CN110098777A - 一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,在运行过程中,将电机输出的瞬时转矩作为系统反馈量,计算瞬时转矩与期望转矩偏差,当单相导通时通过单相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断;当双相导通时,通过双相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断,时转矩偏差控制在滞环之内。该方法提供了一种全桥功率变换器的开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制方法,在降低变换器成本的同时,有效减小电机转矩脉动提高开关磁阻电机运行稳定性,方法简单,易于实现。

Description

一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机运行控制方法,特别是全桥驱动方式下的开关磁阻电机控制,属于开关磁阻电机控制领域。
背景技术
开关磁阻电机是一种采用双凸极结构,遵循“磁阻最小原理”运行的电磁执行机构,转子由高磁导率的硅钢片叠成,既无绕组也没有永磁磁体,因此具有结构坚固、简单、成本低、启动转矩大等突出优点,被广泛应用于工业制造领域。根据开关磁阻电机的工作特性,其特别适合作为电动汽车的驱动电机,但是由于瞬时转矩脉动大、振动、噪声问题突出,抑制开关磁阻电机的转矩脉动是目前开关磁阻电机的主要研究方向之一。目前常用的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法有转矩分配函数控制方法、直接转矩控制、直接瞬时转矩控制。直接瞬时转矩控制是将开关磁阻电机运行过程中的瞬时转矩作为系统的反馈量,通过瞬时转矩与期望转矩偏差情况控制功率变换器开关开通关断,改变电机导通相绕组工作状态,对于转矩脉动具有较好的抑制效果。驱动器方面目前常用不对称半桥作为开关磁阻电机功率变换器,由于研发与制造成本高,不利于开关磁阻电机在电动汽车上的应用与推广。
为了降低开关磁阻电机调速系统的研发成本,选用已成熟的全桥功率变换器。但是,这造成了原本基于不对称半桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法中部分开关状态无法实现,因此需要适用于全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法的开关状态,达到降低驱动器研发成本的同时,减小转矩脉动的目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制开关状态,在减小功率变换器成本的同时又能减小电机的转矩脉动,提高开关磁阻电机调速系统的性能价格比。
本发明的一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,包括以下步骤:
一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:测量开关磁阻电机工作时k相在转子转角θ处的电感Lk(θ),其中k=A或B或C或D;
步骤二:设定开关磁阻电机k相导通角αk与关断角βk,其中k=A或B或C或D;设定转矩滞环内环上限、下限分别为+ΔTmin和-ΔTmin,转矩滞环外环上限、下限分别为+ΔTmax和-ΔTmax,参考转矩Tref
步骤三:检测第k相相电压Uk、相电流Ik以及θ,通过公式计算第k相输出转矩Tk,其中k=A或B或C或D,各相输出转矩Tk通过矢量合成得到实际瞬时输出转矩Tact,通过ΔT=Tref-Tact计算转矩偏差ΔT;
步骤四:检测转子转角θ,判断导通相,当导通相个数m=1时,通过单相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“1”和“0”,其中“1”表示处于励磁状态,“0”表示处于续流状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断;当导通相个数m=2时,通过双相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“(1,1)”、“(0,1)”、“(0,0)”、“(-1,-1)”,其中“-1”表示处于退磁状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断。
步骤四所述单相导通情况下:
ΔT在下降过程中,当ΔT>-ΔTmax时,导通相期望工作状态为“1”状态;ΔT在上升过程中,当ΔT<+ΔTmax时,导通相期望工作状态为“0”状态。
步骤四所述两相导通情况下:
ΔT在下降过程中,当0<ΔT时,导通相期望工作状态为“(1,1)”状态,当-ΔTmin<ΔT≤0时,导通相期望工作状态为“(0,1)”状态,当-ΔTmax<ΔT≤-ΔTmin时,导通相期望工作状态为“(0,0)”状态,当ΔT≤-ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(-1,-1)”;ΔT在上升过程中,当ΔT<0时,导通相期望工作状态为“(-1,-1)”状态,当0≤ΔT<ΔTmin时,导通相期望工作状态为“(0,0)”状态,当ΔTmin≤ΔT<ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(0,1)”状态,当ΔT≥ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(1,1)”;
本发明有益效果:
