- 頭條有效抑制開關磁阻電動機轉矩脈動的控制方式2019-12-11 作者：阮俊峰、楊明發、周海鴻 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員阮俊峰、楊明發、周海鴻，在2019年第4期《電氣技術》雜志上撰文（論文標題為“基于瞬時轉矩控制的開關磁阻電動機轉矩脈動抑制研究”）指出，轉矩脈動是開關磁阻電動機的主要缺點之一，直接瞬時轉矩控制（DITC）能夠有效抑制開關磁阻電動機（SRM）的轉矩脈動。但電動機特殊的雙凸極結構，使得電動機內部磁路十分復雜，給電磁轉矩的計算帶來了很大困難。 為得到電動機在實際運行時轉矩的精確反饋，本文通過ANSYS軟件對現有樣機Maxwell3D建模，收集在不同機械角度位置和單相電流時的轉矩值，建立轉矩模型。根據電動機的特性和實際經驗，合理設置導通角，并基于電動機單相、雙相交替導通的通電方式，設計了兩種狀態下的轉矩控制器。通過仿真，證明了能夠有效地將轉矩脈動控制在一定誤差之內，達到轉矩脈動的抑制效果。
開關磁阻電動機具有結構簡單、起動電流小以及起動轉矩大等諸多優點，但電動機特殊的雙凸極結構，使得磁路強非線性。而在開關磁阻電動機運行時，電磁轉矩是由各相繞組轉矩疊加而成，所以在換相過程中，關斷相上的不可控續流會造成電動機瞬時轉矩脈動，這是其主要缺點之一。
抑制轉矩脈動的方法大致可分為兩類：優化電動機機體結構和改進控制方法。文獻[1]討論了電動機軛部厚度、轉子極距以及定轉子間氣隙大小對轉矩脈動的影響。相較前者而言，改進控制方案對抑制轉矩脈動顯得更有效、更經濟。
文獻[2]介紹了電流斬波（current chopping control, CCC），脈寬調制（pulse width modulation, PWM）以及角度位置控制（angel position control, APC）三種成熟的控制策略，但就轉矩脈動的抑制效果而言，還需進一步改進。文獻[3]提出基于Sigmoid函數的電流斬波方式減小轉矩脈動。文獻[4]提出在電動機換相時采用指數型轉矩分配函數來抑制轉矩脈動。
文獻[5]采用基于徑向基函數神經網絡（radial basis function, RBF）的開關磁阻電動機（switched reluctance motor, SRM）瞬時轉矩控制方法，對跟蹤電流進行最佳控制的學習。文獻[6]提出在合理調節開通角和關斷角的基礎上，采用余弦型轉矩分配函數對轉矩脈動進行抑制。
文獻[7]采用改進型直接轉矩控制策略，結果也證明了該方案可有效緩解轉矩失控和降低運行噪聲。文獻[8]提出以各相電流為優化變量，減小跟蹤轉矩誤差的轉矩分配方案，但算法復雜實際操作性不強。文獻[9]提出在余弦型不對稱轉矩分配（torque sharing function, TSF）控制下，實現不同轉速下最優參考電流波形，但其轉矩補償策略并沒有得到驗證。
文獻[10]采用傳統的轉矩分配方案，實驗結果也達到了良好效果。直接瞬時轉矩控制（direct instantaneous torque control, DITC）直接以瞬時轉矩作為控制量，通過合理設計轉矩控制器，能夠有效抑制轉矩脈動。
在采用DITC的方式抑制轉矩脈動，核心在于電動機運行時能夠得到高精確的瞬時轉矩反饋值，本文采用Maxwell 3D建模方案，根據電動機的實際尺寸和規格對電動機進行數學建模，測算出多組在不同轉子位置下電動機靜態電磁轉矩數據。在此基礎上，合理設計轉矩控制器，有效實現轉矩脈動抑制效果。
圖1 電動機模型
圖7 系統結構框圖
結論
本文通過ANSYS軟件對電動機三維建模仿真出轉矩模型，并通過比較實驗測量數據驗證了模型的準確性，為基于DITC控制方式的仿真奠定了基礎。根據電動機的特性與實際經驗合理設置了開通關斷角，并以瞬時輸出轉矩作為直接控制量，設計優化了轉矩控制器，在Matlab仿真驗證下，證明了本文所提出的控制方式能夠有效抑制轉矩脈動，同時也證明了轉矩脈動有效抑制可以有效改善電動機的調速性能。
