專利名稱：開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，屬于電機測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電機由于存在結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性能高、成本低等優(yōu)點， 現(xiàn)已得到各行各業(yè)的重視和認(rèn)可。而開關(guān)磁阻電機同時又存在轉(zhuǎn)矩脈動大、噪 音高的缺點，使得開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用受到一定的限制，因此研究恒轉(zhuǎn)矩輸出 的開關(guān)磁阻電機控制方法成為開關(guān)磁阻電機研究的重要方向。傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電 機調(diào)速系統(tǒng)基本采用速度閉環(huán)和電流雙閉環(huán)的控制方式，使得開關(guān)磁阻電機的 轉(zhuǎn)速具有一定的穩(wěn)定性，但是開關(guān)磁阻電機是一種高磁飽和工作的電機，其參 數(shù)為非線性。特別是電機的電感參數(shù)，電機的電感不僅與電機轉(zhuǎn)子位置有關(guān)， 同時與電機繞組電流有關(guān)，傳統(tǒng)控制方式不能結(jié)合電機模型從根本實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩 輸出，致使存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決采用傳統(tǒng)速度閉環(huán)和電流雙閉環(huán)的控制方式控制開關(guān) 磁阻電機轉(zhuǎn)矩的方法存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，提供了一種開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn) 矩的控制方法。
本發(fā)明方法包括以下步驟
步驟一、給定開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩T;
步驟二、開關(guān)磁阻電機的相繞組的參考電流為L，并初始化為Im^丄i ，其 中Ie為相繞組的額定電流；
步驟三、査開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表，獲得當(dāng)開關(guān)磁阻
電機轉(zhuǎn)子位置ej寸，與相繞組參考電流L對應(yīng)的相繞組瞬時電感，進而獲得該
點相繞組瞬時電感對應(yīng)的電感斜率、，電感斜率K表征瞬時電感相對于轉(zhuǎn)子位置的變化率；
步驟四、根據(jù)下述公式獲得輸出的相繞組電流i:
步驟五、判斷是否滿足關(guān)系式|卜1」<1口
其中，^為允許電流誤差；
判斷結(jié)果為否，Iin=i，執(zhí)行步驟二，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟六， 步驟六、將相繞組電流i輸出并加載到相繞組兩端，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機恒 定轉(zhuǎn)矩控制。
本發(fā)明的優(yōu)點方法簡單，容易實現(xiàn)，使用本方法控制開關(guān)磁阻電機恒轉(zhuǎn) 矩效果好，轉(zhuǎn)矩脈動很小，提高了開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)性能。


圖l是本發(fā)明方法流程圖，圖2是實施方式二方法流程圖，圖3是實施方 式二相繞組兩端加載電壓示意圖，圖4是實施方式二轉(zhuǎn)子位置固定時隨著采樣 時間變化而變化的相繞組電流曲線示意圖，圖5是全域非線性電感曲線簇示意 圖，圖6是磁化曲線示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖l、圖5和圖6說明本實施方式，本實施方式 方法包括以下步驟
步驟一、給定開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩T;
步驟二、開關(guān)磁阻電機的相繞組的參考電流為I^并初始化為^-ile,其
2
中Ie為相繞組的額定電流；
步驟三、査開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表，獲得當(dāng)開關(guān)磁趙 電機轉(zhuǎn)子位置&時，與相繞組參考電流L對應(yīng)的相繞組瞬時電感，進而獲得該
點相繞組瞬時電感對應(yīng)的電感斜率kL ，電感斜率K表征瞬時電感相對于轉(zhuǎn)子位 置的變化率；步驟四、根據(jù)下述公式獲得輸出的相繞組電流
1 =
2T
仏
步驟五、判斷是否滿足關(guān)系式li-1」<1口 其中，lL為允許電流誤差；
判斷結(jié)果為否，im=i，執(zhí)行步驟二，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟六， 步驟六、將相繞組電流i輸出并加載到相繞組兩端，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機恒 定轉(zhuǎn)矩控制。 工作原理
