開關(guān)磁阻電機減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動控制策略_圖文

1、第28卷第12期中國電機工程學(xué)報V ol.28 No.12 Apr.25, 2008開關(guān)磁阻電機減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動控制策略孫劍波,詹瓊?cè)A,王雙紅,馬志源(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市430074Control Strategy of Switched Reluctance Motor to Restrain Vibration,Acoustic Noise and Torque RippleSUN Jian-bo, ZHAN Qiong-hua, WANG Shuang-hong, MA Zhi-yuan(School of Electrical and Electronic

2、s Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, Hubei Province, ChinaABSTRACT: The problems of vibration noise and torque ripple limit the application of switched reluctance motors (SRM. Previously various efforts for solving problems in these two aspects are isolative. A

3、novel control strategy that can decrease the vibration and the torque ripple simultaneously is presented, by introducing the two-step and three-step commutation methods into the direct instantaneous torque control (DITC. The vibrations can be effectively suppressed under various operation modes, inc

4、luding chopping control and single pulse control, by adopting the novel control strategy. Furthermore, the novel control strategy minimizes the torque ripple under the torque chopping control. The design of time parameters of the three-step commutation method is also proposed. The experimental resul

5、ts verify the validity of the novel control strategy.KEY WORDS: switched reluctance motor; vibration; acoustic noise; torque ripple摘要:開關(guān)磁阻電機的振動噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動問題制約了其推廣應(yīng)用,先前這2個方面的研究都彼此孤立。該文通過將2步和3步換相法引入直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制,提出了一種能同時減振降噪和減小轉(zhuǎn)矩脈動的新控制策略。采用新的控制策略,在斬波控制和單脈沖控制下,振動都可得到有效抑止,且新控制策略可在轉(zhuǎn)矩斬波控制下減小轉(zhuǎn)矩脈動。該文還提出了3步換相法的時間參數(shù)設(shè)計

6、方法。實驗結(jié)果驗證了新控制策略的有效性。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機;振動;噪聲;轉(zhuǎn)矩脈動0 引言開關(guān)磁阻電機(switched reluctance motor, SRM具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、魯棒性、免維護等一系列優(yōu)點,甚至可以缺相運行1-2。但是由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)和很強的磁場非線性使噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動問題較其它傳統(tǒng)電機更加嚴重。通過測量一臺SRM附近的噪聲發(fā)現(xiàn):噪聲與徑向力引起的定子徑向振動直接有關(guān)3。近年來許多文獻報道減小SRM定子徑向振動的方法來降低噪聲,如2步換相法4-8和3步換相法9,文獻10-14對SRM的定子振動特性進行了分析。轉(zhuǎn)矩脈動可以通過控制技術(shù)在比較寬的運行范圍內(nèi)得到減小,這些

7、控制方法可分為離線15-17和在線18-19電流波形計算以及電流分配控制器。只有很少文獻討論了直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制(direct instantaneous torque control, DITC20-22。在DITC中,使用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制取代電流閉環(huán)控制。盡管在降低噪聲和減小轉(zhuǎn)矩脈動這2個方面已有許多方法提出,但無一種方法可同時減小這兩者。絕大多數(shù)方法都受制于一定條件。本文在已有的各種降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動控制方法的基礎(chǔ)上,提出了一種能同時減振降噪和減小轉(zhuǎn)矩脈動的新控制策略。1 低轉(zhuǎn)矩脈動控制策略DITC22中包含數(shù)字式轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器,它通過結(jié)合開關(guān)角信號和給定與參考轉(zhuǎn)矩比較信號而產(chǎn)生逆變器開關(guān)信號,

8、根據(jù)實際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩的偏差,給電機相繞組施加正電壓、零壓或者負電壓。開關(guān)狀態(tài)S=1表示每相橋臂的2個主開關(guān)器件開通,正的直流母線電壓+U s施加在電機相繞組兩端,如圖1所示。開關(guān)狀態(tài)S=0表示每相橋臂的2個主開關(guān)器件只有一個開通,另一個關(guān)斷,電機相繞組通過二極管自然續(xù)流,電機相電壓為0,如圖2所示。開關(guān)狀態(tài)S=1表示每相橋臂的2個主開關(guān)器件都關(guān)斷,電機相繞組通過2個二極管續(xù)流,電機相電第12期 孫劍波等:開關(guān)磁阻電機減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動控制策略 135壓為U s ,如圖3所示,直至續(xù)流結(jié)束,該相繞組就處在非工作狀態(tài),此時開關(guān)狀態(tài)S =X 。在DITC 控制策略中,一相的導(dǎo)通(如N 相可以分為

