一种抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动的方法
阅读说明：本技术 一种抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动的方法 (Method for inhibiting electromagnetic force pulsation of switched reluctance linear motor ) 是由 陈昊 华孟玉 田嘉成 刘劲夫 刘闯 张珂 巩士磊 于 2021-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动的方法,属于电机控制领域。由于SRLM的非线性特性、双凸极结构和纵向端部效应,SRLM在运行过程中会产生力脉动,引起振动和噪声,限制了SRLMs的发展。为了抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动,本发明以三相双侧SRLM为原型,以RT-LAB为控制器。首先对SRLM下一个周期的电磁力进行预测,然后利用模糊调节器使预测值跟随PI调节器的速度闭环给出的参考值。通过对电磁力的预测,可以有效地解决电机负电磁力问题。同时,电磁力的预测也改善了电机的换向问题。模糊控制非常适合于难以用数学模型描述的SRLM。最后对系统的负载能力进行测试,发现在增加负载后,系统仍然可以抑制电磁力脉动。(The invention discloses a method for inhibiting electromagnetic force pulsation of a switched reluctance linear motor, and belongs to the field of motor control. Due to the nonlinear characteristics, double-salient structure and longitudinal end effects of SRLMs, SRLMs can produce force pulsations during operation, causing vibration and noise, limiting the development of SRLMs. In order to inhibit electromagnetic force pulsation of the switched reluctance linear motor, the invention takes a three-phase double-sided SRLM as a prototype and an RT-LAB as a controller. The electromagnetic force of the next period of the SRLM is predicted, and then the predicted value is made to follow a reference value given by a speed closed loop of a PI regulator by using a fuzzy regulator. By predicting the electromagnetic force, the problem of negative electromagnetic force of the motor can be effectively solved. Meanwhile, the prediction of the electromagnetic force also improves the commutation problem of the motor. Fuzzy control is well suited for SRLMs that are difficult to describe with mathematical models. Finally, the load capacity of the system is tested, and the system can still restrain electromagnetic force pulsation after the load is increased.)
技术领域
本发明涉及一种抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动的方法，具体涉及到一种开关磁阻直线电机的预测模糊控制算法。
背景技术
