李存賀 趙 博 劉 劍 魯炳林
(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 淄博 255000)
開關(guān)磁阻電動機(jī)(Switched reluctance motor,SRM)因其結(jié)構(gòu)簡單、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、可靠性和效率高等優(yōu)點(diǎn),在油田抽油機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。建立精確的數(shù)學(xué)模型對SRM 性能評估和實(shí)施先進(jìn)控制策略至關(guān)重要[4-5]。然而,SRM 自身的雙凸極結(jié)構(gòu)以及磁飽和特性導(dǎo)致很難通過常規(guī)電磁和物理特性推導(dǎo)獲得其精確的非線性數(shù)學(xué)模型。
基于樣機(jī)電磁特性數(shù)據(jù),采用函數(shù)解析式進(jìn)行非線性擬合[6-11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊系統(tǒng)逼近[12-16]的方法建立SRM 模型,是現(xiàn)在SRM 非線性建模的常用方法。文獻(xiàn)[6]提出一種SRM 非線性磁鏈解析模型,采用指數(shù)形式表征電動機(jī)磁鏈與相電流和轉(zhuǎn)子位置間的非線性關(guān)系。文獻(xiàn)[7]對該模型進(jìn)行了改進(jìn),引入增量電感項(xiàng)并將飽和磁鏈值取為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù),使得該解析模型參數(shù)具有了一定的物理意義。文獻(xiàn)[8]采用多項(xiàng)式函數(shù)對磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置的變化特性進(jìn)行分段建模,并將其應(yīng)用于SRM 快速計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer aided design,CAD)軟件中。文獻(xiàn)[9]采用傅里葉級數(shù)建立SRM 磁鏈模型,并通過反正切函數(shù)擬合磁鏈和電流之間的變化關(guān)系。文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步通過兩個嵌套的二階傅里葉級數(shù)構(gòu)造SRM磁鏈解析模型,并取得了較好的擬合效果。文獻(xiàn)[11]基于電動機(jī)等效磁路法建立了考慮互感耦合的SRM非線性解析模型。然而,函數(shù)解析法的精度過度依賴于函數(shù)解析式的形式和函數(shù)解析式系數(shù)的擬合精度。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)均具有通過學(xué)習(xí)逼近任意非線性映射的能力,非常適用于建立SRM 非線性模型。文獻(xiàn)[12]將反向傳播(Back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入SRM 建模,網(wǎng)絡(luò)采用雙隱層結(jié)構(gòu),隱層神經(jīng)元數(shù)均為8,輸入為磁鏈和轉(zhuǎn)子位置,輸出為相電流,采用標(biāo)準(zhǔn)BP 學(xué)習(xí)算法。文獻(xiàn)[13]采用基于LM 學(xué)習(xí)算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SRM 電流-磁鏈-位置模型,進(jìn)一步提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度,并且將隱層神經(jīng)元數(shù)目減少為4 個。文獻(xiàn)[14]采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Wavelet neural network,WNN)建立了SRM 轉(zhuǎn)矩模型,所建模型具有較強(qiáng)的泛化能力。文獻(xiàn)[15]將采用Takagi-Sugeno 模糊形式的Pi-sigma 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于建立SRM 磁鏈模型,并且通過結(jié)合變學(xué)習(xí)速率的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。文獻(xiàn)[16]將自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)用于建立SRM 電感和轉(zhuǎn)矩模型,選用反向傳播法和最小二乘估計法組成的混合算法對ANFIS參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,取得了較好的建模精度。然而,上述建模方法均需要SRM 全周期磁鏈特性數(shù)據(jù)。
