CN108512465B - 一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的是一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，该方法包括低速段控制方法和高速段控制方法；所述低速段控制方法：在公共开关管Sac的栅极的驱动信号上增加死区时间，使关断相电流减小至零，完成换相过程;所述高速段控制方法：在公共开关管Sac的栅极之间的驱动信号上叠加PWM；叠加PWM的区间为从开通相出现开通信号开始到关断相绕组电流降为零为止。

Description

一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，属于开关磁阻电机技术领域。
背景技术
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，以下简称SR电机）是在上世纪八十年代出现的一种新型电机，由于 SRM 定转子均为凸极实心叠片结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组、永磁材料等结构，因此SR电机具有结构简单坚固、可控参数多，控制灵活，效率高、起动性能好等优点；上述优点使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。
增加开关磁阻电机的相数可以有效地减小转矩脉动、提高转矩密；但与三相开关磁阻电机系统相比，相数的增多将导致功率变换器中功率器件数量增多、电机本体绕组出线数增多、控制复杂、整体系统设计成本提高等问题。
SR电机采用的共上管功率拓扑，如图1所示，每两相构成一个模块，并采用三个开关管和三个二极管，是由SR电机中最常用的不对称半桥功率拓扑的基础上，将两相的两个上开关管合二为一，同时下开关管互补导通，从而减少了功率变换器的开关管数目；相比不对称半桥的功率拓扑使用的开关管减少了四分之一，节约系统成本并简化了系统；因其同一模块下的两相绕组处于互补导通的情况，并不需要同时使用公共的开关管，这样，在公共上开关管的型号、耐压、限流等参数选取上可以和下开关管相同；因此，共上管功率拓扑有着良好的各相独立性以及控制灵活性，得到了广泛的应用。
但由于共上管功率拓扑结构的特殊性，在换相区间内，由于SR电机低速时采用查询位置电平输出的模式，开通角以及关断角不可控，从而公共上开关管保持导通；公共上开关管的导通会使得关断相绕组处于零电压续流状态，影响关断相的相绕组电流下降，甚至出现换相失败的情况，电流拖尾最终会使得电机出力下降、效率降低，因此需要解决共上管功率变换器拓扑的换相困难问题。
发明内容
本发明提出的是一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其目的是针对使用有共上管功率变换器的开关磁阻电机，解决电机在续流阶段电流上升的问题，同时减小公共开关管的电流应力，提高整个电机系统的出力以及效率。
本发明的技术解决方案：一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，该方法包括低速段控制方法和高速段控制方法。
所述低速段控制方法：在公共开关管Sac的栅极的驱动信号上增加死区时间，使关断相电流减小至零，完成换相过程。
所述高速段控制方法：在公共开关管Sac的栅极之间的驱动信号上叠加PWM（脉冲宽度调制）以代替固定关断死区；叠加PWM的区间为从开通相出现开通信号开始到关断相的相绕组电流降为零为止。
本发明的有益效果：
1)解决了电机在续流阶段电流上升的问题；
2）减小了公共开关管的电流应力，提高了整个电机系统的出力以及效率；
3）在控制方法里增加了一个死区工作模态，就能有效地缓解开关磁阻电机共上管功率变换器拓扑的换相困难问题，同时提高了整个系统的出力以及效率；
4）使得共上管功率变换器拓扑的应用范围更广。
附图说明
附图1是SR电机采用的共上管功率拓扑示意图。
附图2是A相绕组的五种工作模态示意图。
