一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，該方法在無中點電容裂相式電路的母線上放置一個電流傳感器，輸出端給入峰值控制模塊；單片機產(chǎn)生PWM信號來觸發(fā)峰值控制模塊，在觸發(fā)信號進來時，峰值控制模塊輸出開通信號，當母線電流峰值大于給定值時，模塊保持輸出關斷信號，直到下個周期的PWM信號觸發(fā)，然后重復整個過程。峰值控制模塊的控制信號輸入給單片機，單片機通過捕獲四路位置信號的跳沿獲得換相信息，峰值控制信號只作用于單相驅(qū)動信號的前四分之一個周期。本發(fā)明控制方法減少了母線電壓的脈動，降低了母線電容紋波電流，實現(xiàn)了對母線電容容值的降低，同時，減少了控制器的設計難度，降低了產(chǎn)品設計成本及計算復雜度。
【專利說明】
一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，具體涉及一種開關磁阻電機單電流傳感器下降低母線電容容值的控制方法，屬于電機控制技術領域。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)中，換相時電流源與電機間的能量交換是引起母線電壓及電流脈動的主要原因，因而母線上需要一個大容量的電解電容來存儲釋放能量，從而減少電壓、電流的脈動。但是電解電容的尺寸、體積、費用以及可靠性是主要矛盾點并限制了他們在高功率密度、高可靠性的這類潛在應用場合。傳統(tǒng)的降低電容容值的方法是通過改變變換器結(jié)構(gòu)或者調(diào)節(jié)功率因數(shù)來實現(xiàn)，但是這會增大系統(tǒng)的復雜度、尺寸以及花費，更會影響系統(tǒng)的效率。
[0003]文南犬(Wisaruda Suppharangsan, Jiabin Wang.Switching technique forminimizat1n of DC-1 ink capacitance in switched reluctance machine drives.1ET Electrical Systems in Transportat1n,2015,Vo1.5(4): 185-193)中米樣母線電流積分控制來減小母線電容值，在傳感器輸出端連接了積分器，通過對母線電流積分值的控制來實現(xiàn)對母線電容的減小，但是需要一個高頻積分器，同時每相電流均需采樣，不但增加處理器的復雜度，同時成本也需上升，且該方法存在最高轉(zhuǎn)速的限制，不能在全速范圍內(nèi)實行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，通過對母線峰值電流的控制，減少了母線電壓的脈動，降低了母線電容紋波電流，實現(xiàn)對母線電容容值的降低，解決了現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)單電流傳感器控制的技術問題。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，所述開關磁阻電機包括A、B、C、D四相繞組，該方法設置單片機用于驅(qū)動A、B、C、D四相繞組對應的功率管，設置峰值控制模塊與單片機交互通信，設置電流傳感器用于實時采集母線電流并傳送至峰值控制模塊；
單片機以1kHz頻率的PWM信號觸發(fā)峰值控制模塊，當峰值控制模塊被觸發(fā)時，向單片機輸出功率管開通信號，由單片機控制功率管開通，同時，峰值控制模塊被觸發(fā)時，對實時采集的母線電流進行判斷，峰值控制模塊中存儲有預設給定值，當母線電流小于等于給定值時，峰值控制模塊向單片機輸出功率管開通信號，當母線電流大于給定值時，峰值控制模塊向單片機輸出功率管關斷信號；當下一周期的PW1信號觸發(fā)時，重復上述過程；
當峰值控制模塊輸出開通信號時，將兩相繞組中對應上橋臂的功率管和對應下橋臂的功率管開通;當峰值控制模塊輸出關斷信號時，將后一相繞組對應的功率管關斷，等待下一周期的PWM信號觸發(fā)峰值控制模塊；
峰值控制模塊向單片機輸出信號后，單片機通過捕獲A、B、C、D各相位置信號的跳沿獲得換相信息，且峰值控制模塊輸出的信號交替地與各相位置信號的前四分之一個周期相與，從而得到各相功率管的驅(qū)動信號。
[0006]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述開關磁阻電機為偶數(shù)相電機。
[0007]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述當峰值控制模塊輸出開通信號時，將兩相繞組中對應上橋臂的功率管和對應下橋臂的功率管開通時，兩相繞組的相電流與母線電流相等。
[0008]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述當峰值控制模塊輸出關斷信號時，將后一相繞組對應的功率管關斷時，母線電流等于O。
[0009]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述母線電壓的脈動量小于等于5%。
[0010]本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:
