摘要：針對開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題，采用了一種轉(zhuǎn)矩控制的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)。通過比例積分控制與兩鄰相同時(shí)激勵(lì)法來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。經(jīng)比例積分產(chǎn)生參考轉(zhuǎn)矩，由轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)以及轉(zhuǎn)子位置信息分配轉(zhuǎn)矩到相應(yīng)的兩鄰相，分別求得兩鄰相瞬時(shí)電流，再結(jié)合實(shí)際返回電流值經(jīng)過電流控制器產(chǎn)生電壓控制信號(hào)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制。本文在仿真中，對電機(jī)模型考慮了互感的影響。為使得SRM在小功率應(yīng)用場合的推廣，建立了220VDC、2kW的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的控制方式，控制系統(tǒng)可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

1 引言 

      開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)結(jié)構(gòu)簡單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等，并且可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電功能。因此，它在航天、工業(yè)和汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很廣泛的前景。

      但由于SRM的磁鏈特性，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)限制它更廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題一直是國內(nèi)外學(xué)者研究SRM的熱點(diǎn)之一。研究表明：實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩控制，只有通過控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩來減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而不是傳統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)矩控制^[1]。文獻(xiàn)[2]中提出在低速下對電流的脈寬調(diào)制策略來減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，主要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置分配轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生各相電流控制信號(hào)。一般根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)來選取TDF，而且僅在正轉(zhuǎn)矩區(qū)域定義TDF，由于電流的上升和下降存在延時(shí)，隨著電機(jī)速度的提高會(huì)使得電機(jī)的機(jī)械特性變差^[3]。文獻(xiàn)[4]在正負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域均定義了TDF，在正轉(zhuǎn)矩區(qū)域有足夠的電流上升和下降時(shí)間，而且高速時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性良好。

      電機(jī)轉(zhuǎn)矩是各相轉(zhuǎn)矩共同合成的，瞬時(shí)激勵(lì)兩鄰相能夠生成所需要的輸出轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)合理的分配轉(zhuǎn)矩到兩鄰相，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置選擇要激勵(lì)的鄰相，可以使得輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ^[5]。本文選取的TDF，考慮電機(jī)磁鏈的變化特性，并搭建了系統(tǒng)仿真模型，通過對電機(jī)庫里的SRM做了合理的修改，實(shí)現(xiàn)SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的控制，并與選定單相激勵(lì)、直接轉(zhuǎn)矩控制做了比較。

2 控制策略實(shí)現(xiàn)

2.1 SRM轉(zhuǎn)矩特性分析

根據(jù)SRM的機(jī)械方程：

3 基于MATLAB的SRM轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型的建立 

基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制系統(tǒng)的建立如圖1所示。

      圖1中，速度偏差經(jīng)過PI控制，生成轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，經(jīng)過TDF算的各相期望轉(zhuǎn)矩，CCG(Current Command Generation)為電流發(fā)生器模塊，根據(jù)TDF求取各相電流值，經(jīng)過電流控制模塊(Current Control)與反饋電流比較，輸出各相的電壓信號(hào)，最終采用PWM模塊，控制各相的導(dǎo)通。

3.1 SRM仿真模型

Matlab7.6提供了兩種SRM模型，都未考慮互感的影響，然而實(shí)際互感值最大能達(dá)到相應(yīng)相自感的6.4%^[5]?？紤]了互感的影響下，如圖2修正的仿真模型，在某一相通電情況下，其相鄰的兩相電流分別對通電相產(chǎn)生互感，根據(jù)測得的互感磁鏈值再次查表，確定互感電流以及互感轉(zhuǎn)矩，最終與自感轉(zhuǎn)矩相疊加確定輸出總的轉(zhuǎn)矩值^[6]。

3.2 相選擇輸出

      兩鄰相在15°的電角度內(nèi)，可以產(chǎn)生期望轉(zhuǎn)矩。在8/6 SRM中，一個(gè)周期有四個(gè)不同的激勵(lì)區(qū)域，但只有兩相產(chǎn)生期望轉(zhuǎn)矩是有用的。一個(gè)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)矩的正負(fù)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和想選擇信號(hào)對應(yīng)的關(guān)系如表一所示，輸出的相選擇信號(hào)直接輸入TDF和CCG模塊，進(jìn)行各相轉(zhuǎn)矩和電流的求取。

