关键词：
开关磁阻电机
转矩控制
直接转矩控制
转矩分配函数
可靠性
摘要：
开关磁阻电机具有结构简单、起动转矩大、频繁起停、调速范围宽等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶工业等诸多领域。然而由于其转矩脉动较大,运行时噪声大同样也在一定程度上制约了其应用,为了改善这个问题,本文针对开关磁阻电机的转矩控制策略展开了研究。
首先,一个准确的磁链模型是研究开关磁阻电机转矩控制的首要一环,本文提出了一种简化的开关磁阻电机磁链模型,该模型可以准确的获取电机的相磁链,同时可以在电机运行过程中快速将磁链转换为转矩。所提出的建模策略采用了耦合系数ε来拟合每个角度的测量曲线,与低阶傅里叶分解方法相比,本文提出的模型有效地提高了磁链模型的精度。针对电机运行过程中受制造工艺、摩擦系数和测量误差影响导致磁链数据不准确的问题,本文采用了一种补偿策略,该补偿策略基于电机的加速度回路,可以进一步提高电机磁链模型的精度。对三阶傅里叶磁链模型和所提出的磁链模型分别采用脉宽调制策略和角度位置控制策略获取其电流波形并进行了比较,验证了所提出的方法具有较高的建模精度。
为了优化开关磁阻电机的转矩脉动的问题,对传统的直接转矩控制策略进行了改进,有效降低了电机的转矩脉动。为了使电机的实际转矩更好地跟踪参考转矩,所提出的方法取消了传统的转矩滞环控制器,相应地,采用了模糊控制器定量分析参考转矩和实际转矩之间的差异,从而获取了代表不同需求下的转矩参考因子,并选用合适的电压矢量分别对其进行控制。同时,为了更好的实现转矩控制,本文对现有的扇区进行了优化,简化了控制算法也提高了控制效果。为了验证该方案的有效性,通过仿真和实验,将所提出的方案与电流斩波控制策略和传统的直接转矩控制策略在12/8的开关磁阻电机上进行了比较。结果表明,该方法能够有效地降低开关磁阻电机的转矩脉动。
其次,由于开关磁阻电机在采用抑制转矩脉动控制算法后运行效率会随之降低。为了在不降低电机效率的前提下减小电机的转矩脉动,提出了一种新型的转矩分配函数控制策略。在提出的转矩分配函数控制策略中,电机的换相区域分为两个区域。在前一区域中,通过降低输入相转矩分配的比例,可以实现输入相实际转矩快速跟踪参考转矩,电机的转矩脉动有效降低。同时由于在输入相电感变化率较低时减少输入相分配的转矩,从而输入相的峰值电流随之降低,电机的转矩电流比提高。在后一区域中,将输出相的电流在转子对齐位置附近处减小到0,以避免产生较大的负转矩。因此,在所提出的方案下电机的转矩脉动得到有效抑制,电机的效率相较传统转矩控制策略也得到提高。为了验证该方法的有效性,在一台12/8三相开关磁阻电机上进行了仿真和实验。结果表明,所提出的转矩分配函数控制策略不仅能降低开关磁阻电机转矩脉动,也能有效地提高开关磁阻电机的运行效率。
最后,文中提出了一种考虑不同热应力和容错能力的开关磁阻电机转矩控制系统可靠性分析方法。为了获取器件的失效率,建立了功率变换器的热路模型,可以快速准确地获得器件的结温,并计算出器件的可靠性参数。随后采用了一种k-out-of-n:G模型和可靠性框图结合的方法评估了系统的可靠性。为了进一步提高系统的可靠性,采用了一种在线优化系统可靠性的模型,该模型可以计算出任意故障状态发生后系统的可靠性,通过在线调整系统运行参数的方法有效改善系统在发生故障后的运行状态,提高该状态下的可靠性,从而实现整个转矩控制系统可靠性的提高。与传统的静态可靠性模型进行对比,所提出的模型同时考虑了热应力和容错能力,可靠性模型的精度更高。
本文有图90幅,表17个,参考文献164篇。
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