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开关磁阻电动机的几种控制方案.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.31M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《中小型电机)2001.28(2) 开关盛阻电动机的几种控侧方案 开关磁阻电动机的几种控制方案 中国矿业大学(徐州，221008) 张 超 陈 吴 摘要 开关磁阻电动机的转矩是各相电流与转子位皿的高度非线性函数， 张超 1973年 12月生， 1994年毕业于江苏广播 电视大学，现 在 中国矿 业大学攻读电力 电子与 电力传动专业硕士学 位。主要从事开关磁阻 电动机 故阵诊断与容错 控制方面的研究 . 这使得电动机的转矩容易出现脉动。本文列出了目前世界上一些有效减少开关 磁阻电动机转矩脉动的方法(如变结构控制，模糊控制，磁通控制等方法)及它们 的优缺点和适用范围。 叙词 开关 磁阻电动机 电流控制 磁通控制 Control Strategies of Swithced Reluctance M otors Zhang Chao Chen Hao Abstract: The torque of switched reluctance motor is a highly non-linear function depends on phase-current and rotor position,so the torque ripple oc- curs. The paper lists some effective way of torque ripple minimization.for switched reluctance motor in the world,such as variable structure approach, fuzzy control and flux control,and it also introduces their advantages ,disadvan- tages and application fields. Key words:Switch Reluctance motor Flux control 开关磁阻电动机具有结构简单，制造成本低， 性能优越等优点。它的转子上没有绕组和永久磁 铁，只有定子上有绕组。电动机转矩与电流的流向 无关.这使得它的变换器结构也很简单。由开关磁 阻电动机构成的开关磁阻电动机调速系统运行性 能和经济效益优于普通的交流调速系统，甚至比晶 闸管一直流电动机系统的性能还要好。开关磁阻电 动机的上述优点使得它在可调速领域得到广泛应 用。 但是开关磁阻电动机的转矩是相电流和转子 位置的非线性函数，这使得开关磁阻电动机的转矩 控制较为困难，主要表现在抢出转矩存在脉动。如 何消除或减少开关磁阻电机的转矩脉动研究人员 在传统的斩波控制及单脉冲控制的基础上，应用诸 如滑模控制，模栩控制等现代控制理论取得较好的 控制效果 。 1 电流控制 采用相电流作为控制量是开关磁阻电动机最 常见的控制方法。在早期的控制策略中采用恒定的 相电流作为控制信号，由于开关磁阻电动机的电磁 转矩是相电流和转子位置的非线性函数，如果相电 流维持不变，转矩就会出现脉动。采用反债的方法 可以把非线性函数转化为线性函数，但这需要电动 机的精确模型，否则控制性能就要下降。且这种方 法的计算量大，不适于实时控制。换相是引起转矩 脉动的另一个原因。因为在换相过程中，磁通变化 大。 针对换相过程容易出现脉动，文献〔1]引进转 矩共享函数(torque sharing function，简记TSF's) 的概念。引入共享函数可以保证电动机在翰出转矩 低脉动的条件下，实现低速低功耗和大转矩/速度
