基于電流滯環(huán)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方法

黃 輝,程寧寧,胡 楊,趙德勇,汪 磊,王永生

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 宣城供電公司，宣城 242000)

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基于電流滯環(huán)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方法

黃 輝1,程寧寧2,胡 楊1,趙德勇1,汪 磊1,王永生1

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 宣城供電公司，宣城 242000)

在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中電流斬波控制和角位置控制是最常用的主要有兩種控制方式。介紹了一種電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方法。通過(guò)設(shè)定滯環(huán)環(huán)寬，將電機(jī)相電流控制在給定電流上、下一個(gè)環(huán)寬內(nèi)，這樣既可及時(shí)迅速地跟蹤給定的電流，避免電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電流過(guò)大現(xiàn)象，又能快速地響應(yīng)外環(huán)轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制電機(jī)。內(nèi)環(huán)采用新型的滯環(huán)電流控制后，簡(jiǎn)單有效地解決了傳統(tǒng)控制策略中電流斬波動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、角位置控制復(fù)雜的弊端。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；電流滯環(huán)；控制策略

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)交、直流調(diào)速系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn),是繼交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)后的一種新型無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)[1]。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SRM)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極形式，轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組又無(wú)永磁體,通過(guò)硅鋼片疊壓而成，繞有簡(jiǎn)單的集中式繞組的疊壓而成硅鋼片構(gòu)成了定子。因此，SRM在結(jié)構(gòu)上具有簡(jiǎn)單牢固的特性，運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，對(duì)環(huán)境要求低且成本低廉；控制上具有較廣調(diào)速范圍、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、較小的起動(dòng)電流等，這些優(yōu)勢(shì)決定了SRM在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的運(yùn)用。

SRM的控制策略大多采用角位置控制和電流斬波控制[2]。角位置控制不足之處在于低速性能不好，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)因?yàn)殡姼械淖兓鴾p少，因此電流的峰值會(huì)增大，需要進(jìn)行限流處理。角位置控制過(guò)程中，開(kāi)關(guān)元器件在導(dǎo)通期間會(huì)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，相電流大小是不可以調(diào)控的，相應(yīng)的電流變化率很大，對(duì)開(kāi)通角和關(guān)斷角的變化影響較大，同樣在控制上存在一定的困難。同時(shí)，針對(duì)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩所確定的某一運(yùn)行時(shí)刻，開(kāi)通角和關(guān)斷角的組合形式是多種多樣，不同的組合形式對(duì)應(yīng)著不同的特性，具體控制起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，且結(jié)果很難達(dá)到預(yù)定的效果。因此，角位置控制更適合在短時(shí)間內(nèi)電流快速達(dá)到給定值[3-5]。

對(duì)于電流斬波控制，電流是鋸齒狀，當(dāng)速度降低時(shí)，功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率將會(huì)隨之增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也會(huì)隨著增大，造成的振動(dòng)與噪聲也會(huì)變得嚴(yán)重。除此之外，還存在著動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，輸出轉(zhuǎn)矩因電流限幅而受限，無(wú)法快速的響應(yīng)擾動(dòng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)速突變[6-7]。

本文介紹一種電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的SRM控制方法。這種控制方式具有以下優(yōu)勢(shì)：1)起動(dòng)時(shí)能限流起動(dòng)，減小由于起動(dòng)電流過(guò)大對(duì)控制器及電機(jī)造成的沖擊；2)縮短了起動(dòng)、停車(chē)時(shí)間，起動(dòng)時(shí)采用大電流起動(dòng)，停車(chē)時(shí)同樣也采用大電流停車(chē)；這樣實(shí)現(xiàn)了快速的起動(dòng)、停車(chē)； 3)采用內(nèi)環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機(jī)相電流能夠快速地跟隨電流給定值，可以得到平穩(wěn)的電流波形，電流平穩(wěn)，縮小控制器的容量，提高電機(jī)的效率;4)有效地降低SRM的噪聲。

