開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制的研究﹡

聶 彬,王宏波,付光杰

（大慶石油學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(簡稱SRD系統(tǒng))，是隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有廣闊的發(fā)展前景［1］。本文主要探討開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

SRD是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電一體化裝置,系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 SRD系統(tǒng)構(gòu)成原理圖Fig.1 The principle of SRD

（1）開關(guān)磁阻電機(jī)是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部件，其工作原理遵循磁阻最小原理，即磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，由于磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給A-B-C-D相繞組通電,則轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)主開關(guān)管S1，S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源U吸收電能；而當(dāng)S1,S2關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過續(xù)流二極管D1、D2，將剩余能量回饋給電源U。

影響轉(zhuǎn)矩的不是電流方向而是相繞組的通電順序。只要位置檢測器能及時(shí)給出定轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置，使控制器能及時(shí)準(zhǔn)確地控制定子各相繞組的通斷,就能使SRM產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

（2）功率變換器是SRM運(yùn)行時(shí)所需能量的提供者,是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開關(guān)部件,一般采用快速絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成功率變換電路。

（3）控制器是調(diào)速系統(tǒng)的核心,一般由單片機(jī)或DSP單片可編程微處理器芯片構(gòu)成。通過修改軟件,可以很容易地改變電動(dòng)機(jī)的工作方式和控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同的性能特點(diǎn)。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)Fig.2 The typical structure of switched reluctance motor

（4）位置、電流檢測器，位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號(hào)的提供者。它及時(shí)向控制器提供定、轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置的信號(hào)。

2 功率變換器的設(shè)計(jì)

圖3 功率變換器Fig.3 Power converter

對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)而言，主開關(guān)器件的選擇應(yīng)該基于以下原則：要滿足系統(tǒng)電壓、電流值的要求，并留有一定的裕量；為了降低系統(tǒng)損耗，要求主開關(guān)器件有盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷后的漏電流；為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有足夠的安全工作區(qū)和二次擊穿耐量；盡可能小的驅(qū)動(dòng)頻率，驅(qū)動(dòng)方便。

通過比較和分析，在本論文中，采用的功率器件是絕緣柵雙極型晶體管IGBT。本文控制對(duì)象為四相8/6極。

SR電機(jī)，選用H橋式功率變換器，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，價(jià)格低廉。主開關(guān)器件為IGBT，采用三相橋式全波整流電路供。

功率變換器主電路如圖3所示。圖3中，A、B、C、D為SR電機(jī)四相繞組，V1～V5為IGBT功率器件，D1～D5為快恢復(fù)續(xù)流二極管，R1為限流電阻。C1、C2為濾波電容，其作用是對(duì)整流輸出電壓平滑濾波，并作相繞組能量回饋的元件。V5和R2構(gòu)成制動(dòng)放電電路，當(dāng)SRM制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，向功率電路回饋的電能多于從功率電路得到的電能。當(dāng)電容發(fā)生過電壓時(shí)，V5開關(guān)管開通，將電容能量泄放到電阻R2上。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用專用驅(qū)動(dòng)模塊EXB841，它具有過流檢測和過流軟關(guān)斷功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有效的保護(hù)。

3 SRD設(shè)計(jì)系統(tǒng)與控制策略

本系統(tǒng)中所控制的開關(guān)磁阻電機(jī)為四相8/6極，輸出恒功率3kW，功率變換電路采用H型主電路形式，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的控制策略框圖如圖4所示。

圖4 控制策略框圖Fig.4 Control policy diagram

由SRM的準(zhǔn)線性分析得到平均電磁轉(zhuǎn)矩解析式為：

式中，m為電機(jī)相數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)；Us為外加繞組相電壓；為轉(zhuǎn)速；為關(guān)斷角；為最小電感開始隨位置角變化的起始角；為開通角；Lmin為最小電感；Lmax為最大電感。根據(jù)上式可知，只需改變定子繞組電壓Us，開通角與關(guān)斷角就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，SRM有三種控制模式，即角度位置控制、電流斬波控制與電壓控制。

該控制策略以電機(jī)輸出的最終速度為控制目標(biāo)，以PI調(diào)節(jié)及模糊調(diào)節(jié)為主要控制手段，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制策略（外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)），速度環(huán)采用PI算法。變角度電壓斬波組合控制方法的采用使速度外環(huán)反饋的速度與速度給定值產(chǎn)生偏差，通過速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流參考值，iref其值與電流反饋構(gòu)成電流閉環(huán)控制，靠控制PWM的占空比來調(diào)節(jié)電流，以保證得到快速響應(yīng)，并用模糊算法來調(diào)節(jié)開通、關(guān)斷角度。控制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開關(guān)器件的開斷，并通過調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的時(shí)間比例，即占空比，來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組相電流的控制［2］。