根據(jù)磁共能原理，開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置6,1時，開關(guān)磁阻電機輸出的阻轉(zhuǎn) 矩T為
T =——(1) 其中，i是相繞組電流；
W'(^，i)是磁共能，定義為如圖6所示的磁化曲線下方的面積，它可以表
示為w'〈en，i,= ￡M/〈en，i」di 。由于磁鏈vi/(en，i)可表示成v(en，i卜L(e,，，i)i，
所以開關(guān)磁阻電機輸出的轉(zhuǎn)矩T為
T二丄丄「 L(6n,i)di2 (2) 風(fēng)j。
v n"
整理公式(2)可以得到 ，
T二丄i2.^1 (3)
2 ae
其中^^ =、，、為圖5所示全域非線性電感曲線族中某點瞬時電感 L( ，i)的電感斜率。
根據(jù)公式(3)整理得到i- 二 (4)
牧
因此可以看出開關(guān)磁阻電機輸出的轉(zhuǎn)矩T與電機相繞組電流i的平方成正 比，與該位置電機瞬時電感的電感斜率k,成正比。確定開關(guān)磁阻電機按設(shè)定值 轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)動，我們只要調(diào)整相繞組電流i和電感斜率I^ ，使得i2 K為恒值即可。
本發(fā)明方法采用的電流逼近的方法計算出對應(yīng)某個轉(zhuǎn)子位置en應(yīng)輸出的相
繞組電流i，具體過程為
已知轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)子位置e。，給一個參考電流Im，并初始化為Im:告ie，查 閱開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表可得知，對應(yīng)^的瞬時電感，也
就能得到該點對應(yīng)的電感斜率kL，根據(jù)公式(4)可以得到控制開關(guān)磁阻電機的
相繞組電流i。
但此時不能直接輸出，必須先判斷一下這個電流值是否可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控 制，采用電流逼近的算法，判斷l(xiāng)i-Ij。卜lL嗎？如果此式成立，說明計算得出的 相繞組電流i與參考電流Im很接近，可以認(rèn)為相等，滿足電機恒轉(zhuǎn)矩控制的要 求，如果不相等，我們將此次計算得出的相繞組電流i賦值給參考電流L，重 新再計算，多次循環(huán)計算，直到滿足li-I」〈1,，將計算滿足條件的相繞組電流 i輸出，加載在開關(guān)磁阻電機的相繞組上，進行恒轉(zhuǎn)矩控制。
本實施方式的方法采用數(shù)字信號處理芯片DSP進行數(shù)字計算，速度非?？?，
在開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)到某個位置時能快速計算出能實現(xiàn)電機恒轉(zhuǎn)矩的相繞組電流 i，本方法充分的結(jié)合開關(guān)磁阻電機數(shù)學(xué)模型，充分的考慮了開關(guān)磁阻電機非線 性的特點，實現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機穩(wěn)定的輸出恒轉(zhuǎn)矩，脈動很小。 '
具體實施方式
二下面結(jié)合圖2至圖5說明本實施方式，本實施方式與實i
施方式一的不同之處在于，步驟三所述開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)
據(jù)表的獲取方法為
步驟a、設(shè)定n為開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子測量位置的變量，且初始化為n二i步驟b、控制步進電機旋轉(zhuǎn)一個步進角度9b，步進電機帶動開關(guān)磁阻電機
的轉(zhuǎn)子軸，旋轉(zhuǎn)步進角度eb，使開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子固定在測量位置e,、，
0魂^360°;
步驟C、給開關(guān)磁阻電機的相繞組兩端加載階躍電壓U;
步驟d、計算機通過電流傳感器采集相繞組的電流值，采樣周期為AT; 步驟e、計算機通過下述公式獲取每個采樣周期AT內(nèi)相繞組的瞬時電感
L(en,i)，進而獲得在轉(zhuǎn)子位置ej寸，不同的相繞組的電流值對應(yīng)相繞組的瞬時
電感L化，i):
其中，i。為某個采樣周期AT開始時的電流初始值，
i為某個采樣周期AT結(jié)束時的電流結(jié)束值，
R為相繞組的等效電阻， 歩驟f、當(dāng)相繞組的電流值飽和后，斷開加載在相繞組兩端的階躍電壓U; 步驟g、判斷是否滿足nxeb^36(T，
判斷結(jié)果為是，n=n+l，執(zhí)行步驟b，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟h， 步驟h、編制開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表。 其它與實施方式一相同。
