开关磁阻电机的DITC系统设计与仿真研究

1、开关磁阻电机的ditc系统设计与仿真研究李大威，王勉华，刘春元(西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054)摘耍：本文采用了直接瞬时转矩控制(ditc)方法来抑制开关磁阻 电机的转矩脉动。介绍了 ditc方法的控制原理，据此设计了不同导通区间 内的转矩滞环控制器，并进行了仿真研究。仿真结果表明，ditc方法能够 按预定的要求将转矩波动范围控制在滞环限内，在调速阶段能够快速地跟 踪和准确地控制转矩，转矩波形明显优于传统电流斩波控制下的转矩波形, 证明了本文所设计的ditc方法能够有效地提升开关磁阻电机动静态工作 过程中的转矩性能。关键词：直接瞬时转矩控制；开关磁阻电机；滞环控制器；转矩

2、脉 动抑制中图分类号：tm352文献标识码：adirect instantaneous torque control system design and simulation researchof switched reluctanee motorli da-wei, wang mian-hua, liu chun-yuan(school of electric and control engineering, xi'an university of scienee and technology, xi'an 710054, china) abstract: this arti

3、cle adopts direct instantaneous torque control (ditc) method to reduce the torque ripple of switched reluctanee motor. according to the control principle of ditc, a hysteresis torque con troller for differe nt con duction areas was designed, and its simulation model was built and researched. simulat

4、ion result showed that ditc method could limit torque wave into the hysteresis band as expected, and also control torque rapidly and accurately during speed adjusting period. torque waveform was greatly superior to that of traditional current chop control method it demonstrates that ditc method in t

5、his article could both improve switched reluctance motor's dynamic and steady torque performanee effectivel y.keywords: ditc; switched re i u eta nee motor; hysteresis torquecontroller; torque ripple restrain 弓| 言开关磁阻电机（srm）具有结构简单、运行可靠、启动转矩大、调速范围宽、控制灵活等优点，是一种具有发展潜力的新一代交流调速电机。但相较于传统感应式电机，开关磁阻电机的另

6、外一个典1开关磁阻电机 的ditc方法型特征是转矩脉动大，这是由其工作方式决定的。ditc方法将任意时刻总的输出转矩作为自己开关磁阻电机是一种反应式电机, 其定转子的双凸的控制对象。在确定的导通角内，根据参考转矩和极结构 以及磁饱和工作区间都给系统性能的精确反馈转矩的偏差，控制导通相的 开通、关断和续流预测带來了麻烦。如何从控制的角度抑制开关磁阻状态, 来控制该相转矩的变化，从而控制总的合成电机的转矩脉动已成为各国学 者研究的热门课题。转矩，其中相邻两相转矩的分配是按下一相 优先导目前较主流的解决思路是基于各种非线性模型辨通的原则确定的, 以实现转矩的顺利过渡。识理论的优化电流控制方法，如迭代

7、学习控制、 神开关磁阻电机的转矩特性 经网络控制等，这些方法都是在己知转 矩模型的前srm的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁提下进行最佳控 制电流的学习，在导通角变化时转通总要沿着磁阻最小的路径闭合，因此 耍产生正的矩分配函数也耍随z变化，控制过程较为复杂。直转矩，srm 要工作在电感上升区域。连续地切换各接瞬时转矩控制(ditc)方法可以 回避以上问题，它将转矩作为直接的控制量，在换相期间不需要设计转矩分配函数, 能适应各种导通角下的运行情况，控制思想简单直观，易于在低成本的控 制系统屮实现，其控制的关键是转矩控制器的设计。 基金项目：陕西省 教育厅专项科研计划项目(09jk586)作者简

8、介：李大威(1986-),男，硕士研究生，email: david.xxdd 相，使每相都在正的转矩区导通，电机就能连续地转起来。srm相 定子绕组产生的转矩可以根据能量守恒定律推导出來，t=dwcdqpipdid0(1)其中，i和巾分别为相电流和相磁链；0为转子所转角度；wc称为磁共能，iwc= f （e,i）di= jl（ezi）idii为相电感。当电流恒定时，式(2)可简化为t=?wc? 0 (3)当忽略磁场的非线性时，将式(2)代入式(3),t=ldl2i2d 0(4)由公式(4)可以定性得出以下结论：一相绕组的转矩可以认为是转子位置角0和绕组电流i的函数，转矩随着位 置角b作周期性的

9、变化，在任意一个确定位置0,转矩值随着电流的增大 而增大。1.2开关状态的设定srm的功率变换电路采用了半桥式结构。根据其工作过程，可以将一 相定子绕组的开关状态分为三种：1、0和1,如图1所示。1是上下两个 开关管都导通，此时绕组两端电压为+us,电路处于激励状态；0是只有一 个开关管导通，绕组两端电压为0,电路处于续流状态；是两个开关管 都关断，绕组两端电压为us,电路向电源反馈能量。(a) s=1(b) s=o(c) s= -1图 1 一相电路的 3 种开关状态fig.l three switching states of one phasecircuit1.3转矩控制器的设计转矩控制器

10、是ditc系统的核心，其任务是根据转矩的变化要求，合理地选择导通相及其开关状态。srm任意一相的导通角需要根据负载的要求 优化确定，通常可以由经验设定。根据任意时刻导通角的重叠情况，可以 将srm的工作区域划分为单相导通区域和两相导通区域，这样任意一相的 一个工作周期可以划分为四个区域，如图2所示。on_boff_b图2四相绕组导通角的分布fig.2 distribution of conductionangles在单相导通区域ii,导通相的前一相已经关断而其后一相还没有开通, 此时只需根据转矩内滞环对该相进行斩波控制。该区域的前一阶段前一相 虽然关断，但电流不会立刻下降到零，会有一段电流下降

