CN108429509B - 开关磁阻电机分段pwm占空比控制方法 - Google Patents

Abstract

影响开关磁阻电机运行特性的最主要因素是电流波形形态、电流峰值大小及峰值出现的位置，因此对电流的精确控制是提高开关磁阻电机运行性能的关键。开关磁阻电机在基速下常采用电流斩波控制，但是在实际应用中由于电感的非线性和数字控制系统中采样频率的限制，使得单一的电流斩波控制不能达到良好的电流跟踪效果。本发明公开了一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法，此方法可以克服传统电流软斩波控制下电流脉动大的缺点，改善开关磁阻电机电流跟踪性能，进而减小开关磁阻电机转矩脉动。

Description

开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域的开关磁阻电机控制技术，具体涉及一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法。

技术背景

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)结构简单、调速范围宽且效率较高，非常符合电动汽车轻量化、高性价比的要求。SRM各相之间相互独立，因此容错能力强，安全性较好。它还具有可控参数多、控制方法灵活等优点，其以上特点非常契合目前新能源电动汽车电驱系统的应用要求，因此受到学术界和工业界的广泛关注。但是由于SRM特有的双凸极结构，使得它是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，与传统调速系统有着很大的不同。其输出转矩与定子电流和转子位置是一个非线性的函数，导致输出转矩脉动较大，在低速时尤为明显。

国内外学者针对SRM转矩脉动大的问题，在电机本体设计、驱动拓扑和控制方法上做了大量的研究，比如通过优化开通角和关断角提高了电机的输出性能、通过优化开通角结合PWM控制技术，同时对导通区间进行分段控制来提高电机的输出性能、采用转矩分配函数，合理的分配和调节换向时各相电流对应的电磁转矩分量，提高电机的输出性能、采用一种可变滞环宽度的电流斩波控制方式来提高电机的输出性能、采用一种电流双幅值斩波控制方式，并设计了电流双幅值斩波电路，通过增大换向时的相电流减小换向时的转矩脉动、通过改变电流采样点位置，提高了对参考电流的跟踪性能，进而减小电流脉动、通过向常规参考电流中注入多次谐波电流改变参考形态，达到抑制转矩脉动的目的。

在以上这些控制方法中，影响SRM运行特性的最主要因素是电流波形形态、电流峰值大小及峰值出现的位置，因此对电流的精确控制是提高SRM运行性能的关键。传统SRM电流控制方法有电流斩波控制和脉冲宽度调制控制，如实用新型专利《一种开关磁阻电机电流斩波控制装置》(CN 202940765 U)和发明专利申请《开关磁阻电机的转速控制方法》(CN1412935A)。其中，

中国实用新型专利说明书CN 202940765 U《一种开关磁阻电机电流斩波控制装置》提供了一种开关磁阻电机电流斩波控制装置，设定电流控制的上下限，当相电流超过上限时关断功率开关管，电流下降至下限以下导通功率开关管，使电流保持在电流滞环设定范围之内，从而降低开关磁阻电机电流脉动，降低电机转矩脉动，提高功率开关管的电流利用率从而降低斩波功率开关管的发热量。但是，该控制方法存在不足：

1)控制效果受限于开关管的最大开关频率。目前大功率SRM电驱系统应用中，多数采用数字控制，而开关管的最大开关频率受到开关器件本身电驱系统功率、可靠性等多因素掣肘而被限制。在有限的开关频率下，当电流变化速度达到一定限值之后，电流将会超调，控制性能下降。

中国发明专利申请公开说明书CN 1412935A于2003年4月23日公开的《开关磁阻电机的转速控制方法》，此发明是关于开关磁阻电机转速控制的方法，通过控制脉冲宽度调制信号的线型角及占空系数，达到对广域的电机转速的控制。其存在的不足包括：

1)占空比在相导通区间不能灵活变动。开关磁阻电机导通区间的前半段电感比较小，电流变化快，导通区间的后半段电感比较大，电流变化慢，所以如果在整个导通区间占空比保持不变，则电机的输出性能比较差。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法，此方法可以克服传统开关磁阻电机控制方法下达不到良好的电流跟踪效果这一缺点。本文提出的一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法能够较好的跟踪参考电流，进而减小转矩脉动

为了实现上述目标，本发明的技术方案为：一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法，包括如下步骤：

