0 引言
開關磁阻電動機調速系統(tǒng)(Switched ReluctanceDrives，簡稱SRD)以其結構簡單、工作可靠、轉矩慣量比大、效率高和成本較低等優(yōu)點脫穎而出，被認為是未來有很強競爭力的一種變速驅動系統(tǒng)。但是因為電動機采用的是雙凸極結構，高度飽和，故開關磁阻電動機調速系統(tǒng)本身是一個時變、非線性系統(tǒng)。磁阻轉矩是定子電流和轉子位置的非線性函數，傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動態(tài)較快的開關磁阻電機(SRM)非線性、變參數要求，因此，與一般電機相比，開關磁阻電動機轉矩脈動比較明顯，由此引起電機噪聲及轉速波動，這限制了它的應用[1]。近年來，很多專家學者在開關磁阻電機調速系統(tǒng)的性能優(yōu)化方面下了不少功夫。開關磁阻電機調速系統(tǒng)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優(yōu)化SRM與功率變換器設計，還必須借助先進控制策略的手段。從20世紀80年代SRM 問世至今，在SRM控制方面已涌現(xiàn)出大量先進的控制思想，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，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關磁阻電機調速系統(tǒng)性能的改善。
1 開關磁阻電機調速系統(tǒng)的組成
開關磁阻電機調速系統(tǒng)主要是由四部分組成：開關磁阻電機、功率變換器、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)，如圖1所示。SRM是實現(xiàn)機電能量轉換的部件，也是此系統(tǒng)區(qū)別于其他電動機調速系統(tǒng)的主要標志。功率變換器負責提供能量，一般是由交流電經整流后得到的直流供電?？刂破魇谴讼到y(tǒng)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控制電機以實現(xiàn)需要的功能。檢測系統(tǒng)一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統(tǒng)提供必需的信號。
來控制電機以實現(xiàn)需要的功能。檢測系統(tǒng)一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統(tǒng)提供必需的信號。
2 SRM 的控制方法
由SRM的準線性模型分析得到式(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 、開通角茲on與關斷角茲off。SRM 控制參數多，控制系統(tǒng)設計的主要問題是實現(xiàn)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，簡稱CCC)、角度位置控制(Angular Position Control，簡稱APC)與電壓控制(Voltage Control，簡稱VC)。其中，CCC一般應用于電機低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關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，通過改變開通角和關斷角調節(jié)電機轉矩大小，適于電機較高速區(qū)，但是對于每一個由轉速與轉矩確定的運行點，開通角與關斷角有多種組合，每一種組合對應不同的性能，具體操作較復雜，且很難得到滿意的性能;VC是在固定的開關角條件下，通過調節(jié)繞組電壓來控制電機轉速，它分直流側PWM 斬波調壓、相開關斬波調壓與無斬波調壓，而無斬波調壓是通過調節(jié)整流電壓以響應電機轉速要求，在整個速度范圍內只有一個運行模式，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性模型為基礎，結合傳統(tǒng)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。但是基于線性假設的SRM 控制系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性，魯棒性差，其動靜態(tài)性能無法與直流傳動相媲美，這嚴重阻礙了SRD的發(fā)展。SRM 是高速非線性系統(tǒng)，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性函數。傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動態(tài)較快的SRM非線性、變參數要求。近幾年，為了改善系統(tǒng)的性能，國內外發(fā)表了一些基于現(xiàn)代控制理論和智能控制技術建立SRD動態(tài)模型和系統(tǒng)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(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數的特征方程以極高的頻率切換，通過對系統(tǒng)實時目標誤差及其各階導數的檢測、運算、判斷，并以理想開關的方式切換控制量的大小和符號，使系統(tǒng)的結構發(fā)生變換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)在預先設計的一個特殊超平面的領域內向平衡點滑動，達到并穩(wěn)定在平衡點，如圖2所示。
滑模變結構控制是對不定性非線性動力學系統(tǒng)進行控制的一種方法。系統(tǒng)中的控制器是由若干個參數或結構不同的子控制器組成的。該系統(tǒng)在工作過程中，預先為控制系統(tǒng)在狀態(tài)空間中設計一個特殊的超平面，利用不連續(xù)的控制規(guī)則，使系統(tǒng)在一定的條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅、高頻率的上下運動，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)沿著這個規(guī)定的超平面向平衡點滑動，最后漸進穩(wěn)定于平衡點或平衡點的某個允許的鄰域內，即滑動模態(tài)運動?；Ｗ兘Y構控制對系統(tǒng)的參數變化和不確定性擾動有較強的魯棒性，并具有降階解耦、響應速度快、動態(tài)性能好和易于實現(xiàn)的優(yōu)點?；Ｗ兘Y構系統(tǒng)的滑動模態(tài)具有完全的自適應性，任一系統(tǒng)都有不確定的參數，要受到外部環(huán)境的各種干擾等，但通過構造滑模變結構控制的控制律可使得各種外界擾動對滑動模態(tài)不發(fā)生影響，實現(xiàn)完全自適應，提高SRD的性能。[!--empirenews.page--]
