侯 棟,李 江,王世山
(南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016)
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、調(diào)速性能優(yōu)越、范圍寬等優(yōu)點(diǎn)成為調(diào)速系統(tǒng)中的新貴。由于其定、轉(zhuǎn)子都為凸極結(jié)構(gòu),磁路的非線性及相電流的非正弦性等特點(diǎn),導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲大。如何解決開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲,一直是電力傳動(dòng)界研究的熱點(diǎn)[1-3]。
一般情況下,角度控制是在保持母線電壓不變的情況下,通過改變開關(guān)角導(dǎo)通區(qū)間的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。不同的開關(guān)角導(dǎo)通區(qū)間,電流的變化范圍不同,從而電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍不同。此外,角度控制允許多相同時(shí)通電,增加了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[5-6]。但是低速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速小,反電動(dòng)勢(shì)小,要使電流峰值增加,必須進(jìn)行限幅。所以角度控制不適用于低速狀態(tài)。
另外,電壓PWM控制是在開關(guān)角不變的前提下,采用對(duì)相繞組或者母線電壓進(jìn)行斬波,通過調(diào)節(jié)電壓PWM信號(hào)的占空比來改變電流的大小,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)[7-8]。這種方法既可以應(yīng)用于高速調(diào)速系統(tǒng),也能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。但是,在同樣的電源電壓下,由于電壓PWM控制的占空比不可能達(dá)到100%,相對(duì)于角度控制,繞組電感兩端的電壓小很多,使得高速階段時(shí)轉(zhuǎn)速和角度控制比較小,所以電機(jī)調(diào)速范圍比較窄。
針對(duì)上述分析,本文提出了一種角度斬波控制,不僅具有角度控制調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn),也具有電壓PWM控制高低速調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。這種控制方式依靠電壓PWM調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,并使開關(guān)角隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化。在這種工作方式下,轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大,高速和低速都有很好的電動(dòng)性能。
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)遵循磁阻最小原理[8],圖1為電機(jī)模型截面圖,采用常規(guī)的三相12/8結(jié)構(gòu)。當(dāng)僅A相繞組通電時(shí),則會(huì)在A-A1軸線上建立磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子受到磁力作用后,從而使轉(zhuǎn)子極C-C1與定子極軸線A-A1重合,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。若在重合時(shí)改為B相繞組通電,則此時(shí)B繞組磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力迫使轉(zhuǎn)子極D-D1與定子極軸線B-B1重合,使電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見,改變繞組中的通電順序就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;改變繞組相電流的大小,就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)速。
圖1 SRM典型工作原理
當(dāng)繞組通電時(shí),會(huì)建立一個(gè)磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量,假設(shè)電感不隨電流的變化而變化,僅僅和轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)系,由電磁場(chǎng)的基本理論可知,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩:
(1)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由p和i決定的,并且與i的方向無關(guān)。p和i越大,Tem越大。在電機(jī)本體確定的前提下,轉(zhuǎn)速恒定時(shí),p是不變的。因此只有通過增大i,才能增加Tem。然而電流的變化率不能太大,過大的電流變化率會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),噪聲也會(huì)增加。因此,合理的增加電流,并減小電流的變化率是提高電機(jī)性能的有效方法。
(2)根據(jù)式(1)可知,Tem∝p。因此,如圖2所示,在電感曲線L(θ)上升區(qū)域通入電流i1產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩,電機(jī)做電動(dòng)運(yùn)行。在電感曲線 L(θ)的下降段通入電流i2產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩,電機(jī)做發(fā)電運(yùn)行??刂仆婋娏鞯拇笮『屯〝鄷r(shí)間,則可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度,改變電流通電順序可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
