开关磁阻电机发展及转矩脉动抑制策略研究

2019-06-10 09:35姚璋陈树明
科技创新导报 2019年4期
关键词:控制策略

姚璋 陈树明

摘   要:开关磁阻电机(SRM)结构简单、性能优异,集电力电子技术和先进控制技术于一体,具有价格低、效率高、适应力强等优点,显示出广阔的应用前景。但是SRM本身所具有的非线性电磁特性等特点,使其存在较大的转矩脉动,限制了SRM在某些领域的应用。文章回顾了SRM的发展历史,介绍了近年来在抑制SRM转矩脉动几种先进控制策略的研究概况。

关键词:开关磁阻电机  转矩脉动  控制策略

中图分类号:TM352                               文献标识码:A                        文章编号:1674-098X(2019)02(a)-0121-04

Abstract:Switched Reluctance Motor (SRM) is praised for its simple structure and excellent performance, integrated with power electronics technology and advanced control technology, with the advantages of low price, high efficiency, strong adaptability, and so on, which shows a broad application prospect. However, with the disadvantages of nonlinear electromagnetic characteristics, it has a large torque ripple, which limit its application in some special fields. This paper reviews the development history of SRM and introduces the research situation of several advanced control strategies to suppress SRM torque ripple in recent years.

Key Words:Switched Reluctance Motor;Torque ripple; Control Strategy

开关磁阻电机[1](Switched Reluctance Motor,简称SRM)结构简单、性能优异,目前被广泛应用于航空航天、电动车、家用电器等领域。但是SRM的双凸极结构和开关形式供电电源,也使得基于SRM的调速系统具有多变量、强耦合、非线性严重等缺点,运行时伴随有较大的转矩脉动,限制了其在高精度运行场合下的应用。因此,国内外对于如何抑制SRM转矩脉动的研究一直在进行。文章回顾了SRM的发展历史,介绍了几种先进的控制策略并分析其特点,为进一步研究提供参考。

1  SRM的发展历史

开关磁阻电机如名称所示,是一种依赖于磁阻转矩旋转而非电磁转矩的双凸极结构电机。电机的运转在很大程度上依赖于功率开关晶闸管,“开关”一词正是来自于此。由于功率电子器件在早期发展较为缓慢,这也制约了开关磁阻电机的发展。

1842年9月22日,罗伯特·戴维森(Robert Davidson)为爱丁堡-格拉斯哥铁路线发明了世界上第一台电力机车,由他自己发明的电机进行驱动。电机结构十分简单,由一对U形电磁铁、与电磁铁相连的旋转换向器和外围装有铁条的木制圆柱体组成。它的工作原理与现在的开关磁阻电机十分相似,一对电磁铁轮流通电,吸引铁条带动木制圆柱体旋转。虽然在运行中存在一些问题,比如当铁条与电磁铁对准时,会产生非常大的径向力使其脱离圆柱体,铁条上的涡流损耗也很高,但戴维森的电机成功地实现了其功能,并成为现代开关磁阻电机的雏形[2]。

1969年纳萨尔[3](Nasar)发表了题为《D.C.-Switched Reluctance Motor》的论文,第一次提出了“开关磁阻电机”这个名称。这个名称描述了开关磁阻电机两个最基本的特征:(1)开关性:电机必须工作在一种连续的开关模式使线圈轮流通电形成旋转磁场;(2)磁阻性:它是一种双凸极电机,定、转子具有可变磁阻回路,闭合回路磁阻总是要趋于最小,如图1(b),磁阻不是最小,所以产生一个切向力F,在切向力F的作用下,转子沿逆时针方向转动,力求回到图1(a)的最小磁阻状态。

1980年,劳伦森[4](Lawrenson)系统地阐述了开关磁阻电机的工作原理和設计特点,为现代开关磁阻电机的发展奠定了基础。表1列出了SRM发展历史上的重要节点。

进入90年代后,随着电子电力技术、半导体技术、现代计算机技术的高速发展,开关磁阻电机在结构设计、控制策略应用上都取得多样化的成果。

目前开关磁阻电机被广泛应用于电动车驱动、家用电器、通用工业(风机、泵、压缩机等)、伺服调速系统、牵引电机等领域,转速上限高达106 r/min,成为电机市场的重要一员。

