開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)自優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

王勉華，成啟龍，胡春龍

(西安科技大學(xué)，西安710054)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)交直流電機(jī)有著根本的區(qū)別，在確定開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子所處的位置后，給對(duì)應(yīng)相通電，在額定電流下，以一定的起動(dòng)時(shí)間起動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，從而產(chǎn)生定子磁場。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(jié)構(gòu)下的鐵心主軸線具有向磁場軸線重合位置運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)［2］。通過這種趨勢(shì)，定子凸極產(chǎn)生磁場，來扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子鐵心凸極形成均勻分布的多個(gè)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(zhuǎn)子就總向著具有轉(zhuǎn)向磁阻最小位置的趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。

本文以8/6 極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，如圖1 所示。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，當(dāng)給某相通電的時(shí)候，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩，從而使得與它相鄰最近的轉(zhuǎn)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(guī)律下通斷，轉(zhuǎn)子則會(huì)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)繞組的通電順序被改變后，電機(jī)則會(huì)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。對(duì)于電機(jī)具有的雙凸極結(jié)構(gòu)、電路的開關(guān)性、非線性和磁路，使得定子繞組電流和磁鏈波形極不規(guī)則，恒定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)際上是整個(gè)周期性變化的動(dòng)態(tài)過程，造成傳統(tǒng)控制方式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，但是可以通過優(yōu)化參數(shù)的方法，對(duì)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，并且可以更好地優(yōu)化起動(dòng)所需要的電流。本文通過調(diào)節(jié)開關(guān)角的參數(shù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，通過設(shè)置一種對(duì)開關(guān)角的自動(dòng)控制模塊，在設(shè)定的范圍之內(nèi)對(duì)電機(jī)開通關(guān)斷角進(jìn)行控制，達(dá)到優(yōu)化電機(jī)性能的效果。

圖1 四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理(只畫了A 相)

1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器和電流監(jiān)測(cè)器五個(gè)部分組成。本文采用的是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)采用的是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用的是電流環(huán)，其中速度環(huán)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(nèi)環(huán)所需要的內(nèi)環(huán)電流。在內(nèi)環(huán)中，通過改變開通角和關(guān)斷角，從而對(duì)電流的大小和轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行優(yōu)化。

2 自動(dòng)優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)

2.1 角度自動(dòng)控制系統(tǒng)

本文采用的自動(dòng)優(yōu)化控制器，是在內(nèi)環(huán)加入了角度自動(dòng)控制器，其輸入為電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)開通角和關(guān)斷角優(yōu)化規(guī)則，自動(dòng)調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角的數(shù)值，使電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩以優(yōu)化規(guī)則運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)外環(huán)為速度環(huán)，輸入是給定速度，構(gòu)成速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，完成跟隨給定速度的任務(wù)。開通角的取值范圍為30° ＜θon＜45°，在此范圍內(nèi)，電流與開通角之間的關(guān)系曲線如圖4 所示，當(dāng)開通角在30.1°～35°的時(shí)候，電流變化范圍在19 ～22 A;當(dāng)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(duì)開通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，來達(dá)到所需要的電流大小關(guān)斷角的取值范圍為47° ＜θoff＜80°，圖5 為轉(zhuǎn)矩與關(guān)斷角之間的關(guān)系曲線圖。當(dāng)關(guān)斷角在45° ～48°的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩變化范圍在28.3 ～31.3 N·m;當(dāng)關(guān)斷角在48° ～55°的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩變化范圍在31.3 ～34 N·m，到55°以后，轉(zhuǎn)矩變化范圍一直在增大，故以此曲線變化范圍對(duì)關(guān)斷角進(jìn)行調(diào)節(jié)，來達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)矩大小。根據(jù)圖4、圖5 的對(duì)比，可以進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)與優(yōu)化，如當(dāng)調(diào)節(jié)開通角為35°、關(guān)斷角為50°的時(shí)候，看電流與轉(zhuǎn)矩的波形，記錄數(shù)據(jù)，在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開通角與關(guān)斷角，并且查看記錄波形數(shù)據(jù)，根據(jù)與輸出波形進(jìn)行不斷比較，并且列表記錄，使得電流與轉(zhuǎn)矩幅值盡可能減小。

