四相开关磁阻电机的高精度速度控制器研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）300不对称功率变换器供电的四相开关磁阻电机高精度速度控制加达河Abdel Aziza， Mahmoud Amina，ba埃及开罗电子研究所电力电子和能源转换部b电子和计算机工程系，曼哈顿学院，Riverdale，NY 10471，美国接收日期：2017年12月25日;接受日期：2018年在线发售2018年摘要开关磁阻电机（SRM）由于其简单的电机设计结构、在宽速度范围内运行的敏感性、高转矩惯性比、低成本和高可靠性而被用于工业中。本文采用软开关技术，将不对称四相功率变换器（APC）作为开关磁阻本文提出了一种四相75KW 8/6 SRM的精确速度控制器（PSC）PSC的性能进行评估和比较PI和模糊逻辑（FLC）速度控制器。该比较基于三个速度控制器的上升时间、建立时间、过冲、下冲、稳态速度误差和转矩脉动百分比的值。拟议PSC的稳健性在此类情况下得到验证，例如：机械参数差异和外部负载干扰。利用MATLAB/SIMULINK仿真软件研究了四相SRM在电机转速、转速误差、四相电流、SRM参考电流和电磁转矩等参数下的响应© 2018电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：开关磁阻电动机;精确速度控制器;不对称功率变换器;模糊控制器1. 介绍开关磁阻电动机是一种利用定子凸极与转子凸极之间的磁吸引力产生转矩的电机该转子由铁磁材料制成根据SRM结构，定子仅具有绕组，而转子不具有任何绕组，因此，功率损耗较小并且产生高转矩（Miller，1993;Wang等人，2017年）。SRM的电感是非线性的，这使得电磁转矩高、非线性且难以控制。一般来说，一个简单的*通讯作者。电子邮件地址：ghada ahmed@eri.sci.eg（G.A. Abdel Aziz）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2018.03.0062314-7172/© 2018电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300301命名法I相电流irefSRML的参考电流SRMR的相电感SRM S的相电阻xH上开关状态SxL下开关状态电磁转矩（TeTmax最大扭矩Tmin最小扭矩Tav平均电磁转矩V端子电压Vdc直流母线电压ωr转子角速度θr转子位置角θ开/θ关 开关位置角θ A，θ B，θ C，θ D 4相的转子位置角绕组的磁链传统的控制方法，如Song和Qu（2016）中的比例积分（PI）速度控制，Nanda等人。（2016）和Milasi和Moallem（2014）有时用于SRM控制驱动器。这种传统的控制方案在无法获得详细的系统模型或被控系统数学建模复杂的虽然传统的PI控制是工业应用中最广泛使用的方法，但当被控系统发生修改或变化时，其增益参数必须通过试错法来调整以令人满意地实现Tseng等人（2012）提出了一种新的自适应Takagi-Sugeno-Kang（TSK）-模糊控制器（ATSKFC）来控制SRM速度驱动系统。该控制器由TSK模糊控制器和补偿调节器两部分组成。TSK-模糊控制器是最重要的控制器，用于逼近最优控制律。补偿控制器用于自适应TSK模糊控制器和最优控制律之间的误差信号基于精英变异多目标粒子群优化算法（EM-MOPSO）的SRM速度控制器具有良好的精度和性能。（2015年）。 这种控制技术包括一个传统的PI速度调节器和滞环电流控制器（HCC）。针对SRM的非线性特性，采用EM-MOPSO算法，通过引入SRM转矩脉动和转速的积分平方误差（ISE），对PI速度控制器的控制器增益参数、开关位置角以及相绕组电流峰值进行整定。在Silva等人（2013）中，已经提出了基于与模型预测控制器（MPC）相关的广义预测控制器（GPC）的鲁棒SRM速度控制技术。这种控制器方案是基于设计一个滤波器，以允许快速响应，干扰消除，噪声减轻和鲁棒性与最小的计算成本的SRM。Lee和Ahn（2011年）提出了一种用于高速4/2SRM的平衡软斩波和改进PI控制器，该控制器使用每转16个脉冲的旋转变压器。为了减小电流纹波，采用平衡软斩波电路，在功率开关管固定开关频率的情况下提供两倍的开关频率。在Ishikawa et al. （2009），除了平坦转矩控制之外，还开发了一种新的SRM速度控制技术。