開關磁阻電動機開通角的控制方法
2023-05-28 03:03:11 1
專利名稱：開關磁阻電動機開通角的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種開關磁阻電動機開通角的控制方法，屬於開關磁阻電動機角度控 制的技術領域。
背景技術：
開關磁阻電動機的控制方式主要分為三種電流斬波控制(CCC)、電壓斬波控制 (PWM)、位置角度控制(APC)。其中位置角度控制(APC)即通過設置開通角、關斷角來實現對 電動機的控制。由於電動機運行時，關斷角對電動機的影響相對開通角的影響要小，因此一 般採用固定關斷角、控制開通角的方法來實現電動機控制。傳統的開通角控制需要測量開 關磁阻電動機運行時的磁鏈特性，利用複雜的偏微分方程求導不同工作點的開通角。將工 作點與開通角的關係線性化為表格結構，程序中利用查表的方式實現實時控制。這種方法 有很多缺點1.編制查找需要的表格計算量大，過程複雜；2.表格數據量大，需要額外的存儲空間，頻繁性的執行查表操作，降低控制系統的 性能；3.只對實驗的特定電動機對象成立，更換電動機型號甚至同種型號的不同電動 機，需要重新進行測量，不具備通用性。
發明內容
本發明的目的是針對現有開通角控制方式存在的弊端，提出一種簡便易行且具有 自適應性的開關磁阻電動機開通角的控制方法。其技術方案為將位置檢測單元產生的位置電平輸出到可編程邏輯器件，經可編程邏輯器件編碼 後產生位置編碼和位置中斷信號，處理器在位置中斷信號請求下，檢測開關磁阻電動機相 繞組電流值，並計算實際轉速值，與預先設定的目標電流值進行綜合計算處理，設置開關磁 阻電動機下一導通周期的開通角，其特徵在於位置檢測單元包括多個傳感器，多個傳感器 等距離安裝在開關磁阻電動機軸的同心位置上，具體的安裝位置能使在開關磁阻電動機的 定、轉子開始對齊位置、最大電感位置、最小電感位置均產生位置中斷信號，電流傳感器將 開關磁阻電動機相繞組電流信號分別經A/D轉換器、電流斬波控制單元對應接處理器和可 編程邏輯器件，處理器根據位置中斷信號計算開關磁阻電動機的實際轉速值，並與設定轉 速進行PI調節，得到所需的相繞組目標電流值，處理器根據目標電流值、實際採樣電流值、 實際轉速值實現開通角的設置。所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，傳感器之間的角度的確定根據公式 g )計算傳感器之間的角度，其中m為開關磁阻電動機相
數，Ns為定子極數，Nr為轉子極數。所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，確定位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟相對位置的步驟是給開關磁阻電動機的一相繞組通電，使該相的定子與轉子處 於對齊位置，設定傳感器在遮光位置信號為1、非遮光位置信號為0，調節位置檢測單元與 開關磁阻電動機的遮光碟的相對位置，使其中一傳感器處於該傳感器輸出方波的下降沿位 置，此時在開關磁阻電動機的定、轉子開始對齊位置、最大電感位置、最小電感位置均產生 位置中斷信號，固定位置檢測單元。所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，處理器根據目標電流值、實際採樣電 流值、實際轉速值實現開通角的設置的具體步驟是處理器判斷實際轉速值、實際採樣電流
值是否發生變化，如果是則進行PI調節得到新的目標電流值，通過公Si&二^^得
到開通角的值，繼而比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值與目標電流值的大小， 否則直接比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值與目標電流值的大小；若實際採樣 電流值大於目標電流值，則減小提前開通角的值，否則增大提前開通角的值，然後將開通角 的值轉化為處理器內部定時器可以處理的時間變量，完成一個開通角的設置周期，周而復
始，其中公式& = mmy^ ，Lmin表示開關磁阻電動機的最小電感，iEEF表示目標電流值，
R表示實際轉速值，Vdc表示母線電壓值。所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，處理器可採用微處理器MCU或數字信 號處理器DSP，傳感器可採用光電傳感器或霍爾傳感器。其工作原理為根據公式^^！^ +丄「！^^^「^，^…；！計算傳感器之間的角度，其中！！！為開
