SRM转矩脉动抑制的控制策略分析

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（1.合肥学院 电子信息与电气工程系，安徽 合肥 230601；2.中国科学技术大学 信息科学技术学院，安徽 合肥 230027；3.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

开关磁阻电机（SRM）驱动系统突出优点是效率高，节能效果好，调速范围广，无启动冲击电流，启动转矩大，控制灵活；此外，还具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点。除可以取代已有的电气传动调速系统如直流调速和变频调速，还十分适用于运输车辆驱动、龙门刨床，各种机械等需要重载启动、频繁启动、正反转、长期低速运行等应用场合。然而，开关磁阻电机的定、转子双凸极结构及开关形式供电电源，使得其驱动系统成为一个多变量、强耦合、非线性异常严重的系统，运行中转矩脉动比较明显，由此引起的电机噪声及转矩波动，直接影响了SRM在运行质量要求较高场合的应用，一定程度上限制了开关磁阻电机的应用范围。因此如何更好地对开关磁阻电机的转矩进行控制，有效地抑制开关磁阻电机转矩脉动及降低噪声，一直是国内外学者研究的热点问题［1－2］。文章在对开关磁阻电机转矩脉动产生机理分析的基础上，从控制的角度综述了开关磁阻电机转矩脉动抑制的若干解决方案的要点，分析了各种控制方法的优缺点，从而对进一步研究提出建议。

2 转矩脉动产生的机理

开关磁阻电机每一相的转矩特性可以用转矩－电流－角度曲线描述，而相邻两相在空间上相差1个步矩角。由于在换相时当前相关断不再产生电磁转矩而下一个导通相不能产生所需要的转矩，使得转矩降落出现在相同电流产生相同转矩的相邻两相矩角特性曲线的交点处，因而最大的转矩降落可以由重叠相的矩角特性曲线得到。显然，该降落越小转矩脉动的抑制越容易。

开关磁阻电动机转矩脉动较为复杂，受到许多因素的影响。主要有：电机本体的双凸极结构，磁场分布严重非线性，结构参数非线性。为了维持开关磁阻电机的连续运转，须不断切换功率变换器的主开关器件，提供同一方向的电磁力，开关电路供脉冲电流会产生步进磁场，形成脉动的转矩；用逆变电路作电动机的供电电源，电机的定子电压除基波外，还有一系列谐波分量。在谐波影响下，电机也会产生脉动转矩，使转速出现周期性的波动。

为了提高电机的运行性能，许多学者从不同的角度提出了各种方案，概括起来有以下2种：一方面，学者们通过改进电机的结构设计如增加定子宽度以及增加每相对应的定子凸极等方法，有效地降低开关磁阻电机转矩脉动，提高电机的运行性能；另一方面，在电机结构及其参数已经确定的情况下，通过控制方法的设计来有效地抑制转矩脉动。由于后者灵活性大、设计周期短等原因，吸引了更多的学者投入到这方面的研究工作之中。

3 转矩脉动抑制的控制策略

开关磁阻电机转矩脉动源于其高度的非线性，主要表现在磁链对转子角和相电流的非线性关系上，由此得到其电磁转矩同样是角度和电流的非线性函数。为了抑制SRM转矩脉动，提高电机运行性能，针对转矩脉动产生的机理，控制领域的学者从电磁转矩与转子角和相电流的非线性关系的角度设计了多种控制器方案，概括起来有如下4种。

3.1 转矩控制

为了获得平滑的转矩，有些学者对转矩直接施以控制的方法进行了研究。文献［3］针对相电流与电磁转矩非线性关系，难以采用传统方法求解转矩方程，引入旋转矢量的思想得到了电感空间旋转矢量，并得到了平滑转矩。文献［4］根据给定转速和实际负载，在线计算出电机各相绕组电流／位置曲线，在空间合成多个转矩矢量，使开关磁阻电动机由步进磁场接近圆形旋转磁场，以减小转矩脉动。这种控制策略控制简单，在低速下能有效抑制开关磁阻电动机转矩脉动，但是基于线性模型，只适用于低速。文献［5］给出了直接瞬时转矩控制方法，它采用了数字式转矩滞环控制器，不需要转矩模型函数和辅助换向策略在线控制气隙转矩，采用固定的切换角和超前导通角实现转矩调节，但低速时采用超前导通角将导致电机效率降低得很多。文献［6］基于交流电机控制中的直接转矩控制方法，结合开关磁阻电机的特点，通过对磁链幅值以及磁链矢量速度的控制达到控制电机转矩的目的，这种基于磁链控制的直接转矩控制方案简单、易于实现。文献［7］对矢量控制和直接转矩控制（direct torque control，DTC）两种方法进行了比较：采用传统交流电机的矢量控制思想，在两相绕组间按顺序连续地改变电流比例，获得了旋转磁场，该方法不需要瞬时磁通模型，也不需要双极电流驱动，其主要缺点是需要脉冲编码器及PWM调制会产生信号延迟，因而限制了对磁通的快速控制；在DTC中，根据磁通和转矩的基准值与实际值的差值选择最佳的电压矢量，换向策略取决于磁通和转矩的滞环控制器，DTC的优点是可以获得平稳快速的转矩响应。

