基于模糊邏輯控制的SR電動機轉矩脈動抑制分析

王蕾

(河南機電職業學院,河南鄭州 451191)

19世紀人類發明電動機,由于運轉經濟,電能傳輸方便,電氣傳動成為大部分機械傳動方式。隨著科技的發展,在工農業及日常生活中對電氣傳動需求不斷增大。60年代隨著電力電子學與現代控制技理論的發展,交流電動機矢量控制與調頻調壓控制理論產生,使得交流傳動具備高穩態精度,四象限運行等良好技術性能。交流傳動系統存在價格昂貴等問題,8 0年代國外推出開關磁電阻電動機(SR)是繼直流電機、無刷直流電機(BLDC)之后發展起來的一種調速電機類型。SR電動機構成調速系統結構簡單,魯棒性好,其性能指標可比交直流傳動系統。但同時存在轉矩脈動噪聲大的缺點,并且不能直接連接到電網以實現穩定的速度運行。國內外學者提出多種控制策略,例如直接轉矩控制。在國際電力驅動領域中,開關磁阻電動機驅動器被稱之為Switched Reluctance Motor Drive,簡稱SRD。SRD是一種由SR控制器和SR電機組成的變速驅動系統,它是世界上最新,最具有較高成本效益的速度控制系統。開關磁阻電機在調速應用中引起了人們極大的關注。開關磁阻電機驅動系統由于其結構簡單,運行可靠,轉矩慣量比高,效率高和成本低廉而被認為是未來的競爭性變速驅動系統;開關磁阻電機驅動系統無需永磁體,轉子上無繞組和電刷,而且在很寬速度范圍內具有良好的控速性能,因此在與永磁無刷直流電動機和感應電動機(SRD)的競爭中具有較強優勢,在電驅動領域是一個熱門話題[1]。

1 SR電動機與調速系統工作原理

SR電動機是雙凸極可變磁電阻電動機,結構設計有利于減小渦流損耗,繞組集中繞在定子極上,磁極上是兩個繞組串聯。SR電動機能夠設計成多個相數結構,有利于減小轉矩脈動。同時電動機主開關器件多,控制方法復雜。由于SR電動機無自啟動能力,目前應用較多的是四相結構。SR電動機是大步距角步進電動機的延拓,SR電動機運行原子遵從磁阻最小原理,鐵心與磁場軸線不重合,磁阻電動機動力將鐵芯拉到磁場軸線。

SR電動機轉矩方向與相電流無關,控制字導通關斷角可改變電動機工作狀態,改變相電流可以改變電動機轉速[2]。轉子極轉離定子極通電產生電磁轉矩與轉子相反,通過簡單控制方式可改變電動機轉向。SR電動機優點體現在結構簡單,制造工藝簡單,定子線圈為集中繞組,可適用于各種惡劣環境;轉矩方向與電流無關,可簡化功率變換器;算好主要產生在定子,轉子無永磁體高溫退磁現象;功率變換器不會出現直通故障。無異步電動機啟動出現沖擊電流現象;易于實現特殊要求的轉矩－速度特性,轉速不受電源頻率限制;寬廣轉速內具有較高效率,SR電動機適于功率經常變化的場合。

目前SR電動機存在的缺點包括需根據定轉子相對位置投入勵磁;采用磁阻式點到等級能量轉換密度低;SR電動機轉矩脈動典型值為±15%,不能像籠型異步電動機接入電網穩速運行。SR電動機轉矩脈動不大,根據其動態性能采取合適的技術,可抑制調速系統轉矩脈動。SRD的組成主要功率變換器、位置檢測器等部件。在SRD中完成電能轉換的部件是SR電動機,功率變換器是SR電動機運行時供能者,由蓄電池整流后得到直流電供電。SR電動機功率變換器電路結構形式與電動機相數有關[3]。目前廣泛應用的電路有分列式直流電源電路,具有最小數量開關器的功率變換器等形式。