1、本發(fā)明降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，在換相時，母線峰值電流的控制方法減少了母線電壓的脈動，降低了母線電容紋波電流，實現(xiàn)了對母線電容容值的降低。
[0011]2、本發(fā)明降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，通過在母線上安裝單個電流傳感器，實現(xiàn)對4相開關磁阻電機的控制，同時濾除低頻換相諧波，降低了母線電容的紋波電流，進一步壓縮成本，減少了控制器的設計難度，降低了產(chǎn)品設計成本及計算復雜度。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法的整體架構(gòu)圖。
[0013]其中，P麗為1kHz的觸發(fā)信號，Idciink為直流母線電流，A、B、C、D為電機各相繞組，Da、Db、Dc、Dd均為二極管，Sa、Sb、S。、Sd均為功率管。
[0014]圖2是本發(fā)明中非換相區(qū)內(nèi)，變換器的工作模態(tài)，其中，(a)是A、D相開通時電流的流向，(b)是A相關斷時電流的流向。
[0015]圖3是本發(fā)明中換相區(qū)內(nèi)，變換器的工作模態(tài)，其中，(a)是D相關斷，A、B相開通時電流的流向，(b)是B相關斷時電流的流向。
[0016]圖4是A、B、C、D各相的驅(qū)動信號和峰值控制模塊的控制信號圖。
[0017]圖5是峰值電流控制下，母線電流最大值Idonax、母線電流Idclink、各相電流Iphs的波形圖。
[0018]圖6(a)是傳統(tǒng)滯環(huán)控制下流過母線電容的紋波電流圖。
[0019]圖6(b)是峰值電流控制下流過母線電容的紋波電流圖。
【具體實施方式】
[0020]下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。[0021 ]本發(fā)明針對母線電流積分法所存在的轉(zhuǎn)速限制、成本高、計算復雜等問題提出的低成本、寬轉(zhuǎn)速下，用于降低母線電容容值的控制方法。本發(fā)明通過對母線峰值電流的控制，實現(xiàn)了降低母線電壓的脈動量的技術要求，將其脈動量控制在5%以內(nèi)；同時省略除各相電流的電流傳感器，只在母線上安裝單個電流傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對4相開關磁阻電機的控制，降低了設計成本及計算的復雜程度;采用固定頻率的高頻控制信號，濾除母線電流存在的低頻換相諧波，減少了流過電容的紋波電流。
[0022]本發(fā)明的控制方法為:在無中點電容裂相式電路的母線下端放置一個電流傳感器，輸出端經(jīng)過調(diào)理電路再給入峰值控制模塊。在無中點電容裂相式電路的母線上放置一個電流傳感器，當一個上橋臂的功率管和一個下橋臂的功率管開通時，流過電機繞組的相電流與母線電流相等，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對相電流的控制;開關磁阻電機系統(tǒng)為偶數(shù)相電機。
[0023]峰值控制模塊的工作原理:單片機產(chǎn)生1kHz的Pmi信號來觸發(fā)峰值控制模塊，在觸發(fā)信號進來時，峰值控制模塊輸出開通信號，當母線電流峰值大于給定值時，模塊保持輸出關斷信號，直到下個周期的PWM信號觸發(fā)，然后重復整個過程。驅(qū)動信號的生成:峰值控制模塊的控制信號輸入給單片機，單片機通過捕獲四路位置信號的跳沿獲得換相信息。峰值控制信號只作用于驅(qū)動信號的前四分之一個周期。開關模態(tài):當峰值控制信號為開通時，將一個上橋臂的功率管和一個下橋臂的功率管開通，當峰值控制信號為關斷時，將后一相繞組對應的功率管關斷，此時母線電流等于O，峰值控制模塊保持關斷，等待下個周期PffM信號觸發(fā)。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明利用單電流傳感器實現(xiàn)了減少母線電容容值的原理與方法，為了解釋上的方便，將一個開關周期劃分成兩個區(qū)間:換相區(qū)與非換相區(qū)。假設四相電機的導通順序為:AB-BC-CD-DA。
[0025]在非換相區(qū)內(nèi)，關斷相C與開通相A的電流換相已經(jīng)完成，此時A、D相開通且勵磁電流恒定的。單片機產(chǎn)生1kHz的PWM信號來觸發(fā)峰值控制模塊，在觸發(fā)信號進來時，峰值控制模塊輸出開通信號，A相和D相將被開通，如圖2的(a)所示，圖2和圖3中的虛線表示電流的流向，電流通過功率管向兩相勵磁。直流母線電流Idclink是正向電流并且等于相電流:1a=Id。同時，電流傳感器對母線電流進行采樣，其輸出值給入峰值電流控制模塊。如圖2的(b)所示，當電流峰值達到給定值后，上管Sa關斷，各相電流通過二極管、下功率管實現(xiàn)自然續(xù)流，此時直流母線電流為O，峰值控制模塊保持關斷。在下個周期PffM信號觸發(fā)時，峰值控制模塊再次輸出開通信號，然后整個過程再重復?？芍妇€峰值電流控制策略將會維持母線電流最大值在一個恒定值的同時A、D相電流也維持在恒定值。
