一种开关磁阻电机变增益PI控制方法

摘要

一种开关磁阻电机变增益PI控制方法是通过霍尔电压传感器采集直流母线电压，并结合主电路形式计算绕组端电压；通过位置传感器检测开关磁阻电机转子位置信号，根据固定时间内电机转子位置角度变化计算电机实际转速；根据绕组端电压及电机实际转速计算PI控制器的比例系数与积分时间常数；PI控制器的输入为转速差，输出为参考电流或者PWM占空比，进而控制功率变换器，由功率变换器向开关磁阻电机提供电能，控制电机转速。本方法使开关磁阻电机在不同给定转速下具有良好的动态性能和稳态特性，实现了快速、平滑阶跃响应的同时提高系统的动态抗扰性能，控制方法简单可靠，通用性强，易于工业推广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机控制方法，具体涉及一种基于在线参数辨识的开关 磁阻电机变增益PI控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、价格低廉、起动转矩大、效率高等特点，这使开关磁 阻电机调速系统非常适用于纺织、电动汽车和采矿等传动控制领域。合适的控制策略是实 现开关磁阻电机良好性能的基础，开关磁阻电机调速系统是高度非线性的系统，传统线性 控制策略并不适用于开关磁阻电机，国内外针对开关磁阻电机控制策略的研究很多，也有 将智能控制等非线性控制策略应用于开关磁阻电机，取得了一定的控制效果。

非线性控制策略虽然能够改善控制效果，但是控制方法复杂，实现成本高，不利于 开关磁阻电机在高性能电气传动领域的推广应用。目前国内外比较成熟的系统，还是多采 用传统PI控制器，利用转速、电流双闭环PI进行参数整定，实现对开关磁阻电机的控制。然 而传统线性PI控制器存在一些问题，比如阶跃响应超调大，控制参数整定困难，在整个控制 过程中固定参数不变，或者是分段可调。开关磁阻电机模型在不同控制方式下，结构和参数 都是变化的，采用传统PI控制器不能实时、连续地修正控制参数，难以保证开关磁阻电机调 速系统在整个调速范围内具有良好的控制效果，尤其是在动态变化过程中。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种开关磁阻电机变增益PI控制方法，以 实现不同转速下PI参数的自适应调节，解决阶跃响应超调问题的同时提高系统的动态抗扰 性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下。

（1）通过霍尔电压传感器采集直流母线电压，并结合主电路形式计算绕组端电压；

（2）通过位置传感器检测开关磁阻电机转子位置信号，根据固定时间内转

子位置角度变化计算电机实际转速；

（3）根据绕组端电压及电机实际转速计算PI控制器的比例系数与积分时间常数；

（4）PI控制器的输入为转速差，输出为参考电流或者PWM占空比，进而控制功率变换器， 由功率变换器向开关磁阻电机提供电能，控制电机转速。

在上述技术方案中，进一步的附加技术特征如下。

述PI控制器的比例系数按下列公式计算：

其中：

K_c是PI控制器的比例系数；

是绕组端电压，根据主电路形式与采集的直流母线电压计算得到；

是电机实际转速，根据位置传感器检测的转子位置信号送入微处理器的捕

获单元计算得到；

K₁是比例修正系数，根据实验结果进行调整。

所述积分时间常数是根据下列公式计算：

其中：

T_i是积分时间常数；

是绕组端电压，根据主电路形式与采集的直流母线电压计算得到；

是电机实际转速，根据位置传感器检测的转子位置信号送入微处理器的

捕获单元计算得到；

K₂是积分修正系数，根据实验结果进行调整。

所述PI控制器的输入为转速差的转速差是电机给定转速与实际转速误差。

所述给定转速是通过操作面板、外部通讯设备或者外部模拟端口设定。

所述实际转速是根据位置传感器检测的转子位置信号送入微处理器的捕获单元 计算得到。

所述输出为参考电流或者PWM占空比是由电机实际转速决定。

采用上述技术方案实现一种开关磁阻电机变增益PI控制方法，解决了阶跃响应超 调问题的同时，实现了在不同转速下PI参数的自适应调节，与现有技术相比，本方法使开关 磁阻电机在不同给定转速下具有良好的动态性能和稳态特性，而且在实现快速、平滑阶跃 响应的同时，进一步提高了系统的动态抗扰性能，控制方法简单可靠，通用性强，易于工业 推广。

