开关磁阻电机控制策略

1开关磁阻电机控制策略研究摘要：开关磁阻电机驱动系统(SRD)是近20年得到迅速发展的一种交流调速系统。其结构简单、工作可靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。本文首先介绍了开关磁阻电机控制策略的研究现状和趋势，推导了开关磁阻电机的数学模型，然后详细介绍了两步换相控制、基于转矩分配函数的转矩控制、智能控制、直接瞬时转矩控制等控制策略。又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响，最后得出以转矩为控制对象的新型控制策略仍将进一步发展。关键词：开关磁阻电机；转矩分配函数；直接瞬时转矩控制；ControlMethodofSwitchReluctantMotor‘Abstract:Switchedreluctancemotordrivesystem(SRD)isakindofacspeedregulatingsystemwithnearly20yearsrapiddevelopment.Itssimplestructure,reliableoperation,highefficiencyandlowcostadvantagesarequitecompetitive.Thisdissertationfirstintroducestheresearchstatusandthecontrolstrategyoftheswitchedreluctancemotortrend,themathematicalmodeloftheswitchmagnetoisdeduced,andthenintroducedthetwo-stepcommutationcontrol,basedonthetorquedistributionfunctionoftorquecontrol,intelligentcontrol,directinstantaneoustorquecontrolandsoon.AndbasedontheMatlab/Simulink,theinfluenceoftheopeningAngle,shutofftheAngletothemotortorquewereverified,finallyconcludedthatthenewcontrolstrategywillcontinuetodevelopfurtherwiththetorqueastheobject.Keywords:switchedreluctantmotor;torquesharefunction;directinstantaneoustorquecontrol(DITC)21引言开关磁阻电机结构简单、成本低廉、坚固耐用、可靠性高；调速范围宽和启动性能优[1-3]。但是由于其双凸极结构和其高度非线性，造成了开关磁阻电机控制的复杂性，制约了其在一定领域中的应用。本文先介绍了开关磁阻电机的相关背景，推导了开关磁电机的数学模型，然后详细介绍了两步换相控制、基于转矩分配函数的转矩控制、智能控制、直接瞬时转矩控制等控制策略。又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响。2开关磁阻电机控制策略的研究现状与趋势2.1开关磁阻电机控制策略的研究现状开关磁阻电机驱动系统（SRD）以其结构简单、工作可靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。但是SRM是双凸极结构，且为了获得较好出力，常常需要被设计得较饱和，导致了SRM的电磁特性呈高度非线性，难以用一个精确的数学表达式来描述。作为一种新型调速驱动系统，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性。从目前的发展水平来看，无论在理论上还是在应用上都存在不少问题，有待进一步的研究与完善[1-3]。开关磁阻电机调速控制参数多，决定了它有灵活多样的控制方法。根据改变控制参数的不同方式，SRM有角度位置控制(AngularPositionControl，简称APC)、电流斩波控制(CurrentChoppingControl，简称CCC)等控制模式。早期的控制策略主要以线性模型为基础，结合传统PI或PID控制器运用上述控制模式，采用前馈转矩或电流控制、反馈转速控制[4-7]。目前，随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益成熟，很多学者开始把一些先进的控制方法应用在SRD系统中，可部分解决开关磁阻电机调速系统的非线性、多变量、强耦合等问题，但距实际的应用还有一定的距离。现有的控制策略从考虑转矩脉动抑制出发，控制对象多是电机瞬时转矩。除了基本的角度位置控制和电流斩波控制，主要有基于换相过程的转矩控制策略、基于转矩分配函数的控制策略、智能控制、直接瞬时转矩控制等控制策略。基于换相过程的转矩控制策略该控制策略通过控制两相绕组的换向期间的两相的电流，达到输出较平滑电磁转矩的目的，但只能缓和SR电机在换向期间的转矩突变，并不能从根本上实现恒转矩控制。基于转矩分配函数的控制策略则从构建相电流波形出发，同时控制转矩分配策略的实质是通过定义转矩分配函数合理地分配与调节各相电流所对应的电磁转矩分量,保证各相瞬时转矩之和为一恒值，然后通过矩角特性反演出各相电流指令；加以适当的控制策略实现电机的高性能控制。这种控制策略关键在于如何合理选择转矩分配函数[1，2，8-11]。智能控制一般包括模糊控制和神经网络控制。智能控制在数学本质上属于非线性控制，可以很好的解决SR电机的非线性。目前应用较多的智能控制策略有模糊控制和神经网络，国内国外学者都取得了一定成果。而直接瞬时转矩控制(DITC)是直接控制每一时刻的瞬时转矩跟随参考转矩值，依据瞬时转矩与参考转矩的偏差控制开关器件的开关。DITC控制更直接且简单，适用于动态性能要求高的场合，但有许多地方有待改进[3，6，8，12-20]。2.2开关磁阻电机控制策略的研究趋势开关磁阻电机驱动系统(SRD)在近20年得到迅速发展，但SRD的控制精度和输出转矩脉动仍有很大的进步空间。