圖2 典型電動(dòng)發(fā)電電流模型
電機(jī)功率電路采用三相不對(duì)稱半橋電路如圖3所示。
圖3 三相不對(duì)稱半橋主電路
當(dāng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)給以恒定的直流源Us供電時(shí),勵(lì)磁模式下的電壓平衡方程:
續(xù)流模式下的電壓平衡方程:
式中:ie是勵(lì)磁繞組電流;ic是續(xù)流繞組的電流;Us是端電壓;ω是機(jī)械角速度。根據(jù)式(2)、式(3)可知,在勵(lì)磁和續(xù)流階段電流的變化率:
從式(4)、式(5)可以看出,無論是勵(lì)磁階段還是續(xù)流階段,電流的變化率都與電壓Us繞組電感L(θ)和電機(jī)角速度ω有關(guān)。
角度控制主要是指對(duì)開通角θon和關(guān)斷角θoff的控制[9],由前面的分析可知在電動(dòng)運(yùn)行時(shí),應(yīng)該使電流處于電感的上升區(qū)域。典型電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電流波形與開關(guān)角的關(guān)系如圖4所示。
圖4 典型電動(dòng)運(yùn)行電流波形
角度控制一般不適用于低速,由式(2)、式(3)可知,在低速運(yùn)行時(shí),由于反電勢(shì)小,相繞組中的電流增大,如圖4中的i1必須進(jìn)行限流。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速段時(shí),雖然電機(jī)的反電勢(shì)增大,電流較低速時(shí)明顯降低,如圖4中的i2,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍也增大,但開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的Tem與i的平方成正比,在保證輸出功率的條件下必須強(qiáng)化勵(lì)磁,此外由式(4)和式(5)可知,在換相后的電流變化率大,會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
因此,為了改善電機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下的輸出特性,必須采用提前角開通。由式(5)可知,在續(xù)流階段,隨著角速度ω的增加,電流的變化率減小,為防止產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)一直處于電動(dòng)狀態(tài)需要提前關(guān)斷角,一般情況下要使關(guān)斷角小于θm。
總之,角度控制可以運(yùn)用在低速和高速狀態(tài)下,并且調(diào)速范圍大。但是,低速時(shí)角度控制需要進(jìn)行限流,相對(duì)于中低速而言,高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的換相和勵(lì)磁卻很困難,影響了電機(jī)的性能。因此僅采用角度控制不能夠解決勵(lì)磁和換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。
電壓PWM控制通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來調(diào)節(jié)繞組或者母線電壓,進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[10]。原理圖如圖5所示,通過調(diào)節(jié)PWM的占空比,使電流不斷增加,當(dāng)電流達(dá)到保護(hù)限時(shí),則停止PWM信號(hào)輸出,電流會(huì)一直減小到零。電壓PWM控制相對(duì)角度控制通過調(diào)節(jié)占空比可以很好地控制電流的變化率,減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
圖5 電壓PWM控制
按照?qǐng)D3的功率電路,在每一導(dǎo)通區(qū)間內(nèi),加在工作相繞組兩端的平均電壓U可以表示:
式中:D為電壓占空比;Us為母線電壓。當(dāng)系統(tǒng)給定保護(hù)電流限后,根據(jù)負(fù)載的不同,針對(duì)直流母線電壓變化的特性,可知:
轉(zhuǎn)矩負(fù)載較小,電機(jī)工作在高速狀態(tài)。根據(jù)式(4)和式(5)可知,換相后的電流變化率很小,此時(shí)電機(jī)的繞組電流沒有達(dá)到保護(hù)的電流幅值,或者隨著角度的變化稍稍超過保護(hù)電流,如圖6中的曲線2和曲線3所示。此時(shí),在導(dǎo)通區(qū)間,開關(guān)管處于開通狀態(tài),此時(shí)占空比D=1,式(4)可以近似:
圖6 電流上升變化關(guān)系
由于繞組電流的減小,電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電樞反應(yīng)也不大,根據(jù)式(7)可知,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和母線電壓Us相差不大,這使得在輕載時(shí)改變母線電壓對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速影響比較大。
轉(zhuǎn)矩負(fù)載較大,電機(jī)工作在低速狀態(tài)。根據(jù)式(4)和式(5)可知,換相后的電流變化率很大,此時(shí)電機(jī)的繞組電流頻繁達(dá)到保護(hù)電流幅值,如圖6中曲線1所示。電壓占空比D<1,同時(shí)繞組內(nèi)流過較大的電流,使得電機(jī)在運(yùn)行過程中繞組內(nèi)電樞反應(yīng)較大,根據(jù)式(7),相繞組兩端的線電壓要較直流母線電壓Us小許多,這就使得改變變換器直流母線電壓對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速影響不太大。
