劉占千, 唐 靜, 楊燕翔, 王 軍, 宋瀟瀟

(西華大學(xué)，成都 610039)

一種改進的開關(guān)磁阻電機模糊自適應(yīng)直接轉(zhuǎn)矩控制

劉占千, 唐 靜, 楊燕翔, 王 軍, 宋瀟瀟

(西華大學(xué)，成都 610039)

利用傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，會導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機穩(wěn)態(tài)定子電流幅值大，電機銅耗增加。基于模糊自適應(yīng)技術(shù)，研究了一種磁鏈自適應(yīng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，通過建立給定定子磁鏈與轉(zhuǎn)速之間的聯(lián)系，實現(xiàn)磁鏈的自動調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果證明，該控制方法能有效減小穩(wěn)態(tài)時定子電流，轉(zhuǎn)矩脈動顯著降低。

開關(guān)磁阻電機；磁鏈自適應(yīng)；直接轉(zhuǎn)矩控制；模糊自適應(yīng)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)具有結(jié)構(gòu)堅固、簡單，調(diào)速范圍寬，控制系統(tǒng)靈活，效率高，動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，是具有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姍C[1]。但SRM自身的雙凸極結(jié)構(gòu)以及非線性鐵心磁路導(dǎo)致其存在明顯的瞬時轉(zhuǎn)矩脈動，如何有效地抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動已成為各國學(xué)者研究的熱點。

直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)作為一種優(yōu)良的靜動態(tài)交流調(diào)速方法，可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動，已應(yīng)用到SRM控制[2-3]。文獻[4-5]分別研究了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙閉環(huán)DTC用于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但給定參考磁鏈對控制系統(tǒng)的影響未進行深入地分析。文獻[6]提出一種變磁鏈三閉環(huán)調(diào)速控制方法以減小定子電流幅值，但調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)復(fù)雜且實現(xiàn)困難。文獻[7]基于變磁鏈方法，分析并建立給定定子磁鏈與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，減小了系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動，但該方法要進行大量數(shù)據(jù)測量，且需要進行線性函數(shù)擬合，擬合表達式存在一定誤差。以上變磁鏈控制方法均缺乏實驗驗證。

本文基于模糊自適應(yīng)技術(shù)，研究了一種磁鏈自適應(yīng)DTC方法，通過建立給定定子磁鏈與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，實現(xiàn)了磁鏈的自動調(diào)節(jié)。該方法具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強的優(yōu)點，減小了穩(wěn)態(tài)定子電流，轉(zhuǎn)矩脈動顯著降低。最后通過搭建實物平臺，在一臺11 kW三相12/8 SRM上對此方法進行了有效驗證。

1 SRM的基本數(shù)學(xué)方程

SRM定子相繞組兩端電壓值，等于繞組上的電阻壓降和由磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢之和，即:

(1)

式中：U，i，R分別為定子相電壓、相電流、相電阻;θ為轉(zhuǎn)子位置角;相繞組磁鏈Ψ(i,θ)為相電流i和轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)。

當(dāng)電機定子繞組通電時，會產(chǎn)生熱能消耗，即銅耗pc，可表示:

(2)

SRM的瞬時轉(zhuǎn)矩T:

(3)

由式(3)可知，瞬時轉(zhuǎn)矩T是關(guān)于磁鏈對位置角的導(dǎo)數(shù)以及電流的函數(shù)。

2 傳統(tǒng)定磁鏈模糊DTC方案

模糊控制本質(zhì)上是一種非線性控制，具有較強的魯棒性，當(dāng)對象參數(shù)變化時有較強的適應(yīng)性，因此，在非線性、變結(jié)構(gòu)的SRM中引入模糊控制能夠改善其調(diào)速性能[9,12]。圖1為基于模糊自適應(yīng)控制的SRM定磁鏈DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，具體的控制思路：轉(zhuǎn)速誤差e和誤差的變化率ec經(jīng)過量化因子的變換，輸入到模糊控制器中，得到三個修正參數(shù):ΔKp,ΔKi,ΔKd，修正參數(shù)與速度調(diào)節(jié)器中PID控制的初始參數(shù)相加，實現(xiàn)實時調(diào)整PID參數(shù)的目的，最終輸出滿足SRM系統(tǒng)要求的參考轉(zhuǎn)矩Tref[8,10-11]。

