CN107947676B - 一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法，利用阶梯状斩波信号控制线圈电流实现对换相后定子的驱动控制，在转子的位置到达预设位置范围后，切断阶梯状斩波信号，在换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；在切断线圈电流后继续进行换相，以实现开关磁阻电机的驱动；因此，本发明利用阶梯状斩波信号匹配转子和定子的位置实现电机驱动控制，相比于现有驱动控制方案降低了开关磁阻电机驱动时所产生的振动和噪声。

Description

一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其是一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法。
背景技术
开关磁阻电动机是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，可广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。
开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统和直流电动汽车电机传动系统的优点，是这些传动系统的有力竞争者，但是开关磁阻电动机驱动系统也有着其固有缺点，主要是：
1、有转矩脉动：从其工作原理可知，开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这影响了SR电动机低速运行性能；
2、SR电动机传动系统的噪声与震动比一般电动机大。
由于开关磁阻电动机是新一代电机技术，故很多现有的技术方案，仍然采用传统电机的控制方法和技术，来控制开关磁阻电动机，造成开关磁阻电机驱动系统的缺点不容易克服，振动和噪声比较大，
很多现有的技术方案，仍然采用传统电机的控制方法和技术，来控制开关磁阻电动机，参考图1，图1是现有开关磁阻电动机的控制方案，在一个转子线圈接入电流(换相开始)和切断电流(换相结束)的周期内，电流的上限值和下限值是基本不变的，电动机控制器控制绕组中的电流在电流上限和电流下限之间，实现了简单的电流控制。造成开关磁阻电机驱动系统的缺点不容易克服，换相时产生的振动和噪声比较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法，用于降低开关磁阻电机驱动时所产生的振动和噪声。
本发明所采用的技术方案是：一种开关磁阻电机的驱动控制方法，包括以下步骤：
所述开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；所述线圈电流为阶梯状斩波信号；
所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断所述线圈电流，所述预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，所述阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，所述阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断所述线圈电流后继续换相，以实现所述开关磁阻电机的驱动。
进一步地，所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围的判断方法为：
获取所述开关磁阻电机换相时，所述开关磁阻电机的转子相对于所述换相后的定子的初始位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取所述转子当前的位置；根据所述转子相对于所述换相后的定子的初始位置和所述转子当前的位置判断所述转子的位置是否到达预设位置范围。
进一步地，所述第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，所述第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。
进一步地，预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％。
本发明所采用的另一技术方案是：一种开关磁阻电机的驱动控制系统，包括
功率拓扑单元，用于提供所述开关磁阻电机的线圈电流；
位置检测单元，用于采样所述开关磁阻电机转子的位置；
主控单元，用于所述开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；所述线圈电流为阶梯状斩波信号；
所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断所述线圈电流，所述预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，所述阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，所述阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断所述线圈电流后继续换相，以实现所述开关磁阻电机的驱动；
其中，所述主控单元的输出端与功率拓扑单元的输入端连接，所述位置检测单元的输出端与主控单元的输入端连接。
进一步地，所述开关磁阻电机的驱动控制系统还包括：
电流采样单元，用于采样所述开关磁阻电机各相定子的线圈电流；所述电流采样单元的输出端与主控单元的输入端连接。
进一步地，所述位置检测单元用于采样所述开关磁阻电机转子的相对位置信息或者绝对位置信息。
进一步地，所述位置检测单元包括光电式位置传感器、霍尔式位置传感器或旋转磁场式位置传感器。
进一步地，所述主控单元包括：
位置判断模块，用于获取所述开关磁阻电机换相时，所述开关磁阻电机的转子相对于所述换相后的定子的初始位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取所述转子当前的位置；根据所述转子相对于所述换相后的定子的初始位置和所述转子当前的位置判断所述转子的位置是否到达预设位置范围。
