CN103441713B - 一种调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法，在开关磁阻电机的励磁、续流和回流工作阶段，将这三个阶段的电流、电压测出传给单片机，由单片机计算能量回收效率，与单片机内存入的优化参数表比较，根据比较结果，通过驱动电路调节开通、关断角，使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。本发明提供的控制开关磁阻电机开通角和关断角的方法实用性强，使得电机以很快的速度达到最大能量回收效率。

Description

一种调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，涉及一种控制开关磁阻电机开通角和关断角的方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，工作可靠，效率高，由其构成的开关磁阻电机驱动***与传统交直流调速***相比，具有许多优点，如：起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象；调速范围宽，控制灵活，可方便实现四象限运行，具有较强的再生制动能力，在宽广的转速和功率范围内都具有高效率，有利于节能降耗；可工作于极高转速；可缺相运行，容错能力强等。目前，开关磁阻电机在军事和民用工业上的应用已取得一些效果，但还存在一些问题有待进一步研究解决，主要有转子位置检测、控制方法的实现技术等。

开关磁阻电机的电池目前续航里程小，电池利用率不高，目前很少关注回流阶段的能量回收，一般将这部分能量浪费掉，或者是有回收这部分能量，开通、关断角不能够自动适应不同环境，这种情况能量回收效率低。

发明内容

技术问题：本发明提供一种结构简单，成本低廉的调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法。

技术方案：本发明的调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法，包括以下步骤：

1)电流电压检测电路采集励磁阶段、续流阶段和回流阶段的电流初值、电压初值，并传送给电流电压反馈接口电路，电流电压反馈接口电路对电流、电压初值进行滤波处理后传送给单片机，位置反馈接口电路中的霍尔传感器采集电机的转速，同时根据电机模型估算负载，并将转速和负载发送给单片机；

2)单片机分别求取励磁阶段功率P₁、续流阶段功率P₂和回流阶段功率P₃，并求得励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add＝P₁+P₂，计算能量回收效率

3)单片机将步骤2)计算得到的能量回收效率与所存储的优化参数表中转速和负载对应的最大能量回收效率Emax进行比较，优化参数表为Matlab-simulink仿真得到的优化参数表，优化参数表里存贮各种负载和转速下的最优开通角、关断角以及对应的最大能量回收效率，如果E＝Emax,则不做调节，如果E<Emax,则将优化参数表中存储的最大能量回收效率Emax所对应的开通角和关断角传递给驱动电路，由驱动电路将电机的开通角和关断角调节至优化参数表中的开通角和关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。

本发明中，单片机中存储的优化参数表中转速和负载对应的最大能量回收效率Emax和最优开通角、关断角是按照如下方法确定的：

通过Matlab-simulink仿真模型对开关磁阻电机进行仿真，在开关磁阻电机的三相中，每一相都通过两个Situation模块将励磁和续流两个阶段与回流阶段的电压电流分开测量，然后分别计算得到励磁阶段功率P₁'、续流阶段功率P₂'、回流阶段功率P₃',然后得到励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add'，定义能量回收效率通过网格法，在约束条件和优化目标下，把所有的参数组合都计算一遍，得到不同负载和转速下的最大回收效率以及对应的开通角和关断角；

约束条件包括电流不超过斩波限幅值，给定***的电压和电流不能落入下一个电感上升区，目标为能量回收效率最大。

本发明方法的实施电路包括功率主电路，驱动电路，电流电压检测电路，电流电压反馈接口电路，开关磁阻电动机，位置反馈接口电路，单片机数据处理器。电流电压检测电路连接功率主电路，电流电压由电流霍尔传感器、电压霍尔传感器测得，并将电流电压检测电路测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传到单片机数据处理器，开关磁阻电动机连接功率主电路，三相直流电，每相两根线连接电机三相，驱动电路给出6路驱动信号，控制功率电路三相开关器件的上管和下管，位置反馈接口电路测得转速和估算负载，单片机数据处理器接收电流电压反馈接口电路传递的电压电流信号、位置反馈接口电路传递的转速和负载、外部的加速或减速输入信号。