圖1 傳統(tǒng)定磁鏈模糊自適應(yīng)DTC結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，傳統(tǒng)定磁鏈DTC在調(diào)速過程中磁鏈幅值固定不變，電機相電流幅值的大小與給定磁鏈大小密切相關(guān)，磁鏈微小變化都將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和電流的較大波動。經(jīng)過大量仿真實驗，針對具體SRM，可以測出給定磁鏈幅值的變化范圍。圖2、圖3是實驗電機在定子磁鏈分別為0.285Wb和0.45Wb時轉(zhuǎn)速、電流以及轉(zhuǎn)矩變化波形。

(a)轉(zhuǎn)速及電流波形

(b)轉(zhuǎn)矩波形

圖2波形分析可得，若磁鏈不足，當(dāng)電機起動時，轉(zhuǎn)速低且轉(zhuǎn)矩大，起動沖擊電流會增大，轉(zhuǎn)矩脈動也會增大，隨著轉(zhuǎn)速不斷上升，電流變化趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩脈動逐漸減小。穩(wěn)態(tài)時，電流幅值較小，轉(zhuǎn)矩脈動小，由式(2)可知，電機銅耗較小。

(a)轉(zhuǎn)速及電流波形

(b)轉(zhuǎn)矩波形

圖3波形分析可得，若磁鏈飽和，起動時電流波形穩(wěn)定，起動轉(zhuǎn)矩大且脈動小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。當(dāng)電機穩(wěn)定運行時，電流幅值較大，轉(zhuǎn)矩脈動增大，電機銅耗增大。

3 磁鏈模糊自適應(yīng)DTC方案

傳統(tǒng)定磁鏈DTC無法實現(xiàn)在減小轉(zhuǎn)矩脈動的同時減小穩(wěn)態(tài)電流，故需要調(diào)整磁鏈幅值，使其在調(diào)速過程中隨著系統(tǒng)的變化而改變。因此，需找到調(diào)速過程中磁鏈的變化規(guī)律。

傳統(tǒng)DTC技術(shù)的思想是給定固定的定子磁鏈幅值，通過調(diào)整定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的相角來控制轉(zhuǎn)矩的增減，將轉(zhuǎn)矩控制在給定范圍。DTC技術(shù)實質(zhì)是對轉(zhuǎn)矩的控制，而磁鏈才是控制的核心。由此分析，轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律應(yīng)該與磁鏈的變化規(guī)律一致。依據(jù)參考轉(zhuǎn)矩的生成方法，本文通過調(diào)節(jié)速度的偏差，實現(xiàn)磁鏈的自動調(diào)節(jié)。磁鏈調(diào)節(jié)的表達式:

(4)

式中：ψ為可變參考磁鏈；ψmin為給定最小參考磁鏈；K為調(diào)節(jié)系數(shù)；Δe為轉(zhuǎn)速差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)。

磁鏈調(diào)節(jié)實質(zhì)為PI調(diào)節(jié)，引入磁鏈調(diào)節(jié)器的DTC系統(tǒng)，其控制參數(shù)復(fù)雜，實時性要求高，本文將模糊自適應(yīng)技術(shù)與PI控制相結(jié)合，構(gòu)成模糊磁鏈自適應(yīng)DTC系統(tǒng)。圖4為模糊磁鏈自適應(yīng)DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，參考磁鏈由速度偏差經(jīng)過模糊控制器調(diào)節(jié)后生成，實現(xiàn)了磁鏈的實時在線調(diào)整。

圖4 模糊磁鏈自適應(yīng)DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 仿真與實驗結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

在MATLAB/Simulink中搭建系統(tǒng)模型，表1為實驗電機主要參數(shù)。

在模糊磁鏈自適應(yīng)DTC調(diào)速系統(tǒng)中，給定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，在0.5 s時，施加負載轉(zhuǎn)矩TL=10 N·m，速度、磁鏈調(diào)節(jié)器初始參數(shù)如表2所示。電流及轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖5所示，磁鏈空間軌跡如圖6所示。

