基于12扇区的开关磁阻电机直接转矩控制脉动抑制研究*

何昆仑， 许爱德， 曹玉昭， 王雪松

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)



基于12扇区的开关磁阻电机直接转矩控制脉动抑制研究*

何昆仑， 许爱德， 曹玉昭， 王雪松

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

针对开关磁阻电机(SRM)传统直接转矩控制(DTC)中转矩脉动大的问题，提出了基于12扇区的开关磁阻电机控制方法，将扇区进行重新划分并对电压矢量表进行重新分配，以一台三相12/8极开关磁阻电机为控制对象，通过与传统直接转矩控制方案进行仿真与试验对比。结果证明，新方案对于抑制转矩脉动纹波具有显著效果。

开关磁阻电机； 扇区划分； 直接转矩控制； 转矩脉动系数

0 引 言

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)与传统交流电机相比较，具有结构简单、控制方便、机械效率高、工作可靠等优点[1]。但SRM转矩脉动大是不争的事实，转矩脉动大导致的电机噪声和振动，恶化了电机的低速性能，引起传动系统轴系振荡，严重的还会造成传动系统的损坏，阻碍了SRM在许多领域如伺服系统的应用，一定程度上限制了SRM的应用范围和领域[2]。

根据文献研究，目前国内外学者主要从两个方面进行减小转矩脉动的研究： 一是优化电机的本体设计[3]；二是在电机结构及参数确定的情况下，通过优化控制策略减小转矩脉动[4-5]。

SRM传统直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)是基于转矩滞环和磁链滞环的bang-bang控制，传统DTC选择的非零基本电压矢量只有6种，而且空间上分布间隔60°，大多数情况下选择的电压矢量并不是改变磁链和转矩正好需要的矢量，使得电压矢量作用于定子磁链后，磁链发生阶跃式变化，必然导致脉动纹波大的问题。

本文提出了一种基于12扇区SRM的DTC方法，将扇区进行细分，重新设计空间电压矢量表，并通过仿真验证，对于转矩脉动抑制具有明显效果。

1 12扇区SRM的DTC系统

1.1 理论依据

DTC的思想最初由英国学者Poramaste Jinupun[6]提出，即通过绕组结构的变化，形成一个类似于传统交流电机的旋转磁场，通过转矩滞环和磁链滞环采用空间电压矢量实现对转矩的控制。后来日本学者Adrian David Cheok和Yusuke Fukuda[7]采用类似感应电机DTC的方法，将DTC应用于普通SRM，日本学者Hai-Jiao Guo[8]又对其不同于感应电机DTC的概念作了进一步说明。

SRM的转矩可以表示为

(1)

由式(1)可得，通过控制磁链变化率的极性，实现对转矩的控制。这样SRM的DTC控制方法可定义为[9]

(1) 定子磁链幅值保持一个常值；

(2) 转矩由加速或减速定子磁链矢量来控制。

上述目标的实现类似异步电动机DTC的方法，均是通过控制电压矢量来控制转矩和磁链。因此，空间电压矢量的产生是问题的关键。

1.2 12空间电压矢量的产生

以12/8极电机为研究对象，电机三相绕组相互独立，根据绕组上的电压不同可以分为三种工作状态： 正电压、负电压及零电压状态，具体如图1所示。

图1 SRM的三种工作状态

图2 基本空间电压矢量图

在忽略电阻压降的情况下，一相电压和磁链的关系近似为u≈dΨ/dt，即

Ψ=∫udt

(2)

从积分的角度考虑，将式(2)中的磁链和电压看作线性关系，即可表示为

ΔΨ=uΔT

(3)

则

Ψi+1=Ψi+ΔΨ

(4)

根据磁链与电压矢量的关系(见图3)，以0扇区为例，在磁链滞环作用内，磁链要想增加，可以选择基本电压矢量U2，如图4所示，内圆为磁

图3 磁链与电压矢量的关系

图4 SRM滞环磁链控制圆

链滞环的下限，外圆为磁链滞环的上限。

根据式(1)可知，转矩的控制是通过使定子磁链相对转子位置超前或滞后来控制的。因此，以电机逆时针旋转为例，如果需要转矩增加，则需要选择使定子磁链相对转子转动方向超前的电压矢量。反之，如果需要转矩减小，则需要选择使定子磁链相对转子转动方向滞后的电压矢量。根据这个控制规则，结合不同扇区下不同空间电压矢量对磁链关系，制作了电压矢量选择表，如表1所示。ΨQ为0时，代表合成磁链需要减小；ΨQ为1时，合成磁链需要增加。同样，TQ为0时，代表转矩需要减小；TQ为1时转矩需要增加。

