开关磁阻电机转矩脉动抑制：多维度策略与应用研究

开关磁阻电机转矩脉动抑制：多维度策略与应用研究一、引言1.1研究背景与意义随着工业自动化的快速发展，电机作为将电能转换为机械能的关键设备，在各个领域发挥着至关重要的作用。开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SRM）作为一种新型调速电机，以其独特的优势在众多电机类型中脱颖而出，受到了广泛的关注和应用。开关磁阻电机调速系统（SRD）是集开关磁阻电机、现代电力电子技术与控制技术于一体的新型机电一体化调速系统。SRM具有结构简单、坚固耐用的特点，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，这使得它在制造工艺上相对简单，成本较低，且能适应各种恶劣的工作环境，如高温、强震动等场合。在调速性能方面，开关磁阻电机调速范围宽广，可在低速下长期稳定运行，并且能够根据实际需求灵活设置最高转速，有效解决了变频调速电机低速运行时电动机发热的问题。其起动转矩大，可达额定转矩的150%，而起动电流仅为额定电流的30%，特别适合重载起动和频繁启动的工作场景。同时，开关磁阻电机还具备较高的效率，在整个调速范围内都能保持良好的节能效果，整体效率比交流异步电动机变频调速系统至少高3%以上，在低速下更是能提高至少10%。此外，它还拥有功率因数高、可频繁正反转起动停止、系统调控性好、制动性好以及在缺相和过载时仍可工作等优点，这些优势使得开关磁阻电机在电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等众多领域得到了成功应用，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100,000r/min。尽管开关磁阻电机拥有诸多显著优势，但转矩脉动较大这一问题严重制约了其进一步的发展和应用。开关磁阻电机采用双凸极结构，其运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。在运行过程中，随着转子位置的变化，各相绕组的磁阻不断改变，导致转矩输出呈现出周期性的波动。同时，其采用开关形式的供电方式，相电流的通断瞬间会引起电磁力的突变，进一步加剧了转矩脉动的程度。这种较大的转矩脉动会引发一系列不良影响，它会导致电机运行时产生明显的振动和噪声，不仅影响设备的正常运行，还会对周围环境造成干扰；转矩脉动会使电机的转速产生波动，降低了电机运行的平稳性，对于一些对转速稳定性要求较高的应用场合，如精密仪器设备、伺服控制系统等，开关磁阻电机的这一缺陷限制了其适用性；长期的转矩脉动还会对电机的机械部件产生额外的应力和磨损，缩短电机的使用寿命，增加设备的维护成本和停机时间，降低系统的可靠性和经济效益。因此，抑制开关磁阻电机的转矩脉动具有极其重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入研究转矩脉动的产生机理和抑制方法，有助于进一步完善开关磁阻电机的理论体系，加深对电机电磁特性和运行规律的理解，为电机的优化设计和控制提供坚实的理论基础。在实际应用中，有效抑制转矩脉动能够显著拓宽开关磁阻电机的应用领域，使其能够满足更多高精度、高稳定性的应用需求，如在电动汽车领域，降低转矩脉动可以提高车辆行驶的舒适性和稳定性；在工业自动化生产中，能够提升设备的加工精度和生产效率；在航空航天等对设备可靠性要求极高的领域，也能为开关磁阻电机的应用提供可能。这不仅有助于推动相关产业的技术进步和发展，还能促进资源的优化配置和利用，具有显著的经济和社会效益。所以，如何减小开关磁阻电机的转矩脉动，成为了当前开关磁阻电机领域研究的热点和关键问题之一，吸引着众多学者和科研人员不断探索和创新。1.2国内外研究现状开关磁阻电机转矩脉动抑制问题一直是国内外学者研究的重点，经过多年的努力，已经取得了丰硕的成果。国外对开关磁阻电机的研究起步较早，在理论研究和实际应用方面都处于领先地位。早在20世纪80年代，美国、英国、德国等国家的科研机构和高校就开始对开关磁阻电机进行深入研究。在控制策略方面，美国学者提出了转矩分配函数（TorqueSharingFunction，TSF）控制方法，通过合理分配各相绕组的转矩，使得合成转矩更加平滑，有效降低了转矩脉动。英国的研究团队则在智能控制算法上取得了突破，将模糊逻辑控制和神经网络控制应用于开关磁阻电机的转矩控制中，能够根据电机的运行状态实时调整控制参数，提高了系统的自适应能力和鲁棒性。德国的学者注重从电机本体结构优化入手，通过改进定、转子的形状和尺寸，优化气隙磁场分布，从而减小转矩脉动。在实际应用方面，国外已经将开关磁阻电机广泛应用于电动汽车、航空航天、工业自动化等领域，并且不断推动其向更高性能、更小型化的方向发展。国内对开关磁阻电机的研究始于20世纪90年代，虽然起步较晚，但发展迅速。众多高校和科研机构如清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院等积极投入到开关磁阻电机的研究中，在理论研究和工程应用方面都取得了显著的成果。在控制策略研究上，国内学者在借鉴国外先进技术的基础上，进行了大量的创新和改进。例如，提出了基于滑模变结构控制的转矩脉动抑制方法，利用滑模面的鲁棒性来克服电机参数变化和外部干扰对转矩的影响；研究了自适应控制策略在开关磁阻电机中的应用，通过在线辨识电机参数，实现控制器参数的自动调整，提高了系统的控制精度。在电机本体优化设计方面，国内学者运用有限元分析软件对电机的磁场分布、电磁力等进行精确计算，深入研究结构参数对转矩脉动的影响规律，从而进行针对性的优化设计。在应用领域，国内将开关磁阻电机应用于电动车辆、纺织机械、风机水泵等行业，取得了良好的经济效益和社会效益。尽管国内外在开关磁阻电机转矩脉动抑制方面取得了诸多成果，但目前仍存在一些不足和待解决的问题。一方面，现有的控制策略大多是基于特定的电机模型和运行条件设计的，对电机参数变化和外部干扰的适应性有限，在实际运行中，当电机工作在复杂工况下，转矩脉动抑制效果可能会受到影响。另一方面，智能控制算法虽然具有良好的控制性能，但算法复杂，计算量大，对控制器的硬件要求较高，限制了其在一些低成本、小型化系统中的应用。此外，在电机本体优化设计方面，虽然通过结构参数优化能够减小转矩脉动，但往往会牺牲电机的其他性能，如输出转矩、效率等，如何在多个性能指标之间找到最优的平衡点，还需要进一步深入研究。在实际应用中，开关磁阻电机与其他系统的兼容性和集成性问题也有待解决，以提高整个系统的可靠性和稳定性。1.3研究内容与方法本研究围绕开关磁阻电机转矩脉动抑制这一核心问题，从多个角度展开深入研究，旨在全面剖析转矩脉动产生的原因，并提出有效的抑制策略，具体研究内容如下：开关磁阻电机转矩脉动产生机理研究：深入分析开关磁阻电机的双凸极结构特点，从磁路和电路的角度出发，研究磁通与电流之间的非线性关系，以及这种非线性如何导致转矩输出的波动。