表1 實驗電機主要參數(shù)

(a)轉(zhuǎn)速及電流波形

(b)轉(zhuǎn)矩波形

表2 速度、磁鏈調(diào)節(jié)器初始參數(shù)

圖6 磁鏈空間矢量軌跡

表3 電流及轉(zhuǎn)矩性能指標(biāo)

由上述仿真結(jié)果及圖表分析可得，模糊磁鏈自適應(yīng)DTC調(diào)速系統(tǒng)，通過對速度偏差進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了磁鏈的自動調(diào)節(jié)。在電機剛起動轉(zhuǎn)速低時，磁鏈幅值較大，電流波形穩(wěn)定，從而充分抑制了轉(zhuǎn)矩脈動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速不斷上升，磁鏈幅值隨之不斷減小，在充分抑制轉(zhuǎn)矩脈動的同時也減小了定子電流，從而降低了電機銅耗。

圖7為加入負載轉(zhuǎn)矩后穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。選擇最優(yōu)給定磁鏈0.34 Wb，定磁鏈DTC方式轉(zhuǎn)矩脈動為9.8～12.7 N·m，而模糊磁鏈自適應(yīng)DTC方式下，轉(zhuǎn)矩脈動為10.8～12.3 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動降低了2%。

圖7 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波形

4.2 實驗結(jié)果

為驗證本文研究內(nèi)容以及仿真結(jié)果的正確性，搭建了系統(tǒng)實驗平臺，控制器采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812作為主控制芯片。圖8為系統(tǒng)實驗裝置，包括實驗電機、控制系統(tǒng)硬件裝置等。

圖8 系統(tǒng)實驗裝置

實驗電機在轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min條件下空載運行，實測電流波形如圖9所示。其中圖9(a)、圖9(b)分別為給定定子磁鏈0.285 Wb,0.45 Wb時的電流波形，圖9(c)為模糊變磁鏈條件下時電流波形。由實驗波形可得，實測電流波形與仿真波形基本吻合，說明模糊變磁鏈DTC方法可以有效減小穩(wěn)態(tài)時定子電流幅值。

(a)給定磁鏈0．285Wb時(b)給定磁鏈0．45Wb時

(c)模糊變磁鏈條件下

電機平穩(wěn)運行后，加負載轉(zhuǎn)矩TL=10 N·m，圖10為實測轉(zhuǎn)矩波形圖，給定定子磁鏈為0.34 Wb，由實驗波形可得，模糊磁鏈自適應(yīng)DTC方法可以有效減小轉(zhuǎn)矩脈動。

圖10 實測轉(zhuǎn)矩波形

5 結(jié) 語

本文針對傳統(tǒng)定磁鏈DTC系統(tǒng)中定子電流幅值過大的問題，研究了一種模糊磁鏈自適應(yīng)DTC方法，通過搭建給定定子磁鏈與轉(zhuǎn)速之間的聯(lián)系，實現(xiàn)了磁鏈的自動調(diào)節(jié)。仿真和實驗結(jié)果表明，該控制方法有效減小了定子電流幅值，降低了電機銅耗，轉(zhuǎn)矩脈動顯著降低。

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An Improved Direct Torque Control for Switched Reluctance Motor Based on Fuzzy Adaptive

LIUZhan-qian,TANGJing,YANGYan-xiang,WANGJun,SONGXiao-xiao

(Xihua University, Chengdu 610039, China)

The current amplitude of state statorfor switched reluctance motor is relatively large based on the traditional DTC technology, then the copper consumption of the motor increases. Based on the fuzzy adaptive technique, a flux-linkage adaptive direct torque control was researched in this paper. It realized the automatic adjustment of the flux-linkage by establishing the link between the stator flux linkage and the speed. The experimental results show that the method reduces the current amplitude effectively, and the torque ripple is reduced significantly.

switched reluctance motor (SRM); flux-linkage adaptive; direct torque control; fuzzy adaptive

2015-11-21

四川省科技廳創(chuàng)新及公益類重大科技項目(2014GZ0126)；四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點實驗室開放研究基金(szjj2015-065);西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj2015211)

TM352

A

1004-7018(2016)05-0071-04

劉占千(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。