軸向疊片磁阻同步電機模糊控制研究

陳學珍

(湖北理工學院，黃石 435003)

0 引 言

軸向疊片各向異性(以下簡稱ALA)磁阻同步電機疊片與疊片之間用非導(dǎo)磁導(dǎo)電材料填充，盡可能增大直軸電感，減小交軸電感，即提高凸極比(Ld/Lq)。高凸極比使電機又具有高效、高功率因數(shù)的特點[1，2]，受到國內(nèi)外不少學者的青睞。文獻[3]研究了ALA轉(zhuǎn)子電機開環(huán)VVVF變頻起動存在振蕩，采用轉(zhuǎn)子軸上加機械慣性阻尼器的方法抑制振蕩，有較好的效果。文獻[4]采用直接轉(zhuǎn)矩控制，獲得了較好的起動性能，但Bang-Bang控制不可避免地導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動。因為ALA轉(zhuǎn)子電機直軸電感Ld受氣隙磁場飽和影響較大，氣隙磁場越飽和，Ld越小，凸極比越小，要想精確控制ALA轉(zhuǎn)子電機，必須考慮電機參數(shù)變化的影響，這樣勢必給控制系統(tǒng)帶來一定困難，而模糊控制不依賴于電機參數(shù)，正好可以解決此問題。因此本文對ALA轉(zhuǎn)子電機進行模糊矢量控制研究。

1 ALA轉(zhuǎn)子電機數(shù)學模型

ALA電機轉(zhuǎn)子由高導(dǎo)磁冷軋硅鋼片疊制而成，定子與交流異步電機相同，圖1是4極ALA轉(zhuǎn)子實物圖，圖2是轉(zhuǎn)子截面圖。

圖1 4極ALA轉(zhuǎn)子實物圖

圖2 ALA轉(zhuǎn)子截面圖

ALA轉(zhuǎn)子電機在d,q參照系下的動態(tài)數(shù)學模型表達式：

式中：p為微分算子；Ld為直軸電感；Lq為交軸電感；ω為轉(zhuǎn)子電角速度；id為直軸電流；iq為交軸電流；ud為直軸電壓；uq為交軸電壓。

電磁轉(zhuǎn)矩方程式：

式中：p為極對數(shù)；T為電磁轉(zhuǎn)矩。

運動方程式：

式中：TL為負載轉(zhuǎn)矩；B為機械粘性摩擦阻尼系數(shù)；Ω為機械角速度；J為轉(zhuǎn)動摜量。

為實現(xiàn)電機快速起動，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。定子電流軌跡為id=iq。在極限電流islim限制下，定子綜合電流is應(yīng)滿足表達式:

2 模糊控制器設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

圖3 系統(tǒng)原理框圖

2.2 模糊控制器的控制規(guī)則設(shè)計

1) ifedis NB，thenudis NB;

2) ifedis NM，thenudis NM;

3) ifedis NS，thenudis NS;

4) ifedis Z，thenudis Z;

5) ifedis PS，thenudis PS;

6) ifedis PM，thenudis PM;

7) ifedis PB，thenudis PB;

ed和ud隸屬度函數(shù)分別如圖4和圖5所示。

圖4 ed隸屬度函數(shù)

圖5 ud隸屬度函數(shù) 同理，模糊控制器2的隸屬度函數(shù)分別如圖6和圖7所示。

圖6 eq隸屬度函數(shù)

圖7 uq隸屬度函數(shù)

3 仿真和實驗結(jié)果

在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了仿真模型，隸屬度函數(shù)用S函數(shù)描述。初始時刻電機加載2 N·m，運行到1 s時刻突加負載到14 N·m，運行至2 s時刻突減負載到12 N·m。仿真樣機主要參數(shù)如下：額定電壓為380 V，額定電流為5 A，額定功率為2.2 kW，轉(zhuǎn)動慣量為0.007 kg·m2，轉(zhuǎn)子電阻為2.5 Ω，直軸電感Ld為345 mH，交軸電感Lq為38 mH，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，突然加大負載，電機有短時間微小的振動，突然減小負載對電機基本沒影響。設(shè)計的模糊控制器有較好的抗擾動性能。穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩幾乎沒有脈動。

(a) 電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 三相電流

(c) 轉(zhuǎn)速

實驗系統(tǒng)采用TI公司TMS320F2812為控制器

的核心處理芯片，實驗結(jié)果如圖9所示。圖9(a)是空載運行速度曲線，縱軸每格對應(yīng)1 630 r/min，橫軸每格對應(yīng)1 s；圖9(b)是一相空載穩(wěn)態(tài)電流波形，縱軸每格對應(yīng)1 A，橫軸每格對應(yīng)5 ms。由圖9可見，電機有良好的空載起動和穩(wěn)定運行性能。仿真和實驗結(jié)果表明所設(shè)計的模糊控制器是合理和有效的。

(a) 空載運行速度曲線

(b) 一相空載穩(wěn)態(tài)電流波形

4 結(jié) 語

本文分別設(shè)計了適合ALA轉(zhuǎn)子電機直軸電流和交軸電流誤差控制的隸屬度函數(shù)及對應(yīng)輸出的直軸電壓和交軸電壓隸屬度函數(shù)，建立了模糊控制系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型。仿真結(jié)果表明，ALA轉(zhuǎn)子電機采用模糊控制，改善了電機的起動性能，提高了抗擾動能力，減小了轉(zhuǎn)矩脈動，實驗結(jié)果表明了設(shè)計的合理和有效性。