基于简化转矩方程的开关磁阻电机直接转矩控制

P.Srinivas
系助理教授电气工程，印度泰伦加纳邦海得拉巴的奥斯马尼亚大学工程学院

摘要

由于开关磁阻电机(SRM)的双显着结构，其转矩脉动较大，引起振动和噪声。采用直接转矩控制(DTC)技术可以最大限度地减小转矩脉动。在直接转矩控制技术中，直接通过控制磁链的大小和定子磁链矢量的速度变化来控制转矩。磁通和转矩保持在设定的迟滞带内。当厂家没有透露电机的设计规格时，转矩由简化转矩方程计算。利用简化转矩方程计算转矩，分析了直接转矩转矩脉动的最小化问题。

关键字

直接转矩控制，简化转矩方程，转矩脉动

介绍

SRM驱动器由于结构简单、制造成本低等优点，近年来应用越来越多[1,2]。电机的主要缺点是，由于磁特性呈非线性，高转矩脉动较大，从而引起噪声和振动[1,2]。在[3]中描述了利用DTC技术最小化转矩脉动。该方案采用了短磁通模式的概念，连接两个独立的定子极点。该方案的主要缺点是需要新的电机绕组拓扑结构。这种方法既昂贵又不方便。在[4,5]中，一种新的DTC技术应用于三相6/4 SRM，其中详细讨论了应用于交流电机的传统DTC与应用于SRM的新型DTC之间的区别。文中[6,7]通过仿真对DTC技术进行了详细的分析。通过[8]仿真分析了基于6/4 SRM驱动器的DTC低速和高速运行情况。通过[9]仿真分析了四相SRM的DTC。

为了控制转矩，DTC方案需要转矩反馈。SRM的设计规格没有或制造商没有披露。在这种情况下，很难计算转矩作为电流和位置的函数。也可采用简化扭矩方程[5]计算扭矩。本文分析了基于4相8/6 SRM的直接转矩控制的性能，其中转矩由简化转矩方程计算

DTC原理

给出了SRM[5]所产生的扭矩的近似方程

(1）

其中ψ(θ，i)是相磁链作为转子位置θ和定子电流i的函数

通过加速或减速定子磁链矢量来控制转矩。目标(i)是通过选择适当的空间电压矢量来实现的。定子磁通的变化将与电压矢量有相同的方向变化，幅度的变化与电压的大小和应用的时间间隔成正比。该目标(ii)也实现了类似于传统交流电机的DTC，因为转矩增加或减少的定子磁链矢量相对于转子运动[5]的加速或减速。

在用于SRM驱动器的各种变换器中，非对称变换器的应用最为广泛。当两个开关都打开时，状态定义为“磁化”(状态1)如图1所示。当一个开关打开，另一个开关关闭时，状态定义为“自由”(状态0)。当两个开关都关闭时，状态定义为“退磁”(状态-1)。四相非对称变换器总共可以有81个可能的空间电压向量。然而，为了将DTC应用于SRM，八个以π/4弧度分隔的等幅电压矢量就足够了。空间电压矢量状态如图2所示。这些电压状态向量被定义为位于八个扇区或区域的中心，每个区域的宽度为π/4弧度。

用简化的转矩方程对直流电转矩进行仿真分析

当SRM的设计规格未被制造商披露时，瞬时扭矩可通过简化公式计算，如下[5]所示

（2）

其中p是极对的数目，iα和iβ分别是在α和β轴上的电流，ψα和ψβ分别是平稳参照系中通量连杆的α和β分量。

带DTC的4相8/6 SRM仿真模型如图3所示。该模型由电气系统、机械系统、位置传感模块、非对称变换器、转矩计算模块和DTC模块组成。参考磁链设置为0.25 Wb，磁链滞环设置为0.02 Wb。参考转矩设置为8 Nm，转矩滞环设置为0.40 Nm。

分析了基于DTC的SRM驱动器的风扇负载为8 Nm，参考转速为800 rpm。采用DTC技术的驱动器仿真波形如图4所示。定子磁链矢量的幅值如图4 (a)所示，磁链跟随0.020 Wb的磁滞带，保持在0.25 Wb的参考值。电机产生的总转矩如图4 (b)所示。结果表明，转矩保持在0.4 Nm的迟滞带内。图4 (c)给出了ψα随ψβ的变化规律。可以看出，α轴和β轴之间的通量轨迹本质上是圆形的。

结论

在直接转矩控制技术中，通过控制磁链的大小和定子磁链矢量的速度变化来直接控制转矩。如果制造商没有透露设计的规格，扭矩可以用简化扭矩方程计算。采用直接转矩控制技术，利用简化转矩方程计算转矩，使转矩和磁通保持在设定的极限。

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