開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略

1、開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略研究 摘要：開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)是近20年得到迅速發(fā)展的一種交流調(diào)速系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)而具有相當(dāng)?shù)母偁幜Α１疚氖紫冉榻B了開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究現(xiàn)狀和趨勢，推導(dǎo)了開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后詳細(xì)介紹了兩步換相控制、基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的轉(zhuǎn)矩控制、智能控制、直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制等控制策略。又基于Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了開通角、關(guān)斷角對(duì)電機(jī)電流轉(zhuǎn)矩的影響，最后得出以轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象的新型控制策略仍將進(jìn)一步發(fā)展。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)；直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制； Control Method of Switch Relucta

2、nt MotorAbstract: Switched reluctance motor drive system (SRD) is a kind of ac speed regulating system with nearly 20 years rapid development .Its simple structure, reliable operation, high efficiency and low cost advantages are quite competitive.This dissertation first introduces the research statu

3、s and the control strategy of the switched reluctance motor trend, the mathematical model of the switch magneto is deduced, and then introduced the two-step commutation control, based on the torque distribution function of torque control, intelligent control, direct instantaneous torque control and

4、so on.And based on the Matlab/Simulink , the influence of the opening Angle, shut off the Angle to the motor torque were verified, finally concluded that the new control strategy will continue to develop further with the torque as the object.Key words: switched reluctant motor; torque share function

5、 ; direct instantaneous torque control(DITC)1 引言開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、堅(jiān)固耐用、可靠性高；調(diào)速范圍寬和啟動(dòng)性能優(yōu)1-3。但是由于其雙凸極結(jié)構(gòu)和其高度非線性，造成了開關(guān)磁阻電機(jī)控制的復(fù)雜性，制約了其在一定領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)的相關(guān)背景，推導(dǎo)了開關(guān)磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后詳細(xì)介紹了兩步換相控制、基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的轉(zhuǎn)矩控制、智能控制、直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制等控制策略。又基于Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了開通角、關(guān)斷角對(duì)電機(jī)電流轉(zhuǎn)矩的影響。2 開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究現(xiàn)狀與趨勢2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究現(xiàn)狀開關(guān)磁阻

6、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SRD）以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)而具有相當(dāng)?shù)母偁幜?。但是SRM是雙凸極結(jié)構(gòu)，且為了獲得較好出力，常常需要被設(shè)計(jì)得較飽和，導(dǎo)致了SRM 的電磁特性呈高度非線性，難以用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其技術(shù)涉及到電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域，加之其復(fù)雜的非線性特性，導(dǎo)致研究的困難性。從目前的發(fā)展水平來看，無論在理論上還是在應(yīng)用上都存在不少問題，有待進(jìn)一步的研究與完善1-3。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制參數(shù)多，決定了它有靈活多樣的控制方法。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，SRM 有角度位置控制(Angular Position Con

7、trol，簡稱APC)、電流斬波控制 (Current Chopping Control，簡稱 CCC) 等控制模式。早期的控制策略主要以線性模型為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)PI 或PID 控制器運(yùn)用上述控制模式，采用前饋轉(zhuǎn)矩或電流控制、反饋轉(zhuǎn)速控制4-7。目前，隨著各種控制理論在傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益成熟，很多學(xué)者開始把一些先進(jìn)的控制方法應(yīng)用在 SRD 系統(tǒng)中，可部分解決開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的非線性、多變量、強(qiáng)耦合等問題，但距實(shí)際的應(yīng)用還有一定的距離。現(xiàn)有的控制策略從考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制出發(fā)，控制對(duì)象多是電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。除了基本的角度位置控制和電流斬波控制，主要有基于換相過程的轉(zhuǎn)矩控制策略、基于轉(zhuǎn)矩

8、分配函數(shù)的控制策略、智能控制、直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制等控制策略?；趽Q相過程的轉(zhuǎn)矩控制策略該控制策略通過控制兩相繞組的換向期間的兩相的電流，達(dá)到輸出較平滑電磁轉(zhuǎn)矩的目的，但只能緩和SR電機(jī)在換向期間的轉(zhuǎn)矩突變，并不能從根本上實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制策略則從構(gòu)建相電流波形出發(fā)，同時(shí)控制轉(zhuǎn)矩分配策略的實(shí)質(zhì)是通過定義轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)合理地分配與調(diào)節(jié)各相電流所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分量, 保證各相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩之和為一恒值，然后通過矩角特性反演出各相電流指令；加以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。這種控制策略關(guān)鍵在于如何合理選擇轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)1，2，8-11。智能控制一般包括模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制在數(shù)