圖4 電流與開通角關(guān)系曲線圖

圖5 轉(zhuǎn)矩與關(guān)斷角關(guān)系曲線圖

2.2 角度自動(dòng)控制規(guī)則

本文的自動(dòng)控制模塊分為兩個(gè)模塊，第一個(gè)模塊是通過輸出電流的反饋，來調(diào)節(jié)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(qū)間范圍之內(nèi)，通過實(shí)際仿真的數(shù)據(jù)記錄，來對(duì)電流區(qū)間范圍進(jìn)行細(xì)分，從而在相應(yīng)的電流區(qū)域內(nèi)選擇合適的開通角，達(dá)到優(yōu)化電流的目的。部分優(yōu)化數(shù)據(jù)如表1 所示。同理，第二個(gè)模塊是通過輸出轉(zhuǎn)矩幅值的反饋，來調(diào)節(jié)關(guān)斷角的范圍，且轉(zhuǎn)矩幅值的范圍在25 N·m≤Tm≤48 N·m 之間，在此區(qū)間范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩幅值的反饋與電流的反饋同時(shí)進(jìn)行，且同時(shí)對(duì)關(guān)斷角與開通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最終的優(yōu)化結(jié)果。轉(zhuǎn)矩幅值部分優(yōu)化數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 開通角優(yōu)化規(guī)則

表2 關(guān)斷角優(yōu)化規(guī)則

2.3 系統(tǒng)仿真模塊的建立

如圖6 所示，建立了四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)自動(dòng)優(yōu)化控制下的仿真模型。由圖6 可以看出，對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩幅值的優(yōu)化主要是通過電流、轉(zhuǎn)矩劃分模塊和角度選擇模塊來實(shí)現(xiàn)的。以電流為例，將檢測(cè)的電流劃分成有效的區(qū)間，在不同的區(qū)間內(nèi)根據(jù)建立的開通角選擇模塊來選取最優(yōu)的開通角。

圖6 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)自控制控制系統(tǒng)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(chǔ)存相應(yīng)優(yōu)化的開通角，儲(chǔ)存位置在其矩陣的對(duì)角線上，這樣就可以通過相同的行號(hào)和列號(hào)對(duì)其進(jìn)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(shù)設(shè)置如圖8 所示，為一個(gè)23×23 維矩陣，對(duì)角線位置為相應(yīng)的最優(yōu)化開通角。

圖8 開通角選擇模塊參數(shù)設(shè)置

其中，關(guān)斷角選擇模塊跟開關(guān)角選擇模塊為同種類型，為一個(gè)23 ×23 維矩陣，對(duì)角線位置為相應(yīng)的最優(yōu)化關(guān)斷角。

3 仿真結(jié)果分析

本文選取四相8/6 極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，分為電機(jī)一直在空載下運(yùn)行和電機(jī)剛開始空載起動(dòng)，在1.5 s 時(shí)加入20 N·m 的負(fù)載，在3.5 s 時(shí)又變?yōu)榭蛰d兩種情況。要求在電機(jī)在1 000 r/min 穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩幅值進(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)過程分為動(dòng)、靜兩種狀態(tài)，達(dá)到給定轉(zhuǎn)速前為動(dòng)態(tài)，之后為靜態(tài)。

3.1 在不加負(fù)載的情況下，以轉(zhuǎn)速曲線為基準(zhǔn)，在轉(zhuǎn)速上升速度一樣時(shí)，兩種情況下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線波形圖

不加優(yōu)化控制下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示。

圖9 不加優(yōu)化下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形

由圖9 可以看出，在沒有達(dá)到給定轉(zhuǎn)速前的動(dòng)態(tài)階段，不加優(yōu)化下的起動(dòng)電流最大約為89.75 A，轉(zhuǎn)矩最大約為107.94 N·m，起動(dòng)階段以轉(zhuǎn)速上升到峰值為基準(zhǔn)下的最小電流為6.6 A，最小轉(zhuǎn)矩為4.8 N·m，則平均電流為48.175 A，平均轉(zhuǎn)矩為56.37 N·m;當(dāng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后的靜態(tài)階段，不加優(yōu)化下的電流最大約為6.6 A，轉(zhuǎn)矩最大約為4.92 N·m。

優(yōu)化控制下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線如圖10 所示。

圖10 自優(yōu)化下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形

由圖10 可以看出，在沒有達(dá)到給定轉(zhuǎn)速前的動(dòng)態(tài)階段，自優(yōu)化下的起動(dòng)電流最大約為26.77 A，轉(zhuǎn)矩最大約為46.1 N·m，起動(dòng)階段以轉(zhuǎn)速上升到峰值為基準(zhǔn)下的最小電流為4.18 A，最小轉(zhuǎn)矩為4.36 N·m，則平均電流為15.475 A，平均轉(zhuǎn)矩為25.23 N·m;當(dāng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后的靜態(tài)階段，自優(yōu)化下的電流最大約為3.64 A，轉(zhuǎn)矩最大約為3.85 N·m。

