CN108322116A - 一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，根据发电功率和转速计算出开通角搜索区间，在搜索区间内采用黄金分割法对开通角进行迭代控制，使系统效率最优；与此同时进行功率闭环控制，在高速和中低速情况下分别调节关断角和电流参考值，使输出功率跟随目标功率的变化而变化，最终两者达到动态平衡，系统以最优效率输出目标功率。该方法不依赖电机模型参数，控制精度高，同时能自动调整开通角搜索区间，响应速度快，具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机领域，涉及一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法。
背景技术
开关磁阻电机以结构简单、制造成本低、容错能力强、运行可靠性高，在较宽的转速范围内具有较高的效率，已经成功的应用于许多场合。开关磁阻电机的励磁控制参数有开通角、关断角和电流参考值。当开关磁阻电机运行于中、低速时，由于反电动势小于直流母线电压，可以通过电流斩波控制或电压PWM控制方法将相电流幅值限制在一定的范围之内。当开关磁阻电机运行于高速时，反电动势大于直流母线电压，在功率变换器主开关器件关断后，相电流不会下降反而继续上升，电机工作于单脉冲模式，开通角与关断角是唯一的可控励磁参数，通过调节开通角与关断角来改变相电流的波形，最终改变输出功率。输出相同功率，开通角与关断角有不同的组合。在这些组合中存在最优开通角与关断角使开关磁阻电机的输入机械功率最小，则效率最大。然而开关磁阻电机具有高度非线性，从理论上推导出最优开通角、关断角与输出功率、转速、母线电压的函数关系变得很困难，因此有文献提出一种效率优化控制方法。使用开关磁阻电机的非线性模型仿真得到不同负载和不同转速下的最优效率开通角和关断角，将最优效率开关角、输出功率和转速导入到查找表中以便控制器使用。控制精度与查找表的数据量成正比，执行时间与查找表的数据量成反比，因此为提高控制精度，使用大规模查找表来实现效率优化控制的方法需要占用控制器大量的存储空间且耗时严重。还有文献通过引入闭环控制方法实现效率最优，其同样使用开关磁阻电机的非线性模型仿真得到不同负载和不同转速下的最优效率开通角与关断角，然后通过曲线拟合的方式将最优效率关断角表示成输出功率和转速的函数，因此控制系统可以根据输出功率和转速计算出最优效率关断角，将关断角固定在最优值，通过功率闭环调节开通角，最终实现单脉冲模式下的效率优化控制。由于开关磁阻电机仿真模型与实际系统存在差异且电机运行工况复杂，使用查找表的开环控制很难精确地实现效率最优，而功率闭环控制和励磁参数拟合方式的引入一方面适当降低了查找表的复杂程度，提高了运算速度，另一方面提高了系统的控制精度，保证了输出功率跟随目标功率的变化而变化，但依赖于离线数据的控制方式往往无法取得较高的控制精度，同时通过对大量仿真数据与实验数据的分析得出，不同负载和不同转速的最优效率关断角变化不明显，仿真数据与实验数据所确定的最优效率关断角有所差异，因此现有的开关磁阻电机效率优化控制方法还存在不足。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提出一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法。根据发电功率和转速确定开通角搜索区间，采用黄金分割法迭代搜索开通角搜索区间，通过动态调节开通角使系统发电效率最优；与此同时，功率闭环调节关断角或电流参考值，最终实现系统在全速范围内以最优效率输出目标功率。
控制系统根据发电功率P和转速ω，由公式：计算出开通角初始值θinit，以开通角初始值为中心，构建开通角初始搜索区间为[θinit–N/2θinit+N/2]，式中：θinit是开通角初始值，θpu是开通角标幺值，θN是开通角基准值，ω是转速，ωpu是转速标幺值，ωN是转速基准值，Ppu是发电功率标幺值，P是发电功率，PN是发电功率基准值，a、b、c、d是多项式系数，N为搜索区间长度；将开通角固定在初始值θinit，进行功率闭环控制，在高速和中低速情况下分别调节关断角和电流参考值，使发电功率跟随目标功率的变化而变化。