附图说明

图1是本PI控制方法的流程图。

图2是本PI控制方法的具体实施例，其三相12/8极开关磁阻电机定子、转子、光电 码盘及光电发生器的相对位置关系图。

图3是本PI控制方法的具体实施例，其开关磁阻电机调速系统结构框图。

图4是现有PI控制器以及本方法在阶跃给定为500r/min空载起动时的实测转速曲 线。

图5是现有PI控制器以及本方法在阶跃给定为1500r/min空载起动时的实测转速 曲线。

图6是现有PI控制器以及本方法在1500r/min稳态突加负载时的实测转速曲线。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

图1是本发明实施例的变增益PI控制方法的方法流程图。如图所示，本实施例的变 增益PI控制方法包括如下步骤：

步骤一，通过霍尔电压传感器采集直流母线电压，并结合主电路形式计算绕组端电压；

步骤二，通过位置传感器检测开关磁阻电机转子位置信号，根据固定时间内

转子位置角度变化计算电机实际转速；

步骤三，根据绕组端电压及电机实际转速计算PI控制器的比例系数与积分时间常数；

步骤四，PI控制器的输入为转速差，输出为参考电流或者PWM占空比，进而控制功率变 换器，由功率变换器向开关磁阻电机提供电能，控制电机转速。

在本实施例的步骤一中，以三相12/8极开关磁阻电机为具体实施例，通

过霍尔电压传感器采集直流母线电压，主电路采用三相不对称半桥式，有效地全部电 源电压可用来控制相绕组电流，绕组端电压即为直流母线电压。

在本实施例的步骤二中，以三相12/8极开关磁阻电机为具体实施例，电机转子齿 为16°，槽为29°，光电码盘与转子齿槽数相同且均匀分布，相邻光电脉冲发生器的夹角为 15°，故当三相绕组中的A相绕组与转子齿对齐时，电机定子、转子、光电码盘及光电发生器 的相对位置关系如图2所示。

图2中，当电机逆时针或顺时针旋转时，与转子同轴的光电码盘就会使光电发生器 O、P、Q发出的红外光被遮挡或透过，电机的位置信号就会随之变化。硬件电路中将一路位置 信号接入DSP捕获引脚，在程序中设置捕获中断为捕获两个边沿，所以每经过22.5°都会进 一次捕获中断，用此角度除以转子转过22.5度所需的时间即可得电机的实际转速。

在本实施例的步骤三中，根据绕组端电压及电机实际转速计算PI控制器的比例系 数与积分时间常数，具体涉及变增益PI控制器的设计如下：

变增益PI控制器比例系数K_c、积分时间常数T_i与绕组端电压及电机实际转速表达式取 为：

（1）

（2）

式中：是电机实际转速；是绕组端电压；K₁是比例修正系数；K₂是积分修正系数。针 对具体的开关磁阻电机及其应用场合，K₁与K₂需要经过实验调节获取。

上述变增益PI控制器设计基于以下原理：

以一相绕组为分析对象，开关磁阻电机第k相绕组的电压方程为：

（3）

式中：u_k是第k相电压；i_k是第k相电流；R_k是第k相电阻；Ψ_k是第k相磁链。

假定电机各相对称，忽略相间电感，相绕组的电感与电流大小无关，可得开关磁阻 电机简化线性模型：

（4）

（5）

式中：L_k是第k相绕组电感。

简化线性模型下相电感对转子位置变化关系可表示为：。

式中：Ψ_s是饱和磁链；N_r是转子极数。

电机电磁转矩T与负载扭矩T_L作用下的转子机械运动方程式：

（6）

式中：ω是转子角速度；J是电机转子与负载的转动惯量。根据式（3）与式（5）可得表达 式：

（7）

将简化转矩模型与电感模型代入机械运动方程可得转速变化率为：

（8）

将简化电感模型代入式（7）整理后得相绕组电流变化率为：

（9）

电阻压降远小于控制电压，因此可忽略电阻压降；由于开关磁阻电机机械惯性大，电流 动态响应速度相比机械状态变量要快的多，励磁相绕组通电后，电流迅速达到稳态，稳态后 相绕组电流表达式为：

