一种高速开关磁阻电机发电控制系统及方法与流程

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种高速开关磁阻电机发电控制系统及方法。

背景技术：

1、在传统的开关磁阻电机发电控制系统中，其控制方法如图1所示。通过对控制方法功能划分，其功能模块主要包括电压测量模块、电流测量模块、电压pi闭环模块、da转换模块、ad转换模块、电流斩波模块、电机转子位置解算模块、转速－功率－开关角查询模块、换相控制模块、多信号综合逻辑模块。不同的模块由于功能不同，采用不同硬件实现。电压测量模块和电流测量模块运行在霍尔传感器中；ad转换模块运行在ad转换芯片中；da转换模块运行在da转换芯片中；电流斩波模块运行在比较器芯片中；由于电机转子位置检测采用旋转变压器，故电机转子位置解算模块采用专用的旋转变压器解码芯片；电压pi闭环模块、转速－功率－开关角查询模块、换相控制模块、多信号综合逻辑模块四个模块均运行在数字信号处理器dsp中。同时，为保证硬件芯片之间的信号互通，dsp、ad芯片、da转换芯片、旋转变压器解码芯片均连接在16位数据总线上；霍尔传感器与ad芯片通过信号线直连；比较器芯片与da转换芯片之间采用信号线直连；霍尔传感器与比较芯片通过信号线直连；比较器芯片与dsp之间采用信号线直连。

2、在开关磁阻电机中，当电机转子极数为p时，电机转子机械旋转360°时，每极转子旋转p个电周期，在每个电周期中，旋转变压器解码芯片输出电机转子位置(0～2n-1)。当开关磁阻电机转子极数为4时，其电机转子机械旋转360°时，每极转子经过4个电周期，旋转变压器解码芯片输出4个周期，如图2所示。

3、传统发电控制系统及方法架构框图如图3所示。

4、在上述控制系统和方法中，开关磁阻发电控制依赖于dsp程序运行周期，其流程图如图4所示。以6/4结构的三相开关磁阻电机为例，当电机转速达到60000r/min时，其一相绕组一个电周期360°对应周期为250μs。通过转速－功率－开关角表查询可知，输出功率为100kw时，a相最优开通角thetaon为72°，关断角thetaoff为296°(为便于理解，开通角和关断角采用角度表示)。以下分析均基于a相，b、c相同理。当本次进入中断位置刚好为开通角72°时，a相换相无误差。如表1所示。

5、表1中断次数与a相换相表1

6、 中断次数 开通角 关断角 开关状态 1 72 144 开 2 144 216 开 3 216 72 开/关 4 72 144 开

7、当进入中断时实时位置在71°时，此时判断a相不导通，在下一次中断时，即位置为143°时a相才导通，导致a相延迟开通71°，造成发电励磁困难、相电流波动大，降低了电流有效值，进而增大了励磁电流，直接影响电机的功率输出及发电效率。

8、在该控制系统和方法下，为减小换相误差，必须缩短程序运行周期，但考虑到程序运行及程序计算时间，运行周期不可能无限压缩，当中断为10μs时，最大延迟开通角度为14.4°，仍存在控制延迟问题。

技术实现思路

1、本发明针对原有的开关磁阻发电控制系统和方法存在的控制延迟问题，提出了一种新型开关磁阻发电控制系统和方法，可有效解决开关磁阻电机控制延迟问题，使得在相同励磁电流的情况下提高发电功率，进而提升发电系统发电效率。

2、一种高速开关磁阻电机发电控制系统，包括：电压测量模块、电流测量模块、电压pi闭环模块、da转换模块、ad转换模块、电流斩波模块、电机转子位置解算模块、初始位置校准模块、转速－功率－开关角查询模块、换相控制模块、多信号综合逻辑模块；

