基于12扇區(qū)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制脈動(dòng)抑制研究*

何昆侖， 許愛(ài)德， 曹玉昭， 王雪松

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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基于12扇區(qū)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制脈動(dòng)抑制研究*

何昆侖， 許愛(ài)德， 曹玉昭， 王雪松

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提出了基于12扇區(qū)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制方法，將扇區(qū)進(jìn)行重新劃分并對(duì)電壓矢量表進(jìn)行重新分配，以一臺(tái)三相12/8極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為控制對(duì)象，通過(guò)與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案進(jìn)行仿真與試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果證明，新方案對(duì)于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)紋波具有顯著效果。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)； 扇區(qū)劃分； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)與傳統(tǒng)交流電機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、機(jī)械效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]。但SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大是不爭(zhēng)的事實(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大導(dǎo)致的電機(jī)噪聲和振動(dòng)，惡化了電機(jī)的低速性能，引起傳動(dòng)系統(tǒng)軸系振蕩，嚴(yán)重的還會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)的損壞，阻礙了SRM在許多領(lǐng)域如伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，一定程度上限制了SRM的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域[2]。

根據(jù)文獻(xiàn)研究，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從兩個(gè)方面進(jìn)行減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究： 一是優(yōu)化電機(jī)的本體設(shè)計(jì)[3]；二是在電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定的情況下，通過(guò)優(yōu)化控制策略減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4-5]。

SRM傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)是基于轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)的bang-bang控制，傳統(tǒng)DTC選擇的非零基本電壓矢量只有6種，而且空間上分布間隔60°，大多數(shù)情況下選擇的電壓矢量并不是改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩正好需要的矢量，使得電壓矢量作用于定子磁鏈后，磁鏈發(fā)生階躍式變化，必然導(dǎo)致脈動(dòng)紋波大的問(wèn)題。

本文提出了一種基于12扇區(qū)SRM的DTC方法，將扇區(qū)進(jìn)行細(xì)分，重新設(shè)計(jì)空間電壓矢量表，并通過(guò)仿真驗(yàn)證，對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制具有明顯效果。

1 12扇區(qū)SRM的DTC系統(tǒng)

1.1 理論依據(jù)

DTC的思想最初由英國(guó)學(xué)者Poramaste Jinupun[6]提出，即通過(guò)繞組結(jié)構(gòu)的變化，形成一個(gè)類似于傳統(tǒng)交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)采用空間電壓矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。后來(lái)日本學(xué)者Adrian David Cheok和Yusuke Fukuda[7]采用類似感應(yīng)電機(jī)DTC的方法，將DTC應(yīng)用于普通SRM，日本學(xué)者Hai-Jiao Guo[8]又對(duì)其不同于感應(yīng)電機(jī)DTC的概念作了進(jìn)一步說(shuō)明。

SRM的轉(zhuǎn)矩可以表示為

(1)

由式(1)可得，通過(guò)控制磁鏈變化率的極性，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。這樣SRM的DTC控制方法可定義為[9]

(1) 定子磁鏈幅值保持一個(gè)常值；

(2) 轉(zhuǎn)矩由加速或減速定子磁鏈?zhǔn)噶縼?lái)控制。

上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)類似異步電動(dòng)機(jī)DTC的方法，均是通過(guò)控制電壓矢量來(lái)控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。因此，空間電壓矢量的產(chǎn)生是問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 12空間電壓矢量的產(chǎn)生

以12/8極電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)三相繞組相互獨(dú)立，根據(jù)繞組上的電壓不同可以分為三種工作狀態(tài)： 正電壓、負(fù)電壓及零電壓狀態(tài)，具體如圖1所示。

圖1 SRM的三種工作狀態(tài)

圖2 基本空間電壓矢量圖

在忽略電阻壓降的情況下，一相電壓和磁鏈的關(guān)系近似為u≈dΨ/dt，即

Ψ=∫udt

(2)

從積分的角度考慮，將式(2)中的磁鏈和電壓看作線性關(guān)系，即可表示為

ΔΨ=uΔT

(3)

則

Ψi+1=Ψi+ΔΨ

(4)

根據(jù)磁鏈與電壓矢量的關(guān)系(見(jiàn)圖3)，以0扇區(qū)為例，在磁鏈滯環(huán)作用內(nèi)，磁鏈要想增加，可以選擇基本電壓矢量U2，如圖4所示，內(nèi)圓為磁