附图3是低速段控制波形示意图。
附图4是高速段控制波形示意图。
附图5是SR电机定子齿极与转子齿极对齐时的示意图。
具体实施方式
一种开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，该方法包括低速段控制方法和高速段控制方法。
所述低速段控制方法：在低速段，在公共开关管Sac的栅极的驱动信号上增加死区时间，使关断相电流减小至零，完成换相过程；可以使关断相电流快速下降，避免出现负转矩；
所述低速段控制方法中死区时间长度由公式
Figure 617360DEST_PATH_IMAGE001
计算所得；其中，Toff为计算所得的死区时间长度，L表示电机转子转到某固定位置时所对应的绕组的电感值，所述固定位置是定子齿极与转子齿中心线对齐时电机转子所处的位置，如附图5所示；Imax为整个开关磁阻电机共上管功率变换器的电流限值，U为整个开关磁阻电机共上管功率变换器的电源电压值。
所述高速段控制方法：在高速段，在公共开关管Sac的栅极之间的驱动信号上叠加PWM（脉冲宽度调制信号）以代替固定关断死区；叠加PWM的区间为从开通相出现开通信号开始到关断相绕组电流降为零为止；作为优选，PWM的占空比选为50%，使得开通相的相绕组励磁速度与关断相的相绕组退磁速度保持一致；可以使开通相励磁的同时，对关断相进行退磁，使电流下降，避免出现负转矩。
所述低速段是指低于开关磁阻电机额定转速的转速部分。
所述高速段是指高于开关磁阻电机额定转速的转速部分。
所述开关磁阻电机的共上管功率变换器包括AC相模块和BD相模块；所述AC相模块和BD相模块工作方式类似。
所述AC相模块中包括A相绕组A， C相绕组C，公共上开关管Sac，A相绕组下开关管Sa，C相绕组下开关管Sc，AC相模块续流使用的公共二极管Dac，A相绕组单独使用的续流二极管Da，C相绕组单独使用的续流二极管Dc。
所述A相绕组与C相绕组相差电角度180度，且A相绕组与C相绕组各自的开通时间长度小于AC相模块工作周期的一半，即A、C两相绕组不会同时处于开通状态。
如附图2所示，所述AC相模块包括五种工作模态；工作模态一中：公共上开关管Sac与C相绕组下开关管Sc关断，A相绕组下开关管Sa开通：此时A相绕组电流经过A相绕组下开关管Sa与A相绕组续流使用的公共二极管Dac形成回路，处于自然续流状态；C相绕组电流经过AC相模块续流使用的公共二极管Dac、C相绕组单独使用的续流二极管Dc以及电源形成回路，C相绕组上承受反向电压，电流快速下降；工作模态二中：C相绕组下开关管Sc关断，公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa开通；此时A相绕组电流经过公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa形成回路，处于励磁状态，电流上升；C相绕组电流经过公共上开关管Sac、C相绕组单独使用的续流二极管Dc以及电源形成回路，处于自然续流状态、电流基本不变；工作模态三中：C相绕组下开关管Sc关断，公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa开通，与工作模态二相同，此时A相绕组电流快速上升；而C相绕组电流已变为零，无续流回路；工作模态四中：公共上开关管Sac、A相绕组下开关管Sa、C相绕组下开关管Sc均关断，此时A相绕组电流经过A相绕组单独使用的续流二极管Da、AC相模块续流使用的公共二极管Dac以及电源形成回路，A相绕组上承受反向电压，A相绕组电流快速下降；工作模态五中：公共上开关管Sac与C相绕组下开关管Sc关断，A相绕组下开关管Sa开通，此时A相绕组电流经过A相绕组下开关管Sa与AC相模块续流使用的公共二极管Dac形成回路，处于自然续流状态，此工作模态为斩波模式中的斩单管状态；
