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開關(guān)磁阻電動機(jī)的模糊開關(guān)角控制

文檔作者：許振偉文檔來源：浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月11日
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第22卷第5期
2010年10月
電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報
Proceedings of the CSU—EPSA
Vo1．22 No．5
Oct． 2O1O
開關(guān)磁阻電動機(jī)的模糊開關(guān)角控制
許振偉
(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州310035)
摘要：由于SRM 電動機(jī)及功率變換器具有非線性，SRM 控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是一個比較復(fù)雜的問題。
基于sRM 電動機(jī)能量轉(zhuǎn)換理論，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行sRM 非線性建模，得到SRM 電動機(jī)開關(guān)角度最優(yōu)
控制規(guī)律。并以TMS320LF2407A 數(shù)字信號處理器為控制核心，采用只有四個主開關(guān)管的功率主電路，針對
4相8／6極SRM 設(shè)計開發(fā)了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)角優(yōu)化控制技術(shù)的高精度SRM 系統(tǒng)。仿真和試驗結(jié)
果證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，運(yùn)行效率高，具有較高的實用價值
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動機(jī)；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；開關(guān)角；最優(yōu)控制
中圖分類號：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003—8930(2010)05—0062—04
Fuzzy Switch Angle Control M ode for Switched
Reluctance M otor System
Xu Zhen—wei
(College of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，
Hangzhou 310035，China)
Abstract：Because of the nonlinearity of SRM and its power converter，the optimization of control parameters is
very comple．To solve the problem，the nature characteristic of optimum switch angle strategy of SRM is de—
rived based on the energy conversion of SRM．Using a fuzzy—neural network(FNN)，some results about the op—
tim um switch angles have been drawn． According to the optim um strategy，a SRM system based on
TM S320LF2407A is designed．Practical operation experiments are performed on a 3 kW SRM with 8 stator
poles and 6 rotator poles．The results show that the system is simple with excellent performance．
Key words：switched reluctance motor；fuzzy-neural network；switch angle；optimum control
開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動SRD(switched
reluctance drive system)系統(tǒng)是一種新型的機(jī)電
一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，它融合開關(guān)磁阻電機(jī)
SRM(switched reluctance motor)、現(xiàn)代電力電子
技術(shù)和現(xiàn)代控制理論于一體。SRM 是一個復(fù)雜的
非線性系統(tǒng)，可控參數(shù)比較多，需要對控制參數(shù)的
進(jìn)行優(yōu)化選擇才能保證SRM 傳動系統(tǒng)高性能運(yùn)
行。在常規(guī)SRM 電壓脈沖寬度調(diào)制PWM(pulse
width modulate)控制策略中，SRM 起始導(dǎo)通角是
固定不變的，僅僅通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這
種控制方法無法做到整個運(yùn)行速域內(nèi)損耗最小、效
率最優(yōu)。為此本文模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對SRM開關(guān)角最
收稿日期：2009—04—22；修回日期：2009—1l-12
基金項目：浙江省自然科學(xué)基金項目(Y106669)
優(yōu)控制規(guī)律進(jìn)行離線學(xué)習(xí)，然后將其應(yīng)用于SRM
調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的在線控制，試驗結(jié)果證明了該方法
的有效性。
本文以TMS32OLF2407A信號處理器為核心，
基于上述的開關(guān)角優(yōu)化控制思想，設(shè)計開發(fā)了一種
高效的SRM調(diào)速系統(tǒng)。試驗測試證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
簡單、可靠，具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能。
1 系統(tǒng)控制策略
本文對SRM 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，采用電壓PwM
斬波控制與最優(yōu)開關(guān)角調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的策略?？?
