有效抑制开关磁阻电动机转矩脉动的控制方式

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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

福州大学电气工程与自动化学院的研究人员阮俊峰、杨明发、周海鸿，在2019年第4期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“基于瞬时转矩控制的开关磁阻电动机转矩脉动抑制研究”）指出，转矩脉动是开关磁阻电动机的主要缺点之一，直接瞬时转矩控制（DITC）能够有效抑制开关磁阻电动机（SRM）的转矩脉动。但电动机特殊的双凸极结构，使得电动机内部磁路十分复杂，给电磁转矩的计算带来了很大困难。

为得到电动机在实际运行时转矩的精确反馈，本文通过ANSYS软件对现有样机Maxwell3D建模，收集在不同机械角度位置和单相电流时的转矩值，建立转矩模型。根据电动机的特性和实际经验，合理设置导通角，并基于电动机单相、双相交替导通的通电方式，设计了两种状态下的转矩控制器。通过仿真，证明了能够有效地将转矩脉动控制在一定误差之内，达到转矩脉动的抑制效果。

开关磁阻电动机具有结构简单、起动电流小以及起动转矩大等诸多优点，但电动机特殊的双凸极结构，使得磁路强非线性。而在开关磁阻电动机运行时，电磁转矩是由各相绕组转矩叠加而成，所以在换相过程中，关断相上的不可控续流会造成电动机瞬时转矩脉动，这是其主要缺点之一。

抑制转矩脉动的方法大致可分为两类：优化电动机机体结构和改进控制方法。文献[1]讨论了电动机轭部厚度、转子极距以及定转子间气隙大小对转矩脉动的影响。相较前者而言，改进控制方案对抑制转矩脉动显得更有效、更经济。

文献[2]介绍了电流斩波（current chopping control, CCC），脉宽调制（pulse width modulation, PWM）以及角度位置控制（angel position control, APC）三种成熟的控制策略，但就转矩脉动的抑制效果而言，还需进一步改进。文献[3]提出基于Sigmoid函数的电流斩波方式减小转矩脉动。文献[4]提出在电动机换相时采用指数型转矩分配函数来抑制转矩脉动。

文献[5]采用基于径向基函数神经网络（radial basis function, RBF）的开关磁阻电动机（switched reluctance motor, SRM）瞬时转矩控制方法，对跟踪电流进行最佳控制的学习。文献[6]提出在合理调节开通角和关断角的基础上，采用余弦型转矩分配函数对转矩脉动进行抑制。

文献[7]采用改进型直接转矩控制策略，结果也证明了该方案可有效缓解转矩失控和降低运行噪声。文献[8]提出以各相电流为优化变量，减小跟踪转矩误差的转矩分配方案，但算法复杂实际操作性不强。文献[9]提出在余弦型不对称转矩分配（torque sharing function, TSF）控制下，实现不同转速下最优参考电流波形，但其转矩补偿策略并没有得到验证。

文献[10]采用传统的转矩分配方案，实验结果也达到了良好效果。直接瞬时转矩控制（direct instantaneous torque control, DITC）直接以瞬时转矩作为控制量，通过合理设计转矩控制器，能够有效抑制转矩脉动。

在采用DITC的方式抑制转矩脉动，核心在于电动机运行时能够得到高精确的瞬时转矩反馈值，本文采用Maxwell 3D建模方案，根据电动机的实际尺寸和规格对电动机进行数学建模，测算出多组在不同转子位置下电动机静态电磁转矩数据。在此基础上，合理设计转矩控制器，有效实现转矩脉动抑制效果。

图1  电动机模型

图7  系统结构框图

结论

本文通过ANSYS软件对电动机三维建模仿真出转矩模型，并通过比较实验测量数据验证了模型的准确性，为基于DITC控制方式的仿真奠定了基础。根据电动机的特性与实际经验合理设置了开通关断角，并以瞬时输出转矩作为直接控制量，设计优化了转矩控制器，在Matlab仿真验证下，证明了本文所提出的控制方式能够有效抑制转矩脉动，同时也证明了转矩脉动有效抑制可以有效改善电动机的调速性能。