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關磁阻電動機相數，Ns為定子極數，Nr為轉子極數。給開關磁阻電動機的一相繞組通電，使該相的定子與轉子處於對齊位置，設定傳 感器在遮光位置信號為1、非遮光位置信號為0，調節位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮 光碟的相對位置，使其中一傳感器處於該傳感器輸出方波的下降沿位置，此時在開關磁阻 電動機的定、轉子開始對齊位置、最大電感位置、最小電感位置均產生位置中斷信號，固定 位置檢測單元。最小電感及最小電感區間是開關磁阻電動機的設計參數，電動機給定後，可以唯 一地確定電動機最小電感Lmin及最小電感區間。電流傳感器將電動機相電流轉化為小電流信號，並分別經A/D轉換器、電流斬波 控制單元對應接處理器和可編程邏輯器件，將位置檢測單元產生的位置電平輸出到可編程 邏輯器件，經可編程邏輯器件編碼後產生位置編碼和位置中斷信號，在位置中斷信號請求 下，處理器集中處理位置編碼與相電流信號，首先計算開關磁阻電動機的實際轉速，與設定 轉速一起送入PI調節器，得到所需的目標電流值。此目標電流值一方面送入電流斬波控制 單元，一方面送入開通角計算單元。電流斬波控制單元對實際採樣電流值與目標電流值進行比較，一方面輸出信號到 功率驅動電路，一方面輸出信號到時間處理單2。時間處理單元2記錄此信號的翻轉時刻， 並存儲在處理器內部，作為開關角優化計算的一個重要參數，供開關角計算單元使用。
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開關角計算單元根據接收的目標電流值、電動機的實際轉速和時間處理單 元2記錄的翻轉時刻值，以定轉子開始對齊位置為參考點的提前開通角計算公式為
e0 = mml^F(°R，其中Lmin表示開關磁阻電動機的最小電感，i■表示目標電流值，表示
實際轉速值，vd。表示母線電壓值。處理程序首先判斷目標電流值或實際轉速是否發生改變，繼而比較定轉子開始對 齊位置時的實際採樣電流值與目標電流值的大小，否則直接比較定轉子開始對齊位置時的 實際採樣電流值與目標電流值的大小；若實際採樣電流值大於目標電流值，則減小提前開 通角的值，否則增大提前開通角的值，根據上述流程，計算電動機對應相的提前開通角，並 將計算結果輸出到時間處理單元1，由時間處理單元1將開通角度值轉換成電動機相開通 關斷信號，完成一個開通角的設置周期，周而復始，然後將該信號輸出到電流斬波控制單 元，控制功率驅動電路，繼而控制功率電路中IGBT的通斷，實現開關磁阻電動機開通角的 控制。本發明與現有技術相比具有以下優點1.無需增加額外的控制硬體，只是對位置 檢測單元的設計與安裝有要求，設計完成後的位置檢測系統具有通用性，可用於不同功率 等級的開關磁阻電動機控制系統；2.本發明計算所需要的最小電感及最小電感區間、最大電感、電感上升區間等參 數都是開關磁阻電動機自身的設計參數，無需額外的複雜計算；3.本發明的算法簡單易行，不需要佔用大量的處理器資源，且具有通用性及自適 應性，方便移植。
附圖1是應用本發明的開關磁阻電動機控制系統結構圖；附圖2是位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟的位置結構圖；附圖3是電動機線圈電感與位置信號的對應關係圖，其中實線為電動機的線性電 感曲線，豎直方向的虛線為位置中斷產生點；附圖4是開關角的控制原理圖，圖中的虛線框表示處理器；附圖5是本發明開關角算法的流程圖；附圖6是應用本發明方法後的相電流波形圖。
具體實施例方式結合附圖1至附圖6對本發明的技術方案進行詳細說明1.傳感器之間的角度的確定根據公式 +； Nr、{k = 0,1,2...)計算
V fn J Nr
傳感器之間的角度，其中m為開關磁阻電動機相數，Ns為定子極數，凡為轉子極數。對於 12/8極的開關磁阻電動機，考慮到成本與實現複雜性等因素，k取0，98取15°。傳感器 可以選擇光電傳感器或者霍爾傳感器。如圖2所示；2.確定位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟相對位置的步驟是給開關磁 阻電動機的一相繞組通電，使該相的定子與轉子處於對齊位置，設定傳感器在遮光位置信
5號為1、非遮光位置信號為0，調節位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟的相對位置， 使其中一傳感器處於該傳感器輸出方波的下降沿位置，此時在開關磁阻電動機的定、轉子 開始對齊位置、最大電感位置、最小電感位置均產生位置中斷信號，固定位置檢測單元，如 圖2所示；3.根據電動機的設計參數，獲得最小電感L-及最小電感區間[e 3，e 5]，如圖3 所示；4.位置檢測單元將脈衝信號送入可編程邏輯器件，經可編程邏輯器件編碼後產生 位置編碼和位置中斷信號，送入處理器內的轉速計算單元，如圖4所示，由轉速計算單元計 算出電動機的實際轉速別輸出到開關角計算單元和PI調節器；5. PI調節器輸出的值經過一個限流環節，輸出控制目標電流值iKEF，該目標電流值 iKEF分別輸出到電流斬波控制單元、開關角計算單元，同時電動機的實際電流值「輸出到電 流斬波控制單元；6.電流斬波控制單元對接收的信號進行比較判斷，輸出控制信號至時間處理單元 2，由時間處理單元2記錄信號翻轉的時刻，並存儲該值，作為開關角優化計算的一個重要 參數，供開關角計算單元使用；7.開關角計算單元根據接收的目標電流值iKEF、電動機的實際轉速和時間處理 單元2記錄的翻轉時刻值，以定轉子開始對齊位置(附圖3中的位置e 5)為參考點的提前
開通角計算公式為& = 1_》廣。如附圖5的算法流程圖所示，程序首先判斷目標電流值