制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開
第5期 許振偉：開關(guān)磁阻電動機(jī)的模糊開關(guān)角控制 · 63 ·
關(guān)器件的開斷，并通過調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的時間比
例，即占空比來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，從而
實現(xiàn)對繞組相電流的控制；同時基于模糊控制邏輯
的最優(yōu)開關(guān)角調(diào)節(jié)，實現(xiàn)SRM 的高效、高轉(zhuǎn)矩運(yùn)
行。基于DSP的SRM 調(diào)速系統(tǒng)控制原理如框圖1
所示。
圖1 SRD調(diào)速系統(tǒng)控制原理
Fig．1 Principle speed control system
如圖1所示，SRD調(diào)速系統(tǒng)的控制參數(shù)主要有
繞組相電壓U 、起始導(dǎo)通角0。 和開斷角 在這
三個參數(shù)中，相電壓L， 為系統(tǒng)的主控制量，采用電
壓PWM控制模式，由速度PI控制器輸出電壓的控
制量，即電壓PWM 波形的占空比，觸發(fā)相應(yīng)主功
率管?？刂屏?和‰ 是其轉(zhuǎn)速和相電流的非線性
函數(shù)，其非線性對應(yīng)關(guān)系由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離線學(xué)習(xí)
而得到，在SRM 運(yùn)行中根據(jù)實際運(yùn)行速度和相電
流，不斷更新當(dāng)前的最優(yōu)開關(guān)角，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
1．1 PI速度控制器設(shè)計
PI速度控制器采用位置式和增量式相結(jié)合的
算法，即比例部分采用位置算法，積分部分采用增
量算法，結(jié)果為全增量位置式輸出。經(jīng)過差分離散
后的PI標(biāo)準(zhǔn)算法表達(dá)式為
Uk— K + Kl 8 一K + c (1)
J= 1
式中：【， 為第忌次控制量輸出；K。是比例系數(shù)；K
為積分系數(shù)；其中積分部分的遞推公式為
C^一C}_1+ KI (2)
為了避免發(fā)生積分飽和現(xiàn)象，本系統(tǒng)采用超限
消弱積分法，當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)以內(nèi)，便不再進(jìn)行
積分項的累加，而只執(zhí)行消弱積分的計算，其算法
原理如圖2所示。
該算法為
C 一C}_l+ KI + KcEP (3)
EP — U 一U
其中K 一K ／K 。
U ≥ U U。≥ U?
U ≤ U? U ≤ U
圖2 PI速度控制器算法原理
Fig．2 Algorithm principle of PI speed controller
由于SRM 是一個時變的、非線性系統(tǒng)，不能
建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，所以上述的各個參數(shù)是根據(jù)
實際系統(tǒng)運(yùn)行試驗反復(fù)試湊得到的。在具體整定過
程中，可以先屏蔽積分運(yùn)算，調(diào)整比例系數(shù)，使其盡
量取最大值，以得到反應(yīng)快、超調(diào)小的調(diào)節(jié)效果。然
后加入積分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)積分系數(shù)由小到大，在使系
統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下，盡快消除靜差。為使系統(tǒng)
在每個速度下都具有較好的靜、動態(tài)特性，本系統(tǒng)
在不同的速度段設(shè)定不同的PI控制參數(shù)。
1．2 模糊角度調(diào)節(jié)器設(shè)計
為了使得SRM 電動機(jī)獲得高輸出轉(zhuǎn)矩和較高
的效率，需要根據(jù)不同的運(yùn)行速度對SRM 開關(guān)角
進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，但是SRM 最優(yōu)導(dǎo)通角和最優(yōu)關(guān)斷
角與SRM 的速度和電流之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)
系，不易建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。為此，本文采用
Takagi—Sugeno模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對SRM 最優(yōu)開關(guān)角
控制規(guī)律
f。pII l一廠( ，co) (4)
l。。 ?l— h(J ref，co) (5)
進(jìn)行非線性建模，其基本原理如圖3所示。
◇
◇
圖3 模糊角度調(diào)節(jié)器原理
Fig．3 Principle of fuzzy angle controller
模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸人為相電流和轉(zhuǎn)子速度，
輸出為最優(yōu)導(dǎo)通角和關(guān)斷角。對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建
模，訓(xùn)練樣本的選取是一個十分關(guān)鍵的問題，本文
訓(xùn)練樣本是通過SRM樣機(jī)的仿真計算和試驗測試
· 64 · 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 第22卷
相結(jié)合獲得的。首先給定一組( ，叫)值，通過人為
調(diào)節(jié)開關(guān)角0。 和‰ ，使在SRM 電動機(jī)輸出最大
