外文翻译译文-开关磁阻转矩脉动抑制电机驱动器的PWM电流控制

中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 8页开关磁阻转矩脉动抑制电机驱动器的 PWM 电流控制伊克巴尔侯赛因， IEEE 会员和 M. Ehsani，IEEE 高级会员摘要: 对于开关磁阻电动机(SRM)驱动来说，高转矩脉动是为数不多的几个缺点之一,否则它在许多商业驱动中将会拥有更加优秀的特点应用。本文以文献中出现的审查扭矩纹波抑制方法为基础，然后提出了一种新的 PWM 电流控制策略的光滑驱动器的操作方法。此方法包括一个非常重要的电流控制在换向时转矩脉动战略。1. 介绍固有的简单性,耐用性,和低成本使开关磁阻电动机(SRM) 在各种通用调速应用中成为一个可行的候选人 1。在 SRM 驱动的应用程序中简单的功率电子驱动电路的要求和转换器的容错能力是特定的优势，需要高度的可靠性。SR 电机和一个适当的组合控制转换器提供了一个有效率的驱动系统的特性。由于缺乏转子绕组 SRM 输出功率高于一个可比较的感应电动机，转矩惯性比也会较高。与传统的机器相比，SRM 的主要缺点是有较高的转矩，这将会造成纹波噪音及振动。由于高度非线性转矩产生的机理的离散性，开关磁阻电机中的脉动将会产生扭矩。SRM 各个定子所产生的力矩总和就是总扭矩，这是独立控制的。当扭矩生产机制正从一个活动阶段到另一个阶段，扭矩脉动在换向瞬间是最显着的。卡梅伦等人 2证明了定子的共振在 SRM 的噪音源中是占主导地位的。在高性能伺服应用中转矩脉动的最小化是至关重要的，这需要最小转矩脉动的顺畅运作。在一个伺服系统中，SRM 出色的功能可以被用来减少转矩脉动。这些类型的驱动器在汽车产业，直接驱动机床等具有广泛的应用。基本上有两种主要方法用于减少的转矩脉动：一种方法是提高电机的磁设计，而另一种是使用精密电子控制。机械设计师能够通过改变定子和转子的磁极结构的脉动减少扭矩，但要牺牲电机的性能为代价。该电子选择的最佳组合方法是基于操作参数，其中包括电源电压，开关角度，目前的水平和轴负荷。因为电机没有被充分利用在每个转子位置，它必须需要注意的是转矩脉动最小化导致了减少的平均扭矩的能力。可以说，在一般情况下，以电子控制转矩最大化和纹波最小化是无法同时实现的。中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 8页本文提出了一种改进的在低速转矩脉动最小化技术的操作模式-PWM 电流控制。换向过程中的转矩脉动最小化的同时导通两个正扭矩生产阶段扩展预定义区域。双凸极电机（SR）有独立的相上的定子和转子绕组，它们通常由是由钢制成叠片。定子和转子的磁极拥有几种可能的组合，例如，6/4，8/6，12/8 等, 电机在产生的转矩的基础上，沿着磁路的磁阻变化。当定子相通电时，定子极对吸引最接近的朝向对应的磁极的转子磁极对。转矩产生的这种倾向采用的磁路磁阻最小的结构的，是独立的电流的流动方向。通过连续通电，连续的阶段，可以在任一方向连续旋转。共能在给定的转矩如其中 T，i 和 表示的转矩，电流和转子角位置。的共同能量可以计算出从其中 表示定子磁通。简化假设下磁线性，扭矩方程为理想化的 SRM 的一相电感轮廓示于图 1（a）。励磁电流的相位是同步的正面或运动力矩上升电感区域，并用于产生或制动转矩的电感下降区域。运动力中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 8页矩相电流和相制动电流示于图 1（b）和（c）中。图 1 .理想化的电感曲线和相励磁电流。（a）电机相电感。（b）运动力矩相电流。 （c）相制动转矩的电流开关磁阻电机的最佳性能取决于相电流相对于转子的角位置上的适当定位。