开关磁阻电机转矩脉动控制的研究

开关磁阻电机转矩脉动控制的研究

1基于时域的转速控制由于结构简单、强度高、工作可靠、制造成本低、速度快等优点，开关磁阻电机（srm）具有优点的性能，如结构简单、强度高、工作可靠、制造成本低、速度快等。潜在的竞争对手。这被认为是未来的一种非常有竞争力的驱动器。转矩脉动是SRM的主要缺点之一,这是由SRM定、转子凸极结构和非线性电磁特性决定的。转矩脉动直接影响着SRM驱动系统的输出特性,特别是低速时转矩脉动导致速度振荡。因此,对SRM转矩脉动抑制的研究一直受到人们的高度重视,各国学者在转矩脉动消除方面提出了许多方法,取得了较显著的成果。总的来说,减小转矩脉动主要有两种方法:一种方法是优化电机的电磁设计,合理设置定、转子磁极结构与参数来减小转矩脉动,但该方法对电机的其他性能会产生不利影响,仅在一些特定电机输出的情况下才能实现;另一种方法是应用一些复杂的电控技术实现转矩脉动最小化。本文主要从控制角度,讨论抑制转矩脉动的控制方法。传统的抑制转矩脉动的方法是将非线性系统近似转换成等效线性系统的线性反馈控制方法。仿真结果显示这种方法只有在能够得到电机精确的数学模型的情况下,才可以得到所希望的脉动较小的转矩。由于缺少精确模型,这种方法使SRM系统的性能降低,而且某些情况下,甚至导致不稳定的响应。另外,这种方法在化简过程中需要大量计算,使得数字式实时线性反馈控制方法只适用于低速情况下的应用。目前最常用的抑制转矩脉动的控制方法是使用预存的最优转矩分配函数和电流滞环控制器,通过合理的选择转矩分配函数,规划每相的电流以便使各相产生的转矩之和等于总的期望转矩,以此来减小转矩脉动。这种方法显著地减小了控制器的计算量,使得实时控制更实际可行。但是,转矩分配函数的离线计算导致系统稳定性降低和无法更新电机模型。而且通过这种方法得到的转矩控制器是开环模式,对不确定的模型和扰动很敏感。为了克服前面提到的电流调节方法的缺点,本文引入了直接瞬时转矩控制(简称DITC)的概念。与传统方法不同的是,DITC不使用任何电流波形来抑制转矩脉动,而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,为功率变换器提供一个负、零或正电压,对电机的所有激励相产生开关信号。2扭矩单元控制DITC系统主要包括不对称半桥式功率转换器及相关开关状态设定、瞬时转矩计算单元、DITC单元等。其中转矩滞环控制器是整个系统的控制核心,它包含参考转矩与瞬时转矩的比较以及给定开关角。系统的框图如图1所示,下面将分别讨论DITC系统的主要内容,并给出相应的开关策略。2.1功率转换电路SRM系统是典型的机电一体化系统,其功率转换器与控制器更是不可分离,在整个系统中,功率转换器所占比重较大。应用于SRM系统的功率转换器电路形式很多,由于SRM转子是反应式结构,故只需单极性电源供电,而且系统需要实时换相,故本文选用最灵活、应用最广泛的不对称半桥式功率转换器,如图2所示。根据功率转换器的工作过程,可以把开关动作分为三个状态:两个开关管同时导通设定为状态1,绕组上所加电压为正值;一个开关管关断的续流阶段设定为状态0,绕组上所加电压为0;两个开关管同时关断设定为状态-1,绕组上所加电压为负值。图3给出了一相绕组上相应的开关状态设定,其中S表示开关状态。2.2基于电流和转速特性的不确定问题SRM的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的。由于SRM磁路的非线性,通常SRM的转矩根据磁共能来计算,由一相所产生的转矩通式为式中,k为绕组的相数;Tk为第k相的瞬时转矩,ik为第k相的电流,θ为转子位置角度,W′(θ,i)为绕组的磁共能。显然,磁共能的改变既取决于转子位置,亦取决于绕组电流的瞬时值。在磁路饱和状态下运行的SRM是一种非线性严重的机电装置,磁共能很难解析计算。但是电机在饱和状态下,其机械损耗可以忽略,因此式(1)可以用一个近似的等式表示为式中ψk——第k相的磁链Lk——第k相的电感SRM总的瞬时转矩为各相瞬时转矩之和,本文所用的SRM是三相12/8极电机,故总瞬时转矩为由此可以看出,转矩特性是两个变量的函数,可以从电流、转子位置和磁链三个变量中获得。因此,共有三种可能的组合来描绘转矩关系:T(i,θ),T(i,ψ)和T(θ,ψ)。