王勉華，成啟龍，胡春龍

(西安科技大學，西安710054)

0 引 言

開關磁阻電動機的結構和工作原理與傳統(tǒng)交直流電機有著根本的區(qū)別，在確定開關磁阻電動機起動時轉子所處的位置后，給對應相通電，在額定電流下，以一定的起動時間起動開關磁阻電動機，從而產(chǎn)生定子磁場。開關磁阻電動機的運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，在磁場中，不同結構下的鐵心主軸線具有向磁場軸線重合位置運動的趨勢［2］。通過這種趨勢，定子凸極產(chǎn)生磁場，來扭轉轉子運動，轉子鐵心凸極形成均勻分布的多個主軸線，只要控制定子各相的通電順序即磁場不同方向的磁場，轉子就總向著具有轉向磁阻最小位置的趨勢，從而實現(xiàn)電機轉動下的連續(xù)轉矩。

本文以8/6 極開關磁阻電動機為研究對象，如圖1 所示。由于開關磁阻電動機的定子和轉子都是凸極結構，當給某相通電的時候，則會產(chǎn)生一個磁阻轉矩，從而使得與它相鄰最近的轉子凸極與定子該相繞組軸向相重合，使得定子繞組在一定的規(guī)律下通斷，轉子則會連續(xù)轉動。當繞組的通電順序被改變后，電機則會反轉運行。對于電機具有的雙凸極結構、電路的開關性、非線性和磁路，使得定子繞組電流和磁鏈波形極不規(guī)則，恒定轉速下的穩(wěn)態(tài)運行實際上是整個周期性變化的動態(tài)過程，造成傳統(tǒng)控制方式下的轉矩脈動較大，但是可以通過優(yōu)化參數(shù)的方法，對其轉矩脈動進行優(yōu)化，并且可以更好地優(yōu)化起動所需要的電流。本文通過調(diào)節(jié)開關角的參數(shù)，并且進行數(shù)據(jù)記錄，通過設置一種對開關角的自動控制模塊，在設定的范圍之內(nèi)對電機開通關斷角進行控制，達到優(yōu)化電機性能的效果。

圖1 四相開關磁阻電動機結構原理(只畫了A 相)

1 開關磁阻電動機控制系統(tǒng)的結構

如圖2 所示，開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要由開關磁阻電動機、功率變換器、控制器、位置檢測器和電流監(jiān)測器五個部分組成。本文采用的是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)采用的是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用的是電流環(huán)，其中速度環(huán)是通過給定速度與反饋速度的比較后，通過PI 控制后，得到電流內(nèi)環(huán)所需要的內(nèi)環(huán)電流。在內(nèi)環(huán)中，通過改變開通角和關斷角，從而對電流的大小和轉矩的大小進行優(yōu)化。

2 自動優(yōu)化控制器的設計

2.1 角度自動控制系統(tǒng)

本文采用的自動優(yōu)化控制器，是在內(nèi)環(huán)加入了角度自動控制器，其輸入為電機電流和轉矩，根據(jù)開通角和關斷角優(yōu)化規(guī)則，自動調(diào)節(jié)開通角和關斷角的數(shù)值，使電機電流和轉矩以優(yōu)化規(guī)則運行，其結構如圖3 所示。

圖3 開關磁阻電動機自動優(yōu)化控制系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)外環(huán)為速度環(huán)，輸入是給定速度，構成速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，完成跟隨給定速度的任務。開通角的取值范圍為30° ＜θon＜45°，在此范圍內(nèi)，電流與開通角之間的關系曲線如圖4 所示，當開通角在30.1°～35°的時候，電流變化范圍在19 ～22 A;當開通角到36°以后，電流變化范圍很大，故以此曲線變化范圍對開通角進行調(diào)節(jié)，來達到所需要的電流大小關斷角的取值范圍為47° ＜θoff＜80°，圖5 為轉矩與關斷角之間的關系曲線圖。當關斷角在45° ～48°的時候，轉矩變化范圍在28.3 ～31.3 N·m;當關斷角在48° ～55°的時候，轉矩變化范圍在31.3 ～34 N·m，到55°以后，轉矩變化范圍一直在增大，故以此曲線變化范圍對關斷角進行調(diào)節(jié)，來達到所需要的轉矩大小。根據(jù)圖4、圖5 的對比，可以進行不斷的調(diào)節(jié)與優(yōu)化，如當調(diào)節(jié)開通角為35°、關斷角為50°的時候，看電流與轉矩的波形，記錄數(shù)據(jù)，在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開通角與關斷角，并且查看記錄波形數(shù)據(jù)，根據(jù)與輸出波形進行不斷比較，并且列表記錄，使得電流與轉矩幅值盡可能減小。

