CN107425782A - 开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法 - Google Patents

开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法属于开关磁阻电机领域，涉及采用小数据表格实现开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制方法。该方法先搭建开关磁阻电机采用DITC的调速系统，将控制软件装载于微控制器中，控制软件采用转速、转矩双闭环结构。在调速系统的微控制器中加载特殊编写的转矩在线计算细化程序，利用电流检测单元以及位置检测单元反馈过来的相电流值、转子位置值；通过磁路饱和系数对两相通电时的合成转矩进行修正，得到精确的转矩值。该方法通过建立较小的转矩数据表格，实现开关磁阻电机高效率、高可靠性的直接瞬时转矩控制，有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动。方法适用于不同相数、各种结构的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制。

Description

开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电机领域，涉及采用小数据表格实现开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制方法，实现抑制开关磁阻电机的转矩脉动的控制。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)作为一种新型的特种电机，其结构简单坚固，功率电路可靠，制造成本低，而且可控参数多、调速性能优良，在与其他电机的竞争中有着天然的优势，在各个领域中都有着巨大的应用前景。但是由于SRM的双凸极结构以及其非线性电磁特性，导致其存在较大的转矩脉动。消除开关磁阻电机的转矩脉动需要从电机设计和控制方法两方面入手，从控制层面看，目前有直接瞬时转矩控制(DITC)方法、转矩分配函数法、预设电流波形法等，由于DITC法是直接对当前转矩进行调控的，且其控制策略实现简单，因此具有较好的实用价值。在工程实践中一般采用查表法实现开关磁阻电机的DITC控制。DITC法的数据表格分两种，一种是转矩T关于转子位置角θ与电流i的数据表格，另一种则是转矩T关于转子位置角θ与磁链ψ的数据表格。由于电流可以直接测得，而磁链需要对电压进行积分获得，因此，前者使用更加方便，可以在传统的转速、电流双闭环调速系统上直接实现。
在线查找转矩表格的精细程度会影响DITC的控制效果，表格越精细，控制效果越佳；反之表格粗略，则控制效果欠佳。然而在实际应用中，由于微控制器(MCU)的数据存储空间是有限的，因此对存入数据存储空间的转矩表格的大小有一定的限制，不可能做到存入一个很大的数据表格，但是存储数据少就会相应影响DITC的控制效果，尤其是在低速运行阶段，这种影响更为显著。
文献：DITC-Direct Instantaneous Torque Control of Switched ReluctanceDrives.Robert B.Inderka，Rik W.A.A De Doncker，该文献中实时转矩是通过在线计算获得的，计算相对复杂，且运算量大，不利于在嵌入式系统中实现。另一篇公开的文献，“基于双PI的SRM直接瞬时转矩控制系统的研究”，作者唐静，王军，宋潇潇，刘占千。该文献为提高系统控制精度，通过有限元分析仿真，得到转矩与电流和转子位置角的关系，然后在控制软件中通过直接查表获得SRM的瞬时转矩。由于直接查表需要的数据量庞大，占用了MCU很大一部分数据存储空间，限制了编程者编写程序的可用空间。同时，现有的基于查表法实现的DITC法，只存储单相通电时的数据表，在两相通电时，都是通过查单相数据表得出各相转矩，然后将所查出的各相转矩直接求和当作合成转矩。这种处理虽然减少了数据存储量，但没有考虑开关磁阻电机磁路饱和的影响，使查表得出的合成转矩大于实际转矩。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是克服现有开关磁阻电机DITC控制方法的不足，对现有查表法实现DITC控制时需要庞大的数据表占用过多的MCU存储空间问题、而且没有考虑两相通电时磁路饱和引起的转矩减小问题，通过磁路饱和系数对两相通电时的合成转矩进行修正，采用小数据表实现DITC控制。该方法是基于现有开关磁阻电机调速系统硬件实现的，不需增加额外硬件，适用于各种结构、不同相数的开关磁阻电机。
本发明采用的技术方案是一种开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法，其特征是，该方法首先搭建开关磁阻电机采用DITC的调速系统，将控制软件装载于微控制器中，控制软件采用转速、转矩双闭环结构；通过在调速系统的微控制器中加载特殊编写的转矩在线计算细化程序，利用电流检测单元以及位置检测单元反馈过来的相电流值、转子位置值；通过磁路饱和系数对两相通电时的合成转矩进行修正，得出一个精确的转矩值，针对电机所处的启动或者低速运转状态，采用对应的控制方法；方法的具体实现步骤如下：
