基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法

1.本发明涉及开关磁阻电机再生制动控制领域，尤其涉及一种基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机因具有结构简单坚固、起动电流小、起动转矩大、效率高、容错能力强、调速范围宽等系列优点，目前已在电动汽车、矿用机车等众多领域得到了广泛应用。然而在某些要求频繁制动运行的应用工况下，开关磁阻电机因频繁制动运行而将产生大量的能量损耗，不仅造成了极大的能量浪费，同时还因频繁制动所产生的大量能耗使设备温度大幅提升并对其正常运行将造成极为不利的影响，因此开展开关磁阻电机再生制动控制研究具有重要意义。
3.目前国内外在开关磁阻电机再生制动控制方面已开展了系列研究，提出了诸如以再生制动效率最优、以最大功率回收等为目标的再生制动控制方法，虽然都取得了较好的效果，但现有各种控制方法均未考虑电机在制动运行中需要对其相应时变给定转速进行准确跟踪的控制问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法，可实现开关磁阻电机在准确跟踪其基于变加速度模式下的时变制动给定速度时，全程获得最佳再生制动效率与最小转矩脉动系数的控制目标。
5.本发明提出的基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法，包括以下步骤：
6.步骤a)根据开关磁阻电机变速运行的给定转速可对应的制动转速与制动加速度的变化范围，在所确定的变化范围内等间距选取n组制动转速与制动加速度数据；
7.步骤b)根据步骤a)所得每组制动转速及制动加速度，分别将其作为开关磁阻电机制动运行时的初始给定转速及给定加速度，控制开关磁阻电机制动运行，得最大制动能量回馈效率、最小制动转矩脉动系数所对应的最优开通角、关断角及换相重叠角；
8.步骤c)根据步骤b)所得n组最优开通角、关断角及换相重叠角以及相应的制动转速及制动加速度，采用数值拟合方法分别得到最优开通角、关断角及换相重叠角与相应制动转速及制动加速度间的函数关系；
9.步骤d)实时采集开关磁阻电机实际制动运行时所需跟踪的制动转速及加速度，根据步骤c)所得函数关系，即可获得开关磁阻电机在当前制动转速及加速度下所对应的最优开通角、关断角及换相重叠角；
10.步骤e)根据步骤d)所得最优开通角、关断角及换相重叠角对开关磁阻电机所对应功率开关实施控制，即可实现开关磁阻电机在准确跟踪其基于变加速模式的时变制动给定转速下，全过程获得最佳再生制动效率与最小转矩脉动系数的控制目标。
11.优选地，步骤b)的具体操作为：依次选取步骤a)所得每组制动转速及制动加速度，将其分别作为开关磁阻电机制动运行时的给定初始转速及给定加速度，控制开关磁阻电机制动运行，采用基于渐进约束支配法则的双目标非支配排序遗传算法优化得最大制动能量回馈效率、最小制动转矩脉动系数所对应的最优开通角、关断角及换向重叠角。
12.更优选地，制动能量回馈效率η与制动转矩脉动系数ε的计算公式为：
[0013][0014][0015]
式中，n为开关磁阻电机的相数，ω为转子角速度，θ为转子位置角，u为直流母线电压，i为开关磁阻电机相电流，θ
on
为开通角，θ
off
为关断角，θ
end
为电流衰减到零时对应的角度，θ
rrp
为转子极距，t
max
、t
min
和t
ave
分别为开关磁阻电机的最大瞬时转矩、最小瞬时转矩及平均转矩。
[0016]
更优选地，基于渐进约束支配法则的双目标非支配排序遗传算法选自专利申请cn113312837a。
[0017]
优选地，步骤c)所得最优开通角、关断角及换相重叠角与相应制动转速及制动加速度间的函数关系具体为：
[0018][0019][0020][0021]
式中：θ
on
(ng，ag)、θ
off
(ng，ag)和θ
ov
(ng，ag)分别表示最优开通角、关断角及换相重叠角函数；ng为制动转速；ag为制动加速度；bi、ci为函数θ
on
(ng，ag)中的系数；di、ei为函数θ
off
(ng，ag)中的系数；fi、gi为函数θ
ov
(ng，ag)中的系数；r、p为函数θ
on
(ng，ag)中的项数；m、n为函数θ
off
(ng，ag)中的项数；h、k为函数θ
ov
(ng，ag)中的项数，所述各系数与项数采用最小二乘法进行确定。
[0022]
与现有技术相比，本发明根据开关磁阻电机变速运行工况确定其所对应的制动转速与制动加速度变化范围，并在所确定的范围内等间距选取n组制动转速与制动加速度数据；针对所选取的每组制动转速及制动加速度数据，以开关磁阻电机制动能量回馈效率、制动转矩脉动系数为优化目标，并采用基于渐进约束支配法则的双目标非支配排序遗传算法求得相应的最优开通角、关断角及换相重叠角；根据所得最优开通角、关断角及换相重叠角及其对应的制动给定转速与加速度，采用数值拟合方法分别得到相应的最优开通角、关断角及换相重叠角与其制动转速及制动加速度间的函数关系；根据上述所得各函数关系，同时实时采集开关磁阻电机实际制动运行时所需跟踪的制动转速及加速度，即可获得相应的最优开通角、关断角及换相重叠角；根据所得最优开通角、关断角及换相重叠角对开关磁阻
