一种开关磁阻电机控制方法与流程

1.本技术属于航空电机控制技术领域，特别涉及一种开关磁阻电机控制方法。


背景技术：

2.目前，航空高压直流成为飞机电源系统的发展方向之一，而开关磁阻电机由于结构简单、适合于高转速等优点成为高压直流起动/发电系统的研究热点。
3.对于开关磁阻起动/发电功率变换拓扑，国内外研究较多，常用的拓扑结构为三相不对称半桥功率拓扑，如图1所示。
4.在图1中的拓扑结构中，主要由三相不对称半桥电路、起动输入电源、发电电压输出电容c2和励磁二极管d3构成。其中不对称半桥电路中每一相的桥臂由可控功率开关管与二极管组成；励磁二极管阳极与发电电压输出正端连接，阴极与励磁输入电压正端连接。
5.传统开关磁阻电机多为a、b、c三相，并且由于开关磁阻电机工作原理，a、b、c三相绕组各导通180电角度。由于a、b、c三相的对称性，相与相之间相位相差120电角度，所以，a相与b相之间、b相与c相之间、c相与a相之间，存在60电角度的重叠导通区间，如图2所示，其中s1为电机转子位置角度θ与a相绕组对应导通区间的示意图，s2为电机转子位置角度θ与b相绕组对应导通区间的示意图，s3为电机转子位置角度θ与c相绕组对应导通区间的示意图。
6.当电机转子位置处于某相绕组需要导通的区间内，需要对绕组相电流进行判断，产生调制波，进而对不对称半桥桥臂中的功率开关管进行控制。当绕组电流过大时，关断上桥臂或下桥臂中的功率开关管；当绕组电流过小时，导通上桥臂和下桥臂中的功率开关管；而当电机转子位置处于某相绕组需要关断的区间内，关断两个桥臂上的功率开关管。因此，可以通过对某相不对称半桥中功率开关管的通断状态，将每相绕组分为四种工作模态：正压励磁模态、零压上管续流模态、零压下管续流模态、负压退磁模态。
7.在传统的控制策略中，以a相为例，当电机转子的位置角度θ处于a相导通区间，即满足θ
aon
≤θ≤θ
aoff
时，若a相绕组中的电流过大时,关断上桥臂或下桥臂中的功率开关管使电路工作在零压下管续流或零压上管续流模态，且满足一次零压上管续流，一次零压下管续流交替的工作方式；若a相绕组中的电流过小时，开通上桥臂和下桥臂中的功率开关管使电路工作在正压励磁模态；b、c两相同理。
8.由此可见，当电机转子的位置角度θ处于a、b两相或b、c两相或c、a两相同时导通的区间内，由于相间没有交联关系，各相独立控制，以a、b相重叠导通区间为例，其控制信号时序图如图3所示。图中s1为电机转子的位置角度θ与a相绕组导通区间相对位置波形，s2为电机转子的位置角度θ与b相绕组导通区间相对位置波形，ia为a相绕组电流波形，ib为b相绕组电流波形，id为二极管d3电流，s4为根据a相电流产生的a相pwm调制波形，s5为根据b相电流产生的b相pwm调制波形，g11为开关管vt11的控制信号，g12为开关管vt12的控制信号，g21为开关管vt21的控制信号，g22为开关管vt22的控制信号。
9.在图3中，
①
阶段中a相工作在正压励磁模态，开关管vt11、vt12导通，b相工作在正
压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
②
阶段中a相工作在零压上管续流模态，开关管vt11导通、vt12关断，电流通过d12、d3、vt11续流，峰值为i，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
③
阶段中a相工作在零压上管续流模态，开关管vt11导通、vt12关断，电流通过d12、d3、vt11续流，峰值电流为i，b相工作在零压上管续流模态，开关管vt21导通、vt22关断，电流通过d22、d3、vt21续流，峰值电流为i，此时二极管d3的电流峰值为2i；
④
阶段中a相工作在正压励磁模态，开关管vt11、vt12导通，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
⑤
阶段中a相工作在零压下管续流模态，开关管vt12导通、vt11关断，电流通过d11、vt12续流，续流电流为i，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
⑥
阶段中a相工作在零压下管续流模态，开关管vt12导通、vt11关断，电流通过d11、vt12续流，续流电流为i，b相工作在零压下管续流模态，开关管vt22导通、vt21关断，电流通过d21、vt22续流，续流电流为i。
10.从上述分析中，由于零压上管续流模态，二极管d3中有电流，且当两相均为零压上管续流模态时，电流峰值为2i，即上图中的工作阶段
③
，其电路图如图4所示。
11.在功率器件电流值确定时，要同时兼顾有效值与峰值，由于二极管d3通过的电流并不是连续电流，因此其有效值和峰值差距较大。若采用符合有效值的器件，则在工作过程中，二极管经常工作在过载工况，降低了二极管的使用寿命，影响开关磁阻起动/发电系统的可靠性；若采用符合电流峰值的器件，则势必增加器件的体积重量。因此，如何通过控制策略的调整，降低功率二极管的过载电流，延长二极管的使用寿命，提高开关磁阻起动/发电系统的可靠性，成为技术难点。


