SRM轉矩脈動抑制的控制策略分析

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（1.合肥學院 電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601；2.中國科學技術大學 信息科學技術學院，安徽 合肥 230027；3.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

開關磁阻電機（SRM）驅動系統突出優點是效率高，節能效果好，調速范圍廣，無啟動沖擊電流，啟動轉矩大，控制靈活；此外，還具有結構簡單、堅固可靠、成本低等優點。除可以取代已有的電氣傳動調速系統如直流調速和變頻調速，還十分適用于運輸車輛驅動、龍門刨床，各種機械等需要重載啟動、頻繁啟動、正反轉、長期低速運行等應用場合。然而，開關磁阻電機的定、轉子雙凸極結構及開關形式供電電源，使得其驅動系統成為一個多變量、強耦合、非線性異常嚴重的系統，運行中轉矩脈動比較明顯，由此引起的電機噪聲及轉矩波動，直接影響了SRM在運行質量要求較高場合的應用，一定程度上限制了開關磁阻電機的應用范圍。因此如何更好地對開關磁阻電機的轉矩進行控制，有效地抑制開關磁阻電機轉矩脈動及降低噪聲，一直是國內外學者研究的熱點問題［1－2］。文章在對開關磁阻電機轉矩脈動產生機理分析的基礎上，從控制的角度綜述了開關磁阻電機轉矩脈動抑制的若干解決方案的要點，分析了各種控制方法的優缺點，從而對進一步研究提出建議。

2 轉矩脈動產生的機理

開關磁阻電機每一相的轉矩特性可以用轉矩－電流－角度曲線描述，而相鄰兩相在空間上相差1個步矩角。由于在換相時當前相關斷不再產生電磁轉矩而下一個導通相不能產生所需要的轉矩，使得轉矩降落出現在相同電流產生相同轉矩的相鄰兩相矩角特性曲線的交點處，因而最大的轉矩降落可以由重疊相的矩角特性曲線得到。顯然，該降落越小轉矩脈動的抑制越容易。

開關磁阻電動機轉矩脈動較為復雜，受到許多因素的影響。主要有：電機本體的雙凸極結構，磁場分布嚴重非線性，結構參數非線性。為了維持開關磁阻電機的連續運轉，須不斷切換功率變換器的主開關器件，提供同一方向的電磁力，開關電路供脈沖電流會產生步進磁場，形成脈動的轉矩；用逆變電路作電動機的供電電源，電機的定子電壓除基波外，還有一系列諧波分量。在諧波影響下，電機也會產生脈動轉矩，使轉速出現周期性的波動。

為了提高電機的運行性能，許多學者從不同的角度提出了各種方案，概括起來有以下2種：一方面，學者們通過改進電機的結構設計如增加定子寬度以及增加每相對應的定子凸極等方法，有效地降低開關磁阻電機轉矩脈動，提高電機的運行性能；另一方面，在電機結構及其參數已經確定的情況下，通過控制方法的設計來有效地抑制轉矩脈動。由于后者靈活性大、設計周期短等原因，吸引了更多的學者投入到這方面的研究工作之中。

3 轉矩脈動抑制的控制策略

開關磁阻電機轉矩脈動源于其高度的非線性，主要表現在磁鏈對轉子角和相電流的非線性關系上，由此得到其電磁轉矩同樣是角度和電流的非線性函數。為了抑制SRM轉矩脈動，提高電機運行性能，針對轉矩脈動產生的機理，控制領域的學者從電磁轉矩與轉子角和相電流的非線性關系的角度設計了多種控制器方案，概括起來有如下4種。