当功率闭环控制达到稳定后，效率优化单元采用黄金分割法对开通角搜索区间进行搜索，通过动态调节开通角使系统发电效率最优；与此同时进行功率闭环控制，使发电功率达到目标值，最终两者达到动态平衡，系统以最优效率输出目标功率。
当开关磁阻电机高速运行时，功率闭环调节关断角，即目标功率与发电功率的差值经过PI调节器后输出关断角；当开关磁阻电机中低速运行时，关断角优化模块在线计算出关断角，功率闭环调节电流参考值，即目标功率与发电功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值。
当开关磁阻电机中低速运行，关断角优化模块采样得到相电流第一次达到电流参考值时所对应的转子位置角度，在此基础上叠加电流参考值与相电流最大值的偏差，作为优化的关断角输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明不依赖电机模型参数，通过在线迭代搜索，提高了控制精度，同时依据转速和发电功率动态调节搜索区间，响应速度块，效果好，工程应用价值良好，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是开关磁阻电机系统的组成。
图2是高速效率优化控制框图。
图3是中低速效率优化控制框图。
图4是宽转速范围效率优化控制器结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作进一步的描述：
开关磁阻电机系统主要由五部分组成：原动机、开关磁阻电机、功率变换器(包括励磁电源)、控制系统和负载，如图1所示。在该系统中，开关磁阻电机作为机电能量转换的核心部件，在原动机的拖动下将输入的机械能转换成电能。功率变换器作为能量转换的通道，在励磁阶段外加的直流电源通过功率变换器为相绕组供电；在续流阶段，相绕组通过功率变换器回馈能量。控制系统作为中枢部分，采样系统运行中的给定量(功率给定、励磁电压给定等)、物理量(转子位置信号、相电压、相电流、母线电压、母线电流、转速等)，然后综合处理、控制主开关管的开通与关断，从而控制开关磁阻电机的发电运行状态。
开关磁阻电机为三相12/8结构，额定电压为24V，额定功率为500W；以TI高性能浮点 DSP(TMS320F28335)芯片作为主数字信号处理器，完成AD采样、控制算法等；功率变换器为三相不对称半桥结构，在励磁母线和续流母线分别安装电流传感器①和②，测量励磁电流 ie和续流电流ig，同时安装电压传感器测量输出电压Ug，则系统发电功率P＝Ug×(Ig-Ie)，式中Ig是续流电流ig的有效值，Ie是励磁电流ie的有效值。
1、励磁参数优化建模
电机高速运行时，励磁控制参数为开通角和关断角。采用角度位置控制，在不同转速和不同输出功率下进行功率闭环实验。选取800r/min～1200r/min为优化的速度区间，以50r/min 为一个变化单位，记录相应速度下每一个电周期内输出不同功率时，所有开通角和关断角组合对应的发电效率，其中开通角以0.5°为一个变化单位。发电效率最大所对应的励磁参数为最优，将不同输出功率和不同转速下的最优励磁参数(开通角和关断角)记录在高速角度优化表格中。
电机中低速运行时，励磁控制参数为开通角、关断角和电流参考值。采用电流斩波控制，在不同转速和不同输出功率下进行功率闭环实验。选取500r/min～800r/min为优化的速度区间，以50r/min为一个变化单位，记录相应速度下每一个电周期内输出不同功率时，所有开通角、关断角和电流参考值组合对应的发电效率，其中开通角、关断角分别以0.5°为一个变化单位。发电效率最大所对应的励磁参数为最优，将不同输出功率和不同转速下的最优励磁参数(开通角、关断角和电流参考值)记录在中低速角度优化表格中。