扁平的转矩控制器结构看起来像电流控制器，不仅掌握了SRM相电流波形的持续转矩产生，而且还补偿了SRM驱动系统的非线性转矩-电流状态。针对四相75 KW 8/6开关磁阻电机，提出了一种基于三层前馈神经网络的精确速度控制器。建议PSC的性能进行评估，并与PI和FLC速度控制器进行比较比较分析是基于上升时间，建立时间，超调，下冲，速度的值302G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300Fig. 1.四相、8定子极/6转子极SRM的几何形状。稳态误差和三个控制器的转矩脉动百分比建议PSC的鲁棒性进行了验证，在这种情况下，例如机械参数的变化，和外部负载干扰。2. 开关磁阻电机的电磁方程图图1显示了本研究中使用的四相8定子极和6转子极SRM的几何结构。虽然SRM的操作似乎很简单，电机的性能的精确调查寻求一个适当的和有点复杂的数学建模方法。通过单相绕组端子的SRM瞬时电压经由（1）中的法拉第定律与绕组中链接的通量相关（Rahman等人， 2001年）：dV= IR+（一）DT由于SRM的定转子均为凸极结构，在磁饱和的影响下，SRM相链中的磁通随电机相绕组电流和转子位置角的变化而变化因此，（1）可以扩展为：V=IR+λ dI+λ dθr（二）Idt式中，（2）中的瞬时电感L（θr，I）取决于转子位置角θr和瞬时相绕组电流I，瞬时反电动势系数Kb（θr，I）单个相（例如相绕组（A））的瞬时电功率描述为：PA=VA IA=RA IA+LA（θr，IA）IdIAAdt+I2ωdLA（θr，IA）A rdθr（三）相位（A）的瞬时转矩由（4）给出：1TA=2IA2dLA（θr，IA）dθr（四）因此，四相SRM的电磁转矩由单个电机四相产生的转矩之和（2G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300303Te=TA（θA，IA）+TB（θB，IB）+TC（θC，IC）+TD（θD，ID）（5）304G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300Tav图二.四相开关磁阻电机的驱动系统。图三.四相SRM驱动系统的APC结构。转矩脉动百分比公式可以通过（6）计算：T型波纹%=. Tmax − Tmin× 100（6）3. SRM驱动系统四相SRM驱动系统如图所示。 二、 该驱动系统包括一个8/6四相SRM，四相不对称功率变换器（APC）馈电机，速度控制器，和换向器。在本文中，SRM速度控制不同类型的速度控制器，如一个精确的速度控制器（PSC），FLC，和传统的比例积分（PI）控制器。将SRM速度指令与实际电机速度进行比较，并通过速度调节器调整它们之间的误差，以发出参考电机电流分量ir ef。该参考电流随后乘以从换向器发出的开关信号Sabcd，然后获得SRM的参考四相电流参考四相SRM电流在反馈回路中与实际电机四相电流进行比较，产生误差信号。这些误差信号通过滞环电流控制（HCC）进行调整，然后产生APC的切换信号。图图3描绘了用于四相SRM的不对称四相功率变换器（APC）电路结构。使用软斩波（相绕组（A）的上/下功率开关S1、S5的驱动信号分别是对应于相绕组（A）的工作区域的脉宽调制（PWM）斩波信号和位置控制信号（Hu等人，2016年）。SRM四相（A-D）有源区中APC开关的工作状态见表1。转换器有三种工作模式，外加一种惰性模式，在惰性模式下，相绕组电流为零，如图所示。 四、 在开关S1和S5都在相接通区域中接通的情况下，电流将迅速地在相绕组（A）中流动，并且相臂将在磁通或励磁模式操作中操作，如图1所示。第4（a）段。同时，S1断开且S5接通，相绕组（A）将处于零电压回路（ZVL）中，并且相绕组（B）将处于零电压回路（ZVL）中。G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300305表1四相功率变换器的有源开关状态。开关元件每相相位a相位b阶段c阶段dSxH斩波斩波斩波斩波SxL常数对常数对常数对常数对图四、单相变流器的工作模式（a）激励模式。（b）自由滑行模式（ZVL）。（c）消磁模式。图五. PSC结构。如图4（b）所示，腿将在自由滑行模式下操作。在开关S1和S5都在相关断区域中关断的情况下，电流将通过续流二极管D1和D5流回到源，并且相臂将在去磁通或去磁模式下操作，如图1B所示。 4（c）（Zhang等人， 2016年）。在软开关状态下，通常采用续流和励磁状态。当定相绕组通电时，这两种状态交替工作。