3.1 轉矩控制

為了獲得平滑的轉矩，有些學者對轉矩直接施以控制的方法進行了研究。文獻［3］針對相電流與電磁轉矩非線性關系，難以采用傳統方法求解轉矩方程，引入旋轉矢量的思想得到了電感空間旋轉矢量，并得到了平滑轉矩。文獻［4］根據給定轉速和實際負載，在線計算出電機各相繞組電流／位置曲線，在空間合成多個轉矩矢量，使開關磁阻電動機由步進磁場接近圓形旋轉磁場，以減小轉矩脈動。這種控制策略控制簡單，在低速下能有效抑制開關磁阻電動機轉矩脈動，但是基于線性模型，只適用于低速。文獻［5］給出了直接瞬時轉矩控制方法，它采用了數字式轉矩滯環控制器，不需要轉矩模型函數和輔助換向策略在線控制氣隙轉矩，采用固定的切換角和超前導通角實現轉矩調節，但低速時采用超前導通角將導致電機效率降低得很多。文獻［6］基于交流電機控制中的直接轉矩控制方法，結合開關磁阻電機的特點，通過對磁鏈幅值以及磁鏈矢量速度的控制達到控制電機轉矩的目的，這種基于磁鏈控制的直接轉矩控制方案簡單、易于實現。文獻［7］對矢量控制和直接轉矩控制（direct torque control，DTC）兩種方法進行了比較：采用傳統交流電機的矢量控制思想，在兩相繞組間按順序連續地改變電流比例，獲得了旋轉磁場，該方法不需要瞬時磁通模型，也不需要雙極電流驅動，其主要缺點是需要脈沖編碼器及PWM調制會產生信號延遲，因而限制了對磁通的快速控制；在DTC中，根據磁通和轉矩的基準值與實際值的差值選擇最佳的電壓矢量，換向策略取決于磁通和轉矩的滯環控制器，DTC的優點是可以獲得平穩快速的轉矩響應。

3.2 換向控制

由于相電流的切換是產生SRM轉矩脈動的主要原因，一些學者采用優化導通角或關斷角的方法對電流進行切換來抑制轉矩脈動。文獻［8］設計了一種混合控制器，引入轉矩分配函數中均衡換向算法的思想，對換向角θc中心進行控制，而換向角θc作為速度的函數在兩個限值間變化。文獻［9］討論了關斷角的優化方法，但采用電機解析模型。文獻［10］考慮了關斷角大小與電流和速度的依賴關系，采用模糊邏輯控制的補償器對關斷角進行補償。這是一種離線方法，由于動態測量難度大，不能應用于實時系統。文獻［11］討論了在線優化導通和關斷角的方法。文獻［12］通過增大導通角或關斷角對轉矩脈動的影響進行了分析，它既適用于傳感器模式，也適用于無傳感器模式。文獻［13］分析了有直流電壓脈動和無直流電壓紋波的轉矩脈動情況，并采用軟、硬件兩種斬波方法對這種特性進行了分析。

3.3 電流模型控制

由于轉矩取決于相電流和轉子位置，一些學者通過模型生成技術來控制相電流波形以減小轉矩脈動。文獻［14］將對應于不同轉子位置的期望轉矩所需的基準電流，即T－i－θ間關系制作成可查詢的表格并存儲起來，表中的數據通過一系列的電機實驗測量得到，而優化的相電流通過自學習方法獲得，該方法不足之處是實驗和計算所需時間較長。文獻［15］提出了一種梯形電流模型，通過對進出相電流相等的換流中心點確定來獲得換流期間重疊電流優化。文獻［16］采用正弦模型獲得了兩導通相重疊期間的優化預計算相電流。該模型無法實現相電流減少時跟蹤，且考慮飽和影響時需要精確的電感模型。文獻［17］提出的正弦模型基于開關磁阻電動機的簡化模型，通過間接控制定子相電流實現最小化瞬時轉矩脈動。上述模型采用離線的方法獲得，通過滯環控制器對驅動系統進行控制，主要缺點是需要高帶寬電流控制器以便濾除次聲波噪聲，并要求外施直流電壓保持為恒值。但對于滯環控制來說，數字控制方法不需使用電流反饋濾波器，限制了電流控制環的帶寬［18］。