    开关班组电机的几种控创方案 《中小2电机 )2001.28(2) 范围的要求。该方法中如果相邻两相相电流相等， 那么这两相生成的转矩也相等且等于总转矩的一 半。这时，在绕组上的消耗最小。为了使相励磁和 退磁速度最快，换相相的励磁和退磁速度要充分利 用变换器的容量，即满足dY"/dB=vim加。 文献[1」提出的方法能满足电动机转矩低脉动 的要求，但是，这种方法需事先计算电流或转矩共 享函数。这将需要很大的存储空间，另外，当电动机 受到外部干扰或运行中参数发生变化时，该方法不 能及时调整 电动机 的模型，系统的鲁棒性将会下 降。针对上述缺点，文献[2〕提出一种在线计算的方 法，该法不仅可以降低转矩脉动、具有良好的鲁棒 性，而且结构简单，易于实现。当某一相在电感刚大 于零时如果通电，气隙磁阻对转子位置的偏导数接 近零，这时，即使要求的转矩很小，需要的磁通也会 很大，即加在相绕组上的电压也v很大，势必会引 起变换器的饱和。为了降低对变换器的要求，换相 时受激励相激励速度要降低。换相的过程如图1所 示。它分为TPA,CAI,CAII 3个部分。在TPA阶 段，相 A产生转矩，在 CAI阶段 A,B两相开始换 相，这时如果施加在 A相上的电压为零,B相所要 求的磁通很小即可实现 A相到 B相的平滑过渡。 A相在生成负转矩之前，应该退磁完毕。由于反馈 感应电动势与速度有关，所以退磁也受到速度的影 响。CAI的范围大小显然与电动机的速度有关。如 果根据电动机的速度对 CAI的宽度进行优化，那 么就可以得到理想的换相过程。例如，在低速时， CAR的范围可缩小至零，这样，退磁变慢，转矩的 变化也减小，换相过程变得平稳。 _产人 ，，，一抽\ 就不能满足控制要求，而需要找到一种能在电动机 参数发生变化、负载情况不清楚、存在外部干扰的 情况下仍能提供快速、准确响应的控制方法。变结 构控制(variable structure control，简称VSC)是一 种具有很好鲁棒性的非线性控制方法。其关健是找 到一种控制方法使系统可在多种条件下可靠工作。 带有滑模的变结构控制不受电机参数变化和外部 干扰的影响，可在多种环境下工作，并提供快速、准 确的动态响应。能满足控制的要求。由文献C]，电 机各相所生成的转矩和为 二_食T‘一 粤 -,创 d ‘“一=(’一 2)_,一 ' dB 式中 T. 总转矩 T;— 每相转矩 叭— 每相磁链 凡— 规范后的气晾磁阻 (1) 从式((1)可看出，转矩与磁链方向无关。气隙磁 阻随转子位置周期性变化，转矩恒定，磁链就要作 相应的变化进行补偿。由于磁链是相电流和转子位 置的函数，磁链的改变可通过改变加在相绕组上的 电压实现。由文献[3]，设速度误差信号 xu,) _ "<.)一 叱(:) (2) 式中 tea)— 转子的实际角速度 u+.(n— 给定的角速度 xi(,)— 角速度误差 根据变结构控制方法，可以定义一个滑模平面 S二 tx，十 x, (3) 为了确保速度误差 x,。按指数规律趋于 。，并以尽 快的速度到达超平面S=01 A的值必须取正值且要 足够大。考虑一个李亚普诺夫函数 V 夕 一2 -- (4) 设计滑模控制器的关健是无论在何种条件下要找 到一个被控量使得 图1 SRM换相过程示意图 2 变结构控制 上述的方法只能在负载情况已知或变化不大 的条件下得到理想的效果，实际工作过程中负载的 情况通常是未知的，有时负载还会发生很大的变 化，此外还有外部干扰存在。这时，上述的控侧方法 v(.)( 0 (5) 这样，系统就向超平面移动，井在有限时间内达到 超平面。当系统达到超平面时，将沿着该平面滑动， 最终可使速度误差x)(,)=0. 文献[4〕中提出的控制方法也是一种变结构控 制，它由速度控制器和总功率控侧器构成。该控制 器采用直流母线电流作为控创信号，只需一个电流 传感器，降低了成本。由文献〔4〕可知，在‘时刻， 电镇传送给电机各绕组的总功率为 凡 。，‘v&i&a,》一Ril(t,) (6)
