開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略研究

姚璋 陳樹明

摘 ? 要：開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異，集電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)于一體，具有價(jià)格低、效率高、適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。但是SRM本身所具有的非線性電磁特性等特點(diǎn)，使其存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，限制了SRM在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。文章回顧了SRM的發(fā)展歷史，介紹了近年來在抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幾種先進(jìn)控制策略的研究概況。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī) ?轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ?控制策略

中圖分類號(hào)：TM352 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（a）-0121-04

Abstract：Switched Reluctance Motor （SRM） is praised for its simple structure and excellent performance， integrated with power electronics technology and advanced control technology， with the advantages of low price， high efficiency， strong adaptability， and so on， which shows a broad application prospect. However， with the disadvantages of nonlinear electromagnetic characteristics， it has a large torque ripple， which limit its application in some special fields. This paper reviews the development history of SRM and introduces the research situation of several advanced control strategies to suppress SRM torque ripple in recent years.

Key Words：Switched Reluctance Motor;Torque ripple; Control Strategy

開關(guān)磁阻電機(jī)[1]（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱SRM）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車、家用電器等領(lǐng)域。但是SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)和開關(guān)形式供電電源，也使得基于SRM的調(diào)速系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性嚴(yán)重等缺點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)伴隨有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，限制了其在高精度運(yùn)行場(chǎng)合下的應(yīng)用。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)于如何抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究一直在進(jìn)行。文章回顧了SRM的發(fā)展歷史，介紹了幾種先進(jìn)的控制策略并分析其特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究提供參考。

1 ?SRM的發(fā)展歷史

開關(guān)磁阻電機(jī)如名稱所示，是一種依賴于磁阻轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)而非電磁轉(zhuǎn)矩的雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)在很大程度上依賴于功率開關(guān)晶閘管，“開關(guān)”一詞正是來自于此。由于功率電子器件在早期發(fā)展較為緩慢，這也制約了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展。

1842年9月22日，羅伯特·戴維森（Robert Davidson）為愛丁堡-格拉斯哥鐵路線發(fā)明了世界上第一臺(tái)電力機(jī)車，由他自己發(fā)明的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電機(jī)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，由一對(duì)U形電磁鐵、與電磁鐵相連的旋轉(zhuǎn)換向器和外圍裝有鐵條的木制圓柱體組成。它的工作原理與現(xiàn)在的開關(guān)磁阻電機(jī)十分相似，一對(duì)電磁鐵輪流通電，吸引鐵條帶動(dòng)木制圓柱體旋轉(zhuǎn)。雖然在運(yùn)行中存在一些問題，比如當(dāng)鐵條與電磁鐵對(duì)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的徑向力使其脫離圓柱體，鐵條上的渦流損耗也很高，但戴維森的電機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)了其功能，并成為現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的雛形[2]。

1969年納薩爾[3]（Nasar）發(fā)表了題為《D.C.-Switched Reluctance Motor》的論文，第一次提出了“開關(guān)磁阻電機(jī)”這個(gè)名稱。這個(gè)名稱描述了開關(guān)磁阻電機(jī)兩個(gè)最基本的特征：（1）開關(guān)性：電機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開關(guān)模式使線圈輪流通電形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);（2）磁阻性：它是一種雙凸極電機(jī)，定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻回路，閉合回路磁阻總是要趨于最小，如圖1（b），磁阻不是最小，所以產(chǎn)生一個(gè)切向力F，在切向力F的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，力求回到圖1（a）的最小磁阻狀態(tài)。

1980年，勞倫森[4]（Lawrenson）系統(tǒng)地闡述了開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。表1列出了SRM發(fā)展歷史上的重要節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)入90年代后，隨著電子電力技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略應(yīng)用上都取得多樣化的成果。

目前開關(guān)磁阻電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、家用電器、通用工業(yè)（風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等）、伺服調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)等領(lǐng)域，轉(zhuǎn)速上限高達(dá)106 r/min，成為電機(jī)市場(chǎng)的重要一員。

2 ?SRM控制策略的發(fā)展

由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)、電機(jī)磁鏈的非線性以及輸出轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成等因素的影響，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為SRM運(yùn)行中不可避免的問題，傳統(tǒng)控制方法所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特征值一般在20%甚至更高，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)總體上分兩類方法：優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)控制策略。電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化受限于設(shè)計(jì)參數(shù)等要求，因此有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新型控制策略成為SRM重要的研究方向之一。

轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生依賴于根據(jù)轉(zhuǎn)子位置而對(duì)開關(guān)管進(jìn)行的連續(xù)切換動(dòng)作，因此可以通過選擇合適的開通角、關(guān)斷角來對(duì)SRM進(jìn)行開關(guān)角度控制。電流軟/硬斬波控制和滯環(huán)控制也被用于進(jìn)行SRM的控制。通常電流控制應(yīng)用于低速區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)電流有足夠時(shí)間提升到最大值，以獲得最優(yōu)的性能。而角度控制通常被用于高速區(qū)域，通過調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角來獲得更大的電流。值得注意的是伴隨著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法的應(yīng)用，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通常會(huì)有一定的下降。文獻(xiàn)[5]中Islam的研究得出結(jié)論，轉(zhuǎn)矩最大化和脈動(dòng)最小化無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)效果。在優(yōu)化過程中，需要在兩者之間取得最優(yōu)值。

傳統(tǒng)的角度位置控制、電流控制等更注重對(duì)電機(jī)調(diào)速性能的優(yōu)化，對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制缺少針對(duì)性處理，本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹幾種先進(jìn)的基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的控制策略。

2.1 轉(zhuǎn)矩分配控制

轉(zhuǎn)矩分配策略的實(shí)質(zhì)是通過定義轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)合理地分配與調(diào)節(jié)各相電流所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩分量，保證各相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩之和為恒定值，然后通過矩角特性逆運(yùn)算得到各相電流，加以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠韺?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

如圖2所示，在接受到轉(zhuǎn)矩給定值后，轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)模塊TSF根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，將給定轉(zhuǎn)矩分配給各相，由轉(zhuǎn)矩-電流模塊根據(jù)開關(guān)策略生成給定電流，并分配到功率變換器。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的作用是在電機(jī)相鄰兩相轉(zhuǎn)矩重疊區(qū)將轉(zhuǎn)矩合理的分配給兩相，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的設(shè)計(jì)是該控制策略的主要難點(diǎn)。合適的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)可以保證在各相切換過程中電流變化率不超過限值，采用在線調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)可以更好的滿足實(shí)際應(yīng)用。

2.2 模糊控制

模糊控制的主要原理是以電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)為輸入，通過模糊控制器得到輸出相電流，實(shí)時(shí)性修改隸屬度函數(shù)以使各相獲得最優(yōu)的導(dǎo)通區(qū)域。模糊控制器不依賴于電機(jī)的先驗(yàn)知識(shí)，能很好地適應(yīng)不同的電機(jī)特性，對(duì)轉(zhuǎn)子位置反饋誤差保持較強(qiáng)的魯棒性。

圖3為基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制系統(tǒng)框圖，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的知識(shí)庫(kù)，將誤差經(jīng)過模糊化，模糊推理及去模糊化的處理，得到相應(yīng)的電流輸出。

在文獻(xiàn)[6]中，外環(huán)速度控制使用了模糊控制和PI（比例-積分）控制，PI控制器提供主要的參考電流，在穩(wěn)定狀態(tài)下，速度誤差信號(hào)在模糊控制器中生成補(bǔ)償電流，與參考電流共同參與脈動(dòng)抑制調(diào)節(jié)。內(nèi)環(huán)控制采用常規(guī)PI電流控制器生成控制電壓。

由于模糊控制實(shí)際上是一種PD（比例-微分）控制，單純依靠模糊控制會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差的存在，即輸出的參考轉(zhuǎn)矩?zé)o法與實(shí)際的反饋轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在模糊控制的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)PI環(huán)節(jié)。此PI環(huán)節(jié)只有轉(zhuǎn)速差較小時(shí)起作用，這樣既保持了模糊控制魯棒性好的特點(diǎn)，又能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差。

模糊控制的缺點(diǎn)在于控制器不能根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的改變而實(shí)時(shí)調(diào)整自身參數(shù)，依賴于預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，對(duì)于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)變化造成的擾動(dòng)不能及時(shí)響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，模糊控制通常要與自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等其他控制策略結(jié)合使用，在這個(gè)過程中，不同控制策略之間的耦合也成為一個(gè)難點(diǎn)。

