何昆侖， 許愛德， 曹玉昭， 王雪松

(大連海事大學 信息科學技術(shù)學院，遼寧 大連 116026)

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基于12扇區(qū)的開關(guān)磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制脈動抑制研究*

何昆侖， 許愛德， 曹玉昭， 王雪松

(大連海事大學 信息科學技術(shù)學院，遼寧 大連 116026)

針對開關(guān)磁阻電機(SRM)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)中轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，提出了基于12扇區(qū)的開關(guān)磁阻電機控制方法，將扇區(qū)進行重新劃分并對電壓矢量表進行重新分配，以一臺三相12/8極開關(guān)磁阻電機為控制對象，通過與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案進行仿真與試驗對比。結(jié)果證明，新方案對于抑制轉(zhuǎn)矩脈動紋波具有顯著效果。

開關(guān)磁阻電機； 扇區(qū)劃分； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)與傳統(tǒng)交流電機相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、機械效率高、工作可靠等優(yōu)點[1]。但SRM轉(zhuǎn)矩脈動大是不爭的事實，轉(zhuǎn)矩脈動大導致的電機噪聲和振動，惡化了電機的低速性能，引起傳動系統(tǒng)軸系振蕩，嚴重的還會造成傳動系統(tǒng)的損壞，阻礙了SRM在許多領(lǐng)域如伺服系統(tǒng)的應用，一定程度上限制了SRM的應用范圍和領(lǐng)域[2]。

根據(jù)文獻研究，目前國內(nèi)外學者主要從兩個方面進行減小轉(zhuǎn)矩脈動的研究： 一是優(yōu)化電機的本體設(shè)計[3]；二是在電機結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定的情況下，通過優(yōu)化控制策略減小轉(zhuǎn)矩脈動[4-5]。

SRM傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)是基于轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)的bang-bang控制，傳統(tǒng)DTC選擇的非零基本電壓矢量只有6種，而且空間上分布間隔60°，大多數(shù)情況下選擇的電壓矢量并不是改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩正好需要的矢量，使得電壓矢量作用于定子磁鏈后，磁鏈發(fā)生階躍式變化，必然導致脈動紋波大的問題。

本文提出了一種基于12扇區(qū)SRM的DTC方法，將扇區(qū)進行細分，重新設(shè)計空間電壓矢量表，并通過仿真驗證，對于轉(zhuǎn)矩脈動抑制具有明顯效果。

1 12扇區(qū)SRM的DTC系統(tǒng)

1.1 理論依據(jù)

DTC的思想最初由英國學者Poramaste Jinupun[6]提出，即通過繞組結(jié)構(gòu)的變化，形成一個類似于傳統(tǒng)交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)采用空間電壓矢量實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。后來日本學者Adrian David Cheok和Yusuke Fukuda[7]采用類似感應電機DTC的方法，將DTC應用于普通SRM，日本學者Hai-Jiao Guo[8]又對其不同于感應電機DTC的概念作了進一步說明。

SRM的轉(zhuǎn)矩可以表示為

(1)

由式(1)可得，通過控制磁鏈變化率的極性，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。這樣SRM的DTC控制方法可定義為[9]

(1) 定子磁鏈幅值保持一個常值；

(2) 轉(zhuǎn)矩由加速或減速定子磁鏈矢量來控制。

上述目標的實現(xiàn)類似異步電動機DTC的方法，均是通過控制電壓矢量來控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。因此，空間電壓矢量的產(chǎn)生是問題的關(guān)鍵。

1.2 12空間電壓矢量的產(chǎn)生

以12/8極電機為研究對象，電機三相繞組相互獨立，根據(jù)繞組上的電壓不同可以分為三種工作狀態(tài)： 正電壓、負電壓及零電壓狀態(tài)，具體如圖1所示。

圖1 SRM的三種工作狀態(tài)

圖2 基本空間電壓矢量圖

在忽略電阻壓降的情況下，一相電壓和磁鏈的關(guān)系近似為u≈dΨ/dt，即

Ψ=∫udt

(2)

從積分的角度考慮，將式(2)中的磁鏈和電壓看作線性關(guān)系，即可表示為

ΔΨ=uΔT

(3)

則

Ψi+1=Ψi+ΔΨ

(4)

根據(jù)磁鏈與電壓矢量的關(guān)系(見圖3)，以0扇區(qū)為例，在磁鏈滯環(huán)作用內(nèi)，磁鏈要想增加，可以選擇基本電壓矢量U2，如圖4所示，內(nèi)圓為磁