    《中小型电机)2001.28(2) 开关班阻电机的几种控侧方案 式中 i,k(")— 直流母线到变换器的等效平均电 流 R— 电路和线圈绕组的等效电阻 在。*不变，R已知或可以忽略不计的情况下， 控制母线电流使其满足给定电流就可使功率满足 给定值。使用功率反馈和空间电压矢量方法对直流 母线电流进行控制，总功率的控制也就转化为对直 流母线电流的控制。 如果拾入电压不变，总相功率的控制就可转化 为对直流母线的控制。在功率变换器的开关频率足 够大时，ir a)可近似等于各相电流的瞬时值的和。 采用滑模控制先定义电流误差函数为 s=i*0)一I,(,) (7) 式中 I-)— 时刻 t时的参考电流 在滑模条件式(7)被满足时，在滑动条件下，等 效总功率为 凡 =V&(,)Ia) (8) 度更快。 滑模控制器是一种鲁棒控制器，它不需要精确 的电动机模型，在大动态负载或出现扰动的情况下 也能获得良好的控制效果，满足系统快速、准确的 控制要求。 3 磁通控制 在实际控制中，直接被控量是相电压，而不是 相电流。一般相绕组上的电压降与加在相绕组上的 相电压相比可忽略不记，可以认为磁链与施加在相 绕组上的电压成比例。如果选择磁链作为被控量， 实现起来要比以相电流作为控制量容易，控制效果 也会更好。由于相绕组引起的电压降可忽略不计， 磁链近似等于作用于相绕组上的电压在作用时间 的积分。磁链可看作是电压和时间的线性函数，可 以通过控制电压而控制它。另外，负载的非线性及 时间常数与磁链无关，所以，磁链控制器的性能优 于电流控制器的性能。主要表现在抗干扰能力强， 在高速时也能获得良好的控制性能，这是传统的电 流控制器所能实现的。 理想的磁链控制器应该满足下列要求:即使在 系统参数发生变化时，也应该具有无穷大带宽、无 延时、稳定状态下无误差、没有超调。文献[5〕所采 用的自动调谐离散无死区控制器与此要求接近，用 它可以代替理想的磁链控制器。该控制器的带宽为 采样颇率的一半，延迟为一个采样周期，整体增益 与超调无关。图2是该控制器的方框图，其控制器 的传递函数近似为 D (z)= z二 j.云(z) (13) 在非滑动条件下，等效总功率为 (9) 式中 sat(的— 根据给定电流误差限定义的一 P= V&(.)Ia)(1+ sat(a)) 个饱和函数 由式(10)可推出电机的电磁转矩 T=K,i,(,) (10) 式中 K,— 一个比例常数 i,(,)— 产生电磁转矩的等效直流母线电流 由式(10)可见，转矩与电流成比例关系，通过 控制电流就可以控制转矩。 该控制器的速度控制器与文献〔3〕的控制方法 类似。但控制器的结构和被控量不同，该控制器的 结构为 u二4hlal+Ozxt (11) 在忽略相绕组电压降的条件下，被控对象的离散传 递函数可以表示为 式中 45"o,— 比例常数和导数增益 式(11)适用于一般情况，在系统拖动的负载较 大或干扰较强，该拄时器的鲁棒性就不能保证。为 改善速度响应的鲁棒性和准确性，在大负载或大扰 动的情况，如果速度误差超过一给定标准，就在原 控制器即公式(11)的基础上再增加一个比例环节 K S 。= 叭xl+ 叭a,+犬5 (12) 比例环节KS能提供一个比例转矩，可大致消除大 负载干扰或给定命令引起的变化.使速度误差迅速 减小。当误差减小到小于给定误差时，重新采用控 制器(11).该控制器比传统的滑棋控翻器的偏应速 ，，、 中(z) tit乞) = ;弓号，，扩 = V (Z ) Z 一 1 (14) 图2 磁通控侧系统闭环控侧图 这样，磁链控制器可以简化为 D (z) = 1 1 z-万 .G(z) z 一 1 z 一 1 1 .，厂-= 了 (15) 为了能使系统得到快速响应，文献[5〕采用一 种称为磁通斜坡够笨科方法一、该方法的表达式为
    V l山 式中 V— 直流母线电压 冲 -岔 一一 。— 转子转速 45 磁通 夕— 转子位置 由式((16)可知，磁通对转子位置的变化率可由 直流母线电压和转子角速度决定。磁通斜坡斜率在 给定直流母线电压的条件下，由上式可以得到最大 值。从而使系统以最快的速度跟踪给定转矩变化。 也就是说系统具有良好的快速响应能力。 与传统的电流控制器相比，磁通控制器除了可 以获得电流控制器所能实现的控制效果外，它的作 用范围更宽，对负载的适应更强。由于采用了磁通 斜坡技术，系统的响应速度快。但是，该控制器对转 子位置精度要求较高，需要高分辨率的转子位置传 感器。 