一種開關磁阻電機電流跟蹤控制方法、控制器及調速系統與流程

2024-02-14 19:14:15 1

本發明涉及電機控制領域，特別涉及一種開關磁阻電機電流跟蹤控制方法、控制器及調速系統。

背景技術：

開關磁阻電動機(srm)由於結構簡單、工作可靠、起動轉矩大、機械效率高的優點，被認為是變速驅動領域極具潛力的一員。但由於其定、轉子的雙凸極結構，相電感值隨轉子位置顯著變化，使得開關磁阻電動機具有無精確數學模型、嚴重非線性的特點，對其相電流很難達到精確的控制，而轉矩脈動的抑制很大程度上取決於對相繞組電流的控制精度，因此，設計出一個高跟蹤性能的電流控制器迫在眉睫。

當開關磁阻電機調速系統的控制頻率設置在低頻率5khz時，採用電流滯環控制，一個開關周期內開關器件將一直保持在開通或關斷狀態，整個開關周期內電流將一直上升或下降，會出現高峰值的脈衝電流，尤其是隨著滯環寬度的進一步減小該高峰值脈衝電流的頻率將繼續提高。電流會出現高頻電流脈衝峰值高的情況，5khz控制頻率下採用電流滯環控制電流曲線受控程度低。而且，電流滯環控制是通過設定允許偏差環寬將電流限定在環寬之內，其本身就是一種允許偏差存在的控制方式，控制精度的提高有賴於環寬的減小。然而環寬的減小意味著開關頻率的提高，而功率器件開關頻率受限，尤其是在大電流情況下開關頻率無法保持在很高的數值。而且電流滯環控制下開關器件長時間暴露在大電流下，易損壞功率器件。開關磁阻電機相鄰兩相換相期間，繞組內均有電流流通，其中一相對另一相的互感影響是存在的，即對其進行控制時需要考慮互感磁鏈，尤其當互感電流較大時，互感影響是不容忽視的。

因此，有必要針對上述傳統的電流滯環控制的不足和現有控制方法忽略互感影響的不足，設計一種新的開關磁阻電機控制方法。

技術實現要素：

本發明所解決的技術問題是，針對現有技術的不足，，本發明提供一種開關磁阻電機電流跟蹤控制方法、控制器及調速系統。

本發明為解決技術問題所採用的技術方案是：

一種開關磁阻電機電流跟蹤控制方法，基於脈寬佔空比控制模塊(pwm_duty_control)、轉矩分配模塊和轉矩-電流換算模塊(t_i)進行電流跟蹤控制；其中轉矩分配模塊的輸入端接轉速pi控制器，輸出端接轉矩-電流換算模塊；轉矩-電流換算模塊的輸出端接脈寬佔空比控制模塊；脈寬佔空比控制模塊接收電機各相的參考電流信號、實際電流信號、角度位置信號和換相信號，其輸出端接功率變換器；

所述轉矩分配模塊將轉速pi控制器輸出的參考轉矩分配給電機各相繞組，即產生各相參考轉矩信號，輸出至接轉矩-電流換算模塊；轉矩-電流換算模塊將輸入的各相參考轉矩信號轉化為各相參考電流信號，輸出至脈寬佔空比控制模塊；脈寬佔空比控制模塊比較由轉矩-電流換算模塊輸入的參考電流信號和實際電流信號，得到電流偏差信號；根據電流偏差信號的正負和大小輸出相應的pwm佔空比，控制功率器件的開、關時間，即實時更新功率變換器中功率器件的門極驅動信號。

在非換相期間和換相期間，實時更新功率變換器中功率器件的門極驅動信號的方法為：

當實際電流信號大於參考電流信號時，即電流偏差信號為負時，若繞組處於正壓施加狀態，則更新功率變換器中功率器件的門極驅動信號，使功率器件關斷，從而對該繞組施加零壓或負壓，即實際電流信號與參考電流信號之差大於設定閾值時，施加負壓，反之施加零壓，使實際電流信號快速跟蹤上參考電流信號，直至實際電流信號與參考電流的差值為零，反之施加零壓；

