基于Simulink的開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

梅柏衫，孟悅?cè)唬瑒|陽(yáng)，高 寧

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

基于Simulink的開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

梅柏衫，孟悅?cè)唬瑒|陽(yáng)，高 寧

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

由于具有特殊的工作原理，開關(guān)磁阻電機(jī)在常規(guī)的控制方式下會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了8/6級(jí)開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)仿真模型。結(jié)果表明：應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)磁阻電機(jī)，運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，擁有良好的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

開關(guān)磁阻電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；Simulink

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，近年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展從20世紀(jì)80年代起步，由于其研究歷史尚短，又涉及到電力電子、電機(jī)學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[1]，且開關(guān)磁阻電機(jī)具有復(fù)雜的非線性特性，對(duì)其深入研究仍具有很大困難。從目前的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平來(lái)看，無(wú)論在理論上還是在應(yīng)用上都存在不少問(wèn)題，有待于進(jìn)一步的研究與完善。

直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)很好地應(yīng)用于異步電機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，體現(xiàn)了簡(jiǎn)單實(shí)用，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。本文基于Simulink對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)矩特性

電機(jī)一相基本電壓方程為：

(1)

其中：Ψk為第k相磁鏈；ik為第k相電流；Rk為第k相電阻。

在開關(guān)磁阻電機(jī)中，定子電阻很小，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

由公式(2)看出，通過(guò)選擇合適的定子電壓矢量可以改變定子磁鏈，使定子磁鏈幅值恒定[2]，達(dá)到直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)。

由開關(guān)磁阻電機(jī)每相的電壓方程及轉(zhuǎn)矩理論可知，在某一時(shí)刻，電流視為恒定值，則開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T可描述為：

(3)

其中：Ψ(θ,i)為定子繞組相磁鏈；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

相繞組是單級(jí)性驅(qū)動(dòng)的,所以開關(guān)磁阻電機(jī)每相電流都是正向電流，轉(zhuǎn)矩的正負(fù)主要取決于磁鏈偏導(dǎo)的符號(hào)[3]。由式(3)可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，當(dāng)定子磁鏈超前于θ時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大；定子磁鏈滯后于θ時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩的控制思想是將轉(zhuǎn)矩作為直接控制的對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩的比較，輸出調(diào)整的電壓信號(hào)，把轉(zhuǎn)矩限定在一個(gè)滯環(huán)寬度內(nèi)，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的[4]。

開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制通常采用軟開關(guān)的功率變換模式，根據(jù)開關(guān)管的通斷狀態(tài)，在此模式下開關(guān)磁阻電機(jī)的任意一相的功率變換電路都具備3種狀態(tài)[5]，如圖1所示。

圖1 功率變換器開關(guān)狀態(tài)

對(duì)于四相的開關(guān)磁阻電機(jī)，每相繞組電壓矢量有3種狀態(tài)可以選擇，那么總共就有34即81種狀態(tài)，而實(shí)際的電壓矢量只需8個(gè)即可。同時(shí)，在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電壓矢量的選擇也有一定的約束條件。具體的矢量分布圖如圖2所示，一共8個(gè)電壓矢量，位于各個(gè)扇區(qū)的中心。

圖2 四相電壓矢量與扇區(qū)分布圖

圖3為磁鏈?zhǔn)噶课挥趉區(qū)的情況。由圖3可知，當(dāng)定子磁鏈在區(qū)域k中，Uk+1能夠使磁鏈幅值增加并且使轉(zhuǎn)矩增大，Uk-1能夠使磁鏈幅值增加并且使轉(zhuǎn)矩減小。通過(guò)Uk+2使轉(zhuǎn)矩增加而不改變磁鏈幅值[6]。

圖3 磁鏈?zhǔn)噶课挥趉區(qū)的情況

綜上所述，通過(guò)合理選擇加在電機(jī)定子繞組上的電壓空間矢量就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，將所有扇區(qū)中轉(zhuǎn)矩磁鏈和電壓矢量的關(guān)系列出來(lái)，就得到了直接轉(zhuǎn)矩控制的矢量表，如表1所示。