2  SRM控制策略的发展

由于SRM的双凸极结构、电机磁链的非线性以及输出转矩由各相转矩叠加而成等因素的影响,转矩脉动成为SRM运行中不可避免的问题,传统控制方法所产生的转矩脉动特征值一般在20%甚至更高,在一定程度上限制了其应用范围。抑制转矩脉动总体上分两类方法:优化电机结构和改进控制策略。电机结构优化受限于设计参数等要求,因此有效减小转矩脉动的新型控制策略成为SRM重要的研究方向之一。

转矩的产生依赖于根据转子位置而对开关管进行的连续切换动作,因此可以通过选择合适的开通角、关断角来对SRM进行开关角度控制。电流软/硬斩波控制和滞环控制也被用于进行SRM的控制。通常电流控制应用于低速区域,在此区域内电流有足够时间提升到最大值,以获得最优的性能。而角度控制通常被用于高速区域,通过调节开通角和关断角来获得更大的电流。值得注意的是伴随着转矩脉动抑制方法的应用,电机的输出转矩通常会有一定的下降。文献[5]中Islam的研究得出结论,转矩最大化和脉动最小化无法同时达到最优效果。在优化过程中,需要在两者之间取得最优值。

传统的角度位置控制、电流控制等更注重对电机调速性能的优化,对于转矩脉动抑制缺少针对性处理,本节将简要介绍几种先进的基于转矩脉动抑制的控制策略。

2.1 转矩分配控制

转矩分配策略的实质是通过定义转矩分配函数合理地分配与调节各相电流所对应的电磁转矩分量,保证各相瞬时转矩之和为恒定值,然后通过矩角特性逆运算得到各相电流,加以适当的控制策略来实现对电机的控制。

如图2所示,在接受到转矩给定值后,转矩分配函数模块TSF根据电机当前转子位置,将给定转矩分配给各相,由转矩-电流模块根据开关策略生成给定电流,并分配到功率变换器。转矩分配函数的作用是在电机相邻两相转矩重叠区将转矩合理的分配给两相,从而降低转矩脉动。

转矩分配函数的设计是该控制策略的主要难点。合适的转矩分配函数可以保证在各相切换过程中电流变化率不超过限值,采用在线调节的转矩分配函数可以更好的满足实际应用。

2.2 模糊控制

模糊控制的主要原理是以电机的转子位置信号为输入,通过模糊控制器得到输出相电流,实时性修改隶属度函数以使各相获得最优的导通区域。模糊控制器不依赖于电机的先验知识,能很好地适应不同的电机特性,对转子位置反馈误差保持较强的鲁棒性。

图3为基于模糊控制的转矩脉动抑制系统框图,根据预先设定好的知识库,将误差经过模糊化,模糊推理及去模糊化的处理,得到相应的电流输出。

在文献[6]中,外环速度控制使用了模糊控制和PI(比例-积分)控制,PI控制器提供主要的参考电流,在稳定状态下,速度误差信号在模糊控制器中生成补偿电流,与参考电流共同参与脉动抑制调节。内环控制采用常规PI电流控制器生成控制电压。

由于模糊控制实际上是一种PD(比例-微分)控制,单纯依靠模糊控制会导致稳态误差的存在,即输出的参考转矩无法与实际的反馈转矩达到平衡,导致转矩脉动很大。为了消除稳态误差,在模糊控制的基础上叠加了一个PI环节。此PI环节只有转速差较小时起作用,这样既保持了模糊控制鲁棒性好的特点,又能够消除稳态误差。

模糊控制的缺点在于控制器不能根据负载转矩的改变而实时调整自身参数,依赖于预先设置的参数,对于电机运行时的参数变化造成的扰动不能及时响应。在实际应用时,模糊控制通常要与自适应控制、神经网络控制等其他控制策略结合使用,在这个过程中,不同控制策略之间的耦合也成为一个难点。

2.3 直接转矩控制

直接转矩控制(Direct Torque Control,简称DTC)是一种基于矢量控制的先进控制策略,首先被应用于感应电机。直接转矩控制主要应用于磁化特性为线性的交流电机,因此传统的直接转矩控制方法不能直接用于各相独立、非线性严重的开关磁阻电机。应用于SRM的DTC的主要思想是根据转矩和磁通的变化率来选择定子电压矢量,保持定子磁链矢量的幅值为定值的情况下,不同的电压矢量可以控制转矩矢量和合成磁链矢量的变化方向。根据电机输出的相电压、相电流、位置角等信号作为直接转矩控制的输入,根据开关切换表生成对应的电压矢量,通过功率变换器控制开关磁阻电机各相的导通关断。通过DTC的控制,转矩和磁链被控制在给定值的滞环范围内,转矩脉动现象可以被有效抑制。图4为直接转矩控制结构框图。

