本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，特別涉及一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變角度pi控制方法、控制器及調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的機(jī)電一體化電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能好、制造成本低、適于高速和惡劣環(huán)境下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)良的特性使其成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的研究課題之一，目前已經(jīng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵、航空航天等領(lǐng)域中獲得一定的應(yīng)用，顯示出其強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。合適的控制策略是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)良好性能的基礎(chǔ)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)和其高度非線性的電磁特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的線性控制策略并不適用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究很多，也有將智能控制等非線性控制策略應(yīng)用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，取得了一定的控制效果。

非線性控制策略雖然能夠改善控制效果，但是控制方法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高，不利于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在高性能電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外比較成熟的系統(tǒng)，還是多采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，對(duì)轉(zhuǎn)速pi控制器進(jìn)行參數(shù)整定，將轉(zhuǎn)速pi控制器的輸出作為參考電流，利用電流斬波控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制。但傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速pi控制器存在這樣的問(wèn)題：給定轉(zhuǎn)向一定時(shí)，各相的開(kāi)通角和關(guān)斷角固定不變，電機(jī)只能輸出與給定轉(zhuǎn)向同向的轉(zhuǎn)矩，使得當(dāng)轉(zhuǎn)速差小于零時(shí)，電機(jī)只能通過(guò)自由停車(chē)來(lái)對(duì)跟蹤給定轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢以及實(shí)際平均轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速，使得開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)對(duì)于方向與給定轉(zhuǎn)向相反的干擾的抵抗能力很差，且電機(jī)在給定轉(zhuǎn)向與負(fù)載方向相反情況下不具備帶載能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速pi控制器的缺陷，本發(fā)明提供一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變角度pi控制方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變角度pi控制方法，所述控制方法基于的控制器由傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速pi控制模塊、角度變換模塊和絕對(duì)值模塊組成，其中傳統(tǒng)pi控制模塊接收轉(zhuǎn)速差信號(hào)，即電機(jī)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，輸出參考電流信號(hào)；傳統(tǒng)pi控制模塊的輸出端同時(shí)連接角度變換模塊和絕對(duì)值模塊，角度變換模塊的輸出端輸出每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角信號(hào)，絕對(duì)值模塊的輸出端輸出每相參考電流；

傳統(tǒng)pi控制模塊的輸出信號(hào)可認(rèn)為是復(fù)合信號(hào)，包含了給定電流信號(hào)和角度變換控制信號(hào)，通過(guò)所述絕對(duì)值模塊分解出給定電流信號(hào)，通過(guò)所述角度變換模塊分解出角度變換控制信號(hào)；

所述角度變換模塊對(duì)傳統(tǒng)pi控制模塊的輸出的參考電流信號(hào)是否為正進(jìn)行判斷，若為非正，則將每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角置于正向轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)輸出正向轉(zhuǎn)矩；否則，將每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角以θ＝θr/2為對(duì)稱(chēng)軸翻轉(zhuǎn)至負(fù)向轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)輸出負(fù)向轉(zhuǎn)矩，其中θ為轉(zhuǎn)子位置角，θr為轉(zhuǎn)子周期；與此同時(shí)，所述絕對(duì)值模塊將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速pi控制器輸出的參考電流信號(hào)取絕對(duì)值后送入電流斬波控制器作為參考電流，利用電流斬波控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制。

本發(fā)明還提供了一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變角度pi控制器，包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速pi控制模塊、角度變換模塊和絕對(duì)值模塊，其中傳統(tǒng)pi控制模塊接收轉(zhuǎn)速差信號(hào)，即電機(jī)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，其輸出端同時(shí)連接角度變換模塊和絕對(duì)值模塊，角度變換模塊的輸出端輸出電機(jī)每相開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通角和關(guān)斷角信號(hào)，絕對(duì)值模塊的輸出端輸出電機(jī)每相的參考電流；所述控制器采用權(quán)利要求1所述的方法對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制。