3、电压测量模块用于发电电压检测；

4、电流测量模块用于发电电流、电机绕组电流检测；

5、电压pi闭环模块用于采集发电电压然后与给定电压进行差值，经过pi调节输出给定电流；

6、da转换模块用于采集16位数据给定电流信号，转换输出为不同幅值的电平信号；

7、ad转换模块用于采集发电电流、发电电压信号，转换输出为16位数字信号；

8、电流斩波模块用于采集电机绕组电流、给定电流电平信号，经比较后输出导通信号b；

9、电机转子位置解算模块用于对旋转变压器输出信号进行解算，得到16位数据电机转子位置信号、正交编码脉冲信号和索引脉冲信号；

10、初始位置校准模块用于在初始时读取电机转子初始位置信号；

11、转速－功率－开关角查询模块用于采集16位数据电机转子位置信号、发电电压、发电电流，经查表输出开通角和关断角；

12、换相控制模块用于采集正交编码脉冲信号和索引脉冲信号、电机转子初始位置信号、开通角和关断角，进行比较后输出导通信号a；

13、多信号综合逻辑模块用于将导通信号a和b进行逻辑“与”后输出导通信号c用于控制开关磁阻电机发电控制。

14、进一步，电压测量模块和电流测量模块运行在霍尔传感器中；ad转换模块运行在ad转换芯片中；da转换模块运行在da转换芯片中；电流斩波模块运行在比较器芯片中；电机转子位置解算模块采用旋转变压器解码芯片；初始位置校准模块、电压pi闭环模块和转速－功率－开关角查询模块三个模块运行在数字信号处理器dsp中；换相控制模块和多信号综合逻辑模块运行在复杂可编程逻辑器件cpld中。

15、进一步，dsp、ad芯片、da转换芯片、旋转变压器解码芯片均连接在16位数据总线上；ad芯片与霍尔传感器通过信号线直连；比较器芯片与da转换芯片之间采用信号线直连；霍尔传感器与比较芯片通过信号线直连；比较器芯片与cpld之间采用信号线直连；旋转变压器解码芯片与cpld之间采用信号线直连；dsp与cpld之间通过8位内总线连接。

16、一种高速开关磁阻电机发电控制方法，所述方法基于前述的系统实施，所述方法包括以下步骤：

17、步骤一：在初始时，初始位置校准模块通过数据总线读取电机转子位置解算模块通过旋转变压器解码芯片输出的当前电机初始转子位置theta0，theta0取值范围：0～2n-1，其中n代表旋转变压器解码芯片配置的分辨率。再通过8位内总线将当前初始位置theta0分两次发送给运行在cpld中的换相控制模块。

18、步骤二：电压检测模块对开关磁阻发电系统发电电压uout进行检测，由霍尔传感器输出不同幅值的电平信号给ad转换模块。ad转换模块再将电平信号转换为数字信号。电压pi闭环模块通过数据总线读取发电电压uout数字信号，pi调节器通过参考发电电压uout和给定电压uref差值计算得出给定电流ic*数字信号，ic*取值范围：0～2n-1，n为da转换芯片配置的分辨率。

19、步骤三：da转换模块通过数据总线读取给定电流ic*数字信号，通过转换输出不同幅值的电平信号给电流斩波模块。在电流斩波模块中，开关磁阻电机每相绕组对应一组电流斩波模块，以三相电机为例，电流斩波模块可分为a、b、c三组。通过比较给定电流ic*和相电流ia、ib、ic，输出三相的斩波信号achop、bchop、cchop。

20、步骤四：计算电机开通角thetaon和关断角thetaoff；

21、步骤五：计算当前电机转子位置theta2，根据当前电子转子位置和电机开通角和关断角输出电机各相换相信号；

22、步骤六：多信号综合逻辑模块通过信号线读取电流斩波模块输出的斩波信号achop、bchop、cchop和换相信号aphase、bphase、cphase，对信号进行逻辑“与”运算，以a相为例，当achop＝1且aphase＝1时，a＝1；否则a＝0；输出最终三相控制信号a、b、c。