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱DTC）是一種基于矢量控制的先進(jìn)控制策略，首先被應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)。直接轉(zhuǎn)矩控制主要應(yīng)用于磁化特性為線性的交流電機(jī)，因此傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法不能直接用于各相獨(dú)立、非線性嚴(yán)重的開關(guān)磁阻電機(jī)。應(yīng)用于SRM的DTC的主要思想是根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁通的變化率來選擇定子電壓矢量，保持定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐槎ㄖ档那闆r下，不同的電壓矢量可以控制轉(zhuǎn)矩矢量和合成磁鏈?zhǔn)噶康淖兓较?。根?jù)電機(jī)輸出的相電壓、相電流、位置角等信號(hào)作為直接轉(zhuǎn)矩控制的輸入，根據(jù)開關(guān)切換表生成對(duì)應(yīng)的電壓矢量，通過功率變換器控制開關(guān)磁阻電機(jī)各相的導(dǎo)通關(guān)斷。通過DTC的控制，轉(zhuǎn)矩和磁鏈被控制在給定值的滯環(huán)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象可以被有效抑制。圖4為直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)框圖。

利用空間矢量的分析方法，轉(zhuǎn)矩的正負(fù)由磁鏈對(duì)位置角的偏導(dǎo)數(shù)決定，當(dāng)磁鏈幅值隨轉(zhuǎn)子位置變化而增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)增大;當(dāng)磁鏈幅值隨轉(zhuǎn)子位置變化而減少時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。選擇不同的電壓矢量可以控制合成磁鏈?zhǔn)噶康淖兓较?，即改變?dāng)前轉(zhuǎn)矩的變化方向。

傳統(tǒng)的SRM控制方法沒有把轉(zhuǎn)矩作為直接控制量，因此不能很好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。將交流電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用成熟的直接轉(zhuǎn)矩控制方法應(yīng)用在SRM上，可以獲得良好的控制效果，將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在期望范圍內(nèi)。DTC方法的不足之處在于沒有直接對(duì)電流進(jìn)行控制，對(duì)于電流在控制過程出現(xiàn)的超限峰值無法進(jìn)行抑制。

2.4 直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制

SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制[7]（Direct Instantaneous Torque Control，簡(jiǎn)稱DITC）的主要原理是通過轉(zhuǎn)矩估計(jì)器根據(jù)電流反饋獲得開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，然后對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行斬波控制。在預(yù)先設(shè)定好的導(dǎo)通角內(nèi)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差控制導(dǎo)通相的開通、關(guān)斷和續(xù)流，從而將合成轉(zhuǎn)矩保持在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。圖5為直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)框圖。

電機(jī)的每一相在運(yùn)行過程中可以分為單相工作和兩相重疊兩種情況，在兩相重疊的情況下需要優(yōu)先導(dǎo)通下一相，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩順利過渡。根據(jù)通常使用的不對(duì)稱半橋電路功率變換器，可以將每相的工作狀態(tài)分為正向勵(lì)磁、零電壓續(xù)流和反相退磁三種。在單相繞組單獨(dú)工作時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差與限值高限和低限的關(guān)系，實(shí)時(shí)選擇合適的工作狀態(tài)。在兩相同時(shí)導(dǎo)通的換相重疊區(qū)內(nèi)，需要對(duì)兩相繞組的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)切換以使得前一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩逐漸被后一相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩所取代，在調(diào)節(jié)過程中通過三種工作狀態(tài)的切換來保持轉(zhuǎn)矩偏差始終保持在誤差限值內(nèi)。

無論是直接轉(zhuǎn)矩控制還是直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制，共同特點(diǎn)是換相區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。對(duì)比直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，在DTC策略中，除了轉(zhuǎn)矩反饋外，還需要磁鏈反饋來計(jì)算和發(fā)送控制信號(hào)，這不僅增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增加了控制效果的不確定性和準(zhǔn)確性。因此，與直接轉(zhuǎn)矩控制策略相比，直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制策略更適合于實(shí)際工程應(yīng)用。

3 ?結(jié)語

開關(guān)磁阻電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)性能上的優(yōu)點(diǎn)，作為反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（China Experimental Fast Reactor，簡(jiǎn)稱CEFR）中承擔(dān)重要作用。在CEFR運(yùn)行中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為SRM帶來的主要問題。一方面由于輸出轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)，在保留較大裕量的情況下仍有可能造成輸出轉(zhuǎn)矩不足，引起“滑棒”現(xiàn)象;另一方面，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)機(jī)械裝置造成持續(xù)性沖擊，容易引起機(jī)械部件的疲勞損傷，成為反應(yīng)堆安全運(yùn)行的隱患。

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不可避免地會(huì)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利影響，限制了其在伺服驅(qū)動(dòng)等要求轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)領(lǐng)域的應(yīng)用。采用先進(jìn)的控制策略對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制有顯著的作用，雖然很多控制策略僅僅在理論上實(shí)現(xiàn)了其目的，但隨著電子電力技術(shù)、功率開關(guān)器件技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際工程應(yīng)用中這些先進(jìn)控制策略也迎來了廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

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