CN108039841A - 双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统 - Google Patents

双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统。根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差来自适应调节下一个电周期的提前角度：当最大反馈电流小于电流参考值时，增大下一个电周期的提前角度；当最大反馈电流大于电流参考值时，减小下一个电周期的提前角度；提前角度的增量计算采用迭代算法，利用当前电周期的提前角度值，根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差，估算下一个电周期的提前角度值。本发明以增大输出转矩为目标，寻找到了一种方便快捷，且能够随工作条件自动调节的提前角度控制方法。

Description

双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统
技术领域
本发明属于电机控制领域，特别涉及了双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统。
背景技术
双凸极电机由于转子上无绕组，结构简单，可靠性高，具有高的功率密度等优点，在航空起动/发电系统、风力发电系统、电动汽车驱动系统等领域有着广阔的应用前景，受到了国内外学者的广泛关注和深入研究。
双凸极电机在中高速运行时，通常采用提前角度控制方式，通过提前开通和关断功率变换器中的功率管来增大电枢电流的有效值，从而提高电机的输出转矩。提前角度的取值对电机输出转矩有着重要的影响，提前角度过小或者过大都会造成输出转矩下降。然而，目前缺少方便快捷的提前角度选取方法，通常根据大量的仿真分析结果选取，该方法工作量大，耗时长，且一旦工作条件变化，则所选取的提前角度不再适用。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法和系统，能够随工作条件自动调节提前角度，增大输出转矩。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差来自适应调节下一个电周期的提前角度：当最大反馈电流小于电流参考值时，增大下一个电周期的提前角度；当最大反馈电流大于电流参考值时，减小下一个电周期的提前角度；提前角度的增量计算采用迭代算法，利用当前电周期的提前角度值，根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差，估算下一个电周期的提前角度值。
进一步地，提前角度的增量随着最大反馈电流与电流参考值的偏差值的增大而增大、减小而减小。
进一步地，分别对每个换相周期提供不同的提前角度，根据当前所处的换相周期轮换使用不同的提前角度作为当前时刻提前角度的取值。
进一步地，具体步骤如下：
(1)检测三相电枢电流和电机转子位置；
(2)若转子位置处于提前角度区间内时，根据三相电枢电流计算提前角区间内反馈电流的最大值；
(3)若转子位置处于非提前角区间内，则根据转子位置所处的区间来选择待计算的自适应提前角度；若此时转子位置在[α+β,120°]内，则计算第1个换相区间所用的提前角度α1；若转子位置在[120°+α+β,240°]内，则计算第2个换相区间的提前角度α2；若转子位置在[240°+α+β,360°)内，则计算第3个换相区间的提前角度α3；其中，α为自适应控制的提前角度，β为恒定的小角度值，α+β为逆变器下管开通或关断时相对标准换相点的提前角度；
(4)当步骤(3)计算值αj处于预设的提前角度范围[0,αmax]时，则将步骤(3)的计算值αj作为提前角度的取值，否则取邻近的临界值作为提前角度的取值；其中，αmax为预设的提前角度最大值，j＝1,2,3。
进一步地，在步骤(3)中，若mod(θ,120°)∈[α+β,120°)，则说明转子位置处于非提前角区间内，其中，θ为转子位置，mod()表示相除取余运算。
进一步地，在步骤(3)中，αj的计算公式如下：
αj(m+1)＝αj(m)+K[i*-ibk.max(m)]
上式中，αj(m)与αj(m+1)分别为第m次和第m+1次迭代得到的αj值，ibk.max(m)为反馈电流的最大值，i*为电流参考值，K为迭代算法中累加项的系数，j＝1,2,3。
进一步地，在步骤(4)中，当步骤(3)计算值αj超出预设的提前角度范围[0,αmax]时，若αj<0，则令提前角度值为0，否则令提前角度值为αmax。
一种双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制系统，包括转速控制器、电流控制器、换相逻辑操作模块、功率管驱动电路、PWM逆变器、提前角度自适应控制器、反馈电流计算模块、旋转变压器和位置解码器；转速控制器的输出作为电枢电流参考值；电流控制器根据当前反馈电流与电枢电流参考值的偏差，得到电流斩波信号；换相逻辑操作模块根据提前角度的取值及角度控制策略的换相逻辑，将电流斩波信号和换相逻辑进行逻辑与操作，得到功率管的通断控制信号；功率管驱动电路根据功率管的通断控制信号输出PWM逆变器中功率管的驱动信号；提前角度自适应控制器利用当前电周期的提前角度，根据提前角度区间内反馈电流最大值与电枢电流参考值的偏差值，迭代计算下一个电周期的提前角度；反馈电流计算模块根据三相电枢电流值计算当前反馈电流；旋转变压器检测转子位置信息，位置解码器将旋转变压器检测到的模拟量转换为数字量，并得到转子转速，将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速控制器的输入。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)在本发明中，提前角度能够根据工作条件自动调节，不再需要大量的仿真分析结果来选取；