9、4個區(qū)間:I 、II 、III 和IV ,如圖4所示。S 1 S 2相繞組U s+_圖1 開關(guān)狀態(tài)S =1 Fig. 1 Switching state S = 1S 1 S 2相繞組U s+_圖2 開關(guān)狀態(tài)S =0 Fig. 2 Switching state S =0S 1 S 2相繞組U s+_圖3 開關(guān)狀態(tài)S =1 Fig. 3 Switching state S =1N 1相N 相 N +1相I II IIIIV圖4 導(dǎo)通區(qū)間的劃分(以N 相為例Fig. 4 Region division for DITC在區(qū)間I 中,稱N 1相為上一相,而稱N 相為下一相。上一相尚未關(guān)斷,下一相就

10、已經(jīng)開通?？偟暮铣赊D(zhuǎn)矩T total 由上一相和下一相共同調(diào)節(jié)。當(dāng)下一相可以獨立調(diào)節(jié)T total 時,下一相使用兩電平轉(zhuǎn)矩控制策略,如圖5所示,而上一相進入自然續(xù)流狀態(tài),即S =0。當(dāng)下一相不能獨立調(diào)節(jié)T total 時,上一相將使用三電平轉(zhuǎn)矩控制策略,如圖6所示,以幫助下一相調(diào)節(jié)T total 。具體來講,當(dāng)下一相不足以產(chǎn)生要求的轉(zhuǎn)矩時,上一相的開關(guān)狀態(tài)S 由0變?yōu)?;當(dāng)T total 超過了所要求的轉(zhuǎn)矩值時,上一相的開關(guān)狀態(tài)S 由0變?yōu)?。在區(qū)間II 中, N 1相開始關(guān)斷。T total 由N 相單獨調(diào)節(jié)。N 1相采用單電平轉(zhuǎn)矩控制策略,如圖7所示。N 相采用兩電平轉(zhuǎn)矩控制策略,如圖5

11、所示。如果T total 小于所要求的轉(zhuǎn)矩,則N 相的開關(guān)狀態(tài)S 由0變?yōu)?。如果T total 大于所要求的轉(zhuǎn)矩,則N 相的開關(guān)狀態(tài)S 由1變?yōu)?。在區(qū)間III 中, N 相成了上一相,N +1相成了下一相。其轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和前面區(qū)間I 中的分析一樣。在區(qū)間IV 中,N 相開始關(guān)斷。T total 由N +1相獨立調(diào)節(jié),其轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和前面區(qū)間II 中的分析一樣。這樣,總的合成轉(zhuǎn)矩得到控制,總在所要求轉(zhuǎn)矩值附近的一個滯環(huán)帶中變化,因而轉(zhuǎn)矩脈動得到減小。T ref T totalSST err1 0 +_圖5 兩電平轉(zhuǎn)矩控制策略Fig. 5 Torque control scheme of two-le

12、vel voltageT ref T totalSST err1 01 +_圖6 三電平轉(zhuǎn)矩控制策略Fig. 6 Torque control scheme of three-level voltageT ref T totalSST err1 X +_圖7 單電平轉(zhuǎn)矩控制策略Fig. 7 Torque control scheme of one-level voltage2 減振降噪控制策略2步換相法首先由Wu CY 和Pollock 提出4,它將傳統(tǒng)換相的一步電平突變(由+U s 變?yōu)閁 s 分為2步進行,從而達到減小電機定子振動的目的。第1步,相電壓由+U s 變?yōu)?。在半個定子固有周期

13、(固有頻率的倒數(shù)后,進行第2步相電壓變化,由0變?yōu)閁 s 。2次電平變化所引起的振動因為互差180°相位而相互抵消。文獻4的作者提出了3步換相法9。它克服了2步換相法無法在不能提供零電壓逆變器上使用的缺點,但是該文獻沒有給出3步換相法的時間參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。本文將闡述其時間參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。文獻4-9中提出的這些方法在電機運行在單脈136 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第28卷沖狀態(tài)時可以取得比較理想的減振降噪效果。但是當(dāng)電機運行在電流斬波狀態(tài)時,減振效果并不理想。文獻6提出了一種改進的2步換相法,用以減小電流斬波狀態(tài)時換相時刻以后的振動。但是筆者通過實驗發(fā)現(xiàn),在電流斬波期間的振

