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開關(guān)磁阻電動機開關(guān)角的在線最優(yōu)控制

文檔作者：王喜蓮李哲生等文檔來源： 1哈爾濱理工大學(xué) 2哈爾濱工業(yè)大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月11日
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第3卷第4期
l999年12月
電 機 與 控 翩 學(xué) 報
ELECTRIC M ACHINES AND CONTROL
VOl_3 NO．4
Dec．1999
卜 牛
開關(guān)磁阻電動機開關(guān)角的在線最優(yōu)控制
‘
， 王喜蓮 ， 李哲生‘， 11，1 ．0 P Z
(1哈爾濱理工大學(xué)．黑龍江哈爾濱15(1040；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱l50曲11
擒要：針對傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電動機角度住王控制只是離線計算合適的開通美斷角，或隨著負(fù)栽、轉(zhuǎn)
速的變化線性地改變開通關(guān)斷角，提出了在穩(wěn)態(tài)時使驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)持矩／安培最優(yōu)的開通羔
斷角在線控制方案。詳細討論了一種利用EPROM 實現(xiàn)開關(guān)角控制的方法，給出了一些實驗結(jié)果，證
實了該在線調(diào)整方法的必要性和有效性． ，
葷 T M30 2； AR 007—中圖分類號： 1． 文獻標(biāo)識碼： 文章編號：l 一44 9)(( 1 99~)04—一 0211
Angles optimal Oil—line control of switched reluctance motor
W ANG ‘Xu-dong ， W ANG Xi—lian'， LI Zhe-shmg‘， W ANG Yan：
fl Harbin Unkmsity of Science＆ Tec~ ology，Harbin 15(1040，China；2 Harbin Imtitut~ of Technology，Harbin l5O00l， China)
Abstract： Traditional angle position control of switched reluctance motor has a of—line
calculation about turn-OIl and ture-0仃angle or a linear advance of angles with increus ing
speed and load． A on-line control scheme of angles which optimize the steady—state
performance of drive as mea sured by torque per ampere are presented， A method of
realization on-line control using EPROM is discussed Jn detail．Experimen tal results are pro．
vided to demonstrate the nece*sity and validity of the on—line contro1．
Key words：switched reluctance motor；on—line co ntrol；EPROM ；torque per ampere
1 引言
開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)因其結(jié)構(gòu)簡
單、堅固、成本低、控制靈括、調(diào)速性能好、效率高等
優(yōu)點，在可變速驅(qū)動系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景．其
可控參數(shù)有相繞組電流、開通角 、關(guān)斷角 。對相電
流的控制一般是采用斬波方式控制其幅值，傳統(tǒng)的
角度位置控制是基于理想設(shè)計電感曲線離線地計算
開通、關(guān)斷角，或隨著負(fù)載、轉(zhuǎn)速的變化線性地改變
開通、關(guān)斷角．然而由于電機參數(shù)的變化，很可能基
于電感曲線的模型并不能準(zhǔn)確地代表電機的電磁狀
態(tài)，離線計算中諸如磁飽和、鐵耗、漏磁等不能完全
考慮，特別是由于制造工藝或電機齒隨時間造成磨
損使氣隙不均，從而使實際電感曲線與理想設(shè)計電
感曲線有差別，轉(zhuǎn)矩輸出也將受到影響，因而也就影