目前獲取SRM 全周期電磁特性樣本數(shù)據(jù)的方式主要為試驗(yàn)測量法即通過轉(zhuǎn)子固定位置鎖緊施加直流脈沖的方式間接求解電動機(jī)磁鏈曲線[17-18]。雖然上述磁鏈測試方法具有較高的測量精度,但是需要專門購買額外用來固定電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置的鎖緊裝置,增加了測試成本,并且對于已安裝在工業(yè)現(xiàn)場連接有負(fù)載的SRM,很難通過該方法測量電動機(jī)磁鏈特性。文獻(xiàn)[19]基于SRM 結(jié)構(gòu)的對稱特性,提出了利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)測量電動機(jī)磁鏈特性,能夠避免使用轉(zhuǎn)子鎖緊裝置,并且可以提高測試效率。文獻(xiàn)[20-21]進(jìn)一步改進(jìn)了該方法,將多相同時導(dǎo)通時的互感影響降到最低。然而,對于被廣泛使用的三相SRM,基于轉(zhuǎn)矩平衡位置的測量方法僅能獲得四個特殊位置的小樣本磁鏈特性,這極大地增加了精確建模的難度。
為了解決小樣本磁鏈特性下的SRM 精確建模問題,本文提出一種基于模糊邏輯系統(tǒng)的磁鏈建模方法。該方法將模糊邏輯系統(tǒng)用于建立SRM 磁鏈模型,主要包括模糊空間劃分、模糊規(guī)則提取和磁鏈求解三個步驟。所提出模糊建模方法將電動機(jī)先驗(yàn)知識用于模糊空間劃分,并從樣本數(shù)據(jù)中自動提取模糊規(guī)則,能夠很好地將電動機(jī)先驗(yàn)知識與實(shí)測量數(shù)據(jù)相結(jié)合。相比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法,所提出方法大大提高了小樣本數(shù)據(jù)下SRM 磁鏈建模精度。此外,在Matlab/Simulink 軟件中進(jìn)一步建立了SRM 驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型,不同工作模式下的動態(tài)仿真和試驗(yàn)波形均具有很好的一致性,驗(yàn)證了所提出建模方法的有效性。
根據(jù)電路基本定律,SRM 相繞組的電壓平衡方程式為[22]
式中,u為相繞組兩端電壓,R為相繞組等效電阻,i為通過相繞組的電流,ψ為相繞組磁鏈。
由式(1)可以解出磁鏈表達(dá)式
式中,ψ(0)是磁鏈初始值。由于SRM 內(nèi)部無永磁體,故可認(rèn)為ψ(0)=0。
對式(2)進(jìn)行歐拉離散化可以得到
式中,n是采樣點(diǎn)個數(shù),Ts是采樣周期。
從式(3)可以看出,只需要在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某位置時,記錄電流上升或下降過程中的電壓和電流值,然后代入式(3)即可求得該位置下磁鏈隨電流的變化特性。由于SRM 運(yùn)行遵循“最小磁阻原理”,在給單相或多相定子繞組通電后,SRM 自身結(jié)構(gòu)的對稱性使得轉(zhuǎn)子在一些特殊位置受力平衡,此時轉(zhuǎn)子上合轉(zhuǎn)矩為零,可以保持靜止[20]。我們把這些受力平衡的特殊位置統(tǒng)一稱為SRM 的轉(zhuǎn)矩平衡位置。對于m相SRM,共有m+1 個轉(zhuǎn)矩平衡位置。以三相12/8 極SRM 為例,其四個轉(zhuǎn)矩平衡位置如圖1 所示。
圖1 SRM 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩平衡位置處受力示意圖
考慮到三相12/8 極SRM 結(jié)構(gòu)的對稱性,各相經(jīng)過15°相移后可以獲得相同磁鏈特性。本文中所有轉(zhuǎn)子位置均相對于A 相,故測量得到的四條磁鏈曲線滿足如下關(guān)系
由式(4)可知,在A 相22.5°和0°位置,通過對不同繞組施加激勵,可以獲得A 相在0°、7.5°、15°、22.5°四個特殊位置處的小樣本磁鏈特性。
搭建試驗(yàn)平臺,對SRM 磁鏈特性進(jìn)行測量,本文試驗(yàn)用樣機(jī)為三相12/8 極SRM,額定功率1.5 kW,定子繞組電阻0.9 Ω。試驗(yàn)測量平臺原理圖如圖2 所示。在測試過程中,通過激勵不同的定子相繞組,即可以將轉(zhuǎn)子吸引到這些特殊位置;在這些特殊位置,分別對不同相施加直流脈沖電壓,記錄相應(yīng)的相電流和相電壓數(shù)據(jù),代入磁鏈計算公式(3)即可獲得四個轉(zhuǎn)矩平衡位置的磁鏈特性,如圖3 所示。值得注意的是,在轉(zhuǎn)矩平衡位置處測量磁鏈時,存在多相被同時激勵的情形,為了最小化多相同時導(dǎo)通帶來的互感對測量精度的影響,本文采用短磁路勵磁方式NSNSNSNSNSNS[21]。
圖2 SRM 磁鏈特性測試平臺原理圖
圖3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩平衡位置處磁鏈特性曲線
圖4 給出了相同位置處轉(zhuǎn)矩平衡法和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置鎖緊法測量磁鏈曲線的對比結(jié)果。從圖4 可以看出,兩種方法的測量結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了基于轉(zhuǎn)矩平衡方法測量四個特殊位置磁鏈值的有效性。
