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(1.合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程系,安徽 合肥 230601;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230027;3.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)驅(qū)動系統(tǒng)突出優(yōu)點(diǎn)是效率高,節(jié)能效果好,調(diào)速范圍廣,無啟動沖擊電流,啟動轉(zhuǎn)矩大,控制靈活;此外,還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。除可以取代已有的電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)如直流調(diào)速和變頻調(diào)速,還十分適用于運(yùn)輸車輛驅(qū)動、龍門刨床,各種機(jī)械等需要重載啟動、頻繁啟動、正反轉(zhuǎn)、長期低速運(yùn)行等應(yīng)用場合。然而,開關(guān)磁阻電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)及開關(guān)形式供電電源,使得其驅(qū)動系統(tǒng)成為一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性異常嚴(yán)重的系統(tǒng),運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩脈動比較明顯,由此引起的電機(jī)噪聲及轉(zhuǎn)矩波動,直接影響了SRM在運(yùn)行質(zhì)量要求較高場合的應(yīng)用,一定程度上限制了開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用范圍。因此如何更好地對開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,有效地抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動及降低噪聲,一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。文章在對開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,從控制的角度綜述了開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制的若干解決方案的要點(diǎn),分析了各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),從而對進(jìn)一步研究提出建議。
開關(guān)磁阻電機(jī)每一相的轉(zhuǎn)矩特性可以用轉(zhuǎn)矩-電流-角度曲線描述,而相鄰兩相在空間上相差1個步矩角。由于在換相時當(dāng)前相關(guān)斷不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而下一個導(dǎo)通相不能產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)矩,使得轉(zhuǎn)矩降落出現(xiàn)在相同電流產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩的相鄰兩相矩角特性曲線的交點(diǎn)處,因而最大的轉(zhuǎn)矩降落可以由重疊相的矩角特性曲線得到。顯然,該降落越小轉(zhuǎn)矩脈動的抑制越容易。
開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較為復(fù)雜,受到許多因素的影響。主要有:電機(jī)本體的雙凸極結(jié)構(gòu),磁場分布嚴(yán)重非線性,結(jié)構(gòu)參數(shù)非線性。為了維持開關(guān)磁阻電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),須不斷切換功率變換器的主開關(guān)器件,提供同一方向的電磁力,開關(guān)電路供脈沖電流會產(chǎn)生步進(jìn)磁場,形成脈動的轉(zhuǎn)矩;用逆變電路作電動機(jī)的供電電源,電機(jī)的定子電壓除基波外,還有一系列諧波分量。在諧波影響下,電機(jī)也會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)周期性的波動。
為了提高電機(jī)的運(yùn)行性能,許多學(xué)者從不同的角度提出了各種方案,概括起來有以下2種:一方面,學(xué)者們通過改進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如增加定子寬度以及增加每相對應(yīng)的定子凸極等方法,有效地降低開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動,提高電機(jī)的運(yùn)行性能;另一方面,在電機(jī)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)確定的情況下,通過控制方法的設(shè)計來有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動。由于后者靈活性大、設(shè)計周期短等原因,吸引了更多的學(xué)者投入到這方面的研究工作之中。
開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動源于其高度的非線性,主要表現(xiàn)在磁鏈對轉(zhuǎn)子角和相電流的非線性關(guān)系上,由此得到其電磁轉(zhuǎn)矩同樣是角度和電流的非線性函數(shù)。為了抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動,提高電機(jī)運(yùn)行性能,針對轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的機(jī)理,控制領(lǐng)域的學(xué)者從電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子角和相電流的非線性關(guān)系的角度設(shè)計了多種控制器方案,概括起來有如下4種。
