開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究

黃卓冕，譚 平，瞿遂春,2

（1.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

開關(guān)磁阻電機(jī)（switched reluctance motor，簡稱SRM）作為一種新型的調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它具有成本低、調(diào)速范圍寬、性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用。但是，SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)和局部磁路的高度飽和特性導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題比其他傳統(tǒng)電機(jī)更加嚴(yán)重，制約了它在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用[1]。為了獲取更好的動(dòng)態(tài)性能，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，抑制振動(dòng)和噪聲是SRM系統(tǒng)值得研究的內(nèi)容。

本文將直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，簡稱DTC）策略應(yīng)用到SRM中，它以轉(zhuǎn)矩控制為主要目的，對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，在Matlab/Simnlinlc中建立了SRM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，對(duì)SRM直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：該技術(shù)可將轉(zhuǎn)矩控制在1個(gè)滯環(huán)內(nèi)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減少電機(jī)的振動(dòng)與噪聲。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分析

據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的基本工作原理知道，SRM的繞組電流為單脈沖形式，且各相之間相互獨(dú)立，故交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場理論不能直接用于SRM的分析中[1]。

圖1為四相SR電機(jī)工作原理圖。由圖1可知，電機(jī)每相的基本電壓方程為：

圖1 四相SR電機(jī)工作原理圖Fig.1 Operating principle of four-phase SRM

將式（1）展開可得：

因功率表達(dá)式可以寫成P=ei，而U=e+Ri ，由于開關(guān)磁阻電機(jī)磁場的高度飽和特性，R對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響非常小，可忽略不計(jì)，綜上分析則有

那么SRM的電磁轉(zhuǎn)矩可近似表示為：

2 SRM直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

直接轉(zhuǎn)矩控制方法是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。它是根據(jù)給定的電磁轉(zhuǎn)矩指令與交流電機(jī)的實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩觀測值相比較得到轉(zhuǎn)矩誤差，確定轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)方向，再根據(jù)定子磁鏈的大小與相位角選擇合適的定子電壓空間矢量，從而確定三相電壓源逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤外部給定電磁轉(zhuǎn)矩指令值。也就是說，在給定電磁轉(zhuǎn)矩指令的同時(shí)，還要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況給定定子磁鏈指令值，并采用滯環(huán)控制器控制定子磁鏈誤差在限定的范圍內(nèi)變化[2]。

2.1 定子磁鏈的控制

從上面的轉(zhuǎn)矩特性分析可看出，SRM轉(zhuǎn)矩也是瞬時(shí)電流的函數(shù)，與普通交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制一樣，在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法中，定子電流相對(duì)定子磁鏈變化具有一階延遲，那么在對(duì)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)就可以僅對(duì)磁鏈進(jìn)行控制，而無需考慮電流的變化。

由式（1）變換可得：SRM同普通交流電機(jī)一樣，定子電阻很小，可忽略不計(jì)。由可看出，定子磁鏈變化幅值與電壓和定子所加電壓的時(shí)間有關(guān)，定子磁鏈增加的方向與所加電壓方向一致。所以，只要對(duì)電壓進(jìn)行合理控制，就可以把磁鏈控制在一個(gè)給定的滯環(huán)帶內(nèi)，確保磁鏈幅值的基本恒定[3-6]。

2.2 電壓矢量的確定

在開關(guān)磁阻電機(jī)中，可分別對(duì)各相繞組進(jìn)行獨(dú)立控制。不同功率變換電路，各相繞組可獲取的電壓狀態(tài)種類不同。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，必須使繞組能夠獲取盡可能多的電壓狀態(tài)，這樣才能更靈活地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。下面以不對(duì)稱半橋功率變換器為例進(jìn)行分析，圖2為SRM某一相繞組的3種不同電壓矢量狀態(tài)，其中a）、b）、c）的繞組電壓狀態(tài)依次為+1, 0, -1。

圖2 電壓矢量的不同狀態(tài)Fig.2 Different states of voltage vector

當(dāng)A相繞組2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，定義A相繞組的電壓狀態(tài)SA為+1，此時(shí)繞組上的電壓為正；當(dāng)2個(gè)開關(guān)管都關(guān)斷，繞組不存在電流或只通過續(xù)流二極管時(shí)，定義A相繞組的電壓狀態(tài)SA為0，此時(shí)繞組上加的電壓是負(fù)電壓[2]；當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)管關(guān)斷，繞組電流不為0時(shí)，定義A相繞組的電壓狀態(tài)SA為-1。

由于每相電壓有3種狀態(tài)，那么對(duì)于1個(gè)四相SRM來說就有81種電壓狀態(tài)。在異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，選取6個(gè)基本的電壓空間矢量，而這些電壓空間矢量在開關(guān)磁阻電機(jī)控制中卻不再適用，為此，本文重新定義了一組電壓空間矢量如圖3所示。

圖3 SRM直接轉(zhuǎn)矩控制的電壓矢量圖Fig.3 Voltage vector diagram of SRM direct torque control

在開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，為盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化引起的損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，不同開關(guān)狀態(tài)的操作順序必須遵守“每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只切換1個(gè)功率開關(guān)器件”的原則，也就是電壓只能按照從+1→0→-1的順序切換。因此，本文所選取的8個(gè)非零有效電壓矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)變化次序，如表1所示。

圖4 電壓空間矢量和扇區(qū)Fig.4 Voltage space vector and the distribution sector

各電壓矢量依次相差45°，將圓周分為8個(gè)區(qū)，依次設(shè)定為S1～S8，在電機(jī)運(yùn)行過程中，任意時(shí)刻的4相繞組在取得非零電壓時(shí)，相對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)的狀態(tài)只能取上述8種，如圖4所示。

表1 電壓矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)Table1 Voltage vector corresponding switch states

3 SRM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)前文對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理的分析，在Matbal/ Simulink中建立SRM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 SRM直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖Fig.5 Simulation diagram of SRM direct torque control

由圖5可看到，整個(gè)系統(tǒng)主要包括功率變換器、SRM電機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器、電壓空間矢量選擇單元。

通過對(duì)SRM直接轉(zhuǎn)矩控制和電流斬波控制的仿真，得到2種不同控制方式下的磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示（其中a）圖為直接轉(zhuǎn)矩控制下的磁鏈軌跡，b）圖為電流斬波控制下的磁鏈軌跡）。通過圖形對(duì)比可看出，直接轉(zhuǎn)矩控制達(dá)到了保持SRM磁鏈幅值基本恒定的目標(biāo)，磁鏈軌跡是個(gè)圓形，且磁鏈幅值變化被限定在一定范圍內(nèi)，效果好于電流斬波控制。

圖6 不同控制方式下的磁鏈軌跡Fig.6 Flux linkage trajectory under different control modes

圖7分別給出了2種不同控制方式下的轉(zhuǎn)矩波形（其中a）圖為直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩波形，b）圖為電流斬波控制下的轉(zhuǎn)矩波形）。

圖7 不同控制方式下的轉(zhuǎn)矩波形Fig.7 Torque waveform under different control modes

由圖7可以看出，在直接轉(zhuǎn)矩控制方式下，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且SRM電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，波動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流斬波時(shí)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，改善了SRM電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，達(dá)到了抑制SRM電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和減小噪聲的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文將直接轉(zhuǎn)矩控制理論應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，并對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，給出了仿真結(jié)果圖，同時(shí)將仿真結(jié)果與開關(guān)磁阻電機(jī)在電流斬波控制下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)⒋沛準(zhǔn)噶糠递^好地控制在滯環(huán)帶內(nèi)，能夠有效地抑制開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低振動(dòng)和噪聲。

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