平均轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)上，效率最高，從而獲得一組訓(xùn)練樣
本點(J ， ，0。 )和(，耐， ， ff)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
SRD系統(tǒng)是由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換電路、
微機(jī)控制電路、反饋電路、保護(hù)電路和人機(jī)界面組
成，其核心控制CPU是TMS320LF2407A，它與位
置檢測、功率變換電路和電流檢測環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)、
諧調(diào)運(yùn)行，構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，整個系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 SRD調(diào)速系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)
Fig．4 Structure of SRD system controller
2．1 功率變換器設(shè)計
功率變換器采用三線電源電路，如圖5所示。
直流電源由三相全波整流獲得。在直流電源側(cè)并接
了兩只串聯(lián)電解電容，它的作用是不僅完成濾波作
用，將兩線電源分裂為三線電源，還兼作相繞組能
量回饋的儲能元件。V 。 、V 。。、V 和V 。 選用
IGBT作主開關(guān)元件，D 、Dl。。、D 。。和D 。 是快恢
復(fù)續(xù)流二極管。當(dāng)V 導(dǎo)通時，由電容C 供電，相
電流流過電機(jī)A相繞組；當(dāng)V 。 截止時，電流通過
電容C 和二極管D 。 續(xù)流，由此完成A相繞組的
一個通電周期。依次輪流觸發(fā)V 。 、V 。 、V 和
V ，使各相繞組輪流通電，形成一定的電磁轉(zhuǎn)矩
驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。
2．2 速度和位置反饋
本系統(tǒng)的速度和位置反饋采用光電式傳感器，
在定子上安裝兩個相距75。的光敏傳感元件，輸出
兩路相位差15。的方波信號，可以組合成四種不同
的狀態(tài)，分別代表電動機(jī)四相繞組不同的參考位
置，并將該兩路信號送到TMS320LF2407A 的
CAP1和CAP2。當(dāng)捕獲輸入引腳上檢測一個跳變
時，定時器丁 的值就作為相應(yīng)的位置信號被DSP
獲得，根據(jù)測周法即可計算電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。
圖5 SRD功率變換器原理
Fig．5 Power converter of SRD
2．3 電流檢測與斬波電路
為實現(xiàn)SRM 開關(guān)角最優(yōu)控制，必須對繞組中
的電流進(jìn)行檢測。本文采用霍爾元件電流傳感器，
不但具有隔離功能，而且具有精度高和線性好的特
點。其輸出信號直接輸入到DSP的A／D轉(zhuǎn)換器的
輸人口ADIN01和ADN02，其轉(zhuǎn)換結(jié)果存人一個
兩級的FIFO寄存器中。本文的電流斬波控制采用
軟件方法實現(xiàn)，在PWM 脈寬控制中斷子程序中啟
動兩個ADC的轉(zhuǎn)換動作，讀取電流采樣值，當(dāng)此檢
測值大于給定電流時，則關(guān)閉PWM1～ PWM4的
輸出，即關(guān)斷IPM 模塊一個中斷周期，使相繞組電
流下降，在下一個T1中斷到來時，重復(fù)上述過程，
若實際電流值小于給定電流值，則重新開放PWM
輸出，從而使相電流得到控制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
基于TMS320LF2407A的SRM控制軟件包括
初始化程序和運(yùn)行程序兩部分。當(dāng)上電初始化以
后，系統(tǒng)就將控制權(quán)交給運(yùn)行程序，該程序是一個
無限的循環(huán)，主要完成鍵盤命令輸入、狀態(tài)顯示以
及故障信號的檢測等功能。同時在運(yùn)行程序中還包
含三個中斷服務(wù)即捕獲中斷服務(wù)程序、T1定時器
中斷服務(wù)程序和T2中斷服務(wù)程序。
3．1 捕獲中斷子程序
SRM 電機(jī)轉(zhuǎn)速估計計算采用測周法，轉(zhuǎn)子每
轉(zhuǎn)過15。，發(fā)生一次捕獲中斷，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15。所需要
的時間為
At— KP× TcLK× △ (6)
其中：K 為捕獲單元時間基準(zhǔn)的預(yù)定標(biāo)值；Tc x為
時鐘周期；△為中斷間隔的時鐘周期數(shù)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)
速為
了c ／■ 、
一
對式(7)進(jìn)行歸一化處理后，得到轉(zhuǎn)速為
第5期 許振偉：開關(guān)磁阻電動機(jī)的模糊開關(guān)角控制 · 65 ·
l一156× ——— l一 (8)
實際的轉(zhuǎn)速估計值為
∞ 一5 000co1 (9)
3．2 T1中斷子程序
T1中斷由T1定時器確定定時間隔，每隔25
ms執(zhí)行一次。并且根據(jù)速度控制中斷子程序計算
出的值，對斬波占空比進(jìn)行更新，同時啟動A／D轉(zhuǎn)
換程序，采樣相電流值，判斷是否過流等。T1定時
器中斷服務(wù)程序另一個重要任務(wù)就是讀取SRM 相
繞組換相標(biāo)志，根據(jù)換相邏輯確定待觸發(fā)導(dǎo)通角，
計算此相繞組當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角，并讀取當(dāng)前最優(yōu)開
通角，當(dāng)0≥ 0。 l0p 一時，導(dǎo)通此相繞組，當(dāng) ≥
‰ lop ·時，關(guān)斷此相繞組，SRM 轉(zhuǎn)子角位置估計