目前开关磁阻电机的控制策略研究趋势主要有以下三个方面：(1)从控制的角度,加强减小转矩脉动、降低噪声的研究；(2)研究具有较高动态性能，且控制算法简单的SRD新型控制策略；(3)研究具有较强的鲁棒性、自适应性和自学习能力的SRD智能控制算法。33开关磁阻电机基本控制原理3.1开关磁阻电机的工作原理SR电机为双凸极结构，其定、转子均由硅钢片叠压而成。其转子上既无绕组也无永磁体，定子上则绕有绕组，一般为集中绕组，由径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。SR电机运行遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。当定子某项绕组通电时，若转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合，便存在由于磁力线扭曲而产生的切向磁拉力作用在转子，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止，此时磁场路径磁阻最小。若连续给各相定子绕组按一定顺序通电，则产生连续的脉振磁场，转子会沿着与励磁顺序相反的方向旋转。根据上述的SR电机工作原理可以发现，转子的转动方向与电流方向无关，仅取决于励磁顺序。3.2开关磁阻电机的数学模型SR电机基本数学模型一般包括三种模型，即线性模型、准线性模型和非线性模型。线性模型是基于一系列简化条件推导出的数学模型，该模型虽精度较低，但对于我们了解SR电机工作基本特性和各参数的相互关系很有帮助，是各种控制方法的依据，下面基于线性模型，介绍开关磁阻电机的基本方程和数学模型。为此，做如下假设[5，21]：（1）不计磁路饱和影响，绕组电感与电流大小无关；（2）忽略磁通的边缘效应；（3）忽略所有的功率损耗；（4）开关管的开关动作是瞬时完成的；（5）电机以恒转速运行；1、电压方程根据基尔霍夫电路定律，可以写出SR电机第k相的电压平衡方程式(,)kkkkdiuRidt(1)式中：uk为第k项绕组的端电压；ik为第k项绕组的电流；Rk第k项绕组的电阻；ψk为第k项绕组的磁链。当电机由恒定直流电压源Us供电时，一相电路的电压方程为sdUiRdt(2)式中，“+”号对应绕组与电源接通，“-”号对应电源关断后续流期间。若忽略所有的功率损耗，则上式可以以简化为sddddUdtddtd(3)2、磁链方程在SR电机中，由于互感相对于自感很小，一般计算中忽略互感。则绕组磁链为该相电流与自感、其他各相电流及转子位置的函数：(,)(,)kkkkkiLii(4)式中的每相电感Lk是相电流ik和转子位置角θk的函数，电感之所以与电流有关，是因为SR电机磁路非线性的缘故。而电感随位置变化正是SR电机的特点。理想模型中不计磁路饱和影响，电感变化曲线如图1所示，则电感函数可表示为形式如下：4min122min23max34max445()()()LKLLLLK(5))(L0123a45maxLminL定子转子图1电机电感变化曲线Fig.1CurvesofSRmotorinductance3、机械运动方程按照力学定律可得出转子机械运动方程：22eLddTJKTdtdt(6)4、转矩公式SR电动机的电磁转矩可由磁共能对转子角度的偏导求得：'o(,)(,)meiCnstWiTi(7)式中，'0(,)(,)imWiidi为绕组的磁共能。在理想模型中，不计磁路饱和影响。此时有'21122mmWWiLi(8)从而电磁转矩为21(,)2eLTii(9)3.3开关磁阻电机的基本控制策略在直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情况下，可通过调节SR电动机的主开关器件的开通角θon和关断角θoff的值，来实现转矩和速度的调节，此种方法便称之为角度位置控制(APC)。尤其是当电机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此种控制方式。改变开通角θon，可以改变电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形的相对位置；改变关断角θoff一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，影响较开通角θon较小。因此故一般采用固定关断角θoff，改变开通角θon的控制方式。5低速工作时多采用斩波控制方式(CCC)，用来限制电流峰值。低速时，绕组导通周期长，磁链及电流峰值大，靠加大导通角，减小导通区固然可以限流，但会降低有效利用率，因此，适合采用斩波限流。一般在低速运行时，将使电机的开通角θon和关断角θoff保持不变，而主要靠控制斩波电流的大小来调节电流的峰值，来起到调节电动机转矩和转速的目的。而PWM斩波调压控制是间接地通过PWM斩波调压调节电流来实现电流的斩波控制，也属于斩波控制方式的一种。SR电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区(串励特性区)，如图2所示恒转矩的转速范围为0到第一临界转速，恒功率区转速范围为第一临界转速到第二临界转速，自然特性区转速范围为第二临界转速以上。此时当转速再增加时，可控条件都已到达极限，转矩不再随转速的一次方下降。eTtTcostTrcostTrcos2CCC方式APC方式恒转矩区恒功率区串励特性区012c固定图2SR电机运行特性Fig.2PerformancecharacteristicsofSRmotor4开关磁阻电机控制策略由于开关磁阻电机的双凸极结构和其高度非线性，使其存在转矩脉动大的固有缺点，阻碍了开关磁阻电机在一些领域的推广应用。基本的两种控制方式只是根据转速控制电机的开通角、关断角及电流限流幅值达到控制相电流的目的，并未直接对转矩进行控制，没考虑SRM内部磁场的非线性，因此传统的控制方式很难精确控制每一相瞬时转矩。从考虑转矩脉动抑制出发，现有的改进开关磁阻电机控制策略的控制对象多是电机瞬时转矩。除了基本的角度位置控制和电流斩波控制，主要有基于换相过程的转矩控制策略、基于转矩分配函数的控制策略、智能控制、直