開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)起動(dòng)性能研究

昝小舒 陳 昊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院 徐州 221116 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院 徐州 221116）

0 引言

近年來(lái)，集成起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)得到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）由于在結(jié)構(gòu)、可靠性、容錯(cuò)性、可維護(hù)性、耐高溫、轉(zhuǎn)速范圍、發(fā)電效率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，十分適合作起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的核心電機(jī)[1-3]。國(guó)外在20 世紀(jì)末就開始了對(duì)開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電（Switched Reluctance Starter/Generator，SRS/G）系統(tǒng)的研究，并且成功地應(yīng)用到了飛機(jī)的起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)[4,5]。國(guó)內(nèi)，南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位也與21世紀(jì)初開始了對(duì)SRS/G系統(tǒng)的研究，并進(jìn)行了樣機(jī)的設(shè)計(jì)[6,7]。

起動(dòng)性能是衡量起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)越與否的一個(gè)重要標(biāo)志。對(duì)于起動(dòng)過(guò)程要滿足：①起動(dòng)時(shí)間短并要求起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)能夠在電源提供的能量下盡可能快地帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；②起動(dòng)容量小，通常起動(dòng)容量越小，系統(tǒng)的電源體積和重量越小，成本越低；③起動(dòng)電流小，目前起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)都是由大功率晶閘管、IGBT 和MOSFET 等功率器件進(jìn)行控制，較大的起動(dòng)電流必然對(duì)功率管的能力要求更高，系統(tǒng)的成本將增加；④起動(dòng)頻繁，對(duì)于應(yīng)用到汽車、摩托等交通工具之上的起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)，需要頻繁地起停發(fā)動(dòng)機(jī)，這就要求起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)擁有很好的頻繁起動(dòng)能力。國(guó)內(nèi)自從SRM 開始研究以來(lái)，已經(jīng)有對(duì)SRM 起動(dòng)性能有了一定的研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]以仿真方式分析了電流斬波控制和角度控制對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)性能的影響，但對(duì)PWM 起動(dòng)方式并沒(méi)有涉及；文獻(xiàn)[9,10]對(duì)12/10 結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)不同開通角下的一相轉(zhuǎn)矩、合成轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速仿真分析，主要是對(duì)新型SRM 的性能進(jìn)行對(duì)照分析；文獻(xiàn)[11]對(duì)基本的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析，但不夠深入；文獻(xiàn)[12]對(duì)起動(dòng)方式、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流等參數(shù)進(jìn)行了理論分析。因此，根據(jù)以上文獻(xiàn)，對(duì)SRS/G 系統(tǒng)的起動(dòng)性能研究不夠深入和全面，只較多地涉及SRM 最基本的起動(dòng)方式方法和仿真研究。

1 開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)組成

SRS/G 系統(tǒng)主要由主發(fā)動(dòng)機(jī)、SRM、功率變換器、微處理器、電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、位置檢測(cè)、電池和負(fù)載等組成，如圖1所示。SRM 首先由蓄電池供電電動(dòng)運(yùn)行，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到怠速以上，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)；然后發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)SRM，SRM 轉(zhuǎn)入發(fā)電運(yùn)行，為負(fù)載電器供電和電池充電；在電池允許的情況下，SRM 可以電動(dòng)運(yùn)行，為發(fā)動(dòng)機(jī)助力；在系統(tǒng)制動(dòng)或減速時(shí)，SRM 可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電制動(dòng)，回收能量。

圖1 SRS/G 系統(tǒng)Fig.1 System of SRS/G

2 起動(dòng)特性分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性

目前飛機(jī)、汽車、坦克、摩托車等上面的發(fā)動(dòng)機(jī)主要是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)柴油機(jī)的正常起動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩可以表示為

式中，TK為氣體壓縮負(fù)功產(chǎn)生的阻力矩；TJ為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩；TL為摩擦阻力矩。

