開關(guān)磁阻電機(jī)角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究

1、摘要摘要：角度位置控制是開關(guān)磁阻電機(jī)最基本的控制方式，本文對開關(guān)磁阻電機(jī)的開通角與關(guān)斷角這兩個(gè)參數(shù)及其運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，并以86結(jié)構(gòu)的SRD為例，通過理論分析及仿真研究對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：好的開關(guān)角配置可以使電機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)，提高系統(tǒng)的整體性能。主題詞主題詞：開關(guān)磁阻電動機(jī)，整體特性，開通角，關(guān)斷角中圖分類號：中圖分類號：TM352TheOptimalParametersConfigurationofSwitchedRelu

2、ctanceDriverZhangYanyuDuanshuhuaLiHuabo(HunanRailwayProfessionalTechnologyCollegeZhuzhouHunan412001)Abstract:AnglePositionControlisthebasicmodeofSwitchedReluctanceDriver.ThepaperanalyzestwocontrolledparametersofSwitchedR

3、eluctanceDriver(Turnonangleturnoffangle)operationalacteristics.Thendiscussestheoptimaldesignofthetwoparametersbywaysofcomputersimulationtheyresearchtoamotof86Structure.Theresultsshowthattheoptimalturnonangleturnoffanglec

4、animprovetheperfmanceofSRM，madeoverallacteristicsofthesystemsachieveoptimalperfmance.Keywds:SwitchedReluctanceMachine，Overallacteristic，Turnonangle，Turnoffangle1引言開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRD)由磁阻電機(jī)（簡稱SRM）﹑功率變換器﹑檢測器及控制器組成，是一種典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)

5、，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和運(yùn)行效率，而且可控參數(shù)多，控制靈活。圖1是86極SRM的基本結(jié)構(gòu)。圖1.86極SRM結(jié)構(gòu)圖Fig.1Fourphase86poleSRmotStructure它的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯是由硅鋼片迭裝而成，在定子鐵芯內(nèi)圓周和轉(zhuǎn)子鐵芯外圓周均勻分布有齒和槽，構(gòu)成雙凸極結(jié)構(gòu)。定子鐵芯每個(gè)凸極上安裝有集中繞組，轉(zhuǎn)子凸極上無繞組，也無永磁。定子圓周上相對的兩個(gè)凸極上的繞組串聯(lián)成為一相繞組，當(dāng)某相繞組通電，將產(chǎn)生一個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩，力圖使鄰

6、近的轉(zhuǎn)子凸極與定子該相繞組軸線相重合，按一定的規(guī)律通斷定子繞組，可使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動，改變繞組的通電順序，電機(jī)將反轉(zhuǎn)。由于SR電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)及磁路嚴(yán)重的非線性，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動及噪音大，但是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及參數(shù)控制，可以使SR電機(jī)的噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動降到PWM控制的異步電機(jī)的水平。本文通過優(yōu)化參數(shù)的方法來提高系統(tǒng)的整體性能。2SR電機(jī)的可控參數(shù)m相SR電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩解析式為[7](1))(2)[(2minmax2min2222LLLUNmToff

7、onoffrsrav??????????????式中，Us為電源相繞組電壓，為旋轉(zhuǎn)角速度，r?Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)。由此可知SRD的可控參數(shù)有相繞組電壓Us，開通角θon以及關(guān)斷角θoff，只要改變其中一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)，便可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)的調(diào)速。保持相繞組兩端的電壓不變，主要通過調(diào)節(jié)SR電機(jī)的主開關(guān)器件的導(dǎo)通角度，即開通角θon和關(guān)斷角θoff的值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目的，稱為角度位置控制(簡稱APC)，典型的相電流波形如圖2所

8、示。根據(jù)相電流的波形及規(guī)律，電動運(yùn)行時(shí)開通角與關(guān)斷角應(yīng)滿足以下基本條件：，。21?????on32?????off)(?L)(?i?on?off?2?1?3?4?5?開關(guān)磁阻電機(jī)角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究開關(guān)磁阻電機(jī)角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究張彥宇，段樹華，李華柏（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南，株洲，412001）8.58.68.78.88.99x103100102030405060tsIaA圖5.關(guān)斷角為22o時(shí)相電流與開通角的關(guān)系Fig.

