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)矩脈動大大減小，系統(tǒng)對參數(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€采樣周期對當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置和觀測轉(zhuǎn)矩進(jìn)行采樣，由期望轉(zhuǎn)矩和觀測轉(zhuǎn)矩形成轉(zhuǎn)矩誤差，依照學(xué)習(xí)算法實(shí)時改變隸屬度函數(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，能夠適應(yīng)電機(jī)的任何變化，對轉(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)磁阻電動機(jī)傳動系統(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)時性要求，提高SRD的性能。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制策略(如模糊控制、預(yù)測控制、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)簡單的優(yōu)勢，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無位置傳感器檢測方案可以較好地提高SRD的動態(tài)性能。對于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而言，實(shí)時而準(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式位置檢測器來獲得位置信息，這不僅會提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。早期一般用電動勢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，各國學(xué)者對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試信號從而產(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)時檢測相繞組磁鏈和電流，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子位置。一般采用簡化磁鏈法解決內(nèi)存占用過大的問題。因?yàn)?，在SRM運(yùn)行時,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)子位置檢測就可以簡化為換相位置檢測。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，但在低速時磁鏈積分時間很長，由于繞組電阻值的變化會影響磁鏈計(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 瞬時直接轉(zhuǎn)矩控制(DITC)

由瞬時直接轉(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。

瞬時直接轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器對SRM轉(zhuǎn)矩瞬時誤差產(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。同時由于瞬時轉(zhuǎn)矩得到直接控制，SRM固有的轉(zhuǎn)矩脈動能夠明顯減小。通過瞬時直接轉(zhuǎn)矩控制，可以很好地解決SRM 的轉(zhuǎn)矩脈動問題。同傳統(tǒng)的優(yōu)化相電流波形方法相比，瞬時直接轉(zhuǎn)矩只需要很小的內(nèi)存存儲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不同的轉(zhuǎn)矩-速度運(yùn)行點(diǎn)，需要存儲大量的控制參數(shù)。而且從控制精度來看，DITC 控制時SRM 輸出轉(zhuǎn)矩對系統(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)矩脈動問題，從而會推動SRM在高調(diào)速性能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

與一般電機(jī)傳動系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的時變、非線性系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的控制策略，系統(tǒng)的動態(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)，研究具有較高動態(tài)性能，算法簡單的SRD新型控制策略，從而來提高開關(guān)磁阻電機(jī)的動態(tài)性能。