基于電流滯環(huán)的開關(guān)磁阻電動機控制方法

黃 輝,程寧寧,胡 楊,趙德勇,汪 磊,王永生

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司 宣城供電公司，宣城 242000)

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基于電流滯環(huán)的開關(guān)磁阻電動機控制方法

黃 輝1,程寧寧2,胡 楊1,趙德勇1,汪 磊1,王永生1

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司 宣城供電公司，宣城 242000)

在開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)中電流斬波控制和角位置控制是最常用的主要有兩種控制方式。介紹了一種電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的開關(guān)磁阻電動機控制方法。通過設(shè)定滯環(huán)環(huán)寬，將電機相電流控制在給定電流上、下一個環(huán)寬內(nèi)，這樣既可及時迅速地跟蹤給定的電流，避免電機起動過程中的電流過大現(xiàn)象，又能快速地響應(yīng)外環(huán)轉(zhuǎn)速的變化，實現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制電機。內(nèi)環(huán)采用新型的滯環(huán)電流控制后，簡單有效地解決了傳統(tǒng)控制策略中電流斬波動態(tài)響應(yīng)慢、角位置控制復(fù)雜的弊端。

開關(guān)磁阻電動機；電流滯環(huán)；控制策略

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機控制系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)交、直流調(diào)速系統(tǒng)各自的優(yōu)點,是繼交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)后的一種新型無級調(diào)速系統(tǒng)[1]。開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極形式，轉(zhuǎn)子上既無繞組又無永磁體,通過硅鋼片疊壓而成，繞有簡單的集中式繞組的疊壓而成硅鋼片構(gòu)成了定子。因此，SRM在結(jié)構(gòu)上具有簡單牢固的特性，運行可靠、維護方便，對環(huán)境要求低且成本低廉；控制上具有較廣調(diào)速范圍、較大的起動轉(zhuǎn)矩、較小的起動電流等，這些優(yōu)勢決定了SRM在各個領(lǐng)域都有著廣泛的運用。

SRM的控制策略大多采用角位置控制和電流斬波控制[2]。角位置控制不足之處在于低速性能不好，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時，感應(yīng)電動勢會因為電感的變化而減少，因此電流的峰值會增大，需要進行限流處理。角位置控制過程中，開關(guān)元器件在導(dǎo)通期間會一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，相電流大小是不可以調(diào)控的，相應(yīng)的電流變化率很大，對開通角和關(guān)斷角的變化影響較大，同樣在控制上存在一定的困難。同時，針對轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩所確定的某一運行時刻，開通角和關(guān)斷角的組合形式是多種多樣，不同的組合形式對應(yīng)著不同的特性，具體控制起來相對復(fù)雜，且結(jié)果很難達到預(yù)定的效果。因此，角位置控制更適合在短時間內(nèi)電流快速達到給定值[3-5]。

對于電流斬波控制，電流是鋸齒狀，當(dāng)速度降低時，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率將會隨之增大，轉(zhuǎn)矩脈動也會隨著增大，造成的振動與噪聲也會變得嚴重。除此之外，還存在著動態(tài)響應(yīng)慢的問題，輸出轉(zhuǎn)矩因電流限幅而受限，無法快速的響應(yīng)擾動帶來的轉(zhuǎn)速突變[6-7]。

本文介紹一種電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的SRM控制方法。這種控制方式具有以下優(yōu)勢：1)起動時能限流起動，減小由于起動電流過大對控制器及電機造成的沖擊；2)縮短了起動、停車時間，起動時采用大電流起動，停車時同樣也采用大電流停車；這樣實現(xiàn)了快速的起動、停車； 3)采用內(nèi)環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機相電流能夠快速地跟隨電流給定值，可以得到平穩(wěn)的電流波形，電流平穩(wěn)，縮小控制器的容量，提高電機的效率;4)有效地降低SRM的噪聲。

