基于新型控制策略的SRD性能優(yōu)化問題

0 引言

開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched ReluctanceDrives，簡稱SRD)以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、轉(zhuǎn)矩慣量比大、效率高和成本較低等優(yōu)點脫穎而出，被認(rèn)為是未來有很強(qiáng)競爭力的一種變速驅(qū)動系統(tǒng)。但是因為電動機(jī)采用的是雙凸極結(jié)構(gòu)，高度飽和，故開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本身是一個時變、非線性系統(tǒng)。磁阻轉(zhuǎn)矩是定子電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)，傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動態(tài)較快的開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)非線性、變參數(shù)要求，因此，與一般電機(jī)相比，開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動比較明顯，由此引起電機(jī)噪聲及轉(zhuǎn)速波動，這限制了它的應(yīng)用[1]。近年來，很多專家學(xué)者在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能優(yōu)化方面下了不少功夫。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要做到最優(yōu)化應(yīng)該在參數(shù)最優(yōu)化、結(jié)構(gòu)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(shè)計，還必須借助先進(jìn)控制策略的手段。從20世紀(jì)80年代SRM 問世至今，在SRM控制方面已涌現(xiàn)出大量先進(jìn)的控制思想，并取得了有益的成果。本文結(jié)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(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能的改善。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由四部分組成：開關(guān)磁阻電機(jī)、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(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是此系統(tǒng)區(qū)別于其他電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率變換器負(fù)責(zé)提供能量，一般是由交流電經(jīng)整流后得到的直流供電。控制器是此系統(tǒng)的核心，處理反饋信號，計算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置，從而輸出相應(yīng)控制信號來控制電機(jī)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(jī)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(zhǔn)線性模型分析得到式(1)所示的平均電磁轉(zhuǎn)矩(Tav)的解析。

當(dāng)給定電動機(jī)，電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一定的。若要改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，只有改變SRM 的控制參數(shù)：定子繞組電壓Us 、開通角茲on與關(guān)斷角茲off。SRM 控制參數(shù)多，控制系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是實現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和功能最優(yōu)化。根據(jù)改變控制參數(shù)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(yīng)用于電機(jī)低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關(guān)器件和電機(jī)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(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，適于電機(jī)較高速區(qū)，但是對于每一個由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運行點，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜，且很難得到滿意的性能;VC是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)PWM 斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個速度范圍內(nèi)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(chǔ)，結(jié)合傳統(tǒng)PI 和PID 控制，例如采用前饋轉(zhuǎn)矩和電流控制、反饋轉(zhuǎn)速控制等。但是基于線性假設(shè)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(yán)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(jié)構(gòu)，為了輸出最大轉(zhuǎn)矩而常運行于飽和狀態(tài)，磁阻轉(zhuǎn)矩是繞組電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)。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(shù)要求。近幾年，為了改善系統(tǒng)的性能，國內(nèi)外發(fā)表了一些基于現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)建立SRD動態(tài)模型和系統(tǒng)設(shè)計的文獻(xiàn)。

3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制

根據(jù)變結(jié)構(gòu)控制理論，在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程以極高的頻率切換，通過對系統(tǒng)實時目標(biāo)誤差及其各階導(dǎo)數(shù)的檢測、運算、判斷，并以理想開關(guān)的方式切換控制量的大小和符號，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變換，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)在預(yù)先設(shè)計的一個特殊超平面的領(lǐng)域內(nèi)向平衡點滑動，達(dá)到并穩(wěn)定在平衡點，如圖2所示。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是對不定性非線性動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種方法。系統(tǒng)中的控制器是由若干個參數(shù)或結(jié)構(gòu)不同的子控制器組成的。該系統(tǒng)在工作過程中，預(yù)先為控制系統(tǒng)在狀態(tài)空間中設(shè)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(jìn)穩(wěn)定于平衡點或平衡點的某個允許的鄰域內(nèi)，即滑動模態(tài)運動。滑模變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的參數(shù)變化和不確定性擾動有較強(qiáng)的魯棒性，并具有降階解耦、響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好和易于實現(xiàn)的優(yōu)點。滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的滑動模態(tài)具有完全的自適應(yīng)性，任一系統(tǒng)都有不確定的參數(shù)，要受到外部環(huán)境的各種干擾等，但通過構(gòu)造滑模變結(jié)構(gòu)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(yīng)，提高SRD的性能。