技术实现要素：

12.为了解决上述技术问题，本技术针对现阶段功率器件的功率等级，提出了一种开关磁阻电机控制策略，降低了功率二极管的过载电流，提高了功率二极管的使用寿命，增加了开关磁阻起动/发电系统工作的可靠性。
13.本技术提供了一种开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括三相不对称半桥电路a相、b相、c相，以及起动输入电容c1、发电电压输出电容c2和励磁二极管d3，其中所述三相不对称半桥电路中每一相的桥臂由可控功率开关管与二极管组成，所述开关磁阻电机控制方法包括：
14.步骤s1、当电机转子的位置角度θ处于第一相导通区间时，自第二相结束时刻，对所述第一相pwm调制波形的下降沿从0计数，计为counta，其中，第一相与所述第二相分别为三相不对称半桥电路a相、b相、c相中的两相，且在一个周期内，所述第二相早于所述第一相。
15.该步骤中，例如第一相为a相，则第二相为c相，若第一相位b相，则第二相为a相，若第一相为c相，则第二相位b相。
16.步骤s2、当所述第一相pwm调制波形检测到上升沿时，所述第一相的上功率开关管与下功率开关管输出高电平。
17.步骤s3、当所述第一相pwm调制波形检测到下降沿时，若counta为奇数，则第一相的上功率开关管输出高电平，第二相的上功率开关管输出低电平；若counta为偶数，则第一相的上功率开关管输出低电平，第二相的上功率开关管输出高电平。
18.步骤s4、当电机转子的位置角度θ处于第一相导通区间外时，所述第一相的上功率开关管与下功率开关管输出低电平。
19.优选的是，所述开关磁阻电机包括三相不对称半桥电路的a相包括上功率开关管vt11及下功率开关管vt12，上功率开关管vt11的导通或关断由g11控制，下功率开关管vt12的导通或关断由g12控制。
20.优选的是，所述开关磁阻电机包括三相不对称半桥电路的b相包括上功率开关管vt21及下功率开关管vt22，上功率开关管vt21的导通或关断由g21控制，下功率开关管vt22的导通或关断由g22控制。
21.优选的是，所述开关磁阻电机包括三相不对称半桥电路的c相包括上功率开关管vt31及下功率开关管vt32，上功率开关管vt31的导通或关断由g31控制，下功率开关管vt32的导通或关断由g32控制。
22.本技术降低了功率二极管的过载电流，提高了功率二极管的使用寿命，增加了开关磁阻起动/发电系统工作的可靠性。
附图说明
23.图1是开关磁阻三相不对称半桥功率拓扑示意图。
24.图2是三相绕组导通时序图。
25.图3是传统控制策略下a、b重叠导通区间时序图。
26.图4是a、b两相均为零压上管续流模态电路图。
27.图5a是本技术开关磁阻电机控制方法的一优选实施例的a相零压上管续流，b相零压下管续流示意图。
28.图5b是本技术开关磁阻电机控制方法的一优选实施例的a相零压下管续流，b相零压上管续流示意图。
29.图6是新型控制策略下a、b重叠导通区间控制信号时序图。
具体实施方式
30.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
31.本技术提供了一种开关磁阻电机控制方法，所述开关磁阻电机包括三相不对称半桥电路a相、b相、c相，以及起动输入电容c1、发电电压输出电容c2和励磁二极管d3，其中所述三相不对称半桥电路中每一相的桥臂由可控功率开关管与二极管组成。
32.本发明中，在电机转子位置角度处于两相绕组重叠导通区间时，增加两相对应开关管控制信号之间的逻辑关系，即a相与b相间，b相与c相间，c相与a相间。从而避免两相同时进行零压上管续流，实现在重叠导通区间内仅有一相通过二极管d3续流，降低二极管d3
的电流峰值。
33.所述开关磁阻电机控制方法包括：
34.步骤s1、当电机转子的位置角度θ处于第一相导通区间时，自第二相结束时刻，对所述第一相pwm调制波形的下降沿从0计数，计为counta，其中，第一相与所述第二相分别为三相不对称半桥电路a相、b相、c相中的两相，且在一个周期内，所述第二相早于所述第一相；
35.步骤s2、当所述第一相pwm调制波形检测到上升沿时，所述第一相的上功率开关管与下功率开关管输出高电平；
36.步骤s3、当所述第一相pwm调制波形检测到下降沿时，若counta为奇数，则第一相的上功率开关管输出高电平，第二相的上功率开关管输出低电平；若counta为偶数，则第一相的上功率开关管输出低电平，第二相的上功率开关管输出高电平；