響了電機的效率，所以說離線的計算開通關(guān)斷角在
實際運行中不可能是最優(yōu)的．因此在保持SRM 驅(qū)動
性能的前提下使用一個在線調(diào)整開關(guān)角的控制器是
必要的．基于此本文提出了在穩(wěn)態(tài)時改變開通、關(guān)斷
角，從而使驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)矩／安培最優(yōu)的控
制方法，詳細討論了用EPROM 實現(xiàn)開通、關(guān)斷角的
在線調(diào)整方法；測試了SI M 在空載、負(fù)載時在線調(diào)
整開關(guān)角前后的一些電流波形，證實了該控制方法
的有效性．
2 Ⅱ ，RoM 實現(xiàn)開通、關(guān)斷角的控制原理
2．1 備相繞組驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生
對于SI M 開通，關(guān)斷角的控制通常是根據(jù)位置
收稿日期：1999—07—20
基金璃目：田謇自燕科學(xué)基疊費助有目(59677003)
作者簡介：王旭末《1958一)，男，耗捷，璁為睜爾濱工業(yè)太擎陣j研究生，研舫向為機電拉．I、電力電子與電力恃動．
王喜蓮(1974-)，士、碩士研宄生，研竟方向為電力電子與電力傳動．
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212 電 機 與 控 制 學(xué) 報 第3卷
傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)微處理器發(fā)出通斷邏輯控
制各相繞組導(dǎo)通關(guān)斷時刻，而這種位置傳感器所用
傳感元件的個數(shù)與定子繞組的相數(shù)相同．本文討論
的SRM 定子為三相，但只用一個傳感元件【1】。轉(zhuǎn)子每
轉(zhuǎn)一周只在相對定子的確定位置上發(fā)出一個脈沖，
相鄰的兩個脈沖之間所夾的機械角度為2 。利用鎖
相倍頻原理對周角2 進行Ⅳ 等分 l，再用位置信號P
作為同步信號、被劃分為N等分的位置脈沖依次記
為 ，只， 一， ，一， 一 (o≤ ≤ 一1)。貝!垃盱
不同位置的脈沖可以代表不同的轉(zhuǎn)子相對于定子的
角度 若記傳感元件發(fā)出的脈沖P所處的位置為零
度，那么對于任意脈沖P用對應(yīng)的機艟角度為
Q 2
用計數(shù)器對脈沖P 計數(shù)，且傳感元件發(fā)出的脈沖
P使轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周對計數(shù)器清零一次，那么計數(shù)器
的輸出值即代表脈沖P 所處的位置．將計數(shù)器的
輸出Qo? Q 一 依次連接到EPROM 地址總線的
- -
? ． 如圖1所示。
計數(shù){}：} EPROM
Q。 —一 ^ D。
Q —一 1 Dl
dk l
一1
。
dr Q ——一
A x-
麗
相
相
C榴
圖1 繞組驅(qū)動信號發(fā)生器
Fig．1 Generator of windings drive signal
如果先假定EPROM 的高位地址A ?A 為常
數(shù)，則與轉(zhuǎn)子機械角度對應(yīng)的每一個計數(shù)器輸出值都
對應(yīng)于EPRoM 中的一個單元，換言之，EPROM 中
每一個被選中的單元都對應(yīng)唯一的機械角度。如果
用EPROM 中存的數(shù)據(jù)信息作為SRM 各相繞組的
動信號。當(dāng)EPR0M 的片選信號和輸出允許信號
接地時，相應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置的地址線每選中一個單
元，該單元所對應(yīng)各位以 1 或 0 存儲的二進制信
息便以高或低電平的形式在EPROM 輸出的對應(yīng)位
出現(xiàn)，因此依據(jù)計數(shù)器的計數(shù)個數(shù)(即轉(zhuǎn)子相對于定
子的位置)確定此時該哪相導(dǎo)通，從而對EPROM 進
行編程，將某一相應(yīng)該導(dǎo)通的位置所選中的單元中
相應(yīng)位寫入 l ，不應(yīng)該導(dǎo)通的位寫人 0 ，即可實現(xiàn)
SRM 各相繞組的開關(guān)控制。
2．2 不同開通角 與關(guān)斷角 的存儲
以上討論是假定EPROM 的高位地址 ?
為常數(shù)，那么SlIM 各相繞組的開通角Ⅸ與關(guān)斷角
是由這一常數(shù)所確定的那些單元( 個)中存儲的二
進制數(shù)決定的。要改變開通角Ⅸ與關(guān)斷角 ，可以將它
們寫人另外一些單元。事實上，圖l所示電路可存儲
不同的開通、關(guān)斷角共2 一 種，為了方便將EPROM
中相同的A —A 一 不同的 ? L- 地址線對應(yīng)的單
元存儲相同的開通角 不同的關(guān)斷角 ，將不同的
?
