开关磁阻电机控制策略 .docx

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1、精品名师归纳总结开关磁阻电机掌握策略讨论摘要： 开关磁阻电机驱动系统 SRD 是近 20 年得到快速进展的一种沟通调速系统。其结构简洁、工作牢靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。本文第一介绍了开关磁阻电机掌握策略的讨论现状和趋势，推导了开关磁阻电机的数学模型，然后具体介绍了两步换相掌握、基于转矩安排函数的转矩掌握、智能掌握、直接瞬时转矩掌握等掌握策略。又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响，最终得出以转矩为掌握对象的新型掌握策略仍将进一步进展。关键词 ：开关磁阻电机。转矩安排函数。直接瞬时转矩掌握。Control Method of Swit

2、ch Reluctant MotorAbstract:Switched reluctance motor drive system SRD is a kind of ac speed regulating system with nearly 20 years rapid development .Its simple structure, reliable operation, high efficiency and low cost advantages are quite competitive.Thisdissertation firstintroduces the research

3、status and the control strategy of the switchedreluctance motortrend, the mathematical modelofthe switchmagneto is deduced, and then introduced the two -step commutation control, based on the torque distribution function of torque control, intelligentcontrol,direct instantaneous torque controland so

4、 on.And based on the Matlab/Simulink, the influence of the opening Angle,shut off the Angle to the motor torque were verified, finally concluded that the new control strategy will continue to develop further with the torqueas the object.Key words : switched reluctant motor; torque share function ; d

5、irect instantaneous torque controlDITC可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1 引言开关磁阻电机结构简洁、成本低廉、牢固耐用、牢靠性高。调速范畴宽和启动性能优1 -3 。但是由于其双凸极结构和其高度非线性，造成了开关磁阻电机掌握的复杂性，制约了其在肯定领域中的应用。本文先介绍了开关磁阻电机的相关背景，推导了开关磁电机的数学模型，然后具体介绍了两步换相掌握、基于转矩安排函数的转矩掌握、智能掌握、直接瞬时转矩掌握等掌握策略。又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响。2 开关磁阻电机掌握策略的讨论现状与趋势2.1

6、 开关磁阻电机掌握策略的讨论现状开关磁阻电机驱动系统SRD 以其结构简洁、工作牢靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。但是 SRM 是双凸极结构，且为了获得较好出力，经常需要被设计得较饱和，导致了SRM的电磁特性呈高度非线性，难以用一个精确的数学表达式来描述。作为一种新型调速驱动系统，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、掌握理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致讨论的困难性。从目前的进展水平来看，无论在理论上仍是在应用上都存在不少问题，有待进一步的讨论与完善1 -3 。开关磁阻电机调速掌握参数多，打算了它有敏捷多样的掌握方法。依据转变掌握参数的不同方式，SRM 有角度位置掌

7、握 Angular Position Control ，简称 APC 、电流斩波掌握Current Chopping Control ，简称 CCC 等掌握模式。早期的掌握策略主要以线性模型为基础，结合传统PI 或 PID掌握器运用上述掌握模式，采 用前馈转矩或电流掌握、反馈转速掌握4- 7。目前，随着各种掌握理论在传统电机调速系统中应用的讨论日益成熟，很多学者开头把一些先进的掌握方法应用在SRD 系统中，可部分解决开关磁阻电机调速系统的非线性、多变量、强耦合等问题，但距实际的应用仍有肯定的距离。现有的掌握策略从考虑转矩脉动抑制动身，掌握对象多是电机瞬时转矩。除 了基本的角度位置掌握和电流斩波

8、掌握，主要有基于换相过程的转矩掌握策略、基于转矩安排函数的掌握 策略、智能掌握、直接瞬时转矩掌握等掌握策略。基于换相过程的转矩掌握策略该掌握策略通过掌握两相绕组的换向期间的两相的电流，到达输出较平滑电磁转矩的目的，但只能缓和SR 电机在换向期间的转矩突变，并不能从根本上实现恒转矩掌握。基于转矩安排函数的掌握策略就从构建相电流波形动身，同时掌握转矩安排策略的实质是通过定义转矩安排函数合理的安排与调剂各相电流所对应的电磁转矩重量, 保证各相瞬时转矩之和为一恒值，然后通过矩角特性反演出各相电流指令。加以适当的掌握策略实现电机的高性能掌握。这种掌握策略关键在于如何合理挑选转矩安排函数 1，2，8- 1