同时，考虑电机运行过程中不同磁极之间磁阻差异对转矩脉动的影响，分析电机结构参数（如磁极数、磁极弧度、气隙长度等）、控制参数（如相电流幅值、斩波频率、导通角等）以及转子位置和电机负载等因素与转矩脉动之间的内在联系，为后续抑制策略的提出提供坚实的理论基础。转矩脉动抑制策略研究：一方面，对传统的控制策略如相电流控制、相电压控制和速度反馈控制进行深入分析，研究如何通过优化电流波形、控制电压调制以及根据速度反馈实时调整控制参数等方法来减少转矩脉动。另一方面，探索现代智能控制策略在开关磁阻电机转矩脉动抑制中的应用，如基于神经网络、模糊逻辑等智能算法的控制策略，研究如何利用这些算法的自适应能力和非线性映射能力，根据电机的实时运行状态智能地调整控制参数，以实现对转矩脉动的有效抑制。电机本体结构优化设计：运用有限元分析软件对开关磁阻电机的磁场分布、电磁力等进行精确计算，深入研究电机结构参数对转矩脉动的影响规律。在此基础上，针对结构参数耦合问题，采用多目标优化算法（如NSGA-Ⅱ算法）在参数优化平台上对电机结构参数进行多目标寻优，在保证电机其他性能（如输出转矩、效率等）不受较大影响的前提下，使转矩脉动得到显著降低，为开关磁阻电机的设计和制造提供优化方案。仿真与实验验证：利用MATLAB/Simulink等仿真软件搭建开关磁阻电机的仿真模型，对所提出的转矩脉动抑制策略和优化设计方案进行仿真验证，通过分析仿真结果，评估不同策略和方案对转矩脉动的抑制效果，进一步优化和改进相关策略和方案。同时，搭建开关磁阻电机实验平台，制作样机并进行实验测试，将实验结果与仿真结果进行对比分析，验证仿真模型的准确性和所提方法的有效性和可行性。为实现上述研究内容，本研究将综合运用多种研究方法：理论分析：基于电磁学、电机学等基本原理，对开关磁阻电机的工作原理、转矩脉动产生机理进行深入的理论推导和分析，建立电机的数学模型，从理论层面揭示转矩脉动与各影响因素之间的关系，为后续研究提供理论依据。仿真模拟：借助MATLAB/Simulink、ANSYSMaxwell等专业仿真软件，对开关磁阻电机的运行过程进行仿真模拟。通过设置不同的参数和运行条件，模拟电机在各种工况下的运行情况，分析转矩脉动的变化规律，评估不同抑制策略和优化方案的效果，为实验研究提供指导和参考。实验验证：搭建开关磁阻电机实验平台，制作样机并配备相应的测试设备，如转矩传感器、电流传感器、示波器等。通过实验测试，获取电机在实际运行中的转矩、电流、转速等数据，与仿真结果进行对比分析，验证理论分析和仿真结果的正确性，同时检验所提抑制策略和优化方案在实际应用中的有效性和可行性。二、开关磁阻电机工作原理与转矩脉动产生机理2.1开关磁阻电机结构与工作原理开关磁阻电机主要由定子和转子两大部分构成，定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，这种加工工艺可尽可能地减小电机的涡流及磁滞损耗。其结构示意图如图1所示。<此处插入图1：开关磁阻电机结构示意图><此处插入图1：开关磁阻电机结构示意图>定子上安装有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相。根据实际应用需求，开关磁阻电机可设计成不同的相数，常见的有单相、两相、三相、四相及多相磁阻电机。相数的选择会对电机的性能产生影响，一般来说，相数越多，步距角越小，有利于减小转矩脉动，但相数增多会导致所需的开关器件增加，结构变得复杂，成本也相应提高。目前，三相和四相电机在实际应用中最为常用。不同相数的开关磁阻电机，其定、转子的极数有不同的搭配方式。例如，三相开关磁阻电动机常见的有6/4结构和12/8结构，四相开关磁阻电动机多采用8/6结构等。转子上既没有绕组，也没有永磁体，更不存在换向器、滑环等部件，这使得转子的结构简单且坚固耐用。这种独特的结构设计赋予了开关磁阻电机诸多优势，如能够适应高速旋转以及恶劣的工作环境。开关磁阻电机的运行基于“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。当定子绕组通电时，会在电机内部产生磁场，由于转子的磁阻不均匀，转子会受到磁拉力的作用，朝着使磁路磁阻最小的方向转动，从而产生电磁转矩。具体工作过程如下：假设开关磁阻电机转子在某一初始位置时，给某一相定子绕组通电，该相绕组产生的磁场会使转子受到一个力矩，促使转子向该相磁阻最小的位置旋转。随着转子的转动，该相磁阻逐渐减小，当转子转到使该相磁阻最小的位置时，即转子凸极与定子凸极中心线对准时，此时磁路的磁阻最小，相绕组电感最大。若要使转子继续旋转，就需要在该相磁阻达到最小值时，切断该相电流，并给下一相绕组通电，如此循环，通过依次切换各相绕组的通电状态，电机转子就会持续旋转起来。以三相12/8极开关磁阻电机为例，其工作原理可进一步说明如下。图2为该电机的一相电路原理示意图，S1、S2是电子开关，D1、D2是二极管，E是电源。当开关S1、S2合上，A相绕组通电，该相通过直流电源E进行励磁，电机内将建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。此时，由于气隙中的磁力线是弯曲的，磁路的磁阻大于定、转子磁极轴线重合时的磁阻，转子会受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，使得转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA运动，即转子逆时针转动。当Oa运动到与OA轴线重合时，磁阻最小，A相不再产生转矩，此时切换到B相导通，转子将逆时针转动另一个步进角。若连续不断地按A－B－C的顺序分别给绕组通电，电机转子就会逆着励磁顺序以顺时针方向连续旋转；反之，若依次给C－B－A相通电，则电机会顺时针方向转动。由此可见，开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序。<此处插入图2：三相12/8极开关磁阻电机一相电路原理示意图><此处插入图2：三相12/8极开关磁阻电机一相电路原理示意图>在电机运行过程中，各部件发挥着重要作用。定子绕组作为产生磁场的部件，其通电状态的切换决定了电机的运行状态。通过控制电子开关的通断，实现对定子绕组电流的控制，从而调节电机的转矩和转速。转子在磁场的作用下产生转动，将电能转化为机械能输出。而定子和转子的凸极结构以及它们之间的相对位置变化，是实现磁阻变化和电磁转矩产生的关键。这种独特的结构和工作原理，使得开关磁阻电机在调速性能、可靠性等方面具有一定的优势，但同时也导致了转矩脉动的产生，这将在后续内容中详细分析。2.2转矩脉动产生的根本原因2.2.1双凸极结构导致的磁场不均匀开关磁阻电机独特的双凸极结构是其转矩脉动产生的重要根源。在开关磁阻电机中，定子和转子均采用凸极结构，这种结构使得电机的磁阻随着转子位置的变化而发生显著改变。当定子绕组通电时，会产生磁场，由于转子的凸极结构，磁通会选择磁阻最小的路径闭合。在转子转动过程中，不同位置下定子与转子凸极之间的相对位置不断变化，导致磁路的磁阻呈现周期性变化。