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開關磁阻電動機的模糊開關角控制

文檔作者：許振偉文檔來源：浙江工商大學信息與電子工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年06月11日
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第22卷第5期
2010年10月
電力系統及其自動化學報
Proceedings of the CSU—EPSA
Vo1．22 No．5
Oct． 2O1O
開關磁阻電動機的模糊開關角控制
許振偉
(浙江工商大學信息與電子工程學院，杭州310035)
摘要：由于SRM 電動機及功率變換器具有非線性，SRM 控制系統的參數優(yōu)化設計是一個比較復雜的問題。
基于sRM 電動機能量轉換理論，利用模糊神經網絡進行sRM 非線性建模，得到SRM 電動機開關角度最優(yōu)
控制規(guī)律。并以TMS320LF2407A 數字信號處理器為控制核心，采用只有四個主開關管的功率主電路，針對
4相8／6極SRM 設計開發(fā)了基于模糊神經網絡的開關角優(yōu)化控制技術的高精度SRM 系統。仿真和試驗結
果證明，該系統結構簡單可靠，運行效率高，具有較高的實用價值
關鍵詞：開關磁阻電動機；模糊神經網絡；開關角；最優(yōu)控制
中圖分類號：TM761 文獻標志碼：A 文章編號：1003—8930(2010)05—0062—04
Fuzzy Switch Angle Control M ode for Switched
Reluctance M otor System
Xu Zhen—wei
(College of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，
Hangzhou 310035，China)
Abstract：Because of the nonlinearity of SRM and its power converter，the optimization of control parameters is
very comple．To solve the problem，the nature characteristic of optimum switch angle strategy of SRM is de—
rived based on the energy conversion of SRM．Using a fuzzy—neural network(FNN)，some results about the op—
tim um switch angles have been drawn． According to the optim um strategy，a SRM system based on
TM S320LF2407A is designed．Practical operation experiments are performed on a 3 kW SRM with 8 stator
poles and 6 rotator poles．The results show that the system is simple with excellent performance．
Key words：switched reluctance motor；fuzzy-neural network；switch angle；optimum control
開關磁阻電動機驅動SRD(switched
reluctance drive system)系統是一種新型的機電
一體化交流調速系統，它融合開關磁阻電機
SRM(switched reluctance motor)、現代電力電子
技術和現代控制理論于一體。SRM 是一個復雜的
非線性系統，可控參數比較多，需要對控制參數的
進行優(yōu)化選擇才能保證SRM 傳動系統高性能運
行。在常規(guī)SRM 電壓脈沖寬度調制PWM(pulse
width modulate)控制策略中，SRM 起始導通角是
固定不變的，僅僅通過調節(jié)占空比來調節(jié)轉矩，這
種控制方法無法做到整個運行速域內損耗最小、效
率最優(yōu)。為此本文模糊神經網絡，對SRM開關角最
收稿日期：2009—04—22；修回日期：2009—1l-12
基金項目：浙江省自然科學基金項目(Y106669)
優(yōu)控制規(guī)律進行離線學習，然后將其應用于SRM
調速驅動系統的在線控制，試驗結果證明了該方法
的有效性。
本文以TMS32OLF2407A信號處理器為核心，
基于上述的開關角優(yōu)化控制思想，設計開發(fā)了一種
高效的SRM調速系統。試驗測試證明，該系統結構
簡單、可靠，具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能。
1 系統控制策略
本文對SRM 電機轉速控制，采用電壓PwM
斬波控制與最優(yōu)開關角調節(jié)控制相結合的策略?？?