圖4 轉(zhuǎn)矩平衡法與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子鎖緊法測量結(jié)果對比
模糊邏輯系統(tǒng)(Fuzzy logic system,FLS)具有良好的非線性映射能力,可以以任意精度逼近緊集上的任意非線性連續(xù)函數(shù)[23-25]。基于規(guī)則的模糊推理系統(tǒng)能夠處理不確定、模糊的語言概念,而且模糊規(guī)則可以從樣本數(shù)據(jù)中自動提取,非常適合用于解決復(fù)雜非線性對象的建模和控制問題[26]。本文結(jié)合SRM 磁鏈建模的實(shí)際需求,將樣機(jī)的先驗(yàn)知識用于FLS 隸屬度函數(shù)劃分,并從測量獲得的小樣本磁鏈特性數(shù)據(jù)中自動提取模糊規(guī)則,進(jìn)而完成小樣本磁鏈特性下的SRM 精確建模。所提出建模方法的結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。
圖5 SRM 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
對相電流而言,通過試驗(yàn)測量可以獲得足夠的磁鏈隨電流變化的樣本數(shù)據(jù)。綜合考慮模型復(fù)雜度和精度,采用三角形隸屬度函數(shù)對相電流進(jìn)行模糊集劃分,共劃分為21 個區(qū)間,如圖6 所示。
圖6 模糊邏輯系統(tǒng)輸入劃分(電流)
圖6 中,第j個電流模糊集Aj的隸屬度函數(shù)可描述為
式中,imax為電流最大值,a=imax/20 為電流隸屬度函數(shù)的步長。
對轉(zhuǎn)子位置而言,基于轉(zhuǎn)矩平衡法僅能測量得到四個特殊位置的磁鏈信息。有限位置的磁鏈數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子位置的隸屬度函數(shù)選取和模糊集劃分帶來了難度。為了解決這個問題,將SRM 的先驗(yàn)知識引入轉(zhuǎn)子位置的隸屬度函數(shù)選取和模糊集劃分。
對于任意給定的SRM 樣機(jī),磁鏈-位置(ψ-θ)特性的數(shù)值雖然存在差異,但大致的變化趨勢是非常相近的。圖7 給出了在特定電流下,磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置的變化曲線。
圖7 磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置變化特性
如圖7 所示,磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置變化曲線可以劃分為三個區(qū)域,分別是區(qū)域I[θu,θ1),區(qū)域II [θ1,θhr)和區(qū)域III[θhr,θa]。其中,θu是定轉(zhuǎn)子凸極完全未對齊位置,θ1是轉(zhuǎn)子極前沿和定子極前沿對齊位置,θhr是轉(zhuǎn)子極中心線和定子極前沿對齊位置,θa是定轉(zhuǎn)子凸極完全對齊位置。從圖7 可以看出,磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置的變化在區(qū)域II 可近似為線性關(guān)系,在區(qū)域I 和III 可近似為余弦關(guān)系。對于SRM,位置θ1和θhr可計算如下
式中,βs和β r分別為定子和轉(zhuǎn)子的極弧寬度,滿足如下關(guān)系[21]
式中,m和Nr分別代表電動機(jī)定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)。對于三相12/8 極SRM 樣機(jī),m=3,Nr=8,故將式(7)代入式(6),可得
綜合上述分析,可將磁鏈-位置特性在位置區(qū)間[7.5°,15]° 上近似為線性關(guān)系,采用線性隸屬度函數(shù)劃分;在區(qū)間[0°,7.5]° 和[15°,22.5]° 上近似為余弦特性,采用余弦隸屬度函數(shù)劃分。對轉(zhuǎn)子位置的模糊集劃分如圖8 所示。圖8 中轉(zhuǎn)子位置模糊集B1和B2的隸屬度函數(shù)可分別描述為
圖8 模糊邏輯系統(tǒng)輸入劃分(轉(zhuǎn)子位置)
模糊集B3和B4分別與B2和B1關(guān)于中間位置對稱,其成員函數(shù)不再贅述。
為了實(shí)現(xiàn)磁鏈特性的精確求解,對磁鏈可以采用更加精細(xì)的模糊劃分。如圖9 所示,本文利用三角形隸屬度函數(shù)將磁鏈劃分為201 個區(qū)域。圖9 中第l個磁鏈模糊集Cl的隸屬度函數(shù)可描述為
式中,ψmax為磁鏈最大值;c=ψmax/200為磁鏈隸屬度函數(shù)的步長。
圖9 模糊邏輯系統(tǒng)輸出劃分(磁鏈)
