開關磁阻電機角度位置控制參數優(yōu)化研究

1、摘要摘要：角度位置控制是開關磁阻電機最基本的控制方式，本文對開關磁阻電機的開通角與關斷角這兩個參數及其運行特性進行了分析，并以86結構的SRD為例，通過理論分析及仿真研究對其進行優(yōu)化設計，結果表明：好的開關角配置可以使電機的性能達到最優(yōu)，提高系統(tǒng)的整體性能。主題詞主題詞：開關磁阻電動機，整體特性，開通角，關斷角中圖分類號：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引言開關磁阻電機(以下簡稱SRD)由磁阻電機（簡稱SRM）﹑功率變換器﹑檢測器及控制器組成，是一種典型的機電一體化系統(tǒng)

5、，具有優(yōu)良的調速性能和運行效率，而且可控參數多，控制靈活。圖1是86極SRM的基本結構。圖1.86極SRM結構圖Fig.1Fourphase86poleSRmotStructure它的定子和轉子鐵芯是由硅鋼片迭裝而成，在定子鐵芯內圓周和轉子鐵芯外圓周均勻分布有齒和槽，構成雙凸極結構。定子鐵芯每個凸極上安裝有集中繞組，轉子凸極上無繞組，也無永磁。定子圓周上相對的兩個凸極上的繞組串聯成為一相繞組，當某相繞組通電，將產生一個磁阻轉矩，力圖使鄰

6、近的轉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，可使轉子連續(xù)轉動，改變繞組的通電順序，電機將反轉。由于SR電機的雙凸極結構及磁路嚴重的非線性，導致電機轉矩脈動及噪音大，但是通過優(yōu)化設計及參數控制，可以使SR電機的噪聲及轉矩脈動降到PWM控制的異步電機的水平。本文通過優(yōu)化參數的方法來提高系統(tǒng)的整體性能。2SR電機的可控參數m相SR電機平均轉矩解析式為[7](1))(2)[(2minmax2min2222LLLUNmToff

7、onoffrsrav??????????????式中，Us為電源相繞組電壓，為旋轉角速度，r?Nr為轉子極數。由此可知SRD的可控參數有相繞組電壓Us，開通角θon以及關斷角θoff，只要改變其中一個或兩個參數，便可以改變電機的轉矩，實現SR電機的調速。保持相繞組兩端的電壓不變，主要通過調節(jié)SR電機的主開關器件的導通角度，即開通角θon和關斷角θoff的值，實現轉矩和轉速調節(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。根據相電流的波形及規(guī)律，電動運行時開通角與關斷角應滿足以下基本條件：，。21?????on32?????off)(?L)(?i?on?off?2?1?3?4?5?開關磁阻電機角度位置控制參數優(yōu)化研究開關磁阻電機角度位置控制參數優(yōu)化研究張彥宇，段樹華，李華柏（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南，株洲，412001）8.58.68.78.88.99x103100102030405060tsIaA圖5.關斷角為22o時相電流與開通角的關系Fig.

9、5.Relationshipbetweenphasecurrentturnonanglewhenθoff=22o通過分析圖5的電流波形，可以得出結論：（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，故可以通過調節(jié)開通角θon來改變相電流的波形及峰值，實行對SR電機進行控制。當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，相電流脈動也相應增大，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性也會變差，影響系統(tǒng)的運行性能。（2）開通角等于406o時，相電流在較寬的范圍內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)運行比較穩(wěn)定，有利于降低電機噪聲，提高電機穩(wěn)定性。但同時由于角度開通較晚，電流峰值較小，導致電機出力不大。在實際過程中，可以使開通角稍微提前，既保證電機運行的穩(wěn)定性，又能使電機有較大的出力。3.2.2相電流與關斷角圖6為四相8

11、6結構的SR電機θon=5o時，關斷角與相電流之間的關系。從上至下的相電流波形依次對應于、、、、?24?off??23?off??21?off??20?off??？梢姡潭ㄩ_通角，隨著關通角的增大，?18?off?相繞組開通電流的時間增加，相電流的波形寬度也變寬，可能導致電流延續(xù)到電感下降區(qū)段，導致轉矩變?yōu)樽柁D矩。當時，相電流波形在下降階段出現?24?off?了較為明顯的上翹現象，不利于相電流及時下降到零，同時可能導致振動及噪音問題。所

12、以對關斷角的優(yōu)化設計來說，一方面兼顧相繞組開通電流的時間，關斷角不能太小，以使電機具有盡可能大的輸出功率。另一方面，要防止關斷角過大引起的振動、噪音以及阻轉矩問題[7]。分析這組波形可知:改變關斷角，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，因此關斷角同樣對電動機的轉矩轉速產生影響，但其影響遠沒有開通角那么大，它的調節(jié)功能較弱。因此在進行角度位置控制時，一般將關斷角固定于一個最優(yōu)值上，主要對開

13、通角進行調節(jié)來改變負載轉矩，轉矩進一步改變了轉速。通過大量的仿真研究，θoff的最優(yōu)取值應該在[]范圍內。002318?8.58.68.78.88.99x1030204060tsIaA圖6.開通角為50時相電流與關斷角的關系Fig.6.Relationshipbetweenphasecurrentturnoffanglewhenθon=23o從改變開通角與關斷角時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，兼顧電機運行的穩(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關斷角的選擇時，為使相繞組開通電流的時間盡可能長，以使電機輸出較大的功率，關斷角盡可能大，但應避免使相電流延續(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，相電流具有平頂狀波形，該波形的相電流能有效減少轉矩脈動、降低系統(tǒng)噪聲。兼顧到電機的輸出功率最大化，將開通角選擇5o偏小一點，選擇θon=3o；對于θoff，根據SR電

15、機原理，θ2≤θoff≤θ3，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，要求θoff稍大，同時為防止電流延續(xù)到電感下降區(qū)，又要求θoff在θ3之前關斷，所以θoff的最優(yōu)值是240偏小一點，兼顧電機的輸出效率，θoff=23o應是最優(yōu)選擇。4控制與優(yōu)化方案SR電機調速系統(tǒng)的優(yōu)良特性是通過對電機輸入參數的控制來保證的。SR電機在穩(wěn)定運行時，有兩種基本控制策略，如圖7。基速n1以下，采用電流斬波控制（CCC），對應于圖7的恒轉矩區(qū)。為了使相電流不超過允許值，可以將θo