[0026]在換相區(qū)內(nèi)，D相關斷，A、B相開通，因為母線電流不包含D相電流，峰值電流并未達到給定值，如圖3的(a)所示，開通相A、B在一個1kHz開關周期的開始產(chǎn)生正向壓降，同時關斷相D與A相串聯(lián)成續(xù)流回路，繞組兩端產(chǎn)生幅值SUa=Udc-Uci的負向壓降，電流減小。D相繞組存儲的磁能一部分轉(zhuǎn)換為機械能，一部分傳遞給A相。在此狀態(tài)下，直流母線電流等于開通相電流:1a=Ib，開通相從母線吸收正向電流，關斷相電流不將電流回饋給母線。同時如圖3的(b)所示，當母線電流峰值達到給定值后，下管Sb關斷，各相電流通過二極管、上功率管實現(xiàn)續(xù)流，關斷相D將部分磁能傳輸給A相，此時直流母線電流為O，峰值電流固定不變。在下個周期的PWM信號觸發(fā)時，峰值控制模塊輸出開通信號，然后整個過程再重復。如圖5所示，給出了換相前后，各相電流的合成波形、直流母線電流波形、峰值波形?？梢钥闯?，在換相階段，連續(xù)幾個1kHz開關周期內(nèi)，母線電流最大值因未達到給定值，峰值電流一直在增大，同時在整個換相區(qū)內(nèi)，D相電流始終與A相串聯(lián)成續(xù)流回路，將大部分磁能傳遞給A相，減少損耗。各功率管的開關為Sa、Sb、S。、Sd，當功率管開通時開關狀態(tài)為“I”，關斷時開關狀態(tài)為“O”。為了避免關斷相電流回饋母線，各相在其導通周期內(nèi)，存在不同的開關狀態(tài)。在A相導通周期內(nèi)，A、D相開通時，母線電流過流后Sa關斷，在A、B相開通時，母線電流過流后Sb關斷。如圖4所示，采用四分之一周期的斬管策略，解決續(xù)流相電流回饋的問題，峰值控制模塊的控制信號交替的與各相位置信號的前四分之一個周期相“與”，得到功率管的驅(qū)動信號。
[0027]圖6(a)和圖6(b)分別為傳統(tǒng)控制下母線電容的紋波電流和峰值電流控制下母線電容的紋波電流，經(jīng)過對比可見，峰值電流控制策略可以有效降低母線電容的紋波電流峰峰值，紋波電流的減少可以有效延長電容使用壽命，降低電容值。
[0028]從結(jié)果上看，采用單電流傳感器采樣的母線峰值電流控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對各相電流的控制，在理想狀態(tài)下，母線電流上低于PWM頻率的電流諧波將會被濾除?？刂撇呗陨鲜歉鶕?jù)給定的母線電流峰值來控制變換器上功率管的開關狀態(tài)。從能量轉(zhuǎn)換的角度來說，這種開關策略是將磁能儲存在關斷相以防止能量回饋給直流源，所儲存的能量，要么消耗在關斷相，要么在換相區(qū)傳遞給了開通相。
[0029]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，所述開關磁阻電機包括A、B、C、D四相繞組，其特征在于，該方法設置單片機用于驅(qū)動A、B、C、D四相繞組對應的功率管，設置峰值控制模塊與單片機交互通信，設置電流傳感器用于實時采集母線電流并傳送至峰值控制豐旲塊; 單片機以1kHz頻率的PWM信號觸發(fā)峰值控制模塊，當峰值控制模塊被觸發(fā)時，向單片機輸出功率管開通信號，由單片機控制功率管開通，同時，峰值控制模塊被觸發(fā)時，對實時采集的母線電流進行判斷，峰值控制模塊中存儲有預設給定值，當母線電流小于等于給定值時，峰值控制模塊向單片機輸出功率管開通信號，當母線電流大于給定值時，峰值控制模塊向單片機輸出功率管關斷信號；當下一周期的PW1信號觸發(fā)時，重復上述過程； 當峰值控制模塊輸出開通信號時，將兩相繞組中對應上橋臂的功率管和對應下橋臂的功率管開通;當峰值控制模塊輸出關斷信號時，將后一相繞組對應的功率管關斷，等待下一周期的PWM信號觸發(fā)峰值控制模塊； 峰值控制模塊向單片機輸出信號后，單片機通過捕獲A、B、C、D各相位置信號的跳沿獲得換相信息，且峰值控制模塊輸出的信號交替地與各相位置信號的前四分之一個周期相與，從而得到各相功率管的驅(qū)動信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，其特征在于，所述開關磁阻電機為偶數(shù)相電機。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，其特征在于，所述當峰值控制模塊輸出開通信號時，將兩相繞組中對應上橋臂的功率管和對應下橋臂的功率管開通時，兩相繞組的相電流與母線電流相等。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，其特征在于，所述當峰值控制模塊輸出關斷信號時，將后一相繞組對應的功率管關斷時，母線電流等于O。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述降低母線電容容值的開關磁阻電機控制方法，其特征在于，所述母線電壓的脈動量小于等于5%。
【文檔編號】H02P25/08GK105958890SQ201610402351
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】周聰, 劉闖, 趙燕喃, 張旸明
【申請人】南京航空航天大學