CN109586647A - 开关磁阻电机调速节能控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了开关磁阻电机调速节能控制方法及其装置，属于电机控制领域。本发明相比传统开关磁阻电机调速方法，能够使开关磁阻电机在更宽的转速范围内具有更好地调速能力。本发明由开关磁阻电机本体、功率变换器和控制器组成，实现了低转速、中转速和高转速三个阶段的控制方式的自动切换、无缝切换，不受负载变换的影响。本发明的开关磁阻电机宽转速范围调速方法具有无需额外硬件设备、无需特殊电路结构等优点，同时不受开通角和关断角的变化切换引起开关磁阻电机转矩或转速的波动，使开关磁阻电机运行稳定，具有良好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机调速控制方法领域，尤其涉及开关磁阻电机调速节能控制方法及其装置。
背景技术
开关磁阻电机近年来已经被越来越多的应用在节能功能的风机和水泵、轨道交通、磁悬浮***、航空***、军工等领域。其中开关磁阻直线电机由于其结构坚固、高可靠性、良好的容错性、无永磁材料、定子集中绕组等优势，成为了近年来的研究热点。要保证开关磁阻电机可靠运行和高性能控制，就必须在不同速度段采用不同基本控制方式进行调速控制，因而需要不同控制方式之间的切换。传统的开关磁阻电机宽转速范围调速驱动***中，基本控制方式之间的切换以固定速度为切换点，当达到该速度时进行切换，但并未提及切换策略，因此会造成切换的不稳定性，因此研究开关磁阻电机宽转速范围调速方法具有重要意义。
近年来国内外学者在该领域做了一定的研究，提出一些控制方案。其中主要包括以下几种：变角度电流斩波控制法，变角度电压斩波控制法，及混合交叉控制法等实现平滑切换的方法。
中国发明专利公告号CN104333275B公开了一种开关磁阻电机宽调速范围交叉控制方法，开关磁阻电机宽调速范围控制***由转速调节器、电流斩波控制器、角度位置控制器、斩波计数器、比较选择器和两个可设定的常数寄存器组成；斩波计数器对每个电气周期电流斩波次数值进行计数，根据斩波计数器的计数值与两个常数寄存器设定的常数值比较结果，由比较选择器选择电流斩波控制器或选择角度位置控制器，实现了低转速、中转速、高转速三个阶段和加速、减速、匀速运行时电流斩波控制与角度位置控制自动切换、无缝衔接，不受负载变化的影响，该控制方法主要依靠计数器实现自动切换，需要设置额外的逻辑电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的开关磁阻电机调速控制方法需要额外硬件设备或是特殊电路结构，为此提供一种开关磁阻电机调速节能控制方法及其装置。
本发明的技术方案是：开关磁阻电机调速节能控制方法，它包括以下步骤：（1）、驱动开关磁阻电机运行在电流断续控制模式；（2）、根据开关磁阻电机电流斩波控制的电气特性，计算电压斩波控制的电压占空比，实现从电流斩波控制到电压斩波控制的切换；（3）、根据电压斩波控制的电压占空比，确定从电压斩波控制到角度位置控制的切换时刻。
上述方案中所述步骤（1）的电流断续控制模式为：驱动开关磁阻电机运行在电流斩波控制模式下，控制主电路器件的反复开通和关断以限制导通区间电流在给定的上下限之间；驱动开关磁阻电机运行在电压斩波控制模式下，控制主电路器件的反复开通和关断以控制电机转速；驱动开关磁阻电机运行在角度位置控制模式下，控制开通关断角的大小以控制电机转速。
上述方案中所述步骤（2）具体包括：根据开关磁阻电机的相电流，计算电压斩波控制的电压占空比，其计算公式是：，式中，D是电压斩波控制的电压占空比，iref是电流斩波控制的电流斩波限，D2和D1是调试中的电压占空比，I2和I1是调试中的电流斩波限，根据该电压占空比，进行控制方式由电流斩波控制到电压斩波控制的切换。
上述方案中所述步骤（3）具体包括：根据电压斩波控制的占空比，确定从电压斩波控制到角度位置控制的切换时刻，切换时刻为电压斩波控制的电压占空比为一，此时电压斩波控制的电气特性与角度位置控制的电气特性相同，实现从电压斩波控制到角度位置控制的切换。
上述方案中所述步骤（3）中将控制方式由电压斩波控制切换为角度控制，控制方式切换为角度位置控制后，开通角的调节公式为：，式中，为转子开通角，为转子起始位置，为最小电感，U为母线电压，iref为电流斩波限，w为电机转速。根据该公式，实现角度位置控制下开通角调节。
实现开关磁阻电机调速节能控制方法的装置，它包括与开关磁阻电机信号连接的转速调节器和模式选择器，所述转速调节器与模式选择器信号连接，所述模式选择器输出信号给功率变换器，所述功率变换器与开关磁阻电机连接。
本发明的有益效果是检测开关磁阻电机每相绕组的电流和占空比，通过计算和比较确定切换条件和切换时刻，可在不同速度段使用不同的控制方式的三段式调速，同时保证控制方式切换时开关磁阻电机转速转矩的稳定性，实现宽转速范围调速控制。
附图说明
图1是开关磁阻电机电流断续控制模式电流波形图；
图2是开关磁阻电机三段式基本控制程序框图；
图3是开关磁阻电机调速节能控制程序流程图；