1 數(shù)學(xué)模型

圖1是SRM的控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖，它包括主電路和控制電路兩部分。

圖1 SRM控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖

在忽略漏磁的情況下，磁通全部由氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子，由于鐵心磁導(dǎo)率可視為無(wú)窮大，鐵心表面可視為等磁位面，故氣隙磁通與定、轉(zhuǎn)子極弧表面垂直，在這種情況下，氣隙磁導(dǎo)僅由定轉(zhuǎn)子相互重疊部分的弧角度大小所決定，是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)[8]。如圖2所示，可看出電感也是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)，因?yàn)殡姼信c磁導(dǎo)成正比。

圖2 SRM線性電感特性

當(dāng)轉(zhuǎn)子極運(yùn)轉(zhuǎn)到定子兩極中間時(shí)，此時(shí)有最小的氣隙磁導(dǎo)，最小的電感值Lmin；轉(zhuǎn)子極運(yùn)轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極弧與定子極弧重合的過(guò)程中，繞組電感值隨著轉(zhuǎn)子位置角θ的增加而線性增大；當(dāng)完全重合時(shí)，電感有最大值Lmax。在重合區(qū)間，電感保持最大值不變。當(dāng)轉(zhuǎn)子極繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，位置角θ繼續(xù)增大，定子極弧與轉(zhuǎn)子極弧的重疊部分將逐漸地線性減小，對(duì)應(yīng)的電感也將隨之減小。此過(guò)程，電感值L(θ)和位置角θ的變化關(guān)系如圖2所示，則理想電感可表示：

(1)

式中：k為一系數(shù)。

設(shè)SRM的相電壓為u，相電阻為R，相電流為i,則相電壓方程：

(2)

(3)

式中:ψ為磁鏈;e為相電動(dòng)勢(shì)。

每相繞組的電磁功率：

(4)

根據(jù)量綱關(guān)系易知：

(5)

2 換流模式分析

實(shí)驗(yàn)中以四相8/6極SRM為平臺(tái)，現(xiàn)就此平臺(tái)分析換流模式。采用兩相導(dǎo)通星形兩相四狀態(tài)控制模式，每一時(shí)刻都有兩相導(dǎo)通。以A，D相導(dǎo)通為例進(jìn)行環(huán)流模式分析，A相橋臂處于調(diào)制狀態(tài)，D相下管處于常通狀態(tài)，C相上下管全部關(guān)斷。

圖3為電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)下采用滯環(huán)控制的瞬時(shí)電流波形。ih為滯環(huán)環(huán)寬，iref為電流給定值。t0時(shí)刻，ia達(dá)到滯環(huán)的下限值，S0導(dǎo)通，ia逐漸增大。當(dāng)ia=iref時(shí)，滯環(huán)控制器HBC仍輸出高電平，S0持續(xù)導(dǎo)通，ia繼續(xù)增大，直到t1時(shí)刻，ia=iref+ih/2，滯環(huán)輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，S0關(guān)斷；由于電機(jī)繞組的存在，電流通過(guò)D1續(xù)流，ia逐漸減小。直到t2時(shí)刻，ia=iref-ih/2，滯環(huán)輸出再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，再次使S0導(dǎo)通。這樣S0與D1交替導(dǎo)通，S3處于常通狀態(tài)，使輸出電流ia與給定值iref的差值保持在±ih/2范圍內(nèi)。

圖3 電動(dòng)狀態(tài)下滯環(huán)控制的瞬時(shí)電流波形

圖4(a)為電動(dòng)狀態(tài)下A上D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動(dòng)勢(shì)平衡方程：

(6)

式中:U為直流側(cè)電壓，對(duì)應(yīng)圖3中t2～t3時(shí)段，S0導(dǎo)通，電流增大。

圖4(b)為電動(dòng)狀態(tài)下A下D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動(dòng)勢(shì)平衡方程：

(7)

對(duì)應(yīng)圖3中t3～t4時(shí)段，D1導(dǎo)通，電流減小。

圖4(c)為電動(dòng)狀態(tài)下A下D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動(dòng)勢(shì)平衡方程：

(8)

這種模式工作在換相的過(guò)程，目的是快速減小換相電流，抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，從而達(dá)到降低開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)噪聲。

