开关磁阻电机减振降噪和低转矩脉动控制策略_图文

1、第28卷第12期中国电机工程学报V ol.28 No.12 Apr.25, 2008开关磁阻电机减振降噪和低转矩脉动控制策略孙剑波,詹琼华,王双红,马志源(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市430074Control Strategy of Switched Reluctance Motor to Restrain Vibration,Acoustic Noise and Torque RippleSUN Jian-bo, ZHAN Qiong-hua, WANG Shuang-hong, MA Zhi-yuan(School of Electrical and Electronic

2、s Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, Hubei Province, ChinaABSTRACT: The problems of vibration noise and torque ripple limit the application of switched reluctance motors (SRM. Previously various efforts for solving problems in these two aspects are isolative. A

3、novel control strategy that can decrease the vibration and the torque ripple simultaneously is presented, by introducing the two-step and three-step commutation methods into the direct instantaneous torque control (DITC. The vibrations can be effectively suppressed under various operation modes, inc

4、luding chopping control and single pulse control, by adopting the novel control strategy. Furthermore, the novel control strategy minimizes the torque ripple under the torque chopping control. The design of time parameters of the three-step commutation method is also proposed. The experimental resul

5、ts verify the validity of the novel control strategy.KEY WORDS: switched reluctance motor; vibration; acoustic noise; torque ripple摘要:开关磁阻电机的振动噪声和转矩脉动问题制约了其推广应用,先前这2个方面的研究都彼此孤立。该文通过将2步和3步换相法引入直接瞬时转矩控制,提出了一种能同时减振降噪和减小转矩脉动的新控制策略。采用新的控制策略,在斩波控制和单脉冲控制下,振动都可得到有效抑止,且新控制策略可在转矩斩波控制下减小转矩脉动。该文还提出了3步换相法的时间参数设计

6、方法。实验结果验证了新控制策略的有效性。关键词:开关磁阻电机;振动;噪声;转矩脉动0 引言开关磁阻电机(switched reluctance motor, SRM具有结构简单、成本低、鲁棒性、免维护等一系列优点,甚至可以缺相运行1-2。但是由于SRM的双凸极结构和很强的磁场非线性使噪声和转矩脉动问题较其它传统电机更加严重。通过测量一台SRM附近的噪声发现:噪声与径向力引起的定子径向振动直接有关3。近年来许多文献报道减小SRM定子径向振动的方法来降低噪声,如2步换相法4-8和3步换相法9,文献10-14对SRM的定子振动特性进行了分析。转矩脉动可以通过控制技术在比较宽的运行范围内得到减小,这些

7、控制方法可分为离线15-17和在线18-19电流波形计算以及电流分配控制器。只有很少文献讨论了直接瞬时转矩控制(direct instantaneous torque control, DITC20-22。在DITC中,使用转矩闭环控制取代电流闭环控制。尽管在降低噪声和减小转矩脉动这2个方面已有许多方法提出,但无一种方法可同时减小这两者。绝大多数方法都受制于一定条件。本文在已有的各种降噪和低转矩脉动控制方法的基础上,提出了一种能同时减振降噪和减小转矩脉动的新控制策略。1 低转矩脉动控制策略DITC22中包含数字式转矩滞环控制器,它通过结合开关角信号和给定与参考转矩比较信号而产生逆变器开关信号,

8、根据实际转矩与参考转矩的偏差,给电机相绕组施加正电压、零压或者负电压。开关状态S=1表示每相桥臂的2个主开关器件开通,正的直流母线电压+U s施加在电机相绕组两端,如图1所示。开关状态S=0表示每相桥臂的2个主开关器件只有一个开通,另一个关断,电机相绕组通过二极管自然续流,电机相电压为0,如图2所示。开关状态S=1表示每相桥臂的2个主开关器件都关断,电机相绕组通过2个二极管续流,电机相电第12期 孙剑波等:开关磁阻电机减振降噪和低转矩脉动控制策略 135压为U s ,如图3所示,直至续流结束,该相绕组就处在非工作状态,此时开关状态S =X 。在DITC 控制策略中,一相的导通(如N 相可以分为

9、4个区间:I 、II 、III 和IV ,如图4所示。S 1 S 2相绕组U s+_图1 开关状态S =1 Fig. 1 Switching state S = 1S 1 S 2相绕组U s+_图2 开关状态S =0 Fig. 2 Switching state S =0S 1 S 2相绕组U s+_图3 开关状态S =1 Fig. 3 Switching state S =1N 1相N 相 N +1相I II IIIIV图4 导通区间的划分(以N 相为例Fig. 4 Region division for DITC在区间I 中,称N 1相为上一相,而称N 相为下一相。上一相尚未关断,下一相就

