CN109257000B - 一种开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法，调速控制系统主要由转速调节器、电流斩波控制器、电压PWM控制器、角度位置控制器、比较选择器①②、周期占空比计算环节以及三个常数寄存器组成，根据电机转速，比较选择器①进行电流斩波控制器和电压PWM控制器之间的切换，周期占空比计算环节计算切换时刻电流斩波信号一个电气周期内的占空比作为电压PWM控制器的初始占空比；根据电压PWM控制器的占空比大小，比较选择器②进行电压PWM控制器和角度位置控制器的切换，两种切换方式实现了电机在加速、减速、匀速运行时不同控制方式之间的自动切换以及全速范围内的平滑调速，不受电机工况变化的影响，提高了系统运行的稳定性，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机调速控制方法，尤其是适用于各种结构、各种相数的开关磁阻电机宽转速范围内的速度控制。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低，起动转矩大而起动电流小，系统效率高，故障容错能力强，调速范围宽，相比其他电机，特别适用于高速、高温、强振动等恶劣环境，开关磁阻电机控制方式简单灵活，通过调节电流斩波限值、PWM占空比、开通角和关断角，能够实现宽转速范围下的多种速度控制方式，但不同速度控制方式适用的转速段不同，通常低速段采用电流斩波控制，中速段采用电压PWM控制，高速段采用角度位置控制，由于三种控制方式的控制量不同，而电机工况复杂多变，仅以转速作为三种控制方式的切换标志，容易造成电机转速或转矩的波动，降低系统运行的稳定性，为了提高开关磁阻电机的调速性能，有必要研究一种能够实现电流斩波控制、电压PWM控制、角度位置控制在全速范围内无缝切换的调速控制方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够实现电流斩波控制、电压PWM控制、角度位置控制在宽转速范围内加、减速以及匀速时无缝切换的混合调速控制方法。

本发明的开关磁阻电机宽调速范围混合调速控制方法，调速控制系统主要由转速调节器、电流斩波控制器、电压PWM控制器、角度位置控制器、比较选择器①、比较选择器②、周期占空比计算环节以及三个常数寄存器Critical_Speed、Up_Duty、Down_Duty组成，转速调节器对电流斩波控制器的电流斩波限值i_ref、电压PWM控制器的PWM占空比D以及角度位置控制器的开通角θ_on和关断角θ_off进行调节，周期占空比计算环节对电流斩波信号一个电气周期的占空比进行计算，常数寄存器Up_Duty的值大于常数寄存器Down_Duty的值，将开关磁阻电机实际转速值n同常数寄存器Critical_Speed的值进行比较，比较选择器①根据比较结果对电流斩波控制器和电压PWM控制器进行选择；电压PWM控制器的PWM占空比D同常数寄存器Up_Duty的值、常数寄存器Down_Duty的值进行比较，比较控制器②根据比较结果对电压PWM控制器和角度位置控制器进行选择；

开关磁阻电机加速时，当电机的实际转速值n小于常数寄存器Critical_Speed的值，比较选择器①选择电流斩波控制器，转速调节器通过提高电流斩波限值i_ref增大电机转速；当电机的实际转速值n开始大于常数寄存器Critical_Speed的值，比较寄存器①选择电压PWM控制器；采用一个滞环环节以防止由于转速的波动而造成控制方式的频繁切换；周期占空比计算环节计算切换时刻电流斩波信号一个电气周期的占空比，作为电压PWM控制器的初始占空比，并且采用逐相切换策略依次更新每相的占空比，以保证两种控制方式切换的平滑性和稳定性，其中逐相切换策略具体为：首先，切换时刻电流斩波信号一个电气周期的占空比作为A相的PWM信号占空比，A相切换为PWM控制，B相、C相仍保持为电流斩波控制；然后，转速调节器根据此时转速误差输出更新的电压PWM控制器占空比，作为A相、B相的PWM信号占空比，A相、B相切换为PWM控制，C相仍保持为电流斩波控制；转速调节器根据此时转速误差再次输出更新的电压PWM控制器占空比，作为A相、B相、C相的PWM信号占空比，A相、B相、C相电流全部切换为PWM控制，完成电流斩波控制器到电压PWM控制器的切换；电机此时工作在电压PWM控制方式，转速调节器通过提高PWM信号的占空比增大电机转速；

开关磁阻电机继续加速，当电压PWM控制器的占空比D大于常数寄存器Down_Duty的值，小于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②继续选择电压PWM控制器；当电压PWM控制器的占空比D开始大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②选择角度位置控制器，转速调节器通过前移开通角θ_on提高转速，降低电压PWM控制器的占空比D；当电机高速运行时，反电动势较大，开通角θ_on前移至极限值，电压PWM控制器的占空比D仍大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②始终选择角度位置控制器；

