基于微步驱动的开关磁阻电机转矩脉动控制系统

文章摘要：基于微步驱动的开关磁阻电机转矩脉动控制系统一、引言 近几年来，在伺服应用系统领域中对各种转速的要求提高了人们对开关磁阻电机（简称SRM）的兴趣。主要原因还是由于SRM具有结构简单、成本低、运行可靠、低速转矩大、简单的功率转换电路、控制方式灵活和效率高等优点。虽然SRM在过去的几年里有了很大发展，但仍存在一些问题有待研究，如与一般电机相比其转距脉动比较明显，这就限制了其在伺服传动系统中的应用。为了使SRM能在伺服领域中发挥其固有的优点，研究如何有效的抑制SRM低速转矩脉动具有十分重要的意义。在这方面各国学者做了大量的研究，有人提出按在饱和运行时产生近似正弦的转矩/转角静态特性来优化电动机的结构设

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基于微步驱动的开关磁阻电机转矩脉动控制系统

一、引言

近几年来，在伺服应用系统领域中对各种转速的要求提高了人们对开关磁阻电机（简称SRM）的兴趣。主要原因还是由于SRM具有结构简单、成本低、运行可靠、低速转矩大、简单的功率转换电路、控制方式灵活和效率高等优点。虽然SRM在过去的几年里有了很大发展，但仍存在一些问题有待研究，如与一般电机相比其转距脉动比较明显，这就限制了其在伺服传动系统中的应用。为了使SRM能在伺服领域中发挥其固有的优点，研究如何有效的抑制SRM低速转矩脉动具有十分重要的意义。在这方面各国学者做了大量的研究，有人提出按在饱和运行时产生近似正弦的转矩/转角静态特性来优化电动机的结构设计，并且采用伺服电动机控制器产生正弦的希望电流/转角分布，以此削弱瞬时转矩脉动。文献[1]中采用模糊自适emerging SRM.应控制方案，模糊参数从开始的自由选择到最后调整为最优。文献[2]中采用局部逼近的神经网络，对期望的电流波形进行在线学习，从而实现转矩脉动的最小化。但上述方法并没得到广泛的实际应用，其原因主要是其控制方案复杂，难以实时控制。

本文中通过借鉴步进电机细分驱动技术，结合分析SRM矩角特性为本文的控制策略提供理论上的依据，并在实验过程中验证了控制策略的实效性，达到实验的目的，有效地减小转矩脉动，并使噪声大大减小。

    二、微分驱动的原理

    在步进电机的驱动控制中，将电机绕组中的电流对应各个平衡位置进行细分，由常规的矩形波供电改成阶梯波供电，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值或者从额定值经过若干个阶梯下降到零。经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减小。故转子到达平衡位置时的过剩能量也大为减少；另一方面，控制信号的频率提高了N倍（细分数），故可远离转子的低频谐振频率。因此，运用细分驱动不仅能使电机运行平稳，而且还能减弱或消除振荡引起的低频噪声。

从上述可以看出，步进电机的细分实质是在电机各相绕组的电流切换时代替原来的绕组电流直接通断的方法。对于SRM而言，其工作原理与大角度步进电动机相似，定子磁动势在空间以一个较大的步进角步进运行，由此我们考虑到在SRM驱动中是否也可以借鉴步进电机细分驱动的思想，在换相时细分绕组电流使通过绕组的电流阶梯变化，通过控制各相电流的大小使绕组转矩矢量在转子的各平衡位置保持大小基本恒定，即减小了转矩脉动。

三、SRM转矩矢量控制原理

在SRM矩角特性分析中，若忽略磁路的非线性因素影响，电磁转距可表示为：

式中L为SRM相绕组的直感，忽略高次谐波，相绕组自感为：

式中：L0、L1为自感的恒定分量和基波分量的幅值，可以认为是常数。Nr为SRM转子齿数

由（1）、（2）可得：

T(θ,i)=-Tmax*sin(Nrθ)……………………（3）

所以，每相绕组产生的基波电磁转矩是一种空间正弦波，稳定零位取决于该相磁极中心线的位置。电磁转矩是转子位置θ和相电流的函数。因此，可以用空间矢量TA代表A相绕组的电磁转矩，其相位和A相绕组磁极中心线一致。在开关磁阻电机步进运动分析中，旋转磁场转矩矢量图可以使分析形象化，在本文的分析中以（8/6）四相SR电动机为例，如图1。

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