9、學(xué)本質(zhì)上屬于非線性控制，可以很好的解決 SR電機(jī)的非線性。目前應(yīng)用較多的智能控制策略有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)國外學(xué)者都取得了一定成果。而直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(DITC)是直接控制每一時(shí)刻的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩跟隨參考轉(zhuǎn)矩值，依據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩的偏差控制開關(guān)器件的開關(guān)。DITC控制更直接且簡單，適用于動(dòng)態(tài)性能要求高的場合，但有許多地方有待改進(jìn)3，6，8，12-20。2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究趨勢開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)在近20年得到迅速發(fā)展，但SRD的控制精度和輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍有很大的進(jìn)步空間。目前開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略研究趨勢主要有以下三個(gè)方面：(1) 從控制的角度, 加強(qiáng)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低

10、噪聲的研究；(2) 研究具有較高動(dòng)態(tài)性能，且控制算法簡單的 SRD 新型控制策略；(3) 研究具有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力的 SRD 智能控制算法。3 開關(guān)磁阻電機(jī)基本控制原理3.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理SR電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成。其轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上則繞有繞組，一般為集中繞組，由徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。SR電機(jī)運(yùn)行遵循“磁阻最小原則”， 即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某項(xiàng)繞組通電時(shí)，若轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極的軸線不重合，便存在由于磁力線扭曲而產(chǎn)生的切向磁拉力作用在轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子向定子磁極的軸線方向運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生同方向的運(yùn)動(dòng)

11、趨勢，直到定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合為止，此時(shí)磁場路徑磁阻最小。若連續(xù)給各相定子繞組按一定順序通電，則產(chǎn)生連續(xù)的脈振磁場，轉(zhuǎn)子會(huì)沿著與勵(lì)磁順序相反的方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)上述的SR電機(jī)工作原理可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電流方向無關(guān)，僅取決于勵(lì)磁順序。3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型SR 電機(jī)基本數(shù)學(xué)模型一般包括三種模型，即線性模型、準(zhǔn)線性模型和非線性模型。線性模型是基于一系列簡化條件推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型，該模型雖精度較低，但對(duì)于我們了解SR電機(jī)工作基本特性和各參數(shù)的相互關(guān)系很有幫助，是各種控制方法的依據(jù)，下面基于線性模型，介紹開關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程和數(shù)學(xué)模型。為此，做如下假設(shè)5，21：（1）不計(jì)磁路飽和影響，繞組

12、電感與電流大小無關(guān)；（2）忽略磁通的邊緣效應(yīng)；（3）忽略所有的功率損耗；（4）開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)完成的；（5）電機(jī)以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行；1、 電壓方程 根據(jù)基爾霍夫電路定律，可以寫出 SR 電機(jī)第k相的電壓平衡方程式 式中：uk為第k項(xiàng)繞組的端電壓；ik為第k項(xiàng)繞組的電流；Rk第k項(xiàng)繞組的電阻；k為第k項(xiàng)繞組的磁鏈。當(dāng)電機(jī)由恒定直流電壓源Us供電時(shí)，一相電路的電壓方程為 式中，“+”號(hào)對(duì)應(yīng)繞組與電源接通，“-”號(hào)對(duì)應(yīng)電源關(guān)斷后續(xù)流期間。若忽略所有的功率損耗，則上式可以以簡化為 2、磁鏈方程在SR電機(jī)中，由于互感相對(duì)于自感很小，一般計(jì)算中忽略互感。則繞組磁鏈為該相電流與自感、其他各相電流及轉(zhuǎn)子位置的

