开关磁阻电机转矩脉动控制策略及设计研究

开关磁阻电机转矩脉动控制策略及设计研究1引言1.1背景介绍与意义开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor,SRM）作为一种新型的电机类型，具有结构简单、运行可靠、效率高和成本低等优点，在诸多领域得到了广泛应用。然而，开关磁阻电机在运行过程中存在转矩脉动的问题，这不仅影响了电机的运行平稳性，还可能引起噪声和振动，降低系统的性能和寿命。因此，研究开关磁阻电机转矩脉动控制策略及设计方法，对于提高电机性能、拓宽其应用领域具有重要的意义。1.2开关磁阻电机转矩脉动问题概述开关磁阻电机转矩脉动是指在电机运行过程中，输出转矩随时间发生变化的现象。转矩脉动会导致电机转速波动、输出功率不稳定等问题，影响电机的运行性能。开关磁阻电机转矩脉动主要与电机结构、控制策略和运行条件等因素有关。针对这些问题，研究者们提出了许多控制策略，以期降低转矩脉动，提高电机性能。1.3文献综述近年来，国内外学者对开关磁阻电机转矩脉动控制策略及设计进行了大量研究。文献[1]提出了一种基于模糊控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法，通过实时调整相电流参考值，实现转矩脉动的抑制。文献[2]采用神经网络对开关磁阻电机进行建模，并设计了一种自适应控制器，有效降低了转矩脉动。文献[3]提出了一种基于滑模观测器的开关磁阻电机转矩脉动控制策略，通过对电机状态的实时观测，实现了对转矩脉动的抑制。然而，现有的研究在转矩脉动控制策略及设计方面仍存在一定的局限性，需要进一步探索和改进。2开关磁阻电机转矩脉动产生机理2.1开关磁阻电机结构及工作原理开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor,SRM）作为一种新型的调速电机，具有结构简单、成本低、效率高、控制灵活等优点。其结构主要由定子和转子两部分组成。定子由若干个凸出的磁极组成，转子则是由若干个软磁材料制成的柱状段构成。在工作原理上，SRM依靠磁阻最小原理，通过改变定子磁极的通电状态，产生旋转力矩。2.2转矩脉动的产生原因开关磁阻电机在运行过程中，转矩脉动是其固有的特性。转矩脉动的产生原因主要有以下两个方面：由于SRM的磁路非线性，导致磁通与电流之间并非线性关系，从而使得转矩输出存在波动。开关磁阻电机的凸极结构使得在转子转动过程中，不同磁极之间的磁阻差异较大，进而导致转矩脉动。2.3影响转矩脉动的因素影响开关磁阻电机转矩脉动的因素众多，主要包括以下几点：电机结构参数：如磁极数、磁极弧度、气隙长度等。控制参数：如相电流幅值、斩波频率、导通角等。转子位置：由于SRM磁路非线性，不同位置下的磁阻差异导致转矩波动。电机负载：负载的变化会影响电机的运行状态，从而影响转矩脉动。通过对开关磁阻电机转矩脉动产生机理的研究，可以为后续的转矩脉动控制策略提供理论依据。3转矩脉动控制策略3.1传统控制策略分析开关磁阻电机（SRM）的转矩脉动控制，传统上依赖于对电机相电流、相电压以及转速的调节。以下分析了几种传统的控制策略。3.1.1相电流控制策略相电流控制策略主要通过对相电流波形进行优化，以减少转矩脉动。这通常涉及电流斩波控制和角度控制，目的是使电流尽可能平滑，降低因电流波动引起的转矩脉动。3.1.2相电压控制策略相电压控制是通过控制各个相的电压，来影响电机的磁通和转矩。这种方法包括对电压进行调制，以确保在电机的不同运行区间内，转矩输出保持相对恒定。3.1.3速度反馈控制策略速度反馈控制策略是通过监测电机的实时速度，并据此调整电流或电压的设置点，从而减少因速度波动引起的转矩脉动。此方法的关键是速度传感器的准确性和快速响应。3.2现代控制策略研究随着控制理论和计算机技术的发展，现代控制策略在开关磁阻电机的转矩脉动控制上展现出了更高的性能。3.2.1智能控制策略智能控制策略，如基于神经网络、模糊逻辑等控制算法，通过模仿人脑的决策过程，实现对电机复杂非线性动态特性的自适应控制。这些策略能够根据实时运行数据，智能地调整控制参数，以达到降低转矩脉动的目的。3.2.2自适应控制策略自适应控制能够自动调整控制器参数，以适应电机运行过程中的各种变化，包括负载扰动和参数变化等。这种方法对于提高电机在整个运行范围内的性能，特别是减少转矩脉动方面，表现出了良好的效果。3.2.3鲁棒控制策略鲁棒控制策略，如H∞控制和slidingmodecontrol（SMC），即使在存在不确定性和外部扰动的情况下，也能确保系统性能。