14、動已經(jīng)比較嚴重。同樣,在轉(zhuǎn)矩斬波期間的振動也非常嚴重。改進的2步換相法仍然無法解決這些在斬波期間出現(xiàn)的振動。本文利用3步換相法的思想,提出了一種減小斬波期間振動的控制方法。假設(shè)t =0時刻,2步或3步換相法的第1步發(fā)生。在2步換相法中,第2步發(fā)生在t =t 0時刻,t 0=T 0/24。其中,T 0為電機定子固有頻率所對應(yīng)的周期。在3步換相法中,第2步和第3步分別發(fā)生在t =t 1和t =t 2時刻。本文將給出時間參數(shù)t 1和t 2的設(shè)計方法。類似于2步換相法,3步換相法的換相過程分為3步進行:(1t =0時刻進行第1步,相電壓由+U s 變?yōu)閁 s 。由第1步所引起的振動可表示為010(e

15、sin (t f t k tU t = (1式中:k 為幅值因子;為阻尼比;00022/f T =為固有角頻率;f 0為固有頻率;T 0為固有頻率對應(yīng)的周期;U (t 為階躍函數(shù)。1, 0(0, 0t U t t =< (2 (2t =t 1時刻進行第2步,相電壓由U s 變?yōu)?U s 。由第2步引起的振動可表示為01(2011(esin (t t f t k t t U t t = (3 (3t =t 2時刻進行第3步,相電壓由+U s 變?yōu)閁 s 。由第3步引起的振動可表示為02(3022(esin (t t f t k t t U t t = (4當(dāng)t t 2時,總的合成振動為00

16、1(001(e sin e sin (t t t f t k t k t t =+02(02esin (t t k t t (5從式(5可以看出,3步換相法的減振效果的好壞直接與時間參數(shù)t 1和t 2的取值有關(guān)。因為振動系統(tǒng)的阻尼比通常都比較小,可以假設(shè)=0,則式(5可以簡化為00102(sin sin (sin (f t k t k t t k t t =+ (6式(6還可進一步寫為1212000(sin 2cos (sin 22t t t tf t k t t +=+(7 如果令1200121sin 22( 22t t t t =+= (8則式(7的值為零。由式(8,可以得到:120120

17、2622t t t t =+=(9 因此0010002=(10 但是,文獻9給出的3步換相法時間參數(shù)公式為10203/207/20t T t T = (11 為了比較式(10與式(11的減振效果,進行了仿真。仿真的條件為k =1,0 =2×7 000 rad/s 和=0.01。仿真結(jié)果如圖8所示。圖中,虛線表示使用減振方法前的振動加速度波形;點劃線表示使用式(11的時間參數(shù)3步換相法后的振動加速度波形;實線表示使用式(10的時間參數(shù)3步換相法后的振動加速度波形?？梢钥闯?本文提出的3步換相法時間參數(shù)優(yōu)化取值比文獻9的取值減振效果好。t /ms a /(m /s 2圖 8 減振效果比較

18、(=0.01Fig. 8 Effect of vibration reduction (=0.013 綜合控制策略通過恰當(dāng)?shù)貙?步和3步換相法引入DITC 中,可以形成一種既可以減振降噪,又可以減小轉(zhuǎn)矩脈動的新型控制策略。為了減小斬波期間的振動,在每次轉(zhuǎn)矩斬波之后觸發(fā)一次3步換相法。3步換相法的電平跳躍幅度與之前的轉(zhuǎn)矩斬波電平跳躍幅值相同。因此,每次轉(zhuǎn)矩斬波所引起的振動都被其后緊跟的3步換相法削弱。另外,在換相時刻,根據(jù)關(guān)斷第12期孫劍波等:開關(guān)磁阻電機減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動控制策略 137相的實際電平來決定所采用的減振方法。具體來講,在換相時刻,當(dāng)關(guān)斷相的電壓為+U s 時,采用2步換相法減振

19、,第1步,相電壓由+U s 變?yōu)?,第2步,相電壓由0變?yōu)閁 s ;當(dāng)關(guān)斷相電壓為0時,采用3步換相法減振,第1步,相電壓由0變?yōu)閁 s ,第2步,相電壓由U s 變?yōu)?,第3步,相電壓由0變?yōu)閁 s ;當(dāng)關(guān)斷相的電壓為U s 時,則關(guān)斷相保持U s 直至電流減為0?？刂祁l率f c 的設(shè)計可由圖9來表示。首先假設(shè)每次控制周期T c (1/f c 中都有一次開關(guān)動作。由前面的分析,每一次開關(guān)動作都會觸發(fā)一次3步換相法。前一次轉(zhuǎn)矩斬波所引起的3步換相法的第3步開關(guān)動作與后一次的轉(zhuǎn)矩斬波之間的時間間隔t tol 必須大于開關(guān)管最高工作頻率所對應(yīng)周期的一半。由圖9可得到如下關(guān)系:c tol 3T T

