開關(guān)磁阻電機(jī)的原理和控制系統(tǒng)方案

..開關(guān)磁阻電機(jī)的原理及其控制系統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)80年代初隨著電力電子、微電腦和控制理論的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低、效率高等突出優(yōu)點,目前已成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強有力的競爭者。一、開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理遵循磁磁阻最小原理,即磁通總是要沿著磁阻最小路徑閉合。因此,它的結(jié)構(gòu)原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。所以開關(guān)磁阻電動機(jī)采用凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu),并且定轉(zhuǎn)子極數(shù)不同。開關(guān)磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極式齒槽結(jié)構(gòu)。定、轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片沖成一定形狀的齒槽,然后疊壓而成,其定、轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1：開關(guān)磁阻電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖圖1所示為12/8極三相開關(guān)磁阻電動機(jī),S1.S2是電子開關(guān),VD1,VD2是二極管,是直流電源。電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀,極數(shù)互不相等,轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成,定子繞組可根據(jù)需要采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合的形式在相應(yīng)的極上得到徑向磁場,轉(zhuǎn)子帶有位置檢測器以提供轉(zhuǎn)子位置信號,使定子繞組按一定的順序通斷,保持電機(jī)的連續(xù)運行。電機(jī)磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對準(zhǔn)或錯開而變化,因為電感與磁阻成反比,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時,相繞組電感最大,當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時,相繞組電感最小。當(dāng)定子A相磁極軸線OA與轉(zhuǎn)子磁極軸線O1不重合時,開關(guān)S1,S2合上,A相繞組通電,電動機(jī)內(nèi)建立起以O(shè)A為軸線的徑向磁場,磁通通過定子扼、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子扼等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的,此時磁路的磁導(dǎo)小于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時的磁導(dǎo),因此,轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用,使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子磁極的軸線O1向定子A相磁極軸線OA趨近。當(dāng)OA和O1軸線重合時,轉(zhuǎn)子己達(dá)到平衡位置,即當(dāng)A相定、轉(zhuǎn)子極對極時,切向磁拉力消失。此時打開A相開關(guān)S1,S2,合上B相開關(guān),即在A相斷電的同時B相通電,建立以B相定子磁極為軸線的磁場,電動機(jī)內(nèi)磁場沿順時針方向轉(zhuǎn)過300,轉(zhuǎn)子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過15,。依此類推,定子繞組A-B-C三相輪流通電一次,轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動了一個轉(zhuǎn)子極距Tr<T.=2π/N,>,對于三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī),T=3600/8=,定子磁極產(chǎn)生的磁場軸線則順時針移動了3×30'=90'空間角?？梢?連續(xù)不斷地按A-B-C-A的順序分別給定子各相繞組通電,電動機(jī)內(nèi)磁場軸線沿A-B-C-A的方向不斷移動,轉(zhuǎn)子沿A-C-B-A的方向逆時針旋轉(zhuǎn)。如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電,則磁場沿著A-C-B-A的方向轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉(zhuǎn)。二、開關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理傳統(tǒng)的PID控制一方面參數(shù)的整定沒有實現(xiàn)自動化,另一方面這種控制必須精確地確定對象模型。