基于最大平均转矩优化的开关磁阻电机控制策略

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开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)定转子均由高磁导率的硅钢片冲击叠压而成,且转子内无永磁体内嵌,定子凸极缠绕绝缘金属导线,因此其转速范围能达到100000r/min以上,支持缺相运行,具有较大的功率密度等优点,在电机拖动行业具有广泛的前景应用。但随着转速的提高,对电机控制理论的要求越高,目前在高速下常用的控制手段是通过对开关角的调节,进而调节相电流的大小,实现在高速下对SRM进行有效的控制。但是由于SRM内部磁路呈现高度饱和非线性特性,且可控参数较多,无法对其进行显性表达式的解析,因此增加了同时调节开关角的难度。本文提出了一种基于最大平均转矩优化的开关磁阻电机控制策略,通过合理选择最佳关断角位置,保证电机在高速下以最大平均转矩运行。本文首先对SRM运行机理和常用的数学模型进行分析,得出目前在高速下电机的常用控制方式为角度位置控制(Angle Position Control,APC),因SRM内部磁化曲线为非线性函数,难以推导出最大平均转矩输出下开关角的数学表达解析式,通过进行多次仿真实验得出关断角对转矩输出之间的关系,从而得出固定关断角APC控制方案,即将关断角固定在最优位置的同时,通过PI改变开通角位置,而最优关断角值为在实际实验平台上进行多次实验获取的最大平均转矩输出的关断角位置。该控制方案降低了对开关角参数控制的难度,也提高了电机的转矩输出能力。然后在提出的固定关断角APC控制方式无法满足转速和负载变化较大的场合,于是进一步优化,提出了基于最大平均转矩优化的SRM高速APC控制方法,选择最大平均转矩输出作为优化目标,对不同峰值电流和转速下的关断角参数进行离线寻优,并针对传统的遗传算法容易陷入局部最优解的问题,采用了自适应交叉和变异算子,将遗传算法与离线仿真相结合得到了不同峰值电流和转速下的关断角曲线。运用Matlab/Simulink仿真软件搭建了基于最大平均转矩优化SRM控制系统,将遗传算法优化后的关断角曲线运用到该系统中,并与固定关断角APC控制方式进行对比实验,结果证明了基于遗传算法的优化结果能够提高电机的转矩输出,提高电机在负载和转速变化较大场合下的适应能力。最后,介绍了以DSP为核心的基于最大平均转矩优化的SRM控制系统软硬件设计,并搭建了实验电机测试平台。在实验测试平台上进行了实物测试实验,进一步验证了基于最大平均转矩优化SRM控制系统的有效性和可行性。
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