图4是本发明的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明检测开关磁阻电机每相绕组的电流和占空比，通过计算和比较确定切换条件和切换时刻，从而完成开关磁阻电机三段式调速控制中不同控制方式的切换，实现开关磁阻电机调速节能控制方法。
图1所示为开关磁阻电机电流断续控制模式电流波形图。在每个电感周期内，在电感上升区绕组导通，产生电流，产生正转矩，在电感下降区绕组关断，电流减小至零，避免负转矩，因此电流是断续的。
图2所示为开关磁阻电机三段式基本控制程序框图。将电机转速输入至模式选择器，通过模式选择器在不同的速度段选择不同的控制方式，在低速段时采用电流斩波控制，在中速段时采用电压斩波控制，在高速段时采用角度位置控制，将给定转速与实际转速的差值和模式选择器根据实际转速选择出来的模式输入至转速调节器，调节不同控制模式下的控制量，实现开关磁阻电机的转速闭环控制。
图3所示为本发明的开关磁阻电机调速节能控制程序流程图。根据开关磁阻电机电流斩波控制的电气特性，计算电压斩波控制的电压占空比，实现从电流斩波控制到电压斩波控制的切换的方法为：根据电流斩波控制时绕组的电流斩波限，将电流斩波限输入至计算公式，计算得到电压斩波控制时的电压占空比，将控制方式由电流斩波控制切换为电压斩波控制，实现控制方式的平滑切换。其计算公式为：
（1）
式中，是电压斩波控制的电压占空比，是电流斩波控制的电流斩波限，和是调试中的电压占空比，和是调试中的电流斩波限。
根据电压斩波控制的电压占空比，确定从电压斩波控制到角度位置控制的切换时刻的方法为：根据电压斩波控制时的电压占空比，当电压占空比达到一时，电压斩波控制的电气特性与角度位置控制的电器特性相同，将控制方式由电压斩波控制切换为角度控制，实现控制方式的平滑切换。控制方式切换为角度位置控制后开通角的调节公式为：
（2）
式中，为转子开通角，为转子起始位置，为最小电感，为母线电压，为电流斩波限，为电机转速。
图4所示为本发明的实验结果图。通过上述方法可在不同速度段使用不同的控制方式的三段式调速，同时保证控制方式切换时开关磁阻电机转速转矩的稳定性，实现宽转速范围调速控制。
Claims (7)
1.开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：它包括以下步骤：（1）、驱动开关磁阻电机运行在电流断续控制模式；（2）、根据开关磁阻电机电流斩波控制的电气特性，计算电压斩波控制的电压占空比，实现从电流斩波控制到电压斩波控制的切换；（3）、根据电压斩波控制的电压占空比，确定从电压斩波控制到角度位置控制的切换时刻。
2.如权利要求1所述的开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：所述步骤（1）的电流断续控制模式为：驱动开关磁阻电机运行在电流斩波控制模式下，控制主电路器件的反复开通和关断以限制导通区间电流在给定的上下限之间；驱动开关磁阻电机运行在电压斩波控制模式下，控制主电路器件的反复开通和关断以控制电机转速；驱动开关磁阻电机运行在角度位置控制模式下，控制开通关断角的大小以控制电机转速。
3.如权利要求1或2所述的开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：所述步骤（1）驱动开关磁阻电机运行在低速时采用电流斩波控制模式，在中速时采用电压斩波控制模式，在高速时采用角度位置控制模式，从而使电机正常运行。
4.如权利要求1或2所述的开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：所述步骤（2）具体包括：根据开关磁阻电机的相电流，计算电压斩波控制的电压占空比，其计算公式是：D=(D2-D1)/(I2-I1)*iref，式中，D是电压斩波控制的电压占空比，iref是电流斩波控制的电流斩波限，D2和D1是调试中的电压占空比，I2和I1是调试中的电流斩波限，根据该电压占空比，进行控制方式由电流斩波控制到电压斩波控制的切换。
5.如权利要求1或2所述的开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：所述步骤（3）具体包括：根据电压斩波控制的占空比，确定从电压斩波控制到角度位置控制的切换时刻，切换时刻为电压斩波控制的电压占空比为一，此时电压斩波控制的电气特性与角度位置控制的电气特性相同，实现从电压斩波控制到角度位置控制的切换。
6.如权利要求1或2所述的开关磁阻电机调速节能控制方法，其特征是：所述步骤（3）中将控制方式由电压斩波控制切换为角度控制，控制方式切换为角度位置控制后，开通角的调节公式为：θon=θm-Lmin*iref*w/U，式中，θon为转子开通角，θm为转子起始位置，Lmin为最小电感，U为母线电压，iref为电流斩波限，w为电机转速，根据该公式，实现角度位置控制下开通角调节。
7.用于实现如权利要求1-6任一所述的开关磁阻电机调速节能控制方法的装置，其特征是：它包括与开关磁阻电机信号连接的转速调节器和模式选择器，所述转速调节器与模式选择器信号连接，所述模式选择器输出信号给功率变换器，所述功率变换器与开关磁阻电机连接。
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