功率主电路包括A,B,C三相，三相接法相同，A相包括第一MOS管、第二MOS管、第一二极管、第二二极管和相绕组，第一MOS管的漏极连接电源正极，第一MOS管的源极通过相绕组连接第二MOS管的漏极，第二MOS管的源极通过采样电阻连接到电源负极，第一二极管的阴极连接电源正极，第一二极管的阳极连接第二MOS管的漏极，第二二极管的阴极连接第一MOS管的源极，第二二极管的阳极连接电源负极，第二MOS管的源极连接到电流电压检测电路。电流电压检测电路包括三相相绕组、霍尔传感器和电压霍尔传感器，霍尔传感器串联在电机相绕组回路上，电压霍尔传感器并联在相绕组上。单片机数据处理器内存入Matlab-simulink仿真模型得到的优化参数表，用于控制驱动电路。在开关磁阻电机的励磁阶段、续流阶段和回流阶段，经过电流电压检测电路测出这三个阶段的电压、电流并通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传给单片机，由单片机计算得到励磁阶段功率P₁、续流阶段功率P₂和回流阶段功率P₃，并求得励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add＝P₁+P₂，计算能量回收效率与单片机内存入的优化参数表比较，结果用于控制驱动电路，调节开通、关断角。

优化参数表通过Matlab-simulink模型得到，Matlab是美国Mathworks公司出品的商业软件，用于算法开发，数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和simulink两部分，simulink主要是做***仿真。

通过功率主电路中的第一MOS管和第二MOS管控制开关磁阻电机的工作模式：当第一MOS管、第二MOS管均导通时，开关磁阻电机处于励磁工作阶段，采样电阻两端的励磁电压信号传递到电流电压检测电路，将测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波后输送到单片机数据处理器，实现对绕组功率的采样；当第一MOS管截止，第二MOS管导通时，开关磁阻电机处于续流工作阶段，采样电阻两端的续流电压信号传递到递到电流电压检测电路，将测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波后输送到单片机数据处理器，实现对绕组功率的采样；当第一MOS管，第二MOS管同时截止时，电机处于回流工作阶段，绕组中的电流回流给直流电源馈电，将测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波后输送到单片机数据处理器，实现对绕组功率的采样。

其中，单片机数据处理器的处理包括，励磁阶段功率P₁、续流阶段功率P₂和回流阶段功率P₃，并求得励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add＝P₁+P₂，计算能量回收效率将计算得到的能量回收效率和单片机内存贮的优化参数表中对应负载和转速下的最大能量回收效率比较，如果等于最大能量回收效率，则不对开通关断角作调节；如果小于最大能量回收效率，则通过驱动电路调节电机的开通角和关断角等于优化参数表中的开通关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

先前的研究中一般忽略回流阶段的能量，现在通过Matlab-simulink模型得到不同负载和转速对应的最大能量回收效率及开通角、关断角，制成优化参数表。之前对开关磁阻电机在励磁、续流、回流三个阶段没有功率反馈，现在通过增加电流电压检测电路和电流电压反馈接口电路两部分可以得到反馈的功率值，从而实现自适应动态环境。通过控制开关磁阻电机开通角、关断角的方法实现了回流阶段能量的最大效率回收，延长了电动车电池的续航里程。本发明解决了目前电池利用率不高、续航里程小，不能充分回收回流阶段的能量的问题。本发明的优选方案中，通过Matlab-simulink模型得到各种转速和负载对应的最大回收效率及开通角和关断角。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的功率主电路原理图；