9、1。智能掌握一般包括模糊掌握和神经网络掌握。智能掌握在数学本质上属于非线性掌握， 可以很好的解决 SR 电机的非线性。 目前应用较多的智能掌握策略有模糊掌握和神经网络，国内国外学者都取得了肯定成果。而直接瞬时转矩掌握DITC 是直接掌握每一时刻的瞬时转矩跟随参考转矩值，依据瞬时转矩与参考转矩的偏差掌握开关器件的开关。DITC 掌握更直接且简洁，适用于动态性能要求高的场合，但有很多的方有待改良 3， 6， 8， 12-20 。2.2 开关磁阻电机掌握策略的讨论趋势开关磁阻电机驱动系统SRD 在近 20 年得到快速进展， 但 SRD 的掌握精度和输出转矩脉动仍有很大的进步空间。目前开关磁阻电机的掌

10、握策略讨论趋势主要有以下三个方面：(1) 从掌握的角度 , 加强减小转矩脉动、降低噪声的讨论。(2) 讨论具有较高动态性能，且掌握算法简洁的SRD 新型掌握策略。(3) 讨论具有较强的鲁棒性、自适应性和自学习才能的SRD 智能掌握算法。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 开关磁阻电机基本掌握原理3.1 开关磁阻电机的工作原理SR 电机为双凸极结构，其定、转子均由硅钢片叠压而成。其转子上既无绕组也无永磁体，定子上就绕有绕组， 一般为集中绕组， 由径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。SR 电机运行遵循 “磁阻最小原就 ”， 即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。当定子某项绕组通电时，

11、假设转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合，便存在由于磁力线扭曲而产生的切向磁拉力作用在转子，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止，此时磁场路径磁阻最小。假设连续给各相定子绕组按肯定次序通电，就产生连续的脉振磁场，转子会沿着与励磁次序相反的方向旋转。依据上述的SR 电机工作原理可以发觉，转子的转动方向与电流方向无关，仅取决于励磁次序。开关磁阻电机的数学模型SR 电机基本数学模型一般包括三种模型，即线性模型、准线性模型和非线性模型。线性模型是基于一系列简化条件推导出的数学模型，该模型虽精度较低，但对于我们明白 SR 电机工作基本特性和各参数的相互关系

12、很有帮忙， 是各种掌握方法的依据，下面基于线性模型， 介绍开关磁阻电机的基本方程和数学模型。为此，做如下假设 5， 21：1不计磁路饱和影响，绕组电感与电流大小无关。2忽视磁通的边缘效应。3忽视全部的功率损耗。4开关管的开关动作是瞬时完成的。5电机以恒转速运行。 1、 电压方程依据基尔霍夫电路定律，可以写出SR 电机第 k 相的电压平稳方程式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结ukRki kdk ,i dt1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中： uk 为第 k 项绕组的端电压。 ik 为第 k 项绕组的电流。 Rk 第 k 项绕组的电阻。 k 为第 k 项绕组的磁

13、链。当电机由恒定直流电压源Us 供电时，一相电路的电压方程为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结dU siRdt2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中，“ +”号对应绕组与电源接通， “ -”号对应电源关断后续流期间。假设忽视全部的功率损耗，就上式可以以简化为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2、磁链方程Uddddsdtddtd3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在 SR 电机中，由于互感相对于自感很小，一般运算中忽视互感。就绕组磁链为该相电流与自感、其他各相电流及转子位置的函数：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结k , i

14、Lk k , ik ik(1)可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中的每相电感 Lk 是相电流 i k 和转子位置角 k 的函数， 电感之所以与电流有关， 是由于 SR 电机磁路非线性的缘故。而电感随位置变化正是SR 电机的特点。抱负模型中不计磁路饱和影响，电感变化曲线如图1 所示，就电感函数可表示为形式如下：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结L K LmaxLmin12Lmin23344452 L maxK (2) 5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结定子转子L LmaxLmin0123a45图 1电机

15、电感变化曲线Fig.1Curves of SR motor inductance可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3、机械运动方程依据力学定律可得出转子机械运动方程：Ted 2dJ2KTL(3) 6可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结dtdt4、转矩公式SR 电动机的电磁转矩可由磁共能对转子角度的偏导求得：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结W T i,mi ,(4) 7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结ei C o nst可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中，iWm i,i,di为绕组的磁共能。0可编辑资料 - - - 欢迎