3.2 换向控制

由于相电流的切换是产生SRM转矩脉动的主要原因，一些学者采用优化导通角或关断角的方法对电流进行切换来抑制转矩脉动。文献［8］设计了一种混合控制器，引入转矩分配函数中均衡换向算法的思想，对换向角θc中心进行控制，而换向角θc作为速度的函数在两个限值间变化。文献［9］讨论了关断角的优化方法，但采用电机解析模型。文献［10］考虑了关断角大小与电流和速度的依赖关系，采用模糊逻辑控制的补偿器对关断角进行补偿。这是一种离线方法，由于动态测量难度大，不能应用于实时系统。文献［11］讨论了在线优化导通和关断角的方法。文献［12］通过增大导通角或关断角对转矩脉动的影响进行了分析，它既适用于传感器模式，也适用于无传感器模式。文献［13］分析了有直流电压脉动和无直流电压纹波的转矩脉动情况，并采用软、硬件两种斩波方法对这种特性进行了分析。

3.3 电流模型控制

由于转矩取决于相电流和转子位置，一些学者通过模型生成技术来控制相电流波形以减小转矩脉动。文献［14］将对应于不同转子位置的期望转矩所需的基准电流，即T－i－θ间关系制作成可查询的表格并存储起来，表中的数据通过一系列的电机实验测量得到，而优化的相电流通过自学习方法获得，该方法不足之处是实验和计算所需时间较长。文献［15］提出了一种梯形电流模型，通过对进出相电流相等的换流中心点确定来获得换流期间重叠电流优化。文献［16］采用正弦模型获得了两导通相重叠期间的优化预计算相电流。该模型无法实现相电流减少时跟踪，且考虑饱和影响时需要精确的电感模型。文献［17］提出的正弦模型基于开关磁阻电动机的简化模型，通过间接控制定子相电流实现最小化瞬时转矩脉动。上述模型采用离线的方法获得，通过滞环控制器对驱动系统进行控制，主要缺点是需要高带宽电流控制器以便滤除次声波噪声，并要求外施直流电压保持为恒值。但对于滞环控制来说，数字控制方法不需使用电流反馈滤波器，限制了电流控制环的带宽［18］。

3.4 转矩分配函数

一些学者通过定义转矩分配函数（TSF），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一恒定值，然后通过矩角特性反演出各相电流指令，加以适当的控制策略实现转矩脉动最小化。文献［19］提出了指数型TSF，且被定义为与转子位置θ相联系的m函数。文献［15］提出了线性TSF，该函数在换流期间转矩做线性变化，且进出相的电流在换流的中心点相等。文献［16］提出了正弦TSF，使得各相转矩在换流时随转子位置按正弦函数变化。文献［20］提出了立方TSF，每相产生的转矩随转子位置非线性变化。文献［21］从转速范围、铜耗、重叠角和导通角方面对以上4种转矩分配函数（TSF）的转矩脉动最小化进行了评价。该方法的优点是对应的电流波形变化比较平稳，且避免了较大的峰值电流，但使用该方案需要对换相区的两相同时进行控制，占用的控制接口资源较多；转矩分配函数是关于开关角、重叠角和电机转速的函数，由电机的静态参数决定，电机在实际过程运行中参数会发生变化；如何合理地选择转矩分配函数是实现较优控制的关键。

在上述控制方案的设计过程中，各种先进的控制方法在抑制转矩脉动方面获得广泛应用。为了获得比较精确的基准电流，文献［22］采用线性化和解耦技术并考虑了电机非线性，但该方法在确定基准电流时需要关于电机静态特性的先验知识，采用以固定频率随相转矩倾斜下降的方法进行换向。低速时，将产生很大的峰值相电流。为了减小峰值电流，文献［23］针对正弦转矩模型采用了均衡换向算法。文献［24］提出的换相策略考虑相电压饱和及其对系统性能产生的影响，构建了SRM非线性反馈线性化控制系统。文献［25］利用算法对负载转矩的低次谐波总值及其产生的转矩脉动量进行估计，通过将谐波电流注入SRM中，有效地消除了谐波电流产生的脉动。文献［26］以速度差为开关函数，相电流平方和为控制对象，结合李亚谱诺夫函数设计了滑模控制器，实验验证了这种方法的优越性。由于开关时滞作用，如果仅靠VSS控制，系统易产生自振。文献［27］采用B样条神经网络通过电机的磁链模型或磁化特性在线获得了电流模型。文献［28］提出了一种基于径向基函数神经网络的开关磁阻电机瞬时转矩控制方法。常用神经网络学习速度较慢，需要离线学习，难以用于电机的实时控制。文献［29］利用产生较小转矩脉动的神经元模糊系统实现在线电流模型的估计及基准电流的补偿。文献［30］设计了基于转矩分配函数的转矩控制器和电流控制器组成的双迭代学习SRM转矩最优控制器。基于迭代学习的方法不需测量电机磁特性，对电机模型的精确度要求不高，控制器结构简单，计算工作量小，便于微机控制，是一种很有前途的方法。但是对电机的运行条件有较高的要求。文献［31］结合预测控制理论对开关磁阻电机控制系统进行非线性预测控制设计，对抑制开关磁阻电机转矩脉动有很好的效果。目前，线性控制理论、非线性控制理论和智能控制理论在减小SRM转矩脉动的方面已经取得了丰硕的成果，但还远未到完善的程度。

4 结论

转矩脉动将不可避免地加大了开关磁阻电机本体的振动，增加了其运行时的噪声，限制了其在诸如伺服驱动等低速且要求平稳并有一定静态转矩保持能力场合下的应用。文章针对开关磁阻电机转矩脉动抑制的控制方法进行了综述，对国内外抑制开关磁阻电机转矩脉动的控制方法进行了分析，总结了各种控制方法的优缺点，从而对进一步研究提出建议。

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