本发明提供了一种适用于全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法及导通相工作状态,即单相导通期间,导通相有励磁“1”、续流“0”两种工作状态;两相导通期间,两相绕组有“(1,1)”、“(0,1)”、“(0,0)”、“(-1,-1)”四种工作状态,其中“-1”表示绕组处于退磁状态。针对全桥驱动的开关磁阻电机单相导通以及两相导通期间瞬时输出转矩Tact进行控制,不同的导通状态下采用不同的转矩滞环,使开关磁阻电机能够在全桥驱动方式下实现转矩脉动抑制,在降低变换器成本的同时,有效减小电机转矩脉动提高开关磁阻电机运行稳定性,方法简单,易于实现。
附图说明
图1为一种全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制原理框图。
图2为本发明执行流程图。
图3(a)为本发明单相导通滞环示意图。
图3(b)为本发明两相导通滞环示意图。
图4为本发明在A相“1”状态工作情况。
图5为本发明在A相“0”状态工作情况。
图6为本发明在A、B相(1,1)状态工作情况。
图7为本发明在A、B相(0,1)状态工作情况。
图8为本发明在A、B相(0,0)状态工作情况。
图9为本发明在A、B相(-1,-1)状态工作情况。
图10为未采用本方法全桥功率变换器的开关磁阻电机转矩稳态波形。
图11为采用本方法全桥功率变换器的开关磁阻电机转矩稳态波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行说明。
本发明提出了一种适用于全桥驱动的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法及开关状态,在运行过程中,将电机输出的瞬时转矩作为系统反馈量,通过瞬时转矩与期望转矩偏差情况选择适合的开关状态,控制功率变换器开关开通关断,改变电机导通相绕组工作状态,包括以下步骤:
步骤一:测量开关磁阻电机工作时k相在转子转角θ处的电感Lk(θ),其中k=A或B或C或D;
步骤二:设定电机第k相开通角αk与关断角βk,转矩滞环内环上限、下限分别为+ΔTmin和-ΔTmin,转矩滞环外环上限、下限分别为+ΔTmax和-ΔTmax,参考转矩Tref
步骤三:检测第k相相电压Uk、相电流Ik以及θ,通过公式计算第k相输出转矩Tk,各相转矩通过矢量合成得到实际瞬时输出转矩Tact,通过ΔT=Tref-Tact计算转矩偏差ΔT;
步骤四:检测转子转角θ,判断导通相,当导通相个数m=1时,通过单相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“1”和“0”,其中“1”表示处于励磁状态,“0”表示处于续流状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断;当导通相个数m=2时,通过双相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“(1,1)”、“(0,1)”、“(0,0)”、“(-1,-1)”,其中“-1”表示处于退磁状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断。
若未满足运行结束条件,下一个控制周期则切换至步骤三继续运行,满足则结束运行。
全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统由中性点引出的四相8/6极开关磁阻电机、滞环比较器、转子区间判断模块、全桥功率变换器组成,开关磁阻电机其系统组成框图如图1所示,其中Vout_k(k=A、B、C、D、N)表示全桥功率变换器各相输出电压,Vin_k(k=A、B、C、D、N)表示开关磁阻电机各相及中性点输入电压,控制方法执行流程如图2所示。
对于四相开关磁阻电机首先测量A、B、C、D相在转子转角θ处的电感Lk(θ)以及导通区间[αkk](k=A、B、C、D),以转子转角θ仅位于A相导通区间[αAA]内为例对本发明提出的转矩滞环部分进行说明。当A相单独导通时,转矩滞环为单相导通滞环,如图3(a)所示,纵轴SN表示导通相的工作状态。若转矩偏差ΔT大于单相滞环上限ΔTmax,即ΔT>ΔTmax,开通开关管VT1与VT10,A相绕组两端施加正向电源电压+Us,工作在励磁“1”状态,如图4所示,绕组中有正向电流使得输出转矩逐渐增大;随着输出转矩增加,当ΔT<-ΔTmax时关断开关管VT1,A相绕组两端施加0电压,绕组通过二极管VD2与开关管VT10续流,如图5所示,续流过程中输出转矩逐渐降低;通过上述过程,单相导通期间转矩偏差ΔT将被限制在滞环范围±ΔTmax内。
当电机转子运行到A、B两相导通范围时,转矩滞环采用两相导通滞环,如图3(b)所示,纵轴SMN表示两相导通时的工作状态,M、N分别表示导通相的工作状态,取值为“1”、“0”、“-1”,分别表示“励磁”、“续流”、“退磁”状态。若ΔT大于外滞环上限ΔTmax,即ΔT>ΔTmax,则开通开关管VT1、VT4使A、B两相同时工作于励磁状态,即“(1,1)”状态如图6所示,Tact迅速增加;ΔT逐渐减小,当ΔT≤0时关断开关管VT1,使A相通过VT4、VD2续流,B相通过VT4、VT9励磁,即“(0,1)”状态如图7所示,Tact缓慢增加;当ΔT≤-Tmin时关断VT9,使A、B两相通过VT4、VD2续流,即“(0,0)”状态如图8所示,两相电流缓慢下降,输出转矩可能增加也可能减小;若输出转矩继续增大使得ΔT超过滞环外环下限,即ΔT≤-Tmax时,关断开关管VT4,此时A、B两相绕组通过二极管VD2、VD3施加反向电源电压-Us,即“(-1,--1)”状态如图9所示,A、B两相绕组中的电流迅速减小,输出转矩减小。通过上述过程,两相导通期间ΔT将被限制在滞环范围内,从而使得Tact稳定在Tref附近。在电机工作过程中工作状态及各开关管工作情况如表1所示。