而開關(guān)磁阻電動機(jī)<SRM>得不到精確的數(shù)學(xué)模型,控制參數(shù)變化和非線性,使得固定參數(shù)的PID控制不能使開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)在各種工況下保持設(shè)計時的性能指標(biāo)。模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器,其優(yōu)點是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型,而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表,然后由該表決定控制量的大小。因此采用模糊控制,對開關(guān)磁阻電動機(jī)〔SRM進(jìn)行控制是改善系統(tǒng)性能的一種途徑。但在實踐中發(fā)現(xiàn),常規(guī)模糊控制器的設(shè)計存在一些不足,如控制表中數(shù)據(jù)有跳躍,平滑性較差,這對控制效果有影響。模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來,揚長補短,將是一個優(yōu)秀的控制策略。其理由是：第一,由線性控制理論可知,積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差,但動態(tài)響應(yīng)慢,比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快,而比例積分控制既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度,又能具有較高的動態(tài)響應(yīng)。因此,把PI控制策略引入Fuzzy控制器,構(gòu)成Fuzzy-PI復(fù)合控制,是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。第二,增加模糊量化論域是提高模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度的最直接的方法,但這種方法要增大模糊推理的計算量,況且量化論域的增加也不是無止境的。采用模糊+PI控制的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖1、隸屬函數(shù)與控制規(guī)則的確定考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差范圍大及高精度的特點,將偏差變量、偏差變化率及控制量的論域界均定為17個等級。{-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8}將偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊語言值均分為九檔{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,負(fù)很小,零,正很小,正小,正中,正大}{NB,NM,NS,NVS,ZO,PVS,PS,PM,PB}偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊子集的隸屬函數(shù)的形狀均選為三角形如圖3所示。圖3：均勻分布隸屬函數(shù)圖模糊控制器的控制規(guī)則是基于專家或操作者的經(jīng)驗得出,控制規(guī)則的生成方法有很多。本文借鑒常規(guī)模糊控制器設(shè)計經(jīng)驗并根據(jù)系統(tǒng)階躍信號的響應(yīng)確定模糊控制規(guī)則表如表1所示：UENBNMNSNVSZOPVSPSPMPBECNBPBPBPMPMPSPSPVSZOZONMPBPMPMPSPSPVSPVSZOZONSPMPMPSPSPVSPVSZONVSNVSNVSPMPSPSPVSPVSZONVSNVSNSZOPSPSPVSPVSZONVSNVSNSNSPVSPSPVSPVSZONVSNVSNSNSNMPSPVSPVSZONVSNVSNSNSNMNMPMPVSZONVSNVSNSNSNMNMNBPBZONVSNVSNSNSNMNMNBNB表1：改進(jìn)的模糊控制規(guī)則表表中共有81條控制規(guī)則,其中一些規(guī)則可以合并,但利用計算機(jī)進(jìn)行推理計算這些規(guī)則就沒有必要合并了。模糊控制規(guī)則表征了變量之間的模糊關(guān)系,由控制規(guī)則求出模糊關(guān)系矩陣R,經(jīng)過推理合成得到模糊控制向量。系統(tǒng)采用加全平均法實現(xiàn)模糊判決求得精確量的控制表如表2所示。UE-8-7-6-5-4-3-2-1012345678EC-888776665444321000-787776665444321000-677665544432221000-576655543332110-1-1-1-46665444322210-1-2-2-2-3655543332110-1-1-2-3-3-265444322210-1-2-2-2-3-41-1-3-3-3-3-40444322210-1-2-2-3-3-4-4-4143332110-1-1-2-3-3-3-4-5-524322210-1-1-1-1-3-4-4-4-5-63332110-1-1-2-3-3-3-4-5-5-5-6432210-1-2-2-2-3-4-4-4-5-6-6-652110-1-1-2-3-3-3-4-5-5-5-6-7-76210-1-2-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6-7-7710-1-1-2-3-3-3-3-5-5-5-6-7-7-7-880-2-2-2-2-3-4-4-4-5-6-6-6-7-7-8-8表2：控制表2、量化因子的計算模糊PID控制器的輸入分別是速度偏差e和速度偏差變換率de/dt,K1—速度偏差e的量化因子,K2—速度偏差變化率dec/dt的量化因子,K3—控制量的量化因子。