如果APC的上部开关SXH作为斩波开关工作，则下部开关SXL将持续接通。此后，电压差+Vdc被施加到电机相绕组。此外，在基于退磁和激励状态的硬斩波技术的情况下，电压差几乎是软开关状态下的电压差的两倍因此，硬切换状态下的转矩波动将高于软切换状态（Ro等人， 2015年）。4. SRM速度控制器设计4.1. SRM驱动器采用PSC网络结构来解决SRM控制系统的不确定性问题和SRM在不同运行模式下的参数差异问题。PSC结构如图所示。 五、 该控制器采用三层前馈神经网络。第一层是输入层，它有两个输入：SRM速度误差和SRM速度误差的变化第二306G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300=+Cω−C++Ce2r45DTeDTeeDTDTe=DTDT层是具有三个神经元的隐藏层。第三层是输出层，仅具有单神经元，其发出SRM参考电流iref。SRM的电磁方程可以表示为：dωrTeF TLDT=J −Jωr−（七）J根据（7），SRM电磁方程可以重写为：dωr=C1T+C2ω+C3T（八）其中C1、C2和C3是健康模式操作中SRM的标称参数C1、C2和C3的值分别为1/J、-F/J和-1/J。分别这些参数可在SRM操作期间变化因此，（8）可以像（9）中那样重写，以表示这些参数的变化。dωr=（C1+<$C1）T<$+（C2+<$C2）ω+（C3+<$C3）T=C1T+C2ω+C4（9）其中，ΔC1、ΔC2和ΔC3分别是SRM参数C1、C2和C3的变化，以及C4是C4C1TeC2ω rC3T L这是指SRM驱动系统的模糊动态行为的不确定性。PSC有两个输入：SRM速度误差和SRM速度误差的变化。SRM速度误差e和SRM速度误差de/dt的变化可以在（10）和（11）中表示：e=ωr<$−ωr（10）deDT=dωrdt−dωr（11）DT通过将（11）代入（9），得到：de=dωr−C1T−C2ω-C4（12）从（12），可以获得参考电磁转矩，如下：∗Σ−C2ωr−C4+dωr∗−deΣC1SRM速度误差的变化可以表示为：dedt= −C5e（14）其中C5是设计参数。参考（14），SRM的实际速度可以平滑地跟踪速度命令，并且SRM驱动系统的稳定性得到保证。根据（14），基准电磁转矩可以重写为：Te=dωrDTC1（十五）根据（4）和（15），参考SRM四相电流可以如下获得：我不abcd2TedL/dθr（十六）PSC网络的输入向量X可以表示为：.=RLRLRRTe（十三）G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300307X=[X1，X2]TdeT=[e，dt]（十七）PSC的主要目标是寻找一个控制律，确保SRM速度命令和实际SRM速度之间的误差信号为了实现这一点，李雅普诺夫函数V = 0.5e2308G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）3002+ΣΣ−- -DT好 吧参考文献iDTDTe采用了 在函数V的导数为负的情况下;因此，误差信号动态在李雅普诺夫意义上是稳定的（Butler，1992）。V的导数可以计算如下：dV=ede=e（dωr−C1T−C2ω-C4）= −C5e（18）当误差信号e不为零时，函数V减小因此，误差信号将为零。神经元是一个自适应元件，其权重除了根据输出响应之外还根据输入信号自适应。自适应线或（自适应线性元件）是一个简单的自适应过程。 该delta规则降低了均方误差（MSE），并表示为如下（Butler，1992）：WK+1 =WKμeK X+ε+ XT X（十九）其中，WK1是新的权重向量，WK是PSC的输出层的旧的权重向量，eK是误差信号，μ和ε是正增益参数。目标输出与自适应线输出（Yk）之间的误差信号（ek）通过delta规则调整权值，当ε>0时稳定收敛到零amp;0μ 2在（15）中，自适应线问题通过训练PSC的权重/输入来完成，并且经由阈值函数来归一化许多函数，例如sign、sigmoid和saturation，可以用作阈值函数。自适应线的输入向量X被函数sgn（X）取代，得到：sgn（X）=sgn（X1），sgn（X2）T（20）在这种情况下，（19）的delta规则将被重写为（21）：μeK sgn（X）WK+1=WK+（二十一）C6其中C6是正增益参数，并且误差信号eK收敛到零。该算法便于构造简单快速的计算。4.2. 模糊逻辑速度控制器速度模糊逻辑控制器（FLC）具有两个输入;第一个输入是SRM的速度误差e（K），第二个输入是SRM速度误差Ce（K）的变化，如（22）和（23）所示。