10、已经开通。总的合成转矩T total 由上一相和下一相共同调节。当下一相可以独立调节T total 时,下一相使用两电平转矩控制策略,如图5所示,而上一相进入自然续流状态,即S =0。当下一相不能独立调节T total 时,上一相将使用三电平转矩控制策略,如图6所示,以帮助下一相调节T total 。具体来讲,当下一相不足以产生要求的转矩时,上一相的开关状态S 由0变为1;当T total 超过了所要求的转矩值时,上一相的开关状态S 由0变为1。在区间II 中, N 1相开始关断。T total 由N 相单独调节。N 1相采用单电平转矩控制策略,如图7所示。N 相采用两电平转矩控制策略,如图5

11、所示。如果T total 小于所要求的转矩,则N 相的开关状态S 由0变为1。如果T total 大于所要求的转矩,则N 相的开关状态S 由1变为0。在区间III 中, N 相成了上一相,N +1相成了下一相。其转矩调节和前面区间I 中的分析一样。在区间IV 中,N 相开始关断。T total 由N +1相独立调节,其转矩调节和前面区间II 中的分析一样。这样,总的合成转矩得到控制,总在所要求转矩值附近的一个滞环带中变化,因而转矩脉动得到减小。T ref T totalSST err1 0 +_图5 两电平转矩控制策略Fig. 5 Torque control scheme of two-le

12、vel voltageT ref T totalSST err1 01 +_图6 三电平转矩控制策略Fig. 6 Torque control scheme of three-level voltageT ref T totalSST err1 X +_图7 单电平转矩控制策略Fig. 7 Torque control scheme of one-level voltage2 减振降噪控制策略2步换相法首先由Wu CY 和Pollock 提出4,它将传统换相的一步电平突变(由+U s 变为U s 分为2步进行,从而达到减小电机定子振动的目的。第1步,相电压由+U s 变为0。在半个定子固有周期

13、(固有频率的倒数后,进行第2步相电压变化,由0变为U s 。2次电平变化所引起的振动因为互差180°相位而相互抵消。文献4的作者提出了3步换相法9。它克服了2步换相法无法在不能提供零电压逆变器上使用的缺点,但是该文献没有给出3步换相法的时间参数优化设计方法。本文将阐述其时间参数的优化设计方法。文献4-9中提出的这些方法在电机运行在单脉136 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷冲状态时可以取得比较理想的减振降噪效果。但是当电机运行在电流斩波状态时,减振效果并不理想。文献6提出了一种改进的2步换相法,用以减小电流斩波状态时换相时刻以后的振动。但是笔者通过实验发现,在电流斩波期间的振

14、动已经比较严重。同样,在转矩斩波期间的振动也非常严重。改进的2步换相法仍然无法解决这些在斩波期间出现的振动。本文利用3步换相法的思想,提出了一种减小斩波期间振动的控制方法。假设t =0时刻,2步或3步换相法的第1步发生。在2步换相法中,第2步发生在t =t 0时刻,t 0=T 0/24。其中,T 0为电机定子固有频率所对应的周期。在3步换相法中,第2步和第3步分别发生在t =t 1和t =t 2时刻。本文将给出时间参数t 1和t 2的设计方法。类似于2步换相法,3步换相法的换相过程分为3步进行:(1t =0时刻进行第1步,相电压由+U s 变为U s 。由第1步所引起的振动可表示为010(e

15、sin (t f t k tU t = (1式中:k 为幅值因子;为阻尼比;00022/f T =为固有角频率;f 0为固有频率;T 0为固有频率对应的周期;U (t 为阶跃函数。1, 0(0, 0t U t t =< (2 (2t =t 1时刻进行第2步,相电压由U s 变为+U s 。由第2步引起的振动可表示为01(2011(esin (t t f t k t t U t t = (3 (3t =t 2时刻进行第3步,相电压由+U s 变为U s 。由第3步引起的振动可表示为02(3022(esin (t t f t k t t U t t = (4当t t 2时,总的合成振动为00

16、1(001(e sin e sin (t t t f t k t k t t =+02(02esin (t t k t t (5从式(5可以看出,3步换相法的减振效果的好坏直接与时间参数t 1和t 2的取值有关。因为振动系统的阻尼比通常都比较小,可以假设=0,则式(5可以简化为00102(sin sin (sin (f t k t k t t k t t =+ (6式(6还可进一步写为1212000(sin 2cos (sin 22t t t tf t k t t +=+(7 如果令1200121sin 22( 22t t t t =+= (8则式(7的值为零。由式(8,可以得到:120120

17、2622t t t t =+=(9 因此0010002=(10 但是,文献9给出的3步换相法时间参数公式为10203/207/20t T t T = (11 为了比较式(10与式(11的减振效果,进行了仿真。仿真的条件为k =1,0 =2×7 000 rad/s 和=0.01。仿真结果如图8所示。图中,虚线表示使用减振方法前的振动加速度波形;点划线表示使用式(11的时间参数3步换相法后的振动加速度波形;实线表示使用式(10的时间参数3步换相法后的振动加速度波形。可以看出,本文提出的3步换相法时间参数优化取值比文献9的取值减振效果好。t /ms a /(m /s 2图 8 减振效果比较