根據(jù)以上分析可知,在不同的負(fù)載下,電壓PWM控制能夠?qū)崿F(xiàn)電流變化率的平滑過渡,減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但是,在高速和低速的情況下母線電壓對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響比較大,使電壓PWM控制的調(diào)速范圍縮小。
針對(duì)角度控制和電壓PWM控制的優(yōu)缺點(diǎn)以及他們的應(yīng)用場(chǎng)合,本文提出了角度斬波控制。既具有角度控制也具有電壓PWM控制的優(yōu)點(diǎn),且不存在控制方式的互相轉(zhuǎn)換。如圖7所示,角度斬波控制首先設(shè)定電流斬波限,當(dāng)電流達(dá)到斬波限時(shí)就關(guān)斷開關(guān)管,在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿來時(shí)開通開關(guān)管。如圖中三種開關(guān)管信號(hào)1、2、3,分別對(duì)應(yīng)采樣電流1、2、3。當(dāng)電流沒有達(dá)到斬波限時(shí),采用角度控制和電壓PWM控制,當(dāng)電流達(dá)到斬波限時(shí),進(jìn)行斬波控制。
圖7 斬波角度控制原理
根據(jù)前面的分析可知,負(fù)載不同電機(jī)會(huì)工作在不同的狀態(tài),從而在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi),電流的波形會(huì)出現(xiàn)圖7的三種曲線1、2、3,分別代表斬波嚴(yán)重、輕微斬波、不斬波。
當(dāng)出現(xiàn)曲線1時(shí),由式(5)可知,處于續(xù)流階段,電流變化率比較小,如果此時(shí)僅僅固定關(guān)斷角,電流則會(huì)延伸至電感的下降區(qū)域,從而處于如圖2所示的發(fā)電狀態(tài),影響電動(dòng)機(jī)的效率,因此角度斬波控制策略根據(jù)此時(shí)的轉(zhuǎn)速和和電流信號(hào),實(shí)時(shí)地改變開通和關(guān)斷角度,同時(shí)調(diào)節(jié)母線兩端電壓PWM信號(hào)的占空比,使得電壓從勵(lì)磁階段平滑地過渡到續(xù)流階段,避免了因續(xù)流階段電流變化率小而出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題,另一方面也避免了角度控制不適合低速運(yùn)行的情況。
當(dāng)電機(jī)處于曲線2、3的狀況時(shí),電機(jī)處于高中速階段,電流輕微斬波和不斬波,由于直流母線電流沒有達(dá)到斬波限,角度控制在高速時(shí)有優(yōu)勢(shì),因此根據(jù)電流信號(hào)和位置信號(hào)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)開通角度和關(guān)斷角度,另外為了防止角度控制在高速時(shí)勵(lì)磁和換相的困難,通過調(diào)節(jié)母線電壓的占空比,使得在電壓在勵(lì)磁階段電壓增大,同時(shí)增大續(xù)流階段電流變化率,從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換相。
為獲得良好的特性,采用模擬電流環(huán)加數(shù)字速度環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙環(huán)控制,如圖8所示。采用ALTERA公司的數(shù)字處理芯片EPM3256ATC144-7N以及TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2407作為主控芯片,由后者經(jīng)過DA輸出至模擬電路,作為電路的斬波限。位置信號(hào)進(jìn)入CPLD,通過不同的通電順序,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同時(shí)位置信號(hào)進(jìn)入DSP進(jìn)行模擬處理消除干擾后再給CPLD進(jìn)行換相,同時(shí)在進(jìn)入DSP時(shí),計(jì)算反饋速度,然后反饋速度與給定速度做PI調(diào)節(jié),構(gòu)成速度環(huán)。母線電流作為反饋電流經(jīng)過斬波電路滯環(huán)控制后進(jìn)入CPLD構(gòu)成電流環(huán)。因此,形成電流和速度雙閉環(huán)控制,如圖9所示。此外系統(tǒng)采用單斬波控制,即同一個(gè)橋臂中采用上管斬波,下管不斬波。
圖8 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖9 ?開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖
采用軟件QuartusⅡ,仿真位置信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系如圖10所示。其中6路輸出信號(hào)分別是PWM1 -6,CIDC 代表斬波程度,Ain、Bin、Zin代表三個(gè)位置信號(hào)。由于采用單斬波控制,從三個(gè)圖中可以看出,上管1、3、5隨著斬波程度的不同,可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比而改變斬波頻率,當(dāng)電機(jī)在低速時(shí),斬波程度嚴(yán)重,如圖10(a)所示,斬波頻率最大,當(dāng)電機(jī)在高中速時(shí),斬波程度輕微或者不斬波,如圖10(b)、圖10(c)所示,斬波頻率減小,如圖10(b)所示,或?yàn)榱?圖10(c)所示)。
在仿真的基礎(chǔ)上,對(duì)一臺(tái)3 kW三相12/8的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真得到的電流波形進(jìn)行比較,可以看出兩者在變化規(guī)律上有很好的一致性。
