開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制：多維度策略與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，電機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor，SRM）作為一種新型調(diào)速電機(jī)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在眾多電機(jī)類型中脫穎而出，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）是集開關(guān)磁阻電機(jī)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)與控制技術(shù)于一體的新型機(jī)電一體化調(diào)速系統(tǒng)。SRM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，其定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，這使得它在制造工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，且能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，如高溫、強(qiáng)震動(dòng)等場(chǎng)合。在調(diào)速性能方面，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速范圍寬廣，可在低速下長期穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置最高轉(zhuǎn)速，有效解決了變頻調(diào)速電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的問題。其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%，而起動(dòng)電流僅為額定電流的30%，特別適合重載起動(dòng)和頻繁啟動(dòng)的工作場(chǎng)景。同時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)還具備較高的效率，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都能保持良好的節(jié)能效果，整體效率比交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)至少高3%以上，在低速下更是能提高至少10%。此外，它還擁有功率因數(shù)高、可頻繁正反轉(zhuǎn)起動(dòng)停止、系統(tǒng)調(diào)控性好、制動(dòng)性好以及在缺相和過載時(shí)仍可工作等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使得開關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等眾多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達(dá)100,000r/min。盡管開關(guān)磁阻電機(jī)擁有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大這一問題嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。在運(yùn)行過程中，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，各相繞組的磁阻不斷改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩輸出呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)。同時(shí)，其采用開關(guān)形式的供電方式，相電流的通斷瞬間會(huì)引起電磁力的突變，進(jìn)一步加劇了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的程度。這種較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)引發(fā)一系列不良影響，它會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)和噪聲，不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成干擾；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)，降低了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，對(duì)于一些對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如精密儀器設(shè)備、伺服控制系統(tǒng)等，開關(guān)磁阻電機(jī)的這一缺陷限制了其適用性；長期的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)對(duì)電機(jī)的機(jī)械部件產(chǎn)生額外的應(yīng)力和磨損，縮短電機(jī)的使用壽命，增加設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，降低系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。因此，抑制開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有極其重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來看，深入研究轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法，有助于進(jìn)一步完善開關(guān)磁阻電機(jī)的理論體系，加深對(duì)電機(jī)電磁特性和運(yùn)行規(guī)律的理解，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能夠顯著拓寬開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，使其能夠滿足更多高精度、高穩(wěn)定性的應(yīng)用需求，如在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以提高車輛行駛的舒適性和穩(wěn)定性；在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，能夠提升設(shè)備的加工精度和生產(chǎn)效率；在航空航天等對(duì)設(shè)備可靠性要求極高的領(lǐng)域，也能為開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用提供可能。這不僅有助于推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，還能促進(jìn)資源的優(yōu)化配置和利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。所以，如何減小開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，成為了當(dāng)前開關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和關(guān)鍵問題之一，吸引著眾多學(xué)者和科研人員不斷探索和創(chuàng)新。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制問題一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)取得了豐碩的成果。國外對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的研究起步較早，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位。早在20世紀(jì)80年代，美國、英國、德國等國家的科研機(jī)構(gòu)和高校就開始對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行深入研究。在控制策略方面，美國學(xué)者提出了轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（TorqueSharingFunction，TSF）控制方法，通過合理分配各相繞組的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩更加平滑，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。英國的研究團(tuán)隊(duì)則在智能控制算法上取得了突破，將模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制中，能夠根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性。德國的學(xué)者注重從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，通過改進(jìn)定、轉(zhuǎn)子的形狀和尺寸，優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)分布，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用方面，國外已經(jīng)將開關(guān)磁阻電機(jī)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，并且不斷推動(dòng)其向更高性能、更小型化的方向發(fā)展。國內(nèi)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院等積極投入到開關(guān)磁阻電機(jī)的研究中，在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了顯著的成果。在控制策略研究上，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的創(chuàng)新和改進(jìn)。例如，提出了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，利用滑模面的魯棒性來克服電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響；研究了自適應(yīng)控制策略在開關(guān)磁阻電機(jī)中的應(yīng)用，通過在線辨識(shí)電機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，提高了系統(tǒng)的控制精度。在電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布、電磁力等進(jìn)行精確計(jì)算，深入研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響規(guī)律，從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車輛、紡織機(jī)械、風(fēng)機(jī)水泵等行業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。盡管國內(nèi)外在開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面取得了諸多成果，但目前仍存在一些不足和待解決的問題。一方面，現(xiàn)有的控制策略大多是基于特定的電機(jī)模型和運(yùn)行條件設(shè)計(jì)的，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)性有限，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)電機(jī)工作在復(fù)雜工況下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果可能會(huì)受到影響。另一方面，智能控制算法雖然具有良好的控制性能，但算法復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)控制器的硬件要求較高，限制了其在一些低成本、小型化系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，在電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，雖然通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但往往會(huì)犧牲電機(jī)的其他性能，如輸出轉(zhuǎn)矩、效率等，如何在多個(gè)性能指標(biāo)之間找到最優(yōu)的平衡點(diǎn)，還需要進(jìn)一步深入研究。在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)磁阻電機(jī)與其他系統(tǒng)的兼容性和集成性問題也有待解決，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制這一核心問題，從多個(gè)角度展開深入研究，旨在全面剖析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因，并提出有效的抑制策略，具體研究?jī)?nèi)容如下：開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理研究：深入分析開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從磁路和電路的角度出發(fā)，研究磁通與電流之間的非線性關(guān)系，以及這種非線性如何導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩輸出的波動(dòng)。