低转矩脉动开关磁阻电机控制方法

摘要

开关磁阻电机（SRM）结构简单坚固、启动电流小、容错运行能力强、控制手段灵活、性价比高，近些年受到了广泛关注，且已应用于矿山开采、石油开采、电动车驱动和家电等诸多工业领域。由于SRM的双凸极结构以及磁链的饱和非线性特性，使得电机运行时产生较大的转矩脉动和噪声，制约了开关磁阻电机在工业领域的进一步推广应用。如何有效的减小转矩脉动已逐渐成为开关磁阻电机领域的研究热点之一。本文提出了一种转矩分配函数在线补偿修正的转矩脉动优化控制策略，旨在减小SRM运行时的转矩脉动。
　　本文首先介绍了国内外在开关磁阻电机转矩脉动优化方面的研究现状，以及SRM的基本工作原理、数学方程，然后给出了磁链、转矩建模方法并对本文所用开关磁阻电机进行建模。
　　之后，本文介绍了开关磁阻电机基本控制方式、运行特性以及四个传统转矩分配函数并给出了其评价准则。在给出的转矩分配函数评价准则基础上，对比了四个传统转矩分配函数的转矩、电流、磁链、磁链变化率波形以及损耗水平。接着对开通角、重叠角、期望转矩对转矩分配函数的磁链变化率和损耗的影响进行了离线分析。
　　再次，开通角、重叠角、期望转矩对转矩分配函数的影响较大，且不同运行工况下具有不同的最佳开关角。然而离线对开关角进行寻优时难以直接确定转矩脉动，因此通常使用磁链变化率作为间接评价手段。本文利用差分进化算法的优秀寻优能力，将其应用到转矩分配函数开关角在线寻优过程中，直接将转矩脉动作为优化目标来确定最佳开关角。转矩分配函数的转矩脉动优化效果取决于其逼近当前运行工况下的理想转矩分配指令波形的程度，本文引入实时转矩反馈信号，构建了转矩分配函数在线补偿的控制方法，进一步逼近理想转矩分配指令波形，从而减小转矩脉动。通过搭建的MATLAB/Simulink仿真平台对基于差分进化算法的转矩分配函数开关角在线寻优过程进行了验证，并对四种传统转矩分配函数在转矩指令波形在线补偿修正前后的转矩脉动进行了对比分析，接着对负载转矩、开通角、重叠角、转速对传统转矩分配函数控制方法以及转矩分配函数在线补偿控制方法的影响进行了对比研究。
　　最后，本文介绍了开关磁阻电机实验平台的软硬件设计，并对提出的转矩脉动优化控制策略进行了实验验证，实验结果表明，本文提出的转矩脉动优化控制策略具有一定的可行性和有效性。

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1绪论

1.1引言（Introduction）

1.2开关磁阻电机研究发展概况（Research Status of SRM）

1.3本文研究内容（Main Research Contents of This Paper）

2开关磁阻电机基本原理及建模方法

2.1 Op开关磁阻eration P电机基rinciples本结构of SRM）及其工作原理（Basic St ructure and

2.2开关磁阻电机基本方程（Basic Mathematical Equations of SRM）

2.3开关磁阻电机调速系统功率变换器（Power Converter of SRM Drive System）

2.4开关磁阻电机模型（Model of SRM）

2.5本章小结（Chapter Summary）

3开关磁阻电机基本控制方法及转矩分配函数

3.1开关磁阻电机调速系统基本控制方式（Basic Control Method of SRM）

3.2开关磁阻电机运行特性（The Operating Characteristics of SRM）

3.3开关磁阻电机转矩分配函数（Torque Sharing Function of SRM）

3.4本章小结（Chapter Summary）

4 SRM在线转矩脉动优化方法

4.1转矩分配函数评价准则（Evaluation Criteria of TSF）

4.2四种传统TSF的性能分析（Performance Analysis of The Four TSF）

4.3差分进化算法（Differential Evolution Algorithm）

4.4基于差分进化算法的TSF开关角在线寻优（ Online Optimization of Switch Angle of TSF Based on Differential Evolution Algorithm）

4.5 TSF转矩指令在线补偿修正方法（ Online Compensation of Torque Reference of TSF）

4.6 TSF在线补偿控制方法的仿真波形分析（ Analysis of the Simulation Waveform of TSF Online Compensation Control Method）

4.7负载转矩、开通角、重叠角、转速对传统TSF以及TSF在线补偿控制方法的影响对比（ The Comparition Results of The Traditional TSF and TSF Online Compensation Control Methods at Different Load Torque, Opening Angle, Overlap Angle, Rotational Speed）

4.8本章小结（Chapter Summary）

5实验平台介绍及实验验证

5.1 SRM实验平台介绍（Introduction of Hardware Platform of SRM Control System）

5.2控制系统软件介绍（Introduction of Software of The Control System）

5.3实验结果分析（Analysis of The Experimental Results）

5.4本章小结（Chapter Summary）

6总结与展望

参考文献

作者简历

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