37.步骤s4、当电机转子的位置角度θ处于第一相导通区间外时，所述第一相的上功率开关管与下功率开关管输出低电平。
38.在本发明的控制策略中，以a、b相重叠导通为例，当a、b相都处于零压续流模态时，a相若采用零压上管续流模态，则b相采用零压下管续流模态；若a相采用零压下管续流模态，则b相采用零压上管续流模态，且a、b两相的零压续流模态为零压上管续流和零压下管续流交替进行的方式。电路图如图5所示。
39.通过逻辑分析，本发明的控制策略满足以下逻辑关系：
40.当电机转子位置角度处于θ
bon
≤θ≤θ
aoff
、s4＝s5＝0时，
[0041][0042]
当电机转子位置角度处于θ
con
≤θ≤θ
boff
、s5＝s6＝0时，
[0043][0044]
当电机转子位置角度处于θ
aon
≤θ≤θ
coff
、s6＝s4＝0时，
[0045][0046]
同时，g11与g12满足相内交替斩波逻辑；g21与g22满足相内交替斩波逻辑；g31与g32满足相内交替斩波逻辑。其交替斩波逻辑如下：
[0047]
①
当电机转子的位置角度θ处于a相导通区间，满足θ
coff
≤θ≤θ
aoff
时，在θ＝θ
coff
时刻开始，对a相pwm调制波形s2的下降沿从0计数，计为counta。
[0048]
②
当a相pwm调制波形s2检测到上升沿时，g11、g12输出高电平；
[0049]
③
当a相pwm调制波形s2检测到下降沿时，若counta为奇数，
[0050]
g11＝1
[0051][0052]
若counta为偶数，
[0053]
g11＝0
[0054][0055]
④
当电机转子的位置角度θ不满足θ
aon
≤θ≤θ
aoff
时，g11、g12输出低电平。
[0056]
b相和c相的相内交替斩波逻辑与a相类似，b相满足区间θ
aoff
≤θ≤θ
boff
，c相满足区间θ
boff
≤θ≤θ
coff
，其余不再详述。
[0057]
下图以a、b相重叠导通至b相单独导通区间为例，其开关管的控制信号时序图如图6所示。图中s1为电机转子的位置角度θ与a相绕组导通区间相对位置波形，s2为电机转子的位置角度θ与b相绕组导通区间相对位置波形，ia为a相绕组电流波形，ib为b相绕组电流波形，id为二极管d3电流，s4为根据a相电流产生的a相pwm调制波形，s5为根据b相电流产生的b相pwm调制波形，g11为开关管vt11的控制信号，g12为开关管vt12的控制信号，g21为开关管vt21的控制信号，g22为开关管vt22的控制信号。
[0058]
如图6所示，
①
阶段中a相工作在正压励磁模态，开关管vt11、vt12导通，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
②
阶段中a相工作在零压上管续流模态，开关管vt11导通、vt12关断，电流通过d12、d3、vt11续流，峰值为i，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
③
阶段中a相工作在零压上管续流模态，开关管vt11导通、vt12关断，电流通过d12、d3、vt11续流，峰值电流为i，b相工作在零压下管续流模态，开关管vt22导通、vt21关断，电流通过d21、vt22续流，峰值电流为i，此时二极管d3的电流峰值为i；
④
阶段中a相工作在正压励磁模态，开关管vt11、vt12导通，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
⑤
阶段中a相工作在零压下管续流模态，开关管vt12导通、vt11关断，电流通过d11、vt12续流，续流电流为i，b相工作在正压励磁模态，开关管vt21、vt22导通；
⑥
阶段中a相工作在零压下管续流模态，开关管vt12导通、vt11关断，电流通过d11、vt12续流，续流电流为i，b相工作在零压上管续流模态，开关管vt21导通、vt22关断，电流通过d22、vt21续流，续流电流为i。
[0059]
在上图中可以看到通过控制策略的调整，通过二极管d3的电流峰值降低为i，有效的减小了过载电流大小，提高了功率二极管的使用寿命，增加了开关磁阻起动/发电系统工作的可靠性。
[0060]
本发明针对传统单三相不对称半桥功率拓扑，提出了一种开关磁阻电机控制策略，降低了功率二极管的过载电流，提高了功率二极管的使用寿命，增加了开关磁阻起动/发电系统工作的可靠性。
[0061]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。