CN107046388B - 一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法、控制器及调速*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法、控制器及调速***，根据电流偏差信号的正负以及大小，计算出每个控制周期的电压占空比，实现控制量的更新；换相阶段输出的电压控制量还考虑了相邻相对导通相的互感影响。本发明在低控制频率下提高了电流跟踪精度，达到了高开关频率的效果，提高了电流动态跟踪能力，有效地减小了换相期间和非换相期间的转矩脉动，且在功率器件开关频率受限的情况下开关器件不必长时间暴露在大电流下，控制方法简单易行，可靠性强，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法、控制器及调速***。
背景技术
开关磁阻电动机(SRM)由于结构简单、工作可靠、起动转矩大、机械效率高的优点，被认为是变速驱动领域极具潜力的一员。但由于其定、转子的双凸极结构，相电感值随转子位置显著变化，使得开关磁阻电动机具有无精确数学模型、严重非线性的特点，对其相电流很难达到精确的控制，而转矩脉动的抑制很大程度上取决于对相绕组电流的控制精度，因此，设计出一个高跟踪性能的电流控制器迫在眉睫。
当开关磁阻电机调速***的控制频率设置在低频率5kHz时，采用电流滞环控制，一个开关周期内开关器件将一直保持在开通或关断状态，整个开关周期内电流将一直上升或下降，会出现高峰值的脉冲电流，尤其是随着滞环宽度的进一步减小该高峰值脉冲电流的频率将继续提高。电流会出现高频电流脉冲峰值高的情况，5kHz控制频率下采用电流滞环控制电流曲线受控程度低。而且，电流滞环控制是通过设定允许偏差环宽将电流限定在环宽之内，其本身就是一种允许偏差存在的控制方式，控制精度的提高有赖于环宽的减小。然而环宽的减小意味着开关频率的提高，而功率器件开关频率受限，尤其是在大电流情况下开关频率无法保持在很高的数值。而且电流滞环控制下开关器件长时间暴露在大电流下，易损坏功率器件。开关磁阻电机相邻两相换相期间，绕组内均有电流流通，其中一相对另一相的互感影响是存在的，即对其进行控制时需要考虑互感磁链，尤其当互感电流较大时，互感影响是不容忽视的。
因此，有必要针对上述传统的电流滞环控制的不足和现有控制方法忽略互感影响的不足，设计一种新的开关磁阻电机控制方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，，本发明提供一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法、控制器及调速***。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：
一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法，基于脉宽占空比控制模块(PWM_Duty_Control)、转矩分配模块和转矩-电流换算模块(T_I)进行电流跟踪控制；其中转矩分配模块的输入端接转速PI控制器，输出端接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块的输出端接脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块接收电机各相的参考电流信号、实际电流信号、角度位置信号和换相信号，其输出端接功率变换器；
所述转矩分配模块将转速PI控制器输出的参考转矩分配给电机各相绕组，即产生各相参考转矩信号，输出至接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块将输入的各相参考转矩信号转化为各相参考电流信号，输出至脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块比较由转矩-电流换算模块输入的参考电流信号和实际电流信号，得到电流偏差信号；根据电流偏差信号的正负和大小输出相应的PWM占空比，控制功率器件的开、关时间，即实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号。
在非换相期间和换相期间，实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号的方法为：
当实际电流信号大于参考电流信号时，即电流偏差信号为负时，若绕组处于正压施加状态，则更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，使功率器件关断，从而对该绕组施加零压或负压，即实际电流信号与参考电流信号之差大于设定阈值时，施加负压，反之施加零压，使实际电流信号快速跟踪上参考电流信号，直至实际电流信号与参考电流的差值为零，反之施加零压；
当实际电流信号小于参考电流信号时，若绕组处于零压或负压施加状态，则更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，使功率器件正向导通，从而对该绕组施加正压，使实际电流信号快速跟踪上参考电流信号，直至实际电流信号与参考电流的差值为零，即达到了希望的零差值目标。
所述设定阈值为1A。
PWM控制模块占空比计算由自行编写的Fcn函数完成；换相阶段的PWM占空比计算还考虑了相邻相对开通相绕组的互感磁链的影响。
所述PWM占空比的计算方法为：
(1)在非换相期间，PWM占空比通过以下方程组进行计算：
