基于模糊邏輯控制的SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制分析

王蕾

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院,河南鄭州 451191)

19世紀(jì)人類發(fā)明電動(dòng)機(jī),由于運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì),電能傳輸方便,電氣傳動(dòng)成為大部分機(jī)械傳動(dòng)方式。隨著科技的發(fā)展,在工農(nóng)業(yè)及日常生活中對(duì)電氣傳動(dòng)需求不斷增大。60年代隨著電力電子學(xué)與現(xiàn)代控制技理論的發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī)矢量控制與調(diào)頻調(diào)壓控制理論產(chǎn)生,使得交流傳動(dòng)具備高穩(wěn)態(tài)精度,四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能。交流傳動(dòng)系統(tǒng)存在價(jià)格昂貴等問題,8 0年代國外推出開關(guān)磁電阻電動(dòng)機(jī)(SR)是繼直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)(BLDC)之后發(fā)展起來的一種調(diào)速電機(jī)類型。SR電動(dòng)機(jī)構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,魯棒性好,其性能指標(biāo)可比交直流傳動(dòng)系統(tǒng)。但同時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)噪聲大的缺點(diǎn),并且不能直接連接到電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度運(yùn)行。國內(nèi)外學(xué)者提出多種控制策略,例如直接轉(zhuǎn)矩控制。在國際電力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中,開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器被稱之為Switched Reluctance Motor Drive,簡稱SRD。SRD是一種由SR控制器和SR電機(jī)組成的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它是世界上最新,最具有較高成本效益的速度控制系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機(jī)在調(diào)速應(yīng)用中引起了人們極大的關(guān)注。開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,轉(zhuǎn)矩慣量比高,效率高和成本低廉而被認(rèn)為是未來的競爭性變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無需永磁體,轉(zhuǎn)子上無繞組和電刷,而且在很寬速度范圍內(nèi)具有良好的控速性能,因此在與永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(SRD)的競爭中具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì),在電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域是一個(gè)熱門話題[1]。

1 SR電動(dòng)機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)工作原理

SR電動(dòng)機(jī)是雙凸極可變磁電阻電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于減小渦流損耗,繞組集中繞在定子極上,磁極上是兩個(gè)繞組串聯(lián)。SR電動(dòng)機(jī)能夠設(shè)計(jì)成多個(gè)相數(shù)結(jié)構(gòu),有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)電動(dòng)機(jī)主開關(guān)器件多,控制方法復(fù)雜。由于SR電動(dòng)機(jī)無自啟動(dòng)能力,目前應(yīng)用較多的是四相結(jié)構(gòu)。SR電動(dòng)機(jī)是大步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的延拓,SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原子遵從磁阻最小原理,鐵心與磁場軸線不重合,磁阻電動(dòng)機(jī)動(dòng)力將鐵芯拉到磁場軸線。

SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與相電流無關(guān),控制字導(dǎo)通關(guān)斷角可改變電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),改變相電流可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)離定子極通電產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相反,通過簡單控制方式可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。SR電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單,制造工藝簡單,定子線圈為集中繞組,可適用于各種惡劣環(huán)境;轉(zhuǎn)矩方向與電流無關(guān),可簡化功率變換器;算好主要產(chǎn)生在定子,轉(zhuǎn)子無永磁體高溫退磁現(xiàn)象;功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障。無異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)沖擊電流現(xiàn)象;易于實(shí)現(xiàn)特殊要求的轉(zhuǎn)矩－速度特性,轉(zhuǎn)速不受電源頻率限制;寬廣轉(zhuǎn)速內(nèi)具有較高效率,SR電動(dòng)機(jī)適于功率經(jīng)常變化的場合。

目前SR電動(dòng)機(jī)存在的缺點(diǎn)包括需根據(jù)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置投入勵(lì)磁;采用磁阻式點(diǎn)到等級(jí)能量轉(zhuǎn)換密度低;SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)典型值為±15%,不能像籠型異步電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)穩(wěn)速運(yùn)行。SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不大,根據(jù)其動(dòng)態(tài)性能采取合適的技術(shù),可抑制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SRD的組成主要功率變換器、位置檢測器等部件。在SRD中完成電能轉(zhuǎn)換的部件是SR電動(dòng)機(jī),功率變換器是SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)供能者,由蓄電池整流后得到直流電供電。SR電動(dòng)機(jī)功率變換器電路結(jié)構(gòu)形式與電動(dòng)機(jī)相數(shù)有關(guān)[3]。目前廣泛應(yīng)用的電路有分列式直流電源電路,具有最小數(shù)量開關(guān)器的功率變換器等形式。

