开关磁阻电机性能分析及其模糊控制

许志伟，李永坚

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

0 引 言

开关磁阻（switch reluctance，SR）电机结构简单，适宜在恶劣条件下可靠运行，转矩方向与定子绕组电流方向无关，调速性能好［1－2］.但由于为双凸极结构，具有转矩脉动大的缺点，同时，SR电机的控制与其性能密切相关［3－4］.本文采用Rmxprt分析SR电机的性能，在得到SR电机磁链与电流的关系曲线，转速与电流关系曲线，磁链波形曲线的基础上，利用模糊控制方法设计控制器［5］，仿真结果证明理论分析的正确性.

1 性能分析

SR电机定子磁极上有多相集中绕组，当定子上某相绕组通电时，转子将受到磁阻转矩的作用.定子和转子为双凸极结构，转子上无绕组，本文的SR电机为4相，每相2线圈组成，定子极数为6，定子外径，内径和定子铁心长度分别为120mm、75mm和65mm，定子轭和转子轭高度均为9mm，定子和转子极弧系数均为0.5，转子极数4，转子外径，内径和转子铁心长度分别为70mm、30mm和65mm.SR电机作为机电一体化设备，设计控制器前需得到性能特性，利用Rmxprt依次进行定子铁芯设计，定子绕组设计，转子铁芯设计，最后得到性能参数.其中额定功率60kW，，额定电压300V，额定转速2500 rpm，得到性能曲线如图1所示.

图1 SR电机性能曲线

2 模糊控制

利用得到的SR电机性能曲线，可以建立SR电机模型.在此基础上，设计模糊控制器.模糊控制将专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，利用这些规则去控制系统.因此，模糊控制特别适合于SR电机控制这种复杂的非线性系统.最基本的模糊控制系统结构如图2所示.图中yr为系统设定值，y为系统输出值，它们都是清晰量.

一般说来，模糊控制器有三个主要的功能模块.（1）模糊化.将模糊控制器输入量确定值转换为模糊语言变量值，变量值由对应的隶属度来定义.（2）模糊推理.根据一定原则，从一个或几个已知判断引伸一个新判断思维.（3）清晰化.将模糊推理后得到的模糊集转换为控制用的数字值.本文的模糊控制器设计如下所示.

2.1 模糊变量

（1）模糊变量E模糊变量E是转速实际值和设定值的差值，可用六个变量值θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6来描述，分别表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，对应的量化因子等级均取7，即以－3，－2，－1，0，1，2，3来表示.各变量录属函数如图3所示.

图3 模糊变量E的录属函数

（2）模糊变量ETET是给定转矩与实际转矩的差值，定义为：

用P、Z和N来表示电磁转矩的变化情况，分别表示转矩增加，保持不变和转矩减小，ET的录属度函数如图4所示.

图4 模糊变量ET的录属函数

（3）模糊变量EψsEψs是定子磁链给定值与实际值之差，定义为：

定子磁链变化用4个语言变量表示，为PL，PS，NS和NL.分别表示快速增加，缓慢增加，缓慢减小，快速减小，Eψs的录属函数如图5所示.

图5 模糊变量Eψs的录属度函数

（4）控制变量 逆变器的开关状态U为模糊控制器的控制变量，开关状态共8个，即8个语言值ui（i＝0，…，7），每种开关状态对应一个语言值，U的录属函数描述如下：

2.2 模糊控制率

控制器的第i条规则描述如下：

模糊控制规则表如表1所示.

2.3 模糊决策

根据Mansdani最小运算规则，可得第i条控制结果为：

表1 模糊控制规则表

3 开关磁阻电机模糊控制仿真

图6 SR电机控制系统仿真图

图7 PI控制和模糊控制效果对比

通过上节介绍的方法设计模糊控制器，利用MATLAB／SIMULINK对60kW的6／4的开关磁阻电机控制系统进行仿真分析，SR电机控制系统仿真图如图6所示 .将模糊控制效果与传统PI控制相比较.结果如图7所示.采用常规PI控制的结果如图7（a）～图7（b）所示，其中磁链和电机转矩波动较大，转矩的波动在稳态时范围可达50N＊M，严重影响SR电机的运行性能和使用效果.采用模糊控制的结果如图7（c）～图7（d）所示.其中电机磁链和转矩的波动明显减少，转矩的波动限制在25N＊M以下，降幅达50%以上，效果明显.

4 结 论

本文利用Rmxprt分析SR电机性能，得到SR电机的非线性特性曲线.在此基础上，设计模糊控制器.将电机的非线性与控制器的设计有机结合起来，对于研制高性能的SR电机控制系统具有重要的参考意义.

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