開關磁阻電機起動/發電狀態切換控制策略研究

劉勇智， 周政， 盛增津， 范冰潔， 宋金龍

(空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038)

0 引言

開關磁阻起動/發電系統由于在高溫、高速、高空條件下具有高控制精度、高功率密度、高容錯能力的特點，成為了未來多/全電飛機電源系統的重要發展方向［1］。開關磁阻電機根據轉子位置角度來控制功率電路中功率管的實時通斷，以改變相電流的生成位置和幅值大小，從而產生不同大小和方向的勵磁效果，很便捷地實現電能的雙向流動以及起動運行與發電運行的雙功能切換。切換過程無需附帶任何發動機附件，很好地契合了飛機應用要求和約束條件，成為第四代以后戰機起動/發電系統的主要考慮對象之一［2］。

開關磁阻起動/發電機的切換過程根據工作順序的先后可分為電動狀態的退出階段、發電狀態的空載建壓階段以及額定負載調壓階段［3］。如何快速、平穩地完成起動/發電狀態切換，并提供滿足國軍標(GJB181A－2003)對飛機供電品質要求的高壓直流電能，是開關磁阻起動/發電系統發展和應用過程中面臨的關鍵難題，也是開關磁阻起動/發電切換控制器設計的基本控制要求。在切換過程中，原動機(飛機發動機)轉速、電動狀態機械負載、發電狀態電氣負載等都會發生劇烈的變化，這給整個控制過程造成了明顯的干擾，增大了控制難度，也是目前亟需解決的關鍵技術問題［4］。

針對開關磁阻電機的控制問題，目前的研究大多集中于固定轉速、額定負載條件下的原理分析與控制器設計與仿真。目前，對于開關磁阻發電機(switched reluctance generator，SRG)的穩壓控制策略有兩類［4］。一類是基于功率電路拓撲結構設計和參數優化的穩壓策略，如文獻［5］通過設計電容濾波器對輸出電壓品質進行優化;另一類則是基于反饋控制理論的PID控制器設計，如南京航空航天大學設計實現的6kW開關磁阻起動/發電系統，采用固定關斷角、微調開通角的電流斬波控制，并且加入了以電流反饋為內環、電壓反饋為外環的雙閉環變參數PID 控制［6－8］。PID 控制器具有簡單、快速的特點，并且其參數整定技術已非常成熟，可以達到較好的控制效果。但是由于該控制器只把控制目標(即輸出電壓和相電流)作為反饋量，而忽略了其他狀態量對控制目標的影響，所以在一定程度上犧牲了開關磁阻發電機的動態性能［9］。

本文著重于航空背景條件下的開關磁阻起動/發電機切換過程的研究，討論轉速變化對空載建壓過程的影響，研究負載突變對調壓過程的影響規律。設計基于滑模變結構的控制器對切換過程進行仿真，并通過2 kW原理樣機進行實驗驗證。

1 開關磁阻發電機切換過程

航空開關磁阻電機的切換過程如圖1所示，當電機退出起動狀態，開始切換到發電狀態時，其輸出電壓并不能立刻滿足GJB181A－2003對飛機供電品質的要求，而是需要經歷一個復雜的過渡過程，這個過渡過程可以分為空載建壓和額定負載調壓兩個階段。

圖1 切換過程原理圖Fig.1 Principle diagram of switching process

1.1 空載建壓階段

剛進入發電狀態時，由于初始的輸出電壓無論在幅值還是諧波分量上都不能滿足飛機用電設備對供電品質的要求，因此開關磁阻電機進入發電狀態的初始時刻并不能立刻將負載設備接入到開關磁阻電機的電壓輸出端，此時為用電設備提供電壓(即匯流條電壓)的仍是地面電源。而開關磁阻電機則工作在空載發電狀態。此時的開關磁阻電機阻尼較小，有利于控制器在較快的時間內達到控制精確度的要求。只有當輸出電壓品質滿足了GJB181A－2003對飛機供電品質的要求，才能將輸出電壓與匯流條接通，為飛機用電負載提供電能。

當前，對于建壓問題的研究普遍集中在恒定負載情況下的建壓，與負載建壓相比，空載建壓具有不同的優勢特點:

表1 兩種建壓方式比較Table 1 Two kinds of voltage build-up

1.2 額定負載調壓階段

在空載建壓階段完成后，發電機由空載運行狀態突變為額定負載運行狀態，突加負載必然導致輸出電壓在短時間內產生向下的跳變，同時產生較大的交流諧波分量。根據GJB181A－2003對飛機供電品質的要求，在正常工作時，飛機高壓直流電源的供電電壓幅值必須控制在250～280 V的范圍內。因此在額定負載調壓階段，電壓控制器的控制目標就是，通過改變開通角、關斷角，調節開關磁阻電機的勵磁過程，使得輸出電壓盡快恢復平穩，并滿足GJB181A－2003對飛機供電品質的指標要求。