13、函數(shù)： 式中的每相電感Lk是相電流ik和轉(zhuǎn)子位置角k的函數(shù)，電感之所以與電流有關(guān)，是因?yàn)镾R電機(jī)磁路非線性的緣故。而電感隨位置變化正是SR電機(jī)的特點(diǎn)。理想模型中不計(jì)磁路飽和影響，電感變化曲線如圖1所示，則電感函數(shù)可表示為形式如下： 圖1 電機(jī)電感變化曲線Fig.1 Curves of SR motor inductance3、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程按照力學(xué)定律可得出轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： 4、轉(zhuǎn)矩公式SR電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子角度的偏導(dǎo)求得： 式中， 為繞組的磁共能。在理想模型中，不計(jì)磁路飽和影響。此時(shí)有 從而電磁轉(zhuǎn)矩為 3.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本控制策略在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時(shí)，加于相

14、繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)SR電動(dòng)機(jī)的主開關(guān)器件的開通角on和關(guān)斷角off的值，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱之為角度位置控制(APC)。尤其是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，電機(jī)繞組電流相對(duì)較小時(shí)，最宜采用此種控制方式。改變開通角on，可以改變電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置；改變關(guān)斷角off一般不影響電流峰值，但影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，影響較開通角on較小。因此故一般采用固定關(guān)斷角off，改變開通角on的控制方式。低速工作時(shí)多采用斬波控制方式(CCC)，用來限制電流峰值。低速時(shí)，繞組導(dǎo)通周期長，磁鏈及電流峰值大，靠加大導(dǎo)通角

15、，減小導(dǎo)通區(qū)固然可以限流，但會(huì)降低有效利用率，因此，適合采用斬波限流。一般在低速運(yùn)行時(shí)，將使電機(jī)的開通角on和關(guān)斷角off保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，來起到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。而PWM斬波調(diào)壓控制是間接地通過PWM斬波調(diào)壓調(diào)節(jié)電流來實(shí)現(xiàn)電流的斬波控制，也屬于斬波控制方式的一種。 SR電機(jī)運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)(串勵(lì)特性區(qū))，如圖2所示恒轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速范圍為0到第一臨界轉(zhuǎn)速 ，恒功率區(qū)轉(zhuǎn)速范圍為第一臨界轉(zhuǎn)速到第二臨界轉(zhuǎn)速 ，自然特性區(qū)轉(zhuǎn)速范圍為第二臨界轉(zhuǎn)速以上。此時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，可控條件都已到達(dá)極限，轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的一次方下降。圖2

16、 SR電機(jī)運(yùn)行特性Fig.2 Performance characteristics of SR motor4 開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略由于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和其高度非線性，使其存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的固有缺點(diǎn)，阻礙了開關(guān)磁阻電機(jī)在一些領(lǐng)域的推廣應(yīng)用?；镜膬煞N控制方式只是根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電機(jī)的開通角、關(guān)斷角及電流限流幅值達(dá)到控制相電流的目的，并未直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，沒考慮SRM 內(nèi)部磁場的非線性，因此傳統(tǒng)的控制方式很難精確控制每一相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。從考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制出發(fā)，現(xiàn)有的改進(jìn)開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的控制對(duì)象多是電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。除了基本的角度位置控制和電流斬波控制，主要有基于換相過程的轉(zhuǎn)矩控制策略、基于轉(zhuǎn)矩

17、分配函數(shù)的控制策略、智能控制、直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制等。下面具體介紹這些控制策略。4.1 基于換相過程的轉(zhuǎn)矩控制策略根據(jù)SR電機(jī)的矩角特性，如將SR電機(jī)的換相區(qū)間設(shè)置在兩相或兩相以上的繞組同時(shí)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩的區(qū)域內(nèi)，將相電流關(guān)斷過程分成兩步，一相開關(guān)管示意圖如圖3所示。第一步僅關(guān)斷K1，相電壓Up由+Us負(fù)躍變至0 V，第二步再關(guān)斷K2，這時(shí)Up由0 V負(fù)躍變到-Us。控制第二步與第一步時(shí)間間隔為定子固有頻率對(duì)應(yīng)周期的一半，這樣第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相位差為180°，因而相互抵消。文獻(xiàn)10中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在部分工況下兩步換相法的總聲級(jí)較傳統(tǒng)換相法低3 dB(A)左右，相當(dāng)于聲功率降低