2 SR電動機數學模型

SR電動機的工作特性是非正弦繞組電流,SR電動機控制參數多,并且相電流波形隨電動機的工作狀態而變化,傳統電動機性能分析方法對SR電動機不適用。電動機磁路飽和、磁帶效應等產生非線性,列出數學模型無法進行數學模擬。分析S R電動機線性與非線性數學模型,建立基于四相SR電動機電感特性SR D動態仿真模型,得到相電感、合成轉矩等。SR電動機機電能量關系存在平衡關系。

電源輸入電能=磁場儲能增量+輸出機械能+轉換成的熱量。SR電動機氣隙磁場為脈振,建立氣隙磁場儲能。為了解SR電動機基本電磁關系,分析SR電動機理想模型是主電源電流電壓不變,忽略鐵心磁滯效應;功率開關器為理想開關;電動機各項參數對稱。SR電動機運行理論與其他電磁式機電裝置相同。電端口和機械端口通過電磁扭矩耦合,這反映了機電能量的轉換,轉矩表達式是機電連接方程[4]。SR電動機靜態性能可靠以通過簇磁化曲線表征?？裳芯肯嗬@組考察SR電動機電磁轉矩。磁路飽和下運行SR電動機為非線性嚴重機電裝置,磁阻轉矩取決于電流i對于轉子位置θ的變化率。SR電動機磁場存在邊緣效應,電感L為轉子位置角非線性函數。需根據電動機結構適當簡化。

SRD運行特性影響因素包括SR電動機相電流波形,SR電動機線性模型假設電感不隨電流變化,SR電動機中轉子凸極中心線對準,磁路為非飽和,磁路飽和時對電動機轉矩分析影響。不簡化考慮磁路非線性,電磁關系計算困難?？紤]磁路飽和效應,將實際非線性磁化曲線分線段性化,每段磁化曲線可解析。SR電動機由于雙凸極結構非線性特點,定子繞組電流變形不規則,分析電動機特性需用非線性分析法。優化電動機設計非常重要,非線性分析常用的方法是采用二維有限法進行磁場計算。帶有飽和非線性磁路的SR電動機的相電感與傅里葉級數近似,相電感可表達為Lk(θ,i)=Lo(i)+L1(i)cos(Nrθ+π),Lmin可通過實測得到隨相電流變化數據。Lmax(i)為定轉子凸極中心線重合處電感。表達和相電流函數關系多項式級數Lmax=∑Nn=0anin∑n=0Nanin,四相SR電動機電磁轉矩Te=∑4k=1Tk∑k=14Tk3.SR電動機模糊邏輯關斷角補償控制。

SRD缺點是轉矩脈動及引起噪聲,限制器在調速驅動中的應用,SR電動機轉矩脈動抑制研究受到人們的重視,SR電動機轉矩脈動產生受到電動機結構尺寸影響,主要圍繞電機設計控制方面研究[5]。許多學者將人工智能法引入轉矩脈動抑制研究,如目前轉矩脈動換相策略采用轉矩分配法,克服SR電動機瞬間換相的缺陷,但未考慮傳動效率等次要目標。未來各種非線性控制理論研究同步進行。

