CN107947672A - 一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法，以铜耗为控制对象。当转速较低时，开关磁阻电机采用电流斩波控制，通过给定功率下相电流有效值最小时与开关角度、斩波限的关系，简化激励参数为开关角度。实现宽转速内效率优化。以相电流有效值最小为目标，通过实验测量得出相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束。该方法提高了电机本体效率，降低了功率变换器的损耗，提高功率变换器工作可靠性、开关器件工作寿命。对开关磁阻电机***具有良好的优化效果。

Description

一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法

技术领域：

本发明涉及一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法，以电机的铜耗为控制对象，适用于宽转速范围、斩波控制时采用双斩控制、电机级数较少的开关磁阻电机***。

背景技术：

开关磁阻电机转子上无绕组、无刷、无永磁体，在定子上设有绕组，结构简单、坚固，功率密度高、制造成本低，适用于恶劣的工作环境。开关磁阻电机的损耗主要有铁心损耗、铜线损耗、机械损耗和杂散损耗等，其中铜耗占有电机损耗的大部分。降低开关磁阻电机***工作过程中的损耗，提高***工作效率，对开关磁阻电机在实际中的应用以及节能减排都具有重大的意义。由于开关磁阻电机在低速与高速时激励控制参数的个数不同，因此现有的优化效率的方法一般只适用于低速或者高速下，且主要针对的是电机本体的效率优化。优化铜耗，以相电流有效值最优为控制目标，可简化低速斩波模式下激励参数个数，实现宽转速范围内效率优化。铜耗占有开关磁阻电机损耗的大部分，优化铜耗可以提高电机效率。降低相电流有效值，减小开关管的损耗，降低温度，提高工作寿命；同时降低了功率变换器的器件损耗与线路损耗，提高功率变换器的工作可靠性与开关磁阻电机***的效率。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种既能优化开关磁阻电机本体的效率，又能降低功率变换器器件损耗与线路损耗、提高功率变换器效率的适用于宽转速范围内、以铜耗为优化目标的宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法。

本发明所采用的技术方案有：一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法，所述开关磁阻电机***效率包括励磁电源，开关磁阻电机，由主开关、二极管构成的不对称半桥拓扑结构的功率变换器，斩波阶段开关磁阻电机采用双斩控制方式，步骤如下：

(1)当电机转速较低，反电动势较小时，电机采用电流斩波控制，激励参数有开关角度和电流斩波限，铜耗与相电流有效值成正比，优化铜耗等效于优化相电流有效值，通过给定功率下相电流有效值最小时与开关角度、斩波限的关系，简化激励参数为开关角度，设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束；

(2)当电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束；

(3)采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束，开关磁阻电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能；

(4)通过实验测量得出相电流有效值最小时开关磁阻电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。

本发明具有如下有益效果：本发明以开关磁阻电机的铜耗为优化目标，对于电机本体而言，由于铜耗占有电机损耗的大部分，因此电机的效率将得到提高；对于功率变换器而言，由于电机工作在不同功率下相电流有效值最小值点，器件损耗与电路损耗大幅度降低，增加了功率变换器工作的可靠性；对于开关管而言，损耗的减小降低了开关管的工作温度，增加了工作寿命与安全性。因此本发明提高了开关磁阻电机***的效率，对于开关磁阻电机***的实际应用有较大意义。同时，本发明简化了低速电流斩波控制时电机激励参数的个数，可以在全转速范围内对开关磁阻电机***进行效率优化控制。二分法查找速度快，可根据需求改变开通角度的精度范围，给定工作点变化时快速响应达到下一个稳定值。

附图说明：

图1是本发明的开关磁阻电机***拓扑。

图2是本发明的开关磁阻电机采用电流斩波控制与角度位置控制时，相电流波形和开关管驱动信号示意图。

图3是本发明的电流斩波控制下激励参数简化的示意图。

图4是本发明的开关磁阻电机***效率优化控制的二分法查找开通角度的示意图。

图5是本发明的开关磁阻电机***效率优化控制框图示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的开关磁阻电机***拓扑结构，功率变换器采用的不对称半桥。

如图1所示，开关磁阻发电机***主要由原动机、开关磁阻发电机(图中A、B、C为开关磁阻电机的三相转子)、功率变换器、外界直流电源E、位置信号检测装置和数字控制器组成。

原动机与开关磁阻发电机通过一根同心转轴固定在一起，提供外力拖动开关磁阻发电机转动，为整个***提供机械能。位置信号检测装置(光电传感器或者编码器等固定在开关磁阻发电机上)用于检测转子的相对位置，将检测信号传递到数字控制器中，数字控制器根据位置检测信号，结合不同的控制策略，控制功率变换器MOSFET的开通与关断。功率变换器每条回路的两个MOSFET分别接在开关磁阻发电机相应相绕组的两端。

