基于遗传算法的开关磁阻电机控制系统研究

姜晓艳 谢青海 岳龙飞

（河北机电职业技术学院 河北 邢台 054000）

电动汽车中的电机驱动系统，决定着新能源电动汽车的性能。根据驱动原理，电动汽车的驱动电机分为直流电动机、交流异步电动机、永磁式电机、开关磁阻电机等。其中，开关磁阻电机（SRM）具有结构简单、起动转矩大、调速范围宽、驱动效率高、容错能力强等优势，其主要缺点是转矩波动和电机噪声，因此，目前SRM的研究主要集中在如何提高在电动汽车应用中的转矩稳定性及降低噪声。

本文重点研究了三相6/4极SRM的结构，并用遗传算法优化PI控制参数，应用到直接瞬时转矩控制（DITC）中，提高转矩稳定性，得到适用于电动汽车的SRM控制系统。

1 SRM运行原理

SRM的定子与转子均采用双凸极结构，定子齿极上按照一定方式绕制定子绕组，用于向SRM提供运行时所需的磁场；转子齿极上则没有转子绕组，转子在定子磁场的作用下转动。

其工作原理为：SRM的某相定子绕组接通电源，则在定子内产生磁通，其磁力线则通过距离最近的转子齿极形成磁通路，将磁力线视为弹力很强的线，则转自将在磁力线的牵引力下产生转动力矩，从而驱动转自转动，当转动一定角度而使磁路达到最短时，停止转动。如果想让转子产生持续转动，应在其达到最短磁路前切断该相电源，并在相邻相的定子绕组中通入电源，则转子受到新的牵引力的作用而继续转动，如此，按照一定顺序在定子绕组内通入周期相同的交流电源，SRM的转子将在其作用下产生持续转动。与三相异步电动机类似，若要实现转子的反向旋转，只需调换三相电中的任意两相电源的接入顺序即可。

由于转矩主要跟电流和磁链变化率有关，且电流与变化的反电势与磁链增量间有一阶延迟，因此，在磁链变化时的电流可视为常量，即控制转矩时只需对定子磁链进行控制，可以不需考虑磁链改变引起的电流变化。SRM的双凸极结构使定子绕组通电后产生的磁链具有非线性特征，难以建立准确的非线性动态模型，且使得SRM运行中的转矩波动较大，尤其在低速运行阶段，控制性能较差。

2 基于遗传算法的SRM控制系统

2.1 PI控制器

PI控制器常由下式实现：

其中，KP、KI分别为比例系数和积分系数，e(t)k为第k次采样时刻的偏差值，u(t)为PI调节器限幅之后的输出值，可见，u(t)是将偏差e(t)的比例和积分运算后以线性组合形式输出，控制电机的实际转速，这使得电机的实际转速总是跟随给定转速变化，减小了负载的扰动。

在实际应用中，比例环节KP反映控制系统的偏差信号，因此增大KP将有助于加快系统响应速度，减少误差，但是会使系统的稳定性下降；积分环节KI主要用于消除静差，提高系统无差度，其值越大，则积分作用越弱，系统的超调量越小，会使系统的响应速度变慢。

2.2 基于遗传算法的PI控制

本文在优化辨识PI控制器的参数[1]时引入了耗时短、适应性强的遗传算法（GA），对定子磁链进行控制，由此形成的GA-PIDITC控制系统具有自适应能力强、转矩波动小等优势。为了提高运行参数变化时控制系统的鲁棒性，GA根据SRM的运行状态实时在线优化PI控制器的参数，使PI控制器输出的转矩给定值处于最优，从而补偿DITC控制器的缺陷，减少转矩的脉动和磁链的纹波，获取良好的调速性能。

3 仿真验证

本文仿真的运行环境是Matlab R2018b，利用Simulink组件搭建了一台三相6/4开关磁阻电机。选取额定功率60kW，额定线电压380V，绕组电阻1Ω，额定转速3000r/min，转动惯量0.01kg·m2。

取初始值为KP =0.15，KI =3，脉冲宽度调制（PWM）频率为10kHz，GA的初始参数设置如下：

NIND=40; %种群大小

MAXGEN=20; %最大遗传代数

PRECE=20; %个体长度

GGAP=0.95; %代沟

px=0.7; %交叉概率

pm=0.01; %变异概率

仿真结果表明，SRM从0加速到额定转速3000r/m的过程中，响应时间在30ms以内，说明系统响应速度快；同时，转矩波动范围为1V以内，表明GA-PI-DITC转矩波动小，运行稳定，而且能快速地跟随给定转矩，满足控制器要求。

4 总结

本文主要研究了SRM的工作原理及控制策略，提出一种基于GA的PI控制器参数优化方法，用于DITC控制系统，使SRM响应速度快、误差小、运行稳定，丰富了我国新能源汽车的研制与应用中的技术理论。