許志偉，李永堅(jiān)

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101）

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻（switch reluctance，SR）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜在惡劣條件下可靠運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩方向與定子繞組電流方向無(wú)關(guān)，調(diào)速性能好［1－2］.但由于為雙凸極結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，同時(shí)，SR電機(jī)的控制與其性能密切相關(guān)［3－4］.本文采用Rmxprt分析SR電機(jī)的性能，在得到SR電機(jī)磁鏈與電流的關(guān)系曲線，轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系曲線，磁鏈波形曲線的基礎(chǔ)上，利用模糊控制方法設(shè)計(jì)控制器［5］，仿真結(jié)果證明理論分析的正確性.

1 性能分析

SR電機(jī)定子磁極上有多相集中繞組，當(dāng)定子上某相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩的作用.定子和轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，本文的SR電機(jī)為4相，每相2線圈組成，定子極數(shù)為6，定子外徑，內(nèi)徑和定子鐵心長(zhǎng)度分別為120mm、75mm和65mm，定子軛和轉(zhuǎn)子軛高度均為9mm，定子和轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)均為0.5，轉(zhuǎn)子極數(shù)4，轉(zhuǎn)子外徑，內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度分別為70mm、30mm和65mm.SR電機(jī)作為機(jī)電一體化設(shè)備，設(shè)計(jì)控制器前需得到性能特性，利用Rmxprt依次進(jìn)行定子鐵芯設(shè)計(jì)，定子繞組設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子鐵芯設(shè)計(jì)，最后得到性能參數(shù).其中額定功率60kW，，額定電壓300V，額定轉(zhuǎn)速2500 rpm，得到性能曲線如圖1所示.

圖1 SR電機(jī)性能曲線

2 模糊控制

利用得到的SR電機(jī)性能曲線，可以建立SR電機(jī)模型.在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模糊控制器.模糊控制將專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言變量描述的控制規(guī)則，利用這些規(guī)則去控制系統(tǒng).因此，模糊控制特別適合于SR電機(jī)控制這種復(fù)雜的非線性系統(tǒng).最基本的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖中yr為系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量.

一般說(shuō)來(lái)，模糊控制器有三個(gè)主要的功能模塊.（1）模糊化.將模糊控制器輸入量確定值轉(zhuǎn)換為模糊語(yǔ)言變量值，變量值由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義.（2）模糊推理.根據(jù)一定原則，從一個(gè)或幾個(gè)已知判斷引伸一個(gè)新判斷思維.（3）清晰化.將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為控制用的數(shù)字值.本文的模糊控制器設(shè)計(jì)如下所示.

2.1 模糊變量

（1）模糊變量E模糊變量E是轉(zhuǎn)速實(shí)際值和設(shè)定值的差值，可用六個(gè)變量值θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6來(lái)描述，分別表示負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，對(duì)應(yīng)的量化因子等級(jí)均取7，即以－3，－2，－1，0，1，2，3來(lái)表示.各變量錄屬函數(shù)如圖3所示.

圖3 模糊變量E的錄屬函數(shù)

（2）模糊變量ETET是給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值，定義為：

用P、Z和N來(lái)表示電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，分別表示轉(zhuǎn)矩增加，保持不變和轉(zhuǎn)矩減小，ET的錄屬度函數(shù)如圖4所示.

圖4 模糊變量ET的錄屬函數(shù)

（3）模糊變量EψsEψs是定子磁鏈給定值與實(shí)際值之差，定義為：

定子磁鏈變化用4個(gè)語(yǔ)言變量表示，為PL，PS，NS和NL.分別表示快速增加，緩慢增加，緩慢減小，快速減小，Eψs的錄屬函數(shù)如圖5所示.

圖5 模糊變量Eψs的錄屬度函數(shù)

（4）控制變量 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)U為模糊控制器的控制變量，開(kāi)關(guān)狀態(tài)共8個(gè)，即8個(gè)語(yǔ)言值ui（i＝0，…，7），每種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)語(yǔ)言值，U的錄屬函數(shù)描述如下：

2.2 模糊控制率

控制器的第i條規(guī)則描述如下：

模糊控制規(guī)則表如表1所示.

2.3 模糊決策

根據(jù)Mansdani最小運(yùn)算規(guī)則，可得第i條控制結(jié)果為：

表1 模糊控制規(guī)則表

3 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模糊控制仿真

圖6 SR電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖

圖7 PI控制和模糊控制效果對(duì)比

通過(guò)上節(jié)介紹的方法設(shè)計(jì)模糊控制器，利用MATLAB／SIMULINK對(duì)60kW的6／4的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，SR電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖如圖6所示 .將模糊控制效果與傳統(tǒng)PI控制相比較.結(jié)果如圖7所示.采用常規(guī)PI控制的結(jié)果如圖7（a）～圖7（b）所示，其中磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)范圍可達(dá)50N＊M，嚴(yán)重影響SR電機(jī)的運(yùn)行性能和使用效果.采用模糊控制的結(jié)果如圖7（c）～圖7（d）所示.其中電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)明顯減少，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)限制在25N＊M以下，降幅達(dá)50%以上，效果明顯.

4 結(jié) 論

本文利用Rmxprt分析SR電機(jī)性能，得到SR電機(jī)的非線性特性曲線.在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模糊控制器.將電機(jī)的非線性與控制器的設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于研制高性能的SR電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的參考意義.

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