為了獲得平滑的轉(zhuǎn)矩,有些學(xué)者對轉(zhuǎn)矩直接施以控制的方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]針對相電流與電磁轉(zhuǎn)矩非線性關(guān)系,難以采用傳統(tǒng)方法求解轉(zhuǎn)矩方程,引入旋轉(zhuǎn)矢量的思想得到了電感空間旋轉(zhuǎn)矢量,并得到了平滑轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[4]根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際負(fù)載,在線計算出電機(jī)各相繞組電流/位置曲線,在空間合成多個轉(zhuǎn)矩矢量,使開關(guān)磁阻電動機(jī)由步進(jìn)磁場接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場,以減小轉(zhuǎn)矩脈動。這種控制策略控制簡單,在低速下能有效抑制開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動,但是基于線性模型,只適用于低速。文獻(xiàn)[5]給出了直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制方法,它采用了數(shù)字式轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器,不需要轉(zhuǎn)矩模型函數(shù)和輔助換向策略在線控制氣隙轉(zhuǎn)矩,采用固定的切換角和超前導(dǎo)通角實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié),但低速時采用超前導(dǎo)通角將導(dǎo)致電機(jī)效率降低得很多。文獻(xiàn)[6]基于交流電機(jī)控制中的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,結(jié)合開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn),通過對磁鏈幅值以及磁鏈?zhǔn)噶克俣鹊目刂七_(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的,這種基于磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制方案簡單、易于實現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]對矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,DTC)兩種方法進(jìn)行了比較:采用傳統(tǒng)交流電機(jī)的矢量控制思想,在兩相繞組間按順序連續(xù)地改變電流比例,獲得了旋轉(zhuǎn)磁場,該方法不需要瞬時磁通模型,也不需要雙極電流驅(qū)動,其主要缺點(diǎn)是需要脈沖編碼器及PWM調(diào)制會產(chǎn)生信號延遲,因而限制了對磁通的快速控制;在DTC中,根據(jù)磁通和轉(zhuǎn)矩的基準(zhǔn)值與實際值的差值選擇最佳的電壓矢量,換向策略取決于磁通和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)控制器,DTC的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得平穩(wěn)快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。
由于相電流的切換是產(chǎn)生SRM轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因,一些學(xué)者采用優(yōu)化導(dǎo)通角或關(guān)斷角的方法對電流進(jìn)行切換來抑制轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種混合控制器,引入轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)中均衡換向算法的思想,對換向角θc中心進(jìn)行控制,而換向角θc作為速度的函數(shù)在兩個限值間變化。文獻(xiàn)[9]討論了關(guān)斷角的優(yōu)化方法,但采用電機(jī)解析模型。文獻(xiàn)[10]考慮了關(guān)斷角大小與電流和速度的依賴關(guān)系,采用模糊邏輯控制的補(bǔ)償器對關(guān)斷角進(jìn)行補(bǔ)償。這是一種離線方法,由于動態(tài)測量難度大,不能應(yīng)用于實時系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]討論了在線優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷角的方法。文獻(xiàn)[12]通過增大導(dǎo)通角或關(guān)斷角對轉(zhuǎn)矩脈動的影響進(jìn)行了分析,它既適用于傳感器模式,也適用于無傳感器模式。文獻(xiàn)[13]分析了有直流電壓脈動和無直流電壓紋波的轉(zhuǎn)矩脈動情況,并采用軟、硬件兩種斬波方法對這種特性進(jìn)行了分析。
由于轉(zhuǎn)矩取決于相電流和轉(zhuǎn)子位置,一些學(xué)者通過模型生成技術(shù)來控制相電流波形以減小轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[14]將對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)子位置的期望轉(zhuǎn)矩所需的基準(zhǔn)電流,即T-i-θ間關(guān)系制作成可查詢的表格并存儲起來,表中的數(shù)據(jù)通過一系列的電機(jī)實驗測量得到,而優(yōu)化的相電流通過自學(xué)習(xí)方法獲得,該方法不足之處是實驗和計算所需時間較長。文獻(xiàn)[15]提出了一種梯形電流模型,通過對進(jìn)出相電流相等的換流中心點(diǎn)確定來獲得換流期間重疊電流優(yōu)化。文獻(xiàn)[16]采用正弦模型獲得了兩導(dǎo)通相重疊期間的優(yōu)化預(yù)計算相電流。該模型無法實現(xiàn)相電流減少時跟蹤,且考慮飽和影響時需要精確的電感模型。文獻(xiàn)[17]提出的正弦模型基于開關(guān)磁阻電動機(jī)的簡化模型,通過間接控制定子相電流實現(xiàn)最小化瞬時轉(zhuǎn)矩脈動。上述模型采用離線的方法獲得,通過滯環(huán)控制器對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制,主要缺點(diǎn)是需要高帶寬電流控制器以便濾除次聲波噪聲,并要求外施直流電壓保持為恒值。但對于滯環(huán)控制來說,數(shù)字控制方法不需使用電流反饋濾波器,限制了電流控制環(huán)的帶寬[18]。
