閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用SRM開(kāi)關(guān)角的優(yōu)化研究

摘要：采用TMS320F28335型DSP和MAX3032S型CPLD作為6/4極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的控制器，通過(guò)低速時(shí)電流斬波控制（CCC）和高速時(shí)角度位置控制（APC）對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在APC方式下開(kāi)通角和關(guān)斷角的優(yōu)化問(wèn)題，在理論引導(dǎo)的基礎(chǔ)上利用仿真來(lái)對(duì)開(kāi)通角運(yùn)行特性和關(guān)斷角運(yùn)行特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，對(duì)開(kāi)關(guān)角的設(shè)置進(jìn)行合理配置及優(yōu)化可以使電機(jī)提速性更好，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);開(kāi)通角;關(guān)斷角;仿真

0? ? 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，閥門電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的地位越來(lái)越重要。而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)性能好和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）應(yīng)用于閥門執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為研究的熱點(diǎn)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)通角和關(guān)斷角的提前可以更有效地控制電機(jī)運(yùn)作并更好地提速[1]，但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在磁路飽和以及功率變換器的非線性等問(wèn)題，使得開(kāi)通角和關(guān)斷角兩個(gè)參數(shù)很難同時(shí)調(diào)到最佳值。本文將結(jié)合開(kāi)通角和關(guān)斷角對(duì)相電流影響的仿真分析，確定兩角度的最優(yōu)配置。

1? ? 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作方式

1.1? ? 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)組成

SRD控制系統(tǒng)主要由SRM、位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器、功率變換器、控制器五部分組成。

1.2? ? 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制方式

在低速情況下，通過(guò)CPLD根據(jù)R、Q、P三個(gè)位置信號(hào)給出A、B、C三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電機(jī)正反轉(zhuǎn)。圖1所示為電機(jī)正轉(zhuǎn)各信號(hào)圖。

在高速情況下，通過(guò)DSP給出信號(hào)，提前開(kāi)通角和關(guān)斷角，使電機(jī)有效地提速。

2? ? SRM開(kāi)通角和關(guān)斷角的優(yōu)化

2.1? ? 開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff的仿真優(yōu)化

開(kāi)通角和關(guān)斷角設(shè)置的大小對(duì)輸出功率與轉(zhuǎn)矩的連續(xù)性有一定的干預(yù)，原因是兩角度的組合配置會(huì)影響輸出電流的波形。文獻(xiàn)[2-3]中運(yùn)用大量的實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變不同開(kāi)通角和關(guān)斷角的組合去探求開(kāi)關(guān)角大小與輸出電流大小及其波形的關(guān)系，仿真證明，兩者的確存在某種非線性的關(guān)系，本文以及文獻(xiàn)的目的均為找到這個(gè)關(guān)系的“制高點(diǎn)”，即開(kāi)通角和關(guān)斷角的最優(yōu)配置。擁有了最佳開(kāi)關(guān)角的配置組合便能使SRM系統(tǒng)效率達(dá)到最高，間接使閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完美運(yùn)作。

2.1.1? ? 電感、相電流、開(kāi)關(guān)角三者關(guān)系

圖2所示為6/4極SRM在APC方式下典型的電感和相電流波形[4]，在電感上升前開(kāi)管，在電感達(dá)到最大之前關(guān)管，參考相電流產(chǎn)生的原理及電流波形的特性，電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，根據(jù)圖2，開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff與其他四個(gè)角度的關(guān)系應(yīng)滿足：θ1≤θon≤θ2，θ2≤θoff≤θ3。

2.1.2? ? 相電流與開(kāi)通角的關(guān)系

因?yàn)楸疚膽?yīng)用的載體為6/4結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，為了電機(jī)更好地啟動(dòng)，并使兩相出力最大化，在CCC方式下三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)就如圖2所示在45°到90°之間開(kāi)通。所以在研究相電流與開(kāi)通角關(guān)系時(shí)，固定關(guān)斷角θoff=75°，也就是提前15°關(guān)斷，然后使開(kāi)通角以45°為臨界值向前提前打開(kāi)。