3.4 轉矩分配函數

一些學者通過定義轉矩分配函數（TSF），合理地分配與調節各相電流所對應的電磁轉矩分量，保證各相瞬時轉矩之和為一恒定值，然后通過矩角特性反演出各相電流指令，加以適當的控制策略實現轉矩脈動最小化。文獻［19］提出了指數型TSF，且被定義為與轉子位置θ相聯系的m函數。文獻［15］提出了線性TSF，該函數在換流期間轉矩做線性變化，且進出相的電流在換流的中心點相等。文獻［16］提出了正弦TSF，使得各相轉矩在換流時隨轉子位置按正弦函數變化。文獻［20］提出了立方TSF，每相產生的轉矩隨轉子位置非線性變化。文獻［21］從轉速范圍、銅耗、重疊角和導通角方面對以上4種轉矩分配函數（TSF）的轉矩脈動最小化進行了評價。該方法的優點是對應的電流波形變化比較平穩，且避免了較大的峰值電流，但使用該方案需要對換相區的兩相同時進行控制，占用的控制接口資源較多；轉矩分配函數是關于開關角、重疊角和電機轉速的函數，由電機的靜態參數決定，電機在實際過程運行中參數會發生變化；如何合理地選擇轉矩分配函數是實現較優控制的關鍵。

在上述控制方案的設計過程中，各種先進的控制方法在抑制轉矩脈動方面獲得廣泛應用。為了獲得比較精確的基準電流，文獻［22］采用線性化和解耦技術并考慮了電機非線性，但該方法在確定基準電流時需要關于電機靜態特性的先驗知識，采用以固定頻率隨相轉矩傾斜下降的方法進行換向。低速時，將產生很大的峰值相電流。為了減小峰值電流，文獻［23］針對正弦轉矩模型采用了均衡換向算法。文獻［24］提出的換相策略考慮相電壓飽和及其對系統性能產生的影響，構建了SRM非線性反饋線性化控制系統。文獻［25］利用算法對負載轉矩的低次諧波總值及其產生的轉矩脈動量進行估計，通過將諧波電流注入SRM中，有效地消除了諧波電流產生的脈動。文獻［26］以速度差為開關函數，相電流平方和為控制對象，結合李亞譜諾夫函數設計了滑?？刂破?，實驗驗證了這種方法的優越性。由于開關時滯作用，如果僅靠VSS控制，系統易產生自振。文獻［27］采用B樣條神經網絡通過電機的磁鏈模型或磁化特性在線獲得了電流模型。文獻［28］提出了一種基于徑向基函數神經網絡的開關磁阻電機瞬時轉矩控制方法。常用神經網絡學習速度較慢，需要離線學習，難以用于電機的實時控制。文獻［29］利用產生較小轉矩脈動的神經元模糊系統實現在線電流模型的估計及基準電流的補償。文獻［30］設計了基于轉矩分配函數的轉矩控制器和電流控制器組成的雙迭代學習SRM轉矩最優控制器?；诘鷮W習的方法不需測量電機磁特性，對電機模型的精確度要求不高，控制器結構簡單，計算工作量小，便于微機控制，是一種很有前途的方法。但是對電機的運行條件有較高的要求。文獻［31］結合預測控制理論對開關磁阻電機控制系統進行非線性預測控制設計，對抑制開關磁阻電機轉矩脈動有很好的效果。目前，線性控制理論、非線性控制理論和智能控制理論在減小SRM轉矩脈動的方面已經取得了豐碩的成果，但還遠未到完善的程度。

4 結論

轉矩脈動將不可避免地加大了開關磁阻電機本體的振動，增加了其運行時的噪聲，限制了其在諸如伺服驅動等低速且要求平穩并有一定靜態轉矩保持能力場合下的應用。文章針對開關磁阻電機轉矩脈動抑制的控制方法進行了綜述，對國內外抑制開關磁阻電機轉矩脈動的控制方法進行了分析，總結了各種控制方法的優缺點，從而對進一步研究提出建議。

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