电机对应功率开关实施控制，即可实现开关磁阻电机在准确跟踪其基于变加速模式的时变制动给定转速下，全过程获得最佳再生制动效率与最小转矩脉动系数的控制目标。本技术具有普遍适用价值，即对于任何制动转速和任何制动加速度下均可适用。
附图说明
[0023]
图1为本发明基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法流程图；
[0024]
图2为本发明基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制原理框图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。
[0026]
图1为基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法流程图，所述方法包括如下步骤：
[0027]
步骤(1)根据开关磁阻电机变速运行工况及工作需求确定的给定转速所对应的制动转速与制动加速度的变化范围，如设开关磁阻电机制动转速变化范围为0～1000r/min，制动加速度变化范围为-700～-400r/min2，并在所确定的变化范围内等间距选取40组制动转速与制动加速度数据，如表1所示：
[0028]
表1制动转速与制动加速度数据表
[0029]
[0030][0031]
步骤(2)依次选取表1中每组制动转速及制动加速度，将其分别作为开关磁阻电机制动运行时的给定初始转速及给定加速度，控制开关磁阻电机制动运行，以公式(1)、公式(2)作为制动能量回馈效率η与制动转矩脉动系数ε的计算公式，采用基于渐进约束支配法则的双目标非支配排序遗传算法得到表1每组数据可实现的最大制动能量回馈效率、最小制动转矩脉动系数所对应的最优开通角、关断角及换向重叠角；
[0032][0033][0034]
式中，n为开关磁阻电机的相数，ω为转子角速度，θ为转子位置角，u为直流母线电压，i为开关磁阻电机相电流，θ
on
为开通角，θ
off
为关断角，θ
end
为电流衰减到零时对应的角度，θ
rrp
为转子极距，t
max
、t
min
和t
ave
分别为开关磁阻电机的最大瞬时转矩、最小瞬时转矩及平均转矩；
[0035]
求得表1中40组制动转速及制动加速度对应的最优开通角、关断角及换相重叠角数据如表2所示：
[0036]
表2制动转速与制动加速度及其对应的最优开通角、关断角及换相重叠角
[0037]
[0038][0039]
步骤(3)通过数值拟合方法得到表2中最优开通角、关断角及换相重叠角与相应制动转速及制动加速度间的函数关系，具体为：
[0040]
[0041][0042][0043]
式中：θ
on
(ng，ag)、θ
off
(ng，ag)和θ
ov
(ng，ag)分别表示最优开通角、关断角及换相重叠角函数，ng为制动给定转速，ag为制动给定加速度。
[0044]
步骤(4)在实际运行中，实时采集开关磁阻电机实际制动运行时的制动转速及加速度，根据步骤(3)所得函数关系，即可获得开关磁阻电机在当前制动转速及加速度下所对应的最优开通角、关断角及换相重叠角；
[0045]
步骤(5)根据步骤(4)所得最优开通角、关断角及换相重叠角对开关磁阻电机所对应功率开关的开通或关断状态进行控制，以调节开关磁阻电机的开通角、关断角及换相重叠角，即可得到最佳的再生制动效率与最小转矩脉动系数，即可实现开关磁阻电机在准确跟踪其基于变加速模式的时变制动给定转速下，全过程获得最佳再生制动效率与最小转矩脉动系数的控制目标。
[0046]
本实施例与现有技术的对比
[0047]
为了说明本发明所提出的高效再生制动控制方法的效果，将本发明所提出的控制方法与目前常用的遗传算法优化制动控制参数方法(简称对比方法)进行对比分析。对于对比方法，同样采用表1所示各制动转速获得相应的最优开通角、关断角及换相重叠角，并采用数值拟合方法分别得到相应的最优开通角、关断角及换相重叠角与其制动转速间的函数关系，再根据所得各函数关系及本发明所提供的各函数关系(式(3)-(5))分别对开关磁阻电机实施控制，并任取10组制动转速及制动加速度(对比方法只用制动转速，因其不能实现对加速度的跟踪控制)，得到两种方法所对应的各制动能量回馈效率与制动转矩脉动系数，分别如表3与表4所示。
[0048]
表3两种方法对应的制动能量回馈效率
[0049]
[0050][0051]
表4两种方法对应的制动转矩脉动系数
[0052]
序号制动转速(r/min)制动加速度(r/min2)本发明提出的方法对比方法1990.8-494.577.6％78.8％2873.6-546.979.3％82.3％3758.8-588.379.1％82.6％4656.5-618.381.5％83.4％5546.2-644.581.0％83.9％6424.5-667.080.8％84.3％7345.9-678.380.5％85.4％8240.5-689.682.2％86.5％9191.9-693.481.9％87.2％10122.0-697.381.8％85.3％
[0053]
由表3及表4可见，本发明提出的基于变速跟踪的开关磁阻电机高效再生制动控制方法，其制动能量回馈效率和制动转矩脉动系数均优于现有技术，可见本发明所提出的方法通过实现开关磁阻电机对基于变加速模式的时变制动给定转速的准确跟踪，有效提高了其再生制动控制效果。