CN108768241A - 一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率最优；与此同时，功率闭环调节电流参考值，最终实现系统在全速范围内以最优效率输出目标功率。本发明不依赖电机数学模型与参数，通过在线迭代励磁参数，提高了优化精度，同时依据转速和目标功率动态调节优化区间，优化速度快，效果好，工程应用价值良好，具有广泛的应用前景。

Description

一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机效率优化方法，尤其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

为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率最优；与此同时，功率闭环调节电流参考值，最终实现系统在全速范围内以最优效率输出目标功率。

进一步的，所述根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角是指：将关断角设置在最优值并保持不变，通过两个阶段来优化开通角，第一阶段，根据目标功率和转速，由公式

计算出开通角拟合值，以开通角拟合值为中心，构建开通角优化区间为[θinit –N/2 ,θinit +N/2]，式中：θ _init 是开通角拟合值，P _ref 为目标功率，P _N 为额定功率，P _pu 为功率标幺值，n为转速，n _N 为额定转速，n _pu 为转速标幺值，a、b、c、d是多项式系数，N为初始优化区间的长度；

第二阶段，在开通角优化区间内，采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率不断增加。

更进一步的，所述根据目标功率和转速确定开通角优化区间，当电机的转速和目标功率变化较小时，对效率优化法进行改进，引入转速和目标功率观测器，开通角拟合值的变化量不超过初始优化区间的长度，则同样以开通角拟合值为中心，以上一稳定状态下的最优效率开通角为优化区间首部或尾部，构造相对较短的开通角优化区间，从而缩短优化过程；若转速和目标功率变化较大时，即开通角拟合值的变化量超过初始优化区间的长度，则重复开通角优化的第一阶段和第二阶段。

进一步的，所述功率闭环调节电流参考值是指：当功率闭环控制达到稳定后，启动效率优化法，若前后两个稳定状态下机械功率的变化量超过某一阈值时，系统继续按照黄金分割寻优策略输出开通角；若前后两个稳定状态下机械功率的变化量不超过某一阈值时，即系统已运行于效率相对较优值，停止优化并将前后两个稳定状态下开通角的平均值作为此工况下的最优效率开通角。

进一步的，所述开关磁阻电机系统，当开关磁阻电机中低速运行时，对中低速斩波模式的关断角进行优化，测量并得到系统在不同工况下的输出功率和电效率的数据，通过分析数据获得最优关断角，实现输出功率与效率之间的均衡优化；当开关磁阻电机高速运行时，为增加绕组导通区间，采用角度位置控制，即将开通角或关断角设置在最优值，调节关断角或开通角来实现控制目标；在全速范围内采用电流斩波控制实现功率闭环，即目标功率与功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值，与相电流比较，产生滞环控制信号。

更进一步的，所述对中低速斩波模式的关断角进行优化是指：当开关磁阻电机中低速运行时，为限制相电流的幅值，采用电流斩波控制，即将开通角和关断角设置在最优值，通过调节电流参考值，使开关磁阻电机系统的输出电压或功率跟随目标值的变化而变化。

更进一步的，所述确定开通角优化区间的步骤如下：

A、检测P _ref 和n是否发生变化，若发生变化则执行步骤B，否则继续执行步骤D~L；

B、根据公式计算出开通角拟合值θ _init ，并以此为中心构造开通角优化区间为[θ _L ,θ _R ]，其中θ _L =θinit-N/2，θ _R =θinit+N/2；

C、在优化区间[θ _L θ _R ]内插入两点θ ₁，θ ₂，θ ₁=θ _L +0.382×(θ _R -θ _L )，θ ₂=θ _L +0.618×(θ _R -θ _L )；

D、若|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ _R +θ _L )，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤E；

E、将开通角设置为θ ₁，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值；

F、若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤G，否则继续执行步骤F；

G、计算并保存系统效率为η ₁；

H、将开通角设置为θ ₂，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值；

I、若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤J，否则继续执行步骤I；

J、计算并保存系统效率为η ₂；

K、若|η ₁-η ₂|≤η _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ ₂+θ ₁)，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤L；

L、若η ₁≥η ₂，则更新搜索区间为[θ _L , θ ₂]，将θ ₂赋于θ _R ，否则更新搜索区间为[θ ₁ ,θ _R ]，将θ ₁赋予θ _L ，执行步骤D；