制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開
第5期 許振偉：開關磁阻電動機的模糊開關角控制 · 63 ·
關器件的開斷，并通過調節(jié)開通和關斷的時間比
例，即占空比來調節(jié)相繞組兩端的平均電壓，從而
實現對繞組相電流的控制；同時基于模糊控制邏輯
的最優(yōu)開關角調節(jié)，實現SRM 的高效、高轉矩運
行。基于DSP的SRM 調速系統控制原理如框圖1
所示。
圖1 SRD調速系統控制原理
Fig．1 Principle speed control system
如圖1所示，SRD調速系統的控制參數主要有
繞組相電壓U 、起始導通角0。 和開斷角 在這
三個參數中，相電壓L， 為系統的主控制量，采用電
壓PWM控制模式，由速度PI控制器輸出電壓的控
制量，即電壓PWM 波形的占空比，觸發(fā)相應主功
率管。控制量 和‰ 是其轉速和相電流的非線性
函數，其非線性對應關系由模糊神經網絡離線學習
而得到，在SRM 運行中根據實際運行速度和相電
流，不斷更新當前的最優(yōu)開關角，優(yōu)化系統性能。
1．1 PI速度控制器設計
PI速度控制器采用位置式和增量式相結合的
算法，即比例部分采用位置算法，積分部分采用增
量算法，結果為全增量位置式輸出。經過差分離散
后的PI標準算法表達式為
Uk— K + Kl 8 一K + c (1)
J= 1
式中：【， 為第忌次控制量輸出；K。是比例系數；K
為積分系數；其中積分部分的遞推公式為
C^一C}_1+ KI (2)
為了避免發(fā)生積分飽和現象，本系統采用超限
消弱積分法，當控制進入飽和區(qū)以內，便不再進行
積分項的累加，而只執(zhí)行消弱積分的計算，其算法
原理如圖2所示。
該算法為
C 一C}_l+ KI + KcEP (3)
EP — U 一U
其中K 一K ／K 。
U ≥ U U?！?U?
U ≤ U? U ≤ U
圖2 PI速度控制器算法原理
Fig．2 Algorithm principle of PI speed controller
由于SRM 是一個時變的、非線性系統，不能
建立準確的數學模型，所以上述的各個參數是根據
實際系統運行試驗反復試湊得到的。在具體整定過
程中，可以先屏蔽積分運算，調整比例系數，使其盡
量取最大值，以得到反應快、超調小的調節(jié)效果。然
后加入積分環(huán)節(jié)，調節(jié)積分系數由小到大，在使系
統不產生振蕩的前提下，盡快消除靜差。為使系統
在每個速度下都具有較好的靜、動態(tài)特性，本系統
在不同的速度段設定不同的PI控制參數。
1．2 模糊角度調節(jié)器設計
為了使得SRM 電動機獲得高輸出轉矩和較高
的效率，需要根據不同的運行速度對SRM 開關角
進行在線調節(jié)，但是SRM 最優(yōu)導通角和最優(yōu)關斷
角與SRM 的速度和電流之間存在復雜的非線性關
系，不易建立準確的數學模型。為此，本文采用
Takagi—Sugeno模糊神經網絡對SRM 最優(yōu)開關角
控制規(guī)律
f。pII l一廠( ，co) (4)
l。。 ?l— h(J ref，co) (5)
進行非線性建模，其基本原理如圖3所示。
◇
◇
圖3 模糊角度調節(jié)器原理
Fig．3 Principle of fuzzy angle controller
模糊神經網絡的輸人為相電流和轉子速度，
輸出為最優(yōu)導通角和關斷角。對于神經網絡的建
模，訓練樣本的選取是一個十分關鍵的問題，本文
訓練樣本是通過SRM樣機的仿真計算和試驗測試
· 64 · 電力系統及其自動化學報 第22卷
相結合獲得的。首先給定一組( ，叫)值，通過人為
調節(jié)開關角0。 和‰ ，使在SRM 電動機輸出最大
平均轉矩基礎上，效率最高，從而獲得一組訓練樣
本點(J ， ，0。 )和(，耐， ， ff)。
2 系統硬件設計
SRD系統是由開關磁阻電機、功率變換電路、
微機控制電路、反饋電路、保護電路和人機界面組
成，其核心控制CPU是TMS320LF2407A，它與位
置檢測、功率變換電路和電流檢測環(huán)節(jié)相互關聯、