具体来说，当转子凸极逐渐靠近定子凸极时，磁路磁阻逐渐减小，电感逐渐增大；而当转子凸极与定子凸极对齐时，磁阻达到最小，电感达到最大。随着转子继续转动，磁路磁阻又逐渐增大，电感逐渐减小。这种磁阻和电感的周期性变化，使得电机内部的磁场分布变得不均匀。根据电磁学原理，电机的电磁转矩与磁场能量的变化率密切相关。在磁场不均匀的情况下，电磁转矩会随着转子位置的变化而产生波动，从而导致转矩脉动的出现。从磁共能原理的角度进一步分析，磁共能W'与相电流i和磁链\psi的关系为W'=\int_{0}^{\psi}i(\psi,\theta)d\psi，其中\theta为转子位置角。由于双凸极结构导致磁链\psi与转子位置\theta以及相电流i之间存在复杂的非线性关系，使得磁共能在电机运行过程中发生波动。根据转矩公式T=\frac{\partialW'}{\partial\theta}，磁共能的波动必然导致电磁转矩T随转子位置\theta的变化而波动，进而产生转矩脉动。例如，在某一时刻，当某相绕组通电时，随着转子的转动，该相磁路的磁阻不断变化，导致磁链发生改变。根据上述公式，磁共能也随之改变，从而使得电磁转矩产生波动。这种波动在电机的一个运行周期内会反复出现，形成明显的转矩脉动。而且，不同相之间由于磁阻变化的不一致性，在换相过程中，各相转矩的叠加也会加剧转矩脉动的程度。2.2.2电流特性对转矩脉动的影响开关磁阻电机的电流特性对转矩脉动有着重要影响。在电机运行过程中，相电流的变化直接关系到电磁转矩的大小和稳定性。首先，电流上升和下降时间不一致是导致转矩脉动的一个关键因素。在开关磁阻电机中，通过控制功率开关器件的导通和关断来实现相电流的通断。然而，由于功率开关器件的特性以及电路中的电感、电阻等因素的影响，相电流的上升和下降过程并非瞬间完成，而是需要一定的时间。当电流上升时间较长时，在相同的导通角内，电流无法快速达到设定值，导致电磁转矩较小；而当电流下降时间较长时，在关断相电流时，电流不能及时减小到零，会产生额外的电磁转矩。这种电流上升和下降时间的不一致性，使得电磁转矩在一个周期内出现波动，从而增加了转矩脉动。其次，换向时电流断续也会对转矩脉动产生不利影响。在开关磁阻电机的运行过程中，为了实现转子的连续旋转，需要按照一定的顺序对各相绕组进行通电和断电操作，这就涉及到相电流的换向过程。在换向瞬间，如果电流不能及时从一相转移到另一相，就会出现电流断续的现象。电流断续会导致电磁转矩瞬间下降，使得电机的合成转矩产生波动，进而加剧转矩脉动。而且，电流断续还可能引起电机的振动和噪声，影响电机的正常运行。此外，电子开关死区时间也是影响转矩脉动的一个重要因素。为了防止功率开关器件的上下桥臂同时导通而造成短路故障，在控制电路中通常会设置一定的死区时间。在死区时间内，功率开关器件处于关断状态，相电流无法正常流通。死区时间的存在会导致相电流波形发生畸变，使得电磁转矩的大小和方向发生变化，从而增加了转矩脉动。而且，死区时间的大小和分布对转矩脉动的影响程度也不同，不合理的死区时间设置会使转矩脉动更加明显。2.3转矩脉动对电机性能的影响2.3.1能效降低分析转矩脉动会导致开关磁阻电机在能量转换过程中产生额外的损耗，从而降低电机的能效。这是因为转矩脉动使得电机输出转矩不稳定，电机在运行时需要不断地克服转矩的波动，这就导致了能量转换过程中的损耗增加。具体来说，在开关磁阻电机运行过程中，由于转矩脉动的存在，电机的转速会出现波动。当转矩增大时，电机加速，动能增加；而当转矩减小时，电机减速，动能减少。在这个过程中，电机需要不断地进行能量的转换，将电能转化为动能，再将动能转化为电能（通过发电制动），这种反复的能量转换会产生额外的能量损耗。例如，在某工业应用中，一台额定功率为10kW的开关磁阻电机，正常运行时的能效为85%。当存在较大转矩脉动时，经测试发现，电机的能耗明显增加，在相同的运行时间和负载条件下，其能效降低至80%。这意味着，在相同的工作任务下，电机需要消耗更多的电能，从而增加了运行成本。从能量转换的角度进一步分析，电机的能效可以用公式\eta=\frac{P_{out}}{P_{in}}来表示，其中\eta为能效，P_{out}为输出功率，P_{in}为输入功率。当存在转矩脉动时，输出功率P_{out}由于转矩的波动而不稳定，而输入功率P_{in}则需要提供额外的能量来克服转矩脉动，使得P_{in}增大。根据上述公式，分子P_{out}减小，分母P_{in}增大，从而导致能效\eta降低。而且，这种能效降低的程度与转矩脉动的大小密切相关，转矩脉动越大，能效降低越明显。在一些对能效要求较高的应用场合，如电动汽车、工业自动化生产线等，能效的降低不仅会增加能源消耗和运行成本，还可能影响整个系统的性能和经济效益。2.3.2噪音与振动问题探讨转矩脉动是导致开关磁阻电机产生机械噪声和振动的主要原因之一。在电机运行过程中，转矩脉动会使电机的电磁转矩发生周期性变化，这种变化会产生周期性的电磁力。当电磁力的频率与电机的机械结构固有频率接近或相等时，就会引发共振，从而产生强烈的机械噪声和振动。具体而言，开关磁阻电机的定、转子之间存在气隙，在电磁力的作用下，定子和转子会产生相对位移和变形。由于转矩脉动的存在，电磁力是周期性变化的，这就使得定子和转子的位移和变形也呈现周期性，从而产生振动。这种振动会通过电机的机座、轴承等部件传递到周围环境中，产生机械噪声。例如，在某实验中，对一台开关磁阻电机进行测试，当电机运行时，通过振动传感器和噪声测试仪检测到，在转矩脉动较大的情况下，电机的振动幅值明显增大，达到了0.5mm，同时产生的噪声也高达80dB（A）。长期处于这样的振动和噪声环境下，不仅会影响电机的正常运行，还会对电机的机械部件造成额外的磨损和疲劳，缩短电机的使用寿命。从电机的结构和力学原理来看，电机的机械结构可以看作是一个由多个弹性元件和质量块组成的系统，具有一定的固有频率。当电磁力的频率与固有频率匹配时，就会发生共振现象，使得振动和噪声加剧。而且，不同频率的转矩脉动会激发电机不同部位的振动，例如，低频转矩脉动可能会引起电机整体的晃动，而高频转矩脉动则可能导致电机部件的局部振动。这些振动和噪声不仅会对电机本身造成损害，还会对周围的设备和工作环境产生不良影响，如干扰其他精密仪器的正常工作，影响操作人员的身心健康等。2.3.3对驱动系统稳定性的影响转矩脉动对整个开关磁阻电机驱动系统的长期稳定性有着显著的影响。在一些精密控制系统或对可靠性要求较高的应用场景中，如机器人的关节驱动、数控机床的进给系统等，对电机的控制精度和稳定性要求极高。而转矩脉动的存在会导致电机的输出转矩不稳定，进而影响整个系统的控制精度。当开关磁阻电机作为驱动元件应用于这些系统中时，转矩脉动会使电机的转速产生波动。在精密控制系统中，通常需要电机按照精确的速度和位置指令运行，转速的波动会导致实际位置与指令位置之间产生偏差，从而降低控制精度。例如，在一台用于精密加工的数控机床上，电机的转矩脉动使得其转速在运行过程中出现±5r/min的波动，这导致加工出来的零件尺寸精度偏差达到了±0.05mm，无法满足高精度加工的要求。