本發(fā)明還提供了一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括變角度pi控制器、位置檢測(cè)單元、電流斬波控制器和功率變換器；功率變換器輸出連接至開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，為電機(jī)提供電能，并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；

變角度pi控制器接收轉(zhuǎn)速差信號(hào)，輸出每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角及每相的參考電流；位置檢測(cè)單元對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算以檢測(cè)每相轉(zhuǎn)子位置角，然后判斷每相的轉(zhuǎn)子位置角是否位于每相開(kāi)通角和關(guān)斷角之間，并將判斷結(jié)果輸出至電流斬波控制器，電流斬波控制器的輸出連接至功率變換器，作為功率變換器內(nèi)部各功率開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)；若每相的轉(zhuǎn)子位置角處于每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角之間，則電流斬波控制器控制功率開(kāi)關(guān)器件在θ等于開(kāi)通角時(shí)導(dǎo)通，直至θ等于關(guān)斷角時(shí)關(guān)斷，通過(guò)多次導(dǎo)通和關(guān)斷，將每相實(shí)際電流限制在每相參考電流的上限值和下限值之間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每相參考電流的跟蹤，否則，電流斬波控制器輸出低電平，控制功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷；其中參考電流的上限值＝參考電流+(電流滯環(huán)環(huán)寬)/2，參考電流的下限值＝參考電流-(電流滯環(huán)環(huán)寬)/2。

本發(fā)明的有益效果是：

使開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在給定轉(zhuǎn)向一定時(shí)可以輸出與給定轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，加快了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)向一定時(shí)突減給定轉(zhuǎn)速及突卸負(fù)載情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高了調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于方向與給定轉(zhuǎn)向相反的干擾的抵抗能力，并使調(diào)速系統(tǒng)具備了在給定轉(zhuǎn)向與負(fù)載方向相反情況下的帶載能力。本發(fā)明控制方法簡(jiǎn)單可靠，通用性強(qiáng)，易于推廣。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所用的系統(tǒng)仿真模型；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所用的本pi控制器仿真模塊；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中傳統(tǒng)pi控制方法及本方法在給定轉(zhuǎn)速?gòu)?0rpm階躍變化至10rpm時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中傳統(tǒng)pi控制方法及本方法在給定轉(zhuǎn)速?gòu)?0rpm階躍變化至10rpm時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中傳統(tǒng)pi控制方法及本方法在60rpm穩(wěn)態(tài)負(fù)載從150n.m階躍變化至-50n.m時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中傳統(tǒng)pi控制方法及本方法在60rpm穩(wěn)態(tài)負(fù)載從150n.m階躍變化至-50n.m時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

為了驗(yàn)證本發(fā)明，搭建了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)simulink仿真模型，如圖1所示，該模型主要由5個(gè)單元組成，分別為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、電流斬波控制器、轉(zhuǎn)速控制器和位置檢測(cè)單元。其中，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采用matlab元件庫(kù)自帶的6/4電機(jī)仿真模型。功率變換器采用不對(duì)稱(chēng)半橋電路。轉(zhuǎn)速控制器采用pi控制器，并通過(guò)pi選擇模塊來(lái)確定當(dāng)前的轉(zhuǎn)速控制器類(lèi)型，當(dāng)pi選擇模塊的值為正數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速控制器即為本發(fā)明的變角度pi控制器，否則，轉(zhuǎn)速控制器即為傳統(tǒng)pi控制器。從而，研究傳統(tǒng)pi控制器控制效果時(shí)，將pi選擇模塊的值定為0即可，研究本發(fā)明的變角度pi控制器控制效果時(shí)，則將pi選擇模塊的值定為1即可。