表1单相导通及两相导通状态下开关管、二极管选择表
实施例
本发明采用开关磁阻电机为四相(8/6)极开关磁阻电机,设置期望转速1500rpm,负载转矩10N·m,外环滞环边界为±0.5N·m,内滞环边界为±0.2N·m。
在matlab/simulink仿真下,未采用本发明方法控制下的全桥驱动开关磁阻电机输出转矩波形如图10所示,可以看出电机稳定运行过程中合成转矩较平稳,但是换相期间转矩出现较大的波动,最大波动可以达到2N·m。转矩脉动约为20%。图11是采用本发明控制下的输出转矩波形,电机总体运行平稳,转矩波动被限制在设定的滞环范围内,最大波动0.5N·m,转矩脉动10%,明显小于未采用该发明控制方法转矩脉动。
本发明具体实施方式还包括:
步骤一:测量电机工作时第k(k=A、B、C、)相在转子转角θ处的电感Lk(θ)。
步骤二:设定电机第k相开通角αk与关断角βk,转矩滞环内环上限、下限分别为+ΔTmin和-ΔTmin,转矩滞环外环上限、下限分别为+ΔTmax和-ΔTmax,参考转矩Tref
步骤三:检测第k相相电压Uk、相电流Ik以及θ,通过公式计算第k相输出转矩Tk,各相转矩通过矢量合成得到实际瞬时输出转矩Tact,通过ΔT=Tref-Tact计算转矩偏差ΔT;
步骤四:检测转子转角θ,若θ在k相导通区间[αkk]内则k相为导通相,否则k相关断。当导通相个数m=1时,ΔT通过单相滞环比较器输出导通相期望工作状态“1”或“0”;当导通相个数m=2时,ΔT通过双相滞环比较器输出导通相期望工作状态“(1,1)”、“(0,1)”、“(0,0)”、“(-1,-1)”。控制全桥功率变换器导通相以及中性点相对应上下桥臂开关开通或关断实现各相期望工作状态。直到下一个控制周期切换至步骤三继续运行。
本发明具体实施方式还包括:
步骤一:设定转矩滞环内外环上下限±ΔTmax与±ΔTmin,参考转矩Tref等基本参数;
步骤二:检测各相相电压Uk、相电流Ik(其中k的取值为A、B、C、D)以及转子位置θ,结合电机实际电感参数L(θ)计算电机运行过程中的实际输出转矩Tact,通过ΔT=Tref-Tact计算转矩偏差ΔT;
步骤三:根据θ确定转子所在单相导通区间或两相导通区间以及确定导通相;根据电机状态以及ΔT确定导通相期望工作状态,控制全桥功率变换器开关开通或关断。直到下一个控制周期切换至步骤二继续运行。
综上可知,全桥功率变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,提供了一种减小开关磁阻电机转矩脉动的方法,在保证电机稳定运行及响应速度不变的前提下,较少转矩脉动。避免了转矩脉动对系统运行造成的不利影响,提高系统稳定性,方法简单,易于实现。

Claims (2)

1.一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:测量开关磁阻电机工作时k相在转子转角θ处的电感Lk(θ),其中k=A或B或C或D;
步骤二:设定开关磁阻电机k相导通角αk与关断角βk,其中k=A或B或C或D;设定转矩滞环内环上限、下限分别为+ΔTmin和-ΔTmin,转矩滞环外环上限、下限分别为+ΔTmax和-ΔTmax,参考转矩Tref
步骤三:检测第k相相电压Uk、相电流Ik以及θ,通过公式计算第k相输出转矩Tk,其中k=A或B或C或D,各相输出转矩Tk通过矢量合成得到实际瞬时输出转矩Tact,通过ΔT=Tref-Tact计算转矩偏差ΔT;
步骤四:检测转子转角θ,判断导通相,当导通相个数m=1时,通过单相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“1”和“0”,其中“1”表示处于励磁状态,“0”表示处于续流状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断;当导通相个数m=2时,通过双相转矩滞环比较确定导通相期望工作状态,期望工作状态包括“(1,1)”、“(0,1)”、“(0,0)”、“(-1,-1)”,其中“-1”表示处于退磁状态,根据期望工作状态控制全桥功率变换器开关开通或关断。
2.根据权利要求1所述的一种全桥变换器的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法,其特征在于:
步骤四所述单相导通情况下:
ΔT在下降过程中,当ΔT>-ΔTmax时,导通相期望工作状态为“1”状态;ΔT在上升过程中,当ΔT<+ΔTmax时,导通相期望工作状态为“0”状态。
步骤四所述两相导通情况下:
ΔT在下降过程中,当0<ΔT时,导通相期望工作状态为“(1,1)”状态,当-ΔTmin<ΔT≤0时,导通相期望工作状态为“(0,1)”状态,当-ΔTmax<ΔT≤-ΔTmin时,导通相期望工作状态为“(0,0)”状态,当ΔT≤-ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(-1,-1)”;ΔT在上升过程中,当ΔT<0时,导通相期望工作状态为“(-1,-1)”状态,当0≤ΔT<ΔTmin时,导通相期望工作状态为“(0,0)”状态,当ΔTmin≤ΔT<ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(0,1)”状态,当ΔT≥ΔTmax时,导通相期望工作状态为“(1,1)”。
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