圖4 電流與開通角關系曲線圖

圖5 轉矩與關斷角關系曲線圖

2.2 角度自動控制規(guī)則

本文的自動控制模塊分為兩個模塊，第一個模塊是通過輸出電流的反饋，來調(diào)節(jié)開通角的范圍，且電流的大小范圍在19.5 A≤I≤48 A 之間，在此區(qū)間范圍之內(nèi)，通過實際仿真的數(shù)據(jù)記錄，來對電流區(qū)間范圍進行細分，從而在相應的電流區(qū)域內(nèi)選擇合適的開通角，達到優(yōu)化電流的目的。部分優(yōu)化數(shù)據(jù)如表1 所示。同理，第二個模塊是通過輸出轉矩幅值的反饋，來調(diào)節(jié)關斷角的范圍，且轉矩幅值的范圍在25 N·m≤Tm≤48 N·m 之間，在此區(qū)間范圍內(nèi)，轉矩幅值的反饋與電流的反饋同時進行，且同時對關斷角與開通角進行調(diào)節(jié)，從而達到最終的優(yōu)化結果。轉矩幅值部分優(yōu)化數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 開通角優(yōu)化規(guī)則

表2 關斷角優(yōu)化規(guī)則

2.3 系統(tǒng)仿真模塊的建立

如圖6 所示，建立了四相開關磁阻電動機自動優(yōu)化控制下的仿真模型。由圖6 可以看出，對電流和轉矩幅值的優(yōu)化主要是通過電流、轉矩劃分模塊和角度選擇模塊來實現(xiàn)的。以電流為例，將檢測的電流劃分成有效的區(qū)間，在不同的區(qū)間內(nèi)根據(jù)建立的開通角選擇模塊來選取最優(yōu)的開通角。

圖6 開關磁阻電動機自控制控制系統(tǒng)仿真模型

在開通角選擇模塊的建立上，選擇二維矩陣模塊儲存相應優(yōu)化的開通角，儲存位置在其矩陣的對角線上，這樣就可以通過相同的行號和列號對其進行選取。圖7 為開通角選擇模塊仿真圖。

圖7 開通角選擇仿真模塊

開通角選擇模塊中參數(shù)設置如圖8 所示，為一個23×23 維矩陣，對角線位置為相應的最優(yōu)化開通角。

圖8 開通角選擇模塊參數(shù)設置

其中，關斷角選擇模塊跟開關角選擇模塊為同種類型，為一個23 ×23 維矩陣，對角線位置為相應的最優(yōu)化關斷角。

3 仿真結果分析

本文選取四相8/6 極開關磁阻電動機，給定轉速為1 000 r/min，分為電機一直在空載下運行和電機剛開始空載起動，在1.5 s 時加入20 N·m 的負載，在3.5 s 時又變?yōu)榭蛰d兩種情況。要求在電機在1 000 r/min 穩(wěn)定運行的前提下，對電流和轉矩幅值進行優(yōu)化。

系統(tǒng)過程分為動、靜兩種狀態(tài)，達到給定轉速前為動態(tài)，之后為靜態(tài)。

3.1 在不加負載的情況下，以轉速曲線為基準，在轉速上升速度一樣時，兩種情況下的電流、轉矩、轉速曲線波形圖

不加優(yōu)化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖9所示。

圖9 不加優(yōu)化下的電流、轉矩、轉速波形

由圖9 可以看出，在沒有達到給定轉速前的動態(tài)階段，不加優(yōu)化下的起動電流最大約為89.75 A，轉矩最大約為107.94 N·m，起動階段以轉速上升到峰值為基準下的最小電流為6.6 A，最小轉矩為4.8 N·m，則平均電流為48.175 A，平均轉矩為56.37 N·m;當達到給定轉速后的靜態(tài)階段，不加優(yōu)化下的電流最大約為6.6 A，轉矩最大約為4.92 N·m。

優(yōu)化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖10 所示。

圖10 自優(yōu)化下的電流、轉矩、轉速波形

由圖10 可以看出，在沒有達到給定轉速前的動態(tài)階段，自優(yōu)化下的起動電流最大約為26.77 A，轉矩最大約為46.1 N·m，起動階段以轉速上升到峰值為基準下的最小電流為4.18 A，最小轉矩為4.36 N·m，則平均電流為15.475 A，平均轉矩為25.23 N·m;當達到給定轉速后的靜態(tài)階段，自優(yōu)化下的電流最大約為3.64 A，轉矩最大約為3.85 N·m。