當實際電流信號小於參考電流信號時，若繞組處於零壓或負壓施加狀態，則更新功率變換器中功率器件的門極驅動信號，使功率器件正嚮導通，從而對該繞組施加正壓，使實際電流信號快速跟蹤上參考電流信號，直至實際電流信號與參考電流的差值為零，即達到了希望的零差值目標。

所述設定閾值為1a。

pwm控制模塊佔空比計算由自行編寫的fcn函數完成；換相階段的pwm佔空比計算還考慮了相鄰相對開通相繞組的互感磁鏈的影響。

所述pwm佔空比的計算方法為：

(1)在非換相期間，pwm佔空比通過以下方程組進行計算：

其中，ρ為pwm佔空比，t為控制周期，ikref(t)是t時刻k相參考電流；s(j)為第k相繞組在第j個控制周期內的通電狀態，取值為1、-1或0,分別對應正壓、負壓以及零壓三種狀態；udc為母線電壓，θ為t時刻轉子位置角，lk(θ)為k相繞組在下一控制周期t內的電感平均值，r是k相繞組的電阻值、ω是開關磁阻電機的實際轉速；

(2)在換相期間，pwm佔空比通過以下方程組進行計算：

其中，s(i)為第k+1相繞組在第i個控制周期內的通電狀態，取值為1、-1或0,分別對應正壓、負壓以及零壓三種狀態，對於8/6開關磁阻電機，k表示a、b、c、d四相中的任一相，對於6/4開關磁阻電機，k表示a、b、c三相中的任一相，mk,k+1是因k+1相繞組電流變化在k相繞組內產生的互感磁鏈導致的互感，互感mk,k+1通過磁鏈特性測量裝置分別對單相和兩相勵磁時的磁鏈特性進行測量，再經過數學計算得到，um為互感電壓。

本發明還公開了一種開關磁阻電機電流跟蹤控制器，包括脈寬佔空比控制模塊、轉矩分配模塊和轉矩-電流換算模塊；其中轉矩分配模塊的輸入端接轉速pi控制器，輸出端接轉矩-電流換算模塊；轉矩-電流換算模塊的輸出端接脈寬佔空比控制模塊；脈寬佔空比控制模塊接收三相參考電流信號和實際電流信號，其輸出端接功率變換器；

所述電流跟蹤控制器採用上述方法進行電流跟蹤控制。

本發明還公開了一種開關磁阻電機調速系統，包括上述電流跟蹤控制器、轉速pi控制器和功率變換器；功率變換器輸出連接至開關磁阻電機，為電機提供電能，並控制電機轉速；

所述轉速pi控制器的輸入端接入開關磁阻電機的實際轉速和給定轉速，轉換為參考轉矩信號，輸入至電流跟蹤控制器；電流跟蹤控制器根據輸入信號產生相應的pwm佔空比，實時更新功率變換器中功率器件的門極驅動信號，控制功率器件的開、關時間，從而實現電流跟蹤和電機轉速控制。

有益效果：

本發明根據電流偏差信號的正負和大小，實時更新不同控制周期內的pwm佔空比即電壓控制量，在低控制頻率下提高了電流跟蹤精度，達到了高開關頻率的效果，提高了電流動態跟蹤能力，有效地減小了換相期間和非換相期間的轉矩脈動，且在功率器件開關頻率受限的情況下，開關器件不必長時間暴露在大電流下。本發明控制方法簡單易行，可靠性強，適於推廣

附圖說明

圖1是本發明實施例所用的系統仿真模型；

圖2是本發明實施例所用的脈寬佔空比控制(pwm_duty_control)器仿真模塊；

圖3是本發明實施例中換向期間k相詳細的pwm佔空比計算與施加過程；

圖4是本發明實施例中非換相期間參考電流恆定時k相詳細的pwm佔空比計算與施加過程；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對pwm工作方式下的電流跟蹤控制方法進一步說明。

