基于模糊逻辑控制的SR电动机转矩脉动抑制分析

王蕾

(河南机电职业学院,河南郑州 451191)

19世纪人类发明电动机,由于运转经济,电能传输方便,电气传动成为大部分机械传动方式。随着科技的发展,在工农业及日常生活中对电气传动需求不断增大。60年代随着电力电子学与现代控制技理论的发展,交流电动机矢量控制与调频调压控制理论产生,使得交流传动具备高稳态精度,四象限运行等良好技术性能。交流传动系统存在价格昂贵等问题,8 0年代国外推出开关磁电阻电动机(SR)是继直流电机、无刷直流电机(BLDC)之后发展起来的一种调速电机类型。SR电动机构成调速系统结构简单,鲁棒性好,其性能指标可比交直流传动系统。但同时存在转矩脉动噪声大的缺点,并且不能直接连接到电网以实现稳定的速度运行。国内外学者提出多种控制策略,例如直接转矩控制。在国际电力驱动领域中,开关磁阻电动机驱动器被称之为Switched Reluctance Motor Drive,简称SRD。SRD是一种由SR控制器和SR电机组成的变速驱动系统,它是世界上最新,最具有较高成本效益的速度控制系统。开关磁阻电机在调速应用中引起了人们极大的关注。开关磁阻电机驱动系统由于其结构简单,运行可靠,转矩惯量比高,效率高和成本低廉而被认为是未来的竞争性变速驱动系统;开关磁阻电机驱动系统无需永磁体,转子上无绕组和电刷,而且在很宽速度范围内具有良好的控速性能,因此在与永磁无刷直流电动机和感应电动机(SRD)的竞争中具有较强优势,在电驱动领域是一个热门话题[1]。

1 SR电动机与调速系统工作原理

SR电动机是双凸极可变磁电阻电动机,结构设计有利于减小涡流损耗,绕组集中绕在定子极上,磁极上是两个绕组串联。SR电动机能够设计成多个相数结构,有利于减小转矩脉动。同时电动机主开关器件多,控制方法复杂。由于SR电动机无自启动能力,目前应用较多的是四相结构。SR电动机是大步距角步进电动机的延拓,SR电动机运行原子遵从磁阻最小原理,铁心与磁场轴线不重合,磁阻电动机动力将铁芯拉到磁场轴线。

SR电动机转矩方向与相电流无关,控制字导通关断角可改变电动机工作状态,改变相电流可以改变电动机转速[2]。转子极转离定子极通电产生电磁转矩与转子相反,通过简单控制方式可改变电动机转向。SR电动机优点体现在结构简单,制造工艺简单,定子线圈为集中绕组,可适用于各种恶劣环境;转矩方向与电流无关,可简化功率变换器;算好主要产生在定子,转子无永磁体高温退磁现象;功率变换器不会出现直通故障。无异步电动机启动出现冲击电流现象;易于实现特殊要求的转矩－速度特性,转速不受电源频率限制;宽广转速内具有较高效率,SR电动机适于功率经常变化的场合。

目前SR电动机存在的缺点包括需根据定转子相对位置投入励磁;采用磁阻式点到等级能量转换密度低;SR电动机转矩脉动典型值为±15%,不能像笼型异步电动机接入电网稳速运行。SR电动机转矩脉动不大,根据其动态性能采取合适的技术,可抑制调速系统转矩脉动。SRD的组成主要功率变换器、位置检测器等部件。在SRD中完成电能转换的部件是SR电动机,功率变换器是SR电动机运行时供能者,由蓄电池整流后得到直流电供电。SR电动机功率变换器电路结构形式与电动机相数有关[3]。目前广泛应用的电路有分列式直流电源电路,具有最小数量开关器的功率变换器等形式。

2 SR电动机数学模型

SR电动机的工作特性是非正弦绕组电流,SR电动机控制参数多,并且相电流波形随电动机的工作状态而变化,传统电动机性能分析方法对SR电动机不适用。电动机磁路饱和、磁带效应等产生非线性,列出数学模型无法进行数学模拟。分析S R电动机线性与非线性数学模型,建立基于四相SR电动机电感特性SR D动态仿真模型,得到相电感、合成转矩等。SR电动机机电能量关系存在平衡关系。

电源输入电能=磁场储能增量+输出机械能+转换成的热量。SR电动机气隙磁场为脉振,建立气隙磁场储能。为了解SR电动机基本电磁关系,分析SR电动机理想模型是主电源电流电压不变,忽略铁心磁滞效应;功率开关器为理想开关;电动机各项参数对称。SR电动机运行理论与其他电磁式机电装置相同。电端口和机械端口通过电磁扭矩耦合,这反映了机电能量的转换,转矩表达式是机电连接方程[4]。SR电动机静态性能可靠以通过簇磁化曲线表征。可研究相绕组考察SR电动机电磁转矩。磁路饱和下运行SR电动机为非线性严重机电装置,磁阻转矩取决于电流i对于转子位置θ的变化率。SR电动机磁场存在边缘效应,电感L为转子位置角非线性函数。需根据电动机结构适当简化。

