尹磊+++蔡燕+++姜文濤

摘 要：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新興電機(jī)，得到了廣泛的應(yīng)用，但是它的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題制約了電機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，如何減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，為了優(yōu)化電機(jī)動(dòng)態(tài)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，并提出了很多解決方案，概括起來(lái)分為兩種：一是改進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，二是采用合適的控制技術(shù)。文章主要從這兩方面來(lái)闡述減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；控制技術(shù)

引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱SRM）憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，電機(jī)獨(dú)特的雙凸極結(jié)構(gòu)及磁路的高度飽和造成開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive，簡(jiǎn)稱SRD）存在嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，制約了SRM的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用，因此，減小或抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)于優(yōu)化電機(jī)動(dòng)態(tài)性能有很重要實(shí)踐意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及抑制方法進(jìn)行研究，并根據(jù)不同的角度提出不同的方案，主要分為兩類：一是優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，如調(diào)整SRM定、轉(zhuǎn)子極弧可以有效地減小SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；二是采用合適的控制策略，對(duì)于給定電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)是固定不變的，以電機(jī)控制的角度入手，對(duì)它的控制策略進(jìn)行深入細(xì)致的研究。本文以電機(jī)設(shè)計(jì)與控制分析SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小的方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究概況進(jìn)行總結(jié)，簡(jiǎn)要分析各種方案的原理優(yōu)缺點(diǎn)。

1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生原因

電機(jī)結(jié)構(gòu)決定它的優(yōu)化方法，SRM獨(dú)特的雙凸極結(jié)構(gòu)以及它開(kāi)關(guān)形式的供電電源使它存在很多缺陷：一、定子齒、轉(zhuǎn)子齒疊加產(chǎn)生磁通引起電流非線性變化；二、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩由脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成，不是一個(gè)恒定值。由此得知，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，尤其是低速運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更加突出。因此，最大限度的減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為SRM優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2 優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)

影響開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括定子結(jié)構(gòu)與尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與尺寸、極弧長(zhǎng)度以及鐵心長(zhǎng)度等等。而定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與尺寸對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲有重要影響。總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果，我們主要從優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)與尺寸、優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與尺寸及優(yōu)化極弧等方面來(lái)優(yōu)化電機(jī)。

定子外徑、軛及定子齒和槽的形狀等參數(shù)對(duì)SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都有重要影響，滿足電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)要求和約束條件下，優(yōu)化電機(jī)性能通過(guò)提高輸出轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并對(duì)定子外徑進(jìn)行優(yōu)化。

轉(zhuǎn)子外徑轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響與定子相比恰好相反，轉(zhuǎn)子外徑與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成正比。在定子外徑不變的情況下，增加轉(zhuǎn)子外徑，可能會(huì)造成繞組截面積減小，引起繞組峰值降低，所以轉(zhuǎn)子外徑要選擇適當(dāng)，不宜過(guò)大。

使用仿真軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)前比較流行的電機(jī)仿真軟件是Ansoft，首先根據(jù)SRM的參數(shù)在AnsoftRMxprt生成二維或三維幾何模型，然后利用Ansoft的接口將幾何模型導(dǎo)入Maxwell2D或Maxwell3D，在利用瞬時(shí)模塊進(jìn)行有限元計(jì)算。利用軟件可以定義外加電路特點(diǎn)，建立了SRM外加電路模型，與電機(jī)模型構(gòu)成完整的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。使得仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，精確分析電機(jī)運(yùn)行性能。

3 抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制策略

3.1 傳統(tǒng)控制策略

傳統(tǒng)的控制策略有電流斬波控制與角度位置控制兩類。電流斬波又可分為單幅值斬波與雙幅值斬波。電流斬波降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但同時(shí)給電機(jī)控制帶來(lái)了不利影響，并且僅適用于電機(jī)低速階段角度位置控制通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)電機(jī)優(yōu)化控制，適用高于基速階段。角度位置控制通過(guò)控制電機(jī)開(kāi)通角與關(guān)斷角達(dá)到控制電流目的，沒(méi)有直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，對(duì)于相間轉(zhuǎn)矩的平滑過(guò)渡問(wèn)題也沒(méi)有涉及，因此，兩種控制對(duì)于減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果并不明顯。

3.2 轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法

轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)以合成瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩恒定為目標(biāo)。通過(guò)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（TSF）分配電機(jī)各相在不同位置的期望轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)滯環(huán)控制或PWM控制使得合成瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩跟蹤位置閉環(huán)或者速度閉環(huán)控制器的指令轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩變化率實(shí)現(xiàn)均衡換相，達(dá)到減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)雖然避免了電流峰值，抑制過(guò)大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生，但是它的控制方案需要控制換相區(qū)的兩相，占用資源較多，轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的選取是優(yōu)化控制的關(guān)鍵。

3.3 迭代學(xué)習(xí)控制

迭代學(xué)習(xí)控制嚴(yán)格來(lái)說(shuō)屬于智能控制的一種，而智能控制在數(shù)學(xué)本質(zhì)上屬于非線性控制，迭代學(xué)習(xí)算法簡(jiǎn)單，電機(jī)控制器不需要辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)，特別適用于非線性、強(qiáng)耦合場(chǎng)合。電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流、角度關(guān)系密切。如果電機(jī)施加電流不均勻時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，角度的不斷改變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯加大。若將電流跟蹤轉(zhuǎn)角進(jìn)行變化，則可能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。迭代學(xué)習(xí)便是根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置相電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩，調(diào)整下一周期電機(jī)相應(yīng)位置的電流給定值，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。迭代學(xué)習(xí)控制雖然效果明顯，但對(duì)于電機(jī)實(shí)時(shí)性要求特別高，同時(shí)，受迭代周期的限制。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大限制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，雖然線性控制、非線性控制及智能控制在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面取得了不錯(cuò)的成果，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，隨著科技的不斷發(fā)展，綜合各種控制理論研究出新型的控制策略并結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是我們的奮斗目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]詹瓊?cè)A.開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1991.

[2]王宏華.開(kāi)關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3]吳紅星.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.