開關磁阻電動機自優化控制系統研究

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交直流電機有著根本的區別，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，從而實現電機轉動下的連續轉矩。

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律下通斷，轉子則會連續轉動。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則，恒定轉速下的穩態運行實際上是整個周期性變化的動態過程，造成傳統控制方式下的轉矩脈動較大，但是可以通過優化參數的方法，對其轉矩脈動進行優化，并且可以更好地優化起動所需要的電流。本文通過調節開關角的參數，并且進行數據記錄，通過設置一種對開關角的自動控制模塊，在設定的范圍之內對電機開通關斷角進行控制，達到優化電機性能的效果。

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的結構

如圖2 所示，開關磁阻電動機調速系統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測器五個部分組成。本文采用的是雙閉環控制系統，外環采用的是速度環，內環采用的是電流環，其中速度環是通過給定速度與反饋速度的比較后，通過PI 控制后，得到電流內環所需要的內環電流。在內環中，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化。

2 自動優化控制器的設計

2.1 角度自動控制系統

本文采用的自動優化控制器，是在內環加入了角度自動控制器，其輸入為電機電流和轉矩，根據開通角和關斷角優化規則，自動調節開通角和關斷角的數值，使電機電流和轉矩以優化規則運行，其結構如圖3 所示。

圖3 開關磁阻電動機自動優化控制系統結構圖

系統外環為速度環，輸入是給定速度，構成速度調節系統，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，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節，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節，來達到所需要的轉矩大小。根據圖4、圖5 的對比，可以進行不斷的調節與優化，如當調節開通角為35°、關斷角為50°的時候，看電流與轉矩的波形，記錄數據，在此范圍內調節開通角與關斷角，并且查看記錄波形數據，根據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，來調節開通角的范圍，且電流的大小范圍在19.5 A≤I≤48 A 之間，在此區間范圍之內，通過實際仿真的數據記錄，來對電流區間范圍進行細分，從而在相應的電流區域內選擇合適的開通角，達到優化電流的目的。部分優化數據如表1 所示。同理，第二個模塊是通過輸出轉矩幅值的反饋，來調節關斷角的范圍，且轉矩幅值的范圍在25 N·m≤Tm≤48 N·m 之間，在此區間范圍內，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節，從而達到最終的優化結果。轉矩幅值部分優化數據如表2 所示。

表1 開通角優化規則

表2 關斷角優化規則

2.3 系統仿真模塊的建立

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化主要是通過電流、轉矩劃分模塊和角度選擇模塊來實現的。以電流為例，將檢測的電流劃分成有效的區間，在不同的區間內根據建立的開通角選擇模塊來選取最優的開通角。

圖6 開關磁阻電動機自控制控制系統仿真模型

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化開通角。

圖8 開通角選擇模塊參數設置

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 時又變為空載兩種情況。要求在電機在1 000 r/min 穩定運行的前提下，對電流和轉矩幅值進行優化。

系統過程分為動、靜兩種狀態，達到給定轉速前為動態，之后為靜態。

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

不加優化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖9所示。

圖9 不加優化下的電流、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階段，不加優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階段，不加優化下的電流最大約為6.6 A，轉矩最大約為4.92 N·m。

優化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖10 所示。

圖10 自優化下的電流、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階段，自優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階段，自優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

不加優化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖11 所示。

圖11 不加優化下的電流、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階段，不加優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階段，不加優化下的電流最大約為31.25A，轉矩最大36.77N·m。

優化控制下的電流、轉矩、轉速曲線如圖12 所示。

圖12 自優化下的電流、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階段及在起動階段，自優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階段，自優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，自優化控制方式下，可以有效減小起動階段和帶載穩定運行階段的電流和轉矩。

圖13 為自優化下的轉速曲線和不加優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，無優化下的上升時間為0.298 5 s，穩定時間為1.95 s;在加負載后，轉速下降為810.62 r/min，穩定時間為3.9 s;在去掉負載后，轉速又上升到了1 201.78 r/min，穩定時間為6.44 s;相比自優化下的上升時間為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，自優化下穩定性較之不加優化下的轉速有所提高，并且在加入負載階段，自優化下使得轉速下降相對較小，較之不加優化下的調節時間明顯減小，系統動靜態性能有所提高。

4 結 語

以自動調節開通角、關斷角的控制方法，來達到優化電流和轉矩幅值的目的，這樣既節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°之間進行調節;并且關斷角在65°以后轉矩幅值會大一些，在50° ～65°的范圍之間調節關斷角，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節開通角，通過輸出轉矩幅值的大小來調節關斷角，最終得到優化。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，系統動靜態性能也得到了改善。

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