起動(dòng)開始時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)靜止，存在較大的靜摩擦，因此起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩較大；隨著轉(zhuǎn)速的升高，靜摩擦變成了滑動(dòng)摩擦，阻轉(zhuǎn)矩變??；在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，由于壓縮空氣的阻力矩越來(lái)越大，阻力矩也變大。因此，柴油機(jī)的起動(dòng)階段的阻力矩是一個(gè)先大后小再大的過(guò)程，呈現(xiàn)下突的雙曲線形狀。圖2所示為某發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.2 Start torque curve of engine

2.2 起動(dòng)容量計(jì)算

為了使得發(fā)動(dòng)機(jī)順利點(diǎn)火，起動(dòng)電機(jī)必須帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速，最好是怠速ns以上。假設(shè)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為Tp，對(duì)于轉(zhuǎn)速為np，則起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)阻功率為Pp=Tpnpπ/30。起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該最小值大于Tp，一般取1.2Tp。起動(dòng)電機(jī)的最小起動(dòng)功率可以估算為

而起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)容量可以估算為

式中，maxT為起動(dòng)電機(jī)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.3 起動(dòng)時(shí)間計(jì)算

2.4 起動(dòng)方法分析

發(fā)動(dòng)機(jī)基本的起動(dòng)方式主要有三種：恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)、恒轉(zhuǎn)矩+恒功率起動(dòng)和恒加速度起動(dòng)。恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方法如圖3所示，在整個(gè)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電機(jī)始終維持恒定的轉(zhuǎn)矩直到起動(dòng)結(jié)束。根據(jù)式（3）和式（4）可知，恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)時(shí)間越短，但是相應(yīng)的需要更大的起動(dòng)功率。恒轉(zhuǎn)矩+恒功率起動(dòng)方法如圖4所示，在起動(dòng)功率最大值一定的情況下，首先以恒轉(zhuǎn)矩方式起動(dòng)一直到最大起動(dòng)功率，然后以恒功率的方式繼續(xù)起動(dòng)。該方法適用于起動(dòng)功率受限制的場(chǎng)合，起動(dòng)時(shí)間比恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式長(zhǎng)。恒加速度方式如圖5所示，該方法在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中一直維持起動(dòng)加速度的恒定，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩變化而變化，該種起動(dòng)方法起動(dòng)平穩(wěn)，但必須在起動(dòng)容量和起動(dòng)要求的時(shí)間之間尋找合適的起動(dòng)加速度。

圖3 恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方法Fig.3 Starting method of constant torque

圖4 恒轉(zhuǎn)矩+恒功率起動(dòng)方法Fig.4 Starting method of constant torque and constant power

圖5 恒加速度起動(dòng)方法Fig.5 Starting method of constant acceleration

對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，一般情況下需要起動(dòng)時(shí)間越短越好，這就需要起動(dòng)機(jī)在其功率范圍內(nèi)以最大的轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，即以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大進(jìn)行起動(dòng)；而在高檔汽車中，一般對(duì)舒適度要求較高，在起動(dòng)時(shí)間滿足要求的情況下，一般還需要對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行控制，使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能夠較平穩(wěn)地起動(dòng)。因此，本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求，分別對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小兩種情況進(jìn)行SRS/G 系統(tǒng)的起動(dòng)角度優(yōu)化和起動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)。

3 SRS/G 系統(tǒng)PWM 控制下角度優(yōu)化

根據(jù)控制參數(shù)的不同，開關(guān)磁阻電機(jī)主要三種控制方法：電流斬波控制、電壓PWM 控制和角度位置控制。通常，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本控制方式是低速進(jìn)行電流斬波或者電壓斬波控制，高速角度位置控制。但在具體的應(yīng)用中，如果機(jī)械地根據(jù)轉(zhuǎn)速的大小來(lái)切換這幾種控制方法，容易出現(xiàn)不少問(wèn)題。如固定角度的電流斬波控制，在轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中容易出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致起動(dòng)過(guò)程變長(zhǎng)或者卡在某一轉(zhuǎn)速中無(wú)法升速。所以必須將這幾種控制方法靈活地組合起來(lái)才能獲得較好的性能。電流斬波控制需要實(shí)時(shí)、快速、精確地檢測(cè)繞組電流，角度位置控制需要快速、精確地計(jì)算角度位置，這兩種控制方法對(duì)于控制器的要求比較高。電壓PWM 控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、適用轉(zhuǎn)速范圍寬，對(duì)于起動(dòng)/發(fā)電這樣一個(gè)轉(zhuǎn)速范圍大的場(chǎng)合比較適用。但是單純使電壓PWM控制無(wú)法在整個(gè)速度段獲得較好的控制效果，必須對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的開通角和關(guān)斷角進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文根據(jù)不同的場(chǎng)合，對(duì)轉(zhuǎn)矩最大和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小兩種情況進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下的開通角和關(guān)斷角的仿真優(yōu)化。