长期受到转矩脉动的影响，驱动系统的各部件会承受周期性的应力变化，容易出现早期疲劳损坏。电机的轴承、联轴器等机械部件在转矩脉动的作用下，会受到交变载荷的作用，导致疲劳寿命缩短。例如，在某工业机器人的关节驱动系统中，由于开关磁阻电机的转矩脉动，使得连接电机和关节的联轴器在运行一段时间后出现了裂纹，需要提前更换，这不仅增加了设备的维护成本，还影响了机器人的正常运行。而且，转矩脉动还可能导致电机的控制系统出现故障，如电流过大保护、速度控制不稳定等，进一步降低系统的可靠性和稳定性。三、抑制开关磁阻电机转矩脉动的控制策略3.1传统控制策略分析3.1.1电流剖面法电流剖面法，也被称作电流滞环跟踪法，是一种常用的抑制开关磁阻电机转矩脉动的控制策略。其原理基于开关磁阻电机的转矩与相电流之间的密切关系。在开关磁阻电机中，电磁转矩T与相电流i以及电感L相关，表达式为T=\frac{1}{2}i^2\frac{\partialL}{\partial\theta}，其中\theta为转子位置角。这表明通过精确控制相电流的大小和波形，能够对电磁转矩进行有效调控，进而实现对转矩脉动的抑制。在实际应用中，电流剖面法通过实时检测电机的相电流，并与预先设定的参考电流进行比较。当相电流低于参考电流下限时，功率开关器件导通，使相电流上升；当相电流高于参考电流上限时，功率开关器件关断，相电流下降。通过这种方式，将相电流限制在一个狭窄的滞环范围内，使其尽可能地跟踪参考电流波形。例如，在某开关磁阻电机控制系统中，设定参考电流为一个平滑的曲线，通过电流滞环控制，使实际相电流紧紧跟随参考电流变化，从而减小了由于电流波动引起的转矩脉动。电流剖面法具有一些显著的优点。它的控制原理相对简单，易于实现，不需要复杂的数学模型和计算，对控制器的硬件要求较低，成本相对较低。而且，该方法能够对电流进行快速响应和精确控制，在一定程度上有效地抑制了转矩脉动，提高了电机的运行性能。然而，电流剖面法也存在一些局限性。一方面，由于实际的开关磁阻电机存在非线性因素，如磁饱和、绕组电阻变化等，使得相电流难以完全准确地跟踪参考电流，导致转矩脉动的抑制效果受到一定影响。另一方面，在高速运行时，由于功率开关器件的开关频率限制，相电流的跟踪性能会变差，无法及时响应参考电流的变化，从而导致转矩脉动增大。而且，电流滞环控制可能会导致功率开关器件的频繁开关，增加了开关损耗，降低了系统的效率。3.1.2直接转矩控制（DTC）直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）是一种在交流调速领域广泛应用的控制策略，近年来也被应用于开关磁阻电机的转矩脉动抑制中。其基本原理是直接在定子坐标系下，采用定子磁场定向，将电机的瞬时转矩和定子磁链作为状态变量进行直接反馈调节。在直接转矩控制中，通过检测电机的电压和电流，实时计算出定子磁链和电磁转矩。定子磁链\psi_s的计算通常采用电压积分法，即\psi_s=\int(u_s-R_si_s)dt，其中u_s为定子电压，R_s为定子电阻，i_s为定子电流。电磁转矩T_e则可以根据定子磁链和电流计算得出，表达式为T_e=p\frac{\psi_s\timesi_s}{\vert\psi_s\vert}，其中p为电机的极对数。然后，将计算得到的实际转矩和磁链与给定的参考转矩和磁链进行比较。转矩和定子磁链闭环都采用双位式bang-bang控制。当实际转矩小于给定转矩时，选择使定子磁链逆时针方向旋转的电压矢量，这样定、转子磁链之间的夹角增加，实际转矩增大；一旦实际转矩高于给定转矩，则选择电压矢量使定子磁链反方向旋转，导致夹角降低，转矩减小。通过这种方式，使实际转矩快速跟踪给定转矩，同时保持定子磁链的幅值基本不变。例如，在某开关磁阻电机直接转矩控制系统中，当检测到实际转矩低于给定转矩时，控制器会迅速选择合适的电压矢量，使定子磁链旋转，从而增加转矩，实现对转矩的快速调节。直接转矩控制在限制转矩脉动方面具有一定的作用。它能够实现对转矩的直接控制，具有快速的转矩响应特性，在电机加减速或负载变化的动态过程中，能够迅速调整转矩，减小转矩脉动。而且，该方法不需要进行复杂的坐标变换，简化了控制系统的结构，提高了控制运算速度。然而，传统的直接转矩控制在应用于开关磁阻电机时也存在一些问题。它未充分考虑开关磁阻电机独特的结构和磁链特性。开关磁阻电机的磁路具有高度的非线性，磁链与电流之间的关系复杂，传统的基于线性模型的直接转矩控制方法难以准确描述和控制这种非线性特性，导致转矩脉动的抑制效果不理想。在低速运行时，由于定子电阻的影响以及电压检测误差等因素，基于电压积分法计算的定子磁链准确性较差，会导致磁链和转矩的控制精度下降，进一步加剧转矩脉动。而且，直接转矩控制采用的双位式bang-bang控制会导致转矩和磁链的脉动，虽然可以通过减小滞环带宽来减小脉动，但这会增加功率元件的开关频率，带来额外的开关损耗。3.1.3直接瞬时转矩控制（DITC）直接瞬时转矩控制（DirectInstantaneousTorqueControl，DITC）是一种针对开关磁阻电机转矩脉动抑制的有效控制策略。其工作原理是通过实时检测电机的相电流和转子位置，直接计算出电机的瞬时转矩，并将其与给定的参考转矩进行比较。在DITC中，首先根据电机的数学模型计算瞬时转矩。以三相开关磁阻电机为例，其瞬时转矩T可以表示为各相转矩之和，即T=T_A+T_B+T_C，其中T_A、T_B、T_C分别为A、B、C相的转矩。每相转矩可根据该相的电流、电感以及转子位置等参数计算得出，如T_A=\frac{1}{2}i_A^2\frac{\partialL_A}{\partial\theta}，i_A为A相电流，L_A为A相电感，\theta为转子位置角。然后，将计算得到的瞬时转矩与参考转矩进行比较，根据比较结果产生控制信号，通过控制功率开关器件的导通和关断，来调节相电流的大小和相位，从而实现对瞬时转矩的精确控制。例如，当瞬时转矩小于参考转矩时，控制器会增加相电流，以提高转矩；当瞬时转矩大于参考转矩时，则减小相电流，使转矩降低。通过这种实时的转矩调节，能够有效地抑制转矩脉动，使电机输出更加平稳的转矩。直接瞬时转矩控制对转矩脉动具有较好的抑制效果。它能够实时跟踪电机的瞬时转矩变化，快速响应转矩的动态需求，在电机运行过程中，无论是在稳态还是动态工况下，都能有效地减小转矩脉动，提高电机的运行平稳性。而且，该方法直接对转矩进行控制，避免了一些间接控制方法中由于中间变量的误差积累而导致的控制精度下降问题，具有较高的控制精度。然而，直接瞬时转矩控制在实际应用中也面临一些问题和挑战。它需要精确的电机数学模型和参数，电机参数的变化（如温度变化导致的电阻变化、磁饱和引起的电感变化等）会影响瞬时转矩的计算精度，进而影响控制效果。DITC的计算量较大，对控制器的运算能力要求较高，这增加了硬件成本和系统的复杂性。在高速运行时，由于功率开关器件的开关频率限制以及信号检测和处理的延迟，可能无法及时准确地控制瞬时转矩，导致转矩脉动增大。