CN111313795A - 一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法，包括二极管桥式整流器、电压逆变器和开关磁阻电机，所述二极管桥式整流器、电压逆变器和开关磁阻电机串联设置，所述二极管桥式整流器的后端和电压逆变器的前端之间增加一级直流变换器，所述电压逆变器、直流变换器和开关磁阻电机均与控制器电性连接；所述控制器用于监控开关磁阻电机的转速和相电流以及直流变换器的输出电压和输出电流；本发明在二极管整流电路和电压逆变电路之间增加直流调压电路，在换相阶段加快了换相速度，非换相阶段减小了电流变化率，同时通过控制输入电流波形，从而实现功率因数校正功能，有效抑制了转矩脉动，保证了转速的稳定性。

Description

一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法。
背景技术
开关磁阻电机(switched reluctance motor，SRM)具有独特的双凸极结构，开关磁阻电机运行遵循“最小磁阻原理”，通过对每相功率变换器循环施加激励，转子在磁拉力作用下持续运转，近年来，开关磁阻电机因其结构简单、起动转矩大、制造成本低、调速范围宽、可靠性和效率高等优点，在矿山机械、油田抽油机、风力发电、电动汽车等领域得到越来越广泛的应用，然而，开关磁阻电机自身的双凸极结构和转矩–电流–角度非线磁特性导致其存在明显的瞬时转矩脉动，尤其运行在低速和换相期间较大，转矩脉动会直接造成速度的波动，这极大的限制了开关磁阻电机在高性能要求场合的应用，因此，如何有效经济地抑制开关磁阻电机转矩脉动，具有重要的学术价值和工程应用价值。
传统开关磁阻电机调速系统的功率变换器的拓扑结构都包含有大的滤波电容及整流二极管，工频交流电源通过桥式整流和电容滤波得到直流母线电压，为保证较小的转矩脉动，电容两端电压变化必须很小，因此滤波电容容量相应较大，功率变换器在进行AC/DC转换时，由于滤波电容的充、放电作用，直流电压会出现锯齿波的形状，滤波电容上电压的最小值不为零且与其最大值相差并不多，根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在交流输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止；也就是说，在交流线路电压的每半个周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)，虽然交流输入电压仍保持正弦波形，但交流输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成分，引起电源功率因数严重下降，从节能的观点出发，提高功率并且维持输入电流正弦是非常重要的；
针对上述现状及问题，本发明的目的在于设计一种通过功率因数校正方式达到抑制转矩脉动的系统和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统，包括二极管桥式整流器、电压逆变器和开关磁阻电机，所述二极管桥式整流器、电压逆变器和开关磁阻电机串联设置，所述二极管桥式整流器的后端和电压逆变器的前端之间增加一级直流变换器，所述电压逆变器、直流变换器和开关磁阻电机均与控制器电性连接；
所述控制器用于监控开关磁阻电机的转速和相电流以及直流变换器的输出电压和输出电流；
所述控制器内置有三角波信号发生器、电流误差放大器。
优选的，所述直流变换器的种类包括Buck电路、Boost电路和Sepic、Cuk复合直流变换电路。
优选的，控制器、二极管桥式整流器、电压逆变器和直流变换器对应形成控制电路、桥式整流电路、电压逆变电路和直流变换电路。
一种开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
步骤一：控制器用于对开关磁阻电机的转速和相电流以及对直流变换器输出电压和输出电流进行监控；
步骤二：设直流变换电路输入端电压为Uin、输出端为Uout、直流变换电路开关管T的占空比大小为D,则Uout＝D·Uin，在开关磁阻电机工作状态下，控制电路通过控制直流变换电路开关管T的占空比D大小，来连续地调节直流母线电压；
步骤三：当开关磁阻电机处于换相状态时，D选较大值，电压逆变电路不进行PWM调制，工作在恒通模式，电机绕组上的电压较高，换相时间较短，可以减少转矩脉动；
步骤四：当开关磁阻电机处于导通状态，即非换相状态时，D根据电机转速和电机电压平衡方程选值，电压逆变电路以较大的占空比调制或不进行PWM调制，使电机绕组相电压等于或略大于反电动势，从而使相绕组电流恒定或以较小变化率平缓变化，从而抑制转矩脉动；