(a) 電動(dòng)狀態(tài)下S0,S7導(dǎo)通拓?fù)?/p>

(b) 電動(dòng)狀態(tài)下D1,S7導(dǎo)通拓?fù)?/p>

(c) 電動(dòng)狀態(tài)下D1,D6導(dǎo)通拓?fù)?/p>

圖4 電動(dòng)狀態(tài)下的電流換相模式

3 控制策略

圖5是內(nèi)環(huán)采用電流滯環(huán)控制雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖[9]，KT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖5 電流滯環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖5的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)具有良好的抗干擾能力，則按照典型Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇PI調(diào)節(jié)器[10-12]，外環(huán)控制規(guī)律：

(9)

式中:Knp,Kni分別為轉(zhuǎn)速外環(huán)比例、積分系數(shù)。

電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，得到電流的給定值iref，通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行比較，系統(tǒng)直接輸出高電平或低電平，使電流迅速跟蹤給定電流。電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。電流滯環(huán)控制的A相原理圖如圖6所示。

圖6 電流滯環(huán)控制的A相原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中用到的控制芯片是Freescale的DSPMC56F8037；電機(jī)是四相8/6極SRM，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖7是SRM空載起動(dòng)的波形。從圖7中可以看出，電機(jī)空載時(shí)以最大電流起動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到設(shè)定的給定值，隨后電流、轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。

圖7 電流滯環(huán)控制下SRM空載起動(dòng)波形(截圖)

圖8是在40%的額定負(fù)載下，電流滯環(huán)控制模式下不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)相電流波形。從圖8可以看出，隨著給定轉(zhuǎn)速的增大，由于采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方法，電機(jī)相電流幅值隨著增大。在電機(jī)從C，D相導(dǎo)通切換到A，D相導(dǎo)通的換相過(guò)程中，為了快速使換相電流降低，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，采用了圖4(c)的拓?fù)?，但這種方法對(duì)D相的電流造成波動(dòng)。從圖中可以看出，隨著電機(jī)相電流的增大，這種波動(dòng)越來(lái)越明顯。

(a) n=300 r/min

(b) n=600 r/min

(c) n=1 000 r/min

圖9是北京某公司生產(chǎn)的SRM控制器，在40%的額定負(fù)載下，角位置控制模式下不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)相電流波形。從圖9中可以看出，在換相的過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，相電流的波動(dòng)會(huì)越來(lái)越明顯，造成了轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，產(chǎn)生較大的噪聲污染。

(a) n=300 r/min

(b) n=600 r/min

(c) n=1 000 r/min

表1 噪聲對(duì)比實(shí)驗(yàn)

表1中，控制器1是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用到的，控制器2是北京某公司生產(chǎn)的，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中負(fù)載為40%的額定負(fù)載，硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。

圖10 北京某公司生產(chǎn)的SRM控制器

圖11 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文將滯環(huán)控制應(yīng)用于SRM調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制上，結(jié)合轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI調(diào)節(jié)控制，構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。得出以下結(jié)論：

(1)在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，能保持較大電流快速起動(dòng)；在電機(jī)空載和帶載情況下，能保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；在電機(jī)調(diào)速過(guò)程中，能夠更迅速地完成調(diào)速過(guò)程，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

(2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用內(nèi)環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機(jī)相電流能夠快速地跟隨電流給定值，得到平穩(wěn)的電流波形。

(3)SRM一直存在噪聲的問(wèn)題，通過(guò)噪聲的對(duì)比試驗(yàn)，這種控制策略在降低SRM的噪聲有了很好的效果。

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The Method of Switched Reluctance Motor Based on The Current Hysteresis Control

HUANG Hui1,CHENG Ning-ning2,HU Yang1,ZHAO De-yong1,WANG Lei1,WANG Yong-sheng1

(1.Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.State Grid Electric Power Company of Anhui Xuancheng Power Supply Company，Xuangcheng 318020，China)

There are two most common methods, current chopping control and angular position control in the switched reluctance motor control system. The control method of switched reluctance motor with a current hysteresis control was introduced. Compared with a given current, the motor phase current wias controlled within a certain ring width by setting the hysteresis loop width. It can quickly track the given current to avoid that electrical current during startup is too large, and can quickly respond to changes in the rotational speed of the outer ring to achieve fast and stable control of the motor. After using the new inner hysteresis current control, it is a simple and effective solution for problems of the traditional control strategy such as slow chopping current dynamic response and complicated angular position control drawbacks.

switched reluctance motor； current hysteresis； control strategy

2015-02-04

TM352

A

1004-7018(2016)02-0071-04