CN114244241B - 一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法 - Google Patents

一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，包括如下步骤：S1：设定初始搜索步长，确定搜索点A，B，C及对应提前换相角度；S2：赋值第i次搜索得到的提前换相角度与步长，i＝0，1，2，...；S3：采样各搜索点对应母线电流，计算梯度kiBA与kiCB，根据梯度的符号改变搜索方向与步长，直至kiBAkiCB＜0；S4：检验第i步搜索是否满足终止条件，若满足，则完成在线优化，否则插入新搜索点D，实施S5；S5：采样D点对应母线电流，计算梯度kiCD与kiDB，根据梯度的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步提前换相角度及步长，返回实施S4。本发明提出采用梯度比较法在线搜索得到最优提前换相角度，无需预知系统参数，提高了电励磁双凸极电机转矩输出性能。

Description

一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法。
背景技术
作为一种新型无刷磁阻型电机，电励磁双凸极电机具有结构简单可靠、控制灵活、容错性能高等优点，在航空航天、风力发电等领域受到广泛关注。电励磁双凸极电机运行时，转子位置信号极为重要，转子换相角度提前控制对其高速运行时的输出转矩和输出功率有很大的影响，提前换相角度选取过大或过小都无法使电机出力达到最理想的效果。目前国内外的文献主要集中在对电励磁双凸极电机控制系统的换相角度提前控制的介绍与研究，对于如何在线选取最优提前换相角度的详细分析很少提及，且多为物理分析，鲜有提出解决如何选取最优提前换相角度的具体数学算法。
中国专利公布号：CN110212820A，公布日：2019年9月6日，公开了一种六状态提前角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法。该方法实时检测导通相的电流大小，通过比较串联增量电感估算值与阈值判断转子是否到达提前换相位置，根据相邻两个提前换相位置间电机运行时间估算电机转速，对转速进行积分从而实现对电励磁双凸极电机的无位置传感器带载起动。该方法可显著提高电机带载能力，并有效抑制电机转矩脉动。但该方法仅仅实现了电机的换相角度提前控制，并未选取最优提前换相角度，且并未给出具体的数学算法。
中国专利公布号：CN108039841A，公布日：2018年5月15日，公开了一种双凸极电机驱动系统的提前角度自适应控制方法。根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差来自适应调节下一个电周期的提前角度；提前角度的增量计算采用迭代算法，利用当前电周期的提前角度值，根据提前角区间内最大反馈电流与电流参考值的偏差，估算下一个电周期的提前角度值。该方法以增大输出转矩为目标，方便快捷，且能够随工作条件自动调节提前角度。但该方法依赖于额外的硬件电路，增加了系统的复杂性，适用性不强。
中国专利公布号：CN105790651A，公布日：2016年7月20日，公开一种三相双凸极无刷直流电机的控制方法。将换相位置提前标准换相位置一个提前换相角，将相电流关断位置滞后标准相电流关断位置一个滞后关断角，利用PWM实现电流闭环控制；根据励磁电流的方向、转子旋转方向、提前换相角和滞后关断角，得到四组控制逻辑。此种控制方法可提高双凸极电机的输出功率和工作效率。但其控制策略中增加了多个导通状态，在状态切换过程中降低了系统效率。
目前诸多的电励磁双凸极电机的换相角度提前控制方法仅实现了转子换相角度的提前，难以实时在线选取最优提前换相角度，以达到电机的最优出力运行状态；且额外增加的硬件电路也增加了整个电机系统的控制策略的复杂性，通常会伴随着系统整体效率的降低。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明提出一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，包括如下步骤：
S1：根据电机参数及运行工况选取提前换相角度范围(α1，α2)，设定初始搜索步长Δθ0＝(α2-α1)/10，按照角度减小的方向确定三个搜索点A，B，C，提前换相角度分别为θ0A＝(α1+α2)/2、θ0B＝θ0A-Δθ0、θ0C＝θ0B-Δθ0，设定终止搜索提前换相角度区间长度为ε；
S2：赋值提前换相角度与步长，记第i(i＝0，1，2，...)次迭代搜索得到的提前换相角度分别为θiA、θiB、θiC，将第i次迭代搜索后更新的步长设置为Δθi；
S3：采样电励磁双凸极电机在提前换相角度θiA、θiB、θiC稳态运行时的母线电流IiA、IiB、IiC，计算相邻搜索点的梯度kiBA与kiCB，根据kiBA与kiCB的符号改变搜索方向与步长，直至kiBAkiCB＜0；
S4：检验第i步搜索是否满足终止条件|θiA-θiC|＜ε，若满足，则完成提前换相角度的在线搜索优化，获得最优提前换相角度θOP，否则插入新的搜索点D，提前换相角度设置为θiD，然后实施S5；
S5：采样电机在提前换相角度θiD下对应的母线电流IiD，计算梯度kiCD与kiDB，根据kiCD与kiDB的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，返回实施S4。
进一步地讲，所述步骤S3中相邻搜索点的梯度kiBA与kiCB的计算方法为：
kiBA＝(IiB-IiA)/(θiB-θiA)
kiCB＝(IiC-IiB)/(θiC-θiB)
进一步地讲，所述步骤S3中根据kiBA与kiCB的符号改变搜索方向与步长，直至kiBAkiCB＜0的方法，具体如下：
