开关磁阻电机转矩脉动与效率优化方法研究

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由于开关磁阻电机(SRM)在电机结构上存在物理构造简单、材料坚固可靠、所需制造成本较低等优良特性,而且其在工作性能上也拥有较大的起动转矩和调速效果优良等特点,使得SRM被认为是可以在未来的电机市场上占据一席之地并具备极强竞争力的调速电动机。但正是由于其简单的双凸极结构,使得SRM在转动过程中出现了转矩脉动剧烈的现象;而且当SRM运行至电流换相重叠区,由于导通相电流峰值过高,会出现绕组铜耗较大、效率较低的现象。因此,针对以上两种问题,本文提出了一种同时优化转矩脉动和效率的多目标优化方法,并使用遗传算法(GA)离线求解该最优化问题,实现SRM工作在较低转速下可以在不降低效率的情况下降低转矩脉动,SRM工作在较高速度下能够在不增大转矩脉动的情况下提高效率。本文首先通过对开关磁阻电机的机电原理与数学模型分析,利用数学解析式表达转矩分配函数(TSF)的评估指标。为了较为精确地对比分析TSF的性能,首先介绍了获取开关磁阻电机精确模型的方法,并在文中给出了常用的模型数据表。其次为了减少由于电流斩波控制不能使SRM实际输出电流完全贴合参考电流而引起的转矩脉动问题,选用了一种电流预测控制方法降低电流控制器模块所引起的转矩脉动。最后选取了一种转矩脉动优化TSF与传统TSF进行对比研究。将对几种转矩分配函数的性能对比分析之后,提出一种转矩脉动与效率综合优化的控制策略。将电机特性作为约束条件、以最小铜耗为优化目标、结合转矩分配函数的评估指标建立优化问题模型。在所建立最优化模型的基础上利用遗传算法良好的全局寻优能力获取固定转速下的最优电流曲线剖面。在Matlab/Simulink软件工具上建立SRM间接转矩控制系统模型,并根据电机转速的不同选择适合的适应度函数。以同一转速下权重参数的电流剖面作为遗传算法的输入,将其与控制系统模型相结合,求解出满足不同转速需求的最优电流曲线。将优化结果与传统转矩分配函数进行对比分析,验证了转矩脉动与效率综合优化算法能够在低速时有效降低转矩脉动、高速时降低铜耗提高效率。最后,阐述了以TMS320F28335为控制芯片的SRM间接转矩控制系统的电路设计与算法实现,并建立了相关测试平台。在实验平台上完成算法的实现并与传统TSF进行对比,证明了本文所提的算法的实用性。
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