其中步骤D~L为黄金分割优化算法，若黄金分割优化算法执行完成，即|η ₁-η ₂|≤η _ε 或|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则系统完成此工况下的开通角优化，停止迭代开通角，执行步骤A，等待系统运行工况的变化。

本发明的有益效果是：不依赖电机数学模型与参数，通过在线迭代励磁参数，提高了优化精度，同时依据转速和目标功率动态调节优化区间，优化速度快，效果好，工程应用价值良好，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。

图1是本发明开关磁阻电机系统的构成原理图；

图2是本发明不同工况下离线最优效率开通角图；

图3是本发明不同工况下离线最优效率开通角拟合结果图；

图4是本发明离线最优效率开通角随目标功率变化曲线图；

图5是本发明离线最优效率开通角随转速变化曲线图；

图6是本发明宽转速范围效率优化控制方案示意图；

图7是本发明宽转速范围效率优化控制流程图；

图8是本发明黄金分割法流程图。

具体实施方式

一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率最优；与此同时，功率闭环调节电流参考值，最终实现系统在全速范围内以最优效率输出目标功率。

根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角是指：将关断角设置在最优值并保持不变，通过两个阶段来优化开通角，第一阶段，根据目标功率和转速，由公式

计算出开通角拟合值，以开通角拟合值为中心，构建开通角优化区间为[θinit –N/2 ,θinit +N/2]，式中：θ _init 是开通角拟合值，P _ref 为目标功率，P _N 为额定功率，P _pu 为功率标幺值，n为转速，n _N 为额定转速，n _pu 为转速标幺值，a、b、c、d是多项式系数，N为初始优化区间的长度；

第二阶段，在开通角优化区间内，采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率不断增加。

根据目标功率和转速确定开通角优化区间，当电机的转速和目标功率变化较小时，对效率优化法进行改进，引入转速和目标功率观测器，开通角拟合值的变化量不超过初始优化区间的长度，则同样以开通角拟合值为中心，以上一稳定状态下的最优效率开通角为优化区间首部或尾部，构造相对较短的开通角优化区间，从而缩短优化过程；若转速和目标功率变化较大时，即开通角拟合值的变化量超过初始优化区间的长度，则重复开通角优化的第一阶段和第二阶段。

所述功率闭环调节电流参考值是指：当功率闭环控制达到稳定后，启动效率优化法，若前后两个稳定状态下机械功率的变化量超过某一阈值时，系统继续按照黄金分割寻优策略输出开通角；若前后两个稳定状态下机械功率的变化量不超过某一阈值时，即系统已运行于效率相对较优值，停止优化并将前后两个稳定状态下开通角的平均值作为此工况下的最优效率开通角。

所述开关磁阻电机系统，对中低速斩波模式的关断角进行优化，当电机运行于中低速斩波模式时，测量并得到系统在不同工况下的输出功率和电效率的数据，通过分析数据获得最优关断角，实现输出功率与效率之间的均衡优化；而开关磁阻电机高速运行时，为增加绕组导通区间，采用角度位置控制，即将开通角或关断角设置在最优值，调节关断角或开通角来实现控制目标；在全速范围内采用电流斩波控制实现功率闭环，即目标功率与功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值，与相电流比较，产生滞环控制信号。

所述对中低速斩波模式的关断角进行优化是指：当开关磁阻电机中低速运行时，为限制相电流的幅值，采用电流斩波控制，即将开通角和关断角设置在最优值，通过调节电流参考值，使开关磁阻电机系统的输出电压或功率跟随目标值的变化而变化。

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（SRG）、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励磁，在续流阶段相绕组通过功率变换器回馈能量给负载，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、输出电压给定等）、物理量（转子位置信号、相电压、相电流、输出电压、励磁电流、续流电流等），按照某种控制策略综合处理、控制主开关管的开通与关断，从而实现开关磁阻电机系统的高效运行。

开关磁阻电机为三相12/8结构，以TI高性能浮点DSP（TMS320F28335）作为主控制芯片，完成AD采样、相绕组换向、功率闭环、效率优化算法等；功率变换器拓扑为自励模式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i _e 和续流电流i _g ，同时安装电压传感器测量输出电压U _g ，则系统功率P _out =U _g ×(I _g -I _e )，其中I _g 是续流电流i _g 的有效值，I _e 是励磁电流i _e 的有效值。

