一种用于混合励磁双凸极电机的换相误差补偿方法

1.本发明属于变磁阻类电动机驱动控制技术领域。


背景技术：

2.混合励磁双凸极电机作为一种变磁阻电机，在开关磁阻电机的基础上，保留了开关磁阻电机的双边凸极的定转子结构，并且在定子上引入额外的励磁绕组。由于其转子上无任何绕组和永磁体，使得转子结构简单可靠，天然适合高速运行。但目前针对混合励磁双凸极电机，尚未有成熟的高速控制算法。在工程实践中，通常采用提前角控制或三相九状态控制方法实现混合励磁双凸极电机的高速运行。这两种控制方法均需要进行三相电流的换相，能否实现电流的精确换相对电机的运行性能有很大影响。
3.换相误差是由于数字控制系统中存在的延时导致的。误差主要分两类：一类是pwm更新延时导致的误差，另一类是离散采样的角度位置导致的误差。第一类误差是pwm数字控制系统固有的，数字处理器计数产生的三角波作为载波，与调制波交结产生pwm驱动信号。数字处理器在进入中断时，将采集到的信号进行运算。如果运算完成后立即更新，可能由于运算时间过长导致pwm信号缺失。所以只有处理器进入下一次中断时，才会进行pwm信号的更新，这样造成了一个开关周期的延时。第二类误差是由于离散的采样造成的，理想情况下采样频率无穷大，采集到的信号为连续量。但实际情况下，控制器的采样频率有限，采集到的信号为离散信号。设定的换相角度为一个确定的点，由于采样频率的限制，系统无法做到在此点精确采样，实际的采样点会在设定点附近波动。采样频率通常与开关频率相等，所以会产生0～1个开关周期的换相误差。综合以上两类误差，混合励磁双凸极电机系统总的换相误差为1～2个开关周期。
4.混合励磁双凸极电机在低速运行下，开关频率远远大于电机的运行频率，所以一个开关周期对应的电角度很小，可以忽略在低速情况下的换相误差。当电机的运行速度提高，一个开关周期对应的电角度无法忽略。如果要保持载波比不变需要更高的开关频率，器件成本和设计难度大幅增加，这是不现实的。只能通过不提高开关频率的方法来消除换相误差。
5.高速运行下由于换相误差的存在，导致混合励磁双凸极电机三相电流存在低频振荡，每个周期的导通区间宽度不同，且电流的幅值也不相等。一方面，电流幅值的低频振荡会导致电机转矩产生相应脉动；另一方面，电流幅值的振荡会导致某些周期内电流幅值较小，某些周期内电流幅值较大，由于开关管的电流应力应按照最大电流应力选择，从而导致开关管的电流容量无法得到充分的利用。若能消除高速运行状态下的换相误差，就能消除电流幅值振荡，开关管容量能够得到充分利用，有助于进一步提高转速。