9、5.Relationshipbetweenphasecurrentturnonanglewhenθoff=22o通過分析圖5的電流波形，可以得出結(jié)論：（1）不同的開通角θon，可以形成不同形狀的相電流波形，開通角的大小直接決定了相電流的峰值，故可以通過調(diào)節(jié)開通角θon來改變相電流的波形及峰值，實(shí)行對SR電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)電感處于最小值狀態(tài)，電流可以在該段迅速的建立，電流對θon的變化非常敏感，θon的較小增量都會引起電流的較快上升，所以開

10、通時(shí)間越早，電流峰值越大。但是電流的峰值越大，相電流脈動也相應(yīng)增大，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性也會變差，影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。（2）開通角等于406o時(shí)，相電流在較寬的范圍內(nèi)無脈動相電流的波形類似于平頂波。這種波形的相電流，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，有利于降低電機(jī)噪聲，提高電機(jī)穩(wěn)定性。但同時(shí)由于角度開通較晚，電流峰值較小，導(dǎo)致電機(jī)出力不大。在實(shí)際過程中，可以使開通角稍微提前，既保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，又能使電機(jī)有較大的出力。3.2.2相電流與關(guān)斷角圖6為四相8

11、6結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)θon=5o時(shí)，關(guān)斷角與相電流之間的關(guān)系。從上至下的相電流波形依次對應(yīng)于、、、、?24?off??23?off??21?off??20?off?。可見，固定開通角，隨著關(guān)通角的增大，?18?off?相繞組開通電流的時(shí)間增加，相電流的波形寬度也變寬，可能導(dǎo)致電流延續(xù)到電感下降區(qū)段，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩變?yōu)樽柁D(zhuǎn)矩。當(dāng)時(shí)，相電流波形在下降階段出現(xiàn)?24?off?了較為明顯的上翹現(xiàn)象，不利于相電流及時(shí)下降到零，同時(shí)可能導(dǎo)致振動及噪音問題。所

12、以對關(guān)斷角的優(yōu)化設(shè)計(jì)來說，一方面兼顧相繞組開通電流的時(shí)間，關(guān)斷角不能太小，以使電機(jī)具有盡可能大的輸出功率。另一方面，要防止關(guān)斷角過大引起的振動、噪音以及阻轉(zhuǎn)矩問題[7]。分析這組波形可知:改變關(guān)斷角，一般不影響電流峰值，但影響電流波形寬度及其同電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此關(guān)斷角同樣對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，但其影響遠(yuǎn)沒有開通角那么大，它的調(diào)節(jié)功能較弱。因此在進(jìn)行角度位置控制時(shí)，一般將關(guān)斷角固定于一個(gè)最優(yōu)值上，主要對開

13、通角進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步改變了轉(zhuǎn)速。通過大量的仿真研究，θoff的最優(yōu)取值應(yīng)該在[]范圍內(nèi)。002318?8.58.68.78.88.99x1030204060tsIaA圖6.開通角為50時(shí)相電流與關(guān)斷角的關(guān)系Fig.6.Relationshipbetweenphasecurrentturnoffanglewhenθon=23o從改變開通角與關(guān)斷角時(shí)相電流的仿真波形分析，為使輸出功率最大，開通角越小越好，有得于獲得較大的電

14、流峰值，兼顧電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，宜將開通角選擇在能獲得平頂波波形的角度，在此角度提前至。?1?2關(guān)斷角的選擇時(shí)，為使相繞組開通電流的時(shí)間盡可能長，以使電機(jī)輸出較大的功率，關(guān)斷角盡可能大，但應(yīng)避免使相電流延續(xù)到相電感下降區(qū)段[7]。綜上所述，對于開通角θon，在θon=5o時(shí)，相電流具有平頂狀波形，該波形的相電流能有效減少轉(zhuǎn)矩脈動、降低系統(tǒng)噪聲。兼顧到電機(jī)的輸出功率最大化，將開通角選擇5o偏小一點(diǎn)，選擇θon=3o；對于θoff，根據(jù)SR電

15、機(jī)原理，θ2≤θoff≤θ3，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，要求θoff稍大，同時(shí)為防止電流延續(xù)到電感下降區(qū)，又要求θoff在θ3之前關(guān)斷，所以θoff的最優(yōu)值是240偏小一點(diǎn)，兼顧電機(jī)的輸出效率，θoff=23o應(yīng)是最優(yōu)選擇。4控制與優(yōu)化方案SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)良特性是通過對電機(jī)輸入?yún)?shù)的控制來保證的。SR電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，有兩種基本控制策略，如圖7?；賜1以下，采用電流斬波控制（CCC），對應(yīng)于圖7的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。為了使相電流不超過允許值，可以將θo