通常來說,當(dāng)模糊集合數(shù)量較少時,模糊規(guī)則可由專家經(jīng)驗(yàn)提供,而當(dāng)模糊集合數(shù)量較多時使得專家經(jīng)驗(yàn)很難提供相應(yīng)的模糊規(guī)則。為了解決這個問題,本文采用基于系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)設(shè)計模糊推理系統(tǒng)的方法,從樣本數(shù)據(jù)中自動提取模糊規(guī)則,克服了專家知識難以表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的局限性。
模糊規(guī)則由前件和后件組成,可表述為:“Ifx1isAjandx2isBkthenyisCl”。針對SRM 磁鏈模糊邏輯模型,其每個輸入輸出數(shù)據(jù)對(i,θ;)ψ對應(yīng)的模糊規(guī)則可以被描述為“R(s):Ifi(s)isandisthenψ( s)is”。對每個樣本數(shù)據(jù),均選擇所對應(yīng)的最大隸屬度函數(shù)值,其相應(yīng)的模糊集可分別計算如下
式中,q1、q2、q3分別為前件i,θ與后件ψ的模糊集數(shù)量。根據(jù)前面的模糊集劃分,q1=21,q2=4,q3=201。所提取模糊規(guī)則R(s)的置信度D(R(s))可以計算如下
需要注意的是,部分樣本數(shù)據(jù)具有相同的模糊前件,不同的模糊后件,即會產(chǎn)生相沖突的模糊規(guī)則,解決方法為選取最大置信度的規(guī)則作為最佳模糊規(guī)則[27]?;跍y量得到的特殊位置磁鏈樣本數(shù)據(jù),完成模糊規(guī)則提取,如表1 所示。
表1 從樣本數(shù)據(jù)中自動提取出的模糊規(guī)則庫
以表1 中第3 行第2 列為例,其規(guī)則可以被描述為“If phase currentiis A3and rotor positionθisB2,then flux-linkageψisC8”。
解模糊是模糊化的逆過程,能夠把模糊推理得到的模糊集轉(zhuǎn)化為精確量。目前常用的解模糊方法有最大隸屬度法、中位數(shù)法和重心法等多種方法。其中,重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心,作為模糊推理的最終輸出值,相比其他方法具有更平滑的輸出推理控制,因此選用重心法對磁鏈進(jìn)行求解。采用重心法SRM 任意電流和位置下的磁鏈輸出可以計算如下
根據(jù)所提出的模糊邏輯系統(tǒng)建模方法計算得到SRM 全周期磁鏈值,如圖10a 中點(diǎn)線所示。為了驗(yàn)證所提出方法的建模精度,將其與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子鎖緊法測量磁鏈值(如圖10a 實(shí)線所示)進(jìn)行對比,對比結(jié)果顯示兩者具有較好的一致性。
圖10b 進(jìn)一步給出了相同磁鏈樣本數(shù)據(jù)下采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[13]的建模結(jié)果。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用LM 學(xué)習(xí)算法,網(wǎng)絡(luò)隱層數(shù)為1,隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10,最大迭代次數(shù)為1 000,最小誤差為0.000 5。從圖10b 中可以看到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模結(jié)果與轉(zhuǎn)子鎖緊法測量結(jié)果之間具有較大誤差,無法實(shí)現(xiàn)小樣本數(shù)據(jù)下磁鏈特性的精確建模。
圖10 磁鏈建模結(jié)果對比
為了定量分析所提出方法的建模精度,繪制磁鏈計算值與測量值的三維誤差曲面和均方值誤差(RMSE)曲線,如圖11 所示。從圖11 中可以看到,所提出方法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法最大誤差值分別為0.028 Wb 和0.34 Wb,最大均方值誤差分別為0.019和0.15。此外,從均方值誤差曲線可以看出BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法除在有樣本數(shù)據(jù)的四個特殊位置處RMSE 值較小外,在其余位置處RMSE 值均較大,而所提出方法在整個位置區(qū)間RMSE 值均小于0.02。以上對比結(jié)果說明所提出建模方法具有較高的建模精度,完成了SRM 磁鏈特性的精確建模。
圖11 建模誤差對比
為了模擬實(shí)際SRM 驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行特性,基于求解的磁鏈和轉(zhuǎn)矩特性,在Matlab/Simulink 軟件中建立了SRM 驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,對不同運(yùn)行模式下的SRM 進(jìn)行動態(tài)仿真,并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。SRM 驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)仿真模型和電動機(jī)本體仿真模型,如圖12 所示。