16、下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在抱负模型中，不计磁路饱和影响。此时有WW1mmi1 Li 2(5) 8可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结22从而电磁转矩为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结开关磁阻电机的基本掌握策略Te i,1 i 2L2(6) 9可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情形下，可通过调剂SR 电动机的主开关器件的开通角on 和关断角 off 的值，来实现转矩和速度的调剂，此种方法便称之为角度位置掌握 APC 。特别是当电机转速较高， 旋转

17、电动势较大， 电机绕组电流相对较小时， 最宜采纳此种掌握方式。转变开通角 on，可以转变电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形的相对位置。转变关断角off 一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，影响较开通角on 较小。因此故一般采纳固定关断角off ，转变开通角on 的掌握方式。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结低速工作时多采纳斩波掌握方式CCC ，用来限制电流峰值。低速时，绕组导通周期长，磁链及电流峰值大，靠加大导通角，减小导通区当然可以限流，但会降低有效利用率，因此，适合采纳斩波限流。一般在低速运行时，将使电机的开通角on 和关断角 off

18、 保持不变，而主要靠掌握斩波电流的大小来调剂电流的峰值， 来起到调剂电动机转矩和转速的目的。而 PWM 斩波调压掌握是间接的通过PWM 斩波调压调剂电流来实现电流的斩波掌握，也属于斩波掌握方式的一种。SR 电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区串励特性区 ，如图 2 所示恒转矩的转速范畴为 0 到第一临界转速，恒功率区转速范畴为第一临界转速到其次临界转速，自然特性区转速范畴为其次临界转速以上。此时当转速再增加时，可控条件都已到达极限，转矩不再随转速的一次方下降。Te恒转矩区恒功率区串励特性区可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2CCC 方式APC 方式c 固定可

19、编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Tcos tTrcos tTrcos t可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结012图 2SR 电机运行特性Fig.2Performance characteristics of SR motor4 开关磁阻电机掌握策略由于开关磁阻电机的双凸极结构和其高度非线性，使其存在转矩脉动大的固有缺点，阻碍了开关磁阻电机在一些领域的推广应用。基本的两种掌握方式只是依据转速掌握电机的开通角、关断角及电流限流幅值到达掌握相电流的目的，并未直接对转矩进行掌握，没考虑 SRM内部磁场的非线性，因此传统的掌握方

20、式很难精确掌握每一相瞬时转矩。从考虑转矩脉动抑制动身，现有的改良开关磁阻电机掌握策略的掌握对象多是电机瞬时转矩。除了基本的角度位置掌握和电流斩波掌握，主要有基于换相过程的转矩掌握策略、基于转矩安排函数的掌握策略、智能掌握、直接瞬时转矩掌握等。下面具体介绍这些掌握策略。基于换相过程的转矩掌握策略依据 SR 电机的矩角特性，如将SR 电机的换相区间设置在两相或两相以上的绕组同时产生所需转矩的区域内，将相电流关断过程分成两步，一相开关管示意图如图3 所示。第一步仅关断K 1，相电压 U p 由+U s负跃变至 0 V ，其次步再关断 K 2，这时 Up 由 0 V 负跃变到 -Us 。掌握其次步与第

21、一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半，这样其次步与第一步产生的冲击振动相位差为180，因而相互抵消。文献10 中的试验结果说明， 在部分工况下两步换相法的总声级较传统换相法低3 dBA 左右，相当于声功率降低了1 倍左右， 成效明显。该掌握策略通过掌握两相绕组的换向期间的两相的电流，到达输出较平滑电磁转矩的目的。但是这种掌握策略只能缓和SR 电机在换向期间的转矩突变，并不能从根本上实现恒转矩掌握。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结+UsD1K1K2UpD20V图 3不对称半桥主电路 一相 Fig.3Asymmetric half bridge circuitone phase

22、基于转矩安排函数的掌握策略该策略从构建相电流波形动身，同时掌握转矩安排策略的实质是通过定义转矩安排函数合理的安排与调剂各相电流所对应的电磁转矩重量, 保证各相瞬时转矩之和为一恒值，然后通过矩角特性反演出各相电流指令。加以适当的掌握策略实现电机的高性能掌握。SRM 的总转矩是由各相绕组产生的磁阻转矩相加而成的，对各相转矩进行任意组合均可产生相同的电机总转矩，因此转矩安排的掌握策略就是对电机的各相绕组转矩进行有效的掌握。基于转矩安排函数的方法对应的电流波形变化是比较平稳的, 并且防止了较大的峰值电流。常用的转矩安排函数有直线、正弦安排函数，以下图4 为正弦安排函数曲线。同时转矩安排函数的掌握策略经

