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考虑互感下基于TDF的开关磁阻电机转矩脉动研究-网络转载-中国传动网应用案例

信息来源:chuandong.biz  时间:2010-04-03  浏览次数:156

  摘要:针对开关磁阻电机转矩脉动大的问题,采用了一种转矩控制的开关磁阻电机控制系统。通过比例积分控制与两邻相同时激励法来抑制转矩脉动。经比例积分产生参考转矩,由转矩分配函数以及转子位置信息分配转矩到相应的两邻相,分别求得两邻相瞬时电流,再结合实际返回电流值经过电流控制器产生电压控制信号,完成电机转矩控制。本文在仿真中,对电机模型考虑了互感的影响。为使得SRM在小功率应用场合的推广,建立了220VDC、2kW的开关磁阻电机转矩控制系统仿真模型,仿真结果表明,相对于传统的控制方式,控制系统可以有效减小转矩脉动。
  1 引言
  开关磁阻电机(SRM)结构简单、起动转矩大、效率高、容错能力强等,并且可以实现起动/发电功能。因此,它在航天、工业和汽车系统中的应用具有很广泛的前景。
  但由于SRM的磁链特性,产生的转矩脉动限制它更广泛的应用,转矩脉动问题一直是国内外学者研究SRM的热点之一。研究表明:实现开关磁阻电机的恒转矩控制,只有通过控制瞬时转矩来减小转矩脉动,而不是传统的平均转矩控制[1]。文献[2]中提出在低速下对电流的脉宽调制策略来减小转矩脉动,主要根据转子位置分配转矩,产生各相电流控制信号。一般根据优化目标来选取TDF,而且仅在正转矩区域定义TDF,由于电流的上升和下降存在延时,随着电机速度的提高会使得电机的机械特性变差[3]。文献[4]在正负转矩区域均定义了TDF,在正转矩区域有足够的电流上升和下降时间,而且高速时电机的机械特性良好。
  电机转矩是各相转矩共同合成的,瞬时激励两邻相能够生成所需要的输出转矩,通过转矩分配函数合理的分配转矩到两邻相,并根据转子位置选择要激励的邻相,可以使得输出转矩保持恒定,减小转矩脉动 [5]。本文选取的TDF,考虑电机磁链的变化特性,并搭建了系统仿真模型,通过对电机库里的SRM做了合理的修改,实现SRM转矩脉动小的控制,并与选定单相激励、直接转矩控制做了比较。
  2 控制策略实现
  2.1 SRM转矩特性分析
  根据SRM的机械方程:
  3 基于MATLAB的SRM转矩控制系统模型的建立
  基于转矩分配函数控制系统的建立如图1所示。
  图1中,速度偏差经过PI控制,生成转矩控制信号,经过TDF算的各相期望转矩,CCG(Current Command Generation)为电流发生器模块,根据TDF求取各相电流值,经过电流控制模块(Current Control)与反馈电流比较,输出各相的电压信号,最终采用PWM模块,控制各相的导通。
  3.1 SRM仿真模型
  Matlab7.6提供了两种SRM模型,都未考虑互感的影响,然而实际互感值最大能达到相应相自感的6.4%[5]。考虑了互感的影响下,如图2修正的仿真模型,在某一相通电情况下,其相邻的两相电流分别对通电相产生互感,根据测得的互感磁链值再次查表,确定互感电流以及互感转矩,最终与自感转矩相叠加确定输出总的转矩值[6]。
  3.2 相选择输出
  两邻相在15°的电角度内,可以产生期望转矩。在8/6 SRM中,一个周期有四个不同的激励区域,但只有两相产生期望转矩是有用的。一个周期内,转矩的正负、转子位置信号和想选择信号对应的关系如表一所示,输出的相选择信号直接输入TDF和CCG模块,进行各相转矩和电流的求取。
  表一 转矩、转子位置和相选择对应关系表
  位置信号
  1 0 0 1
  0 1 1 0
  1 1 0 0
  0 0 1 1
  0 1 1 0
  1 0 0 1
  0 0 1 1
  1 1 0 0
  表一中1为选择该相,0为不选择该相。
  3.3 功率变换器选取
  功率变换器采用非对称的半桥变换器,如图3所示。此种变换器单电源供电,每相两个主开关,工作原理简单。
  4 仿真结果
  仿真中,选定电机功率为2.2kW,外加电压220VDC。仿真中分别与选定角度的电流滞环控制、直接转矩控制进仿真结果进行对比,参数设置为:滞环限:±0.1,PI控制器参数:P=20,I=0.1,仿真结果如下:
  以上三种控制,到达参考速度之前,系统处于起动阶段,PI控制输出为限幅上限,起动电流达到电流最大,起动转矩高,转矩脉动相对较大,可参考式(3),达到参考速度时,输出转矩稳定在一定范围。
  电流滞环控制:开关角为32°、47°,转矩波动范围0.5~2.5 N﹒m,脉动范围比较大。直接转矩控制下:借助空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,建立变换器开关表,把转矩、磁链的变化要求通过开关表反映到SRM各绕组主开关器件的通断上,最终控制的是加在各相绕组的电压,控制直接[7]。仿真结果看出,转矩脉动范围在-1~3 N﹒m,换相期间依然存在转矩尖峰,脉动范围比较大。本文的TDF控制,给出了内环控制采用滞环控制,转矩脉动为1.8~2.4 N﹒m,脉动小,转矩无明显的尖峰出现,说明换相电流平滑,转矩在小范围内有脉动。
  以下分别给出了此转矩控制系统在速度为1000rpm和100rpm下,A相下的起动及稳定阶段时的相电流、相磁链、相自转矩、相互转矩、相总转矩波形图。
  图5中,左边为起动阶段,右边为稳定阶段,其中右侧纵坐标与左侧对应一致。从上到下分别为A相电流、相磁链、相自转矩、相互转矩、相总转矩波形图。电机起动时,相转矩大,而且在1000rpm和100rpm下起动相转矩均能达到20N.m;稳定时,相电流保持,而且跟踪相磁链变化趋势。根据TDF控制算法,产生各相控制输出电流iref来控制各相输出相应的输出电流iout,图6给出了在给定1000rpm和100rpm下的各相输出电流跟踪输入电流的误差波形,由于互感与转子位置和相电流有关,导致各相电流跟踪误差幅值不等。高速运转下,电流跟踪特性较差,导致转矩脉动过大,起动阶段跟踪误差最大,脉动相应最大;低速运转下,电流跟踪特性相对高速下良好,转矩脉动较小,输出平均转矩也较高速下小。
  5 结论
  本文在建立SRM模型中考虑了互感的影响,而且和直接转矩控制、直接电流滞环控制的转矩波形进行对比,通过仿真结果分析,基于此种TDF的SRM控制系统,可以减小转矩脉动,这对于SRM在小功率范围内应用的推广很有实际的指导意义,而且相对传统的控制方法,在抑制转矩脉动上具有明显的优势。

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