姜曉艷 謝青海 岳龍飛

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 邢臺(tái) 054000）

電動(dòng)汽車(chē)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，決定著新能源電動(dòng)汽車(chē)的性能。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理，電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、永磁式電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。其中，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、驅(qū)動(dòng)效率高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，其主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電機(jī)噪聲，因此，目前SRM的研究主要集中在如何提高在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性及降低噪聲。

本文重點(diǎn)研究了三相6/4極SRM的結(jié)構(gòu)，并用遺傳算法優(yōu)化PI控制參數(shù)，應(yīng)用到直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（DITC）中，提高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性，得到適用于電動(dòng)汽車(chē)的SRM控制系統(tǒng)。

1 SRM運(yùn)行原理

SRM的定子與轉(zhuǎn)子均采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定子齒極上按照一定方式繞制定子繞組，用于向SRM提供運(yùn)行時(shí)所需的磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子齒極上則沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。

其工作原理為：SRM的某相定子繞組接通電源，則在定子內(nèi)產(chǎn)生磁通，其磁力線則通過(guò)距離最近的轉(zhuǎn)子齒極形成磁通路，將磁力線視為彈力很強(qiáng)的線，則轉(zhuǎn)自將在磁力線的牽引力下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度而使磁路達(dá)到最短時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如果想讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)在其達(dá)到最短磁路前切斷該相電源，并在相鄰相的定子繞組中通入電源，則轉(zhuǎn)子受到新的牽引力的作用而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此，按照一定順序在定子繞組內(nèi)通入周期相同的交流電源，SRM的轉(zhuǎn)子將在其作用下產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。與三相異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，若要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的反向旋轉(zhuǎn)，只需調(diào)換三相電中的任意兩相電源的接入順序即可。

由于轉(zhuǎn)矩主要跟電流和磁鏈變化率有關(guān)，且電流與變化的反電勢(shì)與磁鏈增量間有一階延遲，因此，在磁鏈變化時(shí)的電流可視為常量，即控制轉(zhuǎn)矩時(shí)只需對(duì)定子磁鏈進(jìn)行控制，可以不需考慮磁鏈改變引起的電流變化。SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)使定子繞組通電后產(chǎn)生的磁鏈具有非線性特征，難以建立準(zhǔn)確的非線性動(dòng)態(tài)模型，且使得SRM運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，尤其在低速運(yùn)行階段，控制性能較差。

2 基于遺傳算法的SRM控制系統(tǒng)

2.1 PI控制器

PI控制器常由下式實(shí)現(xiàn)：

其中，KP、KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)，e(t)k為第k次采樣時(shí)刻的偏差值，u(t)為PI調(diào)節(jié)器限幅之后的輸出值，可見(jiàn)，u(t)是將偏差e(t)的比例和積分運(yùn)算后以線性組合形式輸出，控制電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，這使得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總是跟隨給定轉(zhuǎn)速變化，減小了負(fù)載的擾動(dòng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，比例環(huán)節(jié)KP反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，因此增大KP將有助于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少誤差，但是會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；積分環(huán)節(jié)KI主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，其值越大，則積分作用越弱，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。

2.2 基于遺傳算法的PI控制

本文在優(yōu)化辨識(shí)PI控制器的參數(shù)[1]時(shí)引入了耗時(shí)短、適應(yīng)性強(qiáng)的遺傳算法（GA），對(duì)定子磁鏈進(jìn)行控制，由此形成的GA-PIDITC控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)。為了提高運(yùn)行參數(shù)變化時(shí)控制系統(tǒng)的魯棒性，GA根據(jù)SRM的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線優(yōu)化PI控制器的參數(shù)，使PI控制器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值處于最優(yōu)，從而補(bǔ)償DITC控制器的缺陷，減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和磁鏈的紋波，獲取良好的調(diào)速性能。

3 仿真驗(yàn)證

本文仿真的運(yùn)行環(huán)境是Matlab R2018b，利用Simulink組件搭建了一臺(tái)三相6/4開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。選取額定功率60kW，額定線電壓380V，繞組電阻1Ω，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.01kg·m2。

取初始值為KP =0.15，KI =3，脈沖寬度調(diào)制（PWM）頻率為10kHz，GA的初始參數(shù)設(shè)置如下：

NIND=40; %種群大小

MAXGEN=20; %最大遺傳代數(shù)

PRECE=20; %個(gè)體長(zhǎng)度

GGAP=0.95; %代溝

px=0.7; %交叉概率

pm=0.01; %變異概率

仿真結(jié)果表明，SRM從0加速到額定轉(zhuǎn)速3000r/m的過(guò)程中，響應(yīng)時(shí)間在30ms以內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)速度快；同時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍為1V以內(nèi)，表明GA-PI-DITC轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，運(yùn)行穩(wěn)定，而且能快速地跟隨給定轉(zhuǎn)矩，滿足控制器要求。

4 總結(jié)

本文主要研究了SRM的工作原理及控制策略，提出一種基于GA的PI控制器參數(shù)優(yōu)化方法，用于DITC控制系統(tǒng)，使SRM響應(yīng)速度快、誤差小、運(yùn)行穩(wěn)定，豐富了我國(guó)新能源汽車(chē)的研制與應(yīng)用中的技術(shù)理論。