18、了1 倍左右，效果明顯。該控制策略通過控制兩相繞組的換向期間的兩相的電流，達(dá)到輸出較平滑電磁轉(zhuǎn)矩的目的。但是這種控制策略只能緩和SR電機(jī)在換向期間的轉(zhuǎn)矩突變，并不能從根本上實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。圖3 不對(duì)稱半橋主電路(一相)Fig.3 Asymmetric half bridge circuit(one phase)4.2 基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制策略該策略從構(gòu)建相電流波形出發(fā)，同時(shí)控制轉(zhuǎn)矩分配策略的實(shí)質(zhì)是通過定義轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)合理地分配與調(diào)節(jié)各相電流所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分量, 保證各相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩之和為一恒值，然后通過矩角特性反演出各相電流指令；加以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。SRM的總轉(zhuǎn)矩是由各相繞

19、組產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩相加而成的，對(duì)各相轉(zhuǎn)矩進(jìn)行任意組合均可產(chǎn)生相同的電機(jī)總轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩分配的控制策略就是對(duì)電機(jī)的各相繞組轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制?；谵D(zhuǎn)矩分配函數(shù)的方法對(duì)應(yīng)的電流波形變化是比較平穩(wěn)的, 并且避免了較大的峰值電流。常用的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)有直線、正弦分配函數(shù)，下圖4為正弦分配函數(shù)曲線。同時(shí)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制策略常常和其它控制策略結(jié)合，以達(dá)到更好的效果。例如文獻(xiàn)5將電流滯環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)相結(jié)合，文獻(xiàn)8將模糊PID與轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)相結(jié)合。使用基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制策略需要對(duì)換相區(qū)的兩相同時(shí)進(jìn)行控制, 因此占用的控制接口資源較多。而且轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)不唯一，如何合理選擇轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。圖4

20、正弦轉(zhuǎn)矩分配曲線Fig.4 Sinusoidal distribution of phases torque4.3 智能控制 隨著相關(guān)理論不斷完善和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，使先進(jìn)的智能控制算法得以在實(shí)際電機(jī)控制中應(yīng)用。智能控制一般包括模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制在數(shù)學(xué)本質(zhì)上屬于非線性控制，可以很好的解決 SR電機(jī)的非線性。典型的模糊控制應(yīng)用是Sayeed 提出的一種使開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化的自適應(yīng)模糊控制策略。此控制器以位置為輸入、相電流為輸出，通過實(shí)時(shí)修改隸屬度函數(shù)來使各相在最合適的區(qū)域?qū)?。模糊參?shù)的初始值一般可隨意選取，在運(yùn)行過程中通過不斷調(diào)整逼近最優(yōu)控制，該控制器的設(shè)計(jì)不依賴于電機(jī)

21、的先驗(yàn)知識(shí)，能夠適應(yīng)電機(jī)特性的任何變化，對(duì)轉(zhuǎn)子位置反饋誤差具有較強(qiáng)的魯棒性, 轉(zhuǎn)矩在最大正轉(zhuǎn)矩區(qū)域產(chǎn)生，增加了轉(zhuǎn)矩密度，避免了高電流峰值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。然而, 由于這是一個(gè)單輸入、單輸出的模糊系統(tǒng)，對(duì)于一恒定的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)來說，權(quán)值能夠根據(jù)電機(jī)的特性和運(yùn)行條件在線改變，但是當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定發(fā)生變化時(shí)，由于模糊控制器沒有記憶功能，控制器不能根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩的改變實(shí)時(shí)調(diào)整系數(shù),需要重新進(jìn)行學(xué)習(xí)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小的方法最早由J.G.Odonovan等提出, 考慮SRM 的非線性特性, 根據(jù)SRM 的轉(zhuǎn)矩、電流、角度關(guān)系, 對(duì)電機(jī)的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí), 通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力學(xué)習(xí)相電流波形減小電機(jī)

