开关磁阻电机的角度优化

摘要： 开关磁阻电机低速运行时，采用电流斩波控制，以限制启动电流的幅值。高速运行时，通过角度控制调节其输出功率或者转速，即通过优化开通角、关断角使电机获得最大转矩电流比 。本文提出了一种新的开通角优化方法，开通角的优化在传统公式法的基础上加了电流幅值闭环控制，关断角的优化则采用模糊控制，通过仿真证明该方法可以明显地改善电机的动态特性，间接地提高电机的效率。

Abstract： When the switched reluctance motor runs at low speed， it adopts chopped current control to limit the starting current amplitude. When it runs at high speed， it regulates the output power or revolving speed by angle control， that is to make the motor get the max torque-current ratio by optimizing the opening angle and turn-off angle. This paper presents a new method to optimize the opening angle. Based on the traditional formula method， current amplitude closed-loop controlis adopted， and the optimization of turn-off angle adopts fuzzy control. Simulation shows that this method can improve the dynamic behavior of the motor obviously and enhance the efficiency of the motor indirectly.

关键词： 开关磁阻电机；优化；开通角；关断角；模糊控制；转矩电流比

Key words： switched reluctance motor；optimization；opening angle；turn-off angle；fuzzycontrol；torque-current ratio

中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）35-0125-03

0 引言

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）具有一系列优点：结构简单坚固、维护量小，系统的容错能力强，在缺相情况下仍能可靠运行；起动及低速时转矩大、电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，调速范围宽，在宽广的转速及功率范围内均有高效率和很好的鲁棒性。因此，20世纪90年代以来，已被越来越多地应用于电动车辆、矿山、油田、纺织机械等工业部门的驱动系统。特别是它的较好的高速（超高速）性能和较强的容错能力，使其在航空航天、高速离心机等环境恶劣且安全性要求很高的领域得到广泛应用。

开关磁阻电机在运行过程中，为了维持较高的效率需要对开通角进行实时优化，传统的优化方法主要有：公式法、在线寻优法和查表法。

公式法主要是基于开关磁阻电机的数学模型，根据电机参数，通过推导得到开关角的数学公式。由于开关磁阻电机具有很强的非线性特性，无法得到电机精确的数学模型，故通过公式得到的开关角与实际的最优值存在一定的差异，而且一般通过公式推导得到的开关角的数学公式都比较复杂，对电机的控制器提出了较高的要求。

在线寻优法是在确定优化目标后，然后在电机的运行过程中不断循环进行如下操作：检测优化目标量、在线微调开通关断角、判断当前是否达到优化目标，直到优化目标达到才停止优化。但是，本方法存在精度低、有可能陷入局部最优、寻优过程关断角震荡，影响电机寿命等缺点。

查表法是在对电机进行控制之前，需要得到电机的转速和开通角之间的数据关系，建立表格，电机运行时根据电机的速度从表格中读出此时所对应的开关角，实时进行角度控制。但是，在需要对电机进行精确控制时，则需要大量的实验数据，占据了大量的存储单元，影响处理器的效率。

通过以上分析可知，传统的优化方法存在各自的缺点，为了改善系统的性能，本文提出了一种新的开通角优化方法。开通角的优化在传统公式法的基础上加了电流幅值闭环控制，关断角的优化则采用模糊控制，通过仿真证明该方法可以明显地改善电机的动态特性，使电机获得最大的转矩电流比，间接地提高电机的效率。

1 开通角优化

根据开关磁阻电机的电感曲线可知，当开关磁阻电机工作在电动状态下时，在电感上升区间使电机绕组导电，则产生一定的正向转矩。改变电机的开通角，将改变电机电流的波形，从而使得电机电感在进入上升区时的定子绕组电流的大小发生变化，转矩的大小也将随之变化。

低速时，由电机的电压方程式（1）可知，电机的实际电流较大，很容易达到参考电流Iref的大小，使电机可以产生足够的转矩，运行在指定的速度下。高速时，由于电机电压方程的限制，在开关角一定时，随着速度的增加，电机的实际电流越来越小，直至电机电流产生的转矩等于负载转矩时，电机的速度稳定在一定值。此时，电机可以达到的最高转速较小，电机的转矩电流比Tavg/Iphrms也比较低。