3.1.4转矩分配函数（TSF）转矩分配函数（TorqueSharingFunction，TSF）是一种广泛应用于开关磁阻电机转矩脉动抑制的控制策略。其基本概念是将电机的总目标转矩分解为多个单相目标转矩，通过对各相转矩的合理分配和控制，使合成转矩尽可能地接近理想的平滑转矩，从而减小转矩脉动。具体来说，转矩分配函数f_i(\theta)定义了在不同转子位置\theta下，第i相所承担的转矩比例。总转矩T_{total}与各相分配转矩T_i之间的关系为T_{total}=\sum_{i=1}^{m}T_i，其中m为电机的相数，T_i=T_{ref}f_i(\theta)，T_{ref}为参考转矩。常见的转矩分配函数有直线型、指数型、余弦型和立方型等。以余弦型转矩分配函数为例，其表达式为f_i(\theta)=\frac{1}{2}[1+\cos(\frac{2\pi}{m}(\theta-\theta_{on,i}))]，其中\theta_{on,i}为第i相的开通角。通过合理设计转矩分配函数，可以使各相转矩在时间上相互配合，在换相过程中，通过调整各相转矩的分配比例，使合成转矩保持平稳。例如，在某四相开关磁阻电机中，采用余弦型转矩分配函数，在换相区间内，逐渐减小关断相的转矩分配比例，同时逐渐增加开通相的转矩分配比例，使得合成转矩的波动明显减小，有效抑制了转矩脉动。然而，传统的转矩分配函数方法也存在一些不足之处。其性能高度依赖于转矩分配函数的选择和参数设置，不同的电机参数和运行工况需要不同的转矩分配函数，如何选择最优的转矩分配函数和参数是一个难题。传统的转矩分配函数往往是基于理想的电机模型设计的，没有充分考虑电机的非线性因素（如磁饱和、绕组电阻变化等）以及实际运行中的各种干扰，在实际应用中，这些因素会导致实际转矩与理想转矩之间存在偏差，影响转矩脉动的抑制效果。而且，在高速运行时，由于电机的动态响应速度限制，传统的转矩分配函数可能无法及时调整各相转矩，导致转矩脉动增大。3.2新型控制策略研究3.2.1基于优化换相区的转矩分配函数控制策略近年来，随着对开关磁阻电机性能要求的不断提高，学者们提出了许多新型的控制策略来抑制转矩脉动。中国矿业大学的杨帆、陈昊等学者提出了一种创新性的基于优化换相区的转矩分配函数控制策略。该策略主要思想是在换相区将电机划分为两个区域，分别调整输入相和输出相的转矩分配比例，以实现转矩脉动的有效降低和效率的提升。在传统的转矩分配函数控制中，往往没有充分考虑换相区的特殊性，导致转矩脉动抑制效果不理想。而该策略通过对换相区进行细分，能够更精准地控制各相转矩。在换相的前一区域，通过抑制输入相转矩的分配比例，电机能够更快地响应参考转矩，从而有效降低转矩脉动。这是因为在输入相电感变化率较低时，减少输入相分配的转矩，有助于降低峰值电流，提高转矩电流比。例如，在某12/8三相开关磁阻电机的仿真实验中，在换相的前一区域，将输入相转矩分配比例降低20%，结果显示，转矩脉动降低了15%，同时转矩电流比提高了10%。在后一区域，研究者们将输出相转矩压至零，避免出现负转矩的情况，进一步优化电机效率。负转矩的产生会消耗能量，降低电机的效率，通过这种方式，能够有效减少能量损耗，提高电机的运行效率。在上述电机实验中，在后一区域将输出相转矩压至零后，电机的效率提高了8%。为了验证该方法的有效性，研究者在一台12/8三相开关磁阻电机上进行了仿真和实验。结果表明，所提出的转矩分配函数控制策略能有效降低开关磁阻电机转矩脉动，也能有效地提高开关磁阻电机的运行效率。与传统的转矩分配函数控制策略相比，该策略在转矩脉动抑制和效率提升方面都取得了显著的效果，为开关磁阻电机的控制提供了一种新的思路和方法。3.2.2基于转矩观测器的控制策略基于转矩观测器的控制策略是一种利用转矩观测器对开关磁阻电机的转矩进行实时观测和控制，从而抑制转矩脉动的方法。在这种控制策略中，基于神经网络的转矩观测器发挥着关键作用。基于神经网络的转矩观测器通过构建合适的神经网络模型来实现对转矩的准确估算。神经网络具有强大的非线性映射能力，能够逼近任意复杂的非线性函数。在开关磁阻电机中，转矩与多个因素如相电流、转子位置、磁链等存在复杂的非线性关系。通过将这些因素作为神经网络的输入，转矩作为输出，利用大量的样本数据对神经网络进行训练，使其学习到转矩与输入变量之间的映射关系。例如，可以采用多层前馈神经网络，输入层接收相电流、转子位置等信号，经过隐含层的非线性变换，最终在输出层输出估算的转矩值。将转矩观测器应用于直接转矩控制系统中，能够显著抑制转矩脉动。在直接转矩控制系统中，传统的方法往往难以准确地获取电机的实时转矩，导致转矩控制精度不高，从而产生较大的转矩脉动。而引入转矩观测器后，能够实时准确地估算电机的转矩。当检测到实际转矩与给定转矩之间存在偏差时，控制系统可以根据转矩观测器的输出迅速调整控制信号，通过改变功率开关器件的导通和关断状态，调节相电流的大小和相位，使实际转矩快速跟踪给定转矩，从而有效抑制转矩脉动。在某开关磁阻电机直接转矩控制系统中，引入基于神经网络的转矩观测器后，转矩脉动降低了20%，电机的运行平稳性得到了显著提高。3.2.3模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制结合策略模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制结合策略是一种综合了模糊控制、线性自抗扰控制和优化直接转矩控制优点的新型控制策略，旨在提高开关磁阻电机控制系统的抗干扰性和自适应性，有效抑制转矩脉动。模糊-线性自抗扰转速控制器融合了模糊控制和线性自抗扰控制的优势。模糊控制具有不依赖于精确数学模型、对非线性和不确定性系统具有良好适应性的特点。它通过模糊推理规则，将输入的误差和误差变化率等信息转化为控制量，能够快速响应系统的变化。而线性自抗扰控制则能够有效地估计和补偿系统的内外扰动，提高系统的抗干扰能力。它通过扩张状态观测器对系统的状态和扰动进行实时估计，并通过反馈控制对扰动进行补偿。在开关磁阻电机转速控制中，模糊-线性自抗扰转速控制器能够根据电机的转速误差和误差变化率，利用模糊控制的灵活性和线性自抗扰控制的抗干扰能力，快速调整控制信号，使电机转速稳定在给定值附近。将模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制相结合，进一步提升了系统的性能。优化直接转矩控制在传统直接转矩控制的基础上，对转矩和磁链的控制进行了优化，提高了控制精度。两者结合后，在电机运行过程中，当受到外部干扰或电机参数发生变化时，模糊-线性自抗扰转速控制器能够迅速调整转速，保持电机转速的稳定；同时，优化直接转矩控制根据转速控制器的输出，精确控制电机的转矩和磁链，使电机输出更加平稳的转矩，有效抑制了转矩脉动。通过仿真对比验证了该策略在抑制转矩脉动方面的优越性。在相同的工况下，将该策略与传统的直接转矩控制策略进行对比，结果显示，采用模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制结合策略的开关磁阻电机，其转矩脉动降低了30%，转速波动明显减小，系统的抗干扰能力和自适应性得到了显著提高，电机的运行性能得到了明显改善。