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        基于模糊滑??刂频腟RM多重閉環(huán)控制研究

        2018-10-20 01:36:18范冰潔李玉忍劉勇智
        微特電機(jī) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:相電流脈動(dòng)滑模

        范冰潔,李玉忍 ,劉勇智

        (1.空軍工程大學(xué),西安 710043;2.西北工業(yè)大學(xué),西安 710038)

        0 引 言

        開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRM)有著結(jié)構(gòu)簡單牢固,成本低,魯棒性好、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),所以使得其在航空航天電源系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛[1]。但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重阻礙了SRM的推廣和普及,造成這一缺點(diǎn)的主要原因是電機(jī)定轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)和嚴(yán)重非線性的電磁特性[2]。為抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了很多重要研究成果[3],主要集中在電機(jī)本體設(shè)計(jì)和電機(jī)控制策略兩個(gè)方面。

        在電機(jī)本體設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)[4]提出一種在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開槽的方法,通過改變轉(zhuǎn)子齒形,減小徑向磁密,增大切向磁密,從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[4]。在電機(jī)控制策略方面,文獻(xiàn)[2]采用DITC(直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制),依據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差為電機(jī)激勵(lì)相產(chǎn)生開關(guān)信號,但是瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩基于電流和轉(zhuǎn)子位置,從有限元仿真或?qū)嶒?yàn)中獲得,難以在工程中實(shí)際使用;文獻(xiàn)[5]提出了基于柔性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)的SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制策略,但外環(huán)采用的不完全微分模糊控制器,計(jì)算速度慢。文獻(xiàn)[6-7]通過設(shè)計(jì)不對稱轉(zhuǎn)矩分配減小脈動(dòng)系統(tǒng),但需要建立復(fù)雜的電機(jī)模型。文獻(xiàn)[8]采用迭代學(xué)習(xí)控制策略,在不需要預(yù)知SRM精確模型的情況下,能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但對處理器運(yùn)算速度要求較高。文獻(xiàn)[9]將VSS應(yīng)用于SRM調(diào)速系統(tǒng)中,無需知道電機(jī)精確模型就可以有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但這種方法只是在速度環(huán)進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)控制,對通過開關(guān)管的電流峰值沒有削減。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了雙環(huán)PI參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)器,抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng),其中對dL/dθ的求解不夠精確,而且沒有有效削減通過開關(guān)管的電流峰值。

        本文在直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上,研究了一種新型的基于模糊滑??刂频腟RM多重閉環(huán)控制策略,在檢測相電流的過程中考慮續(xù)流階段轉(zhuǎn)矩的變化,從而達(dá)到了對轉(zhuǎn)矩的精確控制,有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),同時(shí)也解決了查表法在實(shí)際工程中難以應(yīng)用的問題,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的循環(huán)控制。

        1 控制器設(shè)計(jì)

        1.1 建立狀態(tài)方程

        由力學(xué)定律可以得到電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程:

        (1)

        (2)

        式中:ω為轉(zhuǎn)子角速度;θ為轉(zhuǎn)子位置角;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tj為相電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;F為阻尼系數(shù)。

        式(2)變換后可得:

        (3)

        (4)

        1.2 切換函數(shù)和控制率設(shè)計(jì)

        對于式(4),取切換函數(shù)s=cTx(t)=c1x1+x2,切換平面為c1x1+x2=0。

        取控制率:

        (5)

        (6)

        1.3 模糊滑模控制設(shè)計(jì)

        切換增益ΔkT采用模糊控制器估算。其中,輸入變量為s,輸出變量為Δk,定義輸入變量s和輸出變量Δk的語言值為PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB。

        輸入輸出的模糊集分別為{A-3,A-2,A-1,A0,A1,A2,A3}和{B-3,B-2,B-1,B0,B1,B2,B3},Ai和Bi對應(yīng)的語言值為A-3=NB,A-2=NM,A-1=NS,A0=Z,A1=PS,A2=PM,A3=PB;B-3=NB,B-2=NM,B-1=NS,B0=Z,B1=PS,B2=PM,B3=PB。

        定義規(guī)則:ifsisAithen ΔkisBi(i=-3,…,3),模糊輸出精確控制量:

        (7)

        圖1 Δk的隸屬度函數(shù)

        圖2 模糊滑模控制器

        2 SRM運(yùn)動(dòng)方程

        本文以6/4電機(jī)為例進(jìn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究,電機(jī)相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩:

        (8)

        這樣就可以通過電感、電流和轉(zhuǎn)子位置角獲得轉(zhuǎn)矩信息。當(dāng)SRM飽和時(shí),利用傅里葉級數(shù)近似逼近非線性電感[11]:

        式中:Lk為第k相電感;Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

        忽略諧波:

        Lk(θ,i)=L0(i)+L1(i)cos(Nrθ+π)

        (10)

        (11)

        由于鐵心不飽和,因此Lmin為常數(shù)。用三階多項(xiàng)式擬合Lmax和i的關(guān)系[11],如圖3所示。

        Lmax=a0+a1i+a2i2+a3i3

        (12)

