电驱动系统多目标优化方法.docx
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电驱动系统多目标优化方法
课程设计报告
题目：
电驱动系统多目标优化方法
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课程设计任务书
电驱动系统多目标优化方法
一、设计内容
1、以开关磁阻电机为例，掌握影响电驱动系统性能的主要因素；
2、对不同优化方法进行对比研究（比如：
协同进化等）；
3、选取其中一种方法对电驱动系统性能进行优化；
二、主要技术指标
1、不同优化方法对比研究；
2、电驱动系统性能优化；
三、进度要求
2012.09.03—2012.09.05查阅资料；
2012.09.06—2012.09.07对设计内容1、2进行总结；
2012.09.08—2012.09.11电驱动系统性能优化；
2012.09.12—2012.09.14撰写报告；
学生
指导教师
摘要
本文以开关磁阻电机为例，介绍了影响电驱动系统性能的一些主要因素。
开关磁阻电机结构简单，适合在恶劣环境下运行；只在定子上有绕组，没有转子铜耗。
因此开关磁阻电机驱动系统迎合了机电运动控制系统向低制造成本，高可靠性和高能量转换效率发展的趋势，融合了电力电子技术和现代控制算法发展成果，成为近年内运动控制领域的研究热点。
本文阐述了开关磁阻电机驱动系统的发展概况、基本结构和运行原理，并以此为基础对影响开关磁阻电机驱动系统性能的因素进行了分析，提出了不同方式的改进方法，并着重对影响开关磁阻电机驱动系统性能的各种控制策略进行分析和介绍其优缺点，展望了开关磁阻电机驱动系统的发展趋势。
关键词：
电驱动系统；开关磁阻电机；开关磁阻驱动系统；控制策略
目录
摘要3
第1章概述5
1.1SRD的历史和发展简介5
1.2SRD系统的特点6
1.3SRD系统构成7
1.3.1SR电机本体7
1.3.2功率变换器8
1.3.3控制器9
1.3.4位置、电流检测器9
1.4SRD的研究方向10
1.4.1功率变换器拓扑结构设计10
1.4.2多目标优化控制10
1.4.3消除转矩脉动控制11
1.4.4低噪声控制11
1.4.5无转子位置检测11
第2章SRD运行原理12
2.1转矩产生原理12
2.2电路分析13
2.3能量转换关系14
2.4SR电动机的运行特性15
第3章SRD的优化方法17
3.1传统优化方法17
3.1.1对SRM的改善进行分析17
3.1.2对功率变换器的改善18
3.2SRM的控制策略改善19
3.2.1线性化控制20
3.2.2滑模变结构控制21
3.2.3智能控制22
3.2.4基于转矩分配函数规划的控制23
3.2.5平均转矩控制24
3.2.6其它策略25
总结与展望26
参考文献26
第1章概述
开关磁阻电动机驱动系统（SwitchedReluctanceDrives，简称SRD）以其结构简单、工作可靠、转矩惯量比大、效率高和成本较低等优点脱颖而出，是近几十年来发展较快的机电运动控制系统，其优良的性能在某些方面超过了以往使用的交、直流调速系统及变频调速系统，正越来越受到人们的喜爱。
随着电力电子技术和电磁材料的不断发展，开关磁阻电机驱动系统已日臻成熟，其产业化的不断推进，并且逐渐深入生产、科研、国防、生活的各个层面，已是不争的事实。
1.1SRD的历史和发展简介
开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor,SRM）最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。
到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。
1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。
1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司（srdltd.），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。
1983年英国（srdltd.）首先推出了SRD系列产品，该产品命名为Oulton。
1984年tasc驱动系统公司也推出了他们的产品。
另外srdltd.研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。
该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。
在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。
成本分别为1.01.51.0。
美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。
在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。
同时高速性能是SRD的一个特长的方向。
据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kw的高速SRD样机。
我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。
SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。
华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。
纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。
从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。
对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。
1.2SRD系统的特点
SR电机系统具有一些很有特色的优点:
（1）电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。
工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;
（2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却;转子无永磁体高温退磁现象:
可允许有较高的温度;
（3）转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。
同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高;
（4）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。
（5）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性;
（6）在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。
能四象限运行，具有较强的再生制动能力;
（7）有很好的容错能力，可以缺相运行。
（8）这些优点使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。
（9）早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。
同时，SRD还具有很大的转矩脉动。
目前，转矩脉动和噪声这两个突出问题已经制约了SRD的进一步推广和应用。
随着研究的深入，降低SR电机的噪声和减小转矩脉动成了SRD的研究热点。
1.3SRD系统构成
SRD系统主要由四部分组成：
SR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。
它们之间的关系如图1所示：
图1SRD组成框图
1.3.1SR电机本体
SR电机本体是SRD的执行元件，如图2所示开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体;定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。
其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。
若顺序给d-a-b-c-d相绕组通电,则转子便按逆时针方向连续转动起来。
当主开关管s1、s2导通时，a相绕组从直流电源v吸收电能;当s1、s2关断时,绕组电流通过续流二级管d1、d2将剩余的能量回馈给电源。
图2典型的4相8/6极SRM横截面图
1.3.2功率变换器