步骤1，开关磁阻电机导通区间分段划分

设m为电机相数，m≥3，λ为开关磁阻电机相序列号，λ＝1,2,…m，将m相开关磁阻电机导通相λ的导通区间划分为两段，其中第一段记为导通段S₁(λ)，S₁(λ):[θ_on(λ),θ_turn(λ)),第二段记为导通段S₂(λ)，S₂(λ):[θ_turn(λ),θ_off(λ))，其中，θ_on(λ)≤θ_turn(λ)≤θ_off(λ)，θ_on(λ)为导通相λ的开通角，θ_turn(λ)为导通相λ的电感特性曲线转折点，θ_off(λ)为导通相λ的关断角，导通相λ的电感记为L(λ)；

步骤2，获得占空比数组

将开关磁阻电机转速范围均分为G份，得到转速数组H，H＝{N_r|N_r＝r×p,r＝0,1…G},0≤N_r≤N_max，其中p为将开关磁阻电机转速范围均分的转速差，G为转速按照p差值均分得到的磁链份数，将转速数组H中的每一个转速定义为N_r，r为转速数组H中的每一个转速N_r按照从小到大排序所对应的转速序列号，r＝0,1,…G，N_max为开关磁阻电机所允许的最大转速；

将开关磁阻电机电流范围均分为L份，得到电流数组B，B＝{I_q|I_q＝q×u,q＝0,1…L},0≤I_q≤I_max，其中u为将开关磁阻电机电流范围均分的电流差，L为电流按照u差值均分得到的电流份数，将电流数组B中的每一个电流定义为I_q，q为电流数组B中的每一个电流I_q按照从小到大排序所对应的电流序列号，q＝0,1,…L，I_max为开关磁阻电机所允许的最大电流；

根据转速数组H和电流数组B仿真获取开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁和导通段S₂(λ)的占空比数组A₂，A₁＝{τ_r,q|r＝0,1,…G；

q＝0,1…L},A₂＝{τ'r,q|r＝0,1,…G；q＝0,1…L}，τ_r,q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₁(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比，τ'_r,q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₂(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比；

步骤3，获得最优占空比

根据开关磁阻电机运转时位置传感器采集得到导通相λ当前k时刻转子电角度θ(k)以及设定的当前k时刻电机的参考电流I_ref，使用步骤2中得到的转速数组H、电流数组B确定下一控制周期最优的占空比τ，其方法如下：

(1)确定当前k时刻电机转速n在步骤2中得到的转速数组H中所处的区间，即确定转速序列号r，使得N_r≤n<N_r+1；

(2)确定当前k时刻电机的参考电流I_ref在步骤2中得到的电流数组B中所处的区间，即确定电流序列号q，使得I_q≤I_ref<I_q+1；

(3)通过下式(1)计算得到下一控制周期最优占空比τ：

其中，τ_r,q，τ_r+1,q，τ_r,q+1，τ_r+1,q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁中的占空比，τ'_r,q，τ'_r+1,q，τ'_r,q+1，τ'_r+1,q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₂(λ)的占空比数组A₂中的占空比，r为(1)所确定的转速序列号，q为(2)所确定的电流序列号；

步骤4，驱动开关磁阻电机

将步骤3所确定的下一控制周期最优的占空比τ转成对应的PWM驱动信号，并实施对功率变换器的控制，进而控制开关磁阻电机。

本发明公开了一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法，此方法可以克服传统电流软斩波控制下电流脉动大的缺点，改善开关磁阻电机电流跟踪性能，为减小转矩脉动提供了一种新思路，其有益效果具体体现在：

1)本发明提出的开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法可以在有限的开关频率下，提高电流的跟踪性能，进而减小转矩脉动。

2)在对电机实际电流跟踪参考电流性能同样要求下，本文提出开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法可以大幅减低开关频率，减小开关管损耗，延长开关管寿命。

附图说明

图1为本发明所述控制方法对应的步骤流程图。

图2为传统电流软斩波控制方法在500r/min下的相电压和相电流实验波形。

图3为传统电流软斩波控制方法在1500r/min下的相电压和相电流实验波形。

图4为本发明所述控制方法在500r/min下的相电压和相电流实验波形。

图5为本发明所述控制方法在1500r/min下的相电压和相电流实验波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的实例提供了一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法，克服了传统电流软斩波控制下电流脉动大的缺点，改善开关磁阻电机电流跟踪性能，进而减小开关磁阻电机转矩脉动。