諧調運行，構成開關磁阻電機調速系統，整個系統
結構如圖4所示。
圖4 SRD調速系統控制器結構
Fig．4 Structure of SRD system controller
2．1 功率變換器設計
功率變換器采用三線電源電路，如圖5所示。
直流電源由三相全波整流獲得。在直流電源側并接
了兩只串聯電解電容，它的作用是不僅完成濾波作
用，將兩線電源分裂為三線電源，還兼作相繞組能
量回饋的儲能元件。V 。 、V 。。、V 和V 。 選用
IGBT作主開關元件，D 、Dl。。、D 。。和D 。 是快恢
復續(xù)流二極管。當V 導通時，由電容C 供電，相
電流流過電機A相繞組；當V 。 截止時，電流通過
電容C 和二極管D 。 續(xù)流，由此完成A相繞組的
一個通電周期。依次輪流觸發(fā)V 。 、V 。 、V 和
V ，使各相繞組輪流通電，形成一定的電磁轉矩
驅動電機運行。
2．2 速度和位置反饋
本系統的速度和位置反饋采用光電式傳感器，
在定子上安裝兩個相距75。的光敏傳感元件，輸出
兩路相位差15。的方波信號，可以組合成四種不同
的狀態(tài)，分別代表電動機四相繞組不同的參考位
置，并將該兩路信號送到TMS320LF2407A 的
CAP1和CAP2。當捕獲輸入引腳上檢測一個跳變
時，定時器丁 的值就作為相應的位置信號被DSP
獲得，根據測周法即可計算電機的實際轉速。
圖5 SRD功率變換器原理
Fig．5 Power converter of SRD
2．3 電流檢測與斬波電路
為實現SRM 開關角最優(yōu)控制，必須對繞組中
的電流進行檢測。本文采用霍爾元件電流傳感器，
不但具有隔離功能，而且具有精度高和線性好的特
點。其輸出信號直接輸入到DSP的A／D轉換器的
輸人口ADIN01和ADN02，其轉換結果存人一個
兩級的FIFO寄存器中。本文的電流斬波控制采用
軟件方法實現，在PWM 脈寬控制中斷子程序中啟
動兩個ADC的轉換動作，讀取電流采樣值，當此檢
測值大于給定電流時，則關閉PWM1～ PWM4的
輸出，即關斷IPM 模塊一個中斷周期，使相繞組電
流下降，在下一個T1中斷到來時，重復上述過程，
若實際電流值小于給定電流值，則重新開放PWM
輸出，從而使相電流得到控制。
3 系統軟件設計
基于TMS320LF2407A的SRM控制軟件包括
初始化程序和運行程序兩部分。當上電初始化以
后，系統就將控制權交給運行程序，該程序是一個
無限的循環(huán)，主要完成鍵盤命令輸入、狀態(tài)顯示以
及故障信號的檢測等功能。同時在運行程序中還包
含三個中斷服務即捕獲中斷服務程序、T1定時器
中斷服務程序和T2中斷服務程序。
3．1 捕獲中斷子程序
SRM 電機轉速估計計算采用測周法，轉子每
轉過15。，發(fā)生一次捕獲中斷，轉子轉過15。所需要
的時間為
At— KP× TcLK× △ (6)
其中：K 為捕獲單元時間基準的預定標值；Tc x為
時鐘周期；△為中斷間隔的時鐘周期數。轉子的轉
速為
了c ／■ 、
一
對式(7)進行歸一化處理后，得到轉速為
第5期 許振偉：開關磁阻電動機的模糊開關角控制 · 65 ·
l一156× ——— l一 (8)
實際的轉速估計值為
∞ 一5 000co1 (9)
3．2 T1中斷子程序
T1中斷由T1定時器確定定時間隔，每隔25
ms執(zhí)行一次。并且根據速度控制中斷子程序計算
出的值，對斬波占空比進行更新，同時啟動A／D轉
換程序，采樣相電流值，判斷是否過流等。T1定時
器中斷服務程序另一個重要任務就是讀取SRM 相
繞組換相標志，根據換相邏輯確定待觸發(fā)導通角，
計算此相繞組當前轉子位置角，并讀取當前最優(yōu)開
通角，當0≥ 0。 l0p 一時，導通此相繞組，當 ≥
‰ lop ·時，關斷此相繞組，SRM 轉子角位置估計
算法為
0(k)一b(k-1) k)× (1O)
式中：-廠 是位置更新頻率。
3．3 T2中斷子程序
T2中斷服務程序主要包括電機啟動控制、速
度PI控制和模糊角度控制子程序，中斷時間間隔
由T2定時器確定。電機啟動控制的主要作用是保
證電機的正常啟動，電動機轉速低于5O r／，in作為
啟動階段，此時斬波占空比不是一次給定，而是逐