3.1 仿真模型

為了方便優(yōu)化研究，以一臺(tái)功率500W12/8 結(jié)構(gòu)SRM 為核心，建立了SRS/G 的Simulink 仿真模型。仿真模塊如圖6所示，由電機(jī)子模塊、功率變換器子模塊、機(jī)電轉(zhuǎn)換子模塊、電壓PWM 控制子模塊等組成。

優(yōu)化仿真滿足條件：母線電壓維持24V；轉(zhuǎn)速?gòu)?00～600r/min 按照100r/min 遞增；開通角從?10°到10°，按照1°遞增；關(guān)斷角從10°到30°，按照1°遞增。

圖6 SRS/G 仿真模型Fig.6 Simulation model of SRS/G system

3.2 起動(dòng)角度仿真

起動(dòng)時(shí)，如果始終以轉(zhuǎn)矩最大的狀態(tài)起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間必然是最短的。開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)中，不同的開通角和關(guān)斷角，輸出轉(zhuǎn)矩是不一樣的，為了使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩始終能夠最大化輸出，必須對(duì)開通角和關(guān)斷角進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)磁共能關(guān)系，SRM 每相轉(zhuǎn)矩可以表示為

總轉(zhuǎn)矩

通常以平均轉(zhuǎn)矩來(lái)衡量起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，即

根據(jù)以上公式，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下，不同開通角和關(guān)斷角下的平均轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，圖7分別是在100r/min、300r/min、500r/min 和700r/min時(shí)的仿真結(jié)果。

圖7 基于轉(zhuǎn)矩最大的開通角和關(guān)斷角仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of turn-on angle and turn-off angle based on biggest start torque

由仿真結(jié)果可以看出，平均轉(zhuǎn)矩受開通角影響較大，隨著轉(zhuǎn)速的升高，最優(yōu)開通角逐漸變??；最優(yōu)關(guān)斷角也隨著轉(zhuǎn)速的升高而提前，但變化程度不大；隨著轉(zhuǎn)速的升高，開通和關(guān)斷角都需要提前，可以使得電流能夠有足夠時(shí)間上升，從而使轉(zhuǎn)矩能夠以最大輸出。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，各個(gè)轉(zhuǎn)速下最優(yōu)開通角和關(guān)斷角數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 基于轉(zhuǎn)矩最大的開通角和關(guān)斷角優(yōu)化結(jié)果Tab.1 The optimization results of turn-on angle and turn-off angle based on biggest start torque

3.3 基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的電壓PWM 控制方式下的開通關(guān)斷角優(yōu)化

根據(jù)電機(jī)電磁關(guān)系可知，SRS/G 的轉(zhuǎn)矩和電流有著直接的關(guān)系，電流波形的形狀直接影響到轉(zhuǎn)矩的輸出波形。通過(guò)控制電流波形和大小可以直接控制輸出轉(zhuǎn)矩的性能。不同的開通角和關(guān)斷角下，繞組電流有較大的變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的變化。因此，存在優(yōu)化的開通角和關(guān)斷角可以使得電流滿足一定的條件而輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。為計(jì)算方便取轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)