23、常和其它掌握策略结合，以到达更好的成效。例如文献5 将电流滞环掌握和转矩安排函数相结合，文献 8 将模糊 PID 与转矩安排函数相结合。使用基于转矩安排函数的掌握策略需要对换相区的两相同时进行掌握 , 因此占用的掌握接口资源较多。而且转矩安排函数不唯独，如何合理挑选转矩安排函数是实现的关键。TF S T弦正转子位置图 4正弦转矩安排曲线Fig.4Sinusoidal distribution of phases torque智能掌握随着相关理论不断完善和硬件技术的快速进展，使先进的智能掌握算法得以在实际电机掌握中应用。智能掌握一般包括模糊掌握和神经网络掌握。智能掌握在数学本质上属于非线性掌握，

24、可以很好的解决 SR 电机的非线性。典型的模糊掌握应用是Sayeed 提出的一种使开关磁阻电机转矩脉动最小化的自适应模糊掌握策略。此掌握器以位置为输入、相电流为输出，通过实时修改隶属度函数来使各相在最合适的区域导通。模糊参数的初始值一般可随便选取，在运行过程中通过不断调整靠近最优掌握，该掌握器的设计不依靠于电机的先验学问，能够适应电机特性的任何变化，对转子位置反馈误差具有较强的鲁棒性,转矩在最大正转矩区域产生，增加了转矩密度，防止了高电流峰值，电机转矩脉动最小。然而,由于这是一个单输入、单输出的模糊系统，对于一恒定的转矩给定信号来说，权值能够依据电机的特性和运行条件在线转变，但是当转矩给定发生

25、变化时，由于模糊掌握器没有记忆功能，掌握器不能依据给定转矩的转变实时调整系数, 需要重新进行学习。基于神经网络的转矩脉动减小的方法最早由J.G.Odonovan等提出 ,考虑 SRM的非线性特性 ,依据 SRM可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的转矩、电流、角度关系,对电机的先验学问进行学习,通过神经网络的自学习才能学习相电流波形减小电机的转矩脉动 ,但他们所实行的常用神经网络学习速度较慢,需要离线学习 ,难以用于电机的实时掌握。Zheng yuLin等利用 BP神经网络，采纳转矩估量代替文献中的转矩传感器,降低了系统成本 ,并供应了转矩反馈信号，由于B 样条神经网络也是一种联想

26、式记忆神经网络,适用于在线非线性自适应仿真。天津大 学夏长亮等提出基于径向基函数RBF神经网络在线辨识的开关磁阻电机 SRM单神经元 PID 自适应掌握新方法。该方法针对开关磁阻电机的非线性，利用单神经元来构成开关磁阻电机的单神经元自适应掌握器，结构简洁，能适应环境变化，具有较强的鲁棒性，但同样需要离线训练，难以用于电机的实时掌握。直接瞬时转矩掌握与传统方法不同的是，直接瞬时转矩掌握DITC 不使用任何电流波形来抑制转矩脉动，而是直接掌握每一时刻的瞬时转矩跟随参考转矩值，依据瞬时转矩与参考转矩的偏差，为功率变换器供应一个负、零或正电压， 对电机的全部鼓励相产生开关信号。学者 Rik W.De

27、Doncker 利用预先运算的 T ,i关系估算瞬时转矩，磁链低速时积分累计误差严峻，使低速转矩脉动到达5%20。燕山高校漆汉宏等采纳Ti ， 关系估算瞬时转矩，就需要通过高精度的编码器获得精确的位置角信号16。与通过掌握电流或者磁链来抑制转矩脉 动的掌握策略相比， DITC 掌握更直接且简洁，适用于动态性能要求高的场合。目前DITC 在 SR 电机掌握中仍有很多的方可以完善，在改良瞬时转矩和磁链估算方法方面仍有很多改良的的方。5 开关磁阻电机仿真与分析MATLAB凭借其强大的矩阵运算才能、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，使其得到广泛应用。 下文将在 Matlab/Sim