開關(guān)磁阻電機的電感是非線性的，轉(zhuǎn)子位置不同時，電感不同；相繞組中 電流值不同時，電感也不同。精確測量開關(guān)磁阻電機的非線性電感難度很大。
首先設(shè)定n=l，此時開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子位置為e,，轉(zhuǎn)子位置的確定很容
易，零位置為預(yù)先設(shè)定的，可以獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后到達(dá)的位置確定的角度信息。 本方法涉及的轉(zhuǎn)子可以不用從零位置開始旋轉(zhuǎn)，為了獲得轉(zhuǎn)子360度范圍內(nèi)全 域的電機的電感信息，只要讓控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的步進電機轉(zhuǎn)動360度即可。
步進電機每次旋轉(zhuǎn)的步進角度為eb，步進電機的輸出軸與開關(guān)磁阻電機的
轉(zhuǎn)子軸固定連接，g卩，步進電機每旋轉(zhuǎn)一個步進角度eb，開關(guān)磁阻電機也跟著
旋轉(zhuǎn)角度9b，即當(dāng)n二2時，開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子位置為^+eb，依此類推。當(dāng)n=l，開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子位置為^時，
瞬時電感L(e一)的測量工作原理如下
此時相繞組的電壓方程為
u一L(e,，i)J:in
可以解得相繞組的電流函數(shù)為
:開關(guān)磁阻電機的相繞組中
(5)
.u i = —+
R
R
(6)
其中，i。為某個采樣周期AT開始時的電流初始值，
i為某個采樣周期AT結(jié)束時的電流結(jié)束值，
R為相繞組的等效電阻，
U為相繞組兩端加載的電壓值，如圖3所示。 計算機開始采樣并計算，采樣主要指通過電流傳感器采集相繞組中的電公
'六
值，采樣周期為AT，對應(yīng)一個采樣周期的相繞組的瞬時電感L(e,，i)根據(jù)公式(6) 獲得，此時獲得的相繞組的瞬時電感L(e,，i)為相繞組的電流值為(i。+i)/2時對 應(yīng)的電感值，因為計算機的采樣周期AT很小，可達(dá)lns，所以，我們近似的認(rèn) 為此時的瞬時電感L(e,，i)為電流為某個采樣周期AT結(jié)束時的電流結(jié)束值i對應(yīng) 的瞬時電感L(e,，i)，依此類推，計算各個采樣周期電流結(jié)束值對應(yīng)的瞬時電感
L(e,，i,)、 L(epi2)……L(epin)、 L(e,，im)，直到相繞組的電流飽和，不再變大，
結(jié)束采樣，如圖4所示，相繞組的非線性電感也經(jīng)歷了一個周期，經(jīng)歷了這個
周期，獲得了轉(zhuǎn)子位置為A時，隨著相繞組中的電流值不同而變化的一組瞬時
電感L(e,勺值。
第一個采樣周期，相繞組的電流初始值I。，電流結(jié)束值為I,，代入公式(6)
獲得相繞組電流值i,對應(yīng)的瞬時電感L(e,，g;
第二個采樣周期，相繞組的電流初始值l"電流結(jié)束值為12，代入公式(6)
獲得相繞組電流值i2對應(yīng)的瞬時電感l(wèi) (e, ， i2);
依此類推，直到獲得相繞組的飽和電流值im對應(yīng)的瞬時電感L(e,，im)。按照如上方法獲得轉(zhuǎn)子其它位置時隨相繞組中的電流值不同而變化的各組 瞬時電感L(比，i)值，即完成全域非線性電感的測試，測試的結(jié)果繪制成如圖5 所示的曲線，圖中繪制的是一簇曲線，橫坐標(biāo)為開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子位置，縱 坐標(biāo)為瞬時電感，多條曲線分別表示相繞組的電流值為Ip 12、 13……In、 Im時
的瞬時電感曲線，全面的反映了瞬時電感L(e。，i)的數(shù)值，根據(jù)這此全面的信息
編制開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式二的不同之處在于，步驟C所述 階躍電壓U^1.2IeR，其它與實施方式二相同。
加載在相繞組兩端的電壓值這樣設(shè)置，不會將電機燒了。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式一的不同之處在于，允許電流誤
差I(lǐng)l = (0.3% 0.5%"e ，其它與實施方式一相同。
權(quán)利要求
1、開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、給定開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩T；步驟二、開關(guān)磁阻電機的相繞組的參考電流為Iin，并初始化為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>in</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><msub> <mi>I</mi> <mi>e</mi></msub><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100718260002C1.tif" wi="18" he="10" top= "45" left = "161" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中Ie為相繞組的額定電流；步驟三、查開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表，獲得當(dāng)開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置θn時，與相繞組參考電流Iin對應(yīng)的相繞組瞬時電感，進而獲得該點相繞組瞬時電感對應(yīng)的電感斜率kL，電感斜率kL表征瞬時電感相對于轉(zhuǎn)子位置的變化率；步驟四、根據(jù)下述公式獲得輸出的相繞組電流i<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><msqrt> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>T</mi></mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>L</mi></msub> </mfrac></msqrt> </mrow>]]></math></maths>步驟五、判斷是否滿足關(guān)系式|i-Iin|＜IL，其中，IL為允許電流誤差；判斷結(jié)果為否，Iin＝i，執(zhí)行步驟二，判斷結(jié)果為是，執(zhí)行步驟六，步驟六、將相繞組電流i輸出并加載到相繞組兩端，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，其特征在于 步驟三所述開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表的獲取方法為步驟a、設(shè)定n為開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子測量位置的變量，且初始化為n-l;步驟b、控制步進電機旋轉(zhuǎn)一個步進角度eb，步進電機帶動開關(guān)磁阻電機 的轉(zhuǎn)子軸，旋轉(zhuǎn)步進角度6b，使開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子固定在測量位置e"0《en S36(T ;步驟C、給開關(guān)磁阻電機的相繞組兩端加載階躍電壓U;步驟d、計算機通過電流傳感器采集相繞組的電流值，采樣周期為AT; 步驟e、計算機通過下述公式獲取每個采樣周期AT內(nèi)相繞組的瞬時電感L(en,i)，進而獲得在轉(zhuǎn)子位置ej寸，不同的相繞組的電流值對應(yīng)相繞組的瞬時<formula>formula see original document page 3</formula>其中，i。為某個采樣周期AT開始時的電流初始值，i為某個采樣周期AT結(jié)束時的電流結(jié)束值，R為相繞組的等效電阻， 步驟f、當(dāng)相繞組的電流值飽和后，斷開加載在相繞組兩端的階躍電壓U; 步驟g、判斷是否滿足nxeb《36(T，判斷結(jié)果為是，n=n+l，執(zhí)行歩驟b，判斷結(jié)果為否，執(zhí)行步驟h， 步驟h、編制開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，其特征在于: 步驟c所述階躍電壓U=1.2IeR。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，其特征在于: 允許電流誤差I(lǐng)L = (0.3% 0.5%)Ie 。
全文摘要
開關(guān)磁阻電機恒定轉(zhuǎn)矩的控制方法，屬于電機測試領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是解決采用傳統(tǒng)速度閉環(huán)和電流雙閉環(huán)的控制方式控制開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩的方法存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題。本發(fā)明方法為了保證開關(guān)磁阻電機按設(shè)定的轉(zhuǎn)矩恒定輸出，先給定一個參考電流，并通過查開關(guān)磁阻電機全域非線性電感曲線簇數(shù)據(jù)表獲得與參考電流對應(yīng)的瞬時電感，進而獲得所述瞬時電感對應(yīng)的電感斜率，根據(jù)公式i＝√2T/K_L計算輸出的相繞組電流，并判斷其與參考電流的差值是否在允許誤差范圍內(nèi)，如果不是，將此次計算的相繞組電流賦值給參考電流并按上述方法重新計算，多次循環(huán)直到滿足條件，輸出相繞組電流加載到開關(guān)磁阻電機相繞組兩端，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機恒轉(zhuǎn)矩控制。
文檔編號G05B19/04GK101526823SQ20091007182
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者侯云鵬, 吳紅星, 周壽明, 恒 嵇, 哲 趙 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)