iKEF或實際轉速《 K是否發生改變，繼而比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值iK與 目標電流值iKEF的大小，否則直接比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值iK與目標 電流值iKEF的大小；若實際採樣電流值「大於目標電流值iKEF，則減小提前開通角的值，否 則增大提前開通角的值，根據上述流程，計算電動機對應相的提前開通角，並將計算結果輸 出到時間處理單元1，由時間處理單元1將開通角度值轉換成電動機相開通關斷信號，然後 將該信號輸出到電流斬波控制單元；8.電流斬波控制單元根據接收的實際電流值iK、控制目標電流值iKEF和電動機相 開通關斷信號進行邏輯處理，然後輸出控制信號至功率驅動單元(附圖4所示)，控制驅動 電路中IGBT器件的通斷，實現提前開通角的控制；9.利用本發明實現的開關磁阻電機相電流波形如圖6所示。
權利要求
一種開關磁阻電動機開通角的控制方法，將位置檢測單元產生的位置電平輸出到可編程邏輯器件，經可編程邏輯器件編碼後產生位置編碼和位置中斷信號，處理器在位置中斷信號請求下，檢測開關磁阻電動機相繞組電流值、實際轉速值，並與預先設定的目標電流值進行綜合計算處理，設置開關磁阻電動機下一導通周期的開通角，其特徵在於位置檢測單元包括多個傳感器，多個傳感器等距離安裝在開關磁阻電動機軸的同心位置上，具體的安裝位置能使在開關磁阻電動機的定、轉子開始對齊位置、最大電感位置、最小電感位置均產生位置中斷信號，電流傳感器將開關磁阻電動機相繞組電流信號分別經A/D轉換器、電流斬波控制單元對應接處理器和可編程邏輯器件，處理器根據位置中斷信號計算開關磁阻電動機的實際轉速值，並與設定轉速進行PI調節，得到所需的相繞組目標電流值，處理器根據目標電流值、實際採樣電流值、實際轉速值實現開通角的設置，繼而通過功率驅動電路，控制功率器件IGBT的通斷，實現開關磁阻電動機開通角的控制。
2.根據權利要求1所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，其特徵在於傳感器之 間的角度的確定根據公式θg=(k+1/m)π(Ns-Nr)/Nr(k = 0，l，2...)計算傳感器之間的角 度，其中m為開關磁阻電動機相數，Ns為定子極數，Nr為轉子極數。
3.根據權利要求1所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，其特徵在於確定位置 檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟相對位置的步驟是給開關磁阻電動機的一相繞組通 電，使該相的定子與轉子處於對齊位置，設定傳感器在遮光位置信號為1、非遮光位置信號 為0，調節位置檢測單元與開關磁阻電動機的遮光碟的相對位置，使其中一傳感器處於該傳 感器輸出方波的下降沿位置，此時在開關磁阻電動機的定、轉子開始對齊位置、最大電感位 置、最小電感位置均產生位置中斷信號，固定位置檢測單元。
4.根據權利要求1所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，其特徵在於處理器根 據目標電流值、實際採樣電流值、實際轉速值實現開通角的設置的具體步驟是處理器判斷 實際轉速值、實際採樣電流值是否發生變化，如果是則進行PI調節得到新的目標電流值，通過公式&到開通角的值，繼而比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值與目標電流值的大小，否則直接比較定轉子開始對齊位置時的實際採樣電流值與目標 電流值的大小；若實際採樣電流值大於目標電流值，則減小提前開通角的值，否則增大提前 開通角的值，然後將開通角的值轉化為處理器內部定時器可以處理的時間變量，完成一個開通角的設置周期，周而復始，其中公式& = ^^^中，Lmin表示開關磁阻電動機的最小電感，iKEF表示目標電流值，表示實際轉速值，Vd。表示母線電壓值。
5.根據權利要求1所述的開關磁阻電動機開通角的控制方法，其特徵在於處理器採 用微處理器MCU或數位訊號處理器DSP，傳感器可採用光電傳感器或霍爾傳感器。
全文摘要
本發明公布了一種開關磁阻電動機開通角的控制方法，屬於開關磁阻電動機角度控制的技術領域。本發明首先根據開關磁阻電動機本身的特性推導出優化開通角的控制方式，設計了實現此控制方式的位置檢測單元，位置檢測單元位置產生位置電平信號，可編程邏輯器件編碼位置電平信號，微處理器通過位置編碼計算電動機實際轉速，通過PI算法計算開關磁阻電動機導通相繞組所需的目標電流值，並根據此目標電流值與實際採樣電流值、實際轉速值通過特定的算法實現角度位置控制。本發明可以實現開關磁阻電動機開通角的自動設置，提高開關磁阻電動機的控制靈活性，簡化控制程序的設計。
文檔編號H02P6/16GK101860302SQ20101017599
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月8日 優先權日2010年5月8日
發明者劉志宏, 張明魁, 熊立新 申請人:山東科匯電力自動化有限公司