算法為
0(k)一b(k-1) k)× (1O)
式中：-廠 是位置更新頻率。
3．3 T2中斷子程序
T2中斷服務(wù)程序主要包括電機(jī)啟動控制、速
度PI控制和模糊角度控制子程序，中斷時間間隔
由T2定時器確定。電機(jī)啟動控制的主要作用是保
證電機(jī)的正常啟動，電動機(jī)轉(zhuǎn)速低于5O r／，in作為
啟動階段，此時斬波占空比不是一次給定，而是逐
步累加，使斬波占空比逐漸增大，實現(xiàn)軟啟動功能。
4 試驗研究
本文以一個8／6極四相3 kW SRM 為控制對
象，其額定轉(zhuǎn)速1 500 r／min，以一臺它勵直流電動
機(jī)反接狀態(tài)作負(fù)載，在直流電動機(jī)的電樞中串接一
個電阻箱(ZB一120型)，通過改變電阻箱阻值大小
可以改變直流電動機(jī)的機(jī)械特性。
圖6是0。 一0、0 一30。時，相繞組功率開關(guān)
管IGBT的換相信號。圖7是SRD位置傳感器輸出
的電壓信號波形，周期是60。，兩者是相位差為15。
的正交信號。
為了比較本文的模糊開關(guān)角和固定開關(guān)角電
壓PWM控制的SRD系統(tǒng)的運(yùn)行性能，圖8給出了
上述兩種控制策略下的SRM繞組相電流波形(取
樣電阻上的電壓)。從圖8中可見，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)
絡(luò)控制后，SRM 電動機(jī)相電流波形明顯得到改善，
在恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的工況下，繞組相電流有效值明顯
減少，試驗時SRM 系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲相應(yīng)
減少。
> 1
Ⅱ
迎堅
一l
乏1
坦
枯
鏹一
迎
一l
>
壤
罌
—] 廠] 廠] 廠]
時間／ms
圖6 SRM 換相信號
Fig．6 SRM switch signal
—
0 0．1 o．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0 8 0．9 1．0
時間／ms
圖7 SRM 位置傳感器信號
Fig．7 SRM position sensor signal
時間／ms
(a)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
：n 八廠
一
▲
(b)固定開關(guān)角控制
圖8 繞組相電流波形(500 r／min，TL一6 N ·m)
Fig．8 Phase current wavs eforms
(500 r／rain，TL一6 N ·m)
SRM 系統(tǒng)的效率是也是衡量其性能的一個重
要指標(biāo)，本系統(tǒng)的效率采用SRM 的輸出功率與直
流電源的輸入功率的比值來表示，在800 r／min轉(zhuǎn)
速下兩種控制策略下測試在不同負(fù)載下系統(tǒng)的效
率見圖9，由圖9可見模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的SRM效
率明顯高于固定開關(guān)角控制策略下的系統(tǒng)效率。
負(fù)載，(N·m)
圖9 兩種控制策略下系統(tǒng)效率對比(800r／min)
Fig．9 System efficiencies of two controllers(800r／min)
(下轉(zhuǎn)第108頁)
· 1O8 · 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 第22卷
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作者簡介：
尹明(1974一)，男，博士，副教授，研究方向為智能電網(wǎng)、
電力系統(tǒng)規(guī)劃、清潔能源等。Email：routouter@sohu．corn
王成山(1962一)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為
電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃、電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性等。
Email：cswang@tj u．edu．cn
葛旭波(1968一)，男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電
網(wǎng)、電力系統(tǒng)規(guī)劃等。Email：gexubo@sgeri．sgcc．com．cn
本文基于TMS320LF2407A設(shè)計開發(fā)了具有
智能控制方法的高精度SRM 調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。對4
相8／6極SRM，采用只有四個主開關(guān)管的功率主
電路，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本。采用基于模糊
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)角優(yōu)化控制技術(shù)，使SRM 電動機(jī)
相電流波形得到了明顯的改善，提高了系統(tǒng)效率。
通過合理設(shè)計系統(tǒng)過電壓、過電流等保護(hù)電路，提
高了系統(tǒng)的可靠性。試驗結(jié)果證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡
單、可靠，具有較高的動、靜態(tài)性能，具有較高的實
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作者簡介：
許振偉(1971一)，男，副教授，博士，研究方向為電力電子與
電力傳動控制技術(shù)。Email：xuzhenwei88@126．tom

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