开关磁阻直线电机是一种特种直线电机，其简单的结构和优良的特性逐渐吸引了专家学者的关注。但由开关磁阻直线电机受纵向端部效应和低运动频率的影响，通常比旋转电机具有更大的力脉动，限制了开关磁阻直线电机的发展。近二十年来，国内外专家学者开始对开关磁阻直线电机进行深入的理论研究与性能实践，相关关键技术的发展使得开关磁阻直线电机成为了直线驱动系统当中可以选择的直线电机之一。
开关磁阻直线电机具有一系列独特的优势：(a)结构简单，坚固耐用，动子部分无线圈无电刷，电机整体不存在永磁体，能够适用于环境较为恶劣的应用场合中(b)启动电流小，但启动转矩大(c)能实现再生制动和能量反馈，降低了能量的浪费(d)系统中可控参数较多，因此控制方法灵活，为高性能控制研究提供了可能。也因此，开关磁阻直线电机在牵引、轨道交通和直接驱动系统中得到广泛应用。然而，由于开关磁阻直线电机的非线性特性、双凸极结构和纵向端部效应，开关磁阻直线电机在运行过程中会产生电磁力脉动，引起振动和噪声，限制了开关磁阻直线电机的发展。降低直线电机电磁力脉动主要采用两种手段，一种是改进电机结构，另一种是优化控制算法。然而，目前的研究主要集中在旋转电机上，对开关磁阻直线电机电磁力纹波抑制控制方法的研究还不够充分。本发明的目的在于，提出一种能够有效抑制开关磁阻直线电机电磁力转矩脉动的控制算法，来进一步提高SRLM的控制性能。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明提出一种抑制开关磁阻直线电机电磁力脉动的方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
本发明在于，针对控制系统的总体组成，本文采用三相不对称半桥电路作为功率变换器的拓扑结构。并以三相6/4的开关磁阻直线电机为原型。其中，三相不对称半桥既可以在开通阶段为相绕组供电，同时在续流阶段也可以将能量回馈给直流电源。此结构可以使各相单独工作，并且有良好的续流通道，此外能够充分地利用开关管的额定电压，同时能实现灵活地控制每一相。所以，不对称半桥结构得到了广泛的应用。
本发明在于，在控制算法方面，在角度位置控制方法的基础上，增加了预测模块和模糊调整模块。其中，角度位置控制是指通过改变电机的开通角和关断角来调节励磁电流，继而控制输出电压。模糊调整模块，采用模糊控制，模糊控制不需要精确的数学模型，适合于SRLM 的非线性特性。在预测模块的设计方面，由电压平衡方程：
式中，U为相电压，i为相电流，R为绕组电阻，ψ为磁链，v是移动器的速度，根据(1)，可以从方程(2)中得到电流与时间的导数：
将方程(2)离散化，得到方程(3)
式中i(k+1)是下一个控制周期的电流，Ts是控制周期。x(k)是移动器的相对位置。则下一控制循环的当前预测值可表示为：
为了避免预测值与输出值之间出现较大偏差，需要将输出值与预测值进行比较，并用二阶龙格-库塔方法来保持预测的准确性。i(k+1)可以表示为：
假设速度在一个控制周期内是一个固定值。则下一个控制循环中的移动器相对位置可以表示为：
当移动器移动到每个移动器循环的末尾时，下一个循环的相对位置可能溢出，因此移动器循环的剩余部分在x(k+1)上执行。
将电流预测值和下一个循环的电机位置输入查找表，得到下一个控制循环的电磁力预测值。这样，当电机某一相出现负电磁力或电磁力波动时，系统就可以对其进行预测并做出相应的调整。
有益效果：
本发明所述以三相双侧SRLM为原型，以RT-LAB为控制器。为了抑制SRLM的电磁力脉动，首先对SRLM下一个周期的电磁力进行预测，然后利用模糊调节器使预测值跟随PI调节器的速度闭环给出的参考值。通过对电磁力的预测，可以有效地解决电机负电磁力问题，适用于低速SRLM。同时，电磁力的预测也改善了电机的换向问题。模糊控制非常适合于难以用数学模型描述的SRLM。通过实验比较，预测模糊控制的电磁力脉动(96.8％)低于模糊控制(145.7％) 和PI控制(163.4％)。然后对系统的负载能力进行测试，发现在增加负载后，系统仍然可以抑制电磁力脉动。
附图说明
图1是本发明的系统原型和硬件平台。
图2是本发明的功率变换器的拓扑结构图。
图3是本发明的各算法的系统结构图。
图4是本发明的模糊控制器的结构和K1、K2与电磁力脉动的关系图。
图5是本发明的开关位置对电磁力的影响。
图6是本发明的预测电流和实际电流波形图。
图7是本发明的开环和预测模糊情况下的三相电磁力波形图。
图8是本发明的各算法控制下的电磁力波形图。
图9是本发明的添加载荷情况下的电磁力波形图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步阐述。
开关磁阻直线电机转矩控制实验系统包括DSRLM原型、RT-LAB数字控制器、隔离器、驱动电路、电流传感器、位置传感器、转速测量装置、力矩测量装置、电源系统和功率转换器等部分构成，其结构如图1所示。
功率变换器主要是围绕着提高运行稳定性和降低成本来设计的，因此采用三相不对称半桥电路作为本实验新型的功率变换器拓扑结构。如图2所示，此结构可以使各相单独工作，并且有良好的续流通道，此外能够充分地利用开关管的额定电压，同时能实现灵活地控制每一相。所以，不对称半桥适用于高压和大功率场合。