轉矩分配策略是護理分配各相電流對應電磁轉矩分量,SR電動機換相瞬時轉矩脈動大,研究換相時導通兩相繞組電流控制,實現轉矩脈動最小化。轉矩分配函數fi(θ)主要用于分配各相轉矩,恒定值是依據負載要求確定轉矩給定值Tg,滿足∑nk=1fi(θ)=1∑k=1nfi(θ)=1,n為SR電動機相數。矩角性曲線表T-θ-i可以離線靜態測量得到,理想狀態各相矩角特性相同,瞬時轉矩控制是為了控制導電相繞組的電流。直接轉矩控制(DTC)用于控制電動機速度,以形成一個完整的理論,交流電動機具有線性特性,SR電動機具有嚴重非線性特點,應用交流電動機直接轉矩控制理論不適用SR電動機。模糊控制是智能控制方法,其特點是將操作者控制經驗用語言變量來描述,適用于數學模型未知的非線性復雜控制。SR電動機具有啟動轉速大,制造工藝簡單等優點,轉矩脈沖是高性能SR電動機主要缺點,通常采用電流雙幅斬波方法減小轉矩脈動,但在SR電動機控制系統難以實現。采用模糊控制器對SR電動機關斷角調節,可減小轉矩脈動。采用基于模塊控制關斷角補償的SRD由功率變換器、位置檢測器等組成,調速控制器采用PI控制,關斷角補償采用模糊邏輯控制[6]。采用分列式直流電源功率變換器,SR電動機相繞組斷開電源,通過調整關斷角可得到不同相電流波形。

3 基于數字信號處理(DSP)的SRD控制

采用TMS320C200系列2407A芯片為控制器,設計驅動電路。SR電動機控制參數包括繞組電流o,關斷角θoff,轉速n為設定值,電流幅值變化范圍為0≤i≤Im,控制SR電動機轉速可通過改變關斷角θoff角度控制方式,采用調節相繞組加電壓值的斬波控制方式。從減小電動機轉矩脈動角度出發,運用關斷角調節控制方式,并通過調節關斷時間的比例,基于模糊控制關斷角調節,控制器以斬波頻率功率變換電路中主開關器件開端實現恒轉矩無級調速[7]。SR電動機繞組需具有向電源反饋功率功能,功率變換器作用包括開關作用,為繞組儲能提供回饋途徑。SR電動機工作電流非正弦波,使得主開關器件定額計算復雜。功率變換器合理設計是系統設計的重要環節[8]。可選用分列式直流電源功率變換器主電路方案,直流電源采用電容濾波單相不可控整流電路供電,系統主開關管采用富士1MBH60D-100單管IGBT,需配驅動電路可靠工作。系統采用數字信號處理器TMS320LF2407A作主控器。系統采用DSP為專為電機控制設計的DSP,事件管理器包含3個啟停時器?？僧a生12路PWM輸出,事件管理器集成4個接收輸入端。

SRD工作自同步狀態,SRD低速運行時,通常采用電流斬波控制,采用電壓占斬波控制方式,需隨時監測繞組電流,為保證系統優良性能需依靠速度控制環節進行閉環控制。要使系統安全運行需輔助外圍保護電路,泵升電壓由回饋引起,采用主回路并聯電阻管構成吸收電路,CPU檢測到泵升信號,功率電阻R1通過發熱消耗過多能量。SRD控制軟件由初始化子程序,中斷服務子程序,模糊控制子程序等組成。主程序連續循環結構運行,實現運行狀態顯示以及正反轉控制等[9]。中斷服務子程序包括速度控制中斷子程序,捕獲中斷子程序等。采用C語言編程,對功率750W四相SR電動機進行空載試驗,分析光電式轉子位置傳感器檢測得到信號波形,實現四相SR電動機每15°機械角換相。分析電動機運行在n=1500r/min時轉速波形,系統響應快[10]。

4 結語

本文采用理論研究及試驗結合方法,對SR電動機工作原理及控制策略等關鍵問題系統研究,針對SR D中轉矩脈動大問題,引入模糊邏輯關斷角控制,可達到轉矩脈動最小目的。仿真實驗證明控制策略可行性,實驗表明方法可行性。對SR電動機數學模型分析,基于四相SR電動機電感特性建立SRD動態仿真模型,得到相電感、合成轉矩波形。固定關斷角SRD轉矩脈動比較大,建立模糊邏輯關斷角,對SRD仿真模型進行系統仿真。基于DSP控制電路軟硬件設計,在SR電動機上空載試驗,驗證控制策略的可行性。