开关磁阻电机转矩脉动抑制技术

《开关磁阻电机转矩脉动抑制技术》总结出来的，关于开关磁阻电机调速系统的模糊语言规则可以描述如下：（1）当电机实时转速大于速度给定值时，模糊控制器的输出，即期望转矩值要减小。

转速偏差越小，期望转矩减小的幅度越大。

（2）当电机实时转速等于速度给定值时，期望转矩值保持不变。

（3）当电机实时转速小于速度给定值时，期望转矩要增加。

转速偏差越大，期望转矩增加幅度要越大。

结合以上模糊语言规则和E、EU、U的隶属函数，可以列出模糊控制规则表，如表1所示。

3 控制系统建模仿真根据式（1）和有限元计算的磁链和转矩Te与电流i和位置角θ对应关系的数据表，可以搭建出电机本体模型，如图9所示。

图9中两个Lookup模块是采用查表法，将计算的磁链和转矩数据导入模块中来查表操作。

图9为电机A相的模型，由于开关磁阻电机具有对称性，所以三相建模可以用A相来代表，唯一不同是Embedded MATLAB Function模塊，将输入电机原始转子位置转换成归算后的角度，再进行查表法运行操作。

基于图9，根据式（4）可建立电机本体模型，如图10所示。

其中theta change模块将电机角度周期设定为45度。

基于电机本体模型，建立如图11所示的模糊PI的直接转矩控制系统。

系统主要包括12/8极的电机本体、功率变换器、磁链估算与转换模块、磁链扇区判定模块、开关表模块和PI控制模块。

其中12/8极电机本体是图10所生成的库。

该模型的参数分别为：额定功率P=3kW，额定电压V=514，绕组电阻Rs=2.47Ω，转动惯量J=0.05kg·m2，阻尼系数F=0.02n·m/rad/s。

图12-15分别是在给定转速为100r/min、200r/min、1000r/min和2000r/min下的电机转速波形，图中波动较大的曲线为文献[10]所使用的直接转矩控制下的转速波形，波动较小的曲线为模糊PI直接转矩控制系统下转速波形。

由图可知，模糊PI直接转矩控制策略对电机转速的控制效果更好。

图16和图17分别为直接转矩控制下的1000r/min 和2000r/min开关磁阻电机三相相合成的转矩波形。

图18和图19分别为模糊PI直接转矩控制下的1000r/min 和2000r/min 开关磁阻电机三相合成的转矩波形。

在此引入反应转矩脉动抑制效果优劣的转矩脉动系数Kt，可以更加直观地对比两种方法对转矩脉动的抑制效果。

定义Kt= （Tmax-Tmin）/Tav （Tmax为最大瞬时转矩，Tmin为最小瞬时转矩，Tav为平均转矩）。

Kt的值反应抑制转矩脉动的效果，Kt的值越小，表示转矩脉动抑制效果越好。

通过计算得出，直接转矩控制下，当w=1000r/min时，Kt=0.191;当w=2000r/min时，Kt=0.2768。

在模糊PI直接转矩控制下，当 w=1000r/min时，Kt=0.152;当 w=2000r/min时，Kt=0.118。

由以上数据可知，模糊PI直接转矩控制可以更有效地抑制转矩脉动。

在无负载转矩时运行时，运行到0.15s时，两种系统都加入12N·m的负载转矩，观察系统的动态特性，如图20所示。

通过对两种控制策略下的转速波形、转矩波形和负载突变时的转矩波形的对比，可以清晰的看出，基于模糊PI的直接转矩控制策略的动静态特性和抑制转矩脉动效果更好。

4 实验结果分析为了验证所提策略的有效性和可行性，本文分别对开关磁阻电机工作在额定状态3kW以及轻载状态0.5kW时进行了相同的实验。

如图21和图22所示，将电机转速从1000r/min突然加到1500r/min时，模糊PI直接转矩控制策略不仅有效地抑制电机转矩脉动，而且具有很好的动态响应。

5 结论本文采用基于模糊PI的开关磁阻电机直接转矩控制策略，并分别介绍了直接转矩与模糊PI的原理。

设计了直接转矩控制模块和速度控制器模块，建立了相应的仿真模型。

通过对模糊PI 直接转矩控制与常规PI直接转矩控制生出的波形进行对比，可以看出模糊PI直接转矩控制策略能够更有效地提高响应速度，减小转速超调，抑制转矩脉动。

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