基于模型预测控制的SRM转矩脉动抑制方法研究

发布时间：2020-08-13 21:41

【摘要】：开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)具有结构简单、工作可靠、效率高等优点。其构成的调速系统(Switched Reluctance Motor Drive,SRD)兼具传统交直流调速系统调速范围广,启动转矩大等特点,广泛应用于电动车辆、家用电器、航空工业等领域。SRM的双凸极结构,磁路饱和、涡流、磁滞效应使得电机具有强非线性,难以获得精确的数学模型,且在运行中,出现较大的转矩脉动。转矩脉动的大小将直接影响SRD系统的调速性能,因此研究SRM转矩脉动抑制方法具有重要意义。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为一种新型控制方法,在电机控制上得到大量应用,如永磁同步电机、无刷直流电机、感应电机等,并取得了较好的控制效果。本文根据SRM转矩脉动产生机理,提出了基于改进角度位置控制的SRM转矩脉动抑制方法(Double Angle Control,DAC)和基于模型预测控制的SRM转矩脉动抑制方法(Torque Model Predictive Control,TMPC)。本文首先介绍了SRM的基本结构、数学模型和SRD系统基本调速原理以及几种传统调速控制方法。定性分析了影响SRD系统调速性能和转矩脉动大小的相关因素。基于开通角和关断角对转矩的影响,在传统角度位置控制方法(Angle Position Control,APC)的基础上提出了DAC控制方法。通过转速环在线调节开通角与关断角,实现电机的调速控制,抑制电机转矩脉动。进一步以电机转矩为直接控制目标,提出了TMPC控制方法。介绍了MPC的基本原理,建立了基于Ansoft的SRM非线性模型;使用建立的数学模型根据前一时刻和当前时刻的状态量,实时采样的定子绕组相电流和转子位置以及母线电压得到下一时刻的电机转矩值,建立基于转矩脉动大小的目标函数;通过改变功率变化器上下管工作状态的待选序列,结合目标函数得到一个最优的控制序列;并将该控制序列对应的状态值用在SRM预测控制系统中,实现对电机转矩脉动的抑制。为验证所提控制策略的控制效果,本文以一台11kW三相12/8极SRM为研究对象。完成了DAC和传统APC控制方法基于MATLAB仿真的对比实验和基于TMS320X2812DSP为主控制芯片的纯实物对比实验。结果表明DAC控制方法转矩脉动抑制能力较强;通过DAC和TMPC控制方法基于MATLAB仿真和基于RT-LAB半实物仿真对比实验得到,本文所提出的两种控制方法都能实现对SRD系统的调速控制,且调速性能良好,能有效抑制转矩脉动;相比之下,TMPC控制方法的转矩脉动抑制能力更强一些,而电机在变速情况下,DAC控制方法的转速过度调节时间则更少。
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM352
【图文】：

三相(12/8)51刃叨结构

示意图,换相,示意图

图 2.2 SRM 换相示意图Fig. 2.2 Commutation diagram of three-phase SRMSRM 作为 SRD 系统的核心设备，按照相数的不同，可以分为单相、两相、三相、相和多相，有轴向式结构、径向式结构以及两种结构组成的混合结构。其中，单相RM 的成本和控制器的成本最低，但存在启动问题和转矩“死区”问题。三相电机具正向和反向启动能力，其阶梯式气隙结构减小了转矩“死区”。与三相电机相比，四电机在启动性能方面具有明显的优势，转矩波动较小，但其经济效益显着降低。具有相或更高相的电机具有实现更平滑电磁转矩的主要优点，但是电机和控制器的成本和杂性也随之增加。因此，考虑到电机和控制器的经济性，三相 SRM 的研究和开发正到越来越多的关注。2.2 开关磁阻电机功率变换器结构功率变换器是连接电源和电机绕组的开关器件，由蓄电池或者交流电整流后得到的流电供电，主要向 SRM 提供运转所需的能量。目前，常见的功率变换器电路拓扑结主要有不对称半桥型、双绕组型、双极性直流电源型和电容储能型等。由于 SRM 相

三相不对称,功率变换器,半桥

图 2.3 三相不对称半桥功率变换器.3 Three - phase asymmetric half - bridge power cA相）为例，当两个主开关元件1Q 、2Q 满流母线电压加至A相绕组两端，对应产生相述情况极性相反的电动势，1D 、2D 导通A相储存的磁场能，母线电压随之升高。电机绕组电压接近；每相绕组分别连接至此种结构的优点在于：关管和二极管，能够实现灵活控制；电压加在SRM的相绕组上，利用效率高；用，能够有效控制相电流的幅值和有效值动过程中的能量回馈给电源，具有节能作器件的选取不仅要考虑SRM的功率等级、

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