基于微步驅(qū)動(dòng)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)

1、基于微步驅(qū)動(dòng)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制系統(tǒng)作者：馬慶強(qiáng)王濟(jì)浩單位：山東大學(xué)控制科學(xué)與控制工程學(xué)院摘要：摘要：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是開關(guān)磁阻電機(jī)的主要缺點(diǎn)之一。本文在借鑒步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)思想的基礎(chǔ)上，通過細(xì)分繞組換相時(shí)刻電流使通電繞組在空間合成多個(gè)轉(zhuǎn)矩矢量，控制電流大小維持轉(zhuǎn)矩幅值基本恒定，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文論述的控制策略在實(shí)驗(yàn)過程中得到認(rèn)證，在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲方面有顯著的成效。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；細(xì)分；Abstract:A

2、bstract:Tquerippleisoneofthemajdisadvantagesofswitchedreluctancemot(SRM).Thispaperisbasedonthemicrosteppingdrivingofsteppingmotsubdividedtheveryphasecurrentwhilechangingthephasethengeneratessometquevectsinthespacecontrol

3、sthephases’currenttomakethetquecontinuity.Inthearticlethiscontrolstrategyismadeexperimentthesolutionfreducingthetquerippleisgood.KeyKeywds:wds:switchedreluctancemot(SRM)tqueripplemicrostepping1引言引言近幾年來，在伺服應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域中對(duì)各種轉(zhuǎn)速的要求

4、提高了人們對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)（簡(jiǎn)稱SRM）的興趣。主要原因還是由于SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠、低速轉(zhuǎn)矩大、簡(jiǎn)單的功率轉(zhuǎn)換電路、控制方式靈活和效率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然SRM在過去的幾年里有了很大發(fā)展，但仍存在一些問題有待研究，如與一般電機(jī)相比其轉(zhuǎn)距脈動(dòng)比較明顯，這就限制了其在伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了使SRM能在伺服領(lǐng)域中發(fā)揮其固有的優(yōu)點(diǎn)，研究如何有效的抑制SRM低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有十分重要的意義。在這方面各國(guó)學(xué)者做了大量的研究，有人提出按在

5、飽和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生近似正弦的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角靜態(tài)特性來優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且采用伺服電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生正弦的希望電流轉(zhuǎn)角分布，以此削弱瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[1]中采用模糊自適emergingSRM.應(yīng)控制方案，模糊參數(shù)從開始的自由選擇到最后調(diào)整為最優(yōu)。文獻(xiàn)[2]中采用局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)期望的電流波形進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最小化。但上述方法并沒得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，其原因主要是其控制方案復(fù)雜，難以實(shí)時(shí)控制。本文中通過借鑒步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技

6、術(shù)，結(jié)合分析SRM矩角特性為本文的控制策略提供理論上的依據(jù)，并在實(shí)驗(yàn)過程中驗(yàn)證了控制策略的實(shí)效性，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并使噪聲大大減小。2微分驅(qū)動(dòng)的原理微分驅(qū)動(dòng)的原理在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中，將電機(jī)繞組中的電流對(duì)應(yīng)各個(gè)平衡位置進(jìn)行細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改成階梯波供電，繞組中的電流經(jīng)過若干個(gè)階梯上升到額定值或者從額定值經(jīng)過若干個(gè)階梯下降到零。經(jīng)過細(xì)分后，驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度大大減小。故轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時(shí)的過剩能量也大為減少；

7、另一方面，控制信號(hào)的頻率提高了N倍（細(xì)分?jǐn)?shù)），故可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅能使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，而且還能減弱或消除振蕩引起的低頻噪聲。離散電流波形為正弦函數(shù)波形，如果能夠控制各相繞組的電流為正弦波，則實(shí)現(xiàn)SRM的連續(xù)控制。4微分驅(qū)動(dòng)在微分驅(qū)動(dòng)在SRMSRM控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)由以上對(duì)(86)SRM轉(zhuǎn)矩控制原理的分析可知，開關(guān)磁阻電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的核心就是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矢量幅值相等，控制相繞組電流跟隨給定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的

8、給定電流大小，使實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速保持在給定轉(zhuǎn)速誤差范圍內(nèi)，從而有效減小了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。同時(shí)導(dǎo)通的兩相繞組電流可表示為下式，式中為合成矢量對(duì)應(yīng)的電流大?。篿a=Imcosθib=Imsinθ………………………………………（5）則合成電流矢量i（以ia為參考）：i是一個(gè)以Im為幅值，－θ為輻角的矢量。這樣，由式（1）、（6）可知，每當(dāng)θ的值發(fā)生變化時(shí)，合成的矢量轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度，且幅值大小保持不變，實(shí)現(xiàn)了恒力矩的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。利用式（5）可得到細(xì)分后通

9、電相電流數(shù)據(jù)。所以要控制轉(zhuǎn)矩必須控制電流，而控制電流是以控制PWM功率變換器輸出脈寬被調(diào)制的功率開關(guān)信號(hào)為直接控制量，使實(shí)際輸出電流按階梯波電流變化。因此SRM的微分驅(qū)動(dòng)要靠控制PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)。用下式表示加在導(dǎo)通相繞組的PWM信號(hào)的占空比：Ya＝Y(jié)cosθ；Yb＝Y(jié)sinθ；……………………………………（7）上式中：Y為占空比幅值；Ya，Yb分別為Y在通電相繞組的分量；θ為轉(zhuǎn)矩角；（7）式中的占空比幅值Y與速度閉環(huán)中的給定速度通過

10、量化換算得出線性對(duì)應(yīng)關(guān)系：Y=kn；k為比例系數(shù)；所以在速度給定的前提下，占空比幅值Y保持恒定，由（7）式可知，只要調(diào)整特定平衡位置的轉(zhuǎn)矩角即可控制各相PWM脈寬占空比分量，根據(jù)（5）式與（7）式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由各相占空比分量大小的變化從而控制了導(dǎo)通相電流的大小。（86）四相SRM轉(zhuǎn)子極距角（周期）為60度，每相步進(jìn)角為15度，因此微分驅(qū)動(dòng)的行為即是要細(xì)分該15度的步進(jìn)角，在15度的步進(jìn)角中找到三個(gè)轉(zhuǎn)矩平衡位置，由于SRM繞組電流的大小受