第一步搭建开关磁阻电机的DITC调速系统
开关磁阻电机的DITC控制系统由微控制器1、开关磁阻电机2、功率变换器3、驱动单元4、电流检测单元5、位置检测单元6六部分组成；微控制器1中加载有控制软件，控制软件采用转速、转矩双闭环结构；将微控制器1通过位置检测单元6与开关磁阻电机2连接起来；电流检测单元5由三个电流传感器Ca、Cb、Cc组成，微控制器1上安装有IO接口通过电路依次与驱动单元4、电流检测单元5和功率变换器3连接；
控制系统的控制流程：通过位置检测单元6采集转子位置信号，再根据转子位置信号得出当前转速，将给定转速与当前转速之差经速度调节器ASR处理后，得到给定转矩；同时，各相绕组的电流由电流检测单元5采集，结合转子位置信号，通过存储于微控制器1中的转矩数据表在线查表，得出各相转矩，再经过转矩修正环节，得到最终的实际转矩；然后把给定转矩与实际转矩之差送入滞环比较器，得到开关表；通过微控制器1的I/O口输出开关信号，经驱动单元4放大后，控制功率变换器3中的功率器件V1、V2、V3、V4、V5和V6的导通和关断，使开关磁阻电机2的各相绕组通电或断电，从而实现开关磁阻电机的DITC控制；
第二步加载开关磁阻电机转矩在线计算细化程序
程序采用的转矩数据表为二维数据表，表格存储1/4周期单相转矩随相电流和位置角变化的数据；转子位置角以不对齐位置角为0度，对齐位置角为最大位置角θmax；采用一个二维数组对其进行数据装载，行为转子位置角，当前位置角所在区域的下限编号值为θk,θk＝0,1,2,...,N1，列为电流值IS,IS＝0,1,2....N2，电流的下限编号值IS，数据表的规格为N1×N2，通过二次查表可得出相转矩的计算值；
数据表的存储量不超过5Kbyte；同时，为了减小数据存储量，控制软件中不存储实际电流和实际位置角，用0和正整数表示转子位置角和电流；表格中的转子位置角的分度值为
表格中实际电流的分度值为
应用小数据表格进行DITC查表，为了保证控制精度，采用在线细化的方法计算瞬时转矩，转矩细化计算步骤如下：
首先，判定转子位置角所在区域以及电流所在区域，利用实时位置角度值除以角度分度值，并将其计算结果取整，得出当前位置角所在区域的下限编号值θk：
其中，θ为当前转子位置角的实际值，θk＝0,1,2,...,N1，当前位置角所在区域的上限编号值为θk+1
θk+1＝θk+1 (4)
同时，计算转子位置所在区域的比例，其比例值为：
将计算出的比例值存储下来，用于转矩细化计算，以减少在线计算量；同理，得出电流的下限编号值IS,IS＝0,1,2....N2、上限编号值IS+1以及电流所在区域位置Iratio，分别为；
IS+1＝IS+1 (7)
其中，I为相绕组电流的实际值；
然后进行转矩细化计算，从表格中直接查得四个转矩值T(θk,IS)、T(θk,IS+1)、T(θk+1,IS)、T(θk+1,IS+1)，先计算电流值为电流区域下限值、转子位置值为实时转子位置值对应的转矩：
TL＝[T(θk+1,IS)-T(θk,IS]×θratio+T(θk,IS) (9)
再计算电流值为电流区域上限值、转子位置值为实时转子位置值对应的转矩
TH＝[T(θk+1,IS+1)-T(θk,IS+1)]×θratio+T(θk,IS+1) (10)
根据实际电流值所在区间的比例值Iratio，得到各相转矩的计算值为:
Tp＝(TH-TL)×Iratio (11)
其中，p＝A、B、C各相绕组；
最后，对计算转矩进行修正，得到电机的实际转矩为
其中，KT为转矩修正系数，转矩修正系数KT的最大值为1，该修正系数与磁路饱和系数Ksat为负相关关系，磁路饱和系数Ksat的最小值为1，其最大值随不同电机而不同，可以预先计算得到。
本发明具有的有益效果是由于每次采集电流值以及转子位置值时，都计算出其所在区域内的比例值并保存下来，在转矩细化计算中直接使用该比例值，每运行一次转矩细化都能少算一次减法和除法，在程序反复多次的运算中，大大减少了运算量，提高了程序的运行效率。该方法通过建立较小的转矩数据表格，在占用微控制器数据存储空间较小的条件下，实现开关磁阻电机高效率、高可靠性的直接瞬时转矩控制，有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动。方法适用于不同相数、各种结构的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制，不需要额外增加硬件。
附图说明
图1是开关磁阻电机的DITC的控制系统框图。其中，1是微控制器，里面装载了开关磁阻电机的DITC控制软件；2是开关磁阻电机，A、B、C分别为开关磁阻电机的三相定子绕组；3是功率变换器，Us是其直流供电电源，VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6是续流二极管，V1、V2、V3、V4、V5、V6是开关元件，A相绕组串联在V1和V6之间，B相绕组串联在V3和V4之间，C相绕组串联在V5和V2之间；4是驱动单元；5是电流检测单元，由三个电流传感器Ca、Cb、Cc组成；6是位置检测单元，提供电机的转子位置信息以及转速信息。