步累加，使斬波占空比逐漸增大，實現軟啟動功能。
4 試驗研究
本文以一個8／6極四相3 kW SRM 為控制對
象，其額定轉速1 500 r／min，以一臺它勵直流電動
機反接狀態(tài)作負載，在直流電動機的電樞中串接一
個電阻箱(ZB一120型)，通過改變電阻箱阻值大小
可以改變直流電動機的機械特性。
圖6是0。 一0、0 一30。時，相繞組功率開關
管IGBT的換相信號。圖7是SRD位置傳感器輸出
的電壓信號波形，周期是60。，兩者是相位差為15。
的正交信號。
為了比較本文的模糊開關角和固定開關角電
壓PWM控制的SRD系統的運行性能，圖8給出了
上述兩種控制策略下的SRM繞組相電流波形(取
樣電阻上的電壓)。從圖8中可見，采用模糊神經網
絡控制后，SRM 電動機相電流波形明顯得到改善，
在恒定負載轉矩的工況下，繞組相電流有效值明顯
減少，試驗時SRM 系統運行轉矩脈動和噪聲相應
減少。
> 1
Ⅱ
迎堅
一l
乏1
坦
枯
鏹一
迎
一l
>
壤
罌
—] 廠] 廠] 廠]
時間／ms
圖6 SRM 換相信號
Fig．6 SRM switch signal
—
0 0．1 o．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0 8 0．9 1．0
時間／ms
圖7 SRM 位置傳感器信號
Fig．7 SRM position sensor signal
時間／ms
(a)模糊神經網絡控制
：n 八廠
一
▲
(b)固定開關角控制
圖8 繞組相電流波形(500 r／min，TL一6 N ·m)
Fig．8 Phase current wavs eforms
(500 r／rain，TL一6 N ·m)
SRM 系統的效率是也是衡量其性能的一個重
要指標，本系統的效率采用SRM 的輸出功率與直
流電源的輸入功率的比值來表示，在800 r／min轉
速下兩種控制策略下測試在不同負載下系統的效
率見圖9，由圖9可見模糊神經網絡控制的SRM效
率明顯高于固定開關角控制策略下的系統效率。
負載，(N·m)
圖9 兩種控制策略下系統效率對比(800r／min)
Fig．9 System efficiencies of two controllers(800r／min)
(下轉第108頁)
· 1O8 · 電力系統及其自動化學報 第22卷
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作者簡介：
尹明(1974一)，男，博士，副教授，研究方向為智能電網、
電力系統規(guī)劃、清潔能源等。Email：routouter@sohu．corn
王成山(1962一)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為
電力系統優(yōu)化規(guī)劃、電力系統的安全性與穩(wěn)定性等。
Email：cswang@tj u．edu．cn
葛旭波(1968一)，男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電
網、電力系統規(guī)劃等。Email：gexubo@sgeri．sgcc．com．cn
本文基于TMS320LF2407A設計開發(fā)了具有
智能控制方法的高精度SRM 調速驅動系統。對4
相8／6極SRM，采用只有四個主開關管的功率主
電路，簡化了系統結構，降低了成本。采用基于模糊
神經網絡的開關角優(yōu)化控制技術，使SRM 電動機
相電流波形得到了明顯的改善，提高了系統效率。
通過合理設計系統過電壓、過電流等保護電路，提
高了系統的可靠性。試驗結果證明該系統結構簡
單、可靠，具有較高的動、靜態(tài)性能，具有較高的實
用價值。
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作者簡介：
許振偉(1971一)，男，副教授，博士，研究方向為電力電子與
電力傳動控制技術。Email：xuzhenwei88@126．tom

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