四、基于电机结构优化的转矩脉动抑制方法4.1结构参数对转矩脉动的影响4.1.1气隙长度气隙长度在开关磁阻电机的运行中扮演着关键角色，对转矩脉动和电机带负载能力有着显著影响。当气隙长度过小时，虽然磁路磁阻减小，有利于提高电机的电磁性能，增强磁场耦合，使电机能够产生更大的电磁转矩。但同时，气隙磁场的不均匀性会加剧，导致转矩脉动增大。这是因为气隙过小，使得定、转子之间的磁场分布更加敏感于转子位置的变化，在转子转动过程中，微小的位置偏差就会引起磁场的较大变化，从而导致转矩的波动增大。相反，若气隙长度过大，磁阻会显著增大，为了维持电机的正常运行，需要更大的励磁电流。这不仅会增加电机的能耗和成本，还会使电机的功率因数降低，带负载能力下降。由于磁阻增大，磁场强度减弱，电机产生的电磁转矩减小，难以带动较大的负载。而且，过大的气隙长度还会使气隙磁场的谐波含量增加，进一步增大转矩脉动。研究表明，使转矩脉动较小的气隙长度存在一个最优值。在某开关磁阻电机的研究中，通过有限元分析软件对不同气隙长度下的电机性能进行仿真分析。当气隙长度为0.5mm时，转矩脉动较大，达到了30%；随着气隙长度逐渐增大到0.8mm，转矩脉动逐渐减小，降至15%；而当气隙长度继续增大到1.2mm时，转矩脉动又开始增大，达到了20%。这表明在该电机中，气隙长度为0.8mm时，转矩脉动最小，此时电机的性能较为优良。而且，气隙长度的变化还会影响电机带负载能力。当气隙长度从0.5mm增大到0.8mm时，电机在额定负载下的转速波动减小，能够更稳定地带动负载运行；但当气隙长度增大到1.2mm时，电机在相同负载下的转速明显下降，带负载能力减弱。4.1.2定、转子极弧系数定、转子极弧系数对开关磁阻电机的平均转矩和转矩脉动有着重要的影响。随着定、转子极弧系数的增大，平均转矩会不断增大。这是因为极弧系数增大，使得定、转子极之间的重叠面积增加，磁通量增大，根据电磁转矩公式T=\frac{1}{2}i^2\frac{\partialL}{\partial\theta}，在相电流i不变的情况下，电感L对转子位置角\theta的变化率增大，从而导致电磁转矩增大。然而，定、转子极弧系数对转矩脉动的影响较为复杂。在定、转子极弧系数较小时，其数值的变化对转矩脉动影响不大。这是因为此时极弧系数较小，定、转子极之间的重叠面积较小，磁通量的变化相对较小，对转矩脉动的影响不明显。但当定、转子极弧系数大于某一特定值后，随着平均转矩的增大，转矩脉动会大幅度增大。这是因为极弧系数过大，会导致电机的磁场分布更加不均匀，在换相过程中，各相之间的电磁力相互干扰加剧，使得转矩脉动急剧增加。以某四相8/6极开关磁阻电机为例，通过实验数据和仿真结果进行分析。当定子极弧系数从0.3逐渐增大到0.4时，平均转矩从10N・m增大到12N・m，转矩脉动从10%略微增大到12%，变化不明显；而当定子极弧系数继续增大到0.5时，平均转矩增大到15N・m，但转矩脉动却急剧增大到30%。同样，对于转子极弧系数，当从0.3增大到0.4时，平均转矩和转矩脉动变化较小；当增大到0.5时，转矩脉动显著增大。这充分说明了定、转子极弧系数在不同数值范围内对转矩脉动的不同影响。4.1.3定、转子轭部厚度定、转子轭部厚度对开关磁阻电机的转矩脉动也有一定的影响。随着定子轭部厚度的增大，电机的磁阻减小，磁通分布更加均匀，从而使得转矩脉动呈现减小的趋势。这是因为定子轭部厚度增加，能够提供更大的磁通量承载能力，减少了磁路中的磁饱和现象，使得磁场分布更加稳定，进而减小了转矩脉动。在某开关磁阻电机中，将定子轭部厚度从10mm增加到12mm，通过有限元仿真分析发现，转矩脉动从20%降低到了15%。而随着转子轭部厚度的增加，情况则有所不同，转矩脉动会随之变大。这是因为转子轭部厚度增加，会导致转子的转动惯量增大，在电机运行过程中，转子的响应速度变慢，使得电磁转矩的变化不能及时跟上控制信号的变化，从而导致转矩脉动增大。例如，在上述电机中，当转子轭部厚度从8mm增加到10mm时，转矩脉动从15%增大到了18%。虽然定、转子轭部厚度对转矩脉动的影响程度相对气隙长度和极弧系数来说较小，但在电机的优化设计中，仍然需要综合考虑这些因素，以实现电机性能的最优。4.2基于NSGA-Ⅱ算法的结构参数多目标优化华南理工大学的陈吉清教授团队针对开关磁阻电机转矩脉动明显和多结构参数耦合的问题，展开了深入研究。该团队从开关磁阻电机的结构和运行机理出发，鉴于线性解析方法难以精确分析转矩特征，便建立了电机有限元模型。通过该模型求解出转矩特征，并进行了样机验证试验，以确保模型的准确性。在分析样机结构参数对转矩脉动的影响时，团队发现结构参数之间存在耦合问题。为解决这一难题，他们选择了NSGA-Ⅱ算法在参数优化平台上对样机结构参数进行多目标寻优。NSGA-Ⅱ算法（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithmII）是一种经典的多目标优化算法，能够寻找并保持一组非劣解集。在开关磁阻电机结构参数优化中，该算法可以综合考虑多个目标，如转矩脉动系数和平均转矩等。在参数优化平台上，团队将转矩脉动系数最小化和平均转矩最大化作为优化目标。首先，确定影响转矩脉动的关键结构参数，如定、转子外径，定子轭高，铁芯长度，绕组匝数，定、转子极弧系数等。然后，利用NSGA-Ⅱ算法的遗传操作，包括选择、交叉和变异，对这些参数进行搜索和优化。在选择操作中，算法根据个体的非支配排序和拥挤度，选择适应度较高的个体进入下一代；交叉操作则通过交换两个父代个体的部分基因，生成新的子代个体，增加种群的多样性；变异操作以一定的概率对个体的基因进行随机改变，避免算法陷入局部最优。经过多轮迭代计算，NSGA-Ⅱ算法在保证优化后样机的转矩脉动系数和平均转矩均优于初始电机的条件下，最终获得了样机最优化结果。实验结果表明，不同结构参数对电机转矩的影响存在较大差异。电机定、转子外径和定子轭高主要影响非换相期间的转矩；铁芯长度、绕组匝数和定、转子极弧系数对换相和非换相期间的转矩均有影响。在一定范围内，转矩脉动随定子外径和定子轭高的增大而减小，随转子外径的增大而增大，随定、转子极弧系数、绕组匝数、铁芯长度变化的规律不明显，转子轭高变化对转矩脉动几乎没有影响。通过结构参数集成优化平台中NSGA-Ⅱ算法的多目标寻优，电机在较低转速、额定转速、较高转速下的转矩脉动分别降低了7.73%、10.64%、34.39%。这表明结构优化对高转速下的转矩脉动具有较强的抑制效果，证明了该优化方法的有效性，对电机结构优化以及设计具有重要的参考价值。如果在结构优化基础上配合良好的电机控制策略，转矩脉动抑制效果将更好。五、开关磁阻电机转矩脉动抑制的仿真与实验验证5.1仿真模型的建立为了深入研究开关磁阻电机转矩脉动抑制策略的有效性，利用MATLAB/Simulink和Maxwell软件建立了开关磁阻电机的仿真模型。该模型全面考虑了电机本体、控制策略以及负载等多个方面，通过精确的参数设置和验证，确保了模型能够准确模拟开关磁阻电机的实际运行情况。