在突加減負載的情況下，兩種情況下的電流、轉矩、轉速曲線波形圖

不加優(yōu)化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖11 所示。

圖11 不加優(yōu)化下的電流、轉矩、轉速波形

由圖11 可以看出，在沒有達到給定轉速前的動態(tài)階段，不加優(yōu)化下的起動電流最大約為105. 49 A，轉矩最大約為118.25 N·m，起動階段以轉速上升到峰值為基準下的最小電流為4.2 A，最小轉矩為5.03 N·m，則平均電流為54.845 A，平均轉矩為61.64 N·m;當達到給定轉速后的靜態(tài)階段，不加優(yōu)化下的電流最大約為31.25A，轉矩最大36.77N·m。

優(yōu)化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖12 所示。

圖12 自優(yōu)化下的電流、轉矩、轉速波形

由圖12 可以看出，在沒有達到給定轉速前的動態(tài)階段及在起動階段，自優(yōu)化下的起動電流約為26.77 A，轉矩最大約45.87 N·m，起動階段以轉速上升到峰值為基準下的最小電流為7.23 A，最小轉矩為7.99 N·m，則平均電流為17 A，平均轉矩為26.93 N·m;當達到給定轉速后的靜態(tài)階段，自優(yōu)化下的電流最大約為25.95 A，轉矩最大約為30.78 N·m。

由此可見，自優(yōu)化控制方式下，可以有效減小起動階段和帶載穩(wěn)定運行階段的電流和轉矩。

圖13 為自優(yōu)化下的轉速曲線和不加優(yōu)化下的轉速曲線對比。

圖13 轉速曲線對比

由圖13 可以看出，在給定轉速一定的條件下，無優(yōu)化下的上升時間為0.298 5 s，穩(wěn)定時間為1.95 s;在加負載后，轉速下降為810.62 r/min，穩(wěn)定時間為3.9 s;在去掉負載后，轉速又上升到了1 201.78 r/min，穩(wěn)定時間為6.44 s;相比自優(yōu)化下的上升時間為0.26 s，加負載后轉速為818.62 r/min，轉速上升到了1 165.95 r/min。由兩轉速曲線對比可知，自優(yōu)化下穩(wěn)定性較之不加優(yōu)化下的轉速有所提高，并且在加入負載階段，自優(yōu)化下使得轉速下降相對較小，較之不加優(yōu)化下的調(diào)節(jié)時間明顯減小，系統(tǒng)動靜態(tài)性能有所提高。

4 結 語

以自動調(diào)節(jié)開通角、關斷角的控制方法，來達到優(yōu)化電流和轉矩幅值的目的，這樣既節(jié)省時間也減少了許多工作量。通過本文仿真分析，開通角在小于等于30°的時候，額定轉速會有段時間的不穩(wěn)定，在大于45°的時候，整個波形是畸變的，所以開通角在30° ～45°之間進行調(diào)節(jié);并且關斷角在65°以后轉矩幅值會大一些，在50° ～65°的范圍之間調(diào)節(jié)關斷角，考慮到開通角的變化對相電流影響的敏感度較高，關斷角的變化對相電流的影響的敏感度較小，所以通過輸出電流的大小來調(diào)節(jié)開通角，通過輸出轉矩幅值的大小來調(diào)節(jié)關斷角，最終得到優(yōu)化。仿真結果表明，這種控制方式下，電流減小了20.42%，轉矩幅值減小了19.46%，因而可以有效減小電機的銅耗以及電流和轉矩的幅值沖擊，系統(tǒng)動靜態(tài)性能也得到了改善。

［1］ 吳紅星.開關磁阻電動機系統(tǒng)理論與控制技術［M］. 北京:中國電力出版社，2010.

［2］ 王勉華.開關磁阻電動機多種控制策略的仿真比較研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19(20):4845－4847.

［3］ 石磊，王勉華.開關磁阻電動機啟動過程分析［J］.電氣傳動，2010，40(2):3－6.

［4］ 張彥宇，段樹華，李華柏.開關磁阻電動機角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究［J］.湖南工程學院學報，2011，21(4):16－19.

［5］ 張中華.開關磁阻電動機的起動控制策略的研究［C］//中國煤礦信息化與自動化高層論壇論文集，山西太原，2014:236－239.

［6］ 張海軍.基于非線性模型的開關磁阻電動機關斷角對系統(tǒng)性能的影響［J］.電機與控制應用，2009，36(11):6－11.

［7］ 湯小君，易靈芝，彭寒梅. 基于關斷角補償?shù)拈_關磁阻電動機轉矩脈動抑制仿真［J］.電機技術，2006，(4):17－20.

［8］ 張慶學，王進野. 開關磁阻電動機在線最優(yōu)開關角算法實現(xiàn)［J］.機械與電子，2013，(2):24－26.