4 模糊控制 对开关磁阻电动机的非线性，可以采用一个非 线性的表格进行补偿。表格的抽入是给定转矩和转 子位置，愉出的是电动机各相的补偿电流值。这样， 可以把补偿表格和电机看作一个整体，构成一个线 性系统。但是，传统的补偿表格制作，通常利用电动 机简化模型通过计算得到。这种方法由于电动机的 简化模型存在误差影响补偿精度，控制效果受到影 响。文献[6〕针对上述缺点，采用模糊自学习方法， 在转矩反馈的基础上，经棋糊自学习系统在线学习 对非线性转矩进行补偿，使其成为一个线性系统。 这种方法节省时间，又提高补偿表格的精度，系统 控制性能亦得到提高。 通常模糊自学习系统速度较慢，为了加快学习 速度，文献【6〕采用一类特殊的模糊系统，模糊基函 数。它把一个非线性系统在数学上进行一系列基函 数的展开，用给定转矩与反馈转矩之间的误差不断 修正基函数的权，直到满足给定的误差要求，最后 得到电动机转矩非线性函数的精确展开式。具体应 用中，把补偿表格视为一个双输入单拾出的非线性 函数，采用上述方法展开后，在不同的转子位置下， 根据给定转矩与反馈转矩之差，调整基函数的权， 最终实现补偿的目的。补偿后的电流通过电流反 馈，控制PWM信号，实现最终控制。这种方法能有 效减弱转矩脉动。但是在一种电机获得的致据只能 用于该电动机，其它的电动机需要重新学习。 开关舀组 电机的几种控侧方案 (中小型电机)2001,28(2) (16) 文献[7〕也是采用模糊控制，但不同于上述方 法。这种方法是通过对模糊系统的自适应调节，调 节模糊系统隶属函数的变化。控制器亦采用转子位 置和给定转矩作为控制器的翰入，相 电流作为输 出。精出电流为 一习}ice}wi 之户 (17) 式中 wi— 权 电(。的表达是 }Pi(B) (18) 二 u;(B) 万;_.u;(0) u;(8)是第i个模糊集的隶属函数,ui(0)采用对称 的结构，本文采用的结构为三角形，它主要由两个 参数表达，一个为中心高度 ，,(B)，另一个是有效 宽度a; (0)。控制器的权wi采用所谓最小平均平方 法来调整，即 u10,-=w州+r/(T‘一T)电叨) 0< I< 1 (19) 式中 ，— 学习速度 T,T"— 实侧转矩和给定转矩 电动机的换相通常发生在转子和定子的轴线 重合位置，这时，电机相绕组磁通大，退磁慢，容易 产生负转矩，造成转矩的脉动，同时要充分发挥电 动机的效能，使电动机的平均转矩最大。所以一定 要合理选择换相时的开关角.为获得最大转矩，电 机要适当提供一个小的负转矩。首先定义电动机相 非导通区域的隶属函数为P,如果实际测得的负转 矩大于给定的负转矩，尸就左移，否则,P右移。尸 的变化影响隶属11致的变量mi(B)和o; (8)。具体 调整方法如下。 "ti =Mad+VTR 一T-f)(二一1) (20) aj.二砂 一p, (T~ 一T-f) (21) T} :是在非导通区域的最小转矩,'I是学习速度。 每一相的开关角的选择是通过该相导通时的电流 和一个参考电流的比较后，进行调整实现的。调整 规则如下 林/‘几了>壳，时 当i../=,f
    t中小型电机)2001.28(2) 开关滋阻电机的几种控创方案 提高电动机的转矩，而且该方法对转子的位置要求 不高，不需要高精度的转子传感器，降低了设备成 本。模栩控制能有效消除转矩的脉动，特别是文献 3 [7〕中的方法可以用于高速的场合。但是模糊控制 对参数的调整需要一定的时间，对于频繁调速的场 合不适用。 Machines Over a Wide Speed Range. IEEE Tram on. Ind Appl. Vo134. 35 Sep/Oct 1998 PP: 1105-1112. Haqing Yang. Sanjib K. Yung C. Ling Slide Mode Control for Switched Reluctance Motors: An Experimental Investigation IEEE IAS Annual Meeting Conf. Record 1994. PP: 96-101. Tzu-Shier Chuang, Charles Pollock, Robust Speed Control of a Switched Reluctance Vector Drive Using 4 5 结论 目前，减小开关磁阻电动机转矩脉动的方法很 多。