在控制算法方面，在APC控制方法的基础上，增加了预测模块和模糊控制模块，控制系统的结构如图3所示。控制算法的核心部分由两部分组成，一部分是模型预测控制(MPC)，MPC具有稳定性好、建模容易、能够有效处理多变量、约束问题的能力，能够提高系统的稳定性，适合于电机控制。二是模糊控制。模糊控制不需要精确的数学模型，适合于SRLM的非线性特性。为了使MPC与模糊控制具有更好的兼容性，本文对模糊控制的控制表、磁链值和力值采用查表的方法，减轻了系统的运行负担。
模糊控制结构图如图4(a)所示。二维查找表是模糊调节器的控制表，以获得清晰性输出圆度影响模糊控制系统的特性。k3选择过小会导致系统动态响应过程变长，k3选择过大会导致系统振荡。首先，对于k3的选择，由于控制表中的最大值为5.35，乘以乘法器k3后，应低于SRLM允许的最大电流，取k3为2.5。对于k1，k2的选择，在模糊模块中输入k1、k2的不同组合，得到使电磁力脉动最小的k1、k2组合。k1和k2的选择与电磁力脉动的关系如图4(b)所示。对于模拟得到的数据，k1取0.1，k2取0.1。
表1模糊控制表
为了找到最佳导通范围，在Simulink中建立了基于图5(a)结构的SRLM驱动系统模型。将不同的开关位置组合到系统中，使电磁力纹波最小，从而确定系统的开关位置。通过Simulink下的仿真，得到了不同开关位置的电磁力脉动，如图5(b)所示。当电磁力脉动最小时，开关位置分别为1mm和27mm。因此，选择1mm和27mm作为系统的开、关位置。在开环情况下，当接通位置为-2mm，断开位置为20mm时，即励磁范围不够大时，得到的三相电磁力如图5(c)所示从图5(c)可以看出，在开断范围不够大的情况下，在换向区，虽然每相的电磁力没有出现负值，但当一相的电磁力下降时，另一相的电磁力没有上升，总的电磁力会迅速下降。在图5(d)中，在预测模糊控制的控制方法下，导通位置为1mm，关断位置为 27mm，电磁力更加连续，换向区电磁力的重叠也防止了总电磁力的急剧下降。
为了保证控制算法的有效性，必须保证预测电流的准确性。由于电磁力是通过查电流表和位置表得到的，所以电流预测的精度直接关系到电磁力的预测精度。以A相电流为例，设定参考转速为0.8m/s，k1为0.1，k2为0.1，k3为2.5，得到预测电流波形和实际电流波形，如图6所示。在图6中，黑线是实际电流，蓝线是预测电流。在图6中，可以看出，当前预测模块能够准确地预测未来的电流值。将预测的电流数据和下一采样周期的移动器位置输入查表，得到预测的电磁力。
图7(a)为开环控制方式下三相电磁力的波形。从图7(a)可以看出，在开环状态下，当MOSFET的传导范围被扩大时，系统的电磁力产生负值，这降低了电机的效率，增加了电磁力的纹波。另外，由于纵向端部效应的影响，三相电流不平衡，使得三相电磁力也出现不平衡。图7(b)是预测模糊控制下系统的三相电磁力波形图。在图7(a)相同的通断范围下，预测模糊控制下的三相电磁力不出现负值。从而提高了电机的效率，降低了电磁力脉动。同时，三相电磁力的不平衡也得到了一定程度的降低。
利用Simulink对系统进行仿真，得到开环状态下电磁力脉动最小的开关位置组合。开启位置为-2mm，关闭位置为20mm。电动机的电磁力如图8(a)所示，在起动开始时存在较大的起动转矩。SRLM的换相区主要出现较大的电磁力脉动。在相同给定速度下，PI控制下的电磁力波形如图8(b)所示，在PI控制下，与开环相比，转矩脉动的抑制不明显。其原因可能是PI控制方法具有滞后性，结构相对简单，PI模块的电流控制对电磁力纹波的抑制作用较小。SRLM的非线性特性和低频特性也会影响PI调节的效果。为了证明预测模块在抑制电磁力纹波中的作用将模糊控制的参数调整到最优状态。从图8(c)可以看出，与PI控制相比，模糊控制下电磁力纹波问题有了明显改善。预测模糊控制下系统的电磁力波形如图8(d)所示，在预测模糊控制下，在电磁力稳定后，电磁力纹波比开环、PI控制和模糊控制更好地被抑制。由于预测模糊控制比单纯的模糊控制能更明显地抑制SRLM的电磁力脉动，因此对电磁力的预测是有效的。
由前一部分可知，预测模糊控制能有效地抑制电机电磁力脉动。与PI控制和模糊控制单独作用时相比，对电磁力脉动的抑制效果更明显。为了测试预测模糊控制系统的负载能力，取前文确定的参数。然后加载电机并测试其性能。当负载增加到50N时，其他参数不变，SRLM 的电磁力曲线如图9(a)所示，增加负载后，系统仍能很好地抑制电磁力纹波。继续增加载荷至100N，得到电磁力波形，如图9(b)所示，当负载为100N时，系统对电磁力纹波的抑制减弱。此时，可以提高系统的电源电压，以提供更大的电磁力。
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