2 滑模變結構控制器設計

2.1 設計思想

在空載建壓階段，轉速的迅速上升將對輸出電壓的控制產生較大影響，而在負載調壓階段，除了轉速繼續上升，同時負載的突變將造成輸出電壓產生明顯的跳變。轉速和負載是電機與外界進行能量交換的輸入端口和輸出端口，在電機內部無法進行控制，但又時刻作用于電機的運行過程和控制過程，因此考慮把它們作為系統輸入的干擾，即將輸出電壓、相電流、轉速以及負載作為一組全狀態量反饋到控制器前端。其中，輸出電壓是系統的控制目標，控制器設計必須保證電機空載運行時快速無超調的到達額定電壓，并在加入負載后保持平穩小波動，控制器根據轉速和負載等干擾信號的變化，實時調整和校正控制參數，而相電流是系統控制的核心，由于對相電流的控制具有間接性和滯后性，只能通過調節勵磁而達到控制目標。因此在控制器設計過程中，將全狀態反饋量與目前常見的控制方式角度位置控制(angle position control，APC)和電流斬波控制(current chopping control，CCC)相結合，即在 APC與CCC的前端加入全狀態反饋控制器，而全狀態反饋控制器的輸出用以校正和調節APC與CCC的控制參數。滑模變結構控制器的工作流程如圖2所示。

圖2 滑模變結構控制器工作流程圖Fig.2 Work flowchart of the sliding mode variable structure controller

滑模變結構控制器的作用是:考慮轉速值和負載電流的干擾作用，將敏感的輸出電壓誤差信號反解算為3個控制參數(開通角θon、關斷角θoff和斬波電流ichop)。從而可以更精確快速的敏感誤差和干擾信號對系統的影響，達到更好的控制效果。

2.2 滑模變結構控制器的設計

由開關磁阻電機的內部原理以及外部功率電路構造可得SRG的電壓方程為

式中:C為功率電路的蓄電電容;R為負載電路總電阻;L為繞組電感。

滑模變結構的控制原理以相平面的控制為基礎，根據SRG的電壓方程，對整個系統的狀態變量進行設計和構造

式中:Ur為給定額定電壓;U為電機實際輸出電壓。

結合以上方程式(1)、式(2)可得系統的狀態空間表達式

為了使控制系統無超調的到達穩定，選擇一階滑模面s=kx1+x2，其中k＞0。選擇全部狀態變量反饋的滑模變結構控制方式，使得控制輸出形式和PID控制表達式類似，即

式中:α，β為增益。

其中k＞0，由上式解得

將式(5)代入式(4)可以得到控制器的輸出u，然后將控制器輸出經積分器輸出，一方面是由于控制的非線性，系統存在抖振現象，輸出經過積分器濾波可以削弱系統的抖振;另一方面，輸出具有積分環節可以消除系統的穩定誤差。因此，由上面各式可以得出系統最終的控制量i，其中α，β可以按式(6)取值。

滑模變結構控制器具體流程圖如圖3所示，ΔU、ωr、iR經過控制器和遺傳算法尋優求得 θon、θoff、ichop;控制器根據Δi的大小來判斷是否達到滑模面，不斷地調整滑模面，使得整個控制系統空載運行時快速無超調地到達額定電壓，加入負載后保持平穩小波動。

圖3 滑模變結構控制器內部邏輯流程圖Fig.3 Logic flow chart of the sliding mode variable structure controller

由滑模變結構控制理論的基本原理可知，系統動態過程由到達階段和滑動模態運動階段構成，故只要到達階段趨近并進入滑動模態，然后保證滑模運動階段穩定，系統穩定性就可以得到保證。

2.3 遺傳算法尋優模塊

圖4中的遺傳算法尋優模塊(genetic algorithm，GA)是一種采用啟發性知識的尋優算法，由于它僅需知道目標函數的信息，而對系統的連續性不作要求，因此可以滿足開關磁阻電機非線性、離散性的特點，具有較高的適應能力。尤其在高維搜索空間(本模塊為四維)上，遺傳算法的尋優結果比梯度法等傳統算法具有速度和精度上的優越性。但是遺傳算法的尋優結果是唯一的，不能輸出多組最優解。為了滿足該尋優模塊最優解不唯一的特點，在遺傳算法的外層設計了GA的循環調用環節。GA的循環調用環節可利用遺傳算法尋優過程具有隨機性和不可重復性的特點，得到多組不同的尋優結果，以供后續模塊繼續篩選尋優，達到最終的結果。

