基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术属于电机驱动控制技术领域，提出了基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，包括四电平功率电路、开关磁阻电机、控制器、电压传感器、电流传感器、位置传感器和电容保护电路。基于四电平功率电路具有的高压快速励磁和高压快速退磁以及电机各相重叠导通运行时运行模式可独立控制的功能，通过控制策略和控制参数的优化，本发明专利技术解决了开关磁阻电机高速运行时励磁电流难以建立以及退磁电流长拖尾的问题，提高了开关磁阻电机驱动系统运行效率，拓宽了开关磁阻电机调速范围。拓宽了开关磁阻电机调速范围。拓宽了开关磁阻电机调速范围。

【技术实现步骤摘要】
基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法


[0001]本专利技术属于电机驱动控制
，具体涉及基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机因其结构简单、可靠性高、成本低、调速性能好以及无需稀土永磁材料等优点而广泛用于各种工业应用中。然而它也存在转矩密度低、效率不高和转矩脉动大的问题。在减少转矩脉动方面，人们已经开展了许多研究并取得了较好的效果。在提高转矩密度和运行效率以及扩展调速范围方面，除了开关磁阻电机的优化设计，人们在开关磁阻电机的优化控制方面也进行了许多研究。开通角和关断角是开关磁阻电机的重要控制参数。因此，人们通过励磁控制角的优化来提高开关磁阻电机驱动系统的输出性能。
[0003]开关磁阻电机高速运行时，由于电机的反电动势增大且每周期励磁和退磁时间缩短，使得常压励磁时相电流难以达到期望值。在基于传统不对称半桥功率电路的开关磁阻电机控制系统中，常压励磁和常压退磁难以满足相电流快速建立和快速下降的要求，影响电机的输出性能。另外，开关磁阻电机高速运行时，相邻相常处于重叠导通运行状态，而相与相之间运行模式的独立性对于制定更灵活的控制策略以进一步优化开关磁阻电机的输出性能是非常重要的。
[0004]综上所述，为提高电机的输出性能，提高电机运行效率，提出一种具有高压励磁和高压退磁能力的可克服传统系统中母线电压的限制，且相邻相在重叠导通运行时其运行模式可独立控制的开关磁阻电机控制系统是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的不足，提出了基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法。基于四电平功率电路具有的高压快速励磁和高压快速退磁以及电机相邻相重叠导通运行时运行模式可独立控制的功能，通过控制策略和控制参数的优化，本专利技术解决了开关磁阻电机高速运行时励磁电流难以建立以及退磁电流容易延伸至电感下降区的问题，提高了开关磁阻电机驱动系统的运行效率，拓宽了开关磁阻电机调速范围。
[0006]本专利技术的技术方案是：基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，该系统由四电平功率电路、开关磁阻电机、控制器、电压传感器、电流传感器、位置传感器和电容保护电路组成。
[0007]其中，四电平功率电路包括直流电源、稳压电容C1、升压电容C2和由开关管和二极管组成的桥臂电路，桥臂电路的数量与电机的相数相等，每个桥臂连接一相电机绕组。
[0008]所述稳压电容C1与所述直流电源并联，所述升压电容C2的负极与稳压电容C1的正极串联。
[0009]所述桥臂电路包括开关管Q1、Q2、Q3，以及二极管D1、D2、D3；所述桥臂电路中开关管Q3的发射极接直流电源的负极，开关管Q1的集电极接在升压电容C2的正极。
[0010]所述开关磁阻电机绕组的上端连接开关管Q2的发射极，电机绕组的下端连接开关管Q3的集电极。
[0011]所述电压传感器置于四电平功率电路的升压电容C2两端，所述电流传感器置于四电平功率电路的每相桥臂上与电机每相绕组相连，所述位置传感器用于采集开关磁阻电机的转子位置反馈值。
[0012]所述电容保护电路接收电压传感器采集的升压电容C2的电压值，与迟滞比较器预设电容电压值进行比较，得到电容是否需要进行放电的逻辑信号，并输出给IGBT驱动电路。另外，所述电容保护电路允许控制器进行主动保护动作。
[0013]所述控制器用于接收所述电压传感器采集的四电平功率电路的升压电容电压值和所述电流传感器采集的每相电流值以及所述位置传感器采集的所述开关磁阻电机的转子位置反馈值，所述控制器的输出端连接于所述四电平功率电路每相桥臂开关管的驱动电路。
[0014]所述控制系统的控制器执行MTPA控制策略，通过优化控制实现开关磁阻电机驱动系统最大转矩安培比运行，所述控制方法包括以下步骤：
[0015]a.基于实时转速ω和给定转速ω*的转速偏差，由速度控制器计算参考转矩T
ref
；
[0016]b.基于参考转矩T
ref
和实时转速ω，通过查MTPA控制参数表，得到优化后开关磁阻电机的控制参数，包括电机相绕组开始励磁的开通角θ
on
、开始退磁的关断角θ
off
、参考电流I