表1 四相開關(guān)磁阻電機(jī)矢量開關(guān)表

2 模型搭建

直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4所示，包括變流器模塊、磁鏈計(jì)算模塊、開關(guān)表模塊、滯環(huán)模型、開關(guān)磁阻電機(jī)。圖4中，T*和Ψ*分別為轉(zhuǎn)矩和磁鏈的參考值，由轉(zhuǎn)速反饋經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出。

圖4 直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

功率變換器是利用Simulink模塊中提供的基本開關(guān)模塊搭建封裝，本系統(tǒng)采用不對(duì)稱半橋回路。磁鏈計(jì)算模塊將四相磁鏈進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換到靜止坐標(biāo)系α-β上，并計(jì)算出磁鏈的幅值和相角。滯環(huán)模塊根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈反饋量與參考量的差值，判斷出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化需求。開關(guān)表根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化的需要，結(jié)合磁鏈所在的扇區(qū)，計(jì)算出響應(yīng)的電壓矢量。

3 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文所研究?jī)?nèi)容，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，四相開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=0.01 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.004 kg·m3，摩擦因數(shù)f=0.01，最大磁鏈0.36 Wb。

(1) 在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)中，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T=0 Nm，即空載運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速為n=1 500 r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。穩(wěn)定之后的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖如圖6所示。兩種控制方式的磁鏈響應(yīng)圖如圖7所示。

圖5 直接轉(zhuǎn)矩控制下轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖6 轉(zhuǎn)矩輸出比較圖

圖7 磁鏈輸出比較圖

如圖5～圖7所示：直接轉(zhuǎn)矩控制下的開關(guān)磁阻電機(jī)，啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速到達(dá)額定值的時(shí)間為0.02 s，啟動(dòng)時(shí)間短；啟動(dòng)之后轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速；與電流斬波控制相比，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)有明顯的減??；相比于電流斬波控制下的輸出磁鏈，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出磁鏈軌跡為一個(gè)圓形，磁鏈的幅值被限定在滯環(huán)寬度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈幅值基本恒定。

(2) 其他參數(shù)不變的情況下，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2 s時(shí)階躍為20 Nm，在0.4 s時(shí)恢復(fù)為零。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 負(fù)載突變情況下轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖

由圖8可以看出，在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)速并未出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，將突變的部位放大可以看出，響應(yīng)時(shí)間約為0.03 s，說(shuō)明系統(tǒng)在負(fù)載突變的情況下，能夠快速響應(yīng)，滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和快速性的要求。

圖9 負(fù)載突變轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖

4 結(jié)論

直接轉(zhuǎn)矩控制思想是通過(guò)選擇合適的電壓矢量將磁鏈和轉(zhuǎn)矩限制在一個(gè)合適的滯環(huán)內(nèi)，相比傳統(tǒng)的電流斬波控制和角度位置控制，它具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了模型對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了其有效性和正確性。

[1] 王宏華.開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2] 宋桂英,孫鶴旭,鄭易,等.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究[J].電氣傳動(dòng),2004,34(5):9-11.

[3] 鄧木生,瞿遂春,李華柏.開關(guān)磁阻電機(jī)基于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(16):207-210.

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[5] 吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[6] 王勉華,梁媛媛,宋景哲,等.直接轉(zhuǎn)矩控制在開關(guān)磁阻電機(jī)中的應(yīng)用與研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,35(2):25-28.

Study on Direct Torque Control of Switched Reluctance Motor Based on Simulink

MEI Bo-shan, MENG Yue-ran, LIU Dong-yang, GAO Ning

(Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Due to the special principles of switched reluctance motor(SRM), it will produce large torque ripple when it is controlled by traditional control methods, which limits the applications of SRM. In order to solve this problem, the direct torque control of SRM is studied. The simulation model of the direct torque control system for 8/6 switched reluctance motor is set up is MATLAB/Simulink. The simulation results show that the torque ripple of the switched reluctance motor by direct torque control is significantly reduced, the motor has good speed performance and torque dynamic response.

switch reluctance motor; direct touque control; touque ripple; Simulink

1672- 6413(2015)06- 0158- 03

2015- 07- 27；

2015- 10- 10

梅柏杉(1957-)，男，湖南湘潭人，碩士生導(dǎo)師，教授，本科，研究方向：電力傳動(dòng)，智能電網(wǎng)風(fēng)力儲(chǔ)能。

TM352∶TP391.7

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