式中，Tmax和Tmin為這一時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩最大值和最小值；Tavg為平均電磁轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)以上公式，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下、不同開通角和關(guān)斷角下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，圖8分別是在100r/min、300r/min、500r/min 和700r/min時(shí)的仿真結(jié)果。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的各個(gè)轉(zhuǎn)速下主開關(guān)器件的開通角和關(guān)斷角轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2 中的仿真結(jié)果可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的升高，最優(yōu)開通角逐漸提前，最優(yōu)關(guān)斷角逐漸推后。這是因?yàn)椋S著轉(zhuǎn)速的上升，電流上升時(shí)間變短，電流不能充分的上升就關(guān)斷了，導(dǎo)致了合成電流峰谷之間間隙變大，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)也隨著電流的變化而變大。通過(guò)提前開通角和延后關(guān)斷角，可以使得電流建立時(shí)間變長(zhǎng)，合成電流峰谷之間間隙變小，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也相應(yīng)變小。因此，通過(guò)控制開通角和關(guān)斷角，可以改變合成電流的形狀，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩 的形狀，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小也隨著改變。在不同的轉(zhuǎn)速下，選擇合理的開通角和關(guān)斷角可以有效地減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，尤其在需要起動(dòng)比較平穩(wěn)的情況下。但是，通過(guò)提前開通角和推后關(guān)斷角，如果進(jìn)入電感下降區(qū)域，將產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是以犧牲電動(dòng)效率為基礎(chǔ)的。合理地選擇適當(dāng)?shù)拈_通角和關(guān)斷角是十分重要的。

圖8 基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的開通角和關(guān)斷角仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of turn-on angle and turn-off angle based on minimal torque ripple

表2 基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的開通角和關(guān)斷角優(yōu)化結(jié)果Tab.2 The optimization results of turn-on angle and turn-off angle based on minimal torque ripple

4 SRS/G 系統(tǒng)起動(dòng)控制策略

4.1 從靜止到運(yùn)行的起動(dòng)控制

和大部分電機(jī)相比，SRM 具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和起動(dòng)電流小的優(yōu)點(diǎn)，在負(fù)載較輕的情況下可以直接起動(dòng)。但是，如果負(fù)載過(guò)大，其起動(dòng)電流瞬間也可能達(dá)到額定電流的數(shù)倍高，對(duì)功率變換器要求很高。因此，為了使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大而且不超過(guò)限制，就必須合理地控制起動(dòng)電流的大小。由于在SRM 起動(dòng)控制中采用電壓PWM 控制方法，因此控制起動(dòng)電流的大小就是合理控制起動(dòng)初始電壓PWM 波的占空比。

為了獲得不同初始電壓PWM 占空比對(duì)起動(dòng)性能的影響，本文對(duì)各種不同起動(dòng)PWM 占空比進(jìn)行仿真。取起動(dòng)負(fù)載為1N·m，目標(biāo)轉(zhuǎn)速200r/min，起動(dòng)占空比從5%一直到100%，每隔10%測(cè)試一次，具體的仿真實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表3。

表3 不同初始電壓PWM 占空比下的起動(dòng)仿真結(jié)果Tab.3 Starting simulation results of different initial PWM voltage duty cycle

由仿真結(jié)果可以知道，從電機(jī)靜止到運(yùn)動(dòng)，需要給出合適的PWM 占空比。在不同的起動(dòng)負(fù)載情況下，起動(dòng)占空比的要求也不一樣，PWM 的占空比過(guò)大或者過(guò)小都不合適。因此，需要根據(jù)不同的情況，合理地調(diào)節(jié)起動(dòng)初始PWM 的占空比大小，才能更好地起動(dòng)電機(jī)。因此，設(shè)計(jì)出自調(diào)節(jié)起動(dòng)PWM 占空比控制算法。

圖9 初始PWM 占空比自估測(cè)過(guò)程Fig.9 Self assess flow of initial voltage PWM duty cycle