速度FLC的输出是参考SRM电流iref（K）（Hu等人，2016年）。e（K）=ωr（K）−ωr（K）（22）Ce（K）=e（K）−e（K−1）（23）在模糊化接合处，清晰输入变量e（K）和Ce（K）被变换为模糊变量E（K）和Ce（K）。CE（K）通过图1中所示的三角形隶属函数（MF）。六、两个输入E（K）和CE（K）的论述的论域分别为（150，133）rad/s和（46，65）rad/s。 输出分量k（K）的论述的一致性是（5，6）A。每个语篇单元被划分为七个模糊集：正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）、负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）和零（Z）。在规则库阶段，速度FLC实现表2中所示的49个控制规则。 输出量在去模糊化单元中处理参考SRM电流i_re_f（K）以发出参考SRM电流i_re_f（K）。在去模糊化阶段中，应用质心去模糊化算法，因为如在（24）中那样，将清晰值视为模糊f（K）的MF的重心参考文献（K）=100。你是我的朋友。iref（二十RG.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300309四）310G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300见图6。成员功能。(a)输入1：误差隶属函数。(b)输入2：误差隶属函数的变化。(c)输出隶属函数。表2开关磁阻电机转速controller.错误NBNMNSZPS下午PBNBNBNBNBNBNMNSZNMNBNBNBNMNSZPSNSNBNBNMNSZPS下午更改错误ZNBNMNSZPS下午PBPSNMNSZPS下午PBPB下午NSZPS下午PBPBPBPBZPS下午PBPBPBPB参考电磁转矩Δf（K）通过积分（24）获得，如（25）中所示iref（K）=iref（K−1）+iref（K）（25）G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300311−−未对准电感0.67 e 3小时饱和排列电感0.15 e 3小时最大磁链0.486 WbSRM的惯性0.01 kg m2摩擦系数0.005 N m/rad/s见图7。SRM的性能没有参数变化。(a)拟议PSC。(b)FLC。(c)Pi.5. 仿真结果四相8/6 SRM（表3）的速度控制已使用Matlab/Simulink环境进行SRM由四相不对称功率变换器（APC）供电，采用软开关技术，直流电压为100 V。PSC的性能进行评估和比较PI和FLC速度控制器的上升时间，建立时间，超调，下冲，速度误差，和百分比转矩脉动。PI速度控制器增益为采用极点配置技术，以对称最优准则，增益值Kp和Ki分别为7000和0.8开关磁阻电机的接通和关断位置角分别为37.5°和52.5°在不同的情况下，速度控制器的鲁棒性进行了评估，没有参数变化，机械参数变化的转动惯量与100%的增量，和负载转矩扰动。5.1. 无参数变化图7描绘了在没有参数变化和速度命令1500 rpm条件的情况下，SRM速度与速度命令的关系、实际速度与速度命令之间的速度误差、来自速度控制器的输出SRM参考电流、实际SRM四相电流以及电磁转矩与转矩命令的关系表4总结了三种速度控制器下的SRM性能。表3SRM参数。参数规范额定功率75 kW最大电流25 A定子极8转子极6定子电阻0.05▲对准电感23.6e−3 H312G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300表4SRM性能无参数变化。响应PSCFLCPiRise time（s）0.80800.80500.8059稳定时间（s）1.05711.06071.0605过冲0.01950.02010.0235下冲0.26910.40630.2746稳态速度误差（rpm）111.5扭矩波动（%）14.0315.0815.43图8.第八条。在转动惯量以100%增量变化的机械参数下，SRM的性能（a）拟议PSC。（b）刚果解放阵线。（c）PI。