图3是本发明方法励磁工作模式下的工作原理图；

图4是本发明方法续流工作模式下的工作原理图；

图5是本发明方法回流工作模式下的工作原理图。

图中：A、B、C代表电机的A、B、C三相，Vs为电源，

S₁是A相第一MOS管；S₂是A相第二MOS管；S₃是B相第一MOS管；S₄是B相第二MOS管；S₅是C相第一MOS管；S₆是C相第二MOS管；D₁是A相第一二极管，D₂是A相第二二极管，D₃是B相第一二极管，D₄是B相第二二极管，D₅是C相第一二极管，D₆是C相第二二极管，L₁是A相绕组，L₂是B相绕组、L₃:是C相绕组。

具体实施方式

下面结合对本发明作更进一步的说明。

本发明的调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法，通过增加电流电压反馈接口电路和位置反馈接口电路这两个反馈实现了动态自适应环境，包括以下步骤：

1)电流电压检测电路6采集励磁阶段、续流阶段和回流阶段的电流、电压初值，并传送给电流电压反馈接口电路7，电流电压反馈接口电路7对电流、电压初值进行滤波处理后传送给单片机，位置反馈接口电路5中的霍尔传感器采集电机的转速，同时根据电机模型估算负载，并将转速和负载发送给单片机数据处理器，单片机数据处理器接收电流电压反馈接口电路传递的电压电流信号、位置反馈接口电路传递的转速和负载、外部的加速或减速输入信号。单片机数据处理器内存入Matlab-simulink仿真模型得到的优化参数表，用于控制驱动电路。在开关磁阻电机的励磁阶段、续流阶段和回流阶段，经过电流电压检测电路测出这三个阶段的电压、电流并通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传给单片机；

2)单片机计算得到励磁阶段功率P₁、续流阶段功率P₂和回流阶段功率P₃，并求得励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add＝P₁+P₂，计算能量回收效率

3)将能量回收效率与单片机内存入的优化参数表比较，结果用于控制驱动电路。优化参数表里存贮各种负载和转速下的最优开通角、关断角以及对应的最大能量回收效率Emax，如果E＝Emax,则不做调节，如果E<Emax,则将优化参数表中存储的最大能量回收效率Emax所对应的开通角和关断角传递给驱动电路2，由驱动电路2将电机的开通角和关断角调节至优化参数表中的开通角和关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。

本发明方法的实施电路包括功率主电路，驱动电路，电流电压检测电路，电流电压反馈接口电路，开关磁阻电动机，位置反馈接口电路，单片机数据处理器。电流电压检测电路连接功率主电路，电流电压由电流霍尔传感器、电压霍尔传感器测得，并将电流电压检测电路测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传到单片机数据处理器，开关磁阻电动机连接功率主电路，三相直流电，每相两根线连接电机三相，驱动电路给出6路驱动信号，控制功率电路三相开关器件的上管和下管，位置反馈接口电路测得转速和估算负载，单片机数据处理器接收电流电压反馈接口电路传递的电压电流信号、位置反馈接口电路传递的转速和负载、外部的加速或减速输入信号。单片机数据处理器内存入Matlab-simulink仿真模型得到的优化参数表。

其中优化参数表是通过开关磁阻电机的Matlab-simulink仿真模型获得，在开关磁阻电机的三相中，每一相都通过两个Situation模块将励磁和续流两个阶段与回流阶段的电压电流分开测量，然后分别计算得到励磁阶段功率P₁'、续流阶段功率P₂'、回流阶段功率P₃',然后得到励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add'，定义能量回收效率通过网格法，在约束条件和优化目标下，把所有的参数组合都计算一遍，得到不同负载和转速下的最大回收效率以及对应的开通角和关断角。

本发明方法的优选实施例中，确定优化参数表中转速和负载对应的最大能量回收效率Emax和最优开通角、关断角时，所采用的网格法是指先是在开通角和关断角的给定范围内以大步长，给定开通角，调节关断角，给定关断角，调节开通角；然后再找到的合适区间内小步长调节开通角、关断角，计算每种情况下的能量回收效率，以此精确地得到每种情况下的开通角、关断角。

驱动电路2采用IR公司生产的专用集成驱动芯片IR2110来驱动功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