2 SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

SR電動(dòng)機(jī)的工作特性是非正弦繞組電流,SR電動(dòng)機(jī)控制參數(shù)多,并且相電流波形隨電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)而變化,傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)性能分析方法對(duì)SR電動(dòng)機(jī)不適用。電動(dòng)機(jī)磁路飽和、磁帶效應(yīng)等產(chǎn)生非線性,列出數(shù)學(xué)模型無法進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。分析S R電動(dòng)機(jī)線性與非線性數(shù)學(xué)模型,建立基于四相SR電動(dòng)機(jī)電感特性SR D動(dòng)態(tài)仿真模型,得到相電感、合成轉(zhuǎn)矩等。SR電動(dòng)機(jī)機(jī)電能量關(guān)系存在平衡關(guān)系。

電源輸入電能=磁場儲(chǔ)能增量+輸出機(jī)械能+轉(zhuǎn)換成的熱量。SR電動(dòng)機(jī)氣隙磁場為脈振,建立氣隙磁場儲(chǔ)能。為了解SR電動(dòng)機(jī)基本電磁關(guān)系,分析SR電動(dòng)機(jī)理想模型是主電源電流電壓不變,忽略鐵心磁滯效應(yīng);功率開關(guān)器為理想開關(guān);電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)稱。SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行理論與其他電磁式機(jī)電裝置相同。電端口和機(jī)械端口通過電磁扭矩耦合,這反映了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)矩表達(dá)式是機(jī)電連接方程[4]。SR電動(dòng)機(jī)靜態(tài)性能可靠以通過簇磁化曲線表征。可研究相繞組考察SR電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。磁路飽和下運(yùn)行SR電動(dòng)機(jī)為非線性嚴(yán)重機(jī)電裝置,磁阻轉(zhuǎn)矩取決于電流i對(duì)于轉(zhuǎn)子位置θ的變化率。SR電動(dòng)機(jī)磁場存在邊緣效應(yīng),電感L為轉(zhuǎn)子位置角非線性函數(shù)。需根據(jù)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化。

SRD運(yùn)行特性影響因素包括SR電動(dòng)機(jī)相電流波形,SR電動(dòng)機(jī)線性模型假設(shè)電感不隨電流變化,SR電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子凸極中心線對(duì)準(zhǔn),磁路為非飽和,磁路飽和時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析影響。不簡化考慮磁路非線性,電磁關(guān)系計(jì)算困難?？紤]磁路飽和效應(yīng),將實(shí)際非線性磁化曲線分線段性化,每段磁化曲線可解析。SR電動(dòng)機(jī)由于雙凸極結(jié)構(gòu)非線性特點(diǎn),定子繞組電流變形不規(guī)則,分析電動(dòng)機(jī)特性需用非線性分析法。優(yōu)化電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)非常重要,非線性分析常用的方法是采用二維有限法進(jìn)行磁場計(jì)算。帶有飽和非線性磁路的SR電動(dòng)機(jī)的相電感與傅里葉級(jí)數(shù)近似,相電感可表達(dá)為Lk(θ,i)=Lo(i)+L1(i)cos(Nrθ+π),Lmin可通過實(shí)測得到隨相電流變化數(shù)據(jù)。Lmax(i)為定轉(zhuǎn)子凸極中心線重合處電感。表達(dá)和相電流函數(shù)關(guān)系多項(xiàng)式級(jí)數(shù)Lmax=∑Nn=0anin∑n=0Nanin,四相SR電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te=∑4k=1Tk∑k=14Tk3.SR電動(dòng)機(jī)模糊邏輯關(guān)斷角補(bǔ)償控制。

SRD缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及引起噪聲,限制器在調(diào)速驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用,SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究受到人們的重視,SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生受到電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸影響,主要圍繞電機(jī)設(shè)計(jì)控制方面研究[5]。許多學(xué)者將人工智能法引入轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究,如目前轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)換相策略采用轉(zhuǎn)矩分配法,克服SR電動(dòng)機(jī)瞬間換相的缺陷,但未考慮傳動(dòng)效率等次要目標(biāo)。未來各種非線性控制理論研究同步進(jìn)行。

