開關(guān)磁阻電機(jī)的角度優(yōu)化

1、開關(guān)磁阻電機(jī)的角度優(yōu)化：When the switched reluctance motor runs at low speed， it adopts chopped current control to limit the starting current amplitude. Whenit runs at high speed，it regulates the output power or revolving speed by angle control ， that is to make the motor get the max torque-current ratio by opt

2、imizing the opening angle and turn-off angle. This paper presents a new method to optimize the opening angle. Based on the traditional formula method ， current amplitude closed-loop controlis adopted ， and the optimization of turn-off angle adopts fuzzy control. Simulation shows that this method can

3、 improve the dynamic behavior of the motor obviously and enhance the efficiency of the motor indirectly.0 引言開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctanee Motor, SRM 具有一 系列優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、維護(hù)量小，系統(tǒng)的容錯(cuò)能力強(qiáng)，在缺 相情況下仍能可靠運(yùn)行；起動及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、電流小，高速恒 功率區(qū)范圍寬、性能好，調(diào)速范圍寬，在寬廣的轉(zhuǎn)速及功率范圍 內(nèi)均有高效率和很好的魯棒性。因此， 20 世紀(jì) 90 年代以來，已 被越來越多地應(yīng)用于電動車輛、礦山、油田、紡織機(jī)械等工業(yè)部

4、門的驅(qū)動系統(tǒng)。特別是它的較好的高速（超高速）性能和較強(qiáng)的 容錯(cuò)能力，使其在航空航天、高速離心機(jī)等環(huán)境惡劣且安全性要 求很高的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過程中，為了維持較高的效率需要對開 通角進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法主要有：公式法、在線尋優(yōu) 法和查表法。公式法主要是基于開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電機(jī)參 數(shù)，通過推導(dǎo)得到開關(guān)角的數(shù)學(xué)公式。 由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有很 強(qiáng)的非線性特性，無法得到電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型， 故通過公式得 到的開關(guān)角與實(shí)際的最優(yōu)值存在一定的差異，而且一般通過公式推導(dǎo)得到的開關(guān)角的數(shù)學(xué)公式都比較復(fù)雜， 對電機(jī)的控制器提出 了較高的要求。在線尋優(yōu)法是在確定優(yōu)化目標(biāo)后，

5、然后在電機(jī)的運(yùn)行過程中 不斷循環(huán)進(jìn)行如下操作：檢測優(yōu)化目標(biāo)量、在線微調(diào)開通關(guān)斷角、 判斷當(dāng)前是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)， 直到優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到才停止優(yōu)化。 但 是，本方法存在精度低、有可能陷入局部最優(yōu)、尋優(yōu)過程關(guān)斷角 震蕩，影響電機(jī)壽命等缺點(diǎn)。查表法是在對電機(jī)進(jìn)行控制之前， 需要得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速和開 通角之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，建立表格，電機(jī)運(yùn)行時(shí)根據(jù)電機(jī)的速度從 表格中讀出此時(shí)所對應(yīng)的開關(guān)角，實(shí)時(shí)進(jìn)行角度控制。但是，在 需要對電機(jī)進(jìn)行精確控制時(shí)， 則需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，占據(jù)了大 量的存儲單元，影響處理器的效率。通過以上分析可知， 傳統(tǒng)的優(yōu)化方法存在各自的缺點(diǎn)， 為了 改善系統(tǒng)的性能， 本文提出了一種新的開通角優(yōu)化方

6、法。 開通角 的優(yōu)化在傳統(tǒng)公式法的基礎(chǔ)上加了電流幅值閉環(huán)控制， 關(guān)斷角的 優(yōu)化則采用模糊控制， 通過仿真證明該方法可以明顯地改善電機(jī) 的動態(tài)特性， 使電機(jī)獲得最大的轉(zhuǎn)矩電流比， 間接地提高電機(jī)的 效率。1 開通角優(yōu)化根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的電感曲線可知， 當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)工作在 電動狀態(tài)下時(shí)， 在電感上升區(qū)間使電機(jī)繞組導(dǎo)電， 則產(chǎn)生一定的 正向轉(zhuǎn)矩。改變電機(jī)的開通角，將改變電機(jī)電流的波形，從而使 得電機(jī)電感在進(jìn)入上升區(qū)時(shí)的定子繞組電流的大小發(fā)生變化， 轉(zhuǎn) 矩的大小也將隨之變化。低速時(shí)，由電機(jī)的電壓方程式（ 1）可知，電機(jī)的實(shí)際電流 較大，很容易達(dá)到參考電流 Iref 的大小，使電機(jī)可以產(chǎn)生足夠 的轉(zhuǎn)矩

7、，運(yùn)行在指定的速度下。高速時(shí)，由于電機(jī)電壓方程的限 制，在開關(guān)角一定時(shí)，隨著速度的增加，電機(jī)的實(shí)際電流越來越 小，直至電機(jī)電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)， 電機(jī)的速度穩(wěn)定 在一定值。此時(shí)，電機(jī)可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速較小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電 流比 Tavg/Iphrms 也比較低。低速時(shí)，采取此優(yōu)化方法可以使得電機(jī)具有良好的運(yùn)行狀 態(tài)。然而，高速時(shí)由于電機(jī)繞組反電動勢的增大，開通角的此優(yōu) 化方法并不能很好地滿足電機(jī)的控制要求。并且，實(shí)際工程中， 開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境往往較為惡劣， 通常會出現(xiàn)造成電壓不 穩(wěn)定等實(shí)際問題， 因此為了獲得更大的轉(zhuǎn)矩， 使得電機(jī)實(shí)際電流 的幅值接近電機(jī)的參考電流 Iref ，在此