在電機(jī)起動(dòng)以后，速度達(dá)到一定，采用變角度電壓斬波控制方式。在開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)繞組相電壓Us、起始導(dǎo)通角和關(guān)斷角這三個(gè)參數(shù)中，以相電壓Us為系統(tǒng)的主控制量，在給定速度與反饋速度比較得到偏差，經(jīng)速度控制器輸出后，即由速度調(diào)節(jié)控制子程序計(jì)算出電流環(huán)的電流給定值，與電路的反饋值經(jīng)PI及PWM控制策略輸出控制量作為PWM電路的占空比給定值，確定下一個(gè)周期的PWM脈沖的導(dǎo)通占空比，控制一定頻率的輸出方波脈沖寬度，寬度被調(diào)制的方波脈沖信號(hào)加到基極驅(qū)動(dòng)電路，控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，便將施加到SR電機(jī)繞組上的直流電壓斬波成對(duì)應(yīng)頻率和占空比的方波電壓，從而改變繞組兩端電壓的有效值，實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；另兩個(gè)參數(shù)作為輔助控制量，、是轉(zhuǎn)速和相電流的函數(shù)，在運(yùn)行中應(yīng)不斷加以調(diào)整，使系統(tǒng)性能優(yōu)化［2］。由于開關(guān)角與系統(tǒng)參數(shù)之間的高度非線性關(guān)系，用傳統(tǒng)數(shù)值方法求解非線性方程，以獲得開關(guān)角的最佳導(dǎo)通方案較為困難。本文采取模糊控制方法來調(diào)節(jié)開關(guān)角、。

智能控制：控制SRM轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵在于能夠有效地控制電機(jī)繞組相電流的幅值和開通、關(guān)斷的時(shí)刻。智能控制在數(shù)學(xué)本質(zhì)上是一種從輸入到輸出的非線性映射關(guān)系,具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力,非常適合于SRD控制。基于以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小為目標(biāo)的自適應(yīng)模糊控制策略的思路是:控制器以轉(zhuǎn)矩和位置角為輸入,以相電流為輸出。控制器每隔一個(gè)采樣周期對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置和觀測轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣,由期望轉(zhuǎn)矩和觀測轉(zhuǎn)矩形成轉(zhuǎn)矩誤差,依照學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)改變隸屬度函數(shù),不斷調(diào)整控制器的輸出,即調(diào)整期望電流。控制器不依賴于電機(jī)的任何先驗(yàn)知識(shí),能夠適應(yīng)電機(jī)的任何變化,對(duì)轉(zhuǎn)子位置反饋誤差具有較強(qiáng)的魯棒性［3］。

圖5 轉(zhuǎn)速300r/min實(shí)時(shí)跟隨曲線Fig.5 Real time following curve(300r/min)

圖6 轉(zhuǎn)速500r/m實(shí)時(shí)跟隨曲線Fig.6 Real time following curve(500r/min)

圖7 轉(zhuǎn)速1000r/min實(shí)時(shí)跟隨曲線Fig.7 Real time following curve(1000r/min)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)，額定功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min、500 r/min、1000r/min時(shí)跟隨曲線如圖 5～7所示。由圖可知，電機(jī)能快速跟上設(shè)定值。

結(jié)果表明，該電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，調(diào)速范圍滿足要求，由于采用了高速變角度電壓斬波—低速定角度電流斬波的控制方法，電機(jī)穩(wěn)定性和抗干擾能力有所加強(qiáng)。

5 結(jié) 語

雖然與一般電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比,開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變、非線性系統(tǒng)，但只要把先進(jìn)的控制策略運(yùn)用于SRD傳動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的性能將大幅度提高。理論與實(shí)踐證明：SRD系統(tǒng)在單位體積轉(zhuǎn)矩值、效率、逆變器伏安容量及其性能參數(shù)上均有較高的技術(shù)指標(biāo)，特別在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值上占有較大的優(yōu)勢，使可變范圍廣，可控因素多,是一種較理想的新型調(diào)速系統(tǒng)。

［1］王宏華.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

［2］張幽影，陳寶江.開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

［3］王蒞斌. 基于自適應(yīng)模糊算法的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,2008.