这些策略通过设计合适的控制器，增强电机对转矩脉动的抑制能力，从而提高电机运行的稳定性和可靠性。4开关磁阻电机转矩脉动控制器设计4.1控制器设计原则开关磁阻电机转矩脉动控制器设计需遵循以下原则：稳定性：保证系统在各种工况下稳定运行，避免因参数变化或外部干扰导致的系统失稳。快速性：控制器响应速度要快，以减少转矩脉动。准确性：控制策略需精确，确保转矩控制准确，降低误差。鲁棒性：提高系统对参数变化和外部干扰的抵抗能力，保证控制效果。经济性：在确保控制效果的基础上，力求控制器结构简单，降低成本。4.2控制器结构设计控制器结构设计主要包括以下几个部分：主控制器：采用高性能微处理器或DSP，负责整个控制策略的实施。驱动电路：根据主控制器输出的控制信号，驱动开关磁阻电机的各相。反馈环节：包括速度反馈和电流反馈，为主控制器提供实时运行数据。控制算法模块：实施各种控制策略，包括传统和现代控制策略，以优化转矩脉动控制效果。具体结构如下：主控制器：选用高性能DSP芯片，完成控制算法的运算和输出。驱动单元：采用智能功率模块，实现高精度、高效率的电机相电流控制。传感器：安装位置传感器和速度传感器，获取准确的电机运行状态信息。控制算法：集成传统控制策略与现代控制策略，通过实时参数调整，优化转矩控制效果。4.3参数优化与仿真验证为了提高控制器性能，对控制器参数进行优化是必要的。这一过程包括：参数调整：基于控制算法，对控制器内部参数进行调整，以达到最佳控制效果。仿真分析：通过建立开关磁阻电机模型，模拟实际运行工况，对控制策略进行仿真验证。性能评估：通过仿真结果，评估控制策略对转矩脉动的抑制效果，并进行改进。仿真验证：使用MATLAB/Simulink软件建立开关磁阻电机模型，模拟实际运行环境。对比不同控制策略下的转矩波动情况，验证控制策略的有效性。优化参数，直至达到满意的转矩控制效果。通过以上步骤，为控制器设计提供理论依据和实际指导，确保开关磁阻电机转矩脉动得到有效控制。5实验与分析5.1实验平台搭建为了对开关磁阻电机转矩脉动控制策略进行验证，首先搭建了实验平台。该平台主要包括开关磁阻电机、转矩传感器、控制器、驱动器及上位机等部分。选用的开关磁阻电机具有典型的结构，便于进行不同控制策略的实验研究。转矩传感器用于实时检测电机运行过程中的转矩脉动情况。控制器采用DSP芯片实现各种控制算法，驱动器负责根据控制信号对电机进行驱动。上位机用于实时监控实验数据，便于后续分析。5.2实验结果分析5.2.1传统控制策略实验分析在实验平台上，首先对传统控制策略进行了实验验证。包括相电流控制策略、相电压控制策略和速度反馈控制策略。实验结果表明，这些传统控制策略在一定程度上可以降低开关磁阻电机的转矩脉动，但仍有较大的优化空间。5.2.2现代控制策略实验分析接着，对现代控制策略进行了实验研究。包括智能控制策略、自适应控制策略和鲁棒控制策略。实验结果显示，这些现代控制策略相较于传统控制策略具有更好的转矩脉动抑制效果。其中，智能控制策略可以根据电机的实时运行状态，自动调整控制参数，实现转矩脉动的自适应抑制；自适应控制策略能够根据电机的负载变化，调整控制器参数，有效降低转矩脉动；鲁棒控制策略具有较强的抗干扰能力，对于开关磁阻电机转矩脉动的抑制具有显著效果。综合以上实验分析，可以得出以下结论：现代控制策略在开关磁阻电机转矩脉动抑制方面具有明显优势，可以为开关磁阻电机在实际应用中提供更稳定、更高效的运行性能。6结论与展望6.1研究成果总结本文针对开关磁阻电机转矩脉动问题，从其产生机理、控制策略和控制器设计等方面进行了深入研究。首先，详细分析了开关磁阻电机的结构及工作原理，明确了转矩脉动的产生原因和影响因素。其次，对传统控制策略与现代控制策略进行了梳理与评估，指出传统控制策略在稳定性、响应速度等方面的局限性，并探讨了现代控制策略如智能控制、自适应控制和鲁棒控制等在转矩脉动抑制方面的优势。在此基础上，本文提出了开关磁阻电机转矩脉动控制器的设计原则和结构，并结合参数优化与仿真验证，验证了所设计控制器的有效性和可行性。实验结果表明，采用现代控制策略的控制器在降低转矩脉动、提高电机性能方面具有明显优势。6.2不足与改进方向尽管本文在开关磁阻电机转矩脉动控制方面取得了一定的研究成果，但仍存在以下不足：控制策略研究尚有待进一步深入，尤其是智能控制策略在转矩脉动抑制方面的潜力尚未充分挖掘。控制器设计过程中，参数优化方法较为简单，未来可以尝试更先进的优化算法，以提高控制器性能。实验与分析部分，实验数据尚不够充分，未来可以增加更多工况下的实验研究，以提高研究结果的可靠性。针对以上不足，未来的研究可以从以下几个方面进行改进：深