圖3 磁鏈與電壓矢量的關(guān)系

圖4 SRM滯環(huán)磁鏈控制圓

鏈滯環(huán)的下限，外圓為磁鏈滯環(huán)的上限。

根據(jù)式(1)可知，轉(zhuǎn)矩的控制是通過使定子磁鏈相對轉(zhuǎn)子位置超前或滯后來控制的。因此，以電機逆時針旋轉(zhuǎn)為例，如果需要轉(zhuǎn)矩增加，則需要選擇使定子磁鏈相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向超前的電壓矢量。反之，如果需要轉(zhuǎn)矩減小，則需要選擇使定子磁鏈相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向滯后的電壓矢量。根據(jù)這個控制規(guī)則，結(jié)合不同扇區(qū)下不同空間電壓矢量對磁鏈關(guān)系，制作了電壓矢量選擇表，如表1所示。ΨQ為0時，代表合成磁鏈需要減??；ΨQ為1時，合成磁鏈需要增加。同樣，TQ為0時，代表轉(zhuǎn)矩需要減?。籘Q為1時轉(zhuǎn)矩需要增加。

表1 電壓矢量選擇表

1.3 基本電壓矢量的優(yōu)化

2 仿真分析

本文采用MATLAB/Simulink軟件工具對傳統(tǒng)DTC方案與改進型DTC方案分別進行了仿真對比。系統(tǒng)框圖如圖5所示，主要包括電壓矢量控制器、轉(zhuǎn)矩觀測器、磁鏈觀測器、扇區(qū)判斷及功率變換器五個部分。以一臺三相12/8極SRM為仿真對象，電機額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，負載轉(zhuǎn)矩和給定磁鏈分別取為10N·m和0.3Wb。為了對結(jié)果進行對比，定義紋波轉(zhuǎn)矩的峰峰值ΔTPP與平均轉(zhuǎn)矩Tav的比值為轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)TRF[11]，即

(2)

圖5 SRM的DTC系統(tǒng)框圖

圖6為采用12個基本電壓矢量控制后的磁鏈波形，可知磁鏈軌跡是一圓形，磁鏈幅值變化被限定在滯環(huán)寬度內(nèi)，從而降低了轉(zhuǎn)矩脈動大對電機的損害。

圖6 磁鏈波形

圖7(a)為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時波形圖，給定轉(zhuǎn)速為800r/min，負載轉(zhuǎn)矩為10N·m。從圖7(a)中可看出,起動時轉(zhuǎn)矩較穩(wěn)定，接近給定轉(zhuǎn)速直至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)矩脈動紋波開始明顯增大。圖7(b)為12扇區(qū)下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時波形圖，無論是電機由起動到速度達到穩(wěn)定過程中，還是穩(wěn)速運行過程中，轉(zhuǎn)矩脈動基本上維持不變，而且脈動不大。

圖7 DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時仿真圖

根據(jù)仿真波形，由式(2)算得傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為

(3)

12扇區(qū)下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為

(4)

圖8(a)為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩突變時的波形圖。從圖8(a)可看出，轉(zhuǎn)速在0.4s開始從 800r/min 增加到1000r/min，轉(zhuǎn)矩也在0.4s開始突增，突增時的轉(zhuǎn)矩脈動紋波明顯增大，轉(zhuǎn)速為1000r/min時的轉(zhuǎn)矩脈動紋波相對800r/min時的轉(zhuǎn)矩脈動紋波有所增加，可以得出，接近額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速越大，脈動紋波越大。圖8(b)為12扇區(qū)下轉(zhuǎn)矩突增波形圖。從圖8(b)可看出，轉(zhuǎn)矩在突增直至達到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定1000r/min時，脈動紋波也很小，不隨轉(zhuǎn)矩突變而增加，具有很好的動態(tài)響應效果。

圖8 轉(zhuǎn)矩突變時仿真波形

3 結(jié) 語

采用12扇區(qū)SRM的DTC，通過對扇區(qū)的重新劃分，重新分配空間電壓矢量表，在保證電機可靠運行的情況下，有效控制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈，改善了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，同時保持了傳統(tǒng)DTC快速響應特性和抗干擾的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)DTC方法中轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，有效地控制了轉(zhuǎn)矩脈動，并且實現(xiàn)方法簡單。

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Research of Switched Reluctance Motor Direct Torque Control Ripple Reduction Based on Twelve Sector Division*

HEKunlun,XUAide,CAOYuzhao,WANGXuesong

(College of Information and Science Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To overcome the disadvantage of the large torque ripple in traditional direct torque control (DTC) of switched reluctance motors (SRM), switched reluctance motor control method based on 12 sectors was presented. Sector would be re-divided and voltage vector table was distributed. A 12 /8 pole 3 phase switched reluctance motor was designed to facilitate the verification of the correctness and validity of the proposed method. The simulations and experiment of analyzing the direct controlling torque were carried out for the proposed method and the traditional one. The results demonstrated that the proposed scheme was valid for restraining torque ripple.

switched reluctance motor(SRM); sector division; direct torque control(DTC); torque ripple factor

國家自然科學青年基金項目(51407021)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(3132015214)

何昆侖(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

許愛德(1974—)，女，博士研究生，教授，研究方向為電機及其控制。

TM 352

A

1673-6540(2016)10- 0019- 05

2016-03-24