从高速角度优化表格中可以看出，随着输出功率和转速变化，最优效率关断角变化很不明显，而最优效率开通角变化较为明显，因此为了降低建模难度，将开通角作为效率优化主控制变量，功率闭环调节关断角。从中低速角度优化表格中可以看出，随着输出功率和转速的变化，最优效率关断角在一个很小的范围内变化，且接近相电流第一次达到电流参考值所对应的转子位置角度，同样将开通角作为效率优化主控制变量，功率闭环调节电流参考值。从高速、中低速角度优化表格中可以看出，最优效率开通角随着转速的增大而减小，随着输出功率的增大而减小，因此建立最优效率开通角与转速和输出功率之间的函数为：
式中，θinit是开通角初始值，θpu是开通角标幺值，θN是开通角基准值，ω是转速，ωpu是转速标幺值，ωN是转速基准值，Ppu是输出功率标幺值，P是输出功率，PN是输出功率基准值，a、b、c、d是多项式系数。
使用最小二乘法进行拟合，得到最优效率开通角系数a＝-2.761，b＝2.996，c＝0.5773， d＝16.01，定义开通角初始搜索区间为[θinit–N/2θinit+N/2]，N为搜索区间长度。
2、高速效率优化控制
电机高速运行时，其效率优化控制框图如图2所示。功率计算模块根据母线电压Udc和母线电流Idc(Idc＝Ig-Ie)计算出发电功率P。效率计算模块输入为电磁转矩Te、转速ω和发电功率P，输出发电效率η。开通角初始值计算模块根据发电功率P和转速ω计算得到开通角初始值θinit，进而得到开通角初始搜索区间[θinit–N/2θinit+N/2]。效率优化单元采用黄金分割法对开通角搜索区间进行迭代搜索，通过调节开通角，使系统发电效率最优，与此同时进行功率闭环控制，即目标功率P*与发电功率P的差值经过PI控制器后输出关断角θoff，通过调节关断角，使系统稳定输出目标功率。高速效率优化步骤如下：
A.根据式(1)计算出开通角初始值θinit。
B.将开通角固定在初始值θinit，给定目标功率为P*，功率闭环调节关断角。
C.若功率闭环控制达到稳定，则进行效率优化控制，执行步骤D，否则继续执行步骤B。
D.给出开通角初始搜索区间[a b]及收敛精度ε，其中a＝θinit–N/2，b＝θinit–N/2。
E.在搜索区间内插入两点θ1，θ2，θ1＝a+0.382(b-a)，θ2＝a+0.618(b-a)。
F.若|θ2-θ1|≤ε，将开通角固定在0.5(θ2+θ1)，执行步骤O，否则执行步骤G。
G.给定开通角为θ1，功率闭环调节关断角。
H.若功率闭环控制达到稳定，执行步骤I，否则继续执行步骤G。
I.计算并保存系统发电效率为η1。
J.给定开通角为θ2，功率闭环调节关断角。
K.若功率闭环控制达到稳定，执行步骤L，否则继续执行步骤J。
L.计算并保存系统发电效率为η2。
M.若|η1-η2|≤ε，固定开通角为0.5(θ2+θ1)，执行步骤O，否则执行步骤N。
N.若η1≥η2，则新搜索区间为[aθ2]，将θ2赋于b，否则新搜索区间为[θ1b]，将θ1赋予a，执行步骤E。
O.若目标功率P*及转速ω不变，保持开通角恒定，停止迭代控制，否则执行步骤A。
3、中低速效率优化控制
电机中低速运行时，其效率优化控制框图如图3所示。功率计算模块根据母线电压Udc和母线电流Idc(Idc＝Ig-Ie)计算出发电功率P。效率计算模块输入为电磁转矩Te、转速ω和发电功率P，输出发电效率η。开通角初始值计算模块根据发电功率P和转速ω计算得到开通角初始值θinit，进而得到开通角初始搜索区间[θinit–N/2θinit+N/2]。关断角优化模块采样得到相电流第一次达到电流参考值时所对应的转子位置角度，在此基础上叠加电流参考值与相电流最大值的偏差，作为优化的关断角输出。效率优化单元采用黄金分割法对开通角搜索区间进行迭代搜索，通过调节开通角，使系统发电效率最优，与此同时进行功率闭环控制，目标功率P*与发电功率P的差值经过PI控制器后输出电流参考值Iref，通过调节相电流大小，使系统稳定输出目标功率。中低速速效率优化步骤如下：
A.根据式(1)计算出开通角初始值θinit。
B.将开通角固定在初始值θinit，关断角优化模块在线输出关断角，给定目标功率为P*，功率闭环调节电流参考值。
C.若功率闭环控制达到稳定，则进行效率优化控制，执行步骤D，否则继续执行步骤B。