8、設(shè)計(jì)了一個(gè)電流幅值閉 環(huán)控制， 如圖 1所示，根據(jù)參考電流和實(shí)際電流幅值的差來相應(yīng) 地改變開通角， 使得電機(jī)可以獲得更大的電流， 進(jìn)而可以使電機(jī) 運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速， 使電機(jī)獲得最大的轉(zhuǎn)矩電流比， 間接地提高 電機(jī)的效率。 2 關(guān)斷角優(yōu)化與開通角的優(yōu)化策略不同， 本文對關(guān)斷角采用模糊控制進(jìn)行 優(yōu)化。模糊控制器主要有模糊化接口、模糊規(guī)則庫、模糊推理機(jī) 和解模糊接口四部分組成。 模糊控制的一般過程為： 首先將輸入 變量進(jìn)行模糊化， 然后根據(jù)模糊規(guī)則庫和模糊推理機(jī)得到模糊輸 出，最后進(jìn)行解模糊化。2.1 模糊化 該模糊控制器將電機(jī)的速度作為輸入變量，關(guān)斷角？茲 off 作為輸出變量。在對輸入、輸出變量

9、模糊化之前，通過仿真分析 得，當(dāng)電機(jī)的速度n變化范圍為06000r/min時(shí)，電機(jī)的效率 隨著關(guān)斷角？茲 off 變化的曲線如圖 2 所示。由圖 2 知，當(dāng)關(guān)斷 角在 7588范圍內(nèi)變化時(shí)，對于電機(jī)的任意一個(gè)速度一定可 以得到一個(gè)相應(yīng)的關(guān)斷角？茲 off 使得電機(jī)具有較高的效率。 當(dāng) 速度較低時(shí)，電機(jī)一直具有較高的效率， 并且受關(guān)斷角影響較小。 當(dāng)速度較高時(shí)，可以看到，電機(jī)的效率受關(guān)斷角的影響較大：關(guān) 斷角較大時(shí)，電機(jī)的效率非常低，隨著關(guān)斷角的減小，電機(jī)的效率越來越高，并且在達(dá)到最大值后保持不變。由此，對可以得到 速度和關(guān)斷角的隸屬度函數(shù)曲線，如圖3、圖 4 所示。2.2 建立模糊規(guī)則庫在對速

10、度和關(guān)斷角進(jìn)行模糊化之后， 就需要建立速度和關(guān)斷 角之間的模糊規(guī)則庫， 通過模糊推理即可得到關(guān)斷角的模糊值輸 出，進(jìn)行解模糊化得到真實(shí)輸出。其中，模糊規(guī)則庫為：如果 n 為SM4貝V?茲off為BIG4;如果n為SM3則？茲off為BIG3; 如果n為SM2貝V?茲off為BIG2;如果n為SM1貝V?茲off 為BIG1;如果n為M貝時(shí)茲off為M 如果n為BIG1 ,貝V?茲 off為SM1如果n為BIG2,貝V?茲off為SM2如果n為BIG3, 則？茲off為SM3如果n為BIG4,貝V?茲off為SM43 仿真驗(yàn)證對以上提出的的角度優(yōu)化策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 本文選用的是 6/4 極的開

11、關(guān)磁阻電機(jī)，搭建控制模型，以轉(zhuǎn)矩電流比 Tavg/Iphrms 為優(yōu)化目標(biāo)，比較電機(jī)角度優(yōu)化前后的性能。從圖 5 可知，開關(guān)磁阻電機(jī)在進(jìn)行角度優(yōu)化以后的轉(zhuǎn)矩電流 比要明顯高于優(yōu)化之前的轉(zhuǎn)矩電流比， 在高速時(shí)尤其明顯。 這是 因?yàn)?，高速時(shí)如果還保持之前的開關(guān)角不變， 將會限制定子電流 的增長，降低輸出轉(zhuǎn)矩，降低效率。圖 6，圖 7 為當(dāng) nref=6000r/min 時(shí)，電機(jī)從 n=0 加速到 n=6000r/min 的過程中，開通角和關(guān)斷角大小變化的圖形。在電 機(jī)的加速過程中，導(dǎo)通角從 45減小到 39.9 ，關(guān)斷角從 88 減小到 76.8 。由圖像可得，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，開通角和 關(guān)斷角越來越小，直至電機(jī)速度達(dá)到定值時(shí)才保持不變。并且， 開通角和關(guān)斷角的變化曲線較為光滑， 使開關(guān)磁阻電機(jī)在任意速 度時(shí)都可以保持較高的轉(zhuǎn)矩電流比，進(jìn)而獲得較大的效率。4 結(jié)論本文提出了一種對開關(guān)磁阻電機(jī)導(dǎo)通角優(yōu)化的方法， 電機(jī)開 通角的優(yōu)化在傳統(tǒng)公式法的基礎(chǔ)上加