一般來說,K1、K2、K3分別由下面的公式確定。三、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)<SRM>、功率變換器、控制器、電流檢測器和位置檢測器組成,其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4：開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)1、功率變換器功率變換器的作用是將電源提供的能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給SRM。由于SRM繞組電流是單向的,使得其功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)較簡單,而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的,因而可預(yù)防短路故障。SRM的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電機(jī)相數(shù)以及主開關(guān)器件的種類等有關(guān)。常見的功率變換器電路如5所示。圖5：不對稱半橋型功率變換主電路圖5為本系統(tǒng)所采用的不對稱半橋型三相SRM功率變換器主電路。以A相為例,每相有兩個主開關(guān)管和及續(xù)流二極管和。上下兩只主開關(guān)管,同時導(dǎo)通時,電壓加至A相繞組兩端,產(chǎn)生相電流,此時電能轉(zhuǎn)換為磁場能量;當(dāng)和關(guān)斷時,A相繞組產(chǎn)生的反電勢極性如圖5示,繞組殘余電流la很快減小至零,繞組磁鏈迅速衰減;當(dāng)開通而關(guān)斷時,繞組殘余電流I。經(jīng)繞組～-～繞組形成回路,此時加在繞組上的電壓為零電壓,電流續(xù)流時間較長,繞組磁鏈衰減緩慢,無能量返還電源。由于每相繞組有兩個主開關(guān)管,故關(guān)斷時可以采用同時關(guān)斷兩個主開關(guān)管的能量回饋方式,或者采用僅關(guān)斷一個主開關(guān)管的無能量回饋方式,進(jìn)而使控制方式更加靈活。這種不對稱半橋型線路具有如下的特點：<1>各主開關(guān)管的電壓定額為US。<2>由于主開關(guān)管的電壓定額與電動機(jī)繞組的電壓定額近似相等,所以這種線路用足了主開關(guān)管的額定電壓,有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。<3>由于每相繞組接至各自的不對稱半橋,在電路上,相與相之間是完全獨立的,故這種結(jié)構(gòu)對繞組相數(shù)沒有任何限制。<4>每相需要兩個主開關(guān)管。除了電動機(jī)繞組與每相開關(guān)串聯(lián),不存在上、下橋臂直通的故障隱患之外,很像三相異步PWM逆變器電路。綜合考慮各種功率變換器的優(yōu)缺點及使用場合,選擇不對稱半橋型功率變換主電路作為主供電電路,保證各相相互獨立、控制靈活、系統(tǒng)容錯性好,是開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)中理想的功率變換器。2、速度和位置反饋進(jìn)行位置檢測是SRM工作的一大特點。它由中間開槽的光電傳感元件及與SRM轉(zhuǎn)子同軸安裝、30度間隔的6齒槽轉(zhuǎn)盤構(gòu)成。兩個位置檢測器相距15度安裝,輸出兩路相位差15度的方波信號,分別進(jìn)入控制器的兩個捕獲單元CAP1和CAP2。當(dāng)在捕獲輸入引腳上檢測到一個轉(zhuǎn)換時,定時器T2或T3的值被捕獲并存儲在相應(yīng)的2級深度FIFO堆棧中。在程序中,位置信號的上、下跳變均引起捕獲操作,即每隔15度產(chǎn)生一次捕獲操作,由此可以計算出電機(jī)運行的實際速度并得到轉(zhuǎn)子位置信息。3、電流檢測為了實現(xiàn)電機(jī)低速運行下電流斬波控制與過流保護(hù),必須對繞組中的電流進(jìn)行檢測。本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測繞組電流A將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號,再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換通道。電流斬波控制采用硬件方案實現(xiàn),其電路如圖6所示。圖6：電流斬波工作電路4、輸出和功率驅(qū)動電路控制器的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號PWM1～PWM6,系統(tǒng)的PWM輸出和功率驅(qū)動電路如圖7所示。圖7：PWM輸出和功率驅(qū)動電路當(dāng)定時器T1計數(shù)值與全比較單元的比較單元值相同時,產(chǎn)生的狀態(tài)匹配信號進(jìn)入波形發(fā)生單元。在該系統(tǒng)中,我們使用非對稱PWM波形發(fā)生器,由其產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)入