¨ 相同的A 。。A 地址線對應(yīng)的單元存儲
相同的關(guān)斷角 不周的開通角 。這樣存儲事實上是
建立了一個關(guān)于不同 與 的二維表(如表l所示)。
衰1 Ⅸ與 存儲褒
Table 1 The storage table of and
運行中A ?AL- 接于微處理器(或單片機)的并
行端口，通過改變A ?A 的數(shù)值可以方便地改變
開通角“，改變A 。。A¨ 的數(shù)值可以改變關(guān)斷角 ，
從而方便地實現(xiàn)在線開通、關(guān)斷角的控制。
3 開通關(guān)斷角在線最優(yōu)控制
3．1 開通關(guān)斷角在線最優(yōu)控制策略
由于參數(shù)的變化，實際相電感曲線與所設(shè)計的
數(shù)據(jù)會有差異，造成離線計算出的開通關(guān)斷角并非
最優(yōu)，因此一個在線的滿足驅(qū)動器要求的使驅(qū)動系
統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)的控制器是必要的．驅(qū)動效率、轉(zhuǎn)
矩／安培、轉(zhuǎn)矩波動都是描繪SRM 驅(qū)動系統(tǒng)的性能
指標(biāo)。驅(qū)動效率依賴于諸多因索，如轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖、
斬波開關(guān)頻率、電機速度等，轉(zhuǎn)矩／安培主要集中在
電動機本身的性能上，轉(zhuǎn)矩波動主要涉及在低速和
精確控制應(yīng)用中．就目前研究水平同時使這些指標(biāo)
最優(yōu)是有困難的．轉(zhuǎn)矩／安培對于任何驅(qū)動應(yīng)用都是
追求的指標(biāo)，它的優(yōu)化將提高驅(qū)動系統(tǒng)的效率。
實現(xiàn)這一目標(biāo)的總體控制策略就是在給定轉(zhuǎn)速
(∞)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩( 下，通過改變開通、關(guān)斷角找到最
小的電流值，從而使得轉(zhuǎn)矩／安培值最大．整個控制
由速度、電流雙閉環(huán)實現(xiàn)。
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第4期 開關(guān)磁阻電動機開關(guān)角的在線最優(yōu)控制 213
電源
圖2 SRM 驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖
Fig．2 Block diagram of SRM driving control system
3．2 SRM 驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖
尋找 口最優(yōu)的SRM 驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖如圖2
所示。
該驅(qū)動系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的SRM 驅(qū)動控制系統(tǒng)基
礎(chǔ)上加^ 、口的最優(yōu)控制，它由兩個閉環(huán)組成。一個
為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器，速度誤差信號經(jīng)PID運算產(chǎn)生
斬波控制信號．?dāng)夭刂破鞯膶嵸|(zhì)是依據(jù)PID 的輸
出大小對EPROM 產(chǎn)生的導(dǎo)通角進行斬渡，并用
它控制功率驅(qū)動器提供給SRM 的電流，從而達到調(diào)
節(jié)SRM 速度的目的。另一個閉環(huán)為開通角 關(guān)斷
角口的最優(yōu)控制，它的作用是在恒定負(fù)載情況下尋
找使電流最小的開通角 關(guān)斷角口，其控制依賴于速
度、電流兩個輸入量。
3．3 ，口最優(yōu)控制流程圖
一般的傳動系統(tǒng)中不安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，但對于
多數(shù)負(fù)載而言，調(diào)整轉(zhuǎn)速恒定，便認(rèn)為轉(zhuǎn)矩不變。這