1、励磁参数优化建模

设置开关磁阻电机的关断角为36^°，转速以100r/min为间隔从500r/min变化到1200r/min、目标功率以50W为间隔从100kW变化到500W、开通角以0.5^°为间隔从10^°变化到25^°，进行功率闭环实验并记录电机系统在不同转速下输出不同目标功率所对应的离线最优效率开通角，实验结果如图2所示。可以看出，不同工况下的离线最优效率开通角从11.5^°变化到22^°，变化趋势很明显。此外随着转速和目标功率的增加，离线最优效率开通角提前，这是由于转速的增加，励磁时间缩短，需要提前开通角增加励磁时间；同样随着目标功率的增加，励磁强度需求也增加，因此需要提前开通角来满足励磁需求。

根据图4、5所示，表明离线最优效率开通角与转速及目标功率呈负相关特性，同时考虑到转速和目标功率变化范围较大，而离线最优效率开通角变化范围相对较小，因此采用反比例函数和标幺值来构建离线最优效率开通角与转速及目标功率之间的函数，

如式（1）所示，以离线最优效率开通角的拟合值为中心，为寻优算法构造较短的优化区间。

（1）

式中，θ _init 是开通角拟合值，P _ref 为目标功率，P _N 为额定功率，P _pu 为功率标幺值，n为转速，n _N 为额定转速，n _pu 为转速标幺值，a、b、c、d是多项式系数，N为初始优化区间的长度。

采用最小二乘法进行曲线拟合，得到系数a=-2.556、b=4.185、c=0.5004、d=15.87，拟合结果如图3所示，表明拟合结果与实验结果基本吻合。

2、宽转速范围效率优化控制

开关磁阻电机宽转速范围效率优化控制方案如图6所示。初始值计算模块的输入为目标功率和转速，输出为开通角拟合值；电磁功率估算模块的输入为转速、相电压和相电流，输出为电磁功率。在系统运行过程中，控制器根据输出电压、励磁电流和续流电流计算出系统功率，作为功率闭环控制的负反馈，而功率闭环输出的电流参考值与相电流比较，产生滞环控制信号。在功率闭环达到稳定后启动效率优化法，其根据输入的开通角拟合值和电磁功率，按照黄金分割寻优策略，输出最优开通角。最优开通角与最优关断角经过角度控制模块输出位置控制信号，该信号与滞环控制信号相与后作为功率变换器主开关器件的门极信号。若系统的转速和目标功率发生变化，则重新确定开通角优化区间，再次启动效率优化法，输出最优开通角。宽转速范围效率优化步骤如下：

A、检测P _ref 和n是否发生变化，若发生变化则执行步骤B，否则继续执行步骤D~L。

B、 根据式（1）计算出开通角拟合值θ _init ，并以此为中心构造开通角优化区间为[θ _L , θ _R ]，其中θ _L =θinit-N/2，θ _R =θinit+N/2。

C、 在优化区间[θ _L θ _R ]内插入两点θ ₁，θ ₂，θ ₁=θ _L +0.382×(θ _R -θ _L )，θ ₂=θ _L +0.618×(θ _R -θ _L )。

D、 若|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ _R +θ _L )，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤E。

E、 将开通角设置为θ ₁，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值。

F、 若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤G，否则继续执行步骤F。

G、 计算并保存系统效率为η ₁。

H、 将开通角设置为θ ₂，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值。

I、 若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤J，否则继续执行步骤I。

J、 计算并保存系统效率为η ₂。

K、 若|η ₁-η ₂|≤η _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ ₂+θ ₁)，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤L。

L、 若η ₁≥η ₂，则更新搜索区间为[θ _L , θ ₂]，将θ ₂赋于θ _R ，否则更新搜索区间为[θ ₁, θ _R ]，将θ ₁赋予θ _L ，执行步骤D。

其中步骤D~L为黄金分割优化算法，若黄金分割优化算法执行完成，即|η ₁-η ₂|≤η _ε 或|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则系统完成此工况下的开通角优化，停止迭代开通角，执行步骤A，等待系统运行工况的变化。宽转速范围效率优化控制流程如图7、8所示。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率最优；与此同时，功率闭环调节电流参考值，最终实现系统在全速范围内以最优效率输出目标功率。

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：所述根据目标功率和转速确定开通角优化区间，在开通角优化区间内采用黄金分割法迭代调节开通角是指：将关断角设置在最优值并保持不变，通过两个阶段来优化开通角，第一阶段，根据目标功率和转速，由公式

