CN115065297B - 一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法。该方法需要先通过模型仿真获取切换时期开关磁阻电机不同转速下符合系统要求的θtr.off‑iph数据表，根据切换瞬间三相瞬时电流大小和三相位置，判断出切换相，得到切换相初始电流，再通过查表法得到该转速和切换相初始电流下的切换时期发电模式关断角。最后通过对切换相电流进行实时检测，判断切换完成后再将电机恢复到正常的发电模式下运行，完成了起动/发电模式的平稳切换。仿真和实验验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、切换过程相电流峰值抑制效果明显。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，涉及一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法。
背景技术
开关磁阻电机凭借其独特的电磁特性和机械结构，具有较高的可靠性和较低的系统损耗，其结构简单，仅在定子凸极上存在绕组，能够适应高温高速的运行环境。同时开关磁阻电机可调节参数多，控制容易，起动和发电模式切换方便，调节精度高，响应快，可以很好的满足起动/发电系统的系统要求。但在开关磁阻电机从起动模式切换到发电模式的过程中，由于励磁时间的延长，相电流峰值会达到一个很高的水平，可能超过系统允许的最大电流，出现过电流现象，进而产生噪音和电机振动。因此为提高开关磁阻电机在切换过程中的性能，抑制该过程中的相电流峰值已成为开关磁阻电机的研究热点。
目前常用的抑制相电流峰值的方法主要有角度优化控制，电流补偿控制，电流预测控制等，这些方法都各有利弊。在切换瞬间，由于电机内已经存在电动模式下建立的相电流，如果在切换过程中对电机使用正常的发电模式下的励磁角，励磁时间将大幅度延长，相电流继续增大，相电流峰值可能会超过系统允许的最大电流。所以励磁时间延长是开关磁阻电机切换过程中出现过电流现象的主要原因。同时在电机单脉冲模式运行下，励磁角是唯一的控制参数，对于开关磁阻电机的发电模式运行，关断角决定着励磁时间的长短。因此控制模式切换时期发电模式关断角是抑制相电流峰值的主要切入点。
角度优化控制通过对开通角或关断角进行在线优化，直接方便地实现对电机的控制，在开关磁阻电机控制中受到了很多的关注。通过在开关磁阻电机模式切换过程中对发电模式关断角进行实时优化，可以提高开关磁阻在这一阶段中的电机适用性和系统安全性。
发明内容
为避免开关磁阻电机起动/发电模式切换过程中可能出现的过电流现象。本发明提出了一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法。该方法首先通过MATLAB/SIMULINK建模与仿真，通过改变切换时间的方法来让切换瞬间初始相电流不同，然后在不同的电机转速和初始相电流下利用系统模型仿真找到一个合适的切换时期发电模式关断角，让切换过程中的相电流峰值不超过系统允许的最大电流。利用离线计算的方法，以固定的电流为步长，从0A开始为每一个初始相电流找到一个合适的切换时期发电模式关断角，得到相应转速下的θtr.off-iph数据表。其中，θtr.off、iph分别为切换时期发电模式关断角和切换瞬间初始相电流。之后，通过在切换瞬间检测三相瞬时电流大小和三相位置可以判断切换相和采集切换相初始相电流，再利用查表法为该初始相电流找到一个合适的切换时期发电模式关断角。随后通过对切换相电流实时检测可以判断切换是否完成，当切换完成后，再将SRM切换到正常发电状态，完成开关磁阻电机起动/发电模式的平稳切换。
本发明的技术方案如下：
所述一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法，包括以下步骤：
步骤1：给定开关磁阻电机起动模式运行下的开通角θm.on和关断角θm.off以及电机转速n，检测开关磁阻电机起动模式运行下的相电流峰值im.peak。
步骤2：给定开关磁阻电机发电模式运行下的开通角θg.on，改变切换时间使得切换瞬间初始相电流改变，从0A开始到im.peak结束，以固定的电流为步长，每一个切换瞬间初始相电流iph对应一个切换时期发电模式运行下的关断角θtr.off，建立该给定电机转速n下的θtr.off-iph数据表，这个关断角需保证切换过程中相电流峰值itr.peak<ipeak，其中ipeak为系统允许的最大电流；
步骤3:多次重复步骤1至步骤2，建立不同电机转速n下的θtr.off-iph数据表。
步骤4：在给定切换时间ttr的瞬间，采样保持器采样保持三相瞬时电流为ia、ib、ic，通过三相电流大小比较找到切换瞬间三相电流最大的那一相的相数m；
步骤5：根据电机的机械参数，计算转子极前沿与定子极后沿相遇的位置角，将该角度记为θβ：