图1所示为实施本发明的一种控制方案。参见图1，实施本发明提出的一种开关磁阻电机分段PWM占空比控制方法的基本步骤如下：

步骤1，开关磁阻电机导通区间分段划分

设m为电机相数，m≥3，λ为开关磁阻电机相序列号，λ＝1,2,…m，将m相开关磁阻电机导通相λ的导通区间划分为两段，其中第一段记为导通段S₁(λ)，S₁(λ):[θ_on(λ),θ_turn(λ)),第二段记为导通段S₂(λ)，S₂(λ):[θ_turn(λ),θ_off(λ))。其中，θ_on(λ)≤θ_turn(λ)≤θ_off(λ)，θ_on(λ)为导通相λ的开通角，θ_turn(λ)为导通相λ的电感特性曲线转折点，θ_off(λ)为导通相λ的关断角，导通相λ的电感记为L(λ)。

步骤2，获得占空比数组

将开关磁阻电机转速范围均分为G份，得到转速数组H，H＝{N_r|N_r＝r×p,r＝0,1…G},0≤N_r≤N_max，其中p为将开关磁阻电机转速范围均分的转速差，G为转速按照p差值均分得到的磁链份数，将转速数组H中的每一个转速定义为N_r，r为转速数组H中的每一个转速N_r按照从小到大排序所对应的转速序列号，r＝0,1,…G，N_max为开关磁阻电机所允许的最大转速；

将开关磁阻电机电流范围均分为L份，得到电流数组B，B＝{I_q|I_q＝q×u,q＝0,1…L},0≤I_q≤I_max，其中u为将开关磁阻电机电流范围均分的电流差，L为电流按照u差值均分得到的电流份数，将电流数组B中的每一个电流定义为I_q，q为电流数组B中的每一个电流I_q按照从小到大排序所对应的电流序列号，q＝0,1,…L，I_max为开关磁阻电机所允许的最大电流；

根据转速数组H和电流数组B仿真获取开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁和导通段S₂(λ)的占空比数组A₂，A₁＝{τ_r,q|r＝0,1,…G；q＝0,1…L},A₂＝{τ'r,q|r＝0,1,…G；q＝0,1…L}，τ_r,q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₁(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比，τ'_r,q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₂(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比。

步骤3，获得最优占空比

根据开关磁阻电机运转时位置传感器采集得到导通相λ当前k时刻转子电角度θ(k)以及设定的当前k时刻电机的参考电流I_ref，使用步骤2中得到的转速数组H、电流数组B确定下一控制周期最优的占空比τ，其方法如下：

(1)确定当前k时刻电机转速n在步骤2中得到的转速数组H中所处的区间，即确定转速序列号r，使得N_r≤n<N_r+1；

(2)确定当前k时刻电机的参考电流I_ref在步骤2中得到的电流数组B中所处的区间，即确定电流序列号q，使得I_q≤I_ref<I_q+1；

(3)通过下式(1)计算得到下一控制周期最优占空比τ：

其中，τ_r,q，τ_r+1,q，τ_r,q+1，τ_r+1,q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁中的占空比，τ'_r,q，τ'_r+1,q，τ'_r,q+1，τ'_r+1,q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₂(λ)的占空比数组A₂中的占空比，r为(1)所确定的转速序列号，q为(2)所确定的电流序列号；

作为具体实例，步骤3中导通相λ当前k时刻转子电角度θ(k)通过旋转变压器获得。

步骤4，驱动开关磁阻电机

将步骤3所确定的下一控制周期最优的占空比τ转成对应的PWM驱动信号，并实施对功率变换器的控制，进而控制开关磁阻电机。

为了验证本发明的有效性，对本发明进行了实验验证。实验所用电机为35kW三相12/8极开关磁阻电机，电机额定转速为2000r/min，额定电流为115A，实验中电机电流的采样频率为9.6kHz。对拖电机为永磁电机，控制策略通过以TMS320F28335DSP为核心的控制板实现。试验中电机的开通角和关断角固定，参考电流I_ref均为115A，分别对传统电流软斩波控制方法和本发明所述控制方法进行了实验对比，图2为传统电流软斩波控制方法在500r/min下的相电压U和相电流I实验波形；图3为传统电流软斩波控制方法在1500r/min下的相电压U和相电流I实验波形；图4为本发明所述控制方法在500r/min下的相电压U和相电流I实验波形；图5为本发明所述控制方法在1500r/min下的相电压U和相电流I实验波形。对比图2、图3、图4和图5，采用传统电流软斩波控制方法下，导通区间的前半段电流脉动很大，后半段随着电感增加电流脉动减小，但是整体电流脉动比较大，而采用本发明所述控制方法在整个导通区间可以明显减小电流脉动。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机分段PWM占空比腔制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，开关磁阻电机导通区间分段划分