選取遺傳算法的循環調用次數為10，種群數量為80，繁衍代數為100，選取適應度函數為 F=1/(ie－iR)2，其中，ie為電樞輸出電流，iR為負載電流。當負載電流為10 A，轉速為1 000 r/min時，遺傳算法的尋優誤差如圖7所示，可以看出，當繁衍代數達到50代以后，十組尋優誤差達到最小并趨于穩定。將十組尋優結果進一步進行邏輯篩選，可得最終的控制參數為(37，72，18)，即開通角 37°，關斷角72°，斬波電流幅值為18 A。

圖4 遺傳算法尋優誤差曲線圖Fig.4 Error of optimization based on GA

3 仿真算例與實驗驗證

在控制器設計基礎上，通過Ansoft軟件進行有限元電磁分析，得到電機非線性數學模型，在Matlab環境中，建立了開關磁阻電機本體和控制器的仿真模型。并依托于實驗室現有的條件進行了基于TI公司DSP－TMS320LF2407A的開關磁阻發電機控制系統的硬件設計，最后進行了開關磁阻發電機的建壓和發電實驗。開關磁阻電機的參數選擇如表2所示。仿真和實驗的目的在于，基于仿真和實驗結果分析控制器對電機性能的影響，并將滑模變結構控制器的控制效果與傳統的PID控制器控制效果進行分析比較，從超調量、響應時間、穩定性等方面對結果進行分析。

表2 仿真模型參數指標Table 2 Parameters of SIMULINK model

3.1 開關磁阻發電狀態切換過程仿真與實驗

開關磁阻發電狀態切換過程為:保持原動機轉速為斜坡轉速，設定原動機轉速初始值為1 000 r/min，并在0.4 s內以恒加速度迅速上升至2 000 r/min，電機由240 V以下開始空載建壓，目標電壓為270 V，建壓成功并穩定后(輸出電壓幅值達到270 V，諧波含量達到國軍標GJB181A－2003要求并持續10 ms時間以上)，突加負載10 A，直至電壓穩定。

圖5和圖6中的示波器1通道分別為斜坡轉速狀態下的開關磁阻發電機建壓、調壓過程電壓瞬變仿真和實驗波形。仿真開始時為建壓過程，電壓迅速上升，電機在0.18 s后建壓穩定;在0.2 s時加入額定負載10 A，電機在0.04 s后重新達到穩定，超調量為1.7 V(0.63%)。

圖5 斜坡轉速狀態下SRG輸出電壓仿真波形Fig.5 Output voltage of slope speed

圖6 斜坡轉速狀態下SRG實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of slope speed

圖6 中的示波器2通道為整個過程中電容充放電電流的瞬變實驗波形。從波形中可以看出，在控制器的作用下，通過調整功率管的開關時機，使得電容一直處于不斷的充放電狀態，且瞬時電壓與目標電壓相差越大，充放電越劇烈，當建壓完成后，充放電幅度減緩，但隨著負載突變而突變，最終趨于穩定。

圖7為實驗過程中輸出電壓、電樞電流隨控制參數變化的關系圖。從圖中可以看出，在滑模變結構控制方式中，通過連續地改變斬波電流幅值，可以有效地改變三相電樞電流值，從而達到控制輸出電壓的目的，當輸出電壓在某一時刻產生較大的瞬間突變時，通過配合開通角 θon、關斷角 θoff的變化，可以更快速地消除誤差，達到穩定。

圖7 輸出電壓、電樞電流隨控制參數變化Fig.7 Output voltage and armature current response under the change of parameters

3.2 恒轉速試驗與斜坡轉速試驗比較

恒轉速試驗過程為保持原動機轉速穩定在2 000 r/min，其他仿真和實驗條件與恒轉速試驗保持一致。

圖8為恒轉速狀態下的開關磁阻發電機建壓、調壓過程電壓瞬變實驗波形。仿真開始時為建壓過程，電壓迅速上升，電機在0.15 s后建壓穩定，在0.2 s時加入額定負載10 A，最終在0.04 s后重新達到穩定，超調量為2.3 V(0.85%)。

圖8 恒轉速狀態下SRG輸出電壓實驗波形Fig.8 Output voltage of constant speed

圖9 為恒轉速和斜坡轉速下的開關磁阻發電機建壓、調壓過程電壓瞬變仿真波形比較。從仿真結果可以看出，恒轉速狀態下的建壓速度相比斜坡轉速狀態更快，這是因為，開關磁阻電機具有低轉速出力大的自然特性，在斜坡轉速狀態中，隨著轉速升高，電機發電能力有所下降，不能像恒轉速狀態下保持較大出力直到電壓達到建壓值，但是恒轉速起動的缺點是電壓波動更加劇烈，在達到目標值后不能很快地保持并穩定下來。