從圖11中可以清楚地看出,開關(guān)管的信號(hào)是單斬波,采用上管斬波下管不斬波的斬波方式。從圖12可以看出,直流母線電壓在電壓PWM控制的作用下,在導(dǎo)通區(qū)間電壓一直在跌宕上升,和圖5的原理相一致,能夠充分體現(xiàn)電壓PWM控制的特點(diǎn)。
圖11 A相電流上下管開通信號(hào)
圖12 位置信號(hào)與直流母線電壓
角度控制不僅具有如圖11所示的電壓PWM控制的特點(diǎn),而且具有角度控制的優(yōu)點(diǎn),從圖13提前60°電角度時(shí)電流和位置信號(hào)的關(guān)系中可以看出,提前角度控制可以提高換相后電流上升率,降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
針對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本身具有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn),本系統(tǒng)也可以采取變斬波限角度控制,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),根據(jù)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同的斬波限,從而可以有效地解決電感上升區(qū)域開始階段電流上升過慢的問題,實(shí)現(xiàn)減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng),降低噪聲的目的。圖14、圖15為設(shè)置了變斬波限時(shí)電流和位置信號(hào)的關(guān)系,從波形圖中看出,變斬波限控制可以有效地增加換相后電流上升率,從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
圖13 提前60°電角度位置與電流信號(hào)
圖14 單斬波限位置信號(hào)與相繞組電流
圖15 變斬波限位置信號(hào)與相繞組電流
本文以3 kW開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,針對(duì)其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲大的缺點(diǎn),提出了一種新的控制策略,能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),減小噪聲。得到以下結(jié)論:
(1)角度斬波控制既可以在低速時(shí)利用電壓PWM控制,也可以在高速時(shí)利用角度控制。而且是在線時(shí)刻變化提前角度控制。
(2)低速時(shí)角度控制無法限制電流峰值時(shí)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化至電壓PWM控制,通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)降低電流峰值的目的。
(3)高速時(shí),采用角度控制,同時(shí)利用電壓PWM控制,通過調(diào)節(jié)母線電壓的占空比使續(xù)流階段電流變化率增大,電流迅速減小,從而防止產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
(4)斬波限提高了系統(tǒng)保護(hù)性能。當(dāng)系統(tǒng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),采樣電流大于斬波限時(shí),電流給定等于斬波電流限,從而保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。
[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.
[2]秦海鴻,王慧貞,嚴(yán)仰光.雙凸極永磁式兩種斬波控制方式的比較[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008,17(4):2 -3.
[3]申伯純,林鋒,張曉麗.五相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)[J].電機(jī)技術(shù),2011,12(3):3 -4.
[4]周俊.基于DSP的無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制的研究[D].天津科技大學(xué),2009.
[5]李紅梅,張志全,李忠杰.減小小功率開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的迭代學(xué)習(xí)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(10):67 -70.
[6]Sahoo N C,Xu J X,Panda S K.Low torque ripple control of switched reluctance motors using iterative learning[J].IEEE Trans.on Energy Conversion,2001,16(4):318 -326.
[7]聶兵.開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011(5):5-6.
[8]喬維德.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制策略的仿真研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2012,34(1):19 -21.
[9]孫劍波,詹瓊?cè)A,王雙紅,等.開關(guān)磁阻電機(jī)減振降噪和低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,25(12):134 -138.
[10]Mir S,Elbuluk M E,Husain I.Torque - ripple minimization in switched reluctance motors using adaptive fuzzy control[J].IEEE Trans on Industry Applications,1999,35(2):461-468.