圖3 磁鏈與電壓矢量的關(guān)系

圖4 SRM滯環(huán)磁鏈控制圓

鏈滯環(huán)的下限，外圓為磁鏈滯環(huán)的上限。

根據(jù)式(1)可知，轉(zhuǎn)矩的控制是通過(guò)使定子磁鏈相對(duì)轉(zhuǎn)子位置超前或滯后來(lái)控制的。因此，以電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，如果需要轉(zhuǎn)矩增加，則需要選擇使定子磁鏈相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向超前的電壓矢量。反之，如果需要轉(zhuǎn)矩減小，則需要選擇使定子磁鏈相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向滯后的電壓矢量。根據(jù)這個(gè)控制規(guī)則，結(jié)合不同扇區(qū)下不同空間電壓矢量對(duì)磁鏈關(guān)系，制作了電壓矢量選擇表，如表1所示。ΨQ為0時(shí)，代表合成磁鏈需要減?。沪稱為1時(shí)，合成磁鏈需要增加。同樣，TQ為0時(shí)，代表轉(zhuǎn)矩需要減小；TQ為1時(shí)轉(zhuǎn)矩需要增加。

表1 電壓矢量選擇表

1.3 基本電壓矢量的優(yōu)化

2 仿真分析

本文采用MATLAB/Simulink軟件工具對(duì)傳統(tǒng)DTC方案與改進(jìn)型DTC方案分別進(jìn)行了仿真對(duì)比。系統(tǒng)框圖如圖5所示，主要包括電壓矢量控制器、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器、磁鏈觀測(cè)器、扇區(qū)判斷及功率變換器五個(gè)部分。以一臺(tái)三相12/8極SRM為仿真對(duì)象，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和給定磁鏈分別取為10N·m和0.3Wb。為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，定義紋波轉(zhuǎn)矩的峰峰值ΔTPP與平均轉(zhuǎn)矩Tav的比值為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)TRF[11]，即

(2)

圖5 SRM的DTC系統(tǒng)框圖

圖6為采用12個(gè)基本電壓矢量控制后的磁鏈波形，可知磁鏈軌跡是一圓形，磁鏈幅值變化被限定在滯環(huán)寬度內(nèi)，從而降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大對(duì)電機(jī)的損害。

圖6 磁鏈波形

圖7(a)為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)波形圖，給定轉(zhuǎn)速為800r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10N·m。從圖7(a)中可看出,起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較穩(wěn)定，接近給定轉(zhuǎn)速直至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)紋波開(kāi)始明顯增大。圖7(b)為12扇區(qū)下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)波形圖，無(wú)論是電機(jī)由起動(dòng)到速度達(dá)到穩(wěn)定過(guò)程中，還是穩(wěn)速運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基本上維持不變，而且脈動(dòng)不大。

圖7 DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)仿真圖

根據(jù)仿真波形，由式(2)算得傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為

(3)

12扇區(qū)下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為

(4)

圖8(a)為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的波形圖。從圖8(a)可看出，轉(zhuǎn)速在0.4s開(kāi)始從 800r/min 增加到1000r/min，轉(zhuǎn)矩也在0.4s開(kāi)始突增，突增時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)紋波明顯增大，轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)紋波相對(duì)800r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)紋波有所增加，可以得出，接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，脈動(dòng)紋波越大。圖8(b)為12扇區(qū)下轉(zhuǎn)矩突增波形圖。從圖8(b)可看出，轉(zhuǎn)矩在突增直至達(dá)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定1000r/min時(shí)，脈動(dòng)紋波也很小，不隨轉(zhuǎn)矩突變而增加，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。

圖8 轉(zhuǎn)矩突變時(shí)仿真波形

3 結(jié) 語(yǔ)

采用12扇區(qū)SRM的DTC，通過(guò)對(duì)扇區(qū)的重新劃分，重新分配空間電壓矢量表，在保證電機(jī)可靠運(yùn)行的情況下，有效控制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈，改善了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，同時(shí)保持了傳統(tǒng)DTC快速響應(yīng)特性和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)DTC方法中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，有效地控制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。

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Research of Switched Reluctance Motor Direct Torque Control Ripple Reduction Based on Twelve Sector Division*

HEKunlun,XUAide,CAOYuzhao,WANGXuesong

(College of Information and Science Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To overcome the disadvantage of the large torque ripple in traditional direct torque control (DTC) of switched reluctance motors (SRM), switched reluctance motor control method based on 12 sectors was presented. Sector would be re-divided and voltage vector table was distributed. A 12 /8 pole 3 phase switched reluctance motor was designed to facilitate the verification of the correctness and validity of the proposed method. The simulations and experiment of analyzing the direct controlling torque were carried out for the proposed method and the traditional one. The results demonstrated that the proposed scheme was valid for restraining torque ripple.

switched reluctance motor(SRM); sector division; direct torque control(DTC); torque ripple factor

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51407021)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3132015214)

何昆侖(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

許愛(ài)德(1974—)，女，博士研究生，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。

TM 352

A

1673-6540(2016)10- 0019- 05

2016-03-24