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作者：鄭曉敏

  開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展從20世紀(jì)80年代起步，由于其研究歷史尚短，又涉及到電力電子、電機(jī)學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[1] ，且開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有復(fù)雜的非線性特性，對(duì)其深入研究仍具有很大困難。從目前的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平來(lái)看，無(wú)論在理論上還是在應(yīng)用上都存在不少問(wèn)題，有待于進(jìn)一步的研究與完善。

  直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)很好地應(yīng)用于異步電機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，體現(xiàn)了簡(jiǎn)單實(shí)用，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。本文基于Simulink對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究。

1  開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

1.1  開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)矩特性

電機(jī)一相基本電壓方程為：

為轉(zhuǎn)子位置角。

  相繞組是單級(jí)性驅(qū)動(dòng)的，所以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)每相電流都是正向電流，轉(zhuǎn)矩的正負(fù)主要取決于磁鏈偏導(dǎo)的符號(hào)[3]。由式(3)可以看出，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，當(dāng)定子磁鏈超前于口時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大；定子磁鏈滯后于汐時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小。

1.2  直接轉(zhuǎn)矩控制原理

  直接轉(zhuǎn)矩的控制思想是將轉(zhuǎn)矩作為直接控制的對(duì)象，通過(guò)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩的比較，輸出調(diào)整的電壓信號(hào)，把轉(zhuǎn)矩限定在一個(gè)滯環(huán)寬度內(nèi)，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的[4]。

  開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制通常采用軟開(kāi)關(guān)的功率變換模式，根據(jù)開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài)，在此模式下開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的任意一相的功率變換電路都具備3種狀態(tài)[5]，如圖1所示。

  對(duì)于四相的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，每相繞組電壓矢量有3種狀態(tài)可以選擇，那么總共就有34即81種狀態(tài)，而實(shí)際的電壓矢量只需8個(gè)即可。同時(shí)，在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電壓矢量的選擇也有一定的約束條件。

  具體的矢量分布圖如圖2所示，一共8個(gè)電壓矢量，位于各個(gè)扇區(qū)的中心。

  圖3為磁鏈?zhǔn)噶课挥趉區(qū)的情況。由圖3可知，當(dāng)定子磁鏈在區(qū)域k中，U k+1能夠使磁鏈幅值增加并且使轉(zhuǎn)矩增大，U k-1能夠使磁鏈幅值增加并且使轉(zhuǎn)矩減小。通過(guò)U k+2使轉(zhuǎn)矩增加而不改變磁鏈幅值[6]。

  綜上所述，通過(guò)合理選擇加在電機(jī)定子繞組上的電壓空間矢量就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，將所有扇區(qū)中轉(zhuǎn)矩磁鏈和電壓矢量的關(guān)系列出來(lái)，就得到了直接轉(zhuǎn)矩控制的矢量表，如表1所示。

2模型搭建

  直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4所示，包括變流器模塊、磁鏈計(jì)算模塊、開(kāi)關(guān)表模塊、滯環(huán)模型、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。圖4中，T*和Ψ*分別為轉(zhuǎn)矩和磁鏈的參考值，由轉(zhuǎn)速反饋經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出。

  功率變換器是利用Simulink模塊中提供的基本開(kāi)關(guān)模塊搭建封裝，本系統(tǒng)采用不對(duì)稱(chēng)半橋回路。磁鏈計(jì)算模塊將四相磁鏈進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換到靜止坐標(biāo)系α-β上，并計(jì)算出磁鏈的幅值和相角。滯環(huán)模塊根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈反饋量與參考量的差值，判斷出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化需求。開(kāi)關(guān)表根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化的需要，結(jié)合磁鏈所在的扇區(qū)，計(jì)算出響應(yīng)的電壓矢量。

3  仿真結(jié)果與分析

  為驗(yàn)證本文所研究?jī)?nèi)容，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，四相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=0. 01 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0. 004 kg．m3，摩擦因數(shù)f=0. 01，最大磁鏈0.36 W b。

  (1)在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)中，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)=0Nm，即空載運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速為n=1 500 r／min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。穩(wěn)定之后的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖如圖6所示。兩種控制方式的磁鏈響應(yīng)圖如圖7所示。

  如圖5～圖7所示：直接轉(zhuǎn)矩控制下的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速到達(dá)額定值的時(shí)間為0. 02 s，啟動(dòng)時(shí)間短；啟動(dòng)之后轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速；與電流斬波控制相比，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)有明顯的減�。幌啾扔陔娏鲾夭�控制下的輸出磁鏈，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出磁鏈軌跡為一個(gè)圓形，磁鏈的幅值被限定在滯環(huán)寬度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈幅值基本恒定。

  (2)其他參數(shù)不變的情況下，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2s時(shí)階躍為20 Nm，在0.4 s時(shí)恢復(fù)為零。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

  由圖8可以看出，在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)速并未出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，將突變的部位放大可以看出，響應(yīng)時(shí)間約為0. 03 s，說(shuō)明系統(tǒng)在負(fù)載突變的情況下，能夠快速響應(yīng)，滿足系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和快速性的要求。

4  結(jié)論

直接轉(zhuǎn)矩控制思想是通過(guò)選擇合適的電壓矢量將磁鏈和轉(zhuǎn)矩限制在一個(gè)合適的滯環(huán)內(nèi)，相比傳統(tǒng)的電流斬波控制和角度位置控制，它具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了模型對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了其有效性和正確性。

5摘要：由于具有特殊的工作原理，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在常規(guī)的控制方式下會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，限制了其應(yīng)用范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了8/6級(jí)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)仿真模型。結(jié)果表明：應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，擁有良好的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。