11、时间，前一相的 开关状态保持为j不变。对于导通相，为了在不增加开关频率的情况下保 证转矩的平稳变化，只采用1和0两个开关状态来调节转矩。当瞬时转矩 增大，转矩偏差低于内滞环下限?tmin时，转入状态0让该相处于续流状态，以减小输出转矩；当瞬时转矩减小，转矩偏差大于内滞环上限?tmin 时，转入状态1,给该相励磁以增大输出转矩，工作过程如图3 (a)所示。在两相导通区域i和iii,当前相还没有关断而后一相已经开通，因此 要合理地调节两相的开关状态以使转矩得到合理的分配。为了让后一相转 矩迅速建立起来，只选择1和0对该相进行调节。采用内外双滞环限进行 调节,工作过程如图3 (b)所示。(a) 单相

12、导通工作过程j以迅速减小转矩，当转矩偏差大于0时，再将当前相转入状态0。 由图3 (b)可知，两相的开关状态组合有四种(-1, 0)、(0, 0)、(0, 1) 和(1, 1),电机在三个转矩滞环中进行切换工作。2. ditc系统仿真模型的建立(b) 两相导通工作过程图3转矩滞环控制原理图fig.3 hysteresis torque control rules在两相导通区域初期，给下一相通电让下一相工作在状态让当前相续流工作在状态0。当下一相产生转矩不足吋，总体转矩会下降，当转矩偏差大于外滞环上限?tmax时,让当前相也工作在状态1以增大转矩。当转矩偏差小于0时，再将当前相转入状态0。当 转

13、矩继续增大，转矩偏差小于内滞环下限本文在matlab中建立了开关磁阻电机ditc调速系统的仿真模型，如 图4所示。电机模型选择simulink模型库提供的开关磁阻电机模块。系统 主耍包括pi调速模块、导通角设定模块、ditc模块以及功率变换器模块等。其中，ditc模块是根据上文介绍的转矩控制器的设计方法编程实现的,输入是四相的导通信号以及转矩偏差信号，输出是四相的三种开关信号。pi调速模块的作用是根据速度偏差信号给定参考转矩，要求在动态时能快速响应，稳态时转矩给定要恒定。本文采用了积分分离法来克服电机启动初期大转速偏差造成的 积分饱和，当转速偏差小于100时才启动积分环节，以减小超调，如图5

14、所示。?tmin 时，将下一相也转入状态0。此后，?tmin 时，图5 pi调速模块若转矩减小，转矩偏差大于内滞环上限再将下一相转入状态若转矩进一步增大，转矩偏差小于外滞环下 限?tmax 时，将当前相转入状态fig.5 pi speed adjusting modul图4开关磁阻电机ditc系统仿真模型fig.4 ditc system simulation model3. 仿真结果与分析选取一组仿真运行参数如下，开通角设为32度，关断角设为55度。 转矩控制器的内滞环限为0.3,外滞环限为0.5,负载转矩为lonmo仿真 结果如图6所示，图7为相同导通角下电流斩波控制（ccc）时的转矩波

15、形。nm e/to0.050.10.150.2mrpn/o0.050.10.150.2t/s(a)启动过程200v/u0-20010a/i5014nm图6. ditc下的仿真结果13.5/et1312.5t/s(b)稳态波形fig.6 simulation result of ditcnm/teo.185 0.1860.1870.1880.1890.19 t/s图 7. ccc 下的转矩波形fig.7 torque waveform in ccc图6 (a)为ditc下电机启动过程中的转矩和转速波形。可以看岀，转矩能够准确地跟踪参考转矩，且波动很小，启动过程迅速平稳。图6(b) 为电机稳定运行

16、后的四相电压电流和转矩波形。可以看出，在换相期间前 一相和后一相都进行了斩波控制，单相电流不再是方波。在两相导通期间, 转矩值在12.8-13.6 nm之间波动，单相导通期间，转矩值在12.8-13.4 nm 之间波动，波动范围在所设定的滞环限内，口转矩波形明显优于传统电流 斩波控制下的转矩波形，证明本文所设计的ditc方法能在任意导通角给定 下有效地抑制srm的转矩脉动。4结论本文将ditc方法应用到开关磁阻电机控制系统中，给出了一种转矩控 制器的设计方法。仿真结果显示，本文所设计的ditc方法能准确地控制转 矩，结合简单的pi调速环节就能实现满意的调速要求。获得良好的开关磁 阻电机动静态转

17、矩性能，证明了 ditc方法是一种有效可行的减小开关磁阻 电机转矩脉动的控制方法。参考文献1 robert b lnderka,rik w de doncker. direct instantaneous torquecontrol of switched reluctance drivesj. ieee 37th ias annual meeting, 2002.usa:ieee,2002:1605-1609 2 michael t.direnzo. switched reluctance motor control -basicoperation and example using the

18、 tms320f240j. tl applicationreport,200023 漆汉宏，张婷婷，李珍国.基t* ditc的开关磁阻电机转矩脉动抑 制仿真研究j系统仿真学报，2009.qi hanhong,zhang tingting,li zhenguo. simulation research ontorque ripple reduction of srm based on direct instantaneous torquecontrolj. journal of system simulation20094 李珍国，魏艳君，阚志忠等基于四电平功率变换电路的开关磁阻 电机瞬时转矩控制j.电工技术学报，2007.8.li zhenguowei yanjun,kan zhizhong.er al. direct instantaneoustorque control of srm using four-level converterj. transactions ofchina eletrotechnical society?2007.85 iqbal husain. minimizat