開關(guān)磁阻電機SRM控制策略綜述

1、開關(guān)磁阻電機(SRMg空制策略綜述摘要：簡要回顧了 SRDt展過程中出現(xiàn)白各種控制策略，分析和介紹了各控制策略的優(yōu)缺點，展望SRM空制策略的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機引言開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Mo-tors,簡稱SRM)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅 周、成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高、適于高速與惡劣環(huán)境運行等優(yōu) 點，由其構(gòu)成的傳動系統(tǒng) (Switched Reluctance Drives,簡稱SRD)具有交、直流 傳動系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。為此，世界各國對SRD接受和感興趣的程度呈逐年上 升趨勢，現(xiàn)已形成了理論研究與實際應(yīng)用并重的發(fā)展態(tài)勢。眾所周知，SRD融SRM

2、、功率變換器、控制器與位置檢測器為一體，其性 能的改善不能一味地依靠優(yōu)化 SRM與功率變換器設(shè)計，而必須借助先進(jìn)控制 策略的手段。從20世紀(jì)80年代SRM問世至今，在 SRM控制方面已涌現(xiàn)出 大量先進(jìn)的控制思想，并取得了有益的成果。但是，系統(tǒng)完整地對其予以綜述的 文獻(xiàn)卻頗少，現(xiàn)有的文獻(xiàn)也僅是對 SRM的控制模式作了報道，并未涉及控制理 論的應(yīng)用。本文結(jié)合 SRM的控制模式，綜述比較了 SRM的各種控制，力圖反 映SRD在控制策略方面的研究進(jìn)展，限于篇幅，對各控制策略只作簡要概括和 必要的分析與評價。SRM的控制模式SRM的可控參數(shù)為定子繞組電壓、開通角與關(guān)斷， SRM的控制就是如何合 理改變這

3、些控制參數(shù)以達(dá)到運行要求。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，SRM有3種控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control,簡稱APC)、電流斬波 控制(Current Chopping Control,簡稱 CCC)與電壓控制(Voltage Control,簡稱 VC)。其中，APC是電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，適于電機較高速區(qū)，但是對于每一個由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運行點，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜，且很難得到滿意的 性能；CCC 一般應(yīng)用于電機低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關(guān)元件和電機允 許的最大電流而采取的方法

4、，CCC實際上是調(diào)節(jié)電壓的有效利用值，與 APC類 似，它也可隨轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求調(diào)節(jié)開關(guān)角；VC是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制電機轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)PWM斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng)電機轉(zhuǎn)速要求，在整個速度范圍內(nèi)只有一個運行模式，即單脈沖方式。SRM的控制策略在SRD發(fā)展初期，SRM及其功率變換器簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)點使得SRD 一度風(fēng)靡歐洲，傳動界都試圖將其迅速商品化。但當(dāng)時SRD的研究尚處于開創(chuàng)階段，它的結(jié)構(gòu)理論、運行理論、設(shè)計方法等都不成熟，大多數(shù)研究集中于SRM 與功率變換器的分析設(shè)計，而控制策略主要以線性模型為基礎(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)PI

5、或PID控制器，簡單地運用上述 3種控制模式，比如采用前饋轉(zhuǎn)矩（或電流）控制、 反饋轉(zhuǎn)速控制。由此構(gòu)建的 SRD系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性，不但轉(zhuǎn)矩脈動 大、噪聲大，而且系統(tǒng)魯棒性差，其動、靜態(tài)性能無法與直流傳動相媲美，這嚴(yán) 重地阻礙了 SRD的商品化進(jìn)程。其原因主要為：SRM為高度非線性系統(tǒng)，具有 雙凸極集中繞組的幾何結(jié)構(gòu)，為輸出最大轉(zhuǎn)矩而常運行于飽和狀態(tài)， 磁阻轉(zhuǎn)矩是 定子電流與轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)，傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動態(tài)較快的 SRM非線性、變參數(shù)要求。為改善系統(tǒng)性能，國內(nèi)外學(xué)者對SRM的控制策略進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。1線性化控制考慮到SRM為耦合非線性多變量系統(tǒng)，Marija

6、Ilic -Spong等人首次將非線 性控制的微分幾何方法應(yīng)用于 SRD,對SRM實現(xiàn)了非線性狀態(tài)反饋線性化控制， 很好地補償SRM的非線性特性，解耦了定子相電流在磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生中的影響， 在機器人的軌跡跟蹤中SRM作為直接傳動執(zhí)行元件取得了優(yōu)良性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖1所示。但是，系統(tǒng)的實現(xiàn)需要知道電機的所有參數(shù)，而且需要全狀態(tài)（轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、加速度、定子電流 ）可測。，一, 1H_4H/ B a. as *1 aa, J .、1 n冷跡控制臺/；gmgBW f9B- 干 .1JI電流穩(wěn)定;控前需一7XT線性化系統(tǒng)反饋線性化控制器A V功率變換器SRMX=p?mf缶幾10 to ol圖1 SRM