D.给出开通角初始搜索区间[a b]及收敛精度ε，其中a＝θinit–N/2，b＝θinit–N/2。
E.在搜索区间内插入两点θ1，θ2，θ1＝a+0.382(b-a)，θ2＝a+0.618(b-a)。
F.若|θ2-θ1|≤ε，将开通角固定在0.5(θ2+θ1)，执行步骤O，否则执行步骤G。
G.给定开通角为θ1，关断角优化模块在线输出关断角，功率闭环调节电流参考值。
H.若功率闭环控制达到稳定，执行步骤I，否则继续执行步骤G。
I.计算并保存系统发电效率为η1。
J.给定开通角为θ2，关断角优化模块在线输出关断角，功率闭环调节电流参考值。
K.若功率闭环控制达到稳定，执行步骤L，否则继续执行步骤J。
L.计算并保存系统发电效率为η2。
M.若|η1-η2|≤ε，固定开通角为0.5(θ2+θ1)，执行步骤O，否则执行步骤N。
N.若η1≥η2，则新搜索区间为[aθ2]，将θ2赋于b，否则新搜索区间为[θ1b]，将θ1赋予a，执行步骤E。
O.若目标功率P*及转速ω不变，保持开通角恒定，停止迭代控制，否则执行步骤A。
4、宽转速范围效率优化控制
将高速效率优化控制方案和中低速效率优化控制方案有机地结合起来即可实现宽转速范围效率优化控制，其控制结构图如图4所示。从光电传感器获得的转子位置θr一方面输入到角度位置控制模块，与开通角和关断角相比较产生位置信号，另一方面用来计算转速ω。当电机高速运行时，即ω>ωb，目标功率P*与发电功率P的差值经过PI2后输出关断角θoff。效率优化计算单元迭代搜索，输出开通角θon。转子位置θr与开通角θon和关断角θoff比较产生位置信号，直接作为功率变换器主开关管的门及驱动信号Gate。当电机中低速运行时，即ω<ωb，目标功率P*与发电功率P的差值经过PI1后输出电流参考值Iref，与相电流比较产生滞环控制信号。效率优化计算单元迭代搜索，输出开通角θon，关断角固定在优化值θoff_opt。转子位置θr与开通角θon和关断角θoff比较产生的位置信号与滞环控制信号相与后作为功率变换器主开关管的门及驱动信号Gate。
Claims (4)
1.一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：控制系统根据发电功率P和转速ω，由公式：计算出开通角初始值θinit，并以开通角初始值为中心，构建开通角初始搜索区间为[θinit–N/2θinit+N/2]，式中：θinit是开通角初始值，θpu是开通角标幺值，θN是开通角基准值，ω是转速，ωpu是转速标幺值，ωN是转速基准值，Ppu是发电功率标幺值，P是发电功率，PN是发电功率基准值，a、b、c、d是多项式系数，N为搜索区间长度；将开通角固定在初始值θinit，进行功率闭环控制，在高速和中低速情况下分别调节关断角和电流参考值，使发电功率跟随目标功率的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：当功率闭环控制达到稳定后，效率优化单元采用黄金分割法对开通角搜索区间进行搜索，通过动态调节开通角使系统发电效率最优；与此同时进行功率闭环控制，使发电功率达到目标值，最终两者达到动态平衡，系统以最优效率输出目标功率。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：当开关磁阻电机高速运行时，功率闭环调节关断角，即目标功率与发电功率的差值经过PI调节器后输出关断角；当开关磁阻电机中低速运行时，关断角优化模块在线计算出关断角，功率闭环调节电流参考值，即目标功率与发电功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：当开关磁阻电机中低速运行，关断角优化模块采样得到相电流第一次达到电流参考值时所对应的转子位置角度，在此基础上叠加电流参考值与相电流最大值的偏差，作为优化的关断角输出。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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