（10）

式中：在相绕组通电励磁阶段的平均值。

将式（10）代入式（8）可得式（11）；

（11）

令f代表转速变化率，其在电机转速和绕组端电压两个工作点附近的小信号线性化 方程为：

；其中：

；

达到稳态后转速变化率的小信号线性化方程可表示为：，据此可得 稳态转速。

将求得的稳态转速代入，进一步推导可求得

，

再将求得的两式代入

可得线性化方程表达式为：

（12）

对式（12）等式两边进行拉普拉斯变换可得转子角速度小信号与控制电压小信 号之比。

（13）

式中：。

式（13）是电机简化模型下的转速环s域小信号一阶模型传递函数。

PI控制器是SRM调速系统的必要环节，其传递函数为：

（14）

式中：K_c是比例系数；T_i是积分时间常数。

式（13）为经过近似后的SRD小信号动态模型，是一阶惯性环节，而PI控制器又是 SRD系统的一部分，因此比例系数K_c、积分时间常数T_i应与系统参数K_p、T_p成函数关系，结合 SRD一阶近似模型与PI控制器传递函数，变增益PI控制器比例系数K_c、积分时间常数T_i与绕 组端电压及电机实际转速关系式分别如式（1）与式（2）所示。

在本实施例的步骤四中，电机低速运行时采用电流斩波控制方式以限制每相的电 流，PI控制器的输出为参考电流；高速运行时采用电压PWM控制方式来调节相绕组两端的 平均电压，PI控制器的输出为PWM占空比；高低速范围由具体电机的调速范围决定，并根据 实验结果进行调整；在两种方控制式的交汇处采用滞环方式切换，滞环大小由具体电机的 调速范围决定，并根据实验结果进行调整。以三相12/8极开关磁阻电机为具体实施例，电机 额定转速1500r/min，调速范围50~2000r/min，当电机转速小于900r/min时，采用电流斩波 控制方式，当电机转速大于1000r/min时，采用电压PWM控制方式。当电机转速在900r/min~ 1000r/min时采用之前的控制方式。

实施例1

本发明提供的一种开关磁阻电机变增益PI控制方法适用于所有类型的开关磁阻电机， 以在三相12/8极开关磁阻电机调速系统中的应用为实施例。

采用本发明的开关磁阻电机调速系统结构框图如图3所示，该调速系统包括DSP控 制器、电流检测模块、位置检测模块、功率变换模块和开关磁阻电机。其中，虚线框内部为 DSP控制器部分，其内部功能均由软件编程实现，控制算法采用本发明变增益PI控制。电流 检测模块采集三相绕组电流信号经A/D转换后用于电流斩波控制方式和过流保护；位置检 测模块检测转子位置信号确定换相，同时还用来计算电机转速；给定转速与实际转速值进 入本发明变增益PI控制器，对转速差进行PI调节后，DSP输出参考电流或者PWM占空比来控 制功率变换器，由功率变换器向开关磁阻电机提供电能，最终控制电机转速。

电机额定功率7.5kW，额定电压DC514V，额定转速1500r/min，调速范围50~2000r/ min。

在开关磁阻电机实际控制中，要求电机在不同转速下都具有良好的性能，绕组端 电压保持不变，因此PI参数只需根据电机实际转速自适应调节。

测试开关磁阻电机在本发明及传统PI控制器下的动态性能并采集数据拟合成曲 线。传统PI控制器以及本发明在阶跃给定为500r/min、1500r/min空载起动时的实测转速曲 线分别如图4和图5所示。图4中，采用传统PI控制器，转速超调为4.5％，经过两个振荡周期 14s后达到稳态；采用本发明变增益PI控制方法，转速超调为1％，且能够迅速达到稳态。图5 中，采用传统PI控制器，由于PI参数固定不变，转速超调为3.5％，振荡周期变长；采用本发 明变增益PI控制方法，PI参数能够根据实际转速自适应调节，超调减小为0.5％，且快速达 到稳态。

传统PI控制器以及本发明在1500r/min稳态突加负载时的实测转速曲线如图6所 示，图6中，采用传统PI控制器，突加10N负载后，速度降落为200r/min，经过30s恢复到稳态； 采用本发明变增益PI控制方法，速度降落为30r/min，经过8s恢复到稳态。