22、的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 但他們所采取的常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度較慢, 需要離線學(xué)習(xí), 難以用于電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。Zheng yuLin 等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用轉(zhuǎn)矩估計(jì)代替文獻(xiàn)中的轉(zhuǎn)矩傳感器, 降低了系統(tǒng)成本, 并提供了轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，由于B樣條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一種聯(lián)想式記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 適用于在線非線性自適應(yīng)仿真。天津大學(xué)夏長亮等提出基于徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)的開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）單神經(jīng)元PID 自適應(yīng)控制新方法。該方法針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性，利用單神經(jīng)元來構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)的單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器，結(jié)構(gòu)簡單，能適應(yīng)環(huán)境變化，具有較強(qiáng)的魯棒性，但同樣需要離線訓(xùn)練，難以用于電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。4.4 直接瞬

23、時(shí)轉(zhuǎn)矩控制與傳統(tǒng)方法不同的是，直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(DITC)不使用任何電流波形來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而是直接控制每一時(shí)刻的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩跟隨參考轉(zhuǎn)矩值，依據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩的偏差，為功率變換器提供一個(gè)負(fù)、零或正電壓，對(duì)電機(jī)的所有激勵(lì)相產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。學(xué)者Rik W.De Doncker利用預(yù)先計(jì)算的T(,i)關(guān)系估算瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，磁鏈低速時(shí)積分累計(jì)誤差嚴(yán)重，使低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到5%20。燕山大學(xué)漆漢宏等采用T(i，)關(guān)系估算瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，則需要通過高精度的編碼器獲得準(zhǔn)確的位置角信號(hào)16。與通過控制電流或者磁鏈來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制策略相比，DITC控制更直接且簡單，適用于動(dòng)態(tài)性能要求高的場合。目前DITC在SR電機(jī)控制

24、中還有許多地方可以完善，在改進(jìn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和磁鏈估算方法方面還有許多改進(jìn)的地方。5 開關(guān)磁阻電機(jī)仿真與分析MATLAB 憑借其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、簡便的繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境以及豐富的算法工具箱，使其得到廣泛應(yīng)用。下文將在Matlab/Simulink中搭建基于PWM調(diào)壓控制的SR電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型來驗(yàn)證開關(guān)管導(dǎo)通角on、關(guān)斷角off對(duì)SR電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的影響。5.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型本文根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的基本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink中搭建出SR電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型。完整仿真模型如下圖5所示，主要由開關(guān)磁阻電機(jī)本體模塊、PI調(diào)節(jié)器、位置判斷模塊

25、、電流反饋模塊、PWM生成模塊、雙開關(guān)功率變換模塊等組成：圖5 SR電機(jī)仿真模型Fig.5 Simulation model of SR motor5.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真結(jié)果與分析上述仿真模型的基本參數(shù)如下:仿真步長給定轉(zhuǎn)速n=1500r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1s后添加TL=1Nm；直流電壓240V；SR電機(jī)參數(shù)為6/4極、通用模型、定子電阻0.1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.05kg.m.m、摩擦0N.m.s、不對(duì)齊電感6.7 ×10-3H、對(duì)齊電感2.3.6 ×10-1H。開通角on=40o或者50o、關(guān)斷角off=75o或者85o。該仿真模型是基于PWM調(diào)壓控制策略搭建的。下圖6是

26、SR電機(jī)仿真模型開通角on=40o、關(guān)斷角off=75o時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。從波形可以看出經(jīng)過大概0.3秒時(shí)間轉(zhuǎn)速從0r/min上升最終穩(wěn)定在1500r/min附近。曲線比較光滑，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)效果較好。而圖7是SR電機(jī)開通角on=40o、關(guān)斷角off=75o時(shí)位置角隨時(shí)間增長的波形。在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，其曲線斜率也保持恒定，同樣從側(cè)面反映了轉(zhuǎn)速比較恒定。 從前述的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)，可以知道理論上功率管的開通角和關(guān)斷角對(duì)電流的波形有極大的影響，在Simulink的電機(jī)模型中定義的導(dǎo)通角與前述電感變化曲線相位不同，SR電機(jī)仿真模型的相位角要滯后45o，即SR電機(jī)仿真模型的45o對(duì)應(yīng)前述電感曲線的0o。下面分別改變開

