基于新型控制策略的SRD性能優(yōu)化問(wèn)題

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統(Switched ReluctanceDrives，簡(jiǎn)稱(chēng)SRD)以其結構簡(jiǎn)單、工作可靠、轉矩慣量比大、效率高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，被認為是未來(lái)有很強競爭力的一種變速驅動(dòng)系統。但是因為電動(dòng)機采用的是雙凸極結構，高度飽和，故開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統本身是一個(gè)時(shí)變、非線(xiàn)性系統。磁阻轉矩是定子電流和轉子位置的非線(xiàn)性函數，傳統的線(xiàn)性控制方法難以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)較快的開(kāi)關(guān)磁阻電機(SRM)非線(xiàn)性、變參數要求，因此，與一般電機相比，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機轉矩脈動(dòng)比較明顯，由此引起電機噪聲及轉速波動(dòng)，這限制了它的應用[1]。近年來(lái)，很多專(zhuān)家學(xué)者在開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的性能優(yōu)化方面下了不少功夫。開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統要做到最優(yōu)化應該在參數最優(yōu)化、結構最優(yōu)化、功能最優(yōu)化等三方面下功夫。SRD性能的改善不能一味地依靠?jì)?yōu)化SRM與功率變換器設計，還必須借助先進(jìn)控制策略的手段。從20世紀80年代SRM 問(wèn)世至今，在SRM控制方面已涌現出大量先進(jìn)的控制思想，并取得了有益的成果。本文結合SRM 的控制模式，綜述比較SRM的各種新型控制方法，分析和介紹了各控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了SRM控制策略的發(fā)展新趨勢，并闡述運用新型控制策略對開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統性能的改善。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的組成

開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統主要是由四部分組成：開(kāi)關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制系統及檢測系統，如圖1所示。SRM是實(shí)現機電能量轉換的部件，也是此系統區別于其他電動(dòng)機調速系統的主要標志。功率變換器負責提供能量，一般是由交流電經(jīng)整流后得到的直流供電?？刂破魇谴讼到y的核心，處理反饋信號，計算轉速，轉子位置，從而輸出相應控制信號來(lái)控制電機以實(shí)現需要的功能。檢測系統一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統提供必需的信號。

來(lái)控制電機以實(shí)現需要的功能。檢測系統一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統提供必需的信號。

2 SRM 的控制方法

由SRM的準線(xiàn)性模型分析得到式(1)所示的平均電磁轉矩(Tav)的解析。

當給定電動(dòng)機，電機的結構參數是一定的。若要改變電機轉矩大小，只有改變SRM 的控制參數：定子繞組電壓Us 、開(kāi)通角茲on與關(guān)斷角茲off。SRM 控制參數多，控制系統設計的主要問(wèn)題是實(shí)現參數最優(yōu)化，結構最優(yōu)化和功能最優(yōu)化。根據改變控制參數的不同方式，SRM 有三種控制模式，即電流斬波控制(Current Chopping Control，簡(jiǎn)稱(chēng)CCC)、角度位置控制(Angular Position Control，簡(jiǎn)稱(chēng)APC)與電壓控制(Voltage Control，簡(jiǎn)稱(chēng)VC)。其中，CCC一般應用于電機低速區，是為限制電流超過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件和電機允許的最大電流而采取的方法;APC 是電壓保持不變，通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角調節電機轉矩大小，適于電機較高速區，但是對于每一個(gè)由轉速與轉矩確定的運行點(diǎn)，開(kāi)通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對應不同的性能，具體操作較復雜，且很難得到滿(mǎn)意的性能;VC是在固定的開(kāi)關(guān)角條件下，通過(guò)調節繞組電壓來(lái)控制電機轉速，它分直流側PWM 斬波調壓、相開(kāi)關(guān)斬波調壓與無(wú)斬波調壓，而無(wú)斬波調壓是通過(guò)調節整流電壓以響應電機轉速要求，在整個(gè)速度范圍內只有一個(gè)運行模式，即單脈沖方式。

3 SRM 的幾種新型控制策略

早期的控制策略主要以線(xiàn)性模型為基礎，結合傳統PI 和PID 控制，例如采用前饋轉矩和電流控制、反饋轉速控制等。但是基于線(xiàn)性假設的SRM 控制系統難以獲得理想的輸出特性，魯棒性差，其動(dòng)靜態(tài)性能無(wú)法與直流傳動(dòng)相媲美，這嚴重阻礙了SRD的發(fā)展。SRM 是高速非線(xiàn)性系統，具有雙凸極集中繞組的幾何結構，為了輸出最大轉矩而常運行于飽和狀態(tài)，磁阻轉矩是繞組電流和轉子位置的非線(xiàn)性函數。傳統的線(xiàn)性控制方法難以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)較快的SRM非線(xiàn)性、變參數要求。近幾年，為了改善系統的性能，國內外發(fā)表了一些基于現代控制理論和智能控制技術(shù)建立SRD動(dòng)態(tài)模型和系統設計的文獻。

3.1 滑模變結構控制

根據變結構控制理論，在滑模變結構控制中，系統的閉環(huán)傳遞函數的特征方程以極高的頻率切換，通過(guò)對系統實(shí)時(shí)目標誤差及其各階導數的檢測、運算、判斷，并以理想開(kāi)關(guān)的方式切換控制量的大小和符號，使系統的結構發(fā)生變換，從而使系統的狀態(tài)在預先設計的一個(gè)特殊超平面的領(lǐng)域內向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，達到并穩定在平衡點(diǎn)，如圖2所示。

滑模變結構控制是對不定性非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統進(jìn)行控制的一種方法。系統中的控制器是由若干個(gè)參數或結構不同的子控制器組成的。該系統在工作過(guò)程中，預先為控制系統在狀態(tài)空間中設計一個(gè)特殊的超平面，利用不連續的控制規則，使系統在一定的條件下沿規定的狀態(tài)軌跡做小幅、高頻率的上下運動(dòng)，迫使系統的狀態(tài)沿著(zhù)這個(gè)規定的超平面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，最后漸進(jìn)穩定于平衡點(diǎn)或平衡點(diǎn)的某個(gè)允許的鄰域內，即滑動(dòng)模態(tài)運動(dòng)?；Ｗ兘Y構控制對系統的參數變化和不確定性擾動(dòng)有較強的魯棒性，并具有降階解耦、響應速度快、動(dòng)態(tài)性能好和易于實(shí)現的優(yōu)點(diǎn)?；Ｗ兘Y構系統的滑動(dòng)模態(tài)具有完全的自適應性，任一系統都有不確定的參數，要受到外部環(huán)境的各種干擾等，但通過(guò)構造滑模變結構控制的控制律可使得各種外界擾動(dòng)對滑動(dòng)模態(tài)不發(fā)生影響，實(shí)現完全自適應，提高SRD的性能。