图2为转矩修正系数KT与磁路饱和系数Ksat的关系图。
图3为单相定子绕组与转子位置相对关系示意图。
图4为样机在恒定转速下突加负载时的实测转矩图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
本发明的具体实施方式如图1所示，该开关磁阻电机调速系统由微控制器1、开关磁阻电机2、功率变换器3、电流检测单元5、位置检测单元6等六部分组成。微控制器1中装载开关磁阻电机的DITC控制软件。功率变换器3的拓扑结构采用三相不对称半桥电路，开关元件V1～V6选用IGBT模块，二极管VD1～VD6都封装于IGBT模块内部。上桥臂开关元件V1、V3和V5接到直流母线的正极，下桥臂开关元件V2、V4和V6接到直流母线的负极。开关磁阻电机2的定子绕组A串接于开关元件V1和V6之间，定子绕组B串接于开关元件V3和V4之间，定子绕组C串接于开关元件V2和V5之间，6个二极管分别两两组成各相绕组的续流回路。电流检测单元5中的Ca、Cb、Cc选用三个相同型号的霍尔电流传感器，按固定的电流方向分别套装在A、B、C三相绕组的引线上；位置检测单元6采用光电型位置传感器。
实施例：图1中的开关磁阻电机2为三相18/12极结构，微控制器1采用TI公司生产的36位浮点型单片机TMS320F28069。为了尽量减小数据存储量，转矩数据表记录了1/4周期的转矩随电流和转子位置角的变化情况。采用一个二维数组对其进行数据装载，列为电流值，行为转子位置角，数据表的规格为N1×N2，即为31×41，表1为一台4kW样机的部分转矩数据表，通过二次查表可得出相转矩的计算值。
表1一台4kW三相18/12极样机的部分转矩数据表
磁路饱和系数与转矩修正系数的关系如图2所示，转矩修正系数随着磁路饱和系数的增大而减小。由公式(12)知，KT为转矩修正系数，该修正系数与磁路饱和系数Ksat为负相关关系，电机磁路的饱和程度越高，磁路饱和系数Ksat就越大，实际两相通电产生的转矩比单相通电所得的计算转矩之和就越小，转矩修正系数KT就越小；磁路饱和系数Ksat的最小值为1，其最大值随不同电机而不同，可以预先计算得到；转矩修正系数KT的最大值为1，可以计算出不同磁路饱和系数Ksat对应的转矩修正系数KT，最高饱和系数对应转矩修正系数的最小值KTmin。本实例中，磁路饱和系数最大值为1.6，此时对应的转矩修正系数的最小值为0.7。
定子绕组与转子位置的相对关系如图3所示，位置角的零点位置对应的定子绕组与转子位置是不对齐位置，即电机定子磁极轴线与转子凹槽中心对齐的位置；最大角度位置对应的是定子绕组与转子位置对齐位置，即电机定子齿极轴线与转子齿中心重合的位置，18/12极开关磁阻电机的最大位置角度为15°。为了提高计算精度，软件中定义0.01°对应100的数字量，最大转子角度对应的数字量为150000，因此，转子位置角的分度值的数字量为
如相电流值的最大为30A，电流的分度值为
TMS320F28069的采样位数为12位，根据采用的电流传感器规格，可算出电流分度值对应的数字量大小，将三相电流的采样结果分别除以电流分度值的数字量并取整，即可得出各相电流在查找表格中所在的区域位置，记录其区域的上限与下限编号，编号值范围为0到31。由于三相绕组之间存在固定的相位差，根据光电型位置传感器采样得来的转子区域信号，对每相位置进行错位处理，转子的位置值是根据电机转速以及两次捕获中断之间的时间间隔计算而来，根据计算所得的转子位置值，确定各相对应的转子位置在表格中的区域，记录其区域上限下限编号，编号值为0到41。
图4给出了采用本发明提出的DITC控制的样机在150r/min的恒定转速下，将所带负载由5N.m突然增加到6N.m时，电机输出的瞬时电磁转矩。可见，电机在很短的动态过程中达到了稳定运行，稳定后，输出转矩脉动很小。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机实现直接瞬时转矩控制的方法，其特征是，该方法首先搭建开关磁阻电机采用DITC的调速系统，将控制软件装载于微控制器中，控制软件采用转速、转矩双闭环结构；通过在调速系统的微控制器1中加载特殊编写的转矩在线计算细化程序，利用电流检测单元以及位置检测单元反馈过来的相电流值、转子位置值；通过磁路饱和系数对两相通电时的合成转矩进行修正，得出一个精确的转矩值，针对电机所处的启动或者低速运转状态，采用对应的控制方法；方法的具体实现步骤如下：
第一步 搭建开关磁阻电机的DITC调速系统
开关磁阻电机的DITC控制系统由微控制器(1)、开关磁阻电机(2)、功率变换器(3)、驱动单元(4)、电流检测单元(5)、位置检测单元(6)六部分组成；微控制器(1)中加载有控制软件，控制软件采用转速、转矩双闭环结构；将微控制器(1)通过位置检测单元(6)与开关磁阻电机(2)连接起来；电流检测单元(5)由三个电流传感器Ca、Cb、Cc组成，微控制器(1)上安装有IO接口通过电路依次与驱动单元(4)、电流检测单元(5)和功率变换器(3)连接；