其中，ρ为PWM占空比，T为控制周期，ikref(t)是t时刻k相参考电流；s(j)为第k相绕组在第j个控制周期内的通电状态，取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态；Udc为母线电压，θ为t时刻转子位置角，Lk(θ)为k相绕组在下一控制周期T内的电感平均值，R是k相绕组的电阻值、ω是开关磁阻电机的实际转速；
(2)在换相期间，PWM占空比通过以下方程组进行计算：
其中，s(i)为第k+1相绕组在第i个控制周期内的通电状态，取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态，对于8/6开关磁阻电机，k表示A、B、C、D四相中的任一相，对于6/4开关磁阻电机，k表示A、B、C三相中的任一相，Mk,k+1是因k+1相绕组电流变化在k相绕组内产生的互感磁链导致的互感，互感Mk,k+1通过磁链特性测量装置分别对单相和两相励磁时的磁链特性进行测量，再经过数学计算得到，Um为互感电压。
本发明还公开了一种开关磁阻电机电流跟踪控制器，包括脉宽占空比控制模块、转矩分配模块和转矩-电流换算模块；其中转矩分配模块的输入端接转速PI控制器，输出端接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块的输出端接脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块接收三相参考电流信号和实际电流信号，其输出端接功率变换器；
所述电流跟踪控制器采用上述方法进行电流跟踪控制。
本发明还公开了一种开关磁阻电机调速***，包括上述电流跟踪控制器、转速PI控制器和功率变换器；功率变换器输出连接至开关磁阻电机，为电机提供电能，并控制电机转速；
所述转速PI控制器的输入端接入开关磁阻电机的实际转速和给定转速，转换为参考转矩信号，输入至电流跟踪控制器；电流跟踪控制器根据输入信号产生相应的PWM占空比，实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，控制功率器件的开、关时间，从而实现电流跟踪和电机转速控制。
有益效果：
本发明根据电流偏差信号的正负和大小，实时更新不同控制周期内的PWM占空比即电压控制量，在低控制频率下提高了电流跟踪精度，达到了高开关频率的效果，提高了电流动态跟踪能力，有效地减小了换相期间和非换相期间的转矩脉动，且在功率器件开关频率受限的情况下，开关器件不必长时间暴露在大电流下。本发明控制方法简单易行，可靠性强，适于推广
附图说明
图1是本发明实施例所用的***仿真模型；
图2是本发明实施例所用的脉宽占空比控制(PWM_Duty_Control)器仿真模块；
图3是本发明实施例中换向期间K相详细的PWM占空比计算与施加过程；
图4是本发明实施例中非换相期间参考电流恒定时K相详细的PWM占空比计算与施加过程；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对PWM工作方式下的电流跟踪控制方法进一步说明。
为了验证本电流跟踪控制方法的有效性，搭建了开关磁阻电机调速***simulink仿真模型，如图1所示，该模型主要由5个单元组成，分别为开关磁阻电机、功率变换器、脉宽占空比控制模块(PWM_Duty_Control)、转矩分配模块和转矩-电流换算模块(T_I)。其中，开关磁阻电机采用MATLAB元件库里自带的6/4电机模型，功率变换器采用不对称半桥电路。
本电流跟踪控制方法的占空比控制仿真模型如图2所示，由信号分解(Demux)、三角波发生器(Repeating Sequence)、关系运算符(Relational Operator)、逻辑运算符(Logical Operator)、求和(Sum)、乘法(Product)等模块以及自行编写的Fcn函数构造占空比计算与预测，可实现电流的精确跟踪。其中，脉宽占空比控制模块(PWM_Duty_Control)的输入为电流偏差，通过自行编写的Fcn函数下计算得出下一个控制周期内的PWM占空比ρ，其用来控制功率器件的开、关时间，实现PWM控制。
实施例1：
基于图1和图2所示的simulink仿真模型，第k相绕组的电气方程为：
s(j)为第k相绕组在第j个控制周期内的通电状态，取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态，对于8/6开关磁阻电机，k表示A、B、C、D四相中的任一相，而对于6/4开关磁阻电机，k表示A、B、C三相中的任一相。由式(1)推导得出t时刻k相绕组的电流方程为：
其中，θ为t时刻转子位置角，Udc为母线电压，Lk(θ)为k相绕组在下一控制周期T内的电感平均值，R是k相绕组的电阻值、ω是开关磁阻电机的实际转速。
如图3所示，设占空比为ρ，中T为控制周期，则双管导通或关断的时间，即加正压或负压的时间为ΔT＝ρT，则下一时刻用于进行电流补偿的k相绕组电流偏差信号Δik为：
故有：
其中，Δik＝ikref(t)-ik(t)为k相绕组电流偏差信号；为k相绕组在下一控制周期T内的电感平均值；
基于图3和图4，非换相期间，当实际电流反馈大于参考电流时，应当断开导通绕组，对其施加零压或负压，即相差很大(参考标准值设定为1A)时，施加负压，使实际电流快速跟随上参考电流，反之施加零压。
基于图3和图4，换相期间，记相邻两相分别为第k相和第k+1相。考虑第k+1相对第k相的互感磁链影响，第k相的电气方程为：