低速时，采取此优化方法可以使得电机具有良好的运行状态。然而，高速时由于电机绕组反电动势的增大，开通角的此优化方法并不能很好地满足电机的控制要求。并且，实际工程中，开关磁阻电机的运行环境往往较为恶劣，通常会出现造成电压不稳定等实际问题，因此为了获得更大的转矩，使得电机实际电流的幅值接近电机的参考电流Iref，在此设计了一个电流幅值闭环控制，如图1所示，根据参考电流和实际电流幅值的差来相应地改变开通角，使得电机可以获得更大的电流，进而可以使电机运行在更高的转速，使电机获得最大的转矩电流比，间接地提高电机的效率。

2 关断角优化

与开通角的优化策略不同，本文对关断角采用模糊控制进行优化。模糊控制器主要有模糊化接口、模糊规则库、模糊推理机和解模糊接口四部分组成。模糊控制的一般过程为：首先将输入变量进行模糊化，然后根据模糊规则库和模糊推理机得到模糊输出，最后进行解模糊化。

2.1 模糊化

该模糊控制器将电机的速度作为输入变量，关断角？兹off作为输出变量。在对输入、输出变量模糊化之前，通过仿真分析得，当电机的速度n变化范围为0～6000r/min时，电机的效率随着关断角？兹off变化的曲线如图2所示。由图2知，当关断角在75～88°范围内变化时，对于电机的任意一个速度一定可以得到一个相应的关断角？兹off使得电机具有较高的效率。当速度较低时，电机一直具有较高的效率，并且受关断角影响较小。当速度较高时，可以看到，电机的效率受关断角的影响较大：关断角较大时，电机的效率非常低，随着关断角的减小，电机的效率越来越高，并且在达到最大值后保持不变。由此，对可以得到速度和关断角的隶属度函数曲线，如图3、图4所示。

2.2 建立模糊规则库

在对速度和关断角进行模糊化之后，就需要建立速度和关断角之间的模糊规则库，通过模糊推理即可得到关断角的模糊值输出，进行解模糊化得到真实输出。其中，模糊规则库为：如果n为SM4，则？兹off为BIG4；如果n为SM3，则？兹off为BIG3；如果n为SM2，则？兹off为BIG2；如果n为SM1，则？兹off为BIG1；如果n为M，则？兹off为M；如果n为BIG1，则？兹off为SM1；如果n为BIG2，则？兹off为SM2；如果n为BIG3，则？兹off为SM3；如果n为BIG4，则？兹off为SM4。

3 仿真验证

对以上提出的的角度优化策略进行仿真验证，本文选用的是6/4极的开关磁阻电机，搭建控制模型，以转矩电流比Tavg/Iphrms为优化目标，比较电机角度优化前后的性能。

从图5可知，开关磁阻电机在进行角度优化以后的转矩电流比要明显高于优化之前的转矩电流比，在高速时尤其明显。这是因为，高速时如果还保持之前的开关角不变，将会限制定子电流的增长，降低输出转矩，降低效率。

图6，图7为当nref=6000r/min时，电机从n=0加速到n=6000r/min的过程中，开通角和关断角大小变化的图形。在电机的加速过程中，导通角从45°减小到39.9°，关断角从88°减小到76.8°。由图像可得，随着电机转速的增大，开通角和关断角越来越小，直至电机速度达到定值时才保持不变。并且，开通角和关断角的变化曲线较为光滑，使开关磁阻电机在任意速度时都可以保持较高的转矩电流比，进而获得较大的效率。

4 结论

本文提出了一种对开关磁阻电机导通角优化的方法，电机开通角的优化在传统公式法的基础上加了电流幅值闭环控制，通过改变开通角的大小，使电机电流的最大值趋近于电流给定值，从而提高电机的输出转矩。电机关断角的优化采用模糊控制，以电机的速度为输入变量，经过模糊化、模糊推理、解模糊化得到电机所需的关断角。通过仿真可知，采用本文所提出的导通角优化方法，可以明显地改善电机的动态特性，获得最大的转矩电流比，从而间接地提高电机的效率。

参考文献：

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