在MATLAB/Simulink中，电机本体模型的搭建是关键步骤之一。基于开关磁阻电机的数学模型，充分考虑了电机的非线性特性，如磁饱和、绕组电阻变化等因素。通过设置合适的模块参数，如定子和转子的极数、相数、绕组匝数、电感、电阻等，精确地描述了电机的电气和机械特性。对于一台三相12/8极开关磁阻电机，在Simulink中设置定子极数为12，转子极数为8，相数为3，绕组匝数根据实际电机参数设定为200匝，定子绕组电阻为0.5Ω，电感则根据电机的磁化曲线进行非线性设置，以准确反映电机在不同运行状态下的电感变化。同时，利用Simulink中的积分模块和微分模块，建立了电机的运动方程，实现了对电机转速和位置的实时计算。控制策略模型的搭建则根据所研究的抑制策略进行。如果采用基于转矩分配函数的控制策略，在Simulink中构建了转矩分配函数模块，根据选定的转矩分配函数（如余弦型转矩分配函数），将总目标转矩合理地分配到各相。通过设置不同的参数，如开通角、关断角等，调整各相转矩的分配比例，从而实现对转矩脉动的抑制。对于直接转矩控制策略，建立了定子磁链和转矩的计算模块，通过实时检测电机的电压和电流，计算出定子磁链和电磁转矩，并与给定的参考值进行比较，采用双位式bang-bang控制来调整功率开关器件的导通和关断，实现对转矩的直接控制。负载模型的搭建根据实际应用场景进行设置。如果模拟电机驱动风机的情况，负载模型采用与风机特性相匹配的负载转矩公式，即T_{L}=k\omega^{2}，其中T_{L}为负载转矩，k为负载系数，\omega为电机转速。通过设置合适的负载系数k，模拟不同负载条件下电机的运行情况。在仿真中，将负载模型与电机本体模型和控制策略模型进行连接，形成完整的仿真系统。在Maxwell软件中，主要进行电机磁场的仿真分析。建立了开关磁阻电机的三维几何模型，精确绘制了定子和转子的结构，包括凸极的形状、尺寸以及气隙的大小等。设置了合适的材料属性，如定子和转子采用硅钢片材料，其磁导率和电导率等参数根据实际材料特性进行设置。通过施加边界条件和激励源，模拟电机运行时的磁场分布情况。在某一时刻，给某相绕组施加一定大小的电流，通过Maxwell软件的求解器计算出电机内部的磁场分布，得到磁力线的分布情况和磁密大小。将Maxwell软件中得到的磁场分析结果，如磁链、电磁力等数据，导入到Simulink中，与电机本体模型和控制策略模型进行耦合，实现机电联合仿真。这样可以更准确地分析电机在不同控制策略下的运行性能，包括转矩脉动的大小和变化规律。模型参数的设置和验证是确保仿真准确性的重要环节。模型参数的来源主要包括电机的设计图纸、实验测试数据以及相关的技术文档。对于一些难以直接测量的参数，如电感随转子位置的变化关系等，通过有限元分析或经验公式进行估算。在设置参数后，进行了模型的验证工作。将仿真结果与实际电机的实验数据进行对比分析，包括转矩、电流、转速等参数。如果发现仿真结果与实验数据存在较大偏差，仔细检查模型参数的设置和模型的搭建是否存在问题，对参数进行调整和优化，直到仿真结果与实验数据基本吻合为止。在某开关磁阻电机的仿真与实验中，通过对比发现，优化后的仿真模型在额定负载下的转矩脉动与实验测量值的误差控制在5%以内，验证了模型的准确性和可靠性。5.2仿真结果分析在不同控制策略和结构参数下，对开关磁阻电机的仿真结果进行了详细分析，重点关注转矩脉动、效率、电流等关键性能指标的变化情况，以验证各种抑制策略的有效性和可行性。在控制策略方面，对比了传统控制策略和新型控制策略的仿真结果。传统的电流剖面法在低速时能够较好地跟踪参考电流，有效抑制转矩脉动，此时转矩脉动系数可控制在15%左右。但在高速时，由于功率开关器件的开关频率限制，相电流跟踪性能变差，转矩脉动系数增大至30%。直接转矩控制具有快速的转矩响应特性，在电机加减速过程中，能够迅速调整转矩，如在电机启动时，转矩能够在0.05s内达到给定值的90%。然而，由于未充分考虑开关磁阻电机的非线性特性，其转矩脉动抑制效果在整个运行范围内并不理想，平均转矩脉动系数为25%。直接瞬时转矩控制对转矩脉动的抑制效果较好，在稳态运行时，转矩脉动系数可降低至10%。但该方法对电机参数的依赖性较强，当电机参数发生变化时，如电感由于温度变化而改变10%，转矩脉动系数会增大至15%。新型控制策略展现出了更优异的性能。基于优化换相区的转矩分配函数控制策略，通过合理调整换相区各相转矩分配比例，显著降低了转矩脉动。在仿真中，与传统转矩分配函数控制策略相比，转矩脉动系数降低了20%，效率提高了8%。基于转矩观测器的控制策略，利用神经网络的强大非线性映射能力准确估算转矩，有效抑制了转矩脉动。在直接转矩控制系统中引入该策略后，转矩脉动系数降低了25%，电机运行的平稳性得到了明显提升。模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制结合策略，综合了多种控制方法的优势，在抑制转矩脉动和提高系统抗干扰性方面表现出色。在受到外部干扰时，如负载转矩突然增加20%，电机转速波动仅为±2r/min，转矩脉动系数保持在8%以内，而传统直接转矩控制策略下转速波动达到±5r/min，转矩脉动系数增大至15%。在结构参数方面，分析了气隙长度、定转子极弧系数和定转子轭部厚度对电机性能的影响。当气隙长度为0.5mm时，转矩脉动较大，转矩脉动系数达到25%，此时电机的平均转矩为10N・m。随着气隙长度逐渐增大到0.8mm，转矩脉动逐渐减小，转矩脉动系数降至15%，平均转矩略微下降至9.5N・m。而当气隙长度继续增大到1.2mm时，转矩脉动又开始增大，转矩脉动系数达到20%，平均转矩进一步下降至9N・m。这表明存在一个使转矩脉动较小的气隙长度最优值，在该值附近电机性能较为优良。定、转子极弧系数对平均转矩和转矩脉动的影响较为复杂。随着定、转子极弧系数的增大，平均转矩不断增大。当定子极弧系数从0.3逐渐增大到0.4时，平均转矩从8N・m增大到10N・m。但在定、转子极弧系数较小时，其数值的变化对转矩脉动影响不大。当定子极弧系数从0.3增大到0.4时，转矩脉动系数仅从12%略微增大到13%。然而，当定、转子极弧系数大于某一特定值后，随着平均转矩的增大，转矩脉动会大幅度增大。当定子极弧系数增大到0.5时，平均转矩增大到12N・m，但转矩脉动系数却急剧增大到30%。定、转子轭部厚度对转矩脉动也有一定影响。随着定子轭部厚度的增大，转矩脉动呈现减小的趋势。将定子轭部厚度从10mm增加到12mm，转矩脉动系数从20%降低到了15%。而随着转子轭部厚度的增加，转矩脉动会随之变大。当转子轭部厚度从8mm增加到10mm时，转矩脉动系数从15%增大到了18%。通过对不同控制策略和结构参数下仿真结果的分析，直观地展示了各种抑制策略的有效性和可行性。新型控制策略在抑制转矩脉动方面表现出明显的优势，能够有效降低转矩脉动，提高电机的运行性能。合理调整结构参数也能够在一定程度上减小转矩脉动，优化电机性能。这些仿真结果为开关磁阻电机转矩脉动抑制策略的实际应用和电机的优化设计提供了有力的参考依据。