开关磁阻电机减速时，当电压PWM控制器的占空比D小于常数寄存器Up_Duty的值，但大于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择电压PWM控制器，转速调节器降低PWM信号占空比降低电机转速；当PWM信号占空比小于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择角度位置控制器，转速调节器通过后移开通角θ_on降低转速，提高电压PWM控制器的占空比D；当开通角θ_on后移至极限值，比较寄存器②始终选择电压PWM控制器；

开关磁阻电机继续减速，当电机的实际转速n小于常数寄存器Critical_Speed的值，比较寄存器①选择电流斩波控制器，转速调节器降低电流斩波限值i_ref降低电机转速；

开关磁阻电机匀速运行时，比较选择器①或比较选择器②选择进入匀速运行阶段前一时刻的控制器，并保持不变，转速调节器通过调节电流斩波限值i_ref或PWM信号占空比维持转速恒定。

有益效果：本发明利用电流斩波控制、电压PWM控制、角度位置控制之间的状态量关系，实现了全速范围内速度的平滑调节以及三种控制方式在电机加速、减速、匀速运行时的无缝切换，不受电机工况变化的影响，有效地降低了全速范围内三种控制方式以转速作为切换标志导致的切换抖动、稳定性差等问题，适用于各种结构、各种相数的开关磁阻电机宽转速范围内的速度控制，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的控制系统框图；

图2为本发明的混合调速控制策略下三种控制方式切换示意图；

图3为本发明的逐相切换策略控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法，调速控制系统主要由转速调节器、电流斩波控制器、电压PWM控制器、角度位置控制器、比较选择器①、比较选择器②、周期占空比计算环节以及三个常数寄存器Critical_Speed、Up_Duty、Down_Duty组成；转速调节器根据电机实际转速值n与给定转速n_ref的转速差对电流斩波控制器的电流斩波限值i_ref、电压PWM控制器的PWM占空比D以及角度位置控制器的开通角θ_on和关断角θ_off进行调节，周期占空比计算环节对电流斩波信号一个电气周期的占空比进行计算，常数寄存器Up_Duty的值大于常数寄存器Down_Duty的值，将开关磁阻电机实际转速值n同常数寄存器Critical_Speed的值进行比较，比较选择器①根据比较结果对电流斩波控制器和电压PWM控制器进行选择；电压PWM控制器的PWM占空比D同常数寄存器Up_Duty的值、常数寄存器Down_Duty的值进行比较，比较控制器②根据比较结果对电压PWM控制器和角度位置控制器进行选择；

结合图2，本发明的开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法在低速、中速、高速段实现电流斩波控制、电压PWM控制、角度位置控制自动切换、平滑过渡的具体过程描述如下：

开关磁阻电机加速时，当电机的实际转速值n小于常数寄存器Critical_Speed的值，电机转速处于低速段，反电动势较小，比较选择器①选择电流斩波控制器，转速调节器通过提高电流斩波限值i_ref增大电机转速；当电机的实际转速值n大于常数寄存器Critical_Speed的值，电机转速处于中速段，比较寄存器①选择电压PWM控制器；采用一个滞环环节以防止由于转速的波动而造成控制方式的频繁切换；电流斩波控制器切换为电压PWM控制器的过程中，周期占空比计算环节计算切换时刻电流斩波信号一个电气周期的占空比，作为电压PWM控制器的初始占空比，并且采用逐相切换策略依次更新每相的占空比，进一步提高两种控制方式切换的平滑性和稳定性，逐相切换策略如图3所示：首先，周期占空比计算环节计算的电流斩波信号一个电气周期占空比D₁作为A相的PWM信号占空比，A相切换为PWM控制，B相、C相仍保持为电流斩波控制；然后，转速调节器根据电机实际转速n与给定转速n_ref的转速差输出更新的PWM占空比D₂，作为A相、B相的PWM信号占空比，A相、B相切换为PWM控制，C相仍保持为电流斩波控制；转速调节器根据此时转速误差再次输出更新的电压PWM控制器占空比D₃，作为A相、B相、C相的PWM信号占空比，A相、B相、C相电流全部切换为PWM控制，完成电流斩波控制器到电压PWM控制器的切换；电机此时工作在电压PWM控制方式，转速调节器通过提高PWM信号的占空比增大电机转速；

开关磁阻电机继续加速，电压PWM控制器的占空比D不断增大，若电压PWM控制器的占空比D大于常数寄存器Down_Duty的值，但小于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②继续选择电压PWM控制器；当电压PWM控制器的占空比D开始大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②选择角度位置控制器，转速调节器通过前移开通角θ_on提高转速，若前移开通角后，电压PWM控制器的占空比小于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②重新选择电压PWM控制器，转速调节器继续通过增大PWM信号占空比提高电机转速；若PWM信号占空比又大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②重新选择角度位置控制器，转速调节器通过前移开通角提高转速；当电机高速运行时，反电动势较大，开通角θ_on前移至极限值，电压PWM控制器的占空比D仍大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②始终选择角度位置控制器；

