徐新明 卞永明 楊 濛 戴松貴

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院1，上海 201804;上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司2，上海 200949)

0 引言

近年來(lái)，電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并且已經(jīng)在工業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用［1］。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)或者電池向電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，將電能轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)與永磁同步電機(jī)［2］。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor，SRM)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，可在極高的轉(zhuǎn)速下工作，能適應(yīng)高溫和強(qiáng)振動(dòng)的工作環(huán)境，其在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中得到越來(lái)越多的關(guān)注。相對(duì)于其他電機(jī)，SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率轉(zhuǎn)換電路效率高，這使得SRM 能夠代替電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的其他電機(jī)。

本文以15 kW 的SRM 為研究對(duì)象，分析SRM 的運(yùn)行原理與數(shù)學(xué)模型，在Simulink 中建立開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)(switched reluctance motor drive，SRD)的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)進(jìn)行仿真;設(shè)計(jì)搭建了系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，測(cè)試電機(jī)的特性測(cè)試曲線、效率以及電機(jī)在低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)［3-4］。

1 SRM 系統(tǒng)原理

1.1 SRM 結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，SRM 是一種同步電機(jī)，也是最簡(jiǎn)單的電機(jī)。它只是定子上有線圈繞組，轉(zhuǎn)子是由簡(jiǎn)單的硅鋼片壓制而成，沒(méi)有線圈或永磁鐵。由于其定子、轉(zhuǎn)子均為凸極式構(gòu)造，因此又稱雙凸極結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的SRM 只有相數(shù)以及轉(zhuǎn)子極數(shù)、定子極數(shù)上的區(qū)別。

最基本的三相SRM 定子有6 極，轉(zhuǎn)子有4 級(jí)，稱為6/4 結(jié)構(gòu)。將定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)同時(shí)增加一倍，即可得到12/8 結(jié)構(gòu)的SRM;如增加兩倍，則可得到24/16 結(jié)構(gòu)的SRM。最基本的四相SRM 定子有8 極，轉(zhuǎn)子有6 極，稱為8/6 結(jié)構(gòu)。若將定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)同時(shí)增加一倍，即得到了16/12 結(jié)構(gòu)的SRM。其他SRM還包括4/2、6/2、10/4、12/10 等結(jié)構(gòu)。正是這種簡(jiǎn)單的構(gòu)造使得SRM 有著低成本的優(yōu)勢(shì)［5］。

SRM 運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩具有磁阻性質(zhì)，其運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”［6］——磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極錯(cuò)位時(shí)，氣隙大、磁阻大;一旦定子磁極繞組通電，就會(huì)形成對(duì)轉(zhuǎn)子凸極的磁拉力，使氣隙變小——磁路磁阻變小。與此同時(shí)，用驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)按一定邏輯關(guān)系切換定子磁極繞組的通電順序，即可形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)的力矩［7］。SRM 的運(yùn)行是由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器、功率變換器和控制器共同配合實(shí)現(xiàn)的，具體運(yùn)行過(guò)程如圖1 所示。

圖1 6/4 結(jié)構(gòu)SRM 運(yùn)行原理Fig.1 The operating principle of SRM

當(dāng)轉(zhuǎn)子的r1和r1'極分別與定子的c'和c 極對(duì)齊，在定子a 相通入圖1(a)中所示方向直流時(shí)，a 相繞組產(chǎn)生磁通，磁通從定子的a'極經(jīng)過(guò)空氣扭曲進(jìn)入轉(zhuǎn)子r2'極，再由轉(zhuǎn)子r2極扭曲經(jīng)過(guò)空氣進(jìn)入定子a 極，最后通過(guò)定子外圈閉合。因?yàn)閍 極與r2極、a'極和r2'極分別錯(cuò)位，氣隙大，磁阻不是最小，扭曲的磁場(chǎng)將分別產(chǎn)生a 極對(duì)r2極、a'極對(duì)r2'極的拉力，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)a 極與r2極、a'極與r2'極對(duì)齊，a 相繞組斷電，b 相繞組通電，如圖1(b)，定子的b 極將分別吸引轉(zhuǎn)子r1、r1'極，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣當(dāng)c 相繞組通電后，將使轉(zhuǎn)子的r1和r1'極分別與定子的c'和c 極對(duì)齊，完成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。如果改變a、b、c 三相的通電順序，電機(jī)的轉(zhuǎn)子將反向旋轉(zhuǎn)，跟電流的方向無(wú)關(guān)［8］。