1 數(shù)學(xué)模型

圖1是SRM的控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖，它包括主電路和控制電路兩部分。

圖1 SRM控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖

在忽略漏磁的情況下，磁通全部由氣隙進入轉(zhuǎn)子，由于鐵心磁導(dǎo)率可視為無窮大，鐵心表面可視為等磁位面，故氣隙磁通與定、轉(zhuǎn)子極弧表面垂直，在這種情況下，氣隙磁導(dǎo)僅由定轉(zhuǎn)子相互重疊部分的弧角度大小所決定，是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)[8]。如圖2所示，可看出電感也是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)，因為電感與磁導(dǎo)成正比。

圖2 SRM線性電感特性

當(dāng)轉(zhuǎn)子極運轉(zhuǎn)到定子兩極中間時，此時有最小的氣隙磁導(dǎo)，最小的電感值Lmin；轉(zhuǎn)子極運轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極弧與定子極弧重合的過程中，繞組電感值隨著轉(zhuǎn)子位置角θ的增加而線性增大；當(dāng)完全重合時，電感有最大值Lmax。在重合區(qū)間，電感保持最大值不變。當(dāng)轉(zhuǎn)子極繼續(xù)運轉(zhuǎn)，位置角θ繼續(xù)增大，定子極弧與轉(zhuǎn)子極弧的重疊部分將逐漸地線性減小，對應(yīng)的電感也將隨之減小。此過程，電感值L(θ)和位置角θ的變化關(guān)系如圖2所示，則理想電感可表示：

(1)

式中：k為一系數(shù)。

設(shè)SRM的相電壓為u，相電阻為R，相電流為i,則相電壓方程：

(2)

(3)

式中:ψ為磁鏈;e為相電動勢。

每相繞組的電磁功率：

(4)

根據(jù)量綱關(guān)系易知：

(5)

2 換流模式分析

實驗中以四相8/6極SRM為平臺，現(xiàn)就此平臺分析換流模式。采用兩相導(dǎo)通星形兩相四狀態(tài)控制模式，每一時刻都有兩相導(dǎo)通。以A，D相導(dǎo)通為例進行環(huán)流模式分析，A相橋臂處于調(diào)制狀態(tài)，D相下管處于常通狀態(tài)，C相上下管全部關(guān)斷。

圖3為電機電動狀態(tài)下采用滯環(huán)控制的瞬時電流波形。ih為滯環(huán)環(huán)寬，iref為電流給定值。t0時刻，ia達到滯環(huán)的下限值，S0導(dǎo)通，ia逐漸增大。當(dāng)ia=iref時，滯環(huán)控制器HBC仍輸出高電平，S0持續(xù)導(dǎo)通，ia繼續(xù)增大，直到t1時刻，ia=iref+ih/2，滯環(huán)輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，S0關(guān)斷；由于電機繞組的存在，電流通過D1續(xù)流，ia逐漸減小。直到t2時刻，ia=iref-ih/2，滯環(huán)輸出再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，再次使S0導(dǎo)通。這樣S0與D1交替導(dǎo)通，S3處于常通狀態(tài)，使輸出電流ia與給定值iref的差值保持在±ih/2范圍內(nèi)。

圖3 電動狀態(tài)下滯環(huán)控制的瞬時電流波形

圖4(a)為電動狀態(tài)下A上D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動勢平衡方程：

(6)

式中:U為直流側(cè)電壓，對應(yīng)圖3中t2～t3時段，S0導(dǎo)通，電流增大。

圖4(b)為電動狀態(tài)下A下D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動勢平衡方程：

(7)

對應(yīng)圖3中t3～t4時段，D1導(dǎo)通，電流減小。

圖4(c)為電動狀態(tài)下A下D下導(dǎo)通狀態(tài)的環(huán)流模式。電動勢平衡方程：

(8)

這種模式工作在換相的過程，目的是快速減小換相電流，抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動，從而達到降低開關(guān)磁阻電動機噪聲。

(a) 電動狀態(tài)下S0,S7導(dǎo)通拓撲

(b) 電動狀態(tài)下D1,S7導(dǎo)通拓撲

(c) 電動狀態(tài)下D1,D6導(dǎo)通拓撲

圖4 電動狀態(tài)下的電流換相模式

3 控制策略

圖5是內(nèi)環(huán)采用電流滯環(huán)控制雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖[9]，KT為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量。