本文采用基于模糊控制的自適應(yīng)初始PWM 占空比估測(cè)方法，如圖9所示。初始PWM 占空比由上一次的模糊控制器計(jì)算給出，起動(dòng)以后適當(dāng)延時(shí)計(jì)算當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)速為 0 說(shuō)明電機(jī)起動(dòng)PWM 占空比不夠，起動(dòng)失敗，然后PWM 占空比自動(dòng)加1，并延時(shí)重復(fù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；如果電機(jī)轉(zhuǎn)速不為零，說(shuō)明電機(jī)起動(dòng)成功。電機(jī)起動(dòng)成功后，計(jì)算起動(dòng)階段的加速度。如果加速度過(guò)大，說(shuō)明初始PWM 占空比過(guò)大，下次起動(dòng)需要減?。蝗绻铀俣冗^(guò)小，說(shuō)明初始PWM 占空比過(guò)小，下次起動(dòng)需要增加。加速度的加減通過(guò)模糊控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。通過(guò)占空比的自我調(diào)節(jié)可以經(jīng)過(guò)幾次自學(xué)習(xí)之后，獲得較好的起動(dòng)PWM 占空比。

圖10 起動(dòng)加速度模糊處理Fig.10 The flowchart starting acceleration by fuzzy control

4.2 起動(dòng)之后的控制策略

4.2.1 基于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大的起動(dòng)控制策略

基于轉(zhuǎn)矩最大控制策略，需要在起動(dòng)的時(shí)候使得轉(zhuǎn)矩以最快的速度上升。本文采用滑模+PI 的控制策略，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩最大的起動(dòng)控制，如圖11所示。滑模+PI 控制策略結(jié)合了滑?？刂坪蚉I 控制兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，又摒除了兩種的缺點(diǎn)。單獨(dú)的滑?？刂品椒ň哂许憫?yīng)速度快，控制效果迅速的優(yōu)點(diǎn)，但是在接近控制目標(biāo)的時(shí)候，如發(fā)生轉(zhuǎn)速振蕩，不容易穩(wěn)定；PI 控制方法在線性控制系統(tǒng)中具有良好的控制效果，但是對(duì)于SRS/G 這樣一個(gè)嚴(yán)重非線性的控制系統(tǒng)，很難在整個(gè)速度范圍內(nèi)獲得良好的控制效果，只能在小范圍的控制中獲得較好的穩(wěn)定性。因此，在轉(zhuǎn)矩最大控制中，主要以最大的速度起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差較大的時(shí)候，采用滑模控制方法，使得轉(zhuǎn)速盡可能快地上升；當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差較小的時(shí)候，采用PI 控制，使得轉(zhuǎn)速盡快地穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速上，完成最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)控制。

圖11 基于滑模+PI 控制的轉(zhuǎn)矩最大控制算法Fig.11 Maximal start torque algorithm by sliding mode+PI control

4.2.2 基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的起動(dòng)控制策略

本文SRS/G 的起動(dòng)過(guò)程采用了恒加速度起動(dòng)方式。根據(jù)SRM 轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程

SRS/G 角速度ω和角加速度a的關(guān)系式

將式（10）代入式（9）可得

在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速不會(huì)太高，系統(tǒng)的粘性摩擦系數(shù)D很小，可以認(rèn)為系統(tǒng)的粘性轉(zhuǎn)矩Dω近似為0。式（11）可以近似為

由式（12）可知，通過(guò)控制加速度就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，使之隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩變化而變化，使得轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。SRS/G 由于結(jié)構(gòu)和功率變換器嚴(yán)重的非線性，它的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，而一般的控制方法無(wú)法直接控制轉(zhuǎn)矩。本文采用加速度控制，間接地控制了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以對(duì)起動(dòng)過(guò)程中較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行消減控制。

同樣采用如圖12所示的滑模+PI 的控制方法，在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小中，主要以平穩(wěn)加速度起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在目標(biāo)加速度與實(shí)際加速度相差較大的時(shí)候，采用滑?？刂品椒ǎ沟眉铀俣缺M可能快地上升到目標(biāo)加速度；當(dāng)目標(biāo)加速度與實(shí)際加速度相差較小的時(shí)候，采用PI 控制，使得加速度盡快地穩(wěn)定在目標(biāo)加速度上，實(shí)現(xiàn)恒加速度起動(dòng)。

圖12 基于滑模+PI 控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小控制算法Fig.12 Minimum start torque ripple algorithm of sliding mode+PI