1.2 SRM 數(shù)學(xué)模型

SRM 運(yùn)行原理雖然看似簡(jiǎn)單，但是其內(nèi)部的電磁關(guān)系和運(yùn)行特性都非常復(fù)雜，電流、電感及磁通呈非線性變化。通過(guò)線性化SRM 的模型之后，得到單相繞組的瞬時(shí)電壓方程為:

式中:u 為繞組兩端電壓;i 為繞組電流;Rm為繞組的電阻;φ 為繞組產(chǎn)生的磁通。

由于SRM 的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)飽和因素的影響，繞組磁通φ 是繞組電流i 和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度θ 和的函數(shù)。因此式(1)可以表示為:

當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，SRM 的輸出轉(zhuǎn)矩取決了外部負(fù)載的大小，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)機(jī)械方程表示為:

式中:Te為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;J 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w 為機(jī)械角速度;KΩ為摩擦系數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

SRM 單相繞組瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩表示為:

式中:Wc為單相繞組的磁共能。SRM 輸出轉(zhuǎn)矩是隨繞組線圈磁通量而變化，其大小與繞組線圈電流的平方成正比。

2 系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink 環(huán)境下，建立以轉(zhuǎn)速和電流為反饋的電壓型PWM 雙反饋SRD 系統(tǒng)模型［9-10］。SRD系統(tǒng)的功率電路采用三相不對(duì)稱半橋式功率變換器結(jié)構(gòu)，每相結(jié)構(gòu)中包括兩個(gè)IGBT 功率管和兩個(gè)續(xù)流二極管。在導(dǎo)通期間，下橋臂IGBT 常開(kāi)，上橋臂在PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)通和關(guān)閉，以調(diào)節(jié)加在此相繞組上的正電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在上下IGBT 功率管都關(guān)斷時(shí)，繞組兩段形成負(fù)電壓，繞組電流通過(guò)二極管續(xù)流，將能量返回到電源。轉(zhuǎn)子的位置由位置檢測(cè)模塊測(cè)量得到，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置，通過(guò)調(diào)節(jié)相繞組的導(dǎo)通角和關(guān)斷角來(lái)控制扭矩的產(chǎn)生。

2.1 轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真

在空載、100 Nm 負(fù)載狀態(tài)下，分別將電機(jī)調(diào)至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。在空載下?tīng)顟B(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)速很快從0 達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，上升時(shí)間小于1 s，轉(zhuǎn)速有小量的超調(diào)，響應(yīng)迅速，如圖2(a)所示。

圖2 轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線Fig.2 Step response curves of rotational speed

在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩100 Nm 負(fù)載條件下，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。電機(jī)在1 s 內(nèi)迅速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，且從轉(zhuǎn)速響應(yīng)的放大圖中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍很小，最大值1 502.5 r/min，最小值1 498 r/min，波動(dòng)幅度0.1%，如圖2(b)所示。

圖3 為空載和負(fù)載50 Nm 狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速方波階躍響應(yīng)圖。轉(zhuǎn)速在階躍上升或者是階躍下降都在1 s 內(nèi)完成達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在階躍上升的過(guò)程中，空載狀態(tài)下有一部分轉(zhuǎn)速的超調(diào)，而負(fù)載狀態(tài)下無(wú)超調(diào)。

圖3 轉(zhuǎn)速方波響應(yīng)曲線Fig.3 Square wave response curves of rotational speed

2.2 轉(zhuǎn)距響應(yīng)仿真

將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至額定轉(zhuǎn)速與1/2 額定轉(zhuǎn)速，在兩種轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩方波加載，分別得到電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min 和800 r/min 下轉(zhuǎn)矩方波的響應(yīng)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)曲線Fig.4 Square wave response curves of torque

當(dāng)負(fù)載從低到高階躍時(shí)，由于電機(jī)輸出的功率不能階躍，電機(jī)輸出的功率變換需要一定的時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)變，故負(fù)載的陡增會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇下降。當(dāng)控制器檢測(cè)到轉(zhuǎn)速誤差時(shí)，調(diào)節(jié)輸出電壓，直至恢復(fù)負(fù)載階躍之前的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇下降幅度與負(fù)載階躍的大小有關(guān)，負(fù)載階躍越大，轉(zhuǎn)速下降越大。同理當(dāng)負(fù)載階躍下降時(shí)，瞬時(shí)的輸出功率不變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速急劇上升，直至控制器調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)降低輸出的轉(zhuǎn)速。同時(shí)仿真結(jié)果也表明，無(wú)論是轉(zhuǎn)矩的階躍增大或是階躍減小，都會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇變化，但是在短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)又會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，說(shuō)明電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)優(yōu)秀。