所述共上管功率变换器的所有工作模态中，BD相模块的工作模态与AC相模块一致；所述BD相模块包括B相绕组B， D相绕组D，BD相模块中的公共上开关管Sbd，B相绕组下开关管Sb， D相绕组下开关管Sd，BD相模块续流使用的公共二极管Dbd， B相绕组单独使用的续流二极管Db， D相绕组单独使用的续流二极管Dd；BD相模块中的B相绕组B， D相绕组D， BD相模块中的公共上开关管Sbd， B相绕组下开关管Sb， D相绕组下开关管Sd，续流使用的公共二极管Dbd， b相绕组单独使用的续流二极管Db， D相绕组单独使用的续流二极管Dd分别与AC相模块中的A相绕组A，C相绕组C，公共上开关管Sac，A相绕组下开关管Sa，C相绕组下开关管Sc，AC相模块续流使用的公共二极管Dac，A相绕组单独使用的续流二极管Da，C相绕组单独使用的续流二极管Dc所起的作用相一致。
附图3为本发明提出的低速段控制的波形示意图，其中Sac-Drive为公共上开关管Sac的栅极的驱动信号并包含了A相绕组和C相绕组的斩波信号，Sa-Drive为A相绕组下开关管Sa的栅极的驱动信号，Sc-Drive为C相绕组下开关管Sc的栅极的驱动信号，Ia为A相绕组的电流（对应图中Sa-Drive/Ia对应的锯齿波），Ic为C相绕组的电流（对应图中Sc-Drive/Ic对应的锯齿波）；所述低速段控制方法中对于A相绕组的工作区间分为1、2、3阶段；第1阶段为增加的死区时间，其时间t由电机参数以及关断相绕组电流计算而来；在死区时间内，通过延迟A相绕组的导通时刻，使C相绕组关断并工作在工作模态四中；死区时间内，通过将公共上开关管Sac、C相绕组下开关管Sc关断，使C相绕组电流快速下降，完成整个续流过程；第2阶段为A相绕组正常工作区间，附图2中Sac-Drive为斩波信号，A相绕组在工作模态三及工作模态五之间切换，使A相绕组的电流保持在一定值，不会过大；第3阶段为A相绕组关断时的死区时间,A相绕组工作在工作模态四，使得A相绕组电流快速下降，完成换相。
附图4为本发明提出的高速段控制波形示意图，其中Sac-Drive为公共上开关管Sac的栅极的驱动信号，Sa-Drive为A相绕组下开关管Sa的栅极的驱动信号，Sc-Drive为C相绕组下开关管Sc的栅极的驱动信号，Ia为A相绕组的电流，Ic为C相绕组的电流；所述高速段控制方法中，保持A相绕组与C相绕组驱动信号相差电角度为180度，且两相工作情况对称；所述A相绕组整个工作区间分为1、2、3、4阶段，在其中第1阶段时，在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号；在PWM作用期间，整个模块，在工作模态一以及工作模态二之间切换，A相绕组工作在励磁状态以及自然续流状态，绕组电流缓慢上升；C相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使续流电流快速下降，帮助换相；第2阶段时，公共上开关管Sac及A相绕组下开关管Sa导通、C相绕组下开关管Sc关断，AC相模块工作在工作模态三，此时C相绕组电流已降为零，停止在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号，A相绕组完全工作在励磁状态，电流快速上升，提高电机出力；在第3阶段，公共上开关管Sac、A相绕组下开关管Sa、C相绕组下开关管Sc均关断，AC相模块工作在工作模态四，电机转子已退出出力位置，A相绕组工作在退磁状态，电流快速下降；第4阶段，与第1阶段类似，C相绕组工作在励磁以及自然续流状态，绕组磁链缓慢上升；A相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使A相绕组的续流电流快速下降，帮助换相，这几个阶段循环构成了一个模块的工作周期。
附图5为开关磁阻电机旋转到定子齿与转子齿对齐位置时的电机截面示意图，STATOR为电机定子，ROTOR为电机转子，WINDING为电机绕组；电机转子以电机中心为轴按箭头方向转动，当转到如图所示位置，定子齿中心线与转子齿中心线对齐位置时，可以得到绕组电感值L，用于公式
Figure 684674DEST_PATH_IMAGE001
来计算低速段控制方法中死区时间长度。