表1 电压矢量选择表

1.3 基本电压矢量的优化

2 仿真分析

本文采用MATLAB/Simulink软件工具对传统DTC方案与改进型DTC方案分别进行了仿真对比。系统框图如图5所示，主要包括电压矢量控制器、转矩观测器、磁链观测器、扇区判断及功率变换器五个部分。以一台三相12/8极SRM为仿真对象，电机额定转速为1000r/min，负载转矩和给定磁链分别取为10N·m和0.3Wb。为了对结果进行对比，定义纹波转矩的峰峰值ΔTPP与平均转矩Tav的比值为转矩脉动系数TRF[11]，即

(2)

图5 SRM的DTC系统框图

图6为采用12个基本电压矢量控制后的磁链波形，可知磁链轨迹是一圆形，磁链幅值变化被限定在滞环宽度内，从而降低了转矩脉动大对电机的损害。

图6 磁链波形

图7(a)为传统DTC系统转速稳定时波形图，给定转速为800r/min，负载转矩为10N·m。从图7(a)中可看出,起动时转矩较稳定，接近给定转速直至转速稳定时，转矩脉动纹波开始明显增大。图7(b)为12扇区下的转速稳定时波形图，无论是电机由起动到速度达到稳定过程中，还是稳速运行过程中，转矩脉动基本上维持不变，而且脉动不大。

图7 DTC系统转速稳定时仿真图

根据仿真波形，由式(2)算得传统DTC系统转速稳定时的转矩脉动系数为

(3)

12扇区下，转速稳定时的转矩脉动系数为

(4)

图8(a)为传统DTC系统转矩突变时的波形图。从图8(a)可看出，转速在0.4s开始从 800r/min 增加到1000r/min，转矩也在0.4s开始突增，突增时的转矩脉动纹波明显增大，转速为1000r/min时的转矩脉动纹波相对800r/min时的转矩脉动纹波有所增加，可以得出，接近额定转速时，转速越大，脉动纹波越大。图8(b)为12扇区下转矩突增波形图。从图8(b)可看出，转矩在突增直至达到转速稳定1000r/min时，脉动纹波也很小，不随转矩突变而增加，具有很好的动态响应效果。

图8 转矩突变时仿真波形

3 结 语

采用12扇区SRM的DTC，通过对扇区的重新划分，重新分配空间电压矢量表，在保证电机可靠运行的情况下，有效控制了转矩和磁链，改善了系统的动静态性能，同时保持了传统DTC快速响应特性和抗干扰的优点，解决了传统DTC方法中转矩脉动大的问题，有效地控制了转矩脉动，并且实现方法简单。

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[9] 韩如成,潘峰,智泽英.直接转矩控制理论及应用[M].北京： 电子工业出版社,2013.

[10] 许爱德,樊印海,李自强.空间电压矢量SRM转矩脉动最小化[J].电机与控制学报,2010,14(1)： 35- 40.

[11] LE-HUY H, PERRET R, FEUILLET R. Minimization of torque ripple in brushless DC motor drives[J]. IEEE Trans Ind Applicat, 1986,22(4)： 748-755.

Research of Switched Reluctance Motor Direct Torque Control Ripple Reduction Based on Twelve Sector Division*

HEKunlun,XUAide,CAOYuzhao,WANGXuesong

(College of Information and Science Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To overcome the disadvantage of the large torque ripple in traditional direct torque control (DTC) of switched reluctance motors (SRM), switched reluctance motor control method based on 12 sectors was presented. Sector would be re-divided and voltage vector table was distributed. A 12 /8 pole 3 phase switched reluctance motor was designed to facilitate the verification of the correctness and validity of the proposed method. The simulations and experiment of analyzing the direct controlling torque were carried out for the proposed method and the traditional one. The results demonstrated that the proposed scheme was valid for restraining torque ripple.

switched reluctance motor(SRM); sector division; direct torque control(DTC); torque ripple factor

国家自然科学青年基金项目(51407021)；中央高校基本科研业务费项目(3132015214)

何昆仑(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

许爱德(1974—)，女，博士研究生，教授，研究方向为电机及其控制。

TM 352

A

1673-6540(2016)10- 0019- 05

2016-03-24