计算出开通角拟合值，以开通角拟合值为中心，构建开通角优化区间为[θinit –N/2 ,θinit +N/2]，式中：θ _init 是开通角拟合值，P _ref 为目标功率，P _N 为额定功率，P _pu 为功率标幺值，n为转速，n _N 为额定转速，n _pu 为转速标幺值，a、b、c、d是多项式系数，N为初始优化区间的长度；

第二阶段，在开通角优化区间内，采用黄金分割法迭代调节开通角，使系统的效率不断增加。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：所述根据目标功率和转速确定开通角优化区间，当电机的转速和目标功率变化较小时，对效率优化法进行改进，引入转速和目标功率观测器，开通角拟合值的变化量不超过初始优化区间的长度，则同样以开通角拟合值为中心，以上一稳定状态下的最优效率开通角为优化区间首部或尾部，构造相对较短的开通角优化区间，从而缩短优化过程；若转速和目标功率变化较大时，即开通角拟合值的变化量超过初始优化区间的长度，则重复开通角优化的第一阶段和第二阶段。

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：所述功率闭环调节电流参考值是指：当功率闭环控制达到稳定后，启动效率优化法，若前后两个稳定状态下机械功率的变化量超过某一阈值时，系统继续按照黄金分割寻优策略输出开通角；若前后两个稳定状态下机械功率的变化量不超过某一阈值时，即系统已运行于效率相对较优值，停止优化并将前后两个稳定状态下开通角的平均值作为此工况下的最优效率开通角。

5.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：所述开关磁阻电机系统，当开关磁阻电机中低速运行时，对中低速斩波模式的关断角进行优化，测量并得到系统在不同工况下的输出功率和电效率的数据，通过分析数据获得最优关断角，实现输出功率与效率之间的均衡优化；当开关磁阻电机高速运行时，为增加绕组导通区间，采用角度位置控制，即将开通角或关断角设置在最优值，调节关断角或开通角来实现控制目标；在全速范围内采用电流斩波控制实现功率闭环，即目标功率与功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值，与相电流比较，产生滞环控制信号。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：所述对中低速斩波模式的关断角进行优化是指：当开关磁阻电机中低速运行时，为限制相电流的幅值，采用电流斩波控制，即将开通角和关断角设置在最优值，通过调节电流参考值，使开关磁阻电机系统的输出电压或功率跟随目标值的变化而变化。

7.根据权利要求2所述的开关磁阻电机系统效率优化控制方法，其特征在于：所述确定开通角优化区间的步骤如下：

A、检测P _ref 和n是否发生变化，若发生变化则执行步骤B，否则继续执行步骤D~L；

B、根据公式计算出开通角拟合值θ _init ，并以此为中心构造开通角优化区间为[θ _L ,θ _R ]，其中θ _L =θinit-N/2，θ _R =θinit+N/2；

C、在优化区间[θ _L θ _R ]内插入两点θ ₁，θ ₂，θ ₁=θ _L +0.382×(θ _R -θ _L )，θ ₂=θ _L +0.618×(θ _R -θ _L )；

D、若|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ _R +θ _L )，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤E；

E、将开通角设置为θ ₁，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值；

F、若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤G，否则继续执行步骤F；

G、计算并保存系统效率为η ₁；

H、将开通角设置为θ ₂，关断角设置在最优值，功率闭环调节电流参考值；

I、若功率闭环控制达到稳定，即|P _ref -P _out |≤P _ε ，执行步骤J，否则继续执行步骤I；

J、计算并保存系统效率为η ₂；

K、若|η ₁-η ₂|≤η _ε ，则最优效率开通角θ _opt 为0.5×(θ ₂+θ ₁)，将开通角设置为θ _opt ，执行步骤A，否则执行步骤L；

L、若η ₁≥η ₂，则更新搜索区间为[θ _L , θ ₂]，将θ ₂赋于θ _R ，否则更新搜索区间为[θ ₁ , θ _R ]，将θ ₁赋予θ _L ，执行步骤D；

其中步骤D~L为黄金分割优化算法，若黄金分割优化算法执行完成，即|η ₁-η ₂|≤η _ε 或|θ _R -θ _L |≤θ _ε ，则系统完成此工况下的开通角优化，停止迭代开通角，执行步骤A，等待系统运行工况的变化。