若kiBA＞0、kiCB＞0，则将步长增大10％，θiA保持不变，重新确定θiB、θiC与Δθi，计算方法为：
θiB＝θiA-1.1Δθi
θiC＝θiB-1.1Δθi
Δθi＝θiA-θiB
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；
若kiBA＜0、kiCB＜0，则保持步长与θiA不变，按照角度增大的方向重新确定θiB、θiC，计算方法为：
θiB＝θiA+Δθi
θiC＝θiB+Δθi
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；
循环搜索直至kiBAkiCB＜0。
进一步地讲，所述步骤S4中最优提前换相角度θOP的计算方法为：
进一步地讲，所述步骤S4中插入新的搜索点D，提前换相角度设置为θiD的计算方法为：
进一步地讲，所述步骤S5中梯度kiCD与kiDB的计算方法为：
kiCD＝(IiC-IiD)/(θiC-θiD)
kiDB＝(IiD-IiB)/(θiD-θiB)
进一步地讲，所述步骤S5中根据kiCD与kiDB的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)的方法，具体如下：
若kiCDkiDB＞0，则用θiC、θiD分别代替θiD、θiB，重新计算θiB，计算方法为：
然后返回实施S5重新计算并判断kiCD与kiDB的符号；
若kiCDkiDB＜0，则确定第i+1步的三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，方法为：
θ(i+1)A＝θiB
θ(i+1)B＝θiD
θ(i+1)C＝θiC
Δθ(i+1)＝θ(i+1)A-θ(i+1)B
然后返回实施S4。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明的最优提前换相角度在线选取方法根据电励磁双凸极电机稳定运行时母线电流是提前换相角度的凸函数的特性，实时通过梯度比较法进行迭代搜索，能够在线搜索最优提前换相角度，无需预知系统参数，提高了系统的输出转矩；
(2)本发明的最优提前换相角度在线选取方法无需增加额外硬件电路，即能实现电励磁双凸极电机换相角度提前控制。
附图说明
图1是本发明的电励磁双凸极电机驱动系统结构图；
图2是本发明的12/8极电励磁双凸极电机截面图；
图3是本发明的电励磁双凸极电机三相自感曲线及通电规则图；
图4是本发明方法的实施流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
本发明基于的电励磁双凸极电机系统结构框图如图1所示，包括：电励磁双凸极电机、三相全桥主功率变换器、不对称半桥励磁功率变换器，电励磁双凸极电机三相电枢绕组与全桥主功率变换器相连，励磁绕组与不对称半桥励磁功率变换器相连。其中电励磁双凸极电机截面如图2所示。电励磁双凸极电机采用“三相三拍”通电方式时的三相自感曲线如图3所示。本发明方法的实施流程如图4所示。本发明的具体实施步骤如下：
1、根据电励磁双凸极电机参数及运行工况选取提前换相角度范围(α1，α2)，设定初始搜索步长Δθ0＝(α2-α1)/10，按照角度减小的方向确定三个搜索点A，B，C，提前换相角度分别为θ0A＝(α1+α2)/2、θ0B＝θ0A-Δθ0、θ0C＝θ0B-Δθ0，同时设定终止搜索提前换相角度区间长度为ε。
2、赋值提前换相角度与步长，记第i(i＝0，1，2，...)次迭代搜索得到的提前换相角度分别为θiA、θiB、θiC，将第i次迭代搜索后更新的步长设置为Δθi。
3、参考图1，采样电励磁双凸极电机在提前换相角度θiA、θiB、θiC稳态运行时的母线电流IiA、IiB、IiC，计算相邻搜索点的梯度kiBA与kiCB，具体为：
kiBA＝(IiB-IiA)/(θiB-θiA)
kiCB＝(IiC-IiB)/(θiC-θiB)
根据kiBA与kiCB的符号改变搜索的方向与步长，直至kiBAkiCB＜0，具体如下：
若kiBA＞0、kiCB＞0，则将搜索步长增大10％，θiA保持不变，重新计算θiB、θiC与Δθi，确定新的搜索点B和C，具体为：
θiB＝θiA-1.1Δθi
θiC＝θiB-1.1Δθi
Δθi＝θiA-θiB
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；
若kiBA＜0、kiCB＜0，则保持步长与θiA不变，按照角度增大的方向重新计算θiB、θiC，确定新的搜索点B和C，具体为：
θiB＝θiA+Δθi
θiC＝θiB+Δθi
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；
循环搜索直至kiBAkiCB＜0。
4、检验第i步搜索是否满足终止条件|θiA-θiC|＜ε，若满足，则完成提前换相角度的在线搜索优化，获得最优提前换相角度否则插入新的搜索点D，提前换相角度设置为/>然后实施S5。
5、采样电机在提前换相角度θiD下对应的母线电流IiD，计算梯度kiCD与kiDB，具体为：
kiCD＝(IiC-IiD)/(θiC-θiD)
kiDB＝(IiD-IiB)/(θiD-θiB)
根据kiCD与kiDB的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，具体如下：
若kiCDkiDB＞0，则用θiC、θiD分别代替θiD、θiB，重新计算θiB，确定新的搜索点B、C、D，具体为：
θiC＝θiD
θiD＝θiB
然后返回实施S5重新计算并判断kiCD与kiDB的符号；
若kiCDkiDB＜0，则确定第i+1步的三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，具体为：
