引  言

開關磁阻電機（SRM）具有結構簡單、轉子無繞組和永磁體，與其他電機相比較轉動慣量小，可以高速旋轉、可靠性高的優點，增加了開關磁阻電機的使用范圍。但是SRM具有轉矩脈動大和噪聲大的缺點。精確控制需要精確的位置信號。合適的開關角隨著電流與轉速的不同而變化。這篇論文研究了離線狀態下的開關角。

電流換相過程中考慮了兩個不同的控制目標：

1、給定電流下的最大輸出轉矩；2、最小的轉矩脈動。開關角被看做相電流與轉速的函數。計算所得的最佳值被儲存到計算機系統中構成一個二維表格。

在SRD仿真模型上進行了優化過程，并進行了進一步的實驗驗證。

SRM模型

通常做以下假設：定轉子尺寸是理想的，忽略渦流和相間互感。在此假設下，SRM的轉矩可以表示為每個相轉矩的和，每個相轉矩只與各自的相電流和轉子位置相關。相轉矩可以從磁鏈-電流-轉子位置角特性曲線得出來。這些曲線可以通過靜態測量獲得，并存入二維表格中。這個方法需要大量測量或計算。并且表格也是比較難建立的。并且二維表格在實時控制過程中也是低效的。為了避免上述提到的困難，通過對轉矩公式化簡，可以將磁鏈與轉矩變化為兩個一維函數。從而通過簡化后的模型離線計算出最佳開關角。

優化過程

通過模型分析了SRM的兩個控制目標。第一個目標是使得平均轉矩與參考電流比值最大；第二個目標是轉矩的均方根與平均轉矩比值最大。將這兩個目標看作轉速和電流值的函數。通過MATLAB完成仿真和優化程序，通過MATLAB工具箱中的OPTIMZATION來解決優化問題。結果如圖1所示。

圖1 兩種控制目標下不同電流與轉速的開關角 A）轉矩與參考電流的比值最大B）最小轉矩脈動

仿真結果

當開關角分別固定為-22.5°與-7.5°時電流與轉矩的仿真結果如圖2所示：

圖2 開關角分別固定為-22.5°與-7.5°時電流與轉矩波形圖

圖3和4分別為轉矩與參考電流的比值最大和最小轉矩脈動下的電流轉矩波形圖

圖3 轉矩與參考電流的比值最大下的電流轉矩波形圖

圖4 最小轉矩脈動下的電流轉矩波形圖

實驗結果表明，最小轉矩脈動目標控制獲得了轉矩波動最小值，約為轉矩平均值的5%。以最大轉矩為控制目標的轉矩波動大于20%的平均轉矩值。而固定開關角的轉矩波動在5%-15%之間。

實驗驗證

通過DSP與FPGA構成控制器，在SRM上實現所提控制。實驗結果如圖5和6所示。其中圖5為固定開關角下不同轉速下的電流波形，圖6為所提方法下的電流波形。

圖5 固定開關角不同轉速下的電流波形

圖6 變開關角不同轉速下的電流波形

通過比較圖5與圖6可以看出，固定開關角在高速（100rps）時不適用，而變開關角則可以很好地用于高速情況。

結  論

高性能的SRM驅動器要求對電流換相角進行精確控制，并且要隨著轉速與電流的變化而變化。換相角的選擇可以根據不同的控制目標而進行不同的選擇。在本文中研究了轉矩與電流比值最大與最小轉矩脈動兩個控制目標下的開關角優化。第一個優化目標適用于高速情況，第二個控制目標適用于低速情況。優化過程可以在離線情況下完成，然后將所得優化值儲存到表格中。實驗結果表明，所提控制方法取得了良好的結果。

來源：CAE愛聯盟