SRD运行特性影响因素包括SR电动机相电流波形,SR电动机线性模型假设电感不随电流变化,SR电动机中转子凸极中心线对准,磁路为非饱和,磁路饱和时对电动机转矩分析影响。不简化考虑磁路非线性,电磁关系计算困难。考虑磁路饱和效应,将实际非线性磁化曲线分线段性化,每段磁化曲线可解析。SR电动机由于双凸极结构非线性特点,定子绕组电流变形不规则,分析电动机特性需用非线性分析法。优化电动机设计非常重要,非线性分析常用的方法是采用二维有限法进行磁场计算。带有饱和非线性磁路的SR电动机的相电感与傅里叶级数近似,相电感可表达为Lk(θ,i)=Lo(i)+L1(i)cos(Nrθ+π),Lmin可通过实测得到随相电流变化数据。Lmax(i)为定转子凸极中心线重合处电感。表达和相电流函数关系多项式级数Lmax=∑Nn=0anin∑n=0Nanin,四相SR电动机电磁转矩Te=∑4k=1Tk∑k=14Tk3.SR电动机模糊逻辑关断角补偿控制。

SRD缺点是转矩脉动及引起噪声,限制器在调速驱动中的应用,SR电动机转矩脉动抑制研究受到人们的重视,SR电动机转矩脉动产生受到电动机结构尺寸影响,主要围绕电机设计控制方面研究[5]。许多学者将人工智能法引入转矩脉动抑制研究,如目前转矩脉动换相策略采用转矩分配法,克服SR电动机瞬间换相的缺陷,但未考虑传动效率等次要目标。未来各种非线性控制理论研究同步进行。

转矩分配策略是护理分配各相电流对应电磁转矩分量,SR电动机换相瞬时转矩脉动大,研究换相时导通两相绕组电流控制,实现转矩脉动最小化。转矩分配函数fi(θ)主要用于分配各相转矩,恒定值是依据负载要求确定转矩给定值Tg,满足∑nk=1fi(θ)=1∑k=1nfi(θ)=1,n为SR电动机相数。矩角性曲线表T-θ-i可以离线静态测量得到,理想状态各相矩角特性相同,瞬时转矩控制是为了控制导电相绕组的电流。直接转矩控制(DTC)用于控制电动机速度,以形成一个完整的理论,交流电动机具有线性特性,SR电动机具有严重非线性特点,应用交流电动机直接转矩控制理论不适用SR电动机。模糊控制是智能控制方法,其特点是将操作者控制经验用语言变量来描述,适用于数学模型未知的非线性复杂控制。SR电动机具有启动转速大,制造工艺简单等优点,转矩脉冲是高性能SR电动机主要缺点,通常采用电流双幅斩波方法减小转矩脉动,但在SR电动机控制系统难以实现。采用模糊控制器对SR电动机关断角调节,可减小转矩脉动。采用基于模块控制关断角补偿的SRD由功率变换器、位置检测器等组成,调速控制器采用PI控制,关断角补偿采用模糊逻辑控制[6]。采用分列式直流电源功率变换器,SR电动机相绕组断开电源,通过调整关断角可得到不同相电流波形。

3 基于数字信号处理(DSP)的SRD控制

采用TMS320C200系列2407A芯片为控制器,设计驱动电路。SR电动机控制参数包括绕组电流o,关断角θoff,转速n为设定值,电流幅值变化范围为0≤i≤Im,控制SR电动机转速可通过改变关断角θoff角度控制方式,采用调节相绕组加电压值的斩波控制方式。从减小电动机转矩脉动角度出发,运用关断角调节控制方式,并通过调节关断时间的比例,基于模糊控制关断角调节,控制器以斩波频率功率变换电路中主开关器件开端实现恒转矩无级调速[7]。SR电动机绕组需具有向电源反馈功率功能,功率变换器作用包括开关作用,为绕组储能提供回馈途径。SR电动机工作电流非正弦波,使得主开关器件定额计算复杂。功率变换器合理设计是系统设计的重要环节[8]。可选用分列式直流电源功率变换器主电路方案,直流电源采用电容滤波单相不可控整流电路供电,系统主开关管采用富士1MBH60D-100单管IGBT,需配驱动电路可靠工作。系统采用数字信号处理器TMS320LF2407A作主控器。系统采用DSP为专为电机控制设计的DSP,事件管理器包含3个启停时器。可产生12路PWM输出,事件管理器集成4个接收输入端。

SRD工作自同步状态,SRD低速运行时,通常采用电流斩波控制,采用电压占斩波控制方式,需随时监测绕组电流,为保证系统优良性能需依靠速度控制环节进行闭环控制。要使系统安全运行需辅助外围保护电路,泵升电压由回馈引起,采用主回路并联电阻管构成吸收电路,CPU检测到泵升信号,功率电阻R1通过发热消耗过多能量。SRD控制软件由初始化子程序,中断服务子程序,模糊控制子程序等组成。主程序连续循环结构运行,实现运行状态显示以及正反转控制等[9]。中断服务子程序包括速度控制中断子程序,捕获中断子程序等。采用C语言编程,对功率750W四相SR电动机进行空载试验,分析光电式转子位置传感器检测得到信号波形,实现四相SR电动机每15°机械角换相。分析电动机运行在n=1500r/min时转速波形,系统响应快[10]。

4 结语

本文采用理论研究及试验结合方法,对SR电动机工作原理及控制策略等关键问题系统研究,针对SR D中转矩脉动大问题,引入模糊逻辑关断角控制,可达到转矩脉动最小目的。仿真实验证明控制策略可行性,实验表明方法可行性。对SR电动机数学模型分析,基于四相SR电动机电感特性建立SRD动态仿真模型,得到相电感、合成转矩波形。固定关断角SRD转矩脉动比较大,建立模糊逻辑关断角,对SRD仿真模型进行系统仿真。基于DSP控制电路软硬件设计,在SR电动机上空载试验,验证控制策略的可行性。