开关磁阻电动机动态性能分析

开关磁阻电机双闭环控制系统设计与调速性能优化王紫旖;李春艳【摘要】开关磁阻电机调速系统(SRD)凭借其造价便宜、运行可靠、操作灵活等诸多优点,逐渐在精准调速及环境恶劣的调速场合崭露头角.在分析单环SRD的基础上,完成一种新型转速外环、电流内环所构成的双闭环的SRD设计并进行调速性能优化.通过理论分析和仿真验证了优化后的SRD在宽调速范围、大负载变动的情况下仍能迅速且稳定地运行,并且稳态波动小且全程无静差,因此该双闭环控制系统有较高的理论研究意义和实际应用价值.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2018(009)003【总页数】11页(P56-66)【关键词】开关磁阻电机调速系统;双闭环控制;Simulink仿真;性能优化【作者】王紫旖;李春艳【作者单位】黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080;黑龙江大学机电工程学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TM352开关磁阻电机调速系统(SRD)是一种涉及微电脑、自动控制理论和电力电子应用等多个领域的电机驱动系统，它在20世纪80年代逐渐发展并走向市场。

SRD集交、直流调速系统的优点于一身，并且由于其结构简单、电路可靠、转矩高、电流低等特点，故可频繁起制动、灵活正反转，因此在高速与恶劣环境下的调速极其适用，目前也成为电机调速领域的热门研究课题之一，并广泛应用在家用电器、纺织设备、电动车驱动等多个领域[1-2]。

由于开关磁阻电机(SRM)本身是一个具有多个可控量、强耦合的非线性系统，为了得到较好的调速性能，必须使用先进的控制方法[3]。

由于常规的线性控制器的参数固定，很难在整个调速范围内满足其动、静态性能要求[4]，要想提高调速性能，通常采用变化参数的控制器。

文献[5]提出了一种在MATLAB/Simulink环境下建立开关磁阻电机模型的方法，与样机对比具有较好的模拟精度，为SRD的研究提出了一种有效的辅助手段；文献[6]通过与电流单环控制的对比，提出并设计了电流、转速双闭环调速控制系统，该系统可加快电机响应，但未考虑电机稳速性能且无法消除静差；文献[7]对速度环采用传统的PI控制，使电机在空载时有较好的静、动态特性；文献[8]利用模糊的PI控制技术改善速度外环控制，与传统PI控制相比，这种控制方法提高了40%的速度响应，降低了1.2%的超调量，调节精度大幅提高，系统震荡明显减小；文献[9]以模糊控制为主要控制算法，并在此基础上引入了变论域方法，克服了普通模糊控制下电机动态性能好而稳态性能较差的缺点，使电机稳态性能得到进一步优化，但在一定程度上也削弱了系统的动态性能；文献[10]在模糊PID调速控制器[11]的基础上提出了融合遗传算法的改进萤火虫算法，并把改进萤火虫算法应用到模糊调速控制器中对最优的量化因子和比例因子进行选取，并通过仿真验证此优化调速控制器在起动过程、负载干扰和转速跟踪性能上均表现出较好的鲁棒性、抗扰性和跟随性，能够节省大量人力并降低工作者的经验要求。

东京理科大学成功开发出适合电动汽车使用的开关磁阻电机可达到永磁电机相同的性能东京理科大学的千叶明教授成功开发出了一种与现有混合动力（HEV）和纯电动汽车（EV）使用的永磁电机(Permanent Magnet Synchronous Motor：PMSM）具有相同性能，且无需使用稀土永磁材料的电机（见照片）。

它属于开关磁阻电机（Switched Reluctance Motors：SRM），通过电机结构以及材料选择等方面的改进，使转矩密度和效率两个重要指标均满足了电动汽车的要求。

开发的SRM样机尺寸与适用于Prius等汽车的PMSM相同，转速在1200r/min的情况下，最大转矩为403Nm（PMSM：400Nm），效率达到86%（PMSM：83%）。

SRM电机结构简单，耐热性出色；过去由于体积过大，影响其推广。

通过对电机结构的改变和材料选择等方面进行的不断研究，最终成功将转矩密度提高到原有SRM所无法达到的45Nm/l。

具体情况，在电机结构上将定子与转子极数分别增加至18和12（见右下图），并在定子上增加了倾斜角，从而加大了转矩。

在材料选择方面，采用了6.5％的硅钢（牌号为10JNEX900），这特别能够提高低输出功率状态下的效率，从而更好地满足了汽车电机的效率要求。

在低功率输出状态下，SRM的效率比PMSM具有明显的优势。

现有HEV 和EV 等驱动电机产品中，使用稀土永磁材料的PMSM 电机最为常见。

目前9成的稀土材料从中国出口，估计今后随着需求量的增加，其价格将会上涨2～3倍。

无需使用稀土材料的SRM 的应用前景值得期待。

此项开发工作也是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO ）推出新一代电动汽车项目中的一个研究课题。

SRM 电机结构与主要特性高超，北京中纺锐力机电有限公司董事长，国家有突出贡献的中青年专家，政府津贴获得者，博士生导师。

他是一位温文尔雅的电机专家，对新能源汽车及车用电机有着深刻的理解；他是一位专业和务实的企业家，在企业管理方面有着独到的理念。

开关磁阻电机控制器的优化调整电路及优化方法开关磁阻电机是一种新型的电动机控制技术，其在能效高、响应快、可靠性强等方面具有明显的优势。

为了进一步提升开关磁阻电机的性能，优化调整电路的设计与方法成为关键。

本文将从电机控制器的优化调整电路以及优化方法两个方面进行深入的探讨。

一、开关磁阻电机控制器的优化调整电路为了实现对开关磁阻电机的有效控制，优化调整电路的设计至关重要。

以下是几种常见的优化调整电路：1. 电流传感电路：电流传感电路主要用于检测电机的工作电流，通过采集电流信号可以实时监测电机的工作状态。

在优化调整电路中，合理设计电流传感电路可以提高电机的工作效率和稳定性。

2. 驱动电路设计：驱动电路是实现对电机正常工作的基础，好的驱动电路设计可以保证电机的工作效率和稳定性。

在优化调整电路中，应采用高质量的驱动电路，确保电流和电压的准确控制，提高电机的响应速度和效能。

3. 电源滤波电路：电源滤波电路主要是为了减小电机系统中的电源噪声和干扰。

在优化调整电路中，采用有效的电源滤波电路可以提高电机的工作质量和稳定性，减小不必要的噪声干扰。

4. 温度保护电路：温度保护电路可以监测电机的工作温度，并在超过安全温度范围时及时采取保护措施。

在优化调整电路中，合理设计温度保护电路可以避免电机过热而损坏，提高电机的可靠性和寿命。

5. 控制信号采集电路：控制信号采集电路用于采集外部控制信号，通过与电机的工作状态相匹配，实现对电机的控制。

在优化调整电路中，合理设计控制信号采集电路可以保证电机的精准控制，提高电机的响应速度和稳定性。

二、开关磁阻电机控制器的优化方法在设计开关磁阻电机控制器的过程中，优化方法是实现高性能电机控制的重要手段。

以下是几种常用的优化方法：1. 目标函数优化：通过建立适当的目标函数，利用数学优化方法对电机控制器的参数进行调整，以达到设计要求。

目标函数可以包括电机的工作效率、响应速度、功耗等指标，综合考虑各种因素进行全局优化。