28、ulink中搭建基于 PWM 调压掌握的 SR 电机掌握系统仿真模型来验证开关管导通角 on、关断角 off 对 SR 电机电流和转矩的影响。开关磁阻电机的仿真模型本文依据开关磁阻电机的基本掌握系统结构，在Matlab/Simulink中搭建出 SR 电机的转速、电流双闭环掌握系统的仿真模型。完整仿真模型如以下图5 所示，主要由开关磁阻电机本体模块、PI 调剂器、位置判定模块、电流反馈模块、PWM 生成模块、双开关功率变换模块等组成：图 5SR 电机仿真模型Fig.5Simulation model of SR motor可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结开关磁阻电机的仿真结果与

29、分析上述仿真模型的基本参数如下 :仿真步长给定转速 n=1500r/min 、负载转矩为 1s 后添加 TL=1Nm 。直流电压 240V 。 SR 电机参数为 6/4 极、通用模型、定子电阻 、转动惯量、摩擦、不对齐电感 10-3 H 、对齐电感 10 -1 H。开通角 on=40 o 或者 50o、关断角 off =75o 或者 85o。该仿真模型是基于PWM 调压掌握策略搭建的。以下图6 是 SR 电机仿真模型开通角on=40 o、关断角 off =75 o 时的转速波形。从波形可以看出经过大致秒时间转速从0r/min 上升最终稳固在1500r/min 邻近。曲线比较光滑，调剂器调剂成效

30、较好。而图7 是 SR 电机开通角 on=40o、关断角 off =75 o 时位置角随时间增长的波形。在转速稳固后，其曲线斜率也保持恒定，同样从侧面反映了转速比较恒定。从前述的数学模型推导，可以知道理论上功率管的开通角和关断角对电流的波形有极大的影响，在Simulink 的电机模型中定义的导通角与前述电感变化曲线相位不同，SR 电机仿真模型的相位角要滞后45o， 即 SR 电机仿真模型的 45o 对应前述电感曲线的0o。下面分别转变开通角和关断角分为三组观看SR 电机模型的电流和转矩波形。 a 开通角 on=40 o ，关断角 off=75 o 。b 开通角 on=50 o，关断角 off=

31、75o 。c开通角 on=40o ，关断角 off=85 o。比较图 8a、 b 可以发觉电流峰值b组相对 a图明显小了，电流峰值从a图的 4A 到b图的 2A ，而且 b图电流波形顶端更平，同时图9b 图的转矩波动幅值也相对于图9a 更小，波动范畴在，由于电机转矩按抱负模型是和电流的平方成正比的，故电流波动大转矩脉动也大。仿真结果能够验证开通角 on 对电流及转矩的影响， 与推导的数学模型相符。 比较图 8a、c 可以发觉， 图 8c的电流幅值和图 3a基本一样，同时可以明显发觉图8c 的电流宽度大于图3a的电流宽度，与理论推导的关断角off 影响电流宽度相符。比较图9a、c可以发觉，图 9

32、c的转矩波形显现负值，且幅值很大，说明开关管的关断角off太大，电流续流到电感减小的区域。依据抱负模型是转矩和电感的变化率成正比。此时电感变化为负，故显现负的转矩与推导的公式相符，关断角off 对电流及转矩的影响。所以仿真结果可以充分证明开通角on、关断角 off 等可控参数对SR 电机的庞大影响。图 6SR 电机转速波形Fig.6Waveform of SRM speed图 7SR 电机位置角波形Fig.7Waveform of SRM position angle可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结aon=40 o， off=75ob on=50 o， off =75 oc o

33、n=40o， off =85o图 8SR 电机电流波形Fig.8Waveforms of SRM current可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结aon=40 o， off=75ob on=50 o， off =75 oc on=40o， off =85o图 9SR 电机转矩波形Fig.9Waveforms of SRM torque结论通过 Matlab/Simulink验证了开通角、关断角等掌握参数对开关磁阻电机电流和转矩的影响。而开关磁阻电机掌握系统非线性强，现有掌握策略仍存在很多问题，但智能掌握和直接瞬时转矩掌握策略仍是进展 方向。致谢感谢对本工作的帮忙，在此表示感谢！可

34、编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参考文献 ：1 Kim Tae-Hyoung ， Lee Dong-Hee ， Ahn Jin-Woo. Advanced non-linear logic torque sharing function of SRM for torque ripple reductionC. 2021:1-4.2 S. Sindhuja， D. Susitra. Design of a novel high grade converter for switched reluctance motor drive using component sharingC.

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