基于遺傳算法的開關磁阻電機控制系統(tǒng)研究

姜曉艷 謝青海 岳龍飛

（河北機電職業(yè)技術學院 河北 邢臺 054000）

電動汽車中的電機驅(qū)動系統(tǒng)，決定著新能源電動汽車的性能。根據(jù)驅(qū)動原理，電動汽車的驅(qū)動電機分為直流電動機、交流異步電動機、永磁式電機、開關磁阻電機等。其中，開關磁阻電機（SRM）具有結構簡單、起動轉矩大、調(diào)速范圍寬、驅(qū)動效率高、容錯能力強等優(yōu)勢，其主要缺點是轉矩波動和電機噪聲，因此，目前SRM的研究主要集中在如何提高在電動汽車應用中的轉矩穩(wěn)定性及降低噪聲。

本文重點研究了三相6/4極SRM的結構，并用遺傳算法優(yōu)化PI控制參數(shù)，應用到直接瞬時轉矩控制（DITC）中，提高轉矩穩(wěn)定性，得到適用于電動汽車的SRM控制系統(tǒng)。

1 SRM運行原理

SRM的定子與轉子均采用雙凸極結構，定子齒極上按照一定方式繞制定子繞組，用于向SRM提供運行時所需的磁場；轉子齒極上則沒有轉子繞組，轉子在定子磁場的作用下轉動。

其工作原理為：SRM的某相定子繞組接通電源，則在定子內(nèi)產(chǎn)生磁通，其磁力線則通過距離最近的轉子齒極形成磁通路，將磁力線視為彈力很強的線，則轉自將在磁力線的牽引力下產(chǎn)生轉動力矩，從而驅(qū)動轉自轉動，當轉動一定角度而使磁路達到最短時，停止轉動。如果想讓轉子產(chǎn)生持續(xù)轉動，應在其達到最短磁路前切斷該相電源，并在相鄰相的定子繞組中通入電源，則轉子受到新的牽引力的作用而繼續(xù)轉動，如此，按照一定順序在定子繞組內(nèi)通入周期相同的交流電源，SRM的轉子將在其作用下產(chǎn)生持續(xù)轉動。與三相異步電動機類似，若要實現(xiàn)轉子的反向旋轉，只需調(diào)換三相電中的任意兩相電源的接入順序即可。

由于轉矩主要跟電流和磁鏈變化率有關，且電流與變化的反電勢與磁鏈增量間有一階延遲，因此，在磁鏈變化時的電流可視為常量，即控制轉矩時只需對定子磁鏈進行控制，可以不需考慮磁鏈改變引起的電流變化。SRM的雙凸極結構使定子繞組通電后產(chǎn)生的磁鏈具有非線性特征，難以建立準確的非線性動態(tài)模型，且使得SRM運行中的轉矩波動較大，尤其在低速運行階段，控制性能較差。

2 基于遺傳算法的SRM控制系統(tǒng)

2.1 PI控制器

PI控制器常由下式實現(xiàn)：

其中，KP、KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)，e(t)k為第k次采樣時刻的偏差值，u(t)為PI調(diào)節(jié)器限幅之后的輸出值，可見，u(t)是將偏差e(t)的比例和積分運算后以線性組合形式輸出，控制電機的實際轉速，這使得電機的實際轉速總是跟隨給定轉速變化，減小了負載的擾動。

在實際應用中，比例環(huán)節(jié)KP反映控制系統(tǒng)的偏差信號，因此增大KP將有助于加快系統(tǒng)響應速度，減少誤差，但是會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；積分環(huán)節(jié)KI主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)無差度，其值越大，則積分作用越弱，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，會使系統(tǒng)的響應速度變慢。

2.2 基于遺傳算法的PI控制

本文在優(yōu)化辨識PI控制器的參數(shù)[1]時引入了耗時短、適應性強的遺傳算法（GA），對定子磁鏈進行控制，由此形成的GA-PIDITC控制系統(tǒng)具有自適應能力強、轉矩波動小等優(yōu)勢。為了提高運行參數(shù)變化時控制系統(tǒng)的魯棒性，GA根據(jù)SRM的運行狀態(tài)實時在線優(yōu)化PI控制器的參數(shù)，使PI控制器輸出的轉矩給定值處于最優(yōu)，從而補償DITC控制器的缺陷，減少轉矩的脈動和磁鏈的紋波，獲取良好的調(diào)速性能。

3 仿真驗證

本文仿真的運行環(huán)境是Matlab R2018b，利用Simulink組件搭建了一臺三相6/4開關磁阻電機。選取額定功率60kW，額定線電壓380V，繞組電阻1Ω，額定轉速3000r/min，轉動慣量0.01kg·m2。

取初始值為KP =0.15，KI =3，脈沖寬度調(diào)制（PWM）頻率為10kHz，GA的初始參數(shù)設置如下：

NIND=40; %種群大小

MAXGEN=20; %最大遺傳代數(shù)

PRECE=20; %個體長度

GGAP=0.95; %代溝

px=0.7; %交叉概率

pm=0.01; %變異概率

仿真結果表明，SRM從0加速到額定轉速3000r/m的過程中，響應時間在30ms以內(nèi)，說明系統(tǒng)響應速度快；同時，轉矩波動范圍為1V以內(nèi)，表明GA-PI-DITC轉矩波動小，運行穩(wěn)定，而且能快速地跟隨給定轉矩，滿足控制器要求。

4 總結

本文主要研究了SRM的工作原理及控制策略，提出一種基于GA的PI控制器參數(shù)優(yōu)化方法，用于DITC控制系統(tǒng)，使SRM響應速度快、誤差小、運行穩(wěn)定，豐富了我國新能源汽車的研制與應用中的技術理論。