圖5 電流滯環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖5的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)具有良好的抗干擾能力，則按照典型Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計，選擇PI調(diào)節(jié)器[10-12]，外環(huán)控制規(guī)律：

(9)

式中:Knp,Kni分別為轉(zhuǎn)速外環(huán)比例、積分系數(shù)。

電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制。將實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，得到電流的給定值iref，通過對電流進行比較，系統(tǒng)直接輸出高電平或低電平，使電流迅速跟蹤給定電流。電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。電流滯環(huán)控制的A相原理圖如圖6所示。

圖6 電流滯環(huán)控制的A相原理圖

4 實驗結(jié)果與分析

實驗中用到的控制芯片是Freescale的DSPMC56F8037；電機是四相8/6極SRM，電機參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

圖7是SRM空載起動的波形。從圖7中可以看出，電機空載時以最大電流起動，轉(zhuǎn)速迅速達到設(shè)定的給定值，隨后電流、轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定。

圖7 電流滯環(huán)控制下SRM空載起動波形(截圖)

圖8是在40%的額定負載下，電流滯環(huán)控制模式下不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)電機相電流波形。從圖8可以看出，隨著給定轉(zhuǎn)速的增大，由于采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方法，電機相電流幅值隨著增大。在電機從C，D相導(dǎo)通切換到A，D相導(dǎo)通的換相過程中，為了快速使換相電流降低，減少轉(zhuǎn)矩波動，采用了圖4(c)的拓撲，但這種方法對D相的電流造成波動。從圖中可以看出，隨著電機相電流的增大，這種波動越來越明顯。

(a) n=300 r/min

(b) n=600 r/min

(c) n=1 000 r/min

圖9是北京某公司生產(chǎn)的SRM控制器，在40%的額定負載下，角位置控制模式下不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)電機相電流波形。從圖9中可以看出，在換相的過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，相電流的波動會越來越明顯，造成了轉(zhuǎn)矩的波動，產(chǎn)生較大的噪聲污染。

(a) n=300 r/min

(b) n=600 r/min

(c) n=1 000 r/min

表1 噪聲對比實驗

表1中，控制器1是本實驗設(shè)計用到的，控制器2是北京某公司生產(chǎn)的，如圖10所示。實驗中負載為40%的額定負載，硬件實驗平臺如圖11所示。

圖10 北京某公司生產(chǎn)的SRM控制器

圖11 硬件實驗平臺

5 結(jié) 語

本文將滯環(huán)控制應(yīng)用于SRM調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制上，結(jié)合轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI調(diào)節(jié)控制，構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。得出以下結(jié)論：

(1)在電機起動過程中，能保持較大電流快速起動；在電機空載和帶載情況下，能保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差；在電機調(diào)速過程中，能夠更迅速地完成調(diào)速過程，達到穩(wěn)態(tài)。

(2)整個實驗過程中，采用內(nèi)環(huán)電流滯環(huán)后，使得電機相電流能夠快速地跟隨電流給定值，得到平穩(wěn)的電流波形。

(3)SRM一直存在噪聲的問題，通過噪聲的對比試驗，這種控制策略在降低SRM的噪聲有了很好的效果。

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The Method of Switched Reluctance Motor Based on The Current Hysteresis Control

HUANG Hui1,CHENG Ning-ning2,HU Yang1,ZHAO De-yong1,WANG Lei1,WANG Yong-sheng1

(1.Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.State Grid Electric Power Company of Anhui Xuancheng Power Supply Company，Xuangcheng 318020，China)

There are two most common methods, current chopping control and angular position control in the switched reluctance motor control system. The control method of switched reluctance motor with a current hysteresis control was introduced. Compared with a given current, the motor phase current wias controlled within a certain ring width by setting the hysteresis loop width. It can quickly track the given current to avoid that electrical current during startup is too large, and can quickly respond to changes in the rotational speed of the outer ring to achieve fast and stable control of the motor. After using the new inner hysteresis current control, it is a simple and effective solution for problems of the traditional control strategy such as slow chopping current dynamic response and complicated angular position control drawbacks.

switched reluctance motor； current hysteresis； control strategy

2015-02-04

TM352

A

1004-7018(2016)02-0071-04