18、(=0.01Fig. 8 Effect of vibration reduction (=0.013 综合控制策略通过恰当地将2步和3步换相法引入DITC 中,可以形成一种既可以减振降噪,又可以减小转矩脉动的新型控制策略。为了减小斩波期间的振动,在每次转矩斩波之后触发一次3步换相法。3步换相法的电平跳跃幅度与之前的转矩斩波电平跳跃幅值相同。因此,每次转矩斩波所引起的振动都被其后紧跟的3步换相法削弱。另外,在换相时刻,根据关断第12期孙剑波等:开关磁阻电机减振降噪和低转矩脉动控制策略 137相的实际电平来决定所采用的减振方法。具体来讲,在换相时刻,当关断相的电压为+U s 时,采用2步换相法减振

19、,第1步,相电压由+U s 变为0,第2步,相电压由0变为U s ;当关断相电压为0时,采用3步换相法减振,第1步,相电压由0变为U s ,第2步,相电压由U s 变为0,第3步,相电压由0变为U s ;当关断相的电压为U s 时,则关断相保持U s 直至电流减为0。控制频率f c 的设计可由图9来表示。首先假设每次控制周期T c (1/f c 中都有一次开关动作。由前面的分析,每一次开关动作都会触发一次3步换相法。前一次转矩斩波所引起的3步换相法的第3步开关动作与后一次的转矩斩波之间的时间间隔t tol 必须大于开关管最高工作频率所对应周期的一半。由图9可得到如下关系:c tol 3T T

20、t =+ (12 式中:T c 为控制周期,T c =1/f c ;T 0为固有频率对应的周期;t tol 为2次开关动作之间的时间间隔。 图 9 控制频率f c 的设计Fig. 9 Design of control frequency f c如果开关管的最高工作频率为25 kHz ,则2次开关动作的最小时间间隔为20 µs 。同时考虑一定的裕度,如20 µs ,可以得到如下关系:tol 202040t += (13因此0c 6c 031140103f f T f =+×× (14 式中:f c 为控制频率,Hz ;f 0为固有频率;f 0=1/T 0

21、。 以实验样机为例,f 0=6 488 Hz ,因此c 03140103f f f =+×× 63648810 9441401036488×+××× (15控制频率f c 可以选择为10 kHz 以满足式(15。4 实验结果以一台三相12/8极SRM 驱动系统为实验平台。所提出的控制策略在TI 公司的TMS320LF2407 DSP 控制板上得以实现。直流母线电压为30 V 。电机运行速度为800 r/min 。图10是传统电流斩波控制方式下的实验结果。从图10(a可以看出,在斩波期间存在着较大的振动,它是由斩波时的开关动作引起的。图

22、10(b显示在传统电流斩波控制方式下,转矩脉动比较严重。图11是文献22提出的DITC 控制方式下的实验结果。从图11(a可以看出,在瞬时转矩控制方式下,电流波形不再是方波。在斩波期间,斩波开关动作会引起一些比较大的振动。文献4-9提出的各种减振方法都是针对换相时刻振动的,不能减小在斩波期间出现的振动。图11(b显示,采用了DITC 后,转矩脉动得到减小。图12是新控制策略下的实验结果。比较图11(a和图12(a,可以看出相电流波形几乎一样,而新控制策略下的振动比DITC 下的振动小。比较图11(b和图12(b,可以发现新控制策 t (1 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s

23、 2/格 i (25 A /格T (0.862 (N m /格ai(a 相电流和振动加速度 (b 瞬时合成转矩图10 传统电流斩波控制Fig. 10 Traditional current chopping controlt (2.5 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s 2/格 i (25 A /格T ( 0.862 (N m /格ai(a 相电流和振动加速度 (b 瞬时合成转矩图 11 直接瞬时转矩控制(DITC Fig. 11 Previous DITCt (2.5 ms/格t (5 ms/格a (5 000 (m /s 2/格 i (25 A /格T (0.862 (

24、N m /格ai(a 相电流和振动加速度 (b 瞬时合成转矩图 12 新控制策略Fig. 12 Novel control strategy138 中国电机工程学报第28卷略下的转矩脉动较DITC方式下的转矩脉动有一点增大。比较图10(b和图12(b,可以看出新控制策略下的转矩脉动还是较传统电流斩波方式下的转矩脉动小很多。因此,新控制策略可以在减小转矩脉动的同时减小振动。5 结论较大的振动噪声和转矩脉动是SRM的主要缺点。先前各种针对改善这两大缺点的方法都彼此孤立。本文通过恰当地将2步、3步换相法引入到直接瞬时转矩控制方法中,提出一种能同时减小转矩脉动和振动的控制策略。采用新的控制策略,不论电

25、机运行在单脉冲状态还是斩波状态,振动都可以在很大程度上被抑止。而且新控制策略在转矩斩波运行方式下减小了转矩脉动。同时本文还给出了3步换相法的时间参数优化设计方法。实验结果验证了新控制策略的有效性。参考文献1 詹琼华.开关磁阻电动机M.第1版.武汉:华中理工大学出版社,1992.2 Materu P N,Krishnan R.Steady-state analysis of the variable-speedswitched-reluctance motor driveJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,1989,36(4:523-529

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