在突加減負(fù)載的情況下，兩種情況下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線波形圖

不加優(yōu)化控制下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線如圖11 所示。

圖11 不加優(yōu)化下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形

由圖11 可以看出，在沒有達(dá)到給定轉(zhuǎn)速前的動(dòng)態(tài)階段，不加優(yōu)化下的起動(dòng)電流最大約為105. 49 A，轉(zhuǎn)矩最大約為118.25 N·m，起動(dòng)階段以轉(zhuǎn)速上升到峰值為基準(zhǔn)下的最小電流為4.2 A，最小轉(zhuǎn)矩為5.03 N·m，則平均電流為54.845 A，平均轉(zhuǎn)矩為61.64 N·m;當(dāng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后的靜態(tài)階段，不加優(yōu)化下的電流最大約為31.25A，轉(zhuǎn)矩最大36.77N·m。

優(yōu)化控制下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線如圖12 所示。

圖12 自優(yōu)化下的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形

由圖12 可以看出，在沒有達(dá)到給定轉(zhuǎn)速前的動(dòng)態(tài)階段及在起動(dòng)階段，自優(yōu)化下的起動(dòng)電流約為26.77 A，轉(zhuǎn)矩最大約45.87 N·m，起動(dòng)階段以轉(zhuǎn)速上升到峰值為基準(zhǔn)下的最小電流為7.23 A，最小轉(zhuǎn)矩為7.99 N·m，則平均電流為17 A，平均轉(zhuǎn)矩為26.93 N·m;當(dāng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后的靜態(tài)階段，自優(yōu)化下的電流最大約為25.95 A，轉(zhuǎn)矩最大約為30.78 N·m。

由此可見，自優(yōu)化控制方式下，可以有效減小起動(dòng)階段和帶載穩(wěn)定運(yùn)行階段的電流和轉(zhuǎn)矩。

圖13 為自優(yōu)化下的轉(zhuǎn)速曲線和不加優(yōu)化下的轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比。

圖13 轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比

由圖13 可以看出，在給定轉(zhuǎn)速一定的條件下，無優(yōu)化下的上升時(shí)間為0.298 5 s，穩(wěn)定時(shí)間為1.95 s;在加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速下降為810.62 r/min，穩(wěn)定時(shí)間為3.9 s;在去掉負(fù)載后，轉(zhuǎn)速又上升到了1 201.78 r/min，穩(wěn)定時(shí)間為6.44 s;相比自優(yōu)化下的上升時(shí)間為0.26 s，加負(fù)載后轉(zhuǎn)速為818.62 r/min，轉(zhuǎn)速上升到了1 165.95 r/min。由兩轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比可知，自優(yōu)化下穩(wěn)定性較之不加優(yōu)化下的轉(zhuǎn)速有所提高，并且在加入負(fù)載階段，自優(yōu)化下使得轉(zhuǎn)速下降相對(duì)較小，較之不加優(yōu)化下的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減小，系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能有所提高。

4 結(jié) 語

以自動(dòng)調(diào)節(jié)開通角、關(guān)斷角的控制方法，來達(dá)到優(yōu)化電流和轉(zhuǎn)矩幅值的目的，這樣既節(jié)省時(shí)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(shí)候，額定轉(zhuǎn)速會(huì)有段時(shí)間的不穩(wěn)定，在大于45°的時(shí)候，整個(gè)波形是畸變的，所以開通角在30° ～45°之間進(jìn)行調(diào)節(jié);并且關(guān)斷角在65°以后轉(zhuǎn)矩幅值會(huì)大一些，在50° ～65°的范圍之間調(diào)節(jié)關(guān)斷角，考慮到開通角的變化對(duì)相電流影響的敏感度較高，關(guān)斷角的變化對(duì)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(diào)節(jié)開通角，通過輸出轉(zhuǎn)矩幅值的大小來調(diào)節(jié)關(guān)斷角，最終得到優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，這種控制方式下，電流減小了20.42%，轉(zhuǎn)矩幅值減小了19.46%，因而可以有效減小電機(jī)的銅耗以及電流和轉(zhuǎn)矩的幅值沖擊，系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能也得到了改善。

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