本发明在公共上开关管的导通区间内增加关断时间，而下开关管的控制不变，从而增加绕组的等效退磁时间，加速换相过程。
本发明优选适用于偶数相开关磁阻电机功率变换器。
实施例
本实施例是将本发明应用在四相8/6式开关磁阻电机的驱动系统中，形成一种四相8/6式开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
所述四相8/6式开关磁阻电机驱动系统结构8/6极开关磁阻电机，四相共上管功率变换器，位置传感器，控制器。
如附图1所示，所述四相共上管功率变换器包括两个模块：两个模块分别为AC相模块和BD相模块；所述AC相模块和BD相模块工作方式类似。
以其中的AC相模块为例，分析AC相模块的工作模态：A为A相绕组，C为C相绕组，Sac为公共上开关管，Sa为A相绕组下开关管，Sc为C相绕组下开关管，Dac为续流使用的公共二极管，Da为A相绕组单独使用的续流二极管，Dc为C相绕组单独使用的续流二极管；其中，A相绕组与C相绕组相差电角度180度，且开通周期小于半周期，即A、C两相绕组不会同时处于开通状态；这样对于A相绕组的工作模态就可以归为五种，如附图2所示；工作模态一中：Sac与Sc关断，Sa开通：此时A相绕组电流经过Sa与Dac形成回路，处于自然续流状态；C相绕组电流经过Dac、Dc以及电源形成回路，C相绕组上承受反向电压，电流快速下降；工作模态二中：Sc关断，Sac与Sa开通；此时A相绕组电流经过Sac与Sa形成回路，处于励磁状态，电流上升；C相绕组电流经过Sac、Dc以及电源形成回路，处于自然续流状态、电流基本不变；工作模态三中：Sc关断，Sac与Sa开通，与模态二相同，此时A相绕组电流快速上升；而C相绕组电流已变为零，无续流回路；工作模态四中：Sac、Sa、Sc均关断，此时A相绕组电流经过Da、Dac以及电源形成回路，A相绕组上承受反向电压，A相绕组电流快速下降；工作模态五中：Sac与Sc关断，Sa开通，此时A相绕组电流经过Sa与Dac形成回路，处于自然续流状态，此工作模态为斩波模式中的斩单管状态；
所述为单个功率变换器拓扑AC相模块的所有工作模态中，BD相模块的工作模态与AC相模块一致；BD相模块中的B为B相绕组，D为D相绕组，Sbd为BD相模块中的公共上开关管，Sb为B相绕组下开关管，Sd为D相绕组下开关管，Dbd为续流使用的公共二极管，Db为b相绕组单独使用的续流二极管，Dd为D相绕组单独使用的续流二极管；BD相模块中的B，D，Sbd，Sb，Sd，Dbd，Db，Dd 分别与AC相模块中A，C，Sac，Sa，Sc，Dac，Da，Dc所起的作用相一致。
附图3为本发明提出的低速段控制的波形示意图，其中Sac-Drive为公共上开关管Sac的栅极的驱动信号并包含了AC两相的斩波信号，Sa-Drive为A相绕组下开关管Sa的栅极的驱动信号，Sc-Drive为C相绕组下开关管Sc的栅极的驱动信号，Ia为A相绕组的电流（对应图中Sa-Drive/Ia对应的锯齿波），Ic为C相绕组的电流（对应图中Sc-Drive/Ic对应的锯齿波）；对于A相绕组的工作区间，可分为1、2、3阶段；第1阶段为增加的死区时间，其时间t由电机参数以及关断相绕组电流计算而来；在死区时间内，通过延迟A相绕组的导通时刻，使C相绕组关断并工作在工作模态四中；死区时间内，通过将公共上开关管Sac、C相绕组下开关管Sc关断，使C相绕组电流快速下降，完成整个续流过程；第2阶段为A相绕组正常工作区间，附图2中Sac-Drive为斩波信号，A相绕组在工作模态三及工作模态五之间切换，使A相绕组的电流保持在一定值，不会过大；第3阶段为A相绕组关断时的死区时间,A相绕组工作在工作模态四，使得A相绕组电流快速下降，完成换相。