7、非線性反饋線性化控制的軌跡跟蹤系統(tǒng)文獻(xiàn)16采用單相參考轉(zhuǎn)矩為梯形的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，使換相期間的原導(dǎo)通 相轉(zhuǎn)矩線性減小，新導(dǎo)通相轉(zhuǎn)矩線性增大，并應(yīng)用非線性轉(zhuǎn)矩控制補償反電勢與 電感的非線性特性，從而使原非線性系統(tǒng)線性化，改善了系統(tǒng)性能，減小了轉(zhuǎn)矩 脈動。文獻(xiàn)15、 16都表明，基于線性控制律的反饋線性化控制器比PID控制器能提供更好的動、靜態(tài)性能，但是單純基于線性控制律的反饋線性化控制器 不足以處理SRM模型中的不確定性，在實現(xiàn)時系統(tǒng)性能很難被保證。為了增強系統(tǒng)的魯棒性，文獻(xiàn)17、18針對SRM速度跟蹤應(yīng)用，考慮到模 型具有不確定性，基于 Lyapunov第二方法設(shè)計了魯棒的反饋線性化控制器，文

8、獻(xiàn)17為仿真結(jié)果，文獻(xiàn)18為其實現(xiàn)。通過考慮系統(tǒng)模型的不確定性，雖使 SRD系統(tǒng)的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能及魯棒性有所改善，但是轉(zhuǎn)矩脈動仍然較大，而且 在額定負(fù)載下存在7 %的速度誤差。Taylor D. G.等人則將反饋線性化技術(shù)和奇 異攝動技術(shù)應(yīng)用于SRM的控制，通過減小轉(zhuǎn)矩脈動實現(xiàn)了 SRD的高動態(tài)性能， 但是這種方法使用的是 SRM的降階模型，而且它要求知道轉(zhuǎn)矩-位置-電流 特性的先驗知識，要求復(fù)雜的線性化和解耦變換電路。L. Ben Amor基于SRM電動態(tài)及機械動態(tài)的全階參數(shù)化非線性模型，將非線性自適應(yīng)反饋線性化控制應(yīng)用于3 SRM,這種方法減小了系統(tǒng)建模誤差的影響，使用參數(shù)的在線估計避免了

9、 預(yù)先測試，在位置控制的應(yīng)用中顯示了系統(tǒng)的高性能，即轉(zhuǎn)矩脈動大大減小，具有強的抑制干擾能力，而且無需測量電機的加速度，無需先驗知識，實現(xiàn)容易。 但是，它使用的模型忽略了磁飽和效應(yīng)，這雖然簡化了磁鏈、電感與相電流間的關(guān)系，可同時又帶來了不小的誤差。Scott A. Bortoff研究了低速、高轉(zhuǎn)矩運行模 式下SRM的非線性自適應(yīng)控制，結(jié)合B樣條基函數(shù)與Fourier正弦基函數(shù)，建立 了 SRM電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子位置及相電流間的動態(tài)模型， 基于該模型設(shè)計了自適應(yīng) 反饋線性化控制器，實現(xiàn)了位置軌跡的漸近跟蹤，缺點是大量參數(shù)導(dǎo)致瞬態(tài)性能 差。2變結(jié)構(gòu)控制1993年，G. S. Buja首次將變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用

10、于 SRD,通過將轉(zhuǎn)矩脈動看作干 擾，將非線性看作增益偏差，無需電機的先驗特性即可克服SRD中的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)控制下的 SRD相比，變結(jié)構(gòu)控制 SRD的性能被改 善，轉(zhuǎn)矩脈動大大減小，系統(tǒng)對參數(shù)變化及干擾不敏感，控制策略容易實現(xiàn)。但 是它以SRD工作于SRM磁特性線性區(qū)為前提，忽略了磁飽和及相間耦合的影響。 Tzu-Shien Chuang則應(yīng)用直流側(cè)電流反饋設(shè)計了近似的滑模功率控制（作為系統(tǒng)內(nèi)環(huán)），同時以帶有前饋與積分補償?shù)幕Ｋ俣瓤刂茷樗俣韧猸h(huán)，將變結(jié)構(gòu)控 制理論應(yīng)用于SRM,構(gòu)成魯棒的SRD,取得了好的結(jié)果。圖2 SRM變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)3. 3智能控制由于智能控制在數(shù)學(xué)本

11、質(zhì)上屬于非線性控制， 且具有很強的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力， 所以智能控制在 SRD中的應(yīng)用取得了優(yōu)良的結(jié)果。在控制 SRM的應(yīng)用中，智 能控制主要被用于學(xué)習(xí) SRM電流波形，配合以適當(dāng)?shù)碾娏鲀?nèi)環(huán)，從而實現(xiàn)SRM 的高性能控制。圖3即為模糊控制應(yīng)用于 SRD的很好示例，它以轉(zhuǎn)矩脈動最小 為目標(biāo)，采用了自適應(yīng)模糊邏輯控制策略?？刂破饕晕恢脼檩斎搿⑾嚯娏鳛檩敵?， 通過實時修改隸屬函數(shù)使各相在最適合的電動區(qū)域?qū)?，即使位置檢測有誤，控制器也將使模糊集合移向適合的電動區(qū)， 模糊參數(shù)的初值被隨機選取，在運行過 程中通過適應(yīng)實現(xiàn)最優(yōu)?？刂破鞑灰蕾囉陔姍C的先驗知識， 能夠適應(yīng)電機特性的 任何變化，對轉(zhuǎn)子位置反饋誤