传统的电流控制方法虽然简单但对电动机的模 型要求较高，计算量大。变结构控制对电动机模型 精度要求不高，但实现起来较复杂。磁通控制简单 易行，但要求有高精度的转子位置。模糊控制对电 动机的模型精度要求也不高，但它的响应速度慢。 参考文献 Kajor P. C,Gribble J1, High-grade Control of Switched Reluctance Machines IEEE Trans on Ind Appl. Vol. 33. No. 6. November/December 1997. pp1585-1593. Krzysztof Russa, Igbal Husanin- Malik E. Elbuluk, Torque-Ripple Minitnisation in Switched Reluctance Variable Structure Approach. IEEE Tram on. Ind Electron. Vol 44. No. December 1997. PP:800-808. P. G. Rarrass,B. C. Mecroro,Flux and Torque Control of Switched Reluctance Machine IEEE Proc-Electron Power Appl. Vol. 45, No 6, November 1998 pp,519^- 527. 邮阳，徐取国，王宗培 ，‘磁阻电机的模期自学习电机与 控创学报第二卷第二期 1998 PP:100-103. Sayeed Mir, Malik Elbuluk, Igbal Husain, Torque Ripple Minimization in Switched Reluctance Motors using Adapative Fuzzy Control IEEE Ind Appl Society Annual Meeting. New Orleans Louisiana, October, 1997,PP:571-v578. 收稿日期:2000-07-09 甫 京 合 葵 电脑数显动平衡机 电 右毛 专 用 彝之乏 DPH-1. 6 DPH-5 DPH-16 DPH-50 DPH-160 DPH-300 ， 转子质量 0. 05^-1. 6kg 0.16-5kg 0. 5-16kg 1. 6-50kg 7-100kg 10.300kg 支承距离 0^-500mm 0^-800mm 0- 1000mm 平衡转速 驱动电机 500^-3000 300^-1500 300^ 1500 500^-3000 0^-380mm 500- 6000 500- 3000 0- 160mm 0- 240mm 180W 550W 1.1kW 2. 2kW 40W 120W 驭动方式 支承方式 O型圈带 尼龙或轴承 O型圈带 尼龙或轴承 O型圈带 尼龙或轴承 尼龙或轴承 尼龙或轴承 尼龙或抽承 O型圈带 平皮带 平皮带 电箱配置 DHP-D型双面同时数显;停机自动记忆;红外光电传感器 参考价 1.1万元 1.2万元 1.3万元 1.4万j己 1.6万元 1.8万元 . 保证平衡梢度，使电机的振动值在国标允许值以下 . 仪器保修期 18个月，长期提供技术服务和咨询 . 承接国产及进 口平衡机的改造及维修 甫 京 合 英 动 月卜衡 花斤究 所 地址:南京长乐路张都堂巷5-306 邮编:210005 电话:025-2212705 5423080 研 究 析 附 属 - } 地址:南京市玄武区岔路口街116号 电话(传真7;025-5561697 交通:火车站乘71路车岔路口站下车
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