(2)在本发明中，提前角度的控制以增大输出转矩为目标，电机输出转矩大；
(3)在本发明中，多个提前角度轮换使用的方法能够均衡换相周期间的电枢电流及输出转矩。
附图说明
图1是本发明所涉及的双凸极电机驱动系统主电路拓扑图；
图2是本发明所涉及双凸极电机采用提前角度控制时功率管的驱动逻辑图；
图3是本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制的结构框图；
图4是本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制的流程图；
图5为采用本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制技术时多个提前角度仿真波形图；
图6为采用本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制技术时三相电枢电流仿真波形图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明涉及的双凸极电机驱动系统主电路拓扑图，包括三相桥式变换器、和双凸极电机。图中，Q1～Q6为三相桥式变换器的功率管，用于斩波和换相；D1～D6分别为Q1～Q6的反并联二极管，用于续流；ea～ec分别为双凸极电机的三相绕组反向电动势。
图2为双凸极电机采用提前角度控制时功率管的驱动逻辑图。提前角度控制的基本思想如下：任意时刻总有三相桥上的功率管均相对于标准换相点提前一定的角度开关和关断。图中，横坐标为转子位置对应的电角度，范围为[0°,360°)；电角度为0°，120°，240°的转子位置称为标准换相点位置；Laf、Lbf、Lcf分别为三相电枢绕组与励磁绕组之间互感的简化波形；VQ1～VQ6分别为桥式变换器上的功率管Q1～Q6的驱动逻辑波形；α为上管开通或关断时相对于标准换相点的提前角度；α+β为下管开通或关断时相对标准换相点的提前角度。当α>0，β＝0时，为三状态提前角度控制；当α>0，β>0时，为六状态提前角度控制。在提前角度自适应控制中，α为提前角度自适应控制的被控量，β取较小的恒定值。
图3为本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制的结构框图，包括转速控制器1、电流控制器2、换相逻辑操作模块3、功率管驱动电路4、直流电源5、PWM逆变器6、提前角度自适应控制器7、反馈电流计算模块8、双凸极电机9、旋转变压器10、位置解码器11。其中，转速控制器1的输出作为电枢电流的参考值；电流控制器2根据当前反馈电流与电流参考值的偏差，得出电流斩波信号；换相逻辑操作模块3根据提前角度的取值及角度控制策略的换相逻辑，将电流斩波信号和换相逻辑进行逻辑与操作，得出功率管的通断控制信号；功率管驱动电路4输出功率管的驱动信号；提前角度自适应控制器7利用当前电周期的提前角度，根据提前角度区间内反馈电流与电流参考值的偏差值，迭代计算下一个电周期的提前角度；反馈电流计算模块8根据采样电流的大小计算当前反馈电流；旋转变压器10用于检测转子位置信息；位置解码器11将旋转变压器10检测到的模拟量转换为数字量。将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速控制器的输入。
图4是本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制的流程图。其中,θ为当前电机转子位置对应的电角度；α为自适应控制的提前角度；αmax为预设的提前角度最大值；ibk为反馈电流，ibk.max为提前角度区间内反馈电流的最大值；α1、α2、α3分别为一个电周期内连续3个换相周期的提前角度，其计算表达式如下：
αj(m+1)＝αj(m)+K[i*-ibk.max(m)](j＝1,2,3) (1)
上式中，αj(m)与αj(m+1)分别为第m次计算得到的αj值，第m+1次计算得到的αj值。K为迭代算法中累加项的系数；i*为电流参考值。
由图4可见，提前角度自适应控制的实现流程如下：首先检测三相电枢电流和电机转子；当转子位置处于提前角度区间内时，计算提前角区间内反馈电流的最大值；若处于非提前角区间内，则根据转子位置所处的区间来选择待计算的自适应提前角度。若此时转子位置在[α+β,120°]内，则计算第一个换相区间所用的提前角度α1；若转子位置在[120°+α+β,240°]内，则计算第二个换相区间的提前角度α2；若转子位置在[240°+α+β,360°)内，则计算第三个换相区间的提前角度α3。提前角度的计算公式如(1)所示。当按照公式(1)计算到的提前角度没有超过预设的提前角度范围[0,αmax]时，则公式(1)的计算值即为提前角度的α取值，否则取邻近的临界值作为提前角度的取值。