电动机控制器选择在这样一种方式，在换流相位衰减剩余磁通的关断角到达零之前的负面 区域之前就达到了在电动模式的操作。在低速模式下的操作，通过保持相位的电流恒定不变来保持转矩。独立定子阶段保持连续的旋转方向的转矩生产。在换向过程中每相邻的两个导电阶段产生的扭矩是添加剂。转矩脉动当前的数据传输的平滑性是负相关的相之间的，并且它是最小化的纹波通过控制电流的重叠阶段过渡。中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 8页2. 以前的方法回顾文献中出现的各种方法 3 - 9转矩控制在纹波极小，最流行的方法已存储角度转矩 - 电流特性的最佳相位电流可以以表格的形式，从位置测量和转矩要求决定。以前的一些研究已经概括的方法准确获取了角度转矩 - 电流特性并且在电机上进行静态测试 5 - 7。卡瓦纳等人 5是根据一系列的实验与一个自我主义的学习模式中的驱动器，而不需要一个外部负载获得这些特性曲线，。该技术是不平凡的，采取几分钟的时间，作为的计算量和数字要执行的步骤是显着的。莫雷拉 7所描述的方法是基于 SR 电机的瞬时转矩的磁通而估计联动与电流和转子位置的特性曲线。这些曲线是通过实验测量得到的电压和电流，然后在不同的转子位置采用双向三次样条插值。在该方法中，瞬时转矩估计实时获取三阶多项式系数的评价被预先计算并存储在内存中的位置使用数字信号处理器来实现控制。一个恒定的参考值是相对于估计转矩这种比较的结果驱动的电流调节器控制电机的相电流。在此方法中的算法涉及计算的第三阶多项式做不利用重叠正面地区的相电感，以尽量减少转矩脉动。通过优化的方法，减少纹波电流的重叠换向过程中所有的扭矩水平进行了研究 6。该算法是基于定义中央换相点在这两个阶段进行平等的电流，使总结扭矩与所需的扭矩相匹配。这个方法还使用了实验得到的静态矩角 - 电流曲线，以找到所需的转矩电流。Taylor 等人对于减少纹波的研究 9 - 11是基于一些反馈线性控制方案。在这些方法中，状态反馈控制算法被设计，可用于所有的非线性补偿本机的模式和去耦效果定子相生产电流的转矩。位置相关的逻辑换向电路分配一个阶段的控制控制运动，而其余的相电流是被迫衰减到零。概念上是成功的，但它的控制算法非常复杂，而且难以实施。在上述算法的基础上，降阶 SRM 模型的简化版本已经呈现在文献10和文献11中3. 转矩脉动减小本文提出的转矩脉动最小化方法是基于相电流的最佳性能分析扩展重叠传导期的两个阶段。该控制方法，而不是瞬时的基础常规时间平均转矩控制。瞬时控制减少响应时间，除了尽量减少转矩脉动。在传统的方法中，相电流保持中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 8页在参考电平的滞环控制或 PWM 控制产生恒定的扭矩。转矩脉动最小化是非常重要的，在换向时，其中相重叠传导发生。在已发布文献中当前分析换向并没有详细讨论了，虽然描述的控制算法7 - 11申请单相导通，以及为多个相传导。此外，在现有文献中转矩脉动的最小化更强调扭矩角测定电流特性，很少针对当前分析算法。一个 PWM 当前分析策略的整个区域中的操作，包括换向，是列于下：4. 转矩和电流剖析战略转矩控制策略是基于轮廓各阶段的 SR 电机的这样的总和各相产生的转矩是恒定的，等于所需的扭矩 TrefIn。为了实现这一恒定的扭矩，我们定义了一个轮廓函数得 f（6），使得在这里在这里，fk 是第 k 个相位轮廓函数轮廓函数的一个可能的选择。得 fT（）为四相 8/6 SRM 的方程第 1 阶段是功能轮廓函数的相位是非零的，仅在其积极电感坡。参考角度的选择依赖于特定电机的电感的轮廓。转矩控制的基础上的一个决定性类似的方法8中，提出了功能。作者试图发展一个广义的概念瞬时转矩控制参考帧变换旋转机器 Floquet 理论。