步骤五：控制电路控制直流变换电路的电流控制回路和电压控制回路，控制电路将直流变换电路的电流采样值与电流参考信号比较后经过电流误差放大器得到的PWM调制信号输入到PWM调节器的同相输入端，通过与三角波信号发生器的输出信号比较后，控制电路通过控制直流变换电路的开关管的占空比，使电感电流跟踪电流参考信号，实现功率因数校正的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在二极管整流电路和电压逆变电路之间增加直流变换电路，即直流斩波变换电路，直流调压电路根据电机转速为逆变电路提供合适的电压，在换相阶段提供较高电压加快换相速度，从而有效抑制转矩脉动，进而稳定转速；
2、直流变换电路的设置还能在非换相阶段提供与转速相适应的较低电压，减小电流变化率，使电流较为平稳，从而使转矩较为平稳；
3、直流变换电路的设置还能在调压的同时，通过控制输入电流波形，从而实现功率因数校正功能。
本发明在二极管整流电路和电压逆变电路之间增加直流调压电路，在换相阶段加快了换相速度，非换相阶段减小了电流变化率，同时通过控制输入电流波形，从而实现功率因数校正功能，有效抑制了转矩脉动，保证了转速的稳定性。
附图说明
图1为本发明的调速系统整体示意图；
图2为本发明一个实施例中的Buck电路的拓扑结构图；
图3为本发明一个实施例中的Buck系统电路的拓扑结构图；
图4为本发明的控制方法输入前后的电流波形对比图；
图5为本发明的控制方法输入前后的转速波形对比图。
图中：1二极管桥式整流器、2电压逆变器、3开关磁阻电机、4直流变换器、5控制器、6控制电路、7桥式整流电路、8电压逆变电路、9直流变换电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统，包括二极管桥式整流器1、电压逆变器2和开关磁阻电机3，二极管桥式整流器1、电压逆变器2和开关磁阻电机3串联设置，二极管桥式整流器1的后端和电压逆变器2的前端之间增加一级直流变换器4，电压逆变器2、直流变换器4和开关磁阻电机3均与控制器5电性连接；
控制器5用于监控开关磁阻电机3的转速和相电流以及直流变换器4的输出电压和输出电流；
控制器5通过对转速和相电流的控制保障电机输出转速和转矩的稳定性；控制器5通过对直流变换器输出电压和直流变换器电流的控制保障直流变换器输出电压的稳定性和直流变换器电流的连续性。
控制器5内置有三角波信号发生器、电流误差放大器，三角波信号发生器、电流误差放大器是通过软件实现的算法，通过控制器5收集直流变换电路9的电流值，将电流采样值与电流参考信号比较后经过电流误差放大器得到的PWM调制信号输入到PWM调节器的同相输入端，再与三角波信号发生器的输出信号比较后，控制电路6通过控制直流变换电路9的开关管的占空比，使电感电流跟踪电流参考信号，实现功率因数校正的目的。
作为一个优选，直流变换器4的种类包括Buck电路、Boost电路和Sepic、Cuk以及其他复合直流变换电路，本实施例中的调节方式适用于上述多种电路。
作为一个优选，控制器5、二极管桥式整流器1、电压逆变器2和直流变换器4对应形成控制电路6、桥式整流电路7、电压逆变电路8和直流变换电路9。
一种开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
步骤一：控制器5用于对开关磁阻电机3的转速和相电流以及对直流变换器4输出电压和输出电流进行监控；
步骤二：设直流变换电路9输入端电压为Uin、输出端为Uout、直流变换电路9开关管T的占空比大小为D,则Uout＝D·Uin，在开关磁阻电机3工作状态下，控制电路6通过控制直流变换电路9开关管T的占空比D大小，来连续地调节直流母线电压；
步骤三：当开关磁阻电机3处于换相状态时，D选较大值，电压逆变电路8不进行PWM调制，工作在恒通模式，电机绕组上的电压较高，换相时间较短，可以减少转矩脉动；
步骤四：当开关磁阻电机3处于导通状态，即非换相状态时，D根据电机转速和电机电压平衡方程选值，电压逆变电路8以较大的占空比调制或不进行PWM调制，使电机绕组相电压等于或略大于反电动势，从而使相绕组电流恒定或以较小变化率平缓变化，从而抑制转矩脉动；
步骤五：控制电路6控制直流变换电路9的电流控制回路和电压控制回路，控制电路6将直流变换电路9的电流采样值与电流参考信号比较后经过电流误差放大器得到的PWM调制信号输入到PWM调节器的同相输入端，通过与三角波信号发生器的输出信号比较后，控制电路6通过控制直流变换电路9的开关管的占空比，使电感电流跟踪电流参考信号，实现功率因数校正的目的。