图5为采用本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制技术时，某双凸极电机驱动系统的多个提前角度的仿真波形图。仿真条件如下：母线电压Udc为120V，电机转速10000rpm，电流参考值40A。图中，α1、α2、α3分别为一个电周期内连续3个换相周期的提前角度；α为控制过程中实际使用的提前角度。可见，提前角度自适应控制技术下，双凸极电机驱动系统的提前角度能够根据当前电流自动调节。
图6为采用本发明所涉及双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制技术时，某双凸极电机驱动系统的三相电枢电流的仿真波形图。仿真条件同图5。可见，提前角度自适应控制技术下，当双凸极电机驱动系统到达稳定状态时，在提前角度区间内，电枢电流上升到电流参考值。
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 (8)

1.一种双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于：根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差来自适应调节下一个电周期的提前角度：当最大反馈电流小于电流参考值时，增大下一个电周期的提前角度；当最大反馈电流大于电流参考值时，减小下一个电周期的提前角度；提前角度的增量计算采用迭代算法，利用当前电周期的提前角度值，根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差，估算下一个电周期的提前角度值。
2.根据权利要求1所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于：提前角度的增量随着最大反馈电流与电流参考值的偏差值的增大而增大、减小而减小。
3.根据权利要求2所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于：分别对每个换相周期提供不同的提前角度，根据当前所处的换相周期轮换使用不同的提前角度作为当前时刻提前角度的取值。
4.根据权利要求3所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)检测三相电枢电流和电机转子位置；
(2)若转子位置处于提前角度区间内时，根据三相电枢电流计算提前角区间内反馈电流的最大值；
(3)若转子位置处于非提前角区间内，则根据转子位置所处的区间来选择待计算的自适应提前角度；若此时转子位置在[α+β,120°]内，则计算第1个换相区间所用的提前角度α1；若转子位置在[120°+α+β,240°]内，则计算第2个换相区间的提前角度α2；若转子位置在[240°+α+β,360°)内，则计算第3个换相区间的提前角度α3；其中，α为自适应控制的提前角度，β为恒定的小角度值，α+β为逆变器下管开通或关断时相对标准换相点的提前角度；
(4)当步骤(3)计算值αj处于预设的提前角度范围[0,αmax]时，则将步骤(3)的计算值αj作为提前角度的取值，否则取邻近的临界值作为提前角度的取值；其中，αmax为预设的提前角度最大值，j＝1,2,3。
5.根据权利要求4所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，若mod(θ,120°)∈[α+β,120°)，则说明转子位置处于非提前角区间内，其中，θ为转子位置，mod()表示相除取余运算。
6.根据权利要求4所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，αj的计算公式如下：
αj(m+1)＝αj(m)+K[i*-ibk.max(m)]
上式中，αj(m)与αj(m+1)分别为第m次和第m+1次迭代得到的αj值，ibk.max(m)为反馈电流的最大值，i*为电流参考值，K为迭代算法中累加项的系数，j＝1,2,3。
7.根据权利要求4所述双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，当步骤(3)计算值αj超出预设的提前角度范围[0,αmax]时，若αj<0，则令提前角度值为0，否则令提前角度值为αmax。
8.一种双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制系统，其特征在于：包括转速控制器、电流控制器、换相逻辑操作模块、功率管驱动电路、PWM逆变器、提前角度自适应控制器、反馈电流计算模块、旋转变压器和位置解码器；转速控制器的输出作为电枢电流参考值；电流控制器根据当前反馈电流与电枢电流参考值的偏差，得到电流斩波信号；换相逻辑操作模块根据提前角度的取值及角度控制策略的换相逻辑，将电流斩波信号和换相逻辑进行逻辑与操作，得到功率管的通断控制信号；功率管驱动电路根据功率管的通断控制信号输出PWM逆变器中功率管的驱动信号；提前角度自适应控制器利用当前电周期的提前角度，根据提前角度区间内反馈电流最大值与电枢电流参考值的偏差值，迭代计算下一个电周期的提前角度；反馈电流计算模块根据三相电枢电流值计算当前反馈电流；旋转变压器检测转子位置信息，位置解码器将旋转变压器检测到的模拟量转换为数字量，并得到转子转速，将测量得到的转子转速与期望转速的偏差值作为转速控制器的输入。
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