23、进一步，所述步骤一中，由于换相控制模块对应硬件由dsp更换为cpld，在cpld电机转子位置计算中，仅可以进行相对位置检测，无法进行绝对位置检测，为得到准确的电机转子绝对位置，可在初始时读取一个初始绝对位置，通过后续相对位置检测，可得到实时的电机转子绝对位置。

24、进一步，所述步骤三中，若电机相电流小于给定电流，则斩波信号置为1，若电机相电流大于等于给定电流，则斩波信号置为0。若ia<ic*，则achop＝1，若ia≥ic*，则achop＝0；若ib<ic*，则bchop＝1，若ib≥ic*，则bchop＝0；若ic<ic*，则cchop＝1，若ic≥ic*，则cchop＝0。

25、进一步，所述步骤四中，过程如下：

26、计算当前电机转速；

27、计算当前发电系统输出功率；

28、根据当前电机转速和当前发电系统输出功率经查表输出开通角和关断角。

29、电机转子位置解算模块通过16位数据总线读取旋转变压器解码芯片输出的当前电机转子位置theta1，theta1取值范围：0～2n-1，其中n代表旋转变压器解码芯片配置的分辨率。电流检测模块对开关磁阻发电系统发电电流iout进行检测，转速－功率－开关角查询模块通过数据总线读取发电电流iout和当前电机转子位置theta1，随后通过下式计算当前电机转速v，

30、

31、式中，δtheta为本次电机转子位置信号与上次电机转子位置信号的差值；n为旋转变压器解码芯片配置的分辨率；p为开关磁阻电机转子极数；δt为电机转子位置信号采样周期。

32、通过下式计算当前发电系统输出功率pout。

33、pout＝uout*iout                        式2

34、转速－功率－开关角查询模块计算得到当前电机转速v和当前发电系统输出功率pout，经查表输出开通角thetaon和关断角thetaoff。

35、进一步，所述步骤五中，计算当前电机转子位置theta2计算过程如下：

36、在正交编码脉冲信号qepa、qepb和一路索引脉冲信号qepnm中，qepa信号和qepb均为方波，且相位相差90°；qepnm信号为脉冲信号，当旋转变压器解码芯片检测到旋转变压器机械旋转一周时输出脉宽为1/4方波周期的高电平脉冲信号，如图6所示。在开关磁阻电机中，当电机转子极数为p时，电机转子机械旋转360°时，每极转子旋转p个电周期。当旋转变压器解码芯片配置的分辨率为n时，在每个电周期内，qepa信号由2n-2个方波组成；qepb信号由2n-2个方波组成，qepnm信号由机械位置固定输出。

37、在初始化时，换相控制模块读取theta0信号，随后开始对qepa和qepb信号的上升沿和下降沿进行检测，当检测到一个上升沿或下降沿时，换相控制模块在theta0的基础上开始累加得到theta2。当计数至(2n-1)时，再检测到一个上升沿或下降沿后，计数清零。当检测到qepnm的上升沿信号时，theta2信号清零。故位置检测计数如图7所示。

38、进一步，所述步骤五中，换相信号输出判别如下：

39、若thetaon<theta2<thetaoff，则a相的换相信号aphase＝1，若(theta2<thetaon)或(thetaoff<theta2)，则a相的换相信号aphase＝0；

40、若则b相的换相信号bphase＝1，若或则b相的换相信号bphase＝0；

41、若则c相的换相信号cphase＝1，若则c相的换相信号cphase＝0。

42、在本发明中，在换相控制模块中，利用cpld时钟周期短的优势，为30mhz，对电机转子位置进行检测并进行换相控制，避免了dsp控制中的周期较长造成的控制信号输出延时问题，可实现电机实时换相，解决了高速时电机换相延迟导致的发电输出功率不足，发电效率低的问题，降低了发电励磁电流，提高了发电系统发电效率。