附图4为本发明提出的高速段控制波形示意图，其中Sac-Drive为公共上开关管Sac的栅极的驱动信号，Sa-Drive为A相绕组下开关管Sa的栅极的驱动信号，Sc-Drive为C相绕组下开关管Sc的栅极的驱动信号，Ia为A相绕组的电流，Ic为C相绕组的电流；同一模块控制的A相绕组与C相绕组驱动信号相差电角度180度，且两相工作情况对称；以A相绕组工作区间为例，将A相整个工作区间分为1、2、3、4阶段，在其中第1阶段时，在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号；在PWM作用期间，整个模块，在工作模态一以及工作模态二之间切换，如附图4中所示，A相绕组工作在励磁状态以及自然续流状态，绕组电流缓慢上升；C相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使续流电流快速下降，帮助换相；第2阶段时，公共上开关管Sac及Sa导通，Sc关断，AC相模块工作在工作模态三，此时C相绕组电流已降为零，停止在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号，A相绕组完全工作在励磁状态，电流快速上升，提高电机出力；在第3阶段，Sac、Sa、Sc均关断，AC相模块工作在工作模态四，电机转子已退出出力位置，A相绕组工作在退磁状态，电流快速下降；第4阶段，与第1阶段类似，C相绕组工作在励磁以及自然续流状态，绕组磁链缓慢上升；A相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使A相绕组的续流电流快速下降，帮助换相，这几个阶段循环构成了一个模块的工作周期。

Claims (6)

1.开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是该方法包括低速段控制方法和高速段控制方法；所述开关磁阻电机的共上管功率变换器包括AC相模块和BD相模块；
所述AC相模块中包括A相绕组A， C相绕组C，公共上开关管Sac，A相绕组下开关管Sa，C相绕组下开关管Sc，AC相模块续流使用的公共二极管Dac，A相绕组单独使用的续流二极管Da，C相绕组单独使用的续流二极管Dc；
所述AC相模块包括五种工作模态；
a) 工作模态一：公共上开关管Sac与C相绕组下开关管Sc关断，A相绕组下开关管Sa开通：此时A相绕组电流经过A相绕组下开关管Sa与A相绕组续流使用的公共二极管Dac形成回路，处于自然续流状态；C相绕组电流经过AC相模块续流使用的公共二极管Dac、C相绕组单独使用的续流二极管Dc以及电源形成回路，C相绕组上承受反向电压，电流快速下降；
b) 工作模态二：C相绕组下开关管Sc关断，公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa开通；此时A相绕组电流经过公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa形成回路，处于励磁状态，电流上升；C相绕组电流经过公共上开关管Sac、C相绕组单独使用的续流二极管Dc以及电源形成回路，处于自然续流状态、电流基本不变；
c) 工作模态三：C相绕组下开关管Sc关断，公共上开关管Sac与A相绕组下开关管Sa开通，与工作模态二相同，此时A相绕组电流快速上升；而C相绕组电流已变为零，无续流回路；
d) 工作模态四：公共上开关管Sac、A相绕组下开关管Sa、C相绕组下开关管Sc均关断，此时A相绕组电流经过A相绕组单独使用的续流二极管Da、AC相模块续流使用的公共二极管Dac以及电源形成回路，A相绕组上承受反向电压，A相绕组电流快速下降；
e) 工作模态五：公共上开关管Sac与C相绕组下开关管Sc关断，A相绕组下开关管Sa开通，此时A相绕组电流经过A相绕组下开关管Sa与AC相模块续流使用的公共二极管Dac形成回路，处于自然续流状态，此工作模态为斩波模式中的斩单管状态；
所述低速段控制方法中对于A相绕组的工作区间分为1、2、3阶段；第1阶段为增加的死区时间，其时间t由电机参数以及关断相绕组电流计算而来；在死区时间内，通过延迟A相绕组的导通时刻，使C相绕组关断并工作在工作模态四中；死区时间内，通过将公共上开关管Sac、C相绕组下开关管Sc关断，使C相绕组电流快速下降，完成整个续流过程；第2阶段为A相绕组正常工作区间，A相绕组在工作模态三及工作模态五之间切换，使A相绕组的电流保持在一定值，不会过大；第3阶段为A相绕组关断时的死区时间,A相绕组工作在工作模态四，使得A相绕组电流快速下降，完成换相；