控制系统的控制流程：通过位置检测单元(6)采集转子位置信号，再根据转子位置信号得出当前转速，将给定转速与当前转速之差经速度调节器ASR处理后，得到给定转矩；A、B、C各相绕组的电流由电流检测单元(5)采集，结合转子位置信号，通过存储于微控制器(1)中的转矩数据表在线查表，得出各相转矩，再经过转矩修正环节，得到最终的实际转矩；然后把给定转矩与实际转矩之差送入滞环比较器，得到开关表；通过微控制器(1)的I/O口输出开关信号，经驱动单元(4)放大后，控制功率变换器(3)中的功率器件V1、V2、V3、V4、V5和V6的导通和关断，使开关磁阻电机(2)的各相绕组通电或断电，从而实现开关磁阻电机的DITC控制；
第二步 加载开关磁阻电机转矩在线计算细化程序
程序采用的转矩数据表为二维数据表，表格存储1/4周期单相转矩随相电流和位置角变化的数据；转子位置角以不对齐位置角为0度，对齐位置角为最大位置角θmax；采用一个二维数组对其进行数据装载，行为转子位置角，当前位置角所在区域的下限编号值为θk,θk＝0,1,2,...,N1，列为电流值IS,IS＝0,1,2....N2，电流的下限编号值IS，数据表的规格为N1×N2，通过二次查表得出相转矩的计算值；数据表的存储量不超过5Kbyte；同时，为了减小数据存储量，控制软件中不存储实际电流和实际位置角，用0和正整数表示转子位置角和电流；表格中的转子位置角的分度值为：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
表格中实际电流的分度值为：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mi>max</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
应用小数据表格进行DITC查表，为了保证控制精度，采用在线细化的方法计算瞬时转矩，转矩细化计算步骤如下：
首先，判定转子位置角所在区域以及电流所在区域，利用实时位置角度值除以角度分度值，并将其计算结果取整，得出当前位置角所在区域的下限编号值θk：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>int</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，θ为当前转子位置角的实际值，θk＝0,1,2,...,N1，当前位置角所在区域的上限编号值为θk+1：
θk+1＝θk+1 (4)
同时，计算转子位置所在区域的比例，其比例值为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
将计算出的比例值存储下来，用于转矩细化计算，以减少在线计算量；同理，得出电流的下限编号值IS,IS＝0,1,2....N2、上限编号值IS+1以及电流所在区域位置Iratio，分别表示为；
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>int</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mi>I</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>I</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
IS+1＝IS+1 (7)
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>I</mi> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>I</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，I为相绕组电流的实际值；
然后，进行转矩细化计算，从表格中直接查得四个转矩值T(θk,IS)、T(θk,IS+1)、T(θk+1,IS)、T(θk+1,IS+1)，先计算电流值为电流区域下限值、转子位置值为实时转子位置值对应的转矩：
TL＝[T(θk+1,IS)-T(θk,IS]×θratio+T(θk,IS) (9)
再计算电流值为电流区域上限值、转子位置值为实时转子位置值对应的转矩：
TH＝[T(θk+1,IS+1)-T(θk,IS+1)]×θratio+T(θk,IS+1) (10)
根据实际电流值所在区间的比例值Iratio，得到各相转矩的计算值为:
Tp＝(TH-TL)×Iratio (11)
其中，p＝A、B、C各相绕组；
最后，对计算转矩进行修正，得到电机的实际转矩为
其中，KT为转矩修正系数，转矩修正系数KT的最大值为1，该修正系数与磁路饱和系数Ksat为负相关关系，磁路饱和系数Ksat的最小值为1，其最大值随不同电机而不同，通过预先计算得到。
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