计算的复杂性和需要的速度的要求，以实现所需的控制构成一个潜在的缺点实施的概念。然而，本文提出了一种简单的算法转矩脉动最小化的基础上轮廓功能。每个轮廓功能预定义的传导有三种不同的模式分析阶段。在这两个模式，同时在扩展两个阶段进行长时间，只有一相导通，在其它模式。换相的目的是中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 8页要超过在过渡期间长时间的运行平稳性从传出相电流传导到传入一个。转矩控制策略，迫使即将离任的阶段电流跟随衰减的轮廓，而不是让飞轮自然。传入的相电流也被迫按照增加轮廓的主动控制。四相 SRM 很容易适应这个计划，因为有一个区域中的相邻两个阶段中的电感轮廓，同时他们具有正斜率。在实施该算法涉及的因素（T-i-）矩角流动特性，轮廓函数的形状，重叠角同时相导通，电流调节算法。在 T-i- 的特点，可以离线确定静态测试。所有阶段的特点是大致相同的，只不过它们是相移 15 机械度为 8/6 四相电机。因此，一个单一的三维表足够参考电流为所有的四个阶段。T-i- 的特性曲线也可以通过以下方式获得从自感数据，当磁性非线性忽略不计。在此过程中，获得的 T-i- 特性自感特性已在模拟中使用的的算法。四相的自感 SRM 实验测量在不同的转子位置由激励线圈 2 kHz 的正弦信号。自这些电感曲线是周期性的性质，傅里叶可以通过以下方式获得的频谱分析的级数表示。派生的解析表达式如下：选择适当的轮廓功能也很重要的高效的运行。有两个主要条件轮廓功能必须满足。的条件有以下几种：1 功能的各个阶段的总和在任何时候必须统一。2 实际电流必须是能够按照轮廓定义的函数。f（）的选择，是不唯一的，许多功能将满足第一准则。第二个准则取决于电机参数以及轮廓函数的斜率。电机的相电压由下式给出其中，R 为相绕组电阻，L 是瞬时相电感。认识到 W = ，电压方程可写为中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 8页其中，E= ，被称为反电动势。需要注意的是反电动势的速度和电感斜率的函数。的电流的变化率，可以是来自于上述方程如下：所需的电流，从得到的转矩指令轮廓功能因此，在条件被满足的功能经世上述关系是速度的函数，这限制了扭矩最小化计划的实施目标速度。速度和反电动势的增加而的电流的上升率降低由于逆变器输出电压的限制。PWM 占空比增加，以对付反电动势 PWM 占空比达到 100的基本速度。相应的速度被定义为最大的最高速度电流可以被施加到电动机在额定电压下固定发射角度。恒转矩生产不再基速以上，由于控制器不能调节电流的占空比控制。然后电机进入恒功率区域，峰值扭矩生产通过控制导通角保持。因此，本文中所描述的扭矩最小化算法可能最多只能 PWM 电流控制是可能的，或者换句话说，基速。在此期间，这两个阶段进行的重叠角同时，必须最大限度地使需求电流调节器是最小的。角遍布这两个阶段将同时具有正面 道依赖于定子和转子的结构。当电动机被设计为具有传播最大化相电感之间最大可能的变化对齐和未对齐的转子位置。因此，这是也最大扭矩生产的标准。相电流可调节到按照所需的嘭嘭控制或 PWM 控制的轮廓。一固定频率的不同占空比的 PWM 控制策略在这个项目中采用的电流调节。实际电流被检测并反馈到控制器，以产生与参考电流进行比较后的误差。错误通过一个 PI 控制器产生所需占空比为活跃的阶段或阶段。使用编码器反馈的转子位置连续地传送到控制器。在转矩的调整中，在内部控制回路，而控制速度的外循环。速度误差信号产生的转矩指令这是所提出中 北 大 学 2013 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 8页的控制器的输入。所需的由电流计算器确定的电流是相对于被馈送的实际电流，所产生的开关模式