基于新型控制策略的SRD性能优化问题

<[p] >0 引言<[p] >开关磁阻电动机调速系统(Switched ReluctanceDrives，简称SRD)以其结构简单、工作可靠、转矩惯量比大、效率高和成本较低等优点脱颖而出，被认为是未来有很强竞争力的一种变速驱动系统。但是因为电动机采用的是双凸极结构，高度饱和，故开关磁阻电动机调速系统本身是一个时变、非线性系统。磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性函数，传统的线性控制方法难以满足动态较快的开关磁阻电机(SRM)非线性、变参数要求，因此，与一般电机相比，开关磁阻电动机转矩脉动比较明显，由此引起电机噪声及转速波动，这限制了它的应用[1]。近年来，很多专家学者在开关磁阻电机调速系统的性能优化方面下了不少功夫。开关磁阻电机调速系统要做到最优化应该在参数最优化、结构最优化、功能最优化等三方面下功夫。SRD性能的改善不能一味地依靠优化SRM与功率变换器设计，还必须借助先进控制策略的手段。从20世纪80年代SRM 问世至今，在SRM控制方面已涌现出大量先进的控制思想，并取得了有益的成果。本文结合SRM 的控制模式，综述比较SRM的各种新型控制方法，分析和介绍了各控制策略的优缺点，展望了SRM控制策略的发展新趋势，并阐述运用新型控制策略对开关磁阻电机调速系统性能的改善。<[p] >1 开关磁阻电机调速系统的组成<[p] >开关磁阻电机调速系统主要是由四部分组成：开关磁阻电机、功率变换器、控制系统及检测系统，如图1所示。SRM是实现机电能量转换的部件，也是此系统区别于其他电动机调速系统的主要标志。功率变换器负责提供能量，一般是由交流电经整流后得到的直流供电。控制器是此系统的核心，处理反馈信号，计算转速，转子位置，从而输出相应控制信号来控制电机以实现需要的功能。检测系统一般包括电流检测和位置检测，为控制系统提供必需的信号。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >来控制电机以实现需要的功能。检测系统一般包括电流检测和位置检测，为控制系统提供必需的信号。<[p] >2 SRM 的控制方法<[p] >由SRM的准线性模型分析得到式(1)所示的平均电磁转矩(Tav)的解析。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >当给定电动机，电机的结构参数是一定的。若要改变电机转矩大小，只有改变SRM 的控制参数：定子绕组电压Us 、开通角兹on与关断角兹off。SRM 控制参数多，控制系统设计的主要问题是实现参数最优化，结构最优化和功能最优化。根据改变控制参数的不同方式，SRM 有三种控制模式，即电流斩波控制(Current Cho[p] [p] ing Control，简称CCC)、角度位置控制(Angular [p] osition Control，简称A[p] C)与电压控制(Voltage Control，简称VC)。其中，CCC一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关器件和电机允许的最大电流而采取的方法;A[p] C 是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转矩大小，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能;VC是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压来控制电机转速，它分直流侧[p] WM 斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。<[p] >3 SRM 的几种新型控制策略<[p] >早期的控制策略主要以线性模型为基础，结合传统[p] I 和[p] ID 控制，例如采用前馈转矩和电流控制、反馈转速控制等。但是基于线性假设的SRM 控制系统难以获得理想的输出特性，鲁棒性差，其动静态性能无法与直流传动相媲美，这严重阻碍了SRD的发展。SRM 是高速非线性系统，具有双凸极集中绕组的几何结构，为了输出最大转矩而常运行于饱和状态，磁阻转矩是绕组电流和转子位置的非线性函数。传统的线性控制方法难以满足动态较快的SRM非线性、变参数要求。近几年，为了改善系统的性能，国内外发表了一些基于现代控制理论和智能控制技术建立SRD动态模型和系统设计的文献。<[p] >3.1 滑模变结构控制<[p] >根据变结构控制理论，在滑模变结构控制中，系统的闭环传递函数的特征方程以极高的频率切换，通过对系统实时目标误差及其各阶导数的检测、运算、判断，并以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，使系统的结构发生变换，从而使系统的状态在预先设计的一个特殊超平面的领域内向平衡点滑动，达到并稳定在平衡点，如图2所示。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >滑模变结构控制是对不定性非线性动力学系统进行控制的一种方法。系统中的控制器是由若干个参数或结构不同的子控制器组成的。该系统在工作过程中，预先为控制系统在状态空间中设计一个特殊的超平面，利用不连续的控制规则，使系统在一定的条件下沿规定的状态轨迹做小幅、高频率的上下运动，迫使系统的状态沿着这个规定的超平面向平衡点滑动，最后渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许的邻域内，即滑动模态运动。滑模变结构控制对系统的参数变化和不确定性扰动有较强的鲁棒性，并具有降阶解耦、响应速度快、动态性能好和易于实现的优点。