功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。
80年代初，主开关器件皆用SCR。
鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。
但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。
后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。
80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。
因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。
所以TascDrives公司的OultonSRD产品中均用GTO作主开关器件。
近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。
功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。
其中，最常见的拓扑结构有:
不对称半桥式、直流电源分裂式等。
1.3.3控制器
SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。
它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。
伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器（DSP）给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。
数字控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。
数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。
因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。
软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。
1.3.4位置、电流检测器
位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。
它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。
常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案。
电流检测器向控制器提供SR电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:
电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。
1.4SRD的研究方向
针对srd系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究。
1.4.1功率变换器拓扑结构设计
由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。
SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组合而成。
SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。
随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。
因此更理想的功率变换器拓扑结构应该为:
（1）能够独立、快速又精确地对sr电机各相相电流进行控制;
（2）磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速;
（3）驱动同等功率等级的sr电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的sr电机;
（4）每相主开关器件数目最少。
1.4.2多目标优化控制
在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。
由于SRD控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只是针对单个系统的优化结果。
与传统的电机调速系统相比，SRD系统实现优化控制的难度要高一些。
但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益深入，它们在SRD系统中的应用也逐渐增多。
如采用传统的pi调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了SR电机的转速和转矩控制。
一些现代的控制理论和方法在SR电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与pi控制结合在一起的混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制等。
这些现代控制技术的使用部分解决了SRD系统的非线性多变量强耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的提出的模型太过复杂而难以用于SR电机实时控制，而有的为控制目的提出的模型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的价值。
但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在SRD系统中得到切实应用。
1.4.3消除转矩脉动控制
SR电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。
由于SRM的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。
这点限制了SRD在很多直接驱动领域的应用。
提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。
目前已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。
1.4.4低噪声控制
针对SR电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。
早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。
随着研究的深入和SR电机应用的日益广泛，降低SR电机的噪声成了一个关键的研究课题。
1.4.5无转子位置检测
位置检测是SR电机同步运行的基础，也是SR电机区别于步进电机的主要方面之一，SR电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，为了得到良好的性能，SR电机的控制器需要知道转子的位置信息。
目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。
为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为SR电机研究的一大热点。
第2章SRD运行原理
SR电机是一种机电能量转换装置。
根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。
下文将从SR电机电动角度阐述SR电机的运行原理。
2.1转矩产生原理
如图3所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令（正转或反转），导通相应的定子相绕组的主开关元件。
对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。
当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合（平衡位置）时，电磁转矩消失。
此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最佳状态下运行。
图3三相SR电动机剖面图
从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。
若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。
为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。