进一步地，所述第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，所述第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。
进一步地，预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％。
本发明的有益效果是：
本发明一种开关磁阻电机的驱动控制系统及其方法，利用阶梯状斩波信号控制线圈电流实现对换相后定子的驱动控制，在转子的位置到达预设位置范围后，切断阶梯状斩波信号，在换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；在切断线圈电流后继续进行换相，以实现开关磁阻电机的驱动；因此，本发明利用阶梯状斩波信号匹配转子和定子的位置实现电机驱动控制，相比于现有驱动控制方案降低了开关磁阻电机驱动时所产生的振动和噪声。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是现有开关磁阻电动机的控制方案；
图2是本发明一种开关磁阻电机的驱动控制方法的线圈电流与角度的一具体实施例曲线图；
图3是本发明一种开关磁阻电机的驱动控制系统的一具体实施例示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种开关磁阻电机的驱动控制方法，包括以下步骤：
开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；线圈电流为阶梯状斩波信号；
开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断线圈电流，预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断线圈电流后继续进行换相，电机各相循环接入阶梯状斩波信号控制的线圈电流，以实现开关磁阻电机的驱动。
现有电机换相驱动中，以恒定不变的线圈电流接入，造成振动和噪声较大，本发明利用阶梯状斩波信号匹配转子和定子的位置关系实现电机驱动控制，当转子和换相后的定子(例如三相磁阻电机的A相)并未对齐，即换相刚开始时，需要加比较大的线圈电流，并且持续时间比较长，以产生足够的力使得转子向换相后的定子转动；而当转子和定子的重合部分的面积不断增加时，此时不需要那么大的驱动力，可以降低电流，以提高效率；当转子的位置到达预设位置范围时，此时即使加大电流也不会产生牵引力，故可以切断线圈电流，此过程周而复始，规律的控制各相(例如三相磁阻电机的A、B、C相)，电机即可转动；相比于现有驱动控制方案降低了开关磁阻电机驱动时所产生的振动和噪声。本发明是在各相线圈电流导通和关闭期间内，使线圈电流限值形成一个阶梯状变化过程，结合开关磁阻电动机的控制特点(各相循环接入线圈电流进行驱动)，使得线圈电流的变化匹配转子和定子的位置关系，对合成转矩脉动有明显的改善效果，特别是低速时的脉动和噪声。
作为技术方案的进一步改进，预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％，其中，定子与转子的理想重合位置固定，且不同的电机的重合位置不同。开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围的判断方法为：
获取开关磁阻电机换相时，开关磁阻电机的转子相对于换相后的定子的初始位置；
换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取转子当前的位置；根据转子相对于换相后的定子的初始位置和转子当前的位置判断转子的位置是否到达预设位置范围。由于转子相对于换相后的定子的初始位置已知，则转子当前的位置与转子相对于定子的初始位置之差已知，根据位置之差和预设位置范围即可以判断转子是否到达预设位置范围。
作为技术方案的进一步改进，第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。参考图2，图2是本发明一种开关磁阻电机的驱动控制方法的线圈电流与角度的一具体实施例曲线图，图2示意的是一个转子从换相开始到换相结束的线圈电流和角度的示意图，线圈电流为阶梯状斩波信号，电流限值包括电流上限值和电流下限值，斩波信号的电流上限值和电流下限值的差值根据所带负载的不同而不同；以电机的一相转子为例，当换相开始时，线圈电流导通，一开始线圈电流为第一电流限值为A的斩波信号，本实施例中，阶梯状斩波信号为具有两个阶梯的阶梯状斩波信号，当转子慢慢向定子靠近时，转子与定子的重合面积慢慢增大，电流限值从第一电流限值A下降到第三电流限值C；再从第三电流限值C下降到第二电流限值B，当转子到达预设位置范围时，关断线圈电流，换相结束。电机的各相循环上述过程，实现电机驱动。
事实上，阶梯状斩波信号的分段数目、各个阶段电流的限值，根据开关磁阻电机的不同以及所带负载的不同而不同。
基于上述开关磁阻电机的驱动控制方法，本发明还提供一种开关磁阻电机的驱动控制系统，参考图3，图3是本发明一种开关磁阻电机的驱动控制系统的一具体实施例示意图，开关磁阻电机的驱动控制系统包括
功率拓扑单元，用于提供开关磁阻电机的线圈电流；
电流采样单元，用于采样开关磁阻电机各相定子的线圈电流；
位置检测单元，用于采样开关磁阻电机转子的位置；
主控单元，用于开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；线圈电流为阶梯状斩波信号；
开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断线圈电流，预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，阶梯状斩波信号为包括至少一个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断线圈电流后继续换相，以实现开关磁阻电机的驱动；
还包括存储器，用于存储信息，该存储器可以是个独立的存储器，也可以是内嵌在主控单元中的一个存储区域；
其中，存储器与主控单元连接，主控单元的输出端与功率拓扑单元的输入端连接，电流采样单元的输出端、位置检测单元的输出端与主控单元的输入端连接。