滑模变结构系统的滑动模态具有完全的自适应性，任一系统都有不确定的参数，要受到外部环境的各种干扰等，但通过构造滑模变结构控制的控制律可使得各种外界扰动对滑动模态不发生影响，实现完全自适应，提高SRD的性能。 [[p] ] <[p] >1993 年,G S Buja 首次将变结构控制应用于SRD[2]，通过将转矩脉动看作干扰，将非线性看作增益偏差，无需电机的先验特性即可克服SRD 中的问题，系统结构如图3所示。与传统控制下的SRD相比，变结构控制SRD 的性能被改善，转矩脉动大大减小，系统对参数变化及干扰不敏感，控制策略容易实现。但是它以SRD工作于SRM磁特性线性区为前提，忽略了磁饱和及相间耦合的影响。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >3.2 模糊智能控制<[p] >智能模糊控制在数学本质上是一种从输入到输出的非线性映射关系，具有很强的自学习、自适应能力，非常适合于SRD控制。文献[3]以转矩脉动最小为目标，采用自适应模糊控制策略。系统如图4所示，控制器以转矩和位置角为输入，以相电流为输出。控制器每隔一个采样周期对当前转子位置和观测转矩进行采样，由期望转矩和观测转矩形成转矩误差，依照学习算法实时改变隶属度函数，不断调整控制器的输出，即调整期望电流。控制器不依赖于电机的任何先验知识，能够适应电机的任何变化，对转子位置反馈误差具有较强的鲁棒性。神经网络具有自学习和任意逼近非线性函数的能力，通常神经网络的训练速度比较慢，不能满足实时控制要求。文献[4]利用基于局部逼近神经网络CMAC替代图4的自适应模糊控制器，对期望的电流波形进行在线学习，实现转矩脉动的最小化。CMAC神经网络具有学习速度快的突出优点，具有较强的实时性，已成功地应用于机器人的控制中。神经网络应用于开关磁阻电动机传动系统刚刚处于起步阶段，一直以来都在寻找更加有效的网络结构和快速训练算法，以尽量满足SRD的实时性要求，提高SRD的性能。同时，神经网络与其他控制策略(如模糊控制、预测控制、非线性控制等)相结合，应用于SRD 系统，更能提高SRD的性能。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >3.3 SRM无位置传感器控制<[p] >SRD是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了SRM 结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。因此，探索使用的SRM无位置传感器检测方案可以较好地提高SRD的动态性能。对于开关磁阻电机驱动系统而言，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性能控制的必要前提。<[p] >目前在实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其它类型的探测式位置检测器来获得位置信息，这不仅会提高系统成本和复杂程度，更重要的是会降低系统结构的坚固性，影响整个系统的可靠运行。早期一般用电动势或电流波形信息来判定转子位置，由于SRM转子是反应式结构，因此波形监视比较复杂。目前，各国学者对这一问题从各种角度作了大量研究，提出了多种间接位置检测方案，归纳起来大致可以分为以下几类。<[p] >1)充分利用空闲相，人为地注入低幅高频的模拟测试信号从而产生需要的电流等信息以得到位置信息，例如电流波形监视法、信号调制编码法和磁通传感技术都属于这一类。<[p] >2)基于SRM 磁链特性，通过实时检测相绕组磁链和电流，进而获得转子位置。一般采用简化磁链法解决内存占用过大的问题。因为，在SRM运行时,并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相位置，因此转子位置检测就可以简化为换相位置检测。采用该方法实现SRM无位置传感器控制，取得了良好的效果。理论上该方法在低速和高速范围内都可以，但在低速时磁链积分时间很长，由于绕组电阻值的变化会影响磁链计算的精度，因此在低速段不宜使用。<[p] >3)基于SRM 模型的方法，但是这种方法只适用于开关磁阻电机的线性工作区域。<[p] >3.4 瞬时直接转矩控制(DITC)<[p] >由瞬时直接转矩控制结构图5可以看出，与传统SRM控制方法相比，最显著的区别就是瞬时直接转矩控制把SRM 转矩作为直接控制变量，控制系统中不再包含电流闭环控制。SRM 产生的瞬时电磁转矩通过电机静态转矩特性获得。参考转矩和SRM估算合成转矩通过转矩滞环控制器比较产生的结果决定功率器件的开关信号。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >瞬时直接转矩控制通过转矩滞环控制器对SRM转矩瞬时误差产生快速响应，避免了传统电流环控制跟踪速度的问题。同时由于瞬时转矩得到直接控制，SRM固有的转矩脉动能够明显减小。通过瞬时直接转矩控制，可以很好地解决SRM 的转矩脉动问题。同传统的优化相电流波形方法相比，瞬时直接转矩只需要很小的内存存储SRM 转矩特性查找表来估算反馈的转矩，而优化相电流波形须针对不同的转矩-速度运行点，需要存储大量的控制参数。而且从控制精度来看，DITC 控制时SRM 输出转矩对系统控制参数，如开通角兹on、关断角兹off 以及电源电压变化都不敏感，提高了系统输出转矩性能。DITC 从根本上解决了SRM 转矩脉动问题，从而会推动SRM在高调速性能领域的推广应用。<[p] >4 结语<[p] >与一般电机传动系统相比，开关磁阻电动机驱动系统是一个复杂的时变、非线性系统。如果采用常规的控制策略，系统的动态性能难以达到较高的指标。这就要求把先进的控制策略运用于SRD 系统中，以提高系统的性能。今后应该多从优化性能的角度出发，研究具有较高动态性能，算法简单的SRD新型控制策略，从而来提高开关磁阻电机的动态性能。