圖9 恒轉速與斜坡轉速輸出電壓比較Fig.9 Comparisons of constant and slope speed

3.3 滑模變結構控制器與PID控制器比較

本實驗對滑模變結構控制器與PID控制器的控制效果進行比較，原系統采用的是傳統的APC和CCC相結合的控制策略，即固定關斷角θoff、微調開通角θon的電流斬波控制，并且加入了以電流反饋為內環、電壓反饋為外環的雙閉環PID控制。PID控制器具有簡單、快速的特點，并且其參數整定技術已非常成熟，可以達到較好的控制效果。

圖10為PID控制方式下的開關磁阻發電機建壓、調壓過程電壓瞬變實驗波形，實驗開始時為建壓過程，電壓迅速上升，經過一個7 V的超調(2.59%)后在0.35 s后建壓穩定，在0.4 s時加入額定負載10 A，在0.06 s后重新達到穩定，超調量為4 V(1.48%)。

圖10 PID控制方式下的輸出電壓實驗波形Fig.10 Experimental waveforms of output voltage of PID controller

圖11 把兩種控制方式下電壓仿真波形放在一起進行比較。表3為滑模變結構控制器與PID控制器仿真結果的一些具體參數比較。從圖12和表3中可以看出，PID控制方式在建壓過程中存在較大的超調，并且在負載突加階段脈動變化更加劇烈和不穩定，相比而言，滑模變結構控制方式可以實現零超調建壓，并在快速性、諧波含量等性能方面表現更加突出。

圖11 兩種控制方式下的輸出電壓比較Fig.11 Comparisons of two controllers in voltage

表3 兩種控制器仿真結果的參數比較Table 3 Comparisons of parameters

4 結論

本文設計的滑模變結構控制器著眼于開關磁阻電機在切換工作狀態時的發電機建壓與調壓問題，著重解決了運行過程中由于轉速變化、負載變化等因素導致的電壓脈動。并在快速性、平穩度方面提升了電機的控制效果。滑模變結構控制器充分發揮了SRG區別于傳統發電機的控制策略靈活、可控參數多的優越性。仿真結果表明該控制器在提高SRG動態響應性能方面具有一定的優越性。由于控制器內部嵌入了遺傳算法的循環尋優模塊，使得控制器變得更加復雜、龐大，所以對計算機的處理速度提出了更高的要求。

［1］MACMINN S R，SEMBER J W.Control of a switched reluctance aircraft starter-generator over a very wide speed range［C］//Proceedings of the 24th Intersociety Energy Conversion Engineering Conf，1989:631 －638.

［2］RADUN A.Generating with the switched-reluctance motor［J］.IEEE APEC，1994:41－47.

［3］DING Wen，LIANG Deliang.Comparison of transient and steady state performances analysis for adual channel switched reluctance machine operation under different modes［J］.IET Electric Power Applications，2010，4(8):603 －617.

［4］丁文，梁得亮.雙通道開關磁阻起動/發電機系統建模與仿真［J］.電機與控制學報，2011，15(5):7 －15.DING Wen，LIANG Deliang.Modeling and simulation of dualchannel switched reluctance starter/generator system［J］.Electronic Machines and Control，2011，15(5):7 －15.

［5］彭寒梅，易靈芝，朱建林.開關磁阻發電機輸出電壓脈動抑制的研究及仿真［J］.系統仿真學報，2010，22(5):1237－1241.PENG Hanmei，YI Lingzhi，ZHU Jianlin.Study and simulation for switched reluctance generator output voltage ripple reduction［J］.Journal of System Simulation，2010，22(5):1237 －1241.

［6］CHANG Yuan-Chih，LIAW Chang-Ming.On the design of power circuit and control scheme for switched reluctance generator［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，59(1):445－454.

［7］邱鑫，張卓然，朱德明，等.雙凸極無刷直流發電機在開關磁阻發電方式下的工作特性［J］.中國電機工程學報，2010，30(21):54－60.QIU Xin，ZHANG Zhuoran，ZHU Deming，et al.Operation characteristics of switched reluctance generation mode for doubly salient brushless DC generator.［J］.Proceeding of the CSEE，2010，30(21):54－60.

［8］陳志輝，周楠.30/20極混合勵磁雙凸極電機開關磁阻發電方式研究［J］.中國電機工程學報，2011，31(15):94－100.CHEN Zhihui，ZHOU Nan.Switched reluctance generation characteristics of a 30/20-pole hybrid excitation doubly salient generator［J］.Proceeding of the CSEE，2011，31(15):91 －100.

［9］Martin Liptak Valeria Hrabovcova.Equivalent circuit of switched reluctance generator based on series generator［J］.Journal of Electrical Engineering，VOL 59，NO.1，2008:23 －28.

［10］Pandad，Ramanarayanan V.Mutual coupling and its effect on steady-state performance and position estimation of even and odd number phase switched reluctance motor drive［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2008，43(8):3445 －3456.