為了驗證本電流跟蹤控制方法的有效性，搭建了開關磁阻電機調速系統simulink仿真模型，如圖1所示，該模型主要由5個單元組成，分別為開關磁阻電機、功率變換器、脈寬佔空比控制模塊(pwm_duty_control)、轉矩分配模塊和轉矩-電流換算模塊(t_i)。其中，開關磁阻電機採用matlab元件庫裡自帶的6/4電機模型，功率變換器採用不對稱半橋電路。

本電流跟蹤控制方法的佔空比控制仿真模型如圖2所示，由信號分解(demux)、三角波發生器(repeatingsequence)、關係運算符(relationaloperator)、邏輯運算符(logicaloperator)、求和(sum)、乘法(product)等模塊以及自行編寫的fcn函數構造佔空比計算與預測，可實現電流的精確跟蹤。其中，脈寬佔空比控制模塊(pwm_duty_control)的輸入為電流偏差，通過自行編寫的fcn函數下計算得出下一個控制周期內的pwm佔空比ρ，其用來控制功率器件的開、關時間，實現pwm控制。

實施例1：

基於圖1和圖2所示的simulink仿真模型，第k相繞組的電氣方程為：

s(j)為第k相繞組在第j個控制周期內的通電狀態，取值為1、-1或0,分別對應正壓、負壓以及零壓三種狀態，對於8/6開關磁阻電機，k表示a、b、c、d四相中的任一相，而對於6/4開關磁阻電機，k表示a、b、c三相中的任一相。由式(1)推導得出t時刻k相繞組的電流方程為：

其中，θ為t時刻轉子位置角，udc為母線電壓，lk(θ)為k相繞組在下一控制周期t內的電感平均值，r是k相繞組的電阻值、ω是開關磁阻電機的實際轉速。

如圖3所示，設佔空比為ρ，中t為控制周期，則雙管導通或關斷的時間，即加正壓或負壓的時間為δt＝ρt，則下一時刻用於進行電流補償的k相繞組電流偏差信號δik為：

故有：

其中，δik＝ikref(t)-ik(t)為k相繞組電流偏差信號；為k相繞組在下一控制周期t內的電感平均值；

基於圖3和圖4，非換相期間，當實際電流反饋大於參考電流時，應當斷開導通繞組，對其施加零壓或負壓，即相差很大(參考標準值設定為1a)時，施加負壓，使實際電流快速跟隨上參考電流，反之施加零壓。

基於圖3和圖4，換相期間，記相鄰兩相分別為第k相和第k+1相。考慮第k+1相對第k相的互感磁鏈影響，第k相的電氣方程為：

其中，s(i)為第k+1相繞組在第i個控制周期內的通電狀態，取值為1、-1或0,分別對應正壓、負壓以及零壓三種狀態，對於8/6開關磁阻電機，k表示a、b、c、d四相中的任一相，對於6/4開關磁阻電機，k表示a、b、c三相中的任一相，mk,k+1是因k+1相繞組電流變化在k相繞組內產生的互感磁鏈導致的互感，互感mk,k+1通過磁鏈特性測量裝置分別對單相和兩相勵磁時的磁鏈特性進行測量，再經過數學計算得到，um為互感電壓。同樣，當實際電流反饋大於參考電流時，應當斷開導通繞組，對其施加零壓或負壓，即相差很大時，施加負壓，使實際電流快速跟隨上參考電流，反之施加零壓。由式(5)推導得到的換相期間的pwm佔空比ρ為：

式(6)中，δik為k相繞組電流偏差信號，δik＝ikref(t)-ik(t)，ik(t)為每個pwm周期的中點時刻對實際電流進行採樣得到的採樣值。