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  • 頭條降低轉(zhuǎn)矩脈動40%:開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法
    2019-07-08 作者:曹鑫、戶紅艷等  |  來源:《電工技術(shù)學報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語南京航空航天大學自動化學院的研究人員曹鑫、戶紅艷等,在2018年第19期《電工技術(shù)學報》上撰文(論文標題為“扇區(qū)實時優(yōu)化的開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法”),基于開關(guān)磁阻電機(SRM)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法,根據(jù)轉(zhuǎn)子特定的位置信息,對電空間的劃分進行重組和實時優(yōu)化,使得優(yōu)化后的扇區(qū)能夠反映電機真實的工作狀態(tài),輔助電壓矢量選擇時也更加準確。同時,通過采用飽和電流解析模型,在線實時優(yōu)化特定的扇區(qū)寬度,最大程度地減少瞬時負轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,在實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動抑制功能的同時提高電機的轉(zhuǎn)矩電流比。仿真與實驗結(jié)果均證實了所提方法的有效性。

    開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)定子上繞有集中繞組,轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組,直接由硅鋼片疊壓而成,因而結(jié)構(gòu)簡單可靠,制作成本低,使其在電力拖動調(diào)速系統(tǒng)中具有很強的競爭力和較為廣闊的應(yīng)用前景。然而,因為電機的雙凸極結(jié)構(gòu)、高度非線性的磁路特性以及分相勵磁的工作方式,開關(guān)磁阻電機的輸出轉(zhuǎn)矩存在較大的脈動,限制了其在伺服等高性能要求場合下的應(yīng)用。

    為解決轉(zhuǎn)矩脈動問題,國內(nèi)外學者提出了諸多解決方法,主要包括間接轉(zhuǎn)矩控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。間接轉(zhuǎn)矩控制通過控制磁鏈、電流或者其他電氣量達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的,系統(tǒng)并無轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。但在高速時,磁鏈或電流難以跟蹤上給定值,并且如何將轉(zhuǎn)矩給定值精確地轉(zhuǎn)換為電流或磁鏈給定值是間接控制的難點。

    直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)方法邏輯簡單,直接對輸出轉(zhuǎn)矩進行滯環(huán)控制,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且轉(zhuǎn)矩脈動抑制性能良好,因而受到廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法最初應(yīng)用于感應(yīng)電機調(diào)速,若直接套用于開關(guān)磁阻電機則控制原理上會有偏差,性能未必達到最優(yōu),因而控制算法需要做出適當調(diào)整。

    文獻[9]在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上提前預(yù)測開通角以控制電流波形,在高速時也能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[10]在原有扇區(qū)基礎(chǔ)上加入3個換相區(qū)間,電壓矢量也調(diào)整為9個,使得換相時刻上一相電流迅速下降。

    文獻[11]在換相期間維持合成磁鏈矢量幅值恒定,使相電流盡可能全部用于產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩,提高了轉(zhuǎn)矩電流比。文獻[12]通過磁鏈查表使得勵磁相在最佳角度關(guān)斷,避免相電流延伸至負轉(zhuǎn)矩區(qū)導(dǎo)致降低電機能量轉(zhuǎn)換效率。但實際中需要依靠大量的仿真得到不同轉(zhuǎn)速下的退磁曲線,以制作查找表,降低了該算法的通用性。

    在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法中,電空間的劃分并不具有明確的實際物理意義,因而在選擇輔助電壓矢量時不能正確反映真實的轉(zhuǎn)子位置,選擇的結(jié)果存在一定的誤差,從而使得轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果受限。

    本文在抑制轉(zhuǎn)矩脈動的同時期望提高電機的轉(zhuǎn)矩電流比,對直接轉(zhuǎn)矩控制的扇區(qū)劃分進行針對性優(yōu)化。依據(jù)特殊的轉(zhuǎn)子位置重新劃分電空間,在此基礎(chǔ)上賦予被特定邊界隔開的各扇區(qū)以實際的工作狀態(tài),因此各扇區(qū)的寬度以及任務(wù)也不再相同。

    開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型目前主要用于確定導(dǎo)通區(qū)間,避免相電流延伸至負轉(zhuǎn)矩區(qū)或需要用模型預(yù)測控制方法預(yù)測計算下一時刻電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。而現(xiàn)有數(shù)學模型大多采用余弦函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等組合來表示磁鏈,雖考慮到磁路飽和特性,但計算較為復(fù)雜,不利于實際應(yīng)用。

    本文將考慮磁路飽和的電機數(shù)學模型用于文獻[23]經(jīng)過優(yōu)化的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,建立相繞組關(guān)斷時的電流與轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系,在線實時優(yōu)化特定扇區(qū)寬度,從而進一步提高轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果。仿真和實驗結(jié)果表明,采用本文方法能夠有效降低轉(zhuǎn)矩脈動40%左右。

    降低轉(zhuǎn)矩脈動40%:開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法

    圖 1 定、轉(zhuǎn)子相對位置及相電感曲線示意圖

    降低轉(zhuǎn)矩脈動40%:開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法

    圖2 各相正轉(zhuǎn)矩區(qū)域

    降低轉(zhuǎn)矩脈動40%:開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法

    圖3 優(yōu)化后的9個扇區(qū)

    結(jié)論

    本文在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法的基礎(chǔ)上,采用重組與優(yōu)化電空間的扇區(qū),通過在線調(diào)節(jié)各扇區(qū)寬度并選擇合適的電壓矢量,從而在SRM抑制轉(zhuǎn)矩脈動的同時提高了轉(zhuǎn)矩電流比。針對上述方法,進行了仿真和實驗驗證,得到如下結(jié)論:

    1)將轉(zhuǎn)子位置信息與電空間邊界聯(lián)系起來,對每相繞組導(dǎo)通區(qū)域加以限制,避免負轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是可行的。

    2)通過采用考慮磁路飽和的電流-角度數(shù)學模型來預(yù)測特定扇區(qū)寬度,能夠有效抑制相電流延伸至負轉(zhuǎn)矩區(qū),從而實現(xiàn)降低轉(zhuǎn)矩脈動和提高轉(zhuǎn)矩電流比的目的。

    3)通過扇區(qū)的重組和優(yōu)化以及不再對磁鏈進行主動控制等做法,使得電壓矢量選擇更加符合開關(guān)磁阻電機的運行特點,控制算法具有邏輯簡單、實施方便等優(yōu)點。

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