开关磁阻驱动系统——控制策略研究与系统设计

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低制造成本、高可靠性和高能量转换效率是机电运动控制系统的发展趋势。开关磁阻电机结构简单,适合在恶劣环境下运行;只在定子上有绕组,没有转子铜耗。因此开关磁阻驱动系统迎合了机电运动控制系统的发展趋势,融合了电力电子技术和现代控制算法发展成果,成为近年机电运动控制领域的研究热点。本文通过控制策略和系统设计两方面对开关磁阻驱动系统进行研究。 开关磁阻驱动系统可控参数多、控制方式灵活,本文首先阐述开关磁阻电机基本原理和基本结构,以此为基础对其控制方式进行了分类比较研究。开关磁阻电机的双凸极结构决定了它是一个具有强非线性的复杂系统,本文从一组描述机电运动系统的通用微分方程出发,抓住系统的关键点——磁化曲线的非线性,并根据近似程度的不同建立了两类开关磁阻电机数学模型:分段线性模型和非线性模型。 开关磁阻电机的双凸极结构也决定了如何抑制转矩脉动是该领域的研究热点。本文以转矩脉动最小化为目标,提出了一种开关磁阻电动机最优控制器的设计方法。基于迭代学习控制的基本原理,阐述了单输入单输出非线性系统中迭代学习控制算法的收敛性和稳定性的一般性结论。设计的最优控制器由基于转矩分配函数的转矩控制器和电流控制器构成。结合所建立的非线性模型,对该控制器进行仿真分析的结果表明:在恒转矩负载下,转矩脉动减小,且具有较好的收敛性与稳定性,达到了转矩脉动最小的优化目的。 开关磁阻驱动实验系统为学习和研究提供开放的平台,而应用LabVIEW和虚拟仪器技术为该系统设计的上位机控制界面使得该平台的可视化和可控性更强。 开关磁阻驱动系统在煤矿工业的应用越来越广泛;本文设计的用于煤矿带式输送驱动的110kW开关磁阻驱动系统,该系统由强电控制与保护系统和弱电控制系统组成;380V电压等级额定负载运行测试的顺利通过,证明了系统架构的正确性,从而为进一步的研究和改进奠定了基础。
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