1993 年,G S Buja 首次將變結構控制應用于SRD[2]，通過將轉矩脈動看作干擾，將非線性看作增益偏差，無需電機的先驗特性即可克服SRD 中的問題，系統(tǒng)結構如圖3所示。與傳統(tǒng)控制下的SRD相比，變結構控制SRD 的性能被改善，轉矩脈動大大減小，系統(tǒng)對參數變化及干擾不敏感，控制策略容易實現(xiàn)。但是它以SRD工作于SRM磁特性線性區(qū)為前提，忽略了磁飽和及相間耦合的影響。
3.2 模糊智能控制
智能模糊控制在數學本質上是一種從輸入到輸出的非線性映射關系，具有很強的自學習、自適應能力，非常適合于SRD控制。文獻[3]以轉矩脈動最小為目標，采用自適應模糊控制策略。系統(tǒng)如圖4所示，控制器以轉矩和位置角為輸入，以相電流為輸出?？刂破髅扛粢粋€采樣周期對當前轉子位置和觀測轉矩進行采樣，由期望轉矩和觀測轉矩形成轉矩誤差，依照學習算法實時改變隸屬度函數，不斷調整控制器的輸出，即調整期望電流?？刂破鞑灰蕾囉陔姍C的任何先驗知識，能夠適應電機的任何變化，對轉子位置反饋誤差具有較強的魯棒性。神經網絡具有自學習和任意逼近非線性函數的能力，通常神經網絡的訓練速度比較慢，不能滿足實時控制要求。文獻[4]利用基于局部逼近神經網絡CMAC替代圖4的自適應模糊控制器，對期望的電流波形進行在線學習，實現(xiàn)轉矩脈動的最小化。CMAC神經網絡具有學習速度快的突出優(yōu)點，具有較強的實時性，已成功地應用于機器人的控制中。神經網絡應用于開關磁阻電動機傳動系統(tǒng)剛剛處于起步階段，一直以來都在尋找更加有效的網絡結構和快速訓練算法，以盡量滿足SRD的實時性要求，提高SRD的性能。同時，神經網絡與其他控制策略(如模糊控制、預測控制、非線性控制等)相結合，應用于SRD 系統(tǒng)，更能提高SRD的性能。
3.3 SRM無位置傳感器控制
SRD是位置閉環(huán)系統(tǒng)，但位置傳感器的存在不僅削弱了SRM 結構簡單的優(yōu)勢，而且降低了系統(tǒng)高速運行的可靠性。因此，探索使用的SRM無位置傳感器檢測方案可以較好地提高SRD的動態(tài)性能。對于開關磁阻電機驅動系統(tǒng)而言，實時而準確的轉子位置信息是其可靠運行和高性能控制的必要前提。
目前在實際應用中，一般都采用軸位置傳感器或者其它類型的探測式位置檢測器來獲得位置信息，這不僅會提高系統(tǒng)成本和復雜程度，更重要的是會降低系統(tǒng)結構的堅固性，影響整個系統(tǒng)的可靠運行。早期一般用電動勢或電流波形信息來判定轉子位置，由于SRM轉子是反應式結構，因此波形監(jiān)視比較復雜。目前，各國學者對這一問題從各種角度作了大量研究，提出了多種間接位置檢測方案，歸納起來大致可以分為以下幾類。
1)充分利用空閑相，人為地注入低幅高頻的模擬測試信號從而產生需要的電流等信息以得到位置信息，例如電流波形監(jiān)視法、信號調制編碼法和磁通傳感技術都屬于這一類。
2)基于SRM 磁鏈特性，通過實時檢測相繞組磁鏈和電流，進而獲得轉子位置。一般采用簡化磁鏈法解決內存占用過大的問題。因為，在SRM運行時,并不需要轉子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達到換相位置，因此轉子位置檢測就可以簡化為換相位置檢測。采用該方法實現(xiàn)SRM無位置傳感器控制，取得了良好的效果。理論上該方法在低速和高速范圍內都可以，但在低速時磁鏈積分時間很長，由于繞組電阻值的變化會影響磁鏈計算的精度，因此在低速段不宜使用。
3)基于SRM 模型的方法，但是這種方法只適用于開關磁阻電機的線性工作區(qū)域。
3.4 瞬時直接轉矩控制(DITC)
由瞬時直接轉矩控制結構圖5可以看出，與傳統(tǒng)SRM控制方法相比，最顯著的區(qū)別就是瞬時直接轉矩控制把SRM 轉矩作為直接控制變量，控制系統(tǒng)中不再包含電流閉環(huán)控制。SRM 產生的瞬時電磁轉矩通過電機靜態(tài)轉矩特性獲得。參考轉矩和SRM估算合成轉矩通過轉矩滯環(huán)控制器比較產生的結果決定功率器件的開關信號。
瞬時直接轉矩控制通過轉矩滯環(huán)控制器對SRM轉矩瞬時誤差產生快速響應，避免了傳統(tǒng)電流環(huán)控制跟蹤速度的問題。同時由于瞬時轉矩得到直接控制，SRM固有的轉矩脈動能夠明顯減小。通過瞬時直接轉矩控制，可以很好地解決SRM 的轉矩脈動問題。同傳統(tǒng)的優(yōu)化相電流波形方法相比，瞬時直接轉矩只需要很小的內存存儲SRM 轉矩特性查找表來估算反饋的轉矩，而優(yōu)化相電流波形須針對不同的轉矩-速度運行點，需要存儲大量的控制參數。而且從控制精度來看，DITC 控制時SRM 輸出轉矩對系統(tǒng)控制參數，如開通角茲on、關斷角茲off 以及電源電壓變化都不敏感，提高了系統(tǒng)輸出轉矩性能。DITC 從根本上解決了SRM 轉矩脈動問題，從而會推動SRM在高調速性能領域的推廣應用。
4 結語
與一般電機傳動系統(tǒng)相比，開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)是一個復雜的時變、非線性系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的控制策略，系統(tǒng)的動態(tài)性能難以達到較高的指標。這就要求把先進的控制策略運用于SRD 系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的性能。今后應該多從優(yōu)化性能的角度出發(fā)，研究具有較高動態(tài)性能，算法簡單的SRD新型控制策略，從而來提高開關磁阻電機的動態(tài)性能。
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