開關磁阻電機轉矩脈動減小方法綜述

尹磊+++蔡燕+++姜文濤

摘 要：開關磁阻電機作為一種新興電機，得到了廣泛的應用，但是它的轉矩脈動問題制約了電機的進一步推廣應用。因此，如何減小轉矩脈動成為開關磁阻電機研究領域的熱點之一，為了優(yōu)化電機動態(tài)性能，國內(nèi)外學者做了大量的研究，并提出了很多解決方案，概括起來分為兩種：一是改進電機的結構，二是采用合適的控制技術。文章主要從這兩方面來闡述減小轉矩脈動的方法。

關鍵詞：開關磁阻電機；轉矩脈動；控制技術

引言

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）憑借結構簡單、效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點得到了國內(nèi)外的廣泛關注。然而，電機獨特的雙凸極結構及磁路的高度飽和造成開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive，簡稱SRD）存在嚴重的轉矩脈動問題，制約了SRM的進一步推廣與應用，因此，減小或抑制電機轉矩脈動對于優(yōu)化電機動態(tài)性能有很重要實踐意義。國內(nèi)外對轉矩脈動及抑制方法進行研究，并根據(jù)不同的角度提出不同的方案，主要分為兩類：一是優(yōu)化電機結構，如調(diào)整SRM定、轉子極弧可以有效地減小SRM的轉矩脈動；二是采用合適的控制策略，對于給定電機來說，電機結構參數(shù)是固定不變的，以電機控制的角度入手，對它的控制策略進行深入細致的研究。本文以電機設計與控制分析SRM轉矩脈動減小的方法，對國內(nèi)外學者的研究概況進行總結，簡要分析各種方案的原理優(yōu)缺點。

1 轉矩脈動產(chǎn)生原因

電機結構決定它的優(yōu)化方法，SRM獨特的雙凸極結構以及它開關形式的供電電源使它存在很多缺陷：一、定子齒、轉子齒疊加產(chǎn)生磁通引起電流非線性變化；二、電機轉子轉矩由脈沖轉矩疊加而成，不是一個恒定值。由此得知，開關磁阻電機存在轉矩脈動，尤其是低速運行階段，轉矩脈動更加突出。因此，最大限度的減小轉矩脈動成為SRM優(yōu)化設計的重要內(nèi)容。

2 優(yōu)化電機結構

影響開關磁阻電機的結構參數(shù)包括定子結構與尺寸、轉子結構與尺寸、極弧長度以及鐵心長度等等。而定轉子的結構與尺寸對轉矩脈動及噪聲有重要影響?？偨Y國內(nèi)外研究成果，我們主要從優(yōu)化定子結構與尺寸、優(yōu)化轉子結構與尺寸及優(yōu)化極弧等方面來優(yōu)化電機。

定子外徑、軛及定子齒和槽的形狀等參數(shù)對SRM轉矩脈動都有重要影響，滿足電機尺寸設計要求和約束條件下，優(yōu)化電機性能通過提高輸出轉矩，減小轉矩脈動并對定子外徑進行優(yōu)化。

轉子外徑轉矩脈動影響與定子相比恰好相反，轉子外徑與轉矩脈動成正比。在定子外徑不變的情況下，增加轉子外徑，可能會造成繞組截面積減小，引起繞組峰值降低，所以轉子外徑要選擇適當，不宜過大。

使用仿真軟件對電機進行優(yōu)化，當前比較流行的電機仿真軟件是Ansoft，首先根據(jù)SRM的參數(shù)在AnsoftRMxprt生成二維或三維幾何模型，然后利用Ansoft的接口將幾何模型導入Maxwell2D或Maxwell3D，在利用瞬時模塊進行有限元計算。利用軟件可以定義外加電路特點，建立了SRM外加電路模型，與電機模型構成完整的系統(tǒng)進行仿真。使得仿真結果更加接近實際情況，精確分析電機運行性能。

3 抑制轉矩脈動控制策略

3.1 傳統(tǒng)控制策略

傳統(tǒng)的控制策略有電流斬波控制與角度位置控制兩類。電流斬波又可分為單幅值斬波與雙幅值斬波。電流斬波降低了轉矩脈動，但同時給電機控制帶來了不利影響，并且僅適用于電機低速階段角度位置控制通過調(diào)節(jié)導通角實現(xiàn)電機優(yōu)化控制，適用高于基速階段。角度位置控制通過控制電機開通角與關斷角達到控制電流目的，沒有直接對轉矩進行控制，對于相間轉矩的平滑過渡問題也沒有涉及，因此，兩種控制對于減少轉矩脈動效果并不明顯。

3.2 轉矩分配函數(shù)法

轉矩分配函數(shù)以合成瞬時轉矩恒定為目標。通過轉矩分配函數(shù)（TSF）分配電機各相在不同位置的期望轉矩，并通過滯環(huán)控制或PWM控制使得合成瞬時轉矩跟蹤位置閉環(huán)或者速度閉環(huán)控制器的指令轉矩，通過控制轉矩變化率實現(xiàn)均衡換相，達到減少轉矩脈動的目的。

轉矩分配函數(shù)雖然避免了電流峰值，抑制過大轉矩脈動的產(chǎn)生，但是它的控制方案需要控制換相區(qū)的兩相，占用資源較多，轉矩分配函數(shù)的選取是優(yōu)化控制的關鍵。

3.3 迭代學習控制

迭代學習控制嚴格來說屬于智能控制的一種，而智能控制在數(shù)學本質(zhì)上屬于非線性控制，迭代學習算法簡單，電機控制器不需要辨識系統(tǒng)參數(shù)，特別適用于非線性、強耦合場合。電機轉矩與電流、角度關系密切。如果電機施加電流不均勻時，隨著電機轉動，角度的不斷改變，電機轉矩脈動明顯加大。若將電流跟蹤轉角進行變化，則可能減小轉矩脈動。迭代學習便是根據(jù)轉子當前位置相電流和電機轉矩，調(diào)整下一周期電機相應位置的電流給定值，補償轉矩，減小轉矩脈動。迭代學習控制雖然效果明顯，但對于電機實時性要求特別高，同時，受迭代周期的限制。

4 結束語

轉矩脈動過大限制開關磁阻電機的發(fā)展與應用，雖然線性控制、非線性控制及智能控制在抑制轉矩脈動方面取得了不錯的成果，但還遠遠不夠，隨著科技的不斷發(fā)展，綜合各種控制理論研究出新型的控制策略并結合電機結構抑制轉矩脈動是我們的奮斗目標。

參考文獻

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