開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）定子上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，直接由硅鋼片疊壓而成，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，制作成本低，使其在電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和較為廣闊的應(yīng)用前景。然而，因?yàn)殡姍C(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)、高度非線性的磁路特性以及分相勵(lì)磁的工作方式，開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩存在較大的脈動(dòng)，限制了其在伺服等高性能要求場(chǎng)合下的應(yīng)用。

為解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多解決方法，主要包括間接轉(zhuǎn)矩控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。間接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)控制磁鏈、電流或者其他電氣量達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的，系統(tǒng)并無(wú)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。但在高速時(shí)，磁鏈或電流難以跟蹤上給定值，并且如何將轉(zhuǎn)矩給定值精確地轉(zhuǎn)換為電流或磁鏈給定值是間接控制的難點(diǎn)。

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control, DTC）方法邏輯簡(jiǎn)單，直接對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行滯環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制性能良好，因而受到廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法最初應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)調(diào)速，若直接套用于開關(guān)磁阻電機(jī)則控制原理上會(huì)有偏差，性能未必達(dá)到最優(yōu)，因而控制算法需要做出適當(dāng)調(diào)整。

文獻(xiàn)[9]在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上提前預(yù)測(cè)開通角以控制電流波形，在高速時(shí)也能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[10]在原有扇區(qū)基礎(chǔ)上加入3個(gè)換相區(qū)間，電壓矢量也調(diào)整為9個(gè)，使得換相時(shí)刻上一相電流迅速下降。

文獻(xiàn)[11]在換相期間維持合成磁鏈?zhǔn)噶糠岛愣ǎ瓜嚯娏鞅M可能全部用于產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)矩電流比。文獻(xiàn)[12]通過(guò)磁鏈查表使得勵(lì)磁相在最佳角度關(guān)斷，避免相電流延伸至負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)導(dǎo)致降低電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率。但實(shí)際中需要依靠大量的仿真得到不同轉(zhuǎn)速下的退磁曲線，以制作查找表，降低了該算法的通用性。

在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，電空間的劃分并不具有明確的實(shí)際物理意義，因而在選擇輔助電壓矢量時(shí)不能正確反映真實(shí)的轉(zhuǎn)子位置，選擇的結(jié)果存在一定的誤差，從而使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果受限。

本文在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)期望提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流比，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的扇區(qū)劃分進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。依據(jù)特殊的轉(zhuǎn)子位置重新劃分電空間，在此基礎(chǔ)上賦予被特定邊界隔開的各扇區(qū)以實(shí)際的工作狀態(tài)，因此各扇區(qū)的寬度以及任務(wù)也不再相同。

開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型目前主要用于確定導(dǎo)通區(qū)間，避免相電流延伸至負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)或需要用模型預(yù)測(cè)控制方法預(yù)測(cè)計(jì)算下一時(shí)刻電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。而現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型大多采用余弦函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等組合來(lái)表示磁鏈，雖考慮到磁路飽和特性，但計(jì)算較為復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用。

本文將考慮磁路飽和的電機(jī)數(shù)學(xué)模型用于文獻(xiàn)[23]經(jīng)過(guò)優(yōu)化的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，建立相繞組關(guān)斷時(shí)的電流與轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系，在線實(shí)時(shí)優(yōu)化特定扇區(qū)寬度，從而進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文方法能夠有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)40%左右。

圖 1 定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置及相電感曲線示意圖

圖2 各相正轉(zhuǎn)矩區(qū)域

圖3 優(yōu)化后的9個(gè)扇區(qū)

結(jié)論

本文在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法的基礎(chǔ)上，采用重組與優(yōu)化電空間的扇區(qū)，通過(guò)在線調(diào)節(jié)各扇區(qū)寬度并選擇合適的電壓矢量，從而在SRM抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)提高了轉(zhuǎn)矩電流比。針對(duì)上述方法，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）將轉(zhuǎn)子位置信息與電空間邊界聯(lián)系起來(lái)，對(duì)每相繞組導(dǎo)通區(qū)域加以限制，避免負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是可行的。

2）通過(guò)采用考慮磁路飽和的電流-角度數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)特定扇區(qū)寬度，能夠有效抑制相電流延伸至負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高轉(zhuǎn)矩電流比的目的。

3）通過(guò)扇區(qū)的重組和優(yōu)化以及不再對(duì)磁鏈進(jìn)行主動(dòng)控制等做法，使得電壓矢量選擇更加符合開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，控制算法具有邏輯簡(jiǎn)單、實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)。