其中，s(i)为第k+1相绕组在第i个控制周期内的通电状态，取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态，对于8/6开关磁阻电机，k表示A、B、C、D四相中的任一相，对于6/4开关磁阻电机，k表示A、B、C三相中的任一相，Mk,k+1是因k+1相绕组电流变化在k相绕组内产生的互感磁链导致的互感，互感Mk,k+1通过磁链特性测量装置分别对单相和两相励磁时的磁链特性进行测量，再经过数学计算得到，Um为互感电压。同样，当实际电流反馈大于参考电流时，应当断开导通绕组，对其施加零压或负压，即相差很大时，施加负压，使实际电流快速跟随上参考电流，反之施加零压。由式(5)推导得到的换相期间的PWM占空比ρ为：
式(6)中，Δik为k相绕组电流偏差信号，Δik＝ikref(t)-ik(t)，ik(t)为每个PWM周期的中点时刻对实际电流进行采样得到的采样值。
Claims (5)
1.一种开关磁阻电机电流跟踪控制方法，基于脉宽占空比控制模块、转矩分配模块和转矩-电流换算模块进行电流跟踪控制；其中转矩分配模块的输入端接转速PI控制器，输出端接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块的输出端接脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块接收三相参考电流信号和实际电流信号，其输出端接功率变换器；
所述转矩分配模块将转速PI控制器输出的参考转矩分配给电机各相绕组，即产生各相的参考转矩信号，并输出至接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块将输入的参考转矩信号转化为参考电流信号，并输出至脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块比较由转矩-电流换算模块输入的参考电流信号和实际电流信号，得到电流偏差信号；根据电流偏差信号的正负和大小输出相应的PWM占空比，即实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，控制功率器件的开、关时间，从而实现电流跟踪；
所述PWM占空比的计算方法为：
(1)在非换相期间，PWM占空比通过以下方程组进行计算：
其中，ρ为PWM占空比，T为控制周期，ikref(t)是t时刻k相参考电流；s(j)为第k相绕组在第j个控制周期内的通电状态，取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态；Udc为母线电压，θ为t时刻转子位置角，Lk(θ)为k相绕组在下一控制周期T内的电感平均值，R是k相绕组的电阻值、ω是开关磁阻电机的实际转速；
(2)在换相期间，PWM占空比通过以下方程组进行计算：
其中，s(i)为第k+1相绕组在第i个控制周期内的通电状态，s(j)为第k相绕组在第j个控制周期内的通电状态，二者取值为1、-1或0,分别对应正压、负压以及零压三种状态，Mk,k+1是因k+1相绕组电流变化在k相绕组内产生的互感磁链导致的互感，互感Mk,k+1通过磁链特性测量装置分别对单相和两相励磁时的磁链特性进行测量，再经过数学计算得到，Um为互感电压。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机电流跟踪控制方法，其特征在于，实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号的方法为：
当实际电流信号大于参考电流信号时，即电流偏差信号为负时，若绕组处于正压施加状态，则更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，使功率器件关断，从而对该绕组施加零压或负压，即实际电流信号与参考电流信号之差大于设定阈值时，施加负压，反之施加零压，使实际电流信号快速跟踪上参考电流信号，直至实际电流信号与参考电流的差值为零；
当实际电流信号小于参考电流信号时，即电流偏差信号为正时，若绕组处于零压或负压施加状态，则更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，使功率器件正向导通，从而对该绕组施加正压，使实际电流信号快速跟踪上参考电流信号，直至实际电流信号与参考电流的差值为零。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机电流跟踪控制方法，其特征在于，所述设定阈值为1A。
4.一种开关磁阻电机电流跟踪控制器，其特征在于，包括脉宽占空比控制模块、转矩分配模块和转矩-电流换算模块；其中转矩分配模块的输入端接转速PI控制器，输出端接转矩-电流换算模块；转矩-电流换算模块的输出端接脉宽占空比控制模块；脉宽占空比控制模块接收三相参考电流信号和实际电流信号，其输出端接功率变换器；
所述电流跟踪控制器采用权利要求1～3中任一项所述的方法进行电流跟踪控制。
5.一种开关磁阻电机调速***，其特征在于，包括权利要求4所述的电流跟踪控制器、转速PI控制器和功率变换器；功率变换器输出连接至开关磁阻电机，为电机提供电能，并控制电机转速；
所述转速PI控制器的输入端接入开关磁阻电机的实际转速和给定转速，转换为参考转矩信号，输入至电流跟踪控制器；电流跟踪控制器根据输入信号产生相应的PWM占空比，实时更新功率变换器中功率器件的门极驱动信号，控制功率器件的开、关时间，从而实现电流跟踪和电机转速控制。
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