降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法技术

本发明专利技术公开了降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，启动阶段固定开通角为θu，关断角为θa，待电机速度ω超过阈值转速ωth后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：步骤S1：设置开通角为θu，关断角为θa，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ωth，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θu，关断角为θa，重复该步骤；步骤S3：启动开通角调节过程；步骤S4：启动关断角调节过程；步骤S5：转到步骤S2。本发明专利技术自动调节方法通过在线自动调节可降低铜损、提高开关磁阻电机能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关磁阻电机，具体涉及降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法。
技术介绍
开关磁阻电机结构简单坚固，成本低，可靠性好，由其构成的开关磁阻电机驱动系统(SRD)特别适合需要快速频繁正反转和在很宽转速范围内调速的设备，如龙门吊、电动车辆、风力发电、航空设备等。开关磁阻电机的转动是通过依次切换各相绕组的导通和关断实现的，导通和关断时刻对应的位置分别称为开通角θon和关断角θoff。开通角和关断角的选取对于电机的能量转换效率影响很大。开关磁阻电机常见的有3相、4相等结构，各相对称。对任意一相，其电感随位置角周期性变化，每个变化周期称为一个电气周期。图1所示是任意一相电感随转子位置在一个电气周期内的变化图形。图中θu转子凸极和定子凸极完全不对齐的位置，Lu是该位置对应的电感，θa是转子凸极和定子凸极完全对齐的位置，La是该位置对应的电感；θm1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θm2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θn1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θn2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置。记绕组电流为i，则一相绕组产生的转矩T可表示为下述公式：为了提高能量转换效率，要求在输入电流相同的情况下，输出转矩越大越好。由图1可见，理想情况下的电流应完全位于区间[θm2，θn1]内，这样dL/dθ>0，产生的转矩完全为正，这种理想情况下的电流如图2中实线所示。但实际绕组电流的上升和下降均有一个时间过程，其形状如图2中虚线所示。为此，需要有一个科学合理的方法，确定开通角和关断角。首先定义期望的开通角。文献[Microcomputercontrolofswitchedreluctancemotor,IEEETrans.Ind.Appl.,vol.IA-22,pp.708-15.]定义了斩波模式下的期望开通角，即该开通角对应的电流满足在位置θm2处出现第一次斩波。本专利技术将其扩展，定义期望的开通角为：斩波模式下，对应的电流在位置θm2出现第一次斩波；非斩波模式下，对应的电流在位置θm2处达到指令电流。期望的关断角为本专利技术定义为：斩波模式下，对应电流在θa位置归零；非斩波模式下，对应电流在θn2位置归零。专利技术人试图建立一种方法通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可降低铜损、提高开关磁阻电机能量转换效率的开关角度自动调节方法，通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置。上述目的是通过如下技术方案实现的：一种降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，启动阶段固定开通角为θu，关断角为θa，待电机速度ω超过阈值转速ωth后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：步骤S1：设置开通角为θu，关断角为θα，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ωth，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θu，关断角为θa，重复该步骤；步骤S3：启动开通角调节过程；步骤S4：启动关断角调节过程；步骤S5：转到步骤S2；其中，步骤S3开通角调节过程具体包括如下步骤：步骤A1：判断上一个电气周期内，在[θon,θm2]区间内是否有斩波，如果有，转到步骤A2，否则，转到步骤A3；步骤A2：计算δθon＝θm2-θch，转到步骤A4；步骤A3：计算δi＝im2-icmd,δθon＝ωLuδi/v；步骤A4：δθon＝δθon/2,判断|δθon|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤A6，否则，转到步骤A5；步骤A5：计算中间变量θt＝θon+δθon，再对θt进行如下所示的饱和运算：步骤A6：本次开通角调节过程结束，返回进入上述步骤S4；其中，步骤S4关断角调节过程具体包括如下步骤：步骤B1：判断上一个电气周期内是否有斩波，如有，转到步骤B2，否则，转到步骤B3；步骤B2：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θa，计算δθoff＝θq_opt-θq，转到步骤B4；步骤B3：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θn2，计算δθoff＝(θq_opt-θq)/2；步骤B4：计算δθoff＝δθoff/2，判断|δθoff|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤B6，否则，转到步骤B5；步骤B5：计算中间变量θt＝θoff+δθoff，再对θt进行如下所示的饱和运算：步骤B6：本次关断角调节过程结束，返回进入上述步骤S5；上述方法中，θon为开通角；θoff为关断角；θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θa为定子凸极和转子凸极对齐位置；θstep为角度阈值；θq_opt为期望的电流归零位置；θq为实际的电流归零位置；θch为出现第一次斩波时的位置；θm1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θm2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θn1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θn2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置；ω为转速；ωth为转速阈值；icmd为电流命令；im2为θm2处电流；Lu为不对齐位置电感；v为导通时的相电压；T为转矩。上述自动调节方法的实现方法，基于比较器和微控制器MCU，包括变量的获取和计算：(1)变量的获取：通过电压和电流传感器采集到的电压和电流分别为vphA和iphA，经过MCU的内置A/D转换器转换后得到调节过程计算所需数字变量v和im2；icmd和iphA经比较器比较得斩波信号ChopA，θ是电机转子位置信号，由位置传感器得到；MCU的内置A/D转换器将输入的模拟信号icmd进行A/D转换，得到计算所需数字量icmd；将信号θ和ChopA输入MCU的定时/计数器单元，判断得到[θon,θm2]区间内是否有斩波、选定相一个电气周期内是否有斩波、选定相一个电气周期是否结束，获取ω、θu、θa、θch值；将定时/计数器单元和A/D转换器单元的控制相关联，获取im2、θq值；ωth、θstep预先设定，θm1、θm2、θn1、Lu、θn2是已知的电机参数；(2)计算：按照所述自动调节方法进行计算，编制程序在MCU中执行即可实现。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的自动调节方法通过在线自动调节，使得开通角和关断角不断趋近期望的位置，可降低铜损、提高开关磁阻电机能量转换效率。附图说明图1为一个电气周期内电感随位置角变化图；图2为绕组电流的期望形状和实际形状；图3为开关磁阻电机开关角度自动调节方法逻辑流程图；图4为开通角调节方法逻辑流程图；图5为关断角调节方法逻辑流程图；图6为实现方法的框图；图7为开关角度自动调节过程图；图8为使用本专利技术自动调节方法前后RMS电流对比图，图中1-转子位置，2-绕组电流，3-输出总转矩(5V/div,2A/div,0.8N.m/div,2ms/div)；其中，θon为开通角；θoff为关断角；θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θa本文档来自技高网...

