减小转矩脉动的永磁辅助开关磁阻电机控制方法研究

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开关磁阻电机结构简单、成本低和可靠性高,广泛应用于航空航天、石油开采和电动工具等领域。永磁辅助开关磁阻电机(Permanent Magnet assisted-Switched Reluctance Motors,PMa-SRM)在开关磁阻电机的定子极上添加永磁体,提高了功率密度,但与开关磁阻电机类似,定转子双凸极结构、磁路易饱和以及相绕组切换导通的控制方式,使其容易产生较大的转矩脉动,影响了这类磁阻电机的进一步应用。本文研究改进的控制方法,以降低转矩脉动,其主要内容如下:首先,以三相6/20 PMa-SRM为研究对象,介绍了电机结构与工作原理,建立了线性、准线性和非线性数学模型,并比较其优缺点。借助有限元分析软件获得电机非线性的转矩和磁链,通过电流插值反演出更精确的绕组电流,在Simulink中搭建一种高精度的非线性模型,为后续控制方法的仿真验证提供了基础。其次,分析传统直接瞬时转矩控制方法转矩脉动较大的原因,给出了一种基于开通角优化的改进型直接瞬时转矩控制方法。建立了根据转速和负载自适应选择开通角的改进型广义回归神经网络模型,优化了开通角;根据两相交换区域中电感变化率特点,将两相交换区域细分为两个区域,对每个区域设计出与电感特性相适应的滞环控制方法;仿真实验表明,相对于传统直接瞬时转矩控制方法,改进的控制方法具有较好的转矩脉动抑制效果,在800r/min和5N·m负载下,转矩脉动维持在12.4%。再次,针对开通角优化的改进型直接瞬时转矩控制还存在峰值电流和铜损耗较大的问题,给出了一种重叠角自适应的非统一型转矩分配函数控制方法。依据重叠角特点,将两相交换区重新细分两个区间,对每个区间规划出相应的非统一型转矩分配函数,根据不同的转速与负载调整重叠角大小和转矩分配函数。仿真实验表明,该方法可以在抑制转矩脉动的同时降低峰值电流与铜损耗,在1200r/min和5N·m负载下,转矩脉动维持在20.8%,峰值电流降低了4.35A,铜损耗为8.87A。最后,搭建了PMa-SRM样机平台,并进行了实验测试。设计并制作了功率变换器、驱动电路、电流和位置检测等硬件电路,以及速度检测、CAN通讯和查表算法等子程序。分别对传统与改进的直接瞬时转矩控制,以及传统与重叠角自适应的转矩分配函数方法进行了对比实验与分析。
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