圖12 SRM 仿真模型
圖12 中電流-磁鏈-位置特性i(ψ,)θ由磁鏈-電流-位置特性ψ(i,)θ經(jīng)反向插值得到,轉(zhuǎn)矩-電流-位置特性T(i,)θ由磁鏈特性計算得到,即
式中,Wc為SRM 磁共能。
SRM 動態(tài)仿真模型采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制策略,速度環(huán)和電流環(huán)的采樣周期分別設(shè)定為1 kHz和10 kHz。外環(huán)轉(zhuǎn)速控制器采用比例-積分(PI)控制,控制器參數(shù)為:kp=1,ki=0.2。內(nèi)環(huán)電流控制分別采用電流斬波控制(CCC)和脈寬調(diào)制(PWM)兩種運(yùn)行模式。
為驗(yàn)證SRM 驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型的精度,搭建SRM 驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)平臺,在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和分析,整個試驗(yàn)系統(tǒng)如圖13 所示。試驗(yàn)樣機(jī)為1.5 kW 三相12/8 極SRM,樣機(jī)參數(shù)如表2 所示。
圖13 SRM 試驗(yàn)平臺
表2 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)
圖14 給出了SRM 工作在參考轉(zhuǎn)速400 r/min,CCC 模式下的電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行波形和仿真波形對比。圖14a 和圖14b 分別為負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.8 N·m 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩5.6 N·m 時的仿真和試驗(yàn)波形對比。從圖14 中可以看出兩種不同負(fù)載下的仿真波形和試驗(yàn)波形均具有較好的吻合度。
圖15 給出了SRM 工作在參考轉(zhuǎn)速400 r/min,PWM 模式下的仿真及試驗(yàn)電流波形。圖15a 和圖15b分別為負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.8 N·m 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩5.6 N·m 時的仿真與試驗(yàn)電流波形對比。從圖15 中可以看出,兩種不同負(fù)載下的仿真和試驗(yàn)電流波形均具有較好的一致性。此外,從圖15 中可以看到,電流仿真波形在下降段與實(shí)際電流波形誤差較上升階段更大,這是因?yàn)樵诖沛溙匦詼y量過程中,僅截取了相電流上升階段的數(shù)據(jù)計算磁鏈,忽略了磁滯效應(yīng)影響。后續(xù)為了進(jìn)一步提高仿真模型精度,應(yīng)該嘗試建立考慮磁滯效應(yīng)的模型。
圖14 CCC 模式下相電流試驗(yàn)和仿真波形
圖15 PWM 模式下相電流試驗(yàn)和仿真波形
試驗(yàn)結(jié)果說明了所建立SRM 驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型具有較高精度,可以用于SRM 動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能分析以及高性能控制器設(shè)計。
本文提出了一種適用于SRM 小樣本磁鏈特性的模糊邏輯系統(tǒng)精確建模方法。該方法可以把SRM極對數(shù)和磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置變化趨勢等電動機(jī)先驗(yàn)知識用于模糊隸屬度函數(shù)的選取和模糊集劃分,并且能夠基于樣本數(shù)據(jù)自動創(chuàng)建模糊規(guī)則庫,實(shí)現(xiàn)了SRM 小樣本磁鏈特性下的精確建模。與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的對比結(jié)果表明,所提出模型極大地提高了小樣本數(shù)據(jù)下SRM 磁鏈的建模精度。基于所建磁鏈模型,進(jìn)一步在Matlab/Simulink 中搭建了SRM驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型,仿真和試驗(yàn)對比結(jié)果顯示,不同運(yùn)行模式下的SRM 驅(qū)動系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)波形均相互吻合,說明所建立的SRM 驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型具有較高精度,可以為SRM 運(yùn)行特性分析與先進(jìn)算法驗(yàn)證提供有力支撐。