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的SRS/G 系統(tǒng)的起動(dòng)控制方法的有效性，采用SRS/G 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行起動(dòng)性能測(cè)試。所以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示，該平臺(tái)主要包括一臺(tái)三相12/8 結(jié)構(gòu)的SRM、額定功率500W 發(fā)動(dòng)機(jī)（由一臺(tái)3kW 的SRM 模擬），功率變換器、負(fù)載、電池和微機(jī)控制系統(tǒng)等。

圖13 SRS/G 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.13 Experiment platform of SRS/G

5.2 從靜止到運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖14～圖16所示分別為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.5、1.0和1.5時(shí)，由靜止到運(yùn)行的起動(dòng)電流波形和轉(zhuǎn)速波形。采用初始PWM 占空比估測(cè)算法之后，可以看出，在三種不同的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩之下，三者的起動(dòng)時(shí)間相差不大，都在2s 左右，基本可以完成不同轉(zhuǎn)矩的快速起動(dòng)。在轉(zhuǎn)矩0.5N·m 的時(shí)候，起動(dòng)電流15A左右；在轉(zhuǎn)矩1.0N·m 的時(shí)候，起動(dòng)電流26A 左右；在轉(zhuǎn)矩1.5N·m 的時(shí)候，起動(dòng)電流40A 左右。通過(guò)電流可以看出，在不同的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下，起動(dòng)電流的大小和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本成正比，也就是初始電壓PWM起動(dòng)占空比和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本成正比。通過(guò)采用初始PWM 占空比估測(cè)算法，可以在不同的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下實(shí)現(xiàn)不同初始PWM 占空比的估算。

圖14 轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m時(shí)起動(dòng)波形Fig.14 The starting waveforms basedon the torque of 0.5N·m

圖15 轉(zhuǎn)矩為1.0 N·m時(shí)起動(dòng)波形Fig.15 The starting waveforms basedon the torque of 1.0N·m

圖16 轉(zhuǎn)矩為1.5N·m時(shí)起動(dòng)波形Fig.16 The starting waveforms based on the torque of 1.5N·m

5.3 起動(dòng)之后的控制策略

起動(dòng)之后，分別采用基于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小兩種控制策略進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。兩種控制策略下的起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形如圖17所示，圖17是起動(dòng)轉(zhuǎn)速為400r/min、600r/min 和800r/min時(shí)的采用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大方法下的起動(dòng)波形；圖18是起動(dòng)轉(zhuǎn)速為400r/min、600r/min 和800r/min時(shí)的采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小方法下的起動(dòng)波形時(shí)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在400r/min、600r/min 和800r/min時(shí)，采用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大方法時(shí)，起動(dòng)時(shí)間分別是2s、3s 和4s；采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小方法時(shí)，起動(dòng)時(shí)間分別是4s、6s 和8s；采用轉(zhuǎn)矩最大起動(dòng)方式明顯可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。而采用轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小方式起動(dòng)時(shí)，可以看出起動(dòng)轉(zhuǎn)速基本成一條直線上升，而且電流波動(dòng)較小，其起動(dòng)脈動(dòng)較小，可以完成較穩(wěn)定的起動(dòng)。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.17 The starting experiment waveforms of different speed based on maximal start torque

圖18 不同轉(zhuǎn)速下最小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起動(dòng)波形Fig.18 The starting experiment waveforms of different speed based on minimum start torque ripple

6 結(jié)論

本文對(duì)SRS/G 系統(tǒng)起動(dòng)性能進(jìn)行了研究。首先分析了SRS/G 系統(tǒng)的起動(dòng)特性，得出基于轉(zhuǎn)矩最大和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小兩種起動(dòng)要求。然后針對(duì)這兩種要求，SRS/G 系統(tǒng)PWM 控制下角度進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并得出了不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)主開關(guān)的開通角和最優(yōu)關(guān)斷角。然后對(duì) SRS/G 系統(tǒng)由靜止到運(yùn)行的起動(dòng)PWM 占空比估測(cè)算法和起動(dòng)后兩種起動(dòng)要求下的控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后采用SRS/G 系統(tǒng)樣機(jī)平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的起動(dòng)控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制方法的有效和正確性。本文所進(jìn)行的優(yōu)化和起動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)對(duì)SRS/G 系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都有著較好的參考意義。

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