位置反馈接口电路中根据电机模型估算负载采用已知的传统估算方法，由转矩推知负载，电流和角度估算得到转矩。

电流电压采样电路设置在开关磁阻电机的相绕组上，通过开关磁阻电机绕组电流电压采样电路中的第一MOS管S1和第二MOS管S2控制开关磁阻电机的工作模式；在开关磁阻电机的励磁和续流工作阶段，相绕组电流通过串联在相绕组L1上的霍尔传感器得到，电压霍尔传感器测得成励磁电压信号和续流电压信号，电流电压检测电路6测得的励磁、续流阶段的电流电压信号通过电流电压反馈接口电路7滤波处理后传递到单片机数据处理器1进行分析；在开关磁阻电机的回流工作阶段，开关磁阻电机完成换相，进入回流阶段和下一相绕组电流、电压的采样和处理步骤。回流阶段的采样步骤与励磁和续流阶段的采样步骤相同。

下面结合附图对本方法对应的电路做进一步说明：

如图1所示，本发明提供的开关磁阻电机电流电压检测连接功率主电路并将电流电压检测测得的电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传到单片机数据处理器，开关磁阻电动机连接功率主电路并将位置信号传给位置反馈接口电路，单片机数据处理器接收电流电压反馈接口电路传递的电压电流信号、位置反馈接口电路传递的转速、负载信号、外部的加速或减速输入以及驱动电路反馈的信号进行分析，与单片机内存入的数据比较，将比较结果传到驱动电路，驱动电路产生控制信号，调节功率主电路的开通、关断角。功率主电路和电机连接是：三相直流电，每相两根线连接电机三相驱动电路连接，驱动电路给出6路驱动信号，功率主电路三相开关器件的上管和下管电压电流测量就是电流霍尔传感器，电压霍尔传感器。

功率主电路3的A相包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、相绕组L2、第一二极管D1和第二二极管D2，其中，第一MOS管和第二MOS管型号为AOT470；整个电路采用48V低压直流电源向电路供电。第一MOS管M1的漏极连接电源正极，第一MOS管S1的源极通过相绕组11连接第二MOS管S2的漏极，第二MOS管M2的源极连接到电源负极，第一二极管D1的阴极连接电源正极，第一二极管D1的阳极连接第二MOS管M2的漏极，第二二极管D2的阴极连接第一MOS管M1的源极，第二二极管D2的阳极连接电源负极，霍尔传感器串联在电机相绕组回路上，电压霍尔传感器并联在相绕组上。单片机数据处理器为32位单片机，包括，计算励磁和续流阶段的功率和、回流阶段的功率，根据将计算得到的能量回收效率和单片机内存贮的优化参数表中负载和转速对应的最高能量回收效率比较，如果等于最大能量回收效率，则不对开通关断角作调节；如果小于最大能量回收效率，则通过驱动电路调节电机的开通角和关断角等于优化参数表中的开通关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。

开关磁阻电机功率主电路是三相12/8定转子，通过开关磁阻电机功率主电路中的第一MOS管和第二MOS管控制开关磁阻电机的工作阶段，在开关磁阻电机的励磁和续流工作阶段，相绕组电流通过霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测得励磁阶段电流、电压信号和续流阶段电流、电压信号，经电流电压检测测得的励磁阶段电流、电压信号和续流阶段电流、电压信号通过电流电压反馈接口电路滤波处理后传递到单片机数据处理器1进行分析；在开关磁阻电机的回流工作阶段，相绕组电流通过霍尔传感器和电压霍尔传感器测得回流阶段的电流、电压信号，经电流电压检测电路5通过电流电压反馈接口电路6滤波处理后传递到单片机数据处理器1进行分析；单片机数据处理包括：计算励磁和续流阶段的功率和，计算回流阶段的功率，与单片机内预存优化参数表比较，根据比较结果调节开通角、关断角。