20、t =+ (12 式中:T c 為控制周期,T c =1/f c ;T 0為固有頻率對應(yīng)的周期;t tol 為2次開關(guān)動作之間的時間間隔。 圖 9 控制頻率f c 的設(shè)計Fig. 9 Design of control frequency f c如果開關(guān)管的最高工作頻率為25 kHz ,則2次開關(guān)動作的最小時間間隔為20 µs 。同時考慮一定的裕度,如20 µs ,可以得到如下關(guān)系:tol 202040t += (13因此0c 6c 031140103f f T f =+×× (14 式中:f c 為控制頻率,Hz ;f 0為固有頻率;f 0=1/T 0

21、。 以實驗樣機為例,f 0=6 488 Hz ,因此c 03140103f f f =+×× 63648810 9441401036488×+××× (15控制頻率f c 可以選擇為10 kHz 以滿足式(15。4 實驗結(jié)果以一臺三相12/8極SRM 驅(qū)動系統(tǒng)為實驗平臺。所提出的控制策略在TI 公司的TMS320LF2407 DSP 控制板上得以實現(xiàn)。直流母線電壓為30 V 。電機運行速度為800 r/min 。圖10是傳統(tǒng)電流斬波控制方式下的實驗結(jié)果。從圖10(a可以看出,在斬波期間存在著較大的振動,它是由斬波時的開關(guān)動作引起的。圖

22、10(b顯示在傳統(tǒng)電流斬波控制方式下,轉(zhuǎn)矩脈動比較嚴重。圖11是文獻22提出的DITC 控制方式下的實驗結(jié)果。從圖11(a可以看出,在瞬時轉(zhuǎn)矩控制方式下,電流波形不再是方波。在斬波期間,斬波開關(guān)動作會引起一些比較大的振動。文獻4-9提出的各種減振方法都是針對換相時刻振動的,不能減小在斬波期間出現(xiàn)的振動。圖11(b顯示,采用了DITC 后,轉(zhuǎn)矩脈動得到減小。圖12是新控制策略下的實驗結(jié)果。比較圖11(a和圖12(a,可以看出相電流波形幾乎一樣,而新控制策略下的振動比DITC 下的振動小。比較圖11(b和圖12(b,可以發(fā)現(xiàn)新控制策 t (1 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s

23、 2/格 i (25 A /格T (0.862 (N m /格ai(a 相電流和振動加速度 (b 瞬時合成轉(zhuǎn)矩圖10 傳統(tǒng)電流斬波控制Fig. 10 Traditional current chopping controlt (2.5 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s 2/格 i (25 A /格T ( 0.862 (N m /格ai(a 相電流和振動加速度 (b 瞬時合成轉(zhuǎn)矩圖 11 直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制(DITC Fig. 11 Previous DITCt (2.5 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s 2/格 i (25 A /格T (0.862 (

24、N m /格ai(a 相電流和振動加速度 (b 瞬時合成轉(zhuǎn)矩圖 12 新控制策略Fig. 12 Novel control strategy138 中國電機工程學(xué)報第28卷略下的轉(zhuǎn)矩脈動較DITC方式下的轉(zhuǎn)矩脈動有一點增大。比較圖10(b和圖12(b,可以看出新控制策略下的轉(zhuǎn)矩脈動還是較傳統(tǒng)電流斬波方式下的轉(zhuǎn)矩脈動小很多。因此,新控制策略可以在減小轉(zhuǎn)矩脈動的同時減小振動。5 結(jié)論較大的振動噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動是SRM的主要缺點。先前各種針對改善這兩大缺點的方法都彼此孤立。本文通過恰當(dāng)?shù)貙?步、3步換相法引入到直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制方法中,提出一種能同時減小轉(zhuǎn)矩脈動和振動的控制策略。采用新的控制策略,不論電

25、機運行在單脈沖狀態(tài)還是斬波狀態(tài),振動都可以在很大程度上被抑止。而且新控制策略在轉(zhuǎn)矩斬波運行方式下減小了轉(zhuǎn)矩脈動。同時本文還給出了3步換相法的時間參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。實驗結(jié)果驗證了新控制策略的有效性。參考文獻1 詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動機M.第1版.武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.2 Materu P N,Krishnan R.Steady-state analysis of the variable-speedswitched-reluctance motor driveJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1989,36(4:523-529

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