【技术保护点】
降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，其特征在于：启动阶段固定开通角为θu，关断角为θa，待电机速度ω超过阈值转速ωth后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：步骤S1：设置开通角为θu，关断角为θa，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ωth，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θu，关断角为θa，重复该步骤；步骤S3：启动开通角调节过程；步骤S4：启动关断角调节过程；步骤S5：转到步骤S2；其中，步骤S3开通角调节过程具体包括如下步骤：步骤A1：判断上一个电气周期内，在[θon,θm2]区间内是否有斩波，如果有，转到步骤A2，否则，转到步骤A3；步骤A2：计算δθon＝θm2‑θch，转到步骤A4；步骤A3：计算δi＝im2‑icmd,δθon＝ωLuδi/v；步骤A4：δθon＝δθon/2,判断|δθon|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤A6，否则，转到步骤A5；步骤A5：计算中间变量θt＝θon+δθon，再对θt进行如下所示的饱和运算：θon=θm1θt<θm1θtθm1≤θt≤θm2θm2θt>θm2]]>步骤A6：本次开通角调节过程结束，返回进入上述步骤S4；其中，步骤S4关断角调节过程具体包括如下步骤：步骤B1：判断上一个电气周期内是否有斩波，如有，转到步骤B2，否则，转到步骤B3；步骤B2：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θa，计算δθoff＝θq_opt‑θq，转到步骤B4；步骤B3：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θn2，计算δθoff＝(θq_opt‑θq)/2；步骤B4：计算δθoff＝δθoff/2，判断|δθoff|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤B6，否则，转到步骤B5；步骤B5：计算中间变量θt＝θoff+δθoff，再对θt进行如下所示的饱和运算：θoff=(θm2+θn1)/2θt<(θm2+θn1)/2θt(θm2+θn1)/2≤θt≤θn1θn1θt>θn1]]>步骤B6：本次关断角调节过程结束，返回进入上述步骤S5；上述方法中，θon为开通角；θoff为关断角；θu为定子凸极和转子凸极不对齐位置；θa为定子凸极和转子凸极对齐位置；θstep为角度阈值；θq_opt为期望的电流归零位置；θq为实际的电流归零位置；θch为出现第一次斩波时的位置；θm1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到无重叠区域的位置，θm2是转子凸极和定子凸极从无重叠区域切换到部分重叠区域的位置，θn1是转子凸极和定子凸极从部分重叠区域切换到完全重叠区域的位置，θn2是转子凸极和定子凸极从完全重叠区域切换到部分重叠区域的位置；ω为转速；ωth为转速阈值；icmd为电流命令；im2为θm2处电流；Lu为不对齐位置电感；v为导通时的相电压；T为转矩。...

【技术特征摘要】
1.降低铜损的开关磁阻电机开关角度自动调节方法，包括电机启动和开关角度自动调节两个过程，其特征在于：启动阶段固定开通角为θu，关断角为θa，待电机速度ω超过阈值转速ωth后，认为电机已经可靠地启动，此时启动开关角度自动调节功能，该整体过程步骤包括：步骤S1：设置开通角为θu，关断角为θa，启动电机，任意选定一相作为信号采集对象；步骤S2：待上述选定相的一个电气周期结束后，检测电机速度ω，若大于阈值转速ωth，则转到步骤S3，否则，设置开通角为θu，关断角为θa，重复该步骤；步骤S3：启动开通角调节过程；步骤S4：启动关断角调节过程；步骤S5：转到步骤S2；其中，步骤S3开通角调节过程具体包括如下步骤：步骤A1：判断上一个电气周期内，在[θon,θm2]区间内是否有斩波，如果有，转到步骤A2，否则，转到步骤A3；步骤A2：计算δθon＝θm2-θch，转到步骤A4；步骤A3：计算δi＝im2-icmd,δθon＝ωLuδi/v；步骤A4：δθon＝δθon/2,判断|δθon|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤A6，否则，转到步骤A5；步骤A5：计算中间变量θt＝θon+δθon，再对θt进行如下所示的饱和运算：θon=θm1θt<θm1θtθm1≤θt≤θm2θm2θt>θm2]]>步骤A6：本次开通角调节过程结束，返回进入上述步骤S4；其中，步骤S4关断角调节过程具体包括如下步骤：步骤B1：判断上一个电气周期内是否有斩波，如有，转到步骤B2，否则，转到步骤B3；步骤B2：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θa，计算δθoff＝θq_opt-θq，转到步骤B4；步骤B3：设置期望的电流归零位置θq_opt＝θn2，计算δθoff＝(θq_opt-θq)/2；步骤B4：计算δθoff＝δθoff/2，判断|δθoff|是否小于位置传感器的精度值θstep，若是，转到步骤B6，否则，转到步骤B5；步骤B5：计算中间变量θt＝θoff+δθoff，再对θt进行如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海进，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32