θ(i+1)A＝θiB
θ(i+1)B＝θiD
θ(i+1)C＝θiC
Δθ(i+1)＝θ(i+1)A-θ(i+1)B
然后返回实施S4。
通过上述步骤即可实现电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取，电机在低速运行时采用换相角度提前控制会降低输出功率，该方法仅适用于中高速运行时的最优提前换相角度在线选取。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据电机参数及运行工况选取提前换相角度范围(α1，α2)，设定初始搜索步长Δθ0＝(α2-α1)/10，按照角度减小的方向确定三个搜索点A，B，C，提前换相角度分别为θ0A＝(α1+α2)/2、θ0B＝θ0A-Δθ0、θ0C＝θ0B-Δθ0，设定终止搜索提前换相角度区间长度为ε；
S2：赋值提前换相角度与步长，记第i次迭代搜索得到的提前换相角度分别为θiA、θiB、θiC，记第i次迭代搜索后更新的步长为Δθi，其中i＝0，1，2，...；
S3：采样电励磁双凸极电机在提前换相角度θiA、θiB、θiC稳态运行时的母线电流IiA、IiB、IiC，计算相邻搜索点的梯度kiBA与kiCB，计算方法为：
kiBA＝(IiB-IiA)/(θiB-θiA)
kiCB＝(IiC-IiB)/(θiC-θiB)
根据kiBA与kiCB的符号改变搜索方向与步长，直至kiBAkiCB＜0；
S4：检验第i步搜索是否满足终止条件|θiA-θiC|＜ε，若满足，则完成提前换相角度的在线搜索优化，获得最优提前换相角度θOP，否则插入新的搜索点D，提前换相角度设置为θiD，然后实施S5；
S5：采样电机在提前换相角度θiD下对应的母线电流IiD，计算梯度kiCD与kiDB，计算方法为：
kiCD＝(IiC-IiD)/(θiC-θiD)
kiDB＝(IiD-IiB)/(θiD-θiB)
根据kiCD与kiDB的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，返回实施S4。
2.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，其特征在于：所述步骤S3中根据kiBA与kiCB的符号改变搜索方向与步长，直至kiBAkiCB＜0的方法，具体如下：
若kiBA＞0、kiCB＞0，则将步长增大10％，θiA保持不变，重新确定θiB、θiC与Δθi，确定方法为：
θiB＝θiA-1.1Δθi
θiC＝θiB-1.1Δθi
Δθi＝θiA-θiB
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；若kiBA＜0、kiCB＜0，则保持步长与θiA不变，按照角度增大的方向重新确定θiB、θiC，确定方法为：
θiB＝θiA+Δθi
θiC＝θiB+Δθi
然后返回实施S3重新计算并判断kiBA与kiCB的符号；循环搜索直至kiBAkiCB＜0。
3.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，其特征在于：所述步骤S4中最优提前换相角度θOP的确定方法为：
所得θOP即为最优提前换相角度。
4.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，其特征在于：所述步骤S4中插入新的搜索点D，提前换相角度设置为θiD的方法，具体如下：
所得θiD即为搜索点D对应的提前换相角度。
5.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机最优提前换相角度在线选取方法，其特征在于：所述步骤S5中根据kiCD与kiDB的符号改变搜索点，直至kiCDkiDB＜0，确定i+1步三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)的方法，具体如下：
若kiCDkiDB＞0，则用θiC、θiD分别代替θiD、θiB，重新计算θiB，方法为：
θiC＝θiD
θiD＝θiB
然后返回实施S5重新计算并判断kiCD与kiDB的符号；若kiCDkiDB＜0，则确定第i+1步的三个提前换相角度θ(i+1)A、θ(i+1)B、θ(i+1)C及步长Δθ(i+1)，方法为：
θ(i+1)A＝θiB
θ(i+1)B＝θiD
θ(i+1)C＝θiC
Δθ(i+1)＝θ(i+1)A-θ(i+1)B
然后返回实施S4。
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Research on sensorless and advanced angle control strategies for doubly salient electro-magnetic motor;Xingwei Zhou等;《IET Electric Power Applications》;第10卷(第05期);375–383 *
Self-Optimizing Control of Advanced Commutation Angle for Doubly Salient Electromagnetic Machine;Xingwei Zhou等;《IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society》;4403-4407 *
航空电励磁双凸极无刷直流起动发电机系统控制关键技术综述;周兴伟 等;《电机与控制应用》;第48卷(第01期);1-19 *

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