开关磁阻电机转矩脉动减小方法综述

尹磊+++蔡燕+++姜文涛

摘 要：开关磁阻电机作为一种新兴电机，得到了广泛的应用，但是它的转矩脉动问题制约了电机的进一步推广应用。因此，如何减小转矩脉动成为开关磁阻电机研究领域的热点之一，为了优化电机动态性能，国内外学者做了大量的研究，并提出了很多解决方案，概括起来分为两种：一是改进电机的结构，二是采用合适的控制技术。文章主要从这两方面来阐述减小转矩脉动的方法。

关键词：开关磁阻电机；转矩脉动；控制技术

引言

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）凭借结构简单、效率高、调速性能好等优点得到了国内外的广泛关注。然而，电机独特的双凸极结构及磁路的高度饱和造成开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drive，简称SRD）存在严重的转矩脉动问题，制约了SRM的进一步推广与应用，因此，减小或抑制电机转矩脉动对于优化电机动态性能有很重要实践意义。国内外对转矩脉动及抑制方法进行研究，并根据不同的角度提出不同的方案，主要分为两类：一是优化电机结构，如调整SRM定、转子极弧可以有效地减小SRM的转矩脉动；二是采用合适的控制策略，对于给定电机来说，电机结构参数是固定不变的，以电机控制的角度入手，对它的控制策略进行深入细致的研究。本文以电机设计与控制分析SRM转矩脉动减小的方法，对国内外学者的研究概况进行总结，简要分析各种方案的原理优缺点。

1 转矩脉动产生原因

电机结构决定它的优化方法，SRM独特的双凸极结构以及它开关形式的供电电源使它存在很多缺陷：一、定子齿、转子齿叠加产生磁通引起电流非线性变化；二、电机转子转矩由脉冲转矩叠加而成，不是一个恒定值。由此得知，开关磁阻电机存在转矩脉动，尤其是低速运行阶段，转矩脉动更加突出。因此，最大限度的减小转矩脉动成为SRM优化设计的重要内容。

2 优化电机结构

影响开关磁阻电机的结构参数包括定子结构与尺寸、转子结构与尺寸、极弧长度以及铁心长度等等。而定转子的结构与尺寸对转矩脉动及噪声有重要影响。总结国内外研究成果，我们主要从优化定子结构与尺寸、优化转子结构与尺寸及优化极弧等方面来优化电机。

定子外径、轭及定子齿和槽的形状等参数对SRM转矩脉动都有重要影响，满足电机尺寸设计要求和约束条件下，优化电机性能通过提高输出转矩，减小转矩脉动并对定子外径进行优化。

转子外径转矩脉动影响与定子相比恰好相反，转子外径与转矩脉动成正比。在定子外径不变的情况下，增加转子外径，可能会造成绕组截面积减小，引起绕组峰值降低，所以转子外径要选择适当，不宜过大。

使用仿真软件对电机进行优化，当前比较流行的电机仿真软件是Ansoft，首先根据SRM的参数在AnsoftRMxprt生成二维或三维几何模型，然后利用Ansoft的接口將几何模型导入Maxwell2D或Maxwell3D，在利用瞬时模块进行有限元计算。利用软件可以定义外加电路特点，建立了SRM外加电路模型，与电机模型构成完整的系统进行仿真。使得仿真结果更加接近实际情况，精确分析电机运行性能。

3 抑制转矩脉动控制策略

3.1 传统控制策略

传统的控制策略有电流斩波控制与角度位置控制两类。电流斩波又可分为单幅值斩波与双幅值斩波。电流斩波降低了转矩脉动，但同时给电机控制带来了不利影响，并且仅适用于电机低速阶段角度位置控制通过调节导通角实现电机优化控制，适用高于基速阶段。角度位置控制通过控制电机开通角与关断角达到控制电流目的，没有直接对转矩进行控制，对于相间转矩的平滑过渡问题也没有涉及，因此，两种控制对于减少转矩脉动效果并不明显。

3.2 转矩分配函数法

转矩分配函数以合成瞬时转矩恒定为目标。通过转矩分配函数（TSF）分配电机各相在不同位置的期望转矩，并通过滞环控制或PWM控制使得合成瞬时转矩跟踪位置闭环或者速度闭环控制器的指令转矩，通过控制转矩变化率实现均衡换相，达到减少转矩脉动的目的。

转矩分配函数虽然避免了电流峰值，抑制过大转矩脉动的产生，但是它的控制方案需要控制换相区的两相，占用资源较多，转矩分配函数的选取是优化控制的关键。

3.3 迭代学习控制

迭代学习控制严格来说属于智能控制的一种，而智能控制在数学本质上属于非线性控制，迭代学习算法简单，电机控制器不需要辨识系统参数，特别适用于非线性、强耦合场合。电机转矩与电流、角度关系密切。如果电机施加电流不均匀时，随着电机转动，角度的不断改变，电机转矩脉动明显加大。若将电流跟踪转角进行变化，则可能减小转矩脉动。迭代学习便是根据转子当前位置相电流和电机转矩，调整下一周期电机相应位置的电流给定值，补偿转矩，减小转矩脉动。迭代学习控制虽然效果明显，但对于电机实时性要求特别高，同时，受迭代周期的限制。

4 结束语

转矩脉动过大限制开关磁阻电机的发展与应用，虽然线性控制、非线性控制及智能控制在抑制转矩脉动方面取得了不错的成果，但还远远不够，随着科技的不断发展，综合各种控制理论研究出新型的控制策略并结合电机结构抑制转矩脉动是我们的奋斗目标。

参考文献

[1]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉：华中理工大学出版社，1991.

[2]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].北京：机械工业出版社，1995.

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