轉(zhuǎn)矩分配策略是護(hù)理分配各相電流對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩分量,SR電動(dòng)機(jī)換相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,研究換相時(shí)導(dǎo)通兩相繞組電流控制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)fi(θ)主要用于分配各相轉(zhuǎn)矩,恒定值是依據(jù)負(fù)載要求確定轉(zhuǎn)矩給定值Tg,滿足∑nk=1fi(θ)=1∑k=1nfi(θ)=1,n為SR電動(dòng)機(jī)相數(shù)。矩角性曲線表T-θ-i可以離線靜態(tài)測量得到,理想狀態(tài)各相矩角特性相同,瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制是為了控制導(dǎo)電相繞組的電流。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)用于控制電動(dòng)機(jī)速度,以形成一個(gè)完整的理論,交流電動(dòng)機(jī)具有線性特性,SR電動(dòng)機(jī)具有嚴(yán)重非線性特點(diǎn),應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論不適用SR電動(dòng)機(jī)。模糊控制是智能控制方法,其特點(diǎn)是將操作者控制經(jīng)驗(yàn)用語言變量來描述,適用于數(shù)學(xué)模型未知的非線性復(fù)雜控制。SR電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)速大,制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)矩脈沖是高性能SR電動(dòng)機(jī)主要缺點(diǎn),通常采用電流雙幅斬波方法減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但在SR電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。采用模糊控制器對(duì)SR電動(dòng)機(jī)關(guān)斷角調(diào)節(jié),可減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用基于模塊控制關(guān)斷角補(bǔ)償?shù)腟RD由功率變換器、位置檢測器等組成,調(diào)速控制器采用PI控制,關(guān)斷角補(bǔ)償采用模糊邏輯控制[6]。采用分列式直流電源功率變換器,SR電動(dòng)機(jī)相繞組斷開電源,通過調(diào)整關(guān)斷角可得到不同相電流波形。

3 基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的SRD控制

采用TMS320C200系列2407A芯片為控制器,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。SR電動(dòng)機(jī)控制參數(shù)包括繞組電流o,關(guān)斷角θoff,轉(zhuǎn)速n為設(shè)定值,電流幅值變化范圍為0≤i≤Im,控制SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可通過改變關(guān)斷角θoff角度控制方式,采用調(diào)節(jié)相繞組加電壓值的斬波控制方式。從減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)角度出發(fā),運(yùn)用關(guān)斷角調(diào)節(jié)控制方式,并通過調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間的比例,基于模糊控制關(guān)斷角調(diào)節(jié),控制器以斬波頻率功率變換電路中主開關(guān)器件開端實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速[7]。SR電動(dòng)機(jī)繞組需具有向電源反饋功率功能,功率變換器作用包括開關(guān)作用,為繞組儲(chǔ)能提供回饋途徑。SR電動(dòng)機(jī)工作電流非正弦波,使得主開關(guān)器件定額計(jì)算復(fù)雜。功率變換器合理設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[8]?？蛇x用分列式直流電源功率變換器主電路方案,直流電源采用電容濾波單相不可控整流電路供電,系統(tǒng)主開關(guān)管采用富士1MBH60D-100單管IGBT,需配驅(qū)動(dòng)電路可靠工作。系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A作主控器。系統(tǒng)采用DSP為專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的DSP,事件管理器包含3個(gè)啟停時(shí)器?？僧a(chǎn)生12路PWM輸出,事件管理器集成4個(gè)接收輸入端。

SRD工作自同步狀態(tài),SRD低速運(yùn)行時(shí),通常采用電流斬波控制,采用電壓占斬波控制方式,需隨時(shí)監(jiān)測繞組電流,為保證系統(tǒng)優(yōu)良性能需依靠速度控制環(huán)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)控制。要使系統(tǒng)安全運(yùn)行需輔助外圍保護(hù)電路,泵升電壓由回饋引起,采用主回路并聯(lián)電阻管構(gòu)成吸收電路,CPU檢測到泵升信號(hào),功率電阻R1通過發(fā)熱消耗過多能量。SRD控制軟件由初始化子程序,中斷服務(wù)子程序,模糊控制子程序等組成。主程序連續(xù)循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)顯示以及正反轉(zhuǎn)控制等[9]。中斷服務(wù)子程序包括速度控制中斷子程序,捕獲中斷子程序等。采用C語言編程,對(duì)功率750W四相SR電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn),分析光電式轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測得到信號(hào)波形,實(shí)現(xiàn)四相SR電動(dòng)機(jī)每15°機(jī)械角換相。分析電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在n=1500r/min時(shí)轉(zhuǎn)速波形,系統(tǒng)響應(yīng)快[10]。

4 結(jié)語

本文采用理論研究及試驗(yàn)結(jié)合方法,對(duì)SR電動(dòng)機(jī)工作原理及控制策略等關(guān)鍵問題系統(tǒng)研究,針對(duì)SR D中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大問題,引入模糊邏輯關(guān)斷角控制,可達(dá)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小目的。仿真實(shí)驗(yàn)證明控制策略可行性,實(shí)驗(yàn)表明方法可行性。對(duì)SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型分析,基于四相SR電動(dòng)機(jī)電感特性建立SRD動(dòng)態(tài)仿真模型,得到相電感、合成轉(zhuǎn)矩波形。固定關(guān)斷角SRD轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大,建立模糊邏輯關(guān)斷角,對(duì)SRD仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。基于DSP控制電路軟硬件設(shè)計(jì),在SR電動(dòng)機(jī)上空載試驗(yàn),驗(yàn)證控制策略的可行性。