        圖3 Lmax 與電流i的擬合

        根據(jù)功率開關(guān)管控制規(guī)律可知,功率管開通區(qū)間大部分在0~45°范圍內(nèi),轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)間主要在15°~30°范圍內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在15°~30°和60°~75°時(shí),電流變化影響較小,圖4為電感與轉(zhuǎn)子位置角擬合時(shí)的曲線。

        Lk(θ,i)=b0+b1θ+b2θ2+b3θ3

        (13)

        圖4 電感與轉(zhuǎn)子位置角擬合

        按照式(10),式(13)計(jì)算得到的電感與實(shí)際電感對比如圖5所示。

        圖5 實(shí)際電感與求得電感的對比

        電機(jī)的相繞組電壓:

        (14)

        忽略電流影響,式(14)簡化為:

        (15)

        這樣經(jīng)過化簡可以得到:

        (16)

        (17)

        3 控制策略

        系統(tǒng)整體框圖如圖6所示,采用以電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速為控制量的多重閉環(huán)控制策略對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制,通過檢測轉(zhuǎn)速獲得參考轉(zhuǎn)矩,通過檢測電機(jī)的相電流獲得相轉(zhuǎn)矩,通過電流、轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系獲得輸出轉(zhuǎn)矩,方法簡便可行,便于工程應(yīng)用。

        圖6 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

        SRM工作時(shí)導(dǎo)通區(qū)間的劃分如圖7所示。

        圖7 導(dǎo)通區(qū)間的劃分

        以第N相為例,圖7中AC段為導(dǎo)通區(qū)間,CD段為續(xù)流區(qū)間。大多數(shù)文獻(xiàn)只考慮AC段而不考慮CD段,本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測相電流獲得轉(zhuǎn)矩,從而提高對轉(zhuǎn)矩的控制精度。

        本系統(tǒng)將每相電流分為Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)區(qū)間,分界點(diǎn)為t2時(shí)刻,區(qū)間Ι的控制方式:通過檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速并與參考轉(zhuǎn)速相比較,獲得轉(zhuǎn)速差,通過模糊滑模控制和積分環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為參考轉(zhuǎn)矩Tref,通過式(17)計(jì)算得到第N-1相的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩TN-1,與Tref相比較。當(dāng)TN-1>Tref時(shí)(允許誤差范圍在[-0.05,0.05]),控制功率管工作在“0”狀態(tài);此時(shí)若TN-1>Tref仍成立,控制功率管工作在“-1”狀態(tài)。當(dāng)TN-1

        區(qū)間ΙΙ內(nèi)的控制方式與I相同。

        這種控制方式相比文獻(xiàn)[10]的雙環(huán)控制,既保留了DITC方式的瞬時(shí)性,也削減了電流峰值。

        4 仿真分析

        通過在MATLAB/Simulink中搭建6/4電機(jī)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,圖8為轉(zhuǎn)矩曲線簇。

        圖8 轉(zhuǎn)矩曲線簇

        樣機(jī)參數(shù)如表1所示,其中Lmin=2.453 mH,相電阻為R=1.20 Ω,Lmax與電流擬合時(shí)參數(shù)a0=0.0235,a1=6.67×10-4,a2=-8.95×10-5,a3=1.74×10-6。轉(zhuǎn)子位置在15°~30°時(shí)擬合參數(shù)b0=5.82×10-3,b1=9.57×10-4,b2=1.6×10-5,b3=2.68×10-7。

        表1 樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        設(shè)定額定轉(zhuǎn)速為500 r/min,額定電壓270 V,額定功率3 kW等相關(guān)參數(shù)。按照滿足滑模存在性及可達(dá)性的條件以及滑模穩(wěn)定的參數(shù)范圍,選取滑模參數(shù)進(jìn)行仿真。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為6 N·m時(shí),多重閉環(huán)控制下的轉(zhuǎn)矩與PID控制下的轉(zhuǎn)矩對比如圖9所示,系統(tǒng)穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如圖10所示??梢?,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在5.9~6.1 N·m之間,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在501~504 r/min,而且響應(yīng)快,超調(diào)較小,實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩的較精確控制。

        (a) 經(jīng)典PID控制下的轉(zhuǎn)矩

        (b) 多重閉環(huán)控制下的轉(zhuǎn)矩

        (a) 轉(zhuǎn)矩

        (b) 轉(zhuǎn)速

        5 結(jié) 語

        本文通過模糊滑??刂茖⑥D(zhuǎn)速差轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒖嫁D(zhuǎn)矩,一定程度上減小了系統(tǒng)的抖振,通過運(yùn)動(dòng)方程求得相轉(zhuǎn)矩,并與由轉(zhuǎn)速差通過模糊滑??刂妻D(zhuǎn)換得到的參考轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)相鄰兩相功率開關(guān)管的通斷控制,從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但是本方法在轉(zhuǎn)子位置角較小時(shí)對電感的求解存在一定的誤差,不利于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的精確抑制。

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