表5在转动惯量增量为100%的情况下，SRM在机械参数变化下的性能响应PSCFLCPiRise time（s）0.82140.82890.8329稳定时间（s）1.24871.25341.2250过冲0.00790.02270.0193下冲0.13400.13460.1373稳态速度误差（rpm）11.51.5扭矩波动（%）16.116.2724.52从图7和表4中可以看出，与FLC和PI速度控制器的响应相比，PSC具有更好的特性性能，因为它的上升时间小、稳定时间小、过冲小、下冲小、稳态时1 rpm的速度误差小、扭矩波动百分比小5.2. 转动惯量（J）100%增量机械参数变化下的SRM图8示出了SRM速度与速度指令的关系、实际速度与速度指令之间的速度误差、来自速度控制器的输出SRM参考电流、实际SRM四相电流以及在惯性矩（J）的机械参数变化具有100%增量和速度指令1500 rpm条件的情况下电磁表4总结了三种速度控制器下的SRM性能。从图8和表5中可以看出，PSC具有更好的特性性能，因为它的上升时间小，过冲小，下冲小，稳态时1 rpm的速度误差小，与G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300313见图9。负载转矩扰动下的SRM性能。(a)拟议PSC。(b)FLC。(c)Pi.表6负载转矩扰动下的SRM性能。响应PSCFLCPiRise time（s）0.80100.80120.8015稳定时间（s）0.97600.98020.9797过冲0.04570.33890.1888下冲000FLC和PI速度控制器的响应。这些响应证明了所提出的PSC对惯性矩中的机械参数变化的鲁棒性5.3. 负载转矩扰动下的开关磁阻电机图9示出了SRM速度与速度指令的关系、实际速度与速度指令之间的速度误差、来自速度控制器的输出SRM参考电流、实际SRM四相电流以及在负载转矩扰动和速度指令1500 rpm条件下的电磁SRM在空载状态下启动，直到t = 1.2 s，然后从t = 1.2 s到t = 1.35 s，SRM加载5N.m的额定转矩的一半，并且从t = 1.35 s到t =1.5 s，SRM加载10N.m的满载，并且从t = 1.5 s到t = 1.7s，满载转矩突然被移除。表6总结了PSC、FLC和PI三种速度控制器下的SRM性能。根据图9，在t = 1.2 s时，使用PSC、FLC和PI控制器的SRM的速度命令和实际速度之间的速度误差分别为0.5 rpm、5 rpm和0.5 rpm对于PSC、FLC和PI控制器，t = 1.2 s时的转矩脉动百分比分别为20%、25%和30%在t = 1.35 s时，PSC、FLC、PI控制器的速度误差分别为1 rpm、10 rpm和0.5 rpm对于PSC、FLC和PI控制器，在t = 1.35 s时的转矩脉动百分比分别为30%、20%和45%在t = 1.55 s时，PSC、FLC和PI控制器的速度误差分别为0.5 rpm、1 rpm和0.5 rpm对于PSC、FLC和PI控制器，在t = 1.55 s时的转矩脉动百分比分别为20%、25%和30%根据图9和表6，PSC具有更好的特性性能，这是由于其小的上升时间、小的过冲、小的下冲、稳态时的小的速度误差以及小的转矩脉动百分比。314G.A. 阿卜杜勒·阿齐兹先生阿明/电气系统和信息技术杂志5（2018）300FLC和PI速度控制器响应。这些响应证明了所提出的PSC对负载转矩扰动的鲁棒性6. 结论介绍了一种用于四相75 KW 8/6开关磁阻电机的精确速度控制器（PSC）。利用李雅普诺夫稳定性理论对开关磁阻电机驱动系统进行了PSC控制，增强了系统的稳定性。在此基础上，设计了PSC的自适应更新律，以抵抗SRM参数差异和外部负载干扰。所提出的PSC方案的控制性能已通过Matlab仿真结果得到证实这些结果表明，所提出的PSC方法具有优越的鲁棒性外部负载扰动，SRM参数的差异，并在速度调节精度更好提高了开关磁阻电机的静态和动态性能PSC还具有鲁棒的在线自学习能力，可以以任何精度逼近非线性函数，并且具有快速的收敛速度。PSC具有更好的性能比其他两个传统的PI和模糊逻辑速度控制器确认作者感谢埃及电子研究所提供完成这项研究所需的所有设施。引用Butler，H.，一九九二年 模型参考自适应控制从理论到实践，系统与控制工程中的普伦蒂斯霍尔系列。Hu，Y.，甘角，澳-地曹伟，Finney，S.J.，2016年。 开关磁阻电动机驱动器的柔性容错拓扑。 IEEE Trans. 电力电子 31（June（6）），4654-4668.石川，H.，Rishab，P.，Naitoh，H.，2009. 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