3 系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試

整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架主要由SRM、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓泵、聯(lián)軸器、負(fù)載溢流閥臺(tái)架底座及相應(yīng)的安裝機(jī)架組成［11］。測(cè)試的對(duì)象為15 kW 的SRM，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩100 Nm，測(cè)試將對(duì)電機(jī)的靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分別測(cè)試。

3.1 電機(jī)靜態(tài)測(cè)試

(1)特性測(cè)試。

將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為多個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥的壓力來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)轉(zhuǎn)速下電機(jī)的負(fù)載大小，測(cè)試電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩。測(cè)試過(guò)程中，SRM 能夠輸出的最大穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩則是電機(jī)的有效最大輸出轉(zhuǎn)速，工作點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間不少于20 s。

通過(guò)測(cè)量，得到如圖5 所示的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流與效率之間的變化關(guān)系。由測(cè)量結(jié)果可以看出電機(jī)的最大效率達(dá)到88%，電機(jī)除了運(yùn)行在500 r/min 時(shí)效率稍低，在其他轉(zhuǎn)速下效率都超過(guò)了80%。

圖5 電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)圖Fig.5 The motor test data

(2)低速下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試。

將SRM 轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min 以下定為低速，分別測(cè)試1 000、800、500 與300(單位:r/min)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)情況。測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7 所示。

低速試驗(yàn)結(jié)果表明，SRM 在低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，且轉(zhuǎn)速越低，脈動(dòng)越大。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩100 Nm 下，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度的最大值為3%，發(fā)生在最低轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 Nm 下，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度的最大值達(dá)到10%，發(fā)生在轉(zhuǎn)速300 r/min 時(shí)。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度反而越小。不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況如表1所示。

圖6 轉(zhuǎn)矩在100 Nm 時(shí)的波動(dòng)情況Fig.6 Torque ripple at 100 Nm

圖7 轉(zhuǎn)矩在50 Nm 時(shí)的波動(dòng)情況Fig.7 Torque ripple at 50 Nm

表1 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度Tab.1 The amplitude of torque ripple

3.2 電機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試

(1)空載下轉(zhuǎn)速響應(yīng)測(cè)試。

空載下轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8 所示。在空載狀態(tài)下，將SRM 分別設(shè)置轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 和最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8(a)所示。電機(jī)從啟動(dòng)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速不超過(guò)3 s，到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速之后有小量超調(diào)，然后趨于穩(wěn)定。此外，電機(jī)自由停車(chē)所需時(shí)間與停車(chē)之前轉(zhuǎn)速有關(guān)，1 500 r/min 停車(chē)需要10 s，3 000 r/min 停車(chē)需要15 s，轉(zhuǎn)速越高停車(chē)時(shí)間越長(zhǎng)，這符合慣性定律。

圖8 空載下轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.8 Rotational speed response curves under unloading

圖8(b)為電機(jī)在空載下轉(zhuǎn)速方波響應(yīng)曲線。電機(jī)在轉(zhuǎn)速500→1 500→500→2 500(單位:r/min)轉(zhuǎn)速階躍過(guò)程中，轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，上升時(shí)間和下降時(shí)間均不超過(guò)3 s，說(shuō)明SRM 調(diào)速性能優(yōu)秀。

(2)轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)測(cè)試。

轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)曲線如圖9 所示。

圖9 轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)曲線Fig.9 Square wave response curves of torque

圖9(a)為轉(zhuǎn)速1 500 r/min 時(shí)，50→100→50(單位:Nm)轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)曲線。圖9(b)為在轉(zhuǎn)速800 r/min 時(shí)，50→100→50(單位:Nm)轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)曲線。

表2 為轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)結(jié)果。

表2 轉(zhuǎn)矩方波響應(yīng)時(shí)間Tab.2 Torque step square wave response time

4 對(duì)比分析

4.1 仿真結(jié)果分析

SRD 系統(tǒng)空載時(shí)，電機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，穩(wěn)定時(shí)間小于1 s，響應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)速最大值達(dá)到1 600 r/min，超調(diào)量大約7%。目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，電機(jī)響應(yīng)與在1 500 r/min 下特征基本相同;電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的階躍方波響應(yīng)都在1 s 內(nèi)完成并達(dá)到穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速在階躍上升的過(guò)程中，空載狀態(tài)下有小量的轉(zhuǎn)速超調(diào)，而負(fù)載狀態(tài)下無(wú)超調(diào);在額定負(fù)載、額定轉(zhuǎn)速條件下，電機(jī)同樣在1 s 內(nèi)迅速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。在電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍很小，最大值1 502. 5 r/min，最小值1 498 r/min，波動(dòng)幅度0.1%。在額定負(fù)載下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，最大值101. 8 Nm，最小值98. 2 Nm，波動(dòng)幅度達(dá)到1.8%。在轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩的階躍導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的急劇變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，說(shuō)明SRM 對(duì)轉(zhuǎn)矩的變化響應(yīng)優(yōu)秀。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

