基于新型控制策略的SRD性能優(yōu)化問題

1993 年,G S Buja 首次將變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于SRD[2]，通過將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)看作干擾，將非線性看作增益偏差，無需電機(jī)的先驗(yàn)特性即可克服SRD 中的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。與傳統(tǒng)控制下的SRD相比，變結(jié)構(gòu)控制SRD 的性能被改善，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化及干擾不敏感，控制策略容易實(shí)現(xiàn)。但是它以SRD工作于SRM磁特性線性區(qū)為前提，忽略了磁飽和及相間耦合的影響。

3.2 模糊智能控制

智能模糊控制在數(shù)學(xué)本質(zhì)上是一種從輸入到輸出的非線性映射關(guān)系，具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，非常適合于SRD控制。文獻(xiàn)[3]以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小為目標(biāo)，采用自適應(yīng)模糊控制策略。系統(tǒng)如圖4所示，控制器以轉(zhuǎn)矩和位置角為輸入，以相電流為輸出?？刂破髅扛粢粋€(gè)采樣周期對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置和觀測(cè)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，由期望轉(zhuǎn)矩和觀測(cè)轉(zhuǎn)矩形成轉(zhuǎn)矩誤差，依照學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)改變隸屬度函數(shù)，不斷調(diào)整控制器的輸出，即調(diào)整期望電流?？刂破鞑灰蕾囉陔姍C(jī)的任何先驗(yàn)知識(shí)，能夠適應(yīng)電機(jī)的任何變化，對(duì)轉(zhuǎn)子位置反饋誤差具有較強(qiáng)的魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和任意逼近非線性函數(shù)的能力，通常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度比較慢，不能滿足實(shí)時(shí)控制要求。文獻(xiàn)[4]利用基于局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CMAC替代圖4的自適應(yīng)模糊控制器，對(duì)期望的電流波形進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最小化。CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)速度快的突出優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，已成功地應(yīng)用于機(jī)器人的控制中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)剛剛處于起步階段，一直以來都在尋找更加有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和快速訓(xùn)練算法，以盡量滿足SRD的實(shí)時(shí)性要求，提高SRD的性能。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制策略(如模糊控制、預(yù)測(cè)控制、非線性控制等)相結(jié)合，應(yīng)用于SRD 系統(tǒng)，更能提高SRD的性能。

3.3 SRM無位置傳感器控制

SRD是位置閉環(huán)系統(tǒng)，但位置傳感器的存在不僅削弱了SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，而且降低了系統(tǒng)高速運(yùn)行的可靠性。因此，探索使用的SRM無位置傳感器檢測(cè)方案可以較好地提高SRD的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn)行和高性能控制的必要前提。

目前在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用軸位置傳感器或者其它類型的探測(cè)式位置檢測(cè)器來獲得位置信息，這不僅會(huì)提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會(huì)降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。早期一般用電動(dòng)勢(shì)或電流波形信息來判定轉(zhuǎn)子位置，由于SRM轉(zhuǎn)子是反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，因此波形監(jiān)視比較復(fù)雜。目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)這一問題從各種角度作了大量研究，提出了多種間接位置檢測(cè)方案，歸納起來大致可以分為以下幾類。

1)充分利用空閑相，人為地注入低幅高頻的模擬測(cè)試信號(hào)從而產(chǎn)生需要的電流等信息以得到位置信息，例如電流波形監(jiān)視法、信號(hào)調(diào)制編碼法和磁通傳感技術(shù)都屬于這一類。

2)基于SRM 磁鏈特性，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)相繞組磁鏈和電流，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子位置。一般采用簡(jiǎn)化磁鏈法解決內(nèi)存占用過大的問題。因?yàn)?，在SRM運(yùn)行時(shí),并不需要轉(zhuǎn)子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達(dá)到換相位置，因此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)就可以簡(jiǎn)化為換相位置檢測(cè)。采用該方法實(shí)現(xiàn)SRM無位置傳感器控制，取得了良好的效果。理論上該方法在低速和高速范圍內(nèi)都可以，但在低速時(shí)磁鏈積分時(shí)間很長(zhǎng)，由于繞組電阻值的變化會(huì)影響磁鏈計(jì)算的精度，因此在低速段不宜使用。

3)基于SRM 模型的方法，但是這種方法只適用于開關(guān)磁阻電機(jī)的線性工作區(qū)域。

3.4 瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩控制(DITC)

由瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖5可以看出，與傳統(tǒng)SRM控制方法相比，最顯著的區(qū)別就是瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩控制把SRM 轉(zhuǎn)矩作為直接控制變量，控制系統(tǒng)中不再包含電流閉環(huán)控制。SRM 產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩通過電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性獲得。參考轉(zhuǎn)矩和SRM估算合成轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器比較產(chǎn)生的結(jié)果決定功率器件的開關(guān)信號(hào)。

瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器對(duì)SRM轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)誤差產(chǎn)生快速響應(yīng)，避免了傳統(tǒng)電流環(huán)控制跟蹤速度的問題。同時(shí)由于瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩得到直接控制，SRM固有的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能夠明顯減小。通過瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩控制，可以很好地解決SRM 的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。同傳統(tǒng)的優(yōu)化相電流波形方法相比，瞬時(shí)直接轉(zhuǎn)矩只需要很小的內(nèi)存存儲(chǔ)SRM 轉(zhuǎn)矩特性查找表來估算反饋的轉(zhuǎn)矩，而優(yōu)化相電流波形須針對(duì)不同的轉(zhuǎn)矩-速度運(yùn)行點(diǎn)，需要存儲(chǔ)大量的控制參數(shù)。而且從控制精度來看，DITC 控制時(shí)SRM 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)系統(tǒng)控制參數(shù)，如開通角茲on、關(guān)斷角茲off 以及電源電壓變化都不敏感，提高了系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩性能。DITC 從根本上解決了SRM 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，從而會(huì)推動(dòng)SRM在高調(diào)速性能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

與一般電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變、非線性系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的控制策略，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能難以達(dá)到較高的指標(biāo)。這就要求把先進(jìn)的控制策略運(yùn)用于SRD 系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)的性能。今后應(yīng)該多從優(yōu)化性能的角度出發(fā)，研究具有較高動(dòng)態(tài)性能，算法簡(jiǎn)單的SRD新型控制策略，從而來提高開關(guān)磁阻電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。