θβ＝(τr-βs-βr)/2
式中：τr为开关磁阻电机转子极距；βs为开关磁阻电机定子极弧；βr为开关磁阻电机转子极弧；
对于开关磁阻电机的起动模式运行，当转子位置θr满足θm.on≤θr<θβ时，相电流处于快速上升阶段，当转子位置θr满足θβ≤θr≤θm.off时,相电流处于下降阶段，因此相电流将在转子位置θr位于θβ这个角度时取得峰值；
步骤6：在切换瞬间，利用采样保持器采样保持三相位置，分别为θa、θb、θc，电流最大相的位置记为θm。
如果θm满足：0≤θm<θβ,则根据步骤5的结论可以判断该相电流处于迅速上升的阶段，而且由于开关磁阻电机同时最多只能有两相导通以及三相位置各自相差15°，可以判断出切换相为电流最大相的前一相，再结合步骤4采集到的三相瞬时电流和电流最大相的相数m可以得到切换相初始电流itr.ph，计算公式为：
如果电流最大相的位置θm≥θβ，根据步骤5的结论该相电流处于下降阶段，该相马上退出起动模式运行或已经退出起动模式运行，电流最大相为切换相，再结合步骤4采集到的三相瞬时电流和电流最大相的相数m得到切换相初始电流itr.ph，计算公式为：
步骤7：根据步骤3得到的θtr.off-iph数据表和步骤6得到的切换相初始电流itr.ph，通过查θtr.off-iph数据表找到对应的切换时期发电模式关断角θtr.off。
步骤8：利用步骤6确定的切换相，对切换相电流iph进行实时检测，当检测到iph<0.5A时切换已经完成，将发电模式关断角重新调整为正常发电模式下的关断角θg.off，将电机恢复为正常的发电模式运行，完成开关磁阻电机起动/发电模式的平稳切换；如果未检测到iph<0.5A，则切换失败，返回步骤4。
有益效果
本发明公开了一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法。首先需要通过离线模型仿真，用改变切换时间来获得不同切换瞬间初始相电流的方法，在不同电机转速下为每一个初始相电流找到一个合适的切换时期发电模式关断角，得到对应电机转速下的一维数据表。在切换瞬间，利用采样保持器采样保持三相瞬时电流大小和三相位置，通过三相电流大小比较和三相位置判断来确定切换相，进而确定切换相初始电流。再根据得到的数据表和切换相初始电流，通过查表法找到对应的切换时期发电模式关断角，对角度进行实时优化。最后通过对切换相电流进行实时检测来判断切换是否完成，当切换完成后将电机恢复到正常的发电模式状态下运行，完成开关磁阻电机起动/发电模式的平稳切换。仿真和实验验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、切换过程中的过电流现象抑制效果明显及易于工程实现。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为1500rpm和2000rpm下的θtr.off-iph数据表；
图2为基于励磁角优化控制的开关磁阻电机起动/发电模式平稳切换方法的控制框图；
图3为2000rpm运行时，起动/发电模式直接切换和本发明提出的方法下的起动/发电模式切换相电流对比图
图4为1500rpm运行时，起动/发电模式直接切换和本发明提出的方法下的起动/发电模式切换相电流对比图
具体实施方式
以下结合附图和具体实例，对本发明的技术方案进行详细说明。实例所用电机为一个1kW三相12/8极开关磁阻电机。
步骤1：给定开关磁阻电机起动模式运行下的开通角θm.on＝0°和关断角θm.off＝15°以及电机转速n＝2000rpm，检测得到开关磁阻电机起动模式运行下的相电流峰值im.peak＝8.701A。
步骤2：给定开关磁阻电机发电模式运行下的开通角θg.on＝18°，改变切换时间使得切换瞬间初始相电流改变，从0A开始到8.701A结束，以0.2A为步长，每一个切换瞬间初始相电流iph对应一个切换时期发电模式运行下的关断角θtr.off，建立电机转速n＝2000rpm下的θtr.off-iph数据表，这个关断角需保证切换过程中相电流峰值itr.peak<ipeak，其中ipeak＝25A。
步骤3:多次重复步骤1至步骤2，建立不同电机转速n下的θtr.off-iph数据表。
步骤4：在给定切换时间ttr＝0.3s的瞬间，采样保持器采样保持三相瞬时电流，分别为ia＝0A，ib＝0A，ic＝5.928A，通过三相电流大小相互比较找到切换瞬间三相电流最大的那一相的相数m＝c。
步骤5：根据电机的机械参数，计算转子极前沿与定子极后沿相遇的位置角，将该角度记为θβ：
θβ＝(τr-βs-βr)/2
式中：τr为开关磁阻电机转子极距；βs为开关磁阻电机定子极弧；βr为开关磁阻电机转子极弧。所用12/8开关磁阻电机电角度τr为45°，样机定子极弧βs为15°，转子极弧βr为17°，可得出θβ为6.5°。