27、通角和關(guān)斷角分為三組觀察SR電機(jī)模型的電流和轉(zhuǎn)矩波形。(a)開通角on=40o，關(guān)斷角off=75o ；(b)開通角on=50o，關(guān)斷角off=75o；(c)開通角on=40o，關(guān)斷角off=85o。比較圖8(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)電流峰值(b)組相對(duì)(a)圖明顯小了，電流峰值從(a)圖的4A到(b)圖的2A，而且(b)圖電流波形頂端更平，同時(shí)圖9(b)圖的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值也相對(duì)于圖9(a)更小，波動(dòng)范圍在0-1.5Nm，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩按理想模型是和電流的平方成正比的，故電流波動(dòng)大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也大。仿真結(jié)果能夠驗(yàn)證開通角on對(duì)電流及轉(zhuǎn)矩的影響，與推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型相符。比較圖8(a)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，圖8(c

28、)的電流幅值和圖3(a)基本一致，同時(shí)可以明顯發(fā)現(xiàn)圖8(c)的電流寬度大于圖3(a)的電流寬度，與理論推導(dǎo)的關(guān)斷角off影響電流寬度相符。比較圖9(a)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，圖9(c)的轉(zhuǎn)矩波形出現(xiàn)負(fù)值，且幅值很大，說明開關(guān)管的關(guān)斷角off太大，電流續(xù)流到電感減小的區(qū)域。根據(jù)理想模型是轉(zhuǎn)矩和電感的變化率成正比。此時(shí)電感變化為負(fù)，故出現(xiàn)負(fù)的轉(zhuǎn)矩與推導(dǎo)的公式相符，關(guān)斷角off對(duì)電流及轉(zhuǎn)矩的影響。所以仿真結(jié)果可以充分證明開通角on、關(guān)斷角off等可控參數(shù)對(duì)SR電機(jī)的巨大影響。圖6 SR電機(jī)轉(zhuǎn)速波形Fig.6 Waveform of SRM speed圖7 SR電機(jī)位置角波形Fig.7 Waveform

29、of SRM position angle(a)on=40o，off=75o(b）on=50o，off=75o(c）on=40o，off=85o圖8 SR電機(jī)電流波形Fig.8 Waveforms of SRM current (a)on=40o，off=75o(b）on=50o，off=75o (c）on=40o，off=85o圖9 SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形Fig.9 Waveforms of SRM torque 結(jié)論通過Matlab/Simulink驗(yàn)證了開通角、關(guān)斷角等控制參數(shù)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的影響。而開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)非線性強(qiáng)，現(xiàn)有控制策略仍存在許多問題，但智能控制和直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控

30、制策略仍是發(fā)展方向。致謝 感謝對(duì)本工作的幫助，在此表示感謝！參考文獻(xiàn)：1Kim Tae-Hyoung，Lee Dong-Hee，Ahn Jin-Woo. Advanced non-linear logic torque sharing function of SRM for torque ripple reductionC. 2009:1-4.2S. Sindhuja，D. Susitra. Design of a novel high grade converter for switched reluctance motor drive using component sharingC. 2

31、013:1174-1178.3Cheng Yong，Lin Hui. Modeling of switched reluctance motors based on optimized BP neural networks with parallel chaotic searchC. 2010:153-156.4R. Mitra，Y. Sozer. Torque ripple minimization of switched reluctance motors through speed signal processingC. 2014:1366-1373.5孫建忠 白鳳仙. 特種電機(jī)及其控制

32、M. 北京: 中國水利水電出版社, 2013.6Wang Huijun，Lee Dong-Hee，Ahn Jin-Woo. Torque ripple reduction of SRM using advanced direct instantaneous torque control schemeC. 2007:492-496.7M. R. Benhadria，K. Kendouci，B. Mazari. Torque Ripple Minimization of Switched Reluctance Motor Using Hysteresis Current ControlC. 2006:2158-2162.8周永勤，姜云峰，徐海偉. 基于轉(zhuǎn)矩分配的開關(guān)磁阻電機(jī)模糊PI控制系統(tǒng)J. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2010, (06): 74-77+84.9孫劍波，詹瓊?cè)A，王雙紅，等. 開關(guān)磁阻電機(jī)減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制策略J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, (12): 134-138.10張東，呂征宇，陳昊. 基于正弦模型的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最小化