ref
和高压励磁的开通角
[0017]c.基于升压电容实际电压和给定参考电压通过母线电压闭环控制，得到开关磁阻电机高压励磁关断角
[0018]d.基于参考电流I
ref
和绕组电流反馈值以及开关磁阻电机的转子位置反馈值，低速时采用电流斩波控制，高速时采用角度位置控制；
[0019]所述基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，采用基于四电平功率电路的MTPA控制策略，充分利用高压励磁和高压退磁，通过优化控制实现最大转矩安培比优化运行。
[0020]所述控制系统的高压母线电压的稳定由基于四电平功率电路的母线电压闭环控制实现。
[0021]所述母线电压闭环控制通过采集升压电容两端的输出电压得到与预设电容电压之间的偏差，再经电压调节器运算获得MTPA控制策略的高压励磁导通宽度即通过控制高压励磁的时间，来控制升压电容的放电量，在升压电容的充放电过程中实现退磁回馈和励磁放电的平衡，达到稳定母线电压。
[0022]所述母线电压闭环控制策略通过自动控制，不仅可以实现电容电压的充放电平衡，达到母线电压的稳定，而且还可进行升压电容电压的自主调节，实现变电压控制。
[0023]所述的基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，其电容保护电路由迟滞比较器、与逻辑门、IGBT驱动、IGBT开关管Q
S
和放电电阻R
S
构成。
[0024]所述迟滞比较器，通过电位器来调节给定电容电压值的上限与下限；所述电容保护电路接收电压传感器采集的升压电容C2的电压值，当升压电容C2的电压值超过设定上限值，驱动IGBT开关管Q
S
开通，此时升压电容C2经放电电阻R
S
放电；当放电至设定的下限值后，
驱动IGBT开关管Q
S
关断。
[0025]所述电容保护电路允许控制器主动进行放电动作，当电容充电量大于放电量时，所述控制器执行保护动作，进行主动放电。
[0026]所述的基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，其MTPA控制策略的控制参数表包括开始励磁的开通角θ
on
、开始退磁的关断角θ
off
、参考电流I
ref
和高压励磁的开通角该控制参数表的特点在于基于四电平功率电路的高压励磁和高压退磁，通过遍历寻优得到，优化步骤包括：
[0027]a.将高压励磁的范围置于电感较小的区域，通过角度优化，遍历寻得在各个矩速点工作下使转矩安培比最大的以实现高效地快速励磁；
[0028]b.基于优化的和所述母线电压闭环的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及控制方法，其特征在于，包括四电平功率电路、开关磁阻电机、控制器、电压传感器、电流传感器、位置传感器和电容保护电路；所述四电平功率电路包括直流电源、稳压电容C1、升压电容C2和由开关管和二极管组成的桥臂电路，桥臂电路的数量与电机的相数相等，每个桥臂连接一相电机绕组；所述稳压电容C1与所述直流电源并联，所述升压电容C2的负极与稳压电容C1的正极串联；所述桥臂电路包括开关管Q1、Q2、Q3，以及二极管D1、D2、D3；所述桥臂电路中开关管Q3的发射极接直流电源的负极，开关管Q1的集电极接在升压电容C2的正极；所述电机绕组的上端连接开关管Q2的发射极，电机绕组的下端连接开关管Q3的集电极；所述电压传感器置于四电平功率电路的升压电容C2两端，所述电流传感器置于四电平功率电路的每相桥臂上与电机每相绕组相连，所述位置传感器用于采集开关磁阻电机的转子位置反馈值；所述电容保护电路接收电压传感器采集的升压电容C2的电压值，与迟滞比较器预设电容电压值进行比较，得到电容是否需要进行放电的逻辑信号，并输出给IGBT驱动电路；所述电容保护电路允许控制器进行主动保护动作；所述控制器用于接收所述电压传感器采集的四电平功率电路的升压电容电压值和所述电流传感器采集的每相电流值以及所述位置传感器采集的所述开关磁阻电机的转子位置反馈值；所述控制器的输出端连接于所述四电平功率电路每相桥臂开关管的驱动电路；所述控制系统的控制器执行MTPA控制策略，通过优化控制实现开关磁阻电机驱动系统最大转矩安培比运行，所述控制方法包括以下步骤：a.基于实时转速ω和给定转速ω*的转速偏差，由速度控制器计算参考转矩T
ref
；b.基于参考转矩T
ref
和实时转速ω，通过查MTPA控制参数表，得到优化后开关磁阻电机的控制参数，包括电机相绕组开始励磁的开通角θ
on
、开始退磁的关断角θ
off
、参考电流I
ref
和高压励磁的开通角c.基于升压电容实际电压和给定参考电压通过母线电压闭环控制，得到开关磁阻电机高压励磁关断角d.基于参考电流I
ref
和绕组电流反馈值以及开关磁阻电机的转子位置反馈值，低速时采用电流斩波控制，高速时采用角度位置控制；所述基于四电平功率电路的开关磁阻电机控制系统及其控制方法，采用基于四电平功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡燕，刘浩，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：