当开关磁阻发电机在原动机的带动下转动时，以A相绕组为例，数字控制器根据相应的转子位置信号和相应的控制策略控制S1和S2开通，外接的直流电源E通过S1、S2给A相绕组通电使其处于励磁状态。当数字控制器根据不同的转子位置信号和相应的控制策略控制S1和S2关断时，A相绕组两端的电压极性与励磁阶段的电压极性相反，此时两个二极管导通，相绕组中储存的能量经两个二极管给电容C充电。随着电机的转动，数字控制器根据不同的转子位置信号和控制策略控制功率变换器各相回路MOSFET的开通与关断，从而使开关磁阻发电机各相绕组依次处于励磁与发电的交替状态。

如题2所示，以A相为例，电流斩波控制时，激励阶段S1和S2同时导通，斩波阶段S1和S2同时关断；角度位置控制时，激励阶段S1与S2同时导通，续流阶段S1和S2同时关断。

本发明的宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法，包括如下步骤：

(1)当电机转速较低，反电动势较小时，电机采用电流斩波控制，激励参数有开关角度和电流斩波限。铜耗与相电流有效值成正比，优化铜耗等效于优化相电流有效值。通过给定功率下相电流有效值最小时与开关角度、斩波限的关系，可以简化激励参数为开关角度，如图3所示。设定电机允许的最大斩波限值电流i_max、二分法查找精度值e和给定功率P_ref，，通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域[θ_l,θ_u]，如图4所示。利用二分法控制开通角度θ_on、功率闭环控制关断角度θ_off，直到查找到满足查找精度值的最优开通角度θ_opl。

(2)当电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域[θ_l,θ_u]，利用二分法查找开通角度θ_on、功率闭环控制关断角度θ_off，直到查找到满足查找精度值的最优开通角度θ_opl。

(3)采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束。开关磁阻电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能。根据实测数据测量，通过数据拟合得到不同功率下开通角度区域[θ_l,θ_u]。取该区域的中间角度θ_d＝(θ_l+θ_u)/2作为电机的开通角度，当电机稳定时测量出该角度下相电流有效值i_r1。给定开通角度以角度扰动Δθ(Δθ>0)，稳定后测得此时相电流有效值i_r2。比较两者大小，若i_r1>i_r2，说明此时开通角度处于最优角度θ_opl的左侧区域，则此时θ_opl处于区间[θ_d,θ_u]内，令θ_l＝θ_d，继续取该区间内中间角度并给予扰动；若i_r1<i_r2，此时开通角度处于最优角度θ_opl右侧区域，θ_opl处于区间[θ_l,θ_d]内，令θ_u＝θ_d，取该区间内中间角度给予扰动。重复上面的步骤，则最优角度所在的区域范围θ_opl因被持续的二分而减小，当角度满足所需的精度后，取该区间内的中间角度即为该工作点下的最优开通角度θ_opl。利用下式计算给定的角度扰动Δθ：

(4)通过实验测量可以得出相电流有效值最小时开关磁阻电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。

如图5所示，为本发明的开关磁阻电机***效率优化控制框图。

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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种宽转速范围开关磁阻电机***效率优化控制方法，所述开关磁阻电机***效率包括励磁电源，开关磁阻电机，由主开关、二极管构成的不对称半桥拓扑结构的功率变换器，斩波阶段开关磁阻电机采用双斩控制方式，其特征在于：步骤如下：

(1)当电机转速较低，反电动势较小时，电机采用电流斩波控制，激励参数有开关角度和电流斩波限，铜耗与相电流有效值成正比，优化铜耗等效于优化相电流有效值，通过给定功率下相电流有效值最小时与开关角度、斩波限的关系，简化激励参数为开关角度，设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束；

(2)当电机转速较高，反电动势较大时，电机采用角度位置控制，激励参数有开关角度设定电机允许的最大斩波限值电流、二分法查找精度值和给定功率，通过相电流有效值最小时开关磁阻电机转速—功率—开通角度关系，计算出最优开通角度区域，利用二分法查找开通角度、功率闭环控制关断角度，直到满足查找精度值后结束；

(3)采用二分法在最优开通角度区域查找开通角度，通过给定扰动比较相电流有效值，不断将开通角度区域二分而减小，当开通角度区域满足给定精度时，查找结束，开关磁阻电机工作在给定工作点的最小铜耗模式，发出电能；

(4)通过实验测量得出相电流有效值最小时开关磁阻电机在不同功率点下关断角度处于固定区域，采用曲线拟合得出不同转速功率点下关断角度处于固定区域时最优开通角度区域，得出转速—功率—开通角度关系。