表一 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子位置和相選擇對應(yīng)關(guān)系表

表一中1為選擇該相，0為不選擇該相。

3.3 功率變換器選取

      功率變換器采用非對稱的半橋變換器，如圖3所示。此種變換器單電源供電，每相兩個(gè)主開關(guān)，工作原理簡單。

4 仿真結(jié)果

      仿真中，選定電機(jī)功率為2.2kW，外加電壓220VDC。仿真中分別與選定角度的電流滯環(huán)控制、直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，參數(shù)設(shè)置為：滯環(huán)限：±0.1，PI控制器參數(shù)：P=20，I=0.1,仿真結(jié)果如下：
 

      以上三種控制，到達(dá)參考速度之前，系統(tǒng)處于起動(dòng)階段，PI控制輸出為限幅上限，起動(dòng)電流達(dá)到電流最大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對較大，可參考式(3)，達(dá)到參考速度時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在一定范圍。

      電流滯環(huán)控制：開關(guān)角為32°、47°，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍0.5～2.5 N﹒m,脈動(dòng)范圍比較大。直接轉(zhuǎn)矩控制下：借助空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，建立變換器開關(guān)表，把轉(zhuǎn)矩、磁鏈的變化要求通過開關(guān)表反映到SRM各繞組主開關(guān)器件的通斷上，最終控制的是加在各相繞組的電壓，控制直接^[7]。仿真結(jié)果看出，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍在-1～3 N﹒m，換相期間依然存在轉(zhuǎn)矩尖峰，脈動(dòng)范圍比較大。本文的TDF控制，給出了內(nèi)環(huán)控制采用滯環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為1.8～2.4 N﹒m，脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩?zé)o明顯的尖峰出現(xiàn)，說明換相電流平滑，轉(zhuǎn)矩在小范圍內(nèi)有脈動(dòng)。

      以下分別給出了此轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在速度為1000rpm和100rpm下，A相下的起動(dòng)及穩(wěn)定階段時(shí)的相電流、相磁鏈、相自轉(zhuǎn)矩、相互轉(zhuǎn)矩、相總轉(zhuǎn)矩波形圖。

      圖5中，左邊為起動(dòng)階段，右邊為穩(wěn)定階段，其中右側(cè)縱坐標(biāo)與左側(cè)對應(yīng)一致。從上到下分別為A相電流、相磁鏈、相自轉(zhuǎn)矩、相互轉(zhuǎn)矩、相總轉(zhuǎn)矩波形圖。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，相轉(zhuǎn)矩大，而且在1000rpm和100rpm下起動(dòng)相轉(zhuǎn)矩均能達(dá)到20N.m；穩(wěn)定時(shí)，相電流保持，而且跟蹤相磁鏈變化趨勢。根據(jù)TDF控制算法，產(chǎn)生各相控制輸出電流i_ref來控制各相輸出相應(yīng)的輸出電流i_out，圖6給出了在給定1000rpm和100rpm下的各相輸出電流跟蹤輸入電流的誤差波形，由于互感與轉(zhuǎn)子位置和相電流有關(guān)，導(dǎo)致各相電流跟蹤誤差幅值不等。高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，電流跟蹤特性較差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大，起動(dòng)階段跟蹤誤差最大，脈動(dòng)相應(yīng)最大；低速運(yùn)轉(zhuǎn)下，電流跟蹤特性相對高速下良好，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，輸出平均轉(zhuǎn)矩也較高速下小。

5  結(jié)論

      本文在建立SRM模型中考慮了互感的影響，而且和直接轉(zhuǎn)矩控制、直接電流滯環(huán)控制的轉(zhuǎn)矩波形進(jìn)行對比，通過仿真結(jié)果分析，基于此種TDF的SRM控制系統(tǒng),可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這對于SRM在小功率范圍內(nèi)應(yīng)用的推廣很有實(shí)際的指導(dǎo)意義，而且相對傳統(tǒng)的控制方法，在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上具有明顯的優(yōu)勢。