技术实现要素：

6.本发明提出的混合励磁双凸极换相误差补偿方法，在不改变电路拓扑的情况下，通过小幅度调整开关频率实现消除换相误差的效果。
7.为了达到上述目的，本发明所述的一种用于混合励磁双凸极电机的换相误差补偿方法的具体实现步骤为：
8.步骤一：通过与电机同轴安装的旋转变压器采样当前转子位置角θ，判断是否处于如下的区间中，其中换相角度为θ1，采样的位置信号为θ，开关频率为fs，最大开关频率为nfs，电频率为fe，一个开关周期对应的电角度为θd＝fe*360/fs：
9.(1)θ∈(θ
1-θd*2/n，θ
1-θd/n)
10.(2)θ∈(θ
1-(1 1/n)*θd，θ
1-θd*2/n)
11.步骤二：若当前转子位置均不在上述的区间中，说明当前转子位置距离设定的换相点较远，所以此时无需进行操作，保持原有的开关频率fs不变即可。
12.步骤二：若当前转子位置位于(1)中所述的区间中，计算当前位置角θ与换相角θ1之间的角度差，设定合适的开关频率，恰好使得下一次采样的位置与换相角重合，保证精确采集到换相点。因此，设定的开关频率为fe*360/(θ
1-θ)。
13.步骤三：若当前转子位置位于(2)中所述的区间中，直接将开关频率设置为最大开关频率nfs，经过一个开关周期，在下一个采样点处，能保证转子位置角位于(1)中所述的区间中。
14.步骤四：精确采样到换相点位置，在数字处理器中进行运算，并更新pwm信号，实现消除电流换相误差的效果。
15.本发明提出的混合励磁双凸极电机换相误差补偿方法通过在控制流程中加入补偿算法来实现消除换相误差的效果。该补偿算法无需改变原有混合励磁双凸极电机系统结构，具有易实施的优点。本发明所提出的混合励磁双凸极电机换相误差补偿方法能够有效的补偿混合励磁双凸极电机系统的换相误差，消除由换相误差导致的相电流震荡和尖峰，减小驱动电路中开关管电流应力，从而有效利用开关管电流容量。进一步的，本发明所提出的混合励磁双凸极电机换相误差补偿方法有利于减小电机转矩脉动，提升转矩输出能力，对于提高混合励磁双凸极电机系统得到运行性能具有显著的效果。
附图说明
16.图1为三相12/8极混合励磁双凸极电机结构剖面图；
17.图2为混合励磁双凸极电机的三相全桥功率变换器拓扑；
18.图3为混合励磁双凸极电机简化电感模型及标准角控制导通模态；
19.图4为第一类换相误差产生原理示意图；
20.图5为第二类换相误差产生原理示意图；
21.图6为该换相误差补偿算法的流程图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的具体实施方案做进一步说明。
23.如图1所示的是三相12/8混合励磁双凸极电机结构剖面图，其励磁绕组、电枢绕组和永磁体均位于定子上，转子上无任何绕组和永磁体。图2所示为混合励磁双凸极电机的主功率变换器拓扑，为三相全桥逆变器。其中的a-x、b-y和c-z分别为a相、b相和c相电枢绕组，采用星形连接。电流ia、ib和ic分别是相应的相电流，其箭头方向定义为正方向。ea、eb和ec分
别是电枢绕组的反电势，“ ”端为绕组中反电势高的一端。可以看出此时电流是从反电势的正端流入电枢绕组的，即电枢绕组是吸收电能量的，电机处于电动工作模态。v1～v6为六个开关管，其中v1、v3和v5为上管，v4、v6和v2为下管。图中d1～d6为开关管的体二极管，在相电流斩波控制中起到续流的作用。另外，图中u
dc
为直流母线电压，i
dc
为直流母线电流，cf为母线上的滤波电容。
24.混合励磁双凸极电机一相绕组通入电流时，产生的转矩为：
[0025][0026]
其中t
p
是单相的总转矩输出，t
pr
表示单相磁阻转矩，t
pe
表示单相励磁转矩，l
p
表示相绕组自感，if表示励磁电流，l
pf
表示励磁绕组与相绕组互感，表示转子位置角。电枢绕组的自感及电枢绕组与励磁绕组的互感均与电机转子位置角有关。混合励磁双凸极电机简化电感模型及标准角控制导通模态如图3所示。由于电枢绕组的自感一般比电枢绕组与励磁绕组的互感小一个数量级，图3中只体现了电枢绕组与励磁绕组的互感。混合励磁双凸极电机电动运行时，在电感上升区给相应的绕组通入正电流，在电感下降区给相应的绕组通入负电流，就可以产生连续的驱动转矩。
[0027]
混合励磁双凸极电机驱动采用pwm调制方式，每个开关周期产生一次驱动信号。如图4所示的是第一类换相误差的示意图。控制器在k时刻进入中断，通过旋转变压器采样位置信号，通过电流霍尔传感器采样三相电流信号，根据位置信号和电流信号计算相应的pwm信号。理想情况下，控制器应当立即输出计算出的pwm信号，作用于k到k 1时刻之间。实际情况时，由于控制器计算需要一定的时间，无法做到立即输出计算出的pwm信号，需要等到下一次进入中断时，输出上一个中断内计算出的pwm信号，作用于k 1到k 2时刻之间，从而导致了一个开关周期的换相误差。
[0028]
如图5所示的是第二类换相误差的示意图。理想情况下，采样频率无穷大，控制器采样到的位置信号为连续信号，控制器根据连续的位置信号和设定的换相角度参数，决定换相的位置。此时，不考虑第一类换相误差，换相位置应当与设定的换相角度一致。然而，实际情况下，控制器的采样频率有限，控制器采样到的位置信号为离散信号，可能存在图5所示的情况。控制器在k 1时刻采样到的位置信号恰好在设定的换相角度参数之前，此时控制器会比较采样到的位置信号和设定的换相角度参数，从而将不进行换相的pwm信号作用于k 1到k 2时刻之间(不考虑第一类换相误差)。直至k 2时刻，控制器根据采样到的位置信号和设定的换相角度参数，从而将换相的pwm信号作用于k 2到k 3时刻之间。这导致了图中α角度的换相误差。
[0029]
图6为本发明所研究的用于混合励磁双凸极电机的换相误差补偿算法流程图，根据该算法流程图，具体的实施方案用文字描述如下：
[0030]
步骤一：通过与电机同轴安装的旋转变压器采样当前转子位置角θ，判断是否处于如下的区间中，其中换相角度为θ1，采样的位置信号为θ，开关频率为fs，最大开关频率为nfs，电频率为fe，一个开关周期对应的电角度为θd＝fe*360/fs：
[0031]
(1)θ∈(θ
1-θd*2/n，θ
1-θd/n)
[0032]
(2)θ∈(θ
1-(1 1/n)*θd，θ
1-θd*2/n)
[0033]
步骤二：若当前转子位置均不在上述的区间中，说明当前转子位置距离设定的换
相点较远，所以此时无需进行操作，保持原有的开关频率fs不变即可。
[0034]
步骤二：若当前转子位置位于(1)中所述的区间中，计算当前位置角θ与换相角θ1之间的角度差，设定合适的开关频率，恰好使得下一次采样的位置与换相角重合，保证精确采集到换相点。因此，设定的开关频率为fe*360/(θ
1-θ)。
[0035]
步骤三：若当前转子位置位于(2)中所述的区间中，直接将开关频率设置为最大开关频率nfs，经过一个开关周期，在下一个采样点处，能保证转子位置角位于(1)中所述的区间中。
[0036]
步骤四：精确采样到换相点位置，在数字处理器中进行运算，并更新pwm信号，实现消除电流换相误差的效果。
[0037]
最终，本发明提出的补偿算法减小了电流波动幅值，相电流波形不再产生不稳定的尖峰，从而大幅降低转矩脉动，能够使开关管的电流容量得到充分利用。
[0038]
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。