一些學(xué)者通過定義轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)(TSF),合理地分配與調(diào)節(jié)各相電流所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分量,保證各相瞬時轉(zhuǎn)矩之和為一恒定值,然后通過矩角特性反演出各相電流指令,加以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化。文獻(xiàn)[19]提出了指數(shù)型TSF,且被定義為與轉(zhuǎn)子位置θ相聯(lián)系的m函數(shù)。文獻(xiàn)[15]提出了線性TSF,該函數(shù)在換流期間轉(zhuǎn)矩做線性變化,且進(jìn)出相的電流在換流的中心點(diǎn)相等。文獻(xiàn)[16]提出了正弦TSF,使得各相轉(zhuǎn)矩在換流時隨轉(zhuǎn)子位置按正弦函數(shù)變化。文獻(xiàn)[20]提出了立方TSF,每相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置非線性變化。文獻(xiàn)[21]從轉(zhuǎn)速范圍、銅耗、重疊角和導(dǎo)通角方面對以上4種轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)(TSF)的轉(zhuǎn)矩脈動最小化進(jìn)行了評價。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對應(yīng)的電流波形變化比較平穩(wěn),且避免了較大的峰值電流,但使用該方案需要對換相區(qū)的兩相同時進(jìn)行控制,占用的控制接口資源較多;轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)是關(guān)于開關(guān)角、重疊角和電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù),由電機(jī)的靜態(tài)參數(shù)決定,電機(jī)在實際過程運(yùn)行中參數(shù)會發(fā)生變化;如何合理地選擇轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)是實現(xiàn)較優(yōu)控制的關(guān)鍵。
在上述控制方案的設(shè)計過程中,各種先進(jìn)的控制方法在抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面獲得廣泛應(yīng)用。為了獲得比較精確的基準(zhǔn)電流,文獻(xiàn)[22]采用線性化和解耦技術(shù)并考慮了電機(jī)非線性,但該方法在確定基準(zhǔn)電流時需要關(guān)于電機(jī)靜態(tài)特性的先驗知識,采用以固定頻率隨相轉(zhuǎn)矩傾斜下降的方法進(jìn)行換向。低速時,將產(chǎn)生很大的峰值相電流。為了減小峰值電流,文獻(xiàn)[23]針對正弦轉(zhuǎn)矩模型采用了均衡換向算法。文獻(xiàn)[24]提出的換相策略考慮相電壓飽和及其對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響,構(gòu)建了SRM非線性反饋線性化控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[25]利用算法對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的低次諧波總值及其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動量進(jìn)行估計,通過將諧波電流注入SRM中,有效地消除了諧波電流產(chǎn)生的脈動。文獻(xiàn)[26]以速度差為開關(guān)函數(shù),相電流平方和為控制對象,結(jié)合李亞譜諾夫函數(shù)設(shè)計了滑??刂破?,實驗驗證了這種方法的優(yōu)越性。由于開關(guān)時滯作用,如果僅靠VSS控制,系統(tǒng)易產(chǎn)生自振。文獻(xiàn)[27]采用B樣條神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過電機(jī)的磁鏈模型或磁化特性在線獲得了電流模型。文獻(xiàn)[28]提出了一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)矩控制方法。常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度較慢,需要離線學(xué)習(xí),難以用于電機(jī)的實時控制。文獻(xiàn)[29]利用產(chǎn)生較小轉(zhuǎn)矩脈動的神經(jīng)元模糊系統(tǒng)實現(xiàn)在線電流模型的估計及基準(zhǔn)電流的補(bǔ)償。文獻(xiàn)[30]設(shè)計了基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的轉(zhuǎn)矩控制器和電流控制器組成的雙迭代學(xué)習(xí)SRM轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制器?;诘鷮W(xué)習(xí)的方法不需測量電機(jī)磁特性,對電機(jī)模型的精確度要求不高,控制器結(jié)構(gòu)簡單,計算工作量小,便于微機(jī)控制,是一種很有前途的方法。但是對電機(jī)的運(yùn)行條件有較高的要求。文獻(xiàn)[31]結(jié)合預(yù)測控制理論對開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行非線性預(yù)測控制設(shè)計,對抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動有很好的效果。目前,線性控制理論、非線性控制理論和智能控制理論在減小SRM轉(zhuǎn)矩脈動的方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,但還遠(yuǎn)未到完善的程度。
轉(zhuǎn)矩脈動將不可避免地加大了開關(guān)磁阻電機(jī)本體的振動,增加了其運(yùn)行時的噪聲,限制了其在諸如伺服驅(qū)動等低速且要求平穩(wěn)并有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場合下的應(yīng)用。文章針對開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制的控制方法進(jìn)行了綜述,對國內(nèi)外抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法進(jìn)行了分析,總結(jié)了各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),從而對進(jìn)一步研究提出建議。
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