对于该12/8开关磁阻电机的起动模式运行，当转子位置θr满足0°≤θr<6.5°时，相电流处于快速上升阶段，当转子位置θr满足6.5°≤θr≤15°时,相电流处于下降阶段，因此相电流将在转子位置θr位于θβ这个角度时取得峰值；
步骤6：在切换瞬间，利用采样保持器采样保持三相位置，分别为θa＝45°，θb＝30°，θc＝15°,电流最大相的位置θm＝θc＝15°。因为θm≥θβ，根据步骤5的结论可以判断相电流处于下降阶段，该相马上退出起动模式运行或已经退出起动模式运行，电流最大相为切换相，再结合步骤4采集到的三相瞬时电流和电流最大相的相数m，通过公式：
可以得到itr.ph＝ic＝5.928A。
步骤7：根据步骤3得到的数据表和步骤6得到的切换相初始电流itr.ph，通过查2000rpm下的θtr.off-iph数据表找到对应的切换时期发电模式关断角θtr.off＝26.5°。、
步骤8：利用步骤6确定的切换相，通过示波器对切换相电流iph进行实时检测，当检测到iph<0.5A时认为切换已经完成，将发电模式关断角重新调整为正常发电模式下的关断角θg.off，其中θg.off＝32°，将电机恢复为正常的发电模式运行，完成开关磁阻电机模式的平稳切换。
图2为本发明所提出的控制方法流程图，图3为电机在2000rpm运行时起动/发电模式直接切换和本发明提出的方法下的起动/发电模式切换相电流对比图。
在2000rpm时，起动/发电模式直接切换和本发明提出的方法下的起动/发电模式切换相比较，切换过程相电流峰值由25.95A下降到了8.408A。由此可见，本发明提出的基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法对抑制开关磁阻电机起动/发电模式切换过程中的相电流峰值有明显的效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (1)
1.一种基于角度优化控制的开关磁阻电机模式平稳切换方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：给定开关磁阻电机起动模式运行下的开通角θm.on和关断角θm.off以及电机转速n，检测开关磁阻电机起动模式运行下的相电流峰值im.peak；
步骤2：给定开关磁阻电机发电模式运行下的开通角θg.on，改变切换时间使得切换瞬间初始相电流改变，从0A开始到im.peak结束，以固定的电流为步长，每一个切换瞬间初始相电流iph对应一个切换时期发电模式运行下的关断角θtr.off，建立该给定电机转速n下的θtr.off-iph数据表，这个关断角需保证切换过程中相电流峰值itr.peak＜ipeak，其中ipeak为系统允许的最大电流；
步骤3：多次重复步骤1至步骤2，建立不同电机转速n下的θtr.off-iph数据表
步骤4：在给定切换时间ttr的瞬间，采样保持器采样保持三相瞬时电流为ia、ib、ic，通过三相电流大小比较找到切换瞬间三相电流最大的那一相的相数m；
步骤5：根据电机的机械参数，计算转子极前沿与定子极后沿相遇的位置角，将该角度记为θβ：
θβ＝(τr-βs-βr)/2
式中：τr为开关磁阻电机转子极距；βs为开关磁阻电机定子极弧；βr为开关磁阻电机转子极弧；
对于开关磁阻电机的起动模式运行，当转子位置θr满足θm.on＜θr＜θβ时，相电流处于快速上升阶段，当转子位置θr满足θβ＜θr＜θm.off时，相电流处于下降阶段，因此相电流将在转子位置θr位于θβ这个角度时取得峰值；
步骤6：在切换瞬间，利用采样保持器采样保持三相位置为θa、θb、θc，电流最大相的位置记为θm；
如果θm满足：0＜θm＜θβ，则根据步骤5的结论判断该相电流处于迅速上升的阶段，而且由于开关磁阻电机同时最多只能有两相导通以及三相位置各自相差15°，切换相为电流最大相的前一相，再结合步骤4采集到的三相瞬时电流和电流最大相的相数m得到切换相初始电流itr.ph，计算公式为：
如果电流最大相的位置θm＞θβ，根据步骤5的结论该相电流处于下降阶段，该相马上退出起动模式运行或已经退出起动模式运行，电流最大相为切换相，再结合步骤4采集到的三相瞬时电流和电流最大相的相数m得到切换相初始电流itr.ph，计算公式为：
步骤7：根据步骤3得到的θtr.off-iph数据表和步骤6得到的切换相初始电流itr.ph，通过查θtr.off-iph数据表找到对应的切换时期发电模式关断角θtr.off；
步骤8：利用步骤6确定的切换相，对切换相电流iph进行实时检测，当检测到iph＜0.5A时切换已经完成，将发电模式关断角重新调整为正常发电模式下的关断角θg.off，将电机恢复为正常的发电模式运行，完成开关磁阻电机起动/发电模式的平稳切换；如果未检测到iph＜0.5A，则切换失败，返回步骤4。
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