本文中,瞬时转矩T(i,θ)是基于电流和转子位置的。这个转矩特性可以从有限元(FE)仿真或实验中获得,如图4所示。在DITC系统中,输出的瞬时转矩被认为是直接控制的变量。从静态转矩特性得到的瞬时转矩作为控制量,与参考转矩进行比较后,再送入转矩滞环调节器进行控制,达到抑制转矩脉动的目的。2.3转速a、b相的控制传统的SRM控制器是基于电流控制器的,为脉宽调制(PWM)或滞环控制,转矩命令首先要变成电流指令,然后由电流控制器产生开关信号来达到期望的电流值。与这些传统的控制器不同,DITC认为转矩是直接控制的变量,相电压由转矩命令和瞬时转矩之差决定。在SRM运行期间,按不同位置导通相数的不同,把转子角度产生转矩的区域分为单相导通区域和换相区域,如图5所示。在单相导通区域,只有一相被激励,该相的可能开关状态S有状态1、状态0和状态-1,以A相为例,DITC的工作过程如图6a所示。当瞬时转矩减小,使转矩偏差值大于内部滞环的极限∆Tmin时,开关状态S工作在状态1,为A相绕组提供正电压,从而使转矩值增加;当瞬时转矩增大,使转矩偏差值小于内部滞环的极限-∆Tmin时,开关状态S工作在状态0,A相绕组上所加电压为零,从而使转矩值减小;若瞬时转矩仍大,使转矩偏差值小于外部滞环的极限-∆Tmax时,开关状态S工作在状态-1,A相绕组上所加电压为负,从而使转矩值迅速减小;此后,若转矩减小得过多,即转矩偏差值大于内部滞环的极限-∆Tmin时,开关状态S又回到状态0,停止转矩的减小。这样,通过DITC的开关动作,单相导通区域的瞬时转矩被控制跟随参考转矩。两相邻相同时导通的区域为换相区域,图6b显示了A、B相换相时DITC的工作过程。这一阶段瞬时转矩的控制较为复杂,需要内部滞环和外部滞环的共同作用。具体的控制过程为:换相时希望B相能逐渐代替A相产生转矩,故给B相提供正电压,即开关状态S为状态1。假设换相初期A、B相的开关状态均为状态1,两相同时产生的转矩之和就是要控制的瞬时转矩。随着B相转矩的增加,瞬时转矩开始变大,当转矩偏差小于零时,为了不减小B相产生的转矩,将A相转入状态0来减小瞬时转矩;此后在产生转矩的过程中,若瞬时转矩进一步增加,即转矩偏差小于内部滞环的极限-∆Tmin时,B相也转入状态0以停止该相转矩值的增加;当瞬时转矩增大到超出外部滞环的极限,即转矩偏差小于-∆Tmax时,为了不将B相退磁,A相转入状态-1,来迅速减小转矩,直到A相完全退磁。在这之后,当瞬时转矩变小,即转矩偏差大于零时,A相转入状态0来停止转矩的减小;若瞬时转矩仍旧小,即转矩偏差大于内部滞环的极限∆Tmin时,B相转入状态1来增加转矩;此后若B相产生的转矩太小,即转矩偏差大于外部滞环的极限∆Tmax时,A相被重新激励,也转入状态1来增加瞬时转矩,以补偿B相产生转矩的不足。这样,通过DITC的开关动作,换相区域的瞬时转矩也得到了控制。图7给出了换相区域瞬时转矩的相应控制图。3表面活性剂的误差根据本文所述的DITC算法,采用Matlab仿真软件,对一台三相12/8极电机进行了基于DITC系统的SRM转矩脉动最小化的仿真研究,选取参考转矩为0.6N·m。图8a显示了400r/min时DITC系统三相转矩及总转矩波形图,图8b为400r/min时DITC系统的总转矩波形放大图,可以看到通过转矩滞环控制器的作用,直接控制每一时刻的瞬时转矩,得到的总转矩较平缓,跟随参考转矩值,并被限制在转矩滞环控制器的偏差范围内,这与前面2.4节所述的DITC系统控制瞬时转矩的原理一致,仿真结果验证了理论的正确性。图8c、d给出了DITC系统转矩突增和转矩突减时的仿真波形,可以看出转矩突变时,DITC系统控制实际瞬时转矩跟随参考转矩的效果较好。4转速突变对样机按照图1构成的DITC系统进行实验研究,图9给出了实验结果,其中图9a为400r/min时DITC系统实验波形图,上面为参考转矩与实际瞬时转矩的对比图,中间为一相电流波形图,下面为相应的相电压波形图,可见DITC系统能有效地控制实际的瞬时转矩,抑制了转矩脉动;图9b为DITC系统转矩突增时的实验波形图,图9c为DITC系统转矩突减时的实验波形图,可见在转矩突变时DITC系统的控制效果也较好。对比图8和图9可以看出,实验结果与仿真结果基本一致,再次说明了本文所述的DITC算法能