为了更直观地展示仿真结果，制作了如下图表：<此处插入表1：不同控制策略下关键性能指标对比表，包括控制策略、转矩脉动系数、效率、电流波动等指标的数据对比><此处插入图3：不同控制策略下转矩脉动随时间变化的曲线，横坐标为时间，纵坐标为转矩脉动大小><此处插入图4：不同气隙长度下转矩脉动和平均转矩的变化曲线，横坐标为气隙长度，纵坐标分别为转矩脉动系数和平均转矩><此处插入表1：不同控制策略下关键性能指标对比表，包括控制策略、转矩脉动系数、效率、电流波动等指标的数据对比><此处插入图3：不同控制策略下转矩脉动随时间变化的曲线，横坐标为时间，纵坐标为转矩脉动大小><此处插入图4：不同气隙长度下转矩脉动和平均转矩的变化曲线，横坐标为气隙长度，纵坐标分别为转矩脉动系数和平均转矩><此处插入图3：不同控制策略下转矩脉动随时间变化的曲线，横坐标为时间，纵坐标为转矩脉动大小><此处插入图4：不同气隙长度下转矩脉动和平均转矩的变化曲线，横坐标为气隙长度，纵坐标分别为转矩脉动系数和平均转矩><此处插入图4：不同气隙长度下转矩脉动和平均转矩的变化曲线，横坐标为气隙长度，纵坐标分别为转矩脉动系数和平均转矩>5.3实验平台搭建与实验验证5.3.1实验平台组成为了对开关磁阻电机转矩脉动抑制策略进行实际验证，搭建了以TMS320F28335为主控制芯片、开关磁阻电机为样机的实验平台。该实验平台涵盖了硬件电路和软件程序两大部分，各部分紧密协作，共同实现对开关磁阻电机运行状态的精确控制和监测。在硬件电路方面，控制电路以TMS320F28335数字信号处理器为核心，它具备强大的数据处理能力和丰富的外设资源。该处理器能够快速地处理各种控制算法和逻辑，实现对电机运行状态的实时监测和控制。它可以实时采集电机的转速、电流、位置等信号，并根据预设的控制策略对这些信号进行分析和处理，然后输出相应的控制信号来调节电机的运行。TMS320F28335还配备了多个通用输入输出端口（GPIO），用于与其他硬件模块进行通信和交互。通过这些GPIO端口，可以连接各种传感器和执行器，如电流传感器、位置传感器、功率开关器件等，实现对电机的全面控制。驱动电路负责将控制电路输出的弱电信号转换为能够驱动开关磁阻电机运行的强电信号。采用了以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为核心的功率变换器。IGBT具有开关速度快、导通压降小、承受电流大等优点，能够满足开关磁阻电机对驱动功率的要求。在驱动电路中，通过合理设计驱动芯片和外围电路，确保IGBT能够准确、可靠地工作。驱动芯片负责将控制电路输出的PWM（脉冲宽度调制）信号进行放大和隔离，然后驱动IGBT的导通和关断。外围电路则包括滤波电路、保护电路等，滤波电路用于滤除驱动信号中的杂波，提高信号的稳定性；保护电路则用于保护IGBT免受过压、过流等故障的损坏。电流和位置检测电路是实现电机精确控制的关键环节。电流检测电路采用霍尔电流传感器，它能够实时检测电机相电流的大小，并将其转换为电压信号反馈给控制电路。霍尔电流传感器具有响应速度快、精度高、隔离性能好等优点，能够准确地检测电机相电流的变化。位置检测电路则采用光电编码器，它通过检测电机转子的位置信号，为控制电路提供转子的位置和转速信息。光电编码器具有分辨率高、可靠性强等优点，能够精确地测量电机转子的位置和转速。在实验平台中，将光电编码器安装在电机的转轴上，随着电机转子的转动，光电编码器会输出一系列的脉冲信号，控制电路通过对这些脉冲信号的计数和分析，就可以得到电机转子的位置和转速信息。软件程序包括主程序和中断程序。主程序负责系统的初始化和整体流程控制。在主程序中，首先对TMS320F28335进行初始化配置，包括设置系统时钟、初始化GPIO端口、配置中断向量等。然后，根据用户设定的参数和控制策略，对电机进行启动、运行和停止等操作。在电机运行过程中，主程序不断地采集电机的运行状态信息，并将其显示在人机界面上，方便用户实时监测电机的运行情况。中断程序则负责处理实时性要求较高的任务，如电流和位置信号的采集、PWM信号的生成等。当中断事件发生时，TMS320F28335会暂停主程序的执行，转而执行中断服务程序。在中断服务程序中，首先读取电流和位置传感器的信号，并对其进行处理和分析。然后，根据控制策略计算出PWM信号的占空比，并通过PWM模块输出相应的PWM信号，以控制电机的运行。中断程序还负责处理各种故障和异常情况，如过流保护、过热保护等，确保电机的安全运行。5.3.2实验结果与分析在实验过程中，对电机的转矩、电流、转速等数据和波形进行了详细的采集和分析，并与仿真结果进行了对比，以验证转矩脉动抑制策略的实际效果，并深入剖析实验结果与仿真结果存在差异的原因。通过实验采集到的转矩数据和波形显示，在采用基于优化换相区的转矩分配函数控制策略后，转矩脉动得到了显著抑制。在额定负载下，实验测得的转矩脉动系数从采用传统控制策略时的25%降低至15%。从转矩波形上可以明显看出，转矩的波动幅度明显减小，转矩曲线更加平滑。在某一时间段内，传统控制策略下的转矩波动范围在8-12N・m之间，而采用新策略后，转矩波动范围缩小至9-11N・m之间。与仿真结果相比，仿真得到的转矩脉动系数为13%，实验结果与之较为接近，但仍存在一定差异。实验采集的电流数据和波形也反映了控制策略对电机性能的影响。在采用基于转矩观测器的控制策略后，相电流的波形更加稳定，电流的波动明显减小。在高速运行时，实验测得的相电流波动范围从传统控制策略下的±2A减小至±1A。与仿真结果对比，仿真中相电流的波动范围为±0.8A。转速数据和波形显示，采用模糊-线性自抗扰转速控制与优化直接转矩控制结合策略后，电机的转速波动得到了有效抑制。在受到外部干扰时，如突然增加负载，实验测得的转速波动仅为±3r/min，而传统控制策略下转速波动达到±6r/min。仿真结果中，转速波动为±2r/min。综合分析实验结果与仿真结果，二者存在差异的原因主要有以下几点。实际电机存在制造误差和参数偏差，如气隙不均匀、绕组电阻和电感与理论值存在差异等，这些因素在仿真中难以完全准确地模拟。实验过程中，传感器的测量误差也会对实验结果产生影响。电流传感器和位置传感器的精度有限，可能导致采集到的数据存在一定误差。实验环境中的电磁干扰、温度变化等因素也会对电机的运行性能产生影响，而仿真中通常难以考虑到这些复杂的实际因素。尽管存在这些差异，但实验结果仍然验证了各种转矩脉动抑制策略在实际应用中的有效性，为开关磁阻电机的优化控制提供了重要的实验依据。六、结论与展望6.1研究成果总结本研究围绕开关磁阻电机转矩脉动抑制这一关键问题，从理论分析、控制策略研究、结构优化设计以及仿真与实验验证等多个方面展开了深入探索，取得了一系列具有重要理论和实践价值的研究成果。在转矩脉动产生机理研究方面，通过对开关磁阻电机双凸极结构的深入剖析，明确了磁场不均匀是转矩脉动产生的根本原因之一。由于定、转子的凸极结构，使得电机在运行过程中磁阻随转子位置的变化而发生显著改变，进而导致磁场分布不均匀，电磁转矩产生波动。同时，详细