以直流变换器9为Buck电路为例说明本发明的技术方案，电路拓扑结构如图2所示，即在桥式整流电路7后端和电压逆变电路8前端之间增加一个Buck电路，系统电路拓扑结构如图3所示，通过控制Buck电路开关管T的占空比大小，来连续地调节直流母线电压，Buck电路输出端电压Uout为：Uout＝D·Uin，开关磁阻电机3处于换相状态时，D选较大值，电压逆变电路8不进行PWM调制，工作在恒通模式，这样电机绕组上的电压较高，换相时间较短，可以减少转矩脉动；开关磁阻电机3处于导通状态时，即非换相状态时，D根据电机转速和电机电压平衡方程选值，电压逆变电路8以较大的占空比调制或不进行PWM调制，使电机绕组相电压等于或略大于反电动势，从而使相绕组电流恒定或以较小变化率平缓变化，从而抑制转矩脉动；
Buck电路中包含电压控制回路和电流控制回路，电压回路响应较慢，带宽较窄，其主要作用是实现输出电压的稳定控制，使输出电压跟踪参考电压，得到电流参考值，电流回路具有较高的增益带宽，其主要作用是使得输入电流跟踪输入电压，实现输入电流正弦化，其工作原理为：电压回路将采样输出电压与电压参考信号比较，经过电压误差放大器得到电压误差控制量，电压误差控制量与整流侧输入电压正弦半波信号经乘法器运算得到综合的电流参考信号，电流回路将电流采样值与电流参考信号比较后经过电流误差放大器得到的PWM调制信号输入到PWM调节器的同相输入端，与三角波信号发生器的输出信号比较后，控制开关管的占空比，使电感电流跟踪电流参考信号，实现功率因数校正的目的，图4为使用Buck电路及本发明的控制方法输入前后电流波形的对比图，从图可以看出使用Buck电路进行功率因数校正后电流正弦化效果明显，在导通阶段Buck电路提供与电机转速相适应的电压，减小电机绕组电流变化率，抑制转矩脉动，图5为使用Buck电路及本发明的控制方法前后转速的波形对比图，从图可以看出使用本方法后转速平稳，转矩脉动减小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统，包括二极管桥式整流器(1)、电压逆变器(2)和开关磁阻电机(3)，其特征在于：所述二极管桥式整流器(1)、电压逆变器(2)和开关磁阻电机(3)串联设置，所述二极管桥式整流器(1)的后端和电压逆变器(2)的前端之间增加一级直流变换器(4)，所述电压逆变器(2)、直流变换器(4)和开关磁阻电机(3)均与控制器(5)电性连接；
所述控制器(5)用于监控开关磁阻电机(3)的转速和相电流以及直流变换器(4)的输出电压和输出电流；
所述控制器(5)内置有三角波信号发生器、电流误差放大器。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统，其特征在于：所述直流变换器(4)的种类包括Buck电路、Boost电路和Sepic、Cuk复合直流变换电路。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转矩脉动抑制系统，其特征在于：控制器(5)、二极管桥式整流器(1)、电压逆变器(2)和直流变换器(4)对应形成控制电路(6)、桥式整流电路(7)、电压逆变电路(8)和直流变换电路(9)。
4.一种开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：控制器(5)用于对开关磁阻电机(3)的转速和相电流以及对直流变换器(4)输出电压和输出电流进行监控；
步骤二：设直流变换电路(9)输入端电压为Uin、输出端为Uout、直流变换电路(9)开关管T的占空比大小为D,则Uout＝D·Uin，在开关磁阻电机(3)工作状态下，控制电路(6)通过控制直流变换电路(9)开关管T的占空比D大小，来连续地调节直流母线电压；
步骤三：当开关磁阻电机(3)处于换相状态时，D选较大值，电压逆变电路(8)不进行PWM调制，工作在恒通模式，电机绕组上的电压较高，换相时间较短，可以减少转矩脉动；
步骤四：当开关磁阻电机(3)处于导通状态，即非换相状态时，D根据电机转速和电机电压平衡方程选值，电压逆变电路(8)以较大的占空比调制或不进行PWM调制，使电机绕组相电压等于或略大于反电动势，从而使相绕组电流恒定或以较小变化率平缓变化，从而抑制转矩脉动；
步骤五：控制电路(6)控制直流变换电路(9)的电流控制回路和电压控制回路，控制电路(6)将直流变换电路(9)的电流采样值与电流参考信号比较后经过电流误差放大器得到的PWM调制信号输入到PWM调节器的同相输入端，通过与三角波信号发生器的输出信号比较后，控制电路(6)通过控制直流变换电路(9)的开关管的占空比，使电感电流跟踪电流参考信号，实现功率因数校正的目的。
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