開(kāi)通角的大小，由于電流瞬間產(chǎn)生，因此電流能達(dá)到的最大值便由其決定，故配置開(kāi)通角θon的大小便相當(dāng)于設(shè)置了相電流的最大值，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等因素的控制。相電流能否瞬間達(dá)到頂峰與電感的大小有關(guān)系，電流對(duì)θon的變化非常敏感，電感越小，相電流建立得越快，因此在電感最小段區(qū)間內(nèi)，相電流可以瞬間置頂，可見(jiàn)，開(kāi)通角θon提前量的大小可以決定電流的快速建立，所以開(kāi)通角度越提前，電流向上沖得越高，電流最大值越大。但電流的最大值越大，并不代表系統(tǒng)運(yùn)行越好，事實(shí)上，相電流沖得越高，其產(chǎn)生的相脈沖也越高，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)抖動(dòng)增大，破壞整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性[5]。

本文所述6/4極電機(jī)是以45°向前提前開(kāi)通角的，相比于電機(jī)的大力輸出，系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性更加重要，因此在開(kāi)通角提前較小的情況下，雖然電流沖得不夠高，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩不大，但卻能使系統(tǒng)運(yùn)作穩(wěn)定。綜合考慮，既要讓電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定又要使其出力較大，可使開(kāi)通稍稍提前，以保證兩個(gè)因素的平衡。

2.1.3? ? 相電流與關(guān)斷角的關(guān)系

由于電感的不確定性，圖2上θ3無(wú)法準(zhǔn)確得到，故以90°為臨界值向前提前關(guān)斷。固定開(kāi)通角θon=45°，也就是提前0°開(kāi)通，以90°為臨界向前提前關(guān)斷。

關(guān)斷角的大小雖然不影響相電流峰值的變化，但卻決定了相電流波形的寬度，從而影響電流是否延續(xù)到電感下降區(qū)，是否會(huì)產(chǎn)生反向力矩。當(dāng)θoff>76°時(shí)，相電流波形在下降階段有一個(gè)明顯的起翹現(xiàn)象，使相電流不能順利平滑地降到0，相電流的起翹還可能導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生噪聲，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。而θoff過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致電流寬度變窄，使電機(jī)無(wú)法達(dá)到最有效的出力。所以，對(duì)于關(guān)斷角的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，既要使電機(jī)具有盡可能大的輸出功率，又要防止振動(dòng)、噪聲以及反向力矩的產(chǎn)生。

由于關(guān)斷角不應(yīng)過(guò)大也不應(yīng)過(guò)小，而本文所述6/4極電機(jī)是從90°向前提前關(guān)斷的，故通過(guò)大量仿真研究，θoff的取值應(yīng)在72°～76°范圍內(nèi)。

2.2? ? 開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff優(yōu)化結(jié)論

對(duì)上述開(kāi)通角大小對(duì)相電流的影響與關(guān)斷角大小對(duì)相電流的影響進(jìn)行分析，開(kāi)通角提前得越多，輸出功率也越大，但系統(tǒng)越不穩(wěn)定，在考慮系統(tǒng)運(yùn)作穩(wěn)定的前提下，應(yīng)將開(kāi)通角選擇在能獲得平頂波波形的角度[6]，故開(kāi)通角可以在45°基礎(chǔ)上提前1°左右或者直接設(shè)置為45°。而為使相電流延續(xù)時(shí)間盡可能長(zhǎng)又要避免相電流延續(xù)到電感下降區(qū)，故關(guān)斷角較90°提前14°～18°。

綜上所述，對(duì)于6/4結(jié)構(gòu)的SRM，在考慮電機(jī)輸出功率最大化的同時(shí)兼顧電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，可選擇θon=45°，θoff=75°。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

角度位置控制是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)基本的控制方式之一，但由于系統(tǒng)的非線性特性使得同時(shí)控制開(kāi)通角和關(guān)斷角的方法很難實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)仿真分析給角度優(yōu)化提供了理論依據(jù)，根據(jù)這些優(yōu)化結(jié)果，在電機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行時(shí)固定開(kāi)通角θon的最優(yōu)值，通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)斷角θoff來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，這樣不僅降低了角度位置控制的復(fù)雜性，而且大大提高了控制的可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2019-12-05

作者簡(jiǎn)介：楊丁弘揚(yáng)（1988—），男，江蘇常州人，碩士研究生，工程師，全國(guó)青年崗位能手，江蘇省技術(shù)能手，研究方向：機(jī)電一體化。