2.2电路分析
图4中电源VCC是一直流电源，3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1～IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。
当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路（即励磁阶段）是由电源正极→上开关管→绕组→下开关管→电源负极，如图4（a）所示。
开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路（即去磁阶段）是绕组→上续流二极管→电源→下续流二极管→绕组，如图4（b）所示。
图4SRM电路工作示意图
2.3能量转换关系
当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM工作时的能量转换过程为:
通电相绕组的电感处在电感上升区域内（转子转向“极对极”位置），当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。
2.4SR电动机的运行特性
SR电动机运行速度低于ωfc（第一临界速度）的范围内，为了保证ψmax和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，或三者同时配合控制。
当SR电动机在高于ωfc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降（如图5中细实线）。
为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。
但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加（一般不能超过半个转子极距）。
因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。
当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图5所示。
图5SR电动机的运行特性
开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。
在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。
通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。
而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。
运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。
采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。
从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。
从控制角度看，在上述两个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式（CCC方式），在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制方式（APC方式）。
第3章SRD的优化方法
SRD包括了开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和位置检测器。
它性能的改善不能一味地依靠优化SRM与功率变换器设计，还必须借助先进控制策略的手段。
3.1传统优化方法
3.1.1对SRM的改善进行分析
由SRM的准线性模型分析得到平均电磁转矩解析式：
式中，
电机的结构参数:
m为电机相数，nr为转子极数,θ2为最小电感开始随位置角变化的起始角，Lmax为最大电感，Lmin为最小电感;
控制参数:
us为外加绕组相电压,θoff为关断角,θon为开通角，ωr为转速。
当给定电动机，电机的结构参数是一定的。
若要改变电机转矩大小，只有改变SRM的控制参数:
定子绕组电压Us、开通角θon与关断角θoff。
SRM的控制就是如何合理改变这三个控制参数以达到运行要求。
根据改变控制参数的不同方式，SRM有3种控制模式，即角度位置控制（AngularPositionControl，简称APC）、电流斩波控制（CurrentChoppingControl，简称CCC）与电压控制（VoltageControl，简称VC）。
其中，APC是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转矩大小，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能。
CCC一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，CCC实际上是调节电压的有效值，与APC类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角;VC是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压来控制电机转速，它分直流侧PWM斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。
3.1.2对功率变换器的改善[1]
先前常用的四相电机功率变换器主电路主要是双极性电源型和不对称半桥型。
双极性电源型功率变换器每相只用一只主开关是其主要优点，未能用足开关器件的额定电压和电源的容量。
在双相运行时，相电流可能流过dl/dθ<0的区域，这时电动转矩的有效性将降低，而且，两相同时通电，电机磁路饱和加剧，进一步降低了电流产生电动转矩的有效性。
不对称半桥型用足了主开关管的额定电压；可避免电机与电源间的无功能量交换，增加转矩、提高功率变换器容量的利用率、减少斩波次数、抑制电源电压波动、降低转矩脉动都是有利的。
但每相需2只主开关，未能充分体现较其他交流调速系统变流器固有的优势。
可以看出，从性能上看，不对称半桥型较双极性电源型有很大优势，其唯一不足是所用开关器件数量多，明显增加了功率变换器的成本，经济性差。
对作者本项目的四相（8/6）SRD而言，采用双相运行时，因为其中两相间的电流一般不会重叠，因此，传统不对称半桥结构中，两相一组分别可共用一只上臂主开关（共用一只下臂时相对需多增加两套独立的驱动电路供电电源，增加了成本），从而减少2个主开关，构成如图6所示的四相功率变换器主电路。
这种主电路方案具有较高的性能价格比。
只是在应用中要注意，要保证在双相运行时，A相与C相或B相与D相之间不能同时导通，比如可以按AB→BC→CD→DA→AB…顺序导通，否则上部的开关管将承受更大的压力。
图6功率变换主电路
系统采用三相交流电源（线电压380V、50Hz）供电。
系统中使用的整流电路为三相三线制电路，分为二极管整流部分和电容滤波部分。
电解电容C1、C2对整流电路的输出起到滤波作用，而电阻R1、R2起到平衡两个电容上的电压及整个系统关闭时对C1、C2电容放电的作用。
在系统加电开始工作的瞬间，为了防止滤波电容开始充电所引起的过大的浪涌电流，需要采取一定的保护措施，系统采用了电阻-继电器并联网络。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了MOSFET控制极输入阻抗高和GTR通态饱和压降低的优点，其工作频率较高、驱动电路简单，目前是中、小功率开关磁阻电机功率变换器较理想的主开关元件。
本项目选用IGBT作为系统的主开关元件。
对于IGBT的驱动电路，EXB840是日本富士公司提供的150A/600V和高达75A的1200V快速型IGBT专用驱动模块。
整个电路信号延迟时间不超过1μS，最高工作频率可达40KHz-50KHz,它只需外部提供一个+20V的单电源，内部自己产生一个-5V反偏压。
对系统比较适用。
3.2SRM的控制策略改善
在SRD发展初期，SRM及其功率变换器所具有的简单、经济、可靠的优点，使得SRD一度风靡欧洲，传动界都试图将其迅速商品化。
但当时SRD的研究尚处于开创阶段，它的结构理论、运行理论、设计方法等都不成熟，大多数研究集中于SRM与功率变换器的分析、设计。
而控制策略主要以线性模型为基础，结合传统pi或pid控制器，简单地运用上述3种控制模式图如图7所示，采用前馈转矩（或电流）控制、反馈转速控制。
由此构建的SRD系统难以获得理想的输出特性，不但转矩脉动大、噪声大，而且系统鲁棒性差，其动
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