18ms就达到了新的稳态。

传统PI控制方法及本方法在60rpm稳态负载从150N.m阶跃变化至-50N.m时的转速曲线如图5所示，对应的转矩曲线如图6所示，图中①为传统PI控制；②为本发明控制。图5中，采用传统PI控制器，负载阶跃式减小后,电机一直在加速，系统变得不稳定，而采用本PI控制方法，转速仍保持在稳态。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机变角度PI控制方法，其特征在于：其基于的控制器包括传统转速PI控制模块、角度变换模块和绝对值模块，其中传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，输出参考电流信号；传统PI控制模块的输出端同时连接角度变换模块和绝对值模块，角度变换模块的输出端输出电机每相功率开关器件的开通角和关断角信号，绝对值模块的输出端输出电机每相参考电流；

所述角度变换模块对传统PI控制模块输出的参考电流信号是否为正进行判断，若为非正，则将每相的开通角和关断角置于正向转矩区，电机输出正向转矩；否则，将每相的开通角和关断角分别以θ＝θr/2为对称轴翻转至负向转矩区，电机输出负向转矩，其中θ为转子位置角，θr为转子周期；与此同时，所述绝对值模块将传统转速PI控制器输出的参考电流信号取绝对值后送入电流斩波控制器作为参考电流，利用电流斩波控制器实现对参考电流的跟踪，从而实现对开关磁阻电机的控制。

2.一种开关磁阻电机变角度PI控制器，其特征在于：包括传统转速PI控制模块、角度变换模块和绝对值模块，其中传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，其输出端同时连接角度变换模块和绝对值模块，角度变换模块的输出端输出电机每相开关器件的开通角和关断角信号，绝对值模块的输出端输出电机每相的参考电流；所述控制器采用权利要求1所述的方法对开关磁阻电机进行控制。

3.一种开关磁阻电机调速系统，其特征在于：包括变角度PI控制器、位置检测单元、电流斩波控制器和功率变换器；功率变换器输出连接至开关磁阻电机，为电机提供电能，并控制电机转速；

变角度PI控制器接收转速差信号，输出每相的开通角和关断角及每相的参考电流；位置检测单元对实际转速信号进行积分运算以检测每相转子位置角，然后判断每相的转子位置角是否位于每相开通角和关断角之间，并将判断结果输出至电流斩波控制器，电流斩波控制器的输出连接至功率变换器，作为功率变换器内部各功率开关器件的控制信号；若每相的转子位置角处于每相的开通角和关断角之间，则电流斩波控制器控制功率开关器件在θ等于开通角时导通，直至θ等于关断角时关断，通过多次导通和关断，将每相实际电流限制在每相参考电流的上限值和下限值之间，从而实现对每相参考电流的跟踪，否则，电流斩波控制器输出低电平，控制功率开关器件关断；其中参考电流的上限值＝参考电流+(电流滞环环宽)/2，参考电流的下限值＝参考电流-(电流滞环环宽)/2。