利用空间矢量的分析方法,转矩的正负由磁链对位置角的偏導数决定,当磁链幅值随转子位置变化而增加时,转矩会相应增大;当磁链幅值随转子位置变化而减少时,转矩会相应减小。选择不同的电压矢量可以控制合成磁链矢量的变化方向,即改变当前转矩的变化方向。

传统的SRM控制方法没有把转矩作为直接控制量,因此不能很好地抑制转矩脉动。将交流电机领域应用成熟的直接转矩控制方法应用在SRM上,可以获得良好的控制效果,将转矩脉动控制在期望范围内。DTC方法的不足之处在于没有直接对电流进行控制,对于电流在控制过程出现的超限峰值无法进行抑制。

2.4 直接瞬时转矩控制

SRM直接瞬时转矩控制[7](Direct Instantaneous Torque Control,简称DITC)的主要原理是通过转矩估计器根据电流反馈获得开关磁阻电机的实时转矩,然后对转矩进行斩波控制。在预先设定好的导通角内,根据转矩偏差控制导通相的开通、关断和续流,从而将合成转矩保持在稳定区间内。图5为直接瞬时转矩控制结构框图。

电机的每一相在运行过程中可以分为单相工作和两相重叠两种情况,在两相重叠的情况下需要优先导通下一相,以实现转矩顺利过渡。根据通常使用的不对称半桥电路功率变换器,可以将每相的工作状态分为正向励磁、零电压续流和反相退磁三种。在单相绕组单独工作时,根据转矩偏差与限值高限和低限的关系,实时选择合适的工作状态。在两相同时导通的换相重叠区内,需要对两相绕组的工作状态实时切换以使得前一相产生的转矩逐渐被后一相产生的转矩所取代,在调节过程中通过三种工作状态的切换来保持转矩偏差始终保持在误差限值内。

无论是直接转矩控制还是直接瞬时转矩控制,共同特点是换相区转矩脉动较大。对比直接瞬时转矩控制和直接转矩控制,在DTC策略中,除了转矩反馈外,还需要磁链反馈来计算和发送控制信号,这不仅增加了控制系统的复杂性,而且增加了控制效果的不确定性和准确性。因此,与直接转矩控制策略相比,直接瞬时转矩控制策略更适合于实际工程应用。

3  結语

开关磁阻电机由于其结构性能上的优点,作为反应堆控制棒驱动机构的驱动电机,在中国实验快堆(China Experimental Fast Reactor,简称CEFR)中承担重要作用。在CEFR运行中,转矩脉动成为SRM带来的主要问题。一方面由于输出转矩不平稳,在保留较大裕量的情况下仍有可能造成输出转矩不足,引起“滑棒”现象;另一方面,转矩脉动对机械装置造成持续性冲击,容易引起机械部件的疲劳损伤,成为反应堆安全运行的隐患。

转矩脉动不可避免地会对开关磁阻电机的运转造成不利影响,限制了其在伺服驱动等要求转矩平稳领域的应用。采用先进的控制策略对于转矩脉动的抑制有显著的作用,虽然很多控制策略仅仅在理论上实现了其目的,但随着电子电力技术、功率开关器件技术的发展,实际工程应用中这些先进控制策略也迎来了广阔的前景。

参考文献

[1] 吴红星. 开关磁阻电机理论与控制技术[M]. 北京:中国电力出版社,2010.

[2] Krishnan R. Switched Reluctance Motor Drives[M]. Boca Raton. FL: CRC Press. 2001.

[3] Nasar S A. D.C.-switched reluctance motor[M]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers (London), Vol. 116, No. 6, June 1969, pp. 1048.

[4] Lawrenson P J, Stephenson J M, Blenkinsop P T, et a1. Variable Speed Switched Reluctance Motors[C]. IEEE Proceedings B. IET Digital Library,1980,127(4):253-265.

[5] Islam M. Minimization of torque ripple in SRM drives[J]. IEEE Trans Industry Electron, 2002, 49(1):1126–1133.

[6] A Guettaf, F Benchabane, M Bahri, O Bennis. Torque ripple minimization in switched reluctance motor using the fuzzy logic control technique[J]. International Journal of Systems Assurance Engineering and Management. 2014, 5(4):679–685.

[7] Robert B Inderka, et al. DITC-Direct instantaneous torque control of switched reluctance drives[J]. IEEE, 2002:1605-1609.

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