开关磁阻电机减速时，当电压PWM控制器的占空比D小于常数寄存器Up_Duty的值，但大于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择电压PWM控制器，转速调节器通过降低PWM信号占空比降低电机转速；若PWM信号占空比小于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择角度位置控制器，转速调节器通过后移开通角θ_on降低转速，若后移开通角后，电压PWM控制器的占空比大于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②重新选择电压PWM控制器，转速调节器继续降低PWM信号占空比降低电机转速，若PWM信号占空比又小于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②重新选择角度位置控制器，转速调节器通过后移开通角θ_on降低转速；当开通角θ_on后移至极限值，比较寄存器②始终选择电压PWM控制器；

开关磁阻电机继续减速，当电机的实际转速n小于常数寄存器Critical_Speed的值，比较寄存器①选择电流斩波控制器，转速调节器降低电流斩波限值i_ref降低电机转速；

开关磁阻电机匀速运行时，比较选择器①或比较选择器②选择进入匀速运行阶段前一时刻的控制器，并保持不变，转速调节器通过调节电流斩波限值i_ref或PWM信号占空比维持转速恒定。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机宽转速范围混合调速控制方法，调速控制系统主要由转速调节器、电流斩波控制器、电压PWM控制器、角度位置控制器、比较选择器①、比较选择器②、周期占空比计算环节以及三个常数寄存器Critical_Speed、Up_Duty、Down_Duty组成，其特征在于：转速调节器对电流斩波控制器的电流斩波限值i_ref、电压PWM控制器的PWM占空比D以及角度位置控制器的开通角θ_on和关断角θ_off进行调节，周期占空比计算环节对电流斩波信号一个电气周期的占空比进行计算，常数寄存器Up_Duty的值大于常数寄存器Down_Duty的值，将开关磁阻电机实际转速值n同常数寄存器Critical_Speed的值进行比较，比较选择器①根据比较结果对电流斩波控制器和电压PWM控制器进行选择；电压PWM控制器的PWM占空比D同常数寄存器Up_Duty的值、常数寄存器Down_Duty的值进行比较，比较控制器②根据比较结果对电压PWM控制器和角度位置控制器进行选择：

开关磁阻电机加速时，当电机的实际转速值n小于常数寄存器Critical_Speed的值，比较选择器①选择电流斩波控制器，转速调节器通过提高电流斩波限值i_ref增大电机转速；当电机的实际转速值n开始大于常数寄存器Critical_Speed的值，比较寄存器①选择电压PWM控制器；采用一个滞环环节以防止由于转速的波动而造成控制方式的频繁切换；周期占空比计算环节计算切换时刻电流斩波信号一个电气周期的占空比，作为电压PWM控制器的初始占空比，并且采用逐相切换策略依次更新每相的占空比，以保证两种控制方式切换的平滑性和稳定性，其中逐相切换策略具体为：首先，切换时刻电流斩波信号一个电气周期的占空比作为A相的PWM信号占空比，A相切换为PWM控制，B相、C相仍保持为电流斩波控制；然后，转速调节器根据此时转速误差输出更新的电压PWM控制器占空比，作为A相、B相的PWM信号占空比，A相、B相切换为PWM控制，C相仍保持为电流斩波控制；转速调节器根据此时转速误差再次输出更新的电压PWM控制器占空比，作为A相、B相、C相的PWM信号占空比，A相、B相、C相电流全部切换为PWM控制，完成电流斩波控制器到电压PWM控制器的切换；电机此时工作在电压PWM控制方式，转速调节器通过提高PWM信号的占空比增大电机转速；

开关磁阻电机继续加速，当电压PWM控制器的占空比D大于常数寄存器Down_Duty的值，小于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②继续选择电压PWM控制器；当电压PWM控制器的占空比D开始大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②选择角度位置控制器，转速调节器通过前移开通角θ_on提高转速，降低电压PWM控制器的占空比D；当电机高速运行时，反电动势较大，开通角θ_on前移至极限值，电压PWM控制器的占空比D仍大于常数寄存器Up_Duty的值，比较选择器②始终选择角度位置控制器；

开关磁阻电机减速时，当电压PWM控制器的占空比D小于常数寄存器Up_Duty的值，但大于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择电压PWM控制器，转速调节器降低PWM信号占空比降低电机转速；当PWM信号占空比小于常数寄存器Down_Duty的值，比较寄存器②选择角度位置控制器，转速调节器后移开通角θ_on降低转速，提高电压PWM控制器的占空比D；当开通角θ_on后移至极限值，比较寄存器②始终选择电压PWM控制器；

开关磁阻电机继续减速，当电机的实际转速n小于常数寄存器Critical_Speed的值，比较寄存器①选择电流斩波控制器，转速调节器降低电流斩波限值i_ref降低电机转速；

开关磁阻电机匀速运行时，比较选择器①或比较选择器②选择进入匀速运行阶段前一时刻的控制器，并保持不变，转速调节器通过调节电流斩波限值i_ref或PWM信号占空比维持转速恒定。

Images