電機(jī)在靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)際測(cè)試得到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率外特性曲線與理想外特性曲線基本重合。整個(gè)系統(tǒng)的效率在其額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 附近時(shí)效率最高，可以達(dá)到88%，其余轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)效率都大于80%，但是在轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)效率低于80%。在低速狀態(tài)下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，在300 r/min@50 Nm 的情況下，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)達(dá)到10%，說(shuō)明SRM 的低速確實(shí)不理想，所以實(shí)際使用中應(yīng)該盡可能地避免在低速下工作。在電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，電機(jī)從啟動(dòng)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間小于3 s，在空載下有小幅超調(diào)，在負(fù)載狀態(tài)下基本無(wú)超調(diào)。同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間均小于3 s，說(shuō)明SRM 對(duì)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)優(yōu)秀。在轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)過(guò)程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從100 Nm 階躍至50 Nm 時(shí)，電機(jī)響應(yīng)時(shí)間大約為1 s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從50 Nm 階躍至100 Nm 時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為2.9 s@1 500 r/min、4.1 s@800 r/min。這說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速高的情況下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速對(duì)外負(fù)載的變化響應(yīng)快。

4.3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

(1)在電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)過(guò)程中，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速形態(tài)在仿真與試驗(yàn)中表現(xiàn)大致相同，只是在對(duì)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間與超調(diào)量有些差異，這是由仿真與實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)的差異而導(dǎo)致的。仿真與試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速響應(yīng)超調(diào)量在空載過(guò)程中分別為7%和3%，負(fù)載狀態(tài)下，仿真與試驗(yàn)的超調(diào)量都為0，說(shuō)明負(fù)載對(duì)超調(diào)有抑制作用，具體比較如表3 所示。

(2)通過(guò)仿真與試驗(yàn)，綜合SRM 對(duì)轉(zhuǎn)矩階躍的響應(yīng)，可以得到在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min 下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。仿真與試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對(duì)比結(jié)果如圖10 所示。

表3 轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 The comparison between simulation and the test results of rotational speed response

圖10 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩在仿真與試驗(yàn)中的對(duì)比結(jié)果Fig.10 The comparison between simulation and the test results of rotational speed and torque

當(dāng)轉(zhuǎn)矩階躍變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的急劇跳變。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為階躍上升時(shí)，仿真與試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速分別跳躍至1 300 r/min 與1 400 r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為階躍下降時(shí)，仿真與試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速分別跳躍至1 600 r/min 與1 800 r/min。跳變的形態(tài)相同，說(shuō)明仿真與試驗(yàn)結(jié)果的正確性，但跳變的幅度不同，這是由于試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是通過(guò)控制負(fù)載液壓閥的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。仿真中的負(fù)載階躍是理想的方波，而試驗(yàn)中用電磁閥控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，將閥芯位置從左位調(diào)節(jié)至右位有一定的響應(yīng)時(shí)間，閥芯短暫地經(jīng)過(guò)中位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生近似零負(fù)載的狀態(tài)，雖然時(shí)間非常短，但還是會(huì)反映到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變化上，因而導(dǎo)致試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)速跳躍幅度比仿真中的轉(zhuǎn)速跳躍幅度大。此外可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比仿真中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大得多。究其原因?yàn)橛靡簤罕米鳛樨?fù)載，負(fù)載的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，微小的轉(zhuǎn)速變化，便會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩變化，而轉(zhuǎn)矩的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)影響轉(zhuǎn)速的變化，從而導(dǎo)致試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較仿真中大。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用Matlab/Simulink 搭建SRD 系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)仿真。搭建了SRD 系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)電機(jī)分別進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)，得到了電機(jī)的外特性測(cè)試曲線及效率曲線，并對(duì)裝載機(jī)的運(yùn)輸工況和作業(yè)工況進(jìn)行了模擬。仿真與試驗(yàn)結(jié)果逼近，誤差較小，說(shuō)明仿真模型真實(shí)反映了SRD 系統(tǒng)，具有實(shí)際的指導(dǎo)作用，也驗(yàn)證了SRD 系統(tǒng)控制策略的正確性。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明SRM 對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能優(yōu)秀，SRM 的效率最高達(dá)到88%，發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速附近。仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果都表明SRM 的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，特別是低速300 r/min 時(shí)會(huì)超過(guò)10%?？梢酝ㄟ^(guò)控制策略或者改變功率變換器的結(jié)構(gòu)形式等方法來(lái)降低SRM 的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量。

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