具体地，电流传感器是完成电机相线的电流闭环控制的采样，例如当给电机的某一相加电使其转动的时候，电机线圈中的电流会上升，为了使电流上升的幅度满足控制要求，故需要对该电流进行实时采样，以便达到预定的值后，采取相应的电流控制策略。
在开关磁阻电机的驱动控制系统中，存在一个主控单元和存储器组成的模块，该存储器和主控单元可以进行双向通讯。主控单元实时接收来自位置检测单元和电流检测单元的的信息，根据闭环算法在每次相电流的导通和关闭周期输出控制信号至功率拓扑单元，进而控制电机相电流在换相开始到结束过程中以阶梯状斩波信号变化，以匹配转子和定子的位置关系。将对合成转矩脉动有明显的改善效果，特别是低速时的脉动和噪声。
进一步地，第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％。
作为技术方案的进一步改进，位置检测单元用于采样开关磁阻电机转子的相对位置信息或者绝对位置信息。进一步地，位置检测单元包括光电式位置传感器、霍尔式位置传感器或旋转磁场式位置传感器。
作为技术方案的进一步改进，主控单元包括：
位置判断模块，用于获取开关磁阻电机换相时，开关磁阻电机的转子相对于换相后的定子的初始位置；
换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取转子当前的位置；根据转子相对于换相后的定子的初始位置和转子当前的位置判断转子的位置是否到达预设位置范围。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机的驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；所述线圈电流为阶梯状斩波信号；
所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断所述线圈电流，所述预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，所述阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，所述阶梯状斩波信号为包括至少两个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断所述线圈电流后继续换相，以实现所述开关磁阻电机的驱动。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的驱动控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围的判断方法为：
获取所述开关磁阻电机换相时，所述开关磁阻电机的转子相对于所述换相后的定子的初始位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取所述转子当前的位置；根据所述转子相对于所述换相后的定子的初始位置和所述转子当前的位置判断所述转子的位置是否到达预设位置范围。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的驱动控制方法，其特征在于，所述第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，所述第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的驱动控制方法，其特征在于，所述预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％。
5.一种开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，包括
功率拓扑单元，用于提供所述开关磁阻电机的线圈电流；
位置检测单元，用于采样所述开关磁阻电机转子的位置；
主控单元，用于所述开关磁阻电机换相后，接通换相后的定子的线圈电流；所述线圈电流为阶梯状斩波信号；
所述开关磁阻电机的转子的位置到达预设位置范围时，切断所述线圈电流，所述预设位置范围包括换相后的定子与转子的理想重合位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通到切断期间，所述阶梯状斩波信号的电流限值从第一电流限值下降到第二电流限值，所述阶梯状斩波信号为包括至少两个阶梯的阶梯状斩波信号；
切断所述线圈电流后继续换相，以实现所述开关磁阻电机的驱动；
其中，所述主控单元的输出端与功率拓扑单元的输入端连接，所述位置检测单元的输出端与主控单元的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，所述开关磁阻电机的驱动控制系统还包括：
电流采样单元，用于采样所述开关磁阻电机各相定子的线圈电流；所述电流采样单元的输出端与主控单元的输入端连接。
7.根据权利要求5所述的开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，所述位置检测单元用于采样所述开关磁阻电机转子的相对位置信息或者绝对位置信息。
8.根据权利要求5所述的开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，所述主控单元包括：
位置判断模块，用于获取所述开关磁阻电机换相时，所述开关磁阻电机的转子相对于所述换相后的定子的初始位置；
所述换相后的定子的线圈电流接通后，实时获取所述转子当前的位置；根据所述转子相对于所述换相后的定子的初始位置和所述转子当前的位置判断所述转子的位置是否到达预设位置范围。
9.根据权利要求5至8任一项所述的开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，所述第二电流限值大于等于第一电流限值的三分之一，所述第二电流限值小于等于第一电流限值的二分之一。
10.根据权利要求5至8任一项所述的开关磁阻电机的驱动控制系统，其特征在于，所述预设位置范围为换相后的定子与转子的理想重合位置的正负20％。
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