樣尋找最大的轉(zhuǎn)矩電流比就可以在轉(zhuǎn)速恒定下，通
過改變開通角和關(guān)斷角，找最小的電流值，此時的
與口對應(yīng)最大的轉(zhuǎn)矩電流比，即為開通關(guān)斷角的最
憂值 ， 。
從表1可知，開通角 與關(guān)斷角口的尋優(yōu)范圍
為：2 2{卜帥=2 一 ，且SRM 的最優(yōu)開通角 只依
賴于轉(zhuǎn)速和電流，因此可以在特定的轉(zhuǎn)速下首先固
定口在離線計算值處尋找最優(yōu)值 ，然后再固定
在最優(yōu)值 處尋找最優(yōu)值 ，這樣尋找最優(yōu)的范圍
便降為2 +2 ，從而可 大大提高尋優(yōu)速
度。圖3提供了尋找最優(yōu)開通角 與關(guān)斷角 的控
制流程圖．因為尋找 與 的方法相同，故用標(biāo)志
Y=0尋 ．Y=l尋 。
首先由速度控制器完成預(yù)計工作點(∞、n 的運
行，即在恒定負(fù)載情況下使轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)達到穩(wěn)定
運行狀態(tài)；然后固定關(guān)斷角口在離線計算的最優(yōu)值
處，通過計數(shù)器輸出的代表SRM 位置的數(shù)值和微處
理器并行口輸出的值尋址EPROM 對應(yīng)的不同開通
角 的單元，從而去改變繞組開通角，速度控制器對
電流J傲相應(yīng)的調(diào)整，使運行再一次達到穩(wěn)定，采樣
新的電流值并與前一次的值比較，如電流減小，則繼
續(xù)按該方向改變開通角，否則按相反的方向改變開
通角，直到電流值在某個開通角附近振動，則認(rèn)為此
時的開通角即為最優(yōu)值 ·，然后固定 在已找到的
最優(yōu)值 ·處，再以同樣的方法尋找 ，從而也就找
到了在設(shè)定轉(zhuǎn)速．轉(zhuǎn)矩下的最優(yōu)開通、關(guān)斷角，用此
與口·去控制各相的開通、關(guān)斷，從而優(yōu)化穩(wěn)成性能
指標(biāo)轉(zhuǎn)矩／安培。實驗中EPROM 的低位地址線取
N=8，故角度變化量AX取36 ／2 。
圖3 最優(yōu)化 、日控制漉程圈
Fig．3 Flowchart of 0 mizing and
4 實驗結(jié)果
基于上述開通關(guān)斷角在線最優(yōu)控制系統(tǒng)對一臺
三相12／4極SRM 進行了實驗研究，分別測試了其在
空載和負(fù)載時調(diào)整開通、關(guān)斷角前后的電流波形，測
試結(jié)果如圖4和圖5所示。實驗中僅用一個軸位置傳
感元件提供位置信息，由一個額定轉(zhuǎn)矩為200N·rfl
的磁粉制動器作為負(fù)載。
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2l4 電 機 與 控 翻 學(xué) 報 第3卷
空藏時尋優(yōu)前后的電流波形
Fig．4 Currm t traces of oo load before and after optimizing
圖5 負(fù)載時尋優(yōu)前后的電漉波形
F ．5 Cm'rent trec~ of load before and after optimizing
圖4(a)、(b)示出了SRM 空載轉(zhuǎn)速I融900 r／min
時示渡器記錄的開通、關(guān)斷角尋優(yōu)前后 相電流的
軌跡，電流減小了9．6％ ．
圖5fa)．(b)示出了SRM 負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)速恒定
在800 r／min時示波器記錄的開通、關(guān)斷角尋優(yōu)前后
相電流的軌跡，電流減小了7．8％ ．
5 結(jié)論
基于使SRM 的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)矩／安培最優(yōu)，對SRM
的研究表明了該控制方法的可行性，恒定輸出轉(zhuǎn)
矩 轉(zhuǎn)速情況下調(diào)整開通、關(guān)斷角后相電流減小的實
驗結(jié)果表明了離線計算的最優(yōu)開通、關(guān)斷角并非最
優(yōu)，系統(tǒng)性能的提高證實了尋優(yōu)的必要性。
參考文獻：
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