結(jié)合附圖1，本發(fā)明的調(diào)速系統(tǒng)的控制流程為：轉(zhuǎn)速控制器接收轉(zhuǎn)速差信號(hào)，輸出每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角及每相的參考電流，位置檢測(cè)單元對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算以檢測(cè)每相轉(zhuǎn)子位置角，然后判斷每相轉(zhuǎn)子位置角是否位于每相開(kāi)通角和關(guān)斷角之間，并將判斷結(jié)果輸出至電流斬波控制器，電流斬波控制器的輸出連接至功率變換器，作為功率變換器內(nèi)部各功率開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，若每相轉(zhuǎn)子位置角處于每相開(kāi)通角和關(guān)斷角之間，則電流斬波控制器控制功率開(kāi)關(guān)器件在θ＝θon時(shí)導(dǎo)通，直至θ＝θoff時(shí)關(guān)斷，通過(guò)多次導(dǎo)通和關(guān)斷，將每相實(shí)際電流限制在每相參考電流的上限值和下限值之間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每相參考電流的跟蹤，否則，電流斬波控制器輸出低電平，功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。功率變換器輸出連接至開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，為電機(jī)提供電能，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明的變角度pi控制器的仿真模型如圖2所示，由傳統(tǒng)pi控制模塊、角度變換模塊及絕對(duì)值模塊構(gòu)成，其中，傳統(tǒng)pi控制模塊的輸入為轉(zhuǎn)速差，其輸出分別通過(guò)角度變換模塊及絕對(duì)值模塊控制每相的開(kāi)通角和關(guān)斷角及參考電流。具體地，一方面，傳統(tǒng)pi控制模塊的輸出經(jīng)絕對(duì)值處理后連接至電流斬波控制器，作為每相參考電流，另一方面，角度變換模塊對(duì)傳統(tǒng)pi控制模塊輸出信號(hào)的正負(fù)進(jìn)行判斷，若為非正，則每相的開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff分別為θon_f和θoff_f，電機(jī)輸出正向轉(zhuǎn)矩，否則，每相開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff以θ＝θr/2為對(duì)稱(chēng)軸翻轉(zhuǎn)至負(fù)向轉(zhuǎn)矩區(qū)，即每相的開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff變?yōu)棣萺-θon_f、θr-θoff_f，電機(jī)輸出負(fù)向轉(zhuǎn)矩。其中，θr為轉(zhuǎn)子周期，所述θon_f和θoff_f分別為每相位于正向轉(zhuǎn)矩區(qū)的開(kāi)通角和關(guān)斷角；θr是由轉(zhuǎn)子極數(shù)決定的，其取值為360/轉(zhuǎn)子極數(shù)；θon_f的取值一般在定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心對(duì)齊位置，即45度附近；θoff_f一般取小于等于90度的值，90度對(duì)應(yīng)定子凸極中心與轉(zhuǎn)子極中心對(duì)齊位置。

由于所述電機(jī)仿真模型為6/4極，故θr取值為90°，而θon_f和θoff_f則分別為45°和90°。

實(shí)施例1：

基于圖1所示simulink仿真模型，測(cè)試傳統(tǒng)pi控制及本發(fā)明控制下的控制效果并采集數(shù)據(jù)擬合成曲線。傳統(tǒng)pi控制及本發(fā)明控制在給定轉(zhuǎn)速?gòu)?0rpm階躍變化至10rpm時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示，圖中①為傳統(tǒng)pi控制；②為本發(fā)明控制。圖3中，給定轉(zhuǎn)速階躍變化前，兩種方法達(dá)到了幾乎一致的控制效果，但在給定轉(zhuǎn)速階躍式減小后，傳統(tǒng)pi控制下，經(jīng)過(guò)31ms才達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，而在本發(fā)明pi控制下，僅經(jīng)過(guò)18ms就達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)。

傳統(tǒng)pi控制方法及本方法在60rpm穩(wěn)態(tài)負(fù)載從150n.m階躍變化至-50n.m時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示，圖中①為傳統(tǒng)pi控制；②為本發(fā)明控制。圖5中，采用傳統(tǒng)pi控制器，負(fù)載階躍式減小后,電機(jī)一直在加速，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，而采用本pi控制方法，轉(zhuǎn)速仍保持在穩(wěn)態(tài)。