所述高速段控制方法中，保持A相绕组与C相绕组驱动信号相差电角度为180度，且两相工作情况对称；所述A相绕组整个工作区间分为1、2、3、4阶段，在其中第1阶段时，在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号；在PWM作用期间，整个模块，在工作模态一以及工作模态二之间切换，A相绕组工作在励磁状态以及自然续流状态，绕组电流缓慢上升；C相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使续流电流快速下降，帮助换相；第2阶段时，公共上开关管Sac及A相绕组下开关管Sa导通、C相绕组下开关管Sc关断，AC相模块工作在工作模态三，此时C相绕组电流已降为零，停止在公共上开关管Sac的栅极的驱动信号上叠加PWM信号，A相绕组完全工作在励磁状态，电流快速上升，提高电机出力；在第3阶段，公共上开关管Sac、A相绕组下开关管Sa、C相绕组下开关管Sc均关断，AC相模块工作在工作模态四，电机转子已退出出力位置，A相绕组工作在退磁状态，电流快速下降；第4阶段，与第1阶段类似，C相绕组工作在励磁以及自然续流状态，绕组磁链缓慢上升；A相绕组工作在自然续流以及退磁状态，使A相绕组的续流电流快速下降，帮助换相，这几个阶段循环构成了一个模块的工作周期。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是所述低速段控制方法：在低速段，在公共开关管Sac的栅极的驱动信号上增加死区时间，使关断相电流减小至零，完成换相过程。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是所述低速段控制方法中死区时间长度由公式
Figure 47750DEST_PATH_IMAGE001
计算所得；其中，Toff为计算所得的死区时间长度，L表示电机转子转到某固定位置时所对应的绕组的电感值，所述固定位置是定子齿极与转子齿中心线对齐时电机转子所处的位置；Imax为整个开关磁阻电机共上管功率变换器的电流限值，U为整个开关磁阻电机共上管功率变换器的电源电压值。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是所述高速段控制方法：在高速段，在公共开关管Sac的栅极之间的驱动信号上叠加PWM；叠加PWM的区间为从开通相出现开通信号开始到关断相绕组电流降为零为止。
5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是所述PWM的占空比选为50%，使得开通相的相绕组励磁速度与关断相的相绕组退磁速度保持一致。
6.根据权利要求1所述的开关磁阻电机共上管功率变换器快速换相的控制方法，其特征是所述共上管功率变换器的所有工作模态中，BD相模块的工作模态与AC相模块一致；所述BD相模块包括B相绕组B，D相绕组D，BD相模块中的公共上开关管Sbd，B相绕组下开关管Sb，D相绕组下开关管Sd，BD相模块续流使用的公共二极管Dbd，B相绕组单独使用的续流二极管Db，D相绕组单独使用的续流二极管Dd；BD相模块中的B相绕组B，D相绕组D，BD相模块中的公共上开关管Sbd，B相绕组下开关管Sb，D相绕组下开关管Sd，续流使用的公共二极管Dbd，b相绕组单独使用的续流二极管Db，D相绕组单独使用的续流二极管Dd分别与AC相模块中的A相绕组A，C相绕组C，公共上开关管Sac，A相绕组下开关管Sa，C相绕组下开关管Sc，AC相模块续流使用的公共二极管Dac，A相绕组单独使用的续流二极管Da，C相绕组单独使用的续流二极管Dc所起的作用相一致。
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