励磁阶段：在图2所示电路结构的基础上，如图3所示，当第一MOS管S1、第二MOS管S2均导通时，开关磁阻电机处于励磁工作模式，此时外部提供的48V直流驱动电源，第一MOS管S1，电机A相绕组L1，第二MOS管S2构成一个电流回路。电流方向如箭头所示，霍尔传感器串联在电机相绕组回路上，电压霍尔传感器并联在相绕组上(未画出)，将电压、电流信号传递给单片机数据处理器，单片机计算励磁阶段的功率。

续流阶段：在图2所示电路结构的基础上，如图4所示，当第一MOS管S1截止，第二MOS管S2导通时，开关磁阻电机处于续流工作模式，此时A相绕组L1，第二二极管D2，第二MOS管S2构成一个电流回路。霍尔传感器串联在电机相绕组回路上，电压霍尔传感器并联在相绕组上(未画出)，将电压、电流信号传递给单片机数据处理器，单片机计算得到续流阶段的功率。

回流阶段：在图2所示电路结构的基础上，如图5所示，当第一MOS管S1，第二MOS管S2同时截止时，电机处于回流工作模式，此时第一二极管D1，A相绕组L1，第二二极管D2和外部48V直流电源形成回路，此时绕组中的电流回流给直流电源馈电，霍尔传感器串联在电机相绕组回路上，电压霍尔传感器并联在相绕组上(未画出)，将电压、电流信号传递给单片机数据处理器，单片机计算回流阶段的功率，根据将计算得到的能量回收效率和单片机内存贮的优化参数表中对应负载和转速的最大能量回收效率比较，如果等于最大能量回收效率，则不对开通关断角作调节；如果小于最大能量回收效率，则通过驱动电路调节电机的开通角和关断角等于优化参数表中的开通关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)电流电压检测电路(6)采集励磁阶段、续流阶段和回流阶段的电流初值、电压初值，并传送给电流电压反馈接口电路(7)，所述电流电压反馈接口电路(7)对电流、电压初值进行滤波处理后传送给单片机，位置反馈接口电路(5)中的霍尔传感器采集电机的转速，同时根据电机模型估算负载，并将转速和负载发送给单片机；

2)所述单片机分别求取励磁阶段功率P₁、续流阶段功率P₂和回流阶段功率P₃，并求得励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add＝P₁+P₂，计算能量回收效率

3)单片机将所述步骤2)计算得到的能量回收效率与所存储的优化参数表中转速和负载对应的最大能量回收效率Emax进行比较，所述优化参数表为Matlab-simulink仿真得到的优化参数表，优化参数表里存贮各种负载和转速下的最优开通角、关断角以及对应的最大能量回收效率，如果E＝Emax,则不做调节，如果E<Emax,则将优化参数表中存储的最大能量回收效率Emax所对应的开通角和关断角传递给驱动电路(2)，由驱动电路(2)将电机的开通角和关断角调节至优化参数表中的开通角和关断角，从而使得能量回收效率逼近最大的能量回收效率。

2.根据权利要求1所述的调节开关磁阻电机开通角和关断角的方法，其特征在于，所述单片机中存储的优化参数表中转速和负载对应的最大能量回收效率Emax和最优开通角、关断角是按照如下方法确定的：

通过Matlab-simulink仿真模型对开关磁阻电机进行仿真，在开关磁阻电机的三相中，每一相都通过两个Situation模块将励磁和续流两个阶段与回流阶段的电压电流分开测量，然后分别计算得到励磁阶段功率P₁'、续流阶段功率P₂'、回流阶段功率P₃',然后得到励磁阶段和续流阶段的功率之和P_add'，定义能量回收效率通过网格法，在约束条件和优化目标下，把所有的参数组合都计算一遍，得到不同负载和转速下的最大回收效率以及对应的开通角和关断角；

所述约束条件包括电流不超过斩波限幅值，给定***的电压和电流不能落入下一个电感上升区，目标为能量回收效率最大。