12、差具有強的魯棒性， 轉(zhuǎn)矩在最大正轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)域產(chǎn) 生，增加了轉(zhuǎn)矩密度、避免了高電流峰值，電機轉(zhuǎn)矩脈動很小。圖3 SRM自適應(yīng)模糊轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng). 4基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)規(guī)劃的控制從構(gòu)建相電流波形著手，通過調(diào)整各相轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生期望的整體電機轉(zhuǎn) 矩，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小，也不失為一種有效的方法?？墒?，對各相轉(zhuǎn)矩進(jìn)行 任意組合均可產(chǎn)生同樣的總轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的選擇直接影響電阻損耗和饋 電電壓（dJ/dt） o電阻損耗關(guān)系到傳動效率，饋電電壓關(guān)系到轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速容量，所以轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)及其關(guān)聯(lián)的電流或磁通波形必須被仔細(xì)設(shè)計。.總結(jié)與展望SRD展到今天，在控制策略方面雖已取得了很多非常有用的成果，但是仍然很 不完善

13、，仍然存在許多問題待解決，而且尚未形成完善的SRM空制理論。通過前 面的綜述，可以發(fā)現(xiàn)，今后很長一段時間內(nèi)，關(guān)于SRM控制策略的研究應(yīng)主要圍繞以下幾個方面展開：從控制角度繼續(xù)加強研究，以減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低噪聲；研究具有較高動態(tài)性能，算法簡單，能抑制參數(shù)變化、擾動及各種不確定性干 擾的SRMW型控制策略；研究具有智能控制方法的SRMS型控制策略及其分析、設(shè)計理論。參考文獻(xiàn)Lawrenson P J , Stephenson J M , Blenkinsop P T et al .Variable-speed Switched Reluctance Motors. Proc. Inst.Elect

14、. Eng. 1980, 127( B) , (4): 253265Lawrenson P J. Desig n and Perfo rmance of Switched Reluc-tance Driv es with High Performance dc Driv e Characteristics.in Proc. 1989 Int. Conf. Power Conversion and Intell. Motion :1 11Materu P N , Krishnan R . Steady - state Analysis of the Vari-able - speed Switc

15、hed - reluctance Mo tor Drive . IEEE Trans .Ind. Electron. 1989, 36 : 523 529 4黃建中，蔣全，周鸚.開關(guān)磁阻電機的控制模式.電氣傳動，1997,( 5): 1013 5高超，肖海兵，胡渝，謝立.開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)低速運行的性能與控制方 式.電氣傳動，1991, ( 3): 914Geun-Hie Rim et al. A Novel Converter Topology forSwitched Reluctance Motor Driv es Improving Efficiency andSimplifying C

16、ontrol Strategy. ESC94 : 937 941Stephenson J M, Corda J. Computation of To rque and Cur-rent in Doubly-salient Reluctance Mo tors from NonlinearMagnetization Data . Proc . Inst . Elect . Eng . 1979. 126, ( 5):393 396Hayashi Y, Miller T J E. A New Approach to CalculatingCore Losses in the SRM . in Pr

17、oc . IEEE - IAS Annu . Meeting ,Toronto, Ont. Canada, oct. 1994 : 322 328Mehdi Moallem, Chee-Mun Ong. Predicting the Steady-statePerformanceof a Switched Reluctance Machine . IEEE Trans .Ind. Appl. 1991,27, ( 6): 10871097 10 Charles Pollock, Barry W川iams W. A Unipolar Converterfor a Switched Relucta

18、nce Mo tor. IEEE Trans. Ind. Appl.1990, 26( 2): 222 228Pollock C, W川iams B W. Power Converter Circuits forSwitched Reluctance M otors with the Minimum Number ofSwitches . Proc . Inst . Elect . Eng . 1990, 137. (6): 373 384Bimal K. Bose, Timothy J E. Miller, Paul M. Szczesny,William H. Bicknell. Micr

19、ocomputer Control of SwitchedReluctance Motor . IEEE Trans . Ind . Appl . 1986, IA -22,( 4): 708 71513Ray W F, Davis R M, Blake R J. The Control of SR Moto rs.Proceedings of International Conference on Applied Motioncontrol, 1986 : 137 145Ish-Shalom J. Manzer D G Commutation and Control of StepMotors. in Proc. 14 th Symp. Incremental M otion, Contr.Syst . And Devices , 1985 : 283292Marija Ilic -Spong, Riccardo marino, PeresadaS M, Taylor DG. Feedback Linearizing Control of Switched Relu