开关磁阻电机的角度优化

1、开关磁阻电机的角度优化：When the switched reluctance motor runs at low speed， it adopts chopped current control to limit the starting current amplitude. Whenit 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 opt

2、imizing 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

3、 improve the dynamic behavior of the motor obviously and enhance the efficiency of the motor indirectly.0 引言开关磁阻电机（Switched Reluctanee 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

4、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，

5、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

6、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

7、，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

8、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

9、模糊化之前，通过仿真分析 得，当电机的速度n变化范围为06000r/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 7588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

10、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贝V?兹off为BIG4;如果n为SM3则？兹off为BIG3; 如果n为SM2贝V?兹off为BIG2;如果n为SM1贝V?兹off 为BIG1;如果n为M贝时兹off为M 如果n为BIG1 ,贝V?兹 off为SM1如果n为BIG2,贝V?兹off为SM2如果n为BIG3, 则？兹off为SM3如果n为BIG4,贝V?兹off为SM43 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

11、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