设m为电机相数，m≥3，λ为开关磁阻电机相序列号，λ＝1，2，...m，将m相开关磁阻电机导通相λ的导通区间划分为两段，其中第一段记为导通段S₁(λ)，导通段S₁(λ)表示开关磁阻电机导通相λ的角度从θ_on(λ)到θ_turn(λ)的角度区间，S₁(λ)＝[θ_on(λ)，θ_turn(λ))，第二段记为导通段S₂(λ)，导通段S₂(λ)表示开关磁阻电机导通相λ的角度从θ_turn(λ)到θ_off(λ)的角度区间，S₂(λ)＝[θ_turn(λ)，θ_off(λ))，其中，θ_on(λ)≤θ_turn(λ)≤θ_off(λ)，θ_on(λ)为导通相λ的开通角，θ_turn(λ)为导通相λ的电感特性曲线转折点，θ_off(λ)为导通相λ的关断角，导通相λ的电感记为L(λ)；

步骤2，获得占空比数组

将开关磁阻电机转速范围均分为G份，得到转速数组H，H={N_r|N_r＝r×p，r＝0，1…G}，0≤N_r≤N_max，其中p为将开关磁阻电机转速范围均分的转速差，G为转速按照p差值均分得到的磁链份数，将转速数组H中的每一个转速定义为N_r，r为转速数组H中的每一个转速N_r按照从小到大排序所对应的转速序列号，r＝0，1，...G，N_max为开关磁阻电机所允许的最大转速；

将开关磁阻电机电流范围均分为L份，得到电流数组B，B＝{I_q|I_q＝q×u，q＝0，1…L}，0≤I_q≤I_max，其中u为将开关磁阻电机电流范围均分的电流差，L为电流按照u差值均分得到的电流份数，将电流数组B中的每一个电流定义为I_q，q为电流数组B中的每一个电流I_q按照从小到大排序所对应的电流序列号，q＝0，1，...L，I_max为开关磁阻电机所允许的最大电流；

根据转速数组H和电流数组B仿真获取开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁和导通段S₂(λ)的占空比数组A₂，A₁＝{τ_r，q|r＝0，1，...G；

q＝0，1…L}，A₂＝{τ′r，q|r＝0，1，...G；q＝0，1…L}，τ_r，q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₁(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比，τ′_r，q为开关磁阻电机转速为N_r、参考电流为I_q时，导通段S₂(λ)内使电流脉动最小时对应的占空比；

步骤3，获得最优占空比

根据开关磁阻电机运转时位置传感器采集得到导通相λ当前k时刻转子电角度θ(k)以及设定的当前k时刻电机的参考电流I_ref，使用步骤2中得到的转速数组H、电流数组B确定下一控制周期最优的占空比τ，其方法如下：

(1)确定当前k时刻电机转速n在步骤2中得到的转速数组H中所处的区间，即确定转速序列号r，使得N_r≤n＜N_r+1；

(2)确定当前k时刻电机的参考电流I_ref在步骤2中得到的电流数组B中所处的区间，即确定电流序列号q，使得I_q≤I_ref＜I_q+1；

(3)通过下式(1)计算得到下一控制周期最优占空比τ：

其中，τ_r，q，τ_r+1，q，τ_r，q+1，τ_r+1，q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₁(λ)的占空比数组A₁中的占空比，τ′_r，q，τ′_r+1，q，τ′_r，q+1，τ′_r+1，q+1为步骤2得到的开关磁阻电机导通段S₂(λ)的占空比数组A₂中的占空比，r为(1)所确定的转速序列号，q为(2)所确定的电流序列号；

步骤4，驱动开关磁阻电机

将步骤3所确定的下一控制周期最优的占空比τ转成对应的PWM驱动信号，并实施对功率变换器的控制，进而控制开关磁阻电机。