同時(shí)，考慮電機(jī)運(yùn)行過程中不同磁極之間磁阻差異對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，分析電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)（如磁極數(shù)、磁極弧度、氣隙長度等）、控制參數(shù)（如相電流幅值、斬波頻率、導(dǎo)通角等）以及轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)負(fù)載等因素與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)抑制策略的提出提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略研究：一方面，對(duì)傳統(tǒng)的控制策略如相電流控制、相電壓控制和速度反饋控制進(jìn)行深入分析，研究如何通過優(yōu)化電流波形、控制電壓調(diào)制以及根據(jù)速度反饋實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)等方法來減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另一方面，探索現(xiàn)代智能控制策略在開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制中的應(yīng)用，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等智能算法的控制策略，研究如何利用這些算法的自適應(yīng)能力和非線性映射能力，根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)智能地調(diào)整控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效抑制。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)分布、電磁力等進(jìn)行精確計(jì)算，深入研究電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合問題，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法（如NSGA-Ⅱ算法）在參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)上對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)，在保證電機(jī)其他性能（如輸出轉(zhuǎn)矩、效率等）不受較大影響的前提下，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到顯著降低，為開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供優(yōu)化方案。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：利用MATLAB/Simulink等仿真軟件搭建開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型，對(duì)所提出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過分析仿真結(jié)果，評(píng)估不同策略和方案對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)相關(guān)策略和方案。同時(shí)，搭建開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和所提方法的有效性和可行性。為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：理論分析：基于電磁學(xué)、電機(jī)學(xué)等基本原理，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入的理論推導(dǎo)和分析，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從理論層面揭示轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與各影響因素之間的關(guān)系，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。仿真模擬：借助MATLAB/Simulink、ANSYSMaxwell等專業(yè)仿真軟件，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真模擬。通過設(shè)置不同的參數(shù)和運(yùn)行條件，模擬電機(jī)在各種工況下的運(yùn)行情況，分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的變化規(guī)律，評(píng)估不同抑制策略和優(yōu)化方案的效果，為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)和參考。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制作樣機(jī)并配備相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備，如轉(zhuǎn)矩傳感器、電流傳感器、示波器等。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，同時(shí)檢驗(yàn)所提抑制策略和優(yōu)化方案在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和可行性。二、開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理2.1開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理開關(guān)磁阻電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，這種加工工藝可盡可能地減小電機(jī)的渦流及磁滯損耗。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。<此處插入圖1：開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖><此處插入圖1：開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖>定子上安裝有集中繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，開關(guān)磁阻電機(jī)可設(shè)計(jì)成不同的相數(shù)，常見的有單相、兩相、三相、四相及多相磁阻電機(jī)。相數(shù)的選擇會(huì)對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生影響，一般來說，相數(shù)越多，步距角越小，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但相數(shù)增多會(huì)導(dǎo)致所需的開關(guān)器件增加，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本也相應(yīng)提高。目前，三相和四相電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中最為常用。不同相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有不同的搭配方式。例如，三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)常見的有6/4結(jié)構(gòu)和12/8結(jié)構(gòu)，四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)多采用8/6結(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)子上既沒有繞組，也沒有永磁體，更不存在換向器、滑環(huán)等部件，這使得轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固耐用。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了開關(guān)磁阻電機(jī)諸多優(yōu)勢(shì)，如能夠適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)以及惡劣的工作環(huán)境。開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行基于“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于轉(zhuǎn)子的磁阻不均勻，轉(zhuǎn)子會(huì)受到磁拉力的作用，朝著使磁路磁阻最小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。具體工作過程如下：假設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子在某一初始位置時(shí)，給某一相定子繞組通電，該相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)力矩，促使轉(zhuǎn)子向該相磁阻最小的位置旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，該相磁阻逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使該相磁阻最小的位置時(shí)，即轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極中心線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)磁路的磁阻最小，相繞組電感最大。若要使轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，就需要在該相磁阻達(dá)到最小值時(shí)，切斷該相電流，并給下一相繞組通電，如此循環(huán)，通過依次切換各相繞組的通電狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)持續(xù)旋轉(zhuǎn)起來。以三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)為例，其工作原理可進(jìn)一步說明如下。圖2為該電機(jī)的一相電路原理示意圖，S1、S2是電子開關(guān)，D1、D2是二極管，E是電源。當(dāng)開關(guān)S1、S2合上，A相繞組通電，該相通過直流電源E進(jìn)行勵(lì)磁，電機(jī)內(nèi)將建立起以O(shè)A為軸線的徑向磁場(chǎng)，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。此時(shí)，由于氣隙中的磁力線是彎曲的，磁路的磁阻大于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時(shí)的磁阻，轉(zhuǎn)子會(huì)受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用，使得轉(zhuǎn)子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA運(yùn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Oa運(yùn)動(dòng)到與OA軸線重合時(shí)，磁阻最小，A相不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時(shí)切換到B相導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)另一個(gè)步進(jìn)角。若連續(xù)不斷地按A－B－C的順序分別給繞組通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)逆著勵(lì)磁順序以順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給C－B－A相通電，則電機(jī)會(huì)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，只取決于相繞組通電的順序。<此處插入圖2：三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)一相電路原理示意圖><此處插入圖2：三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)一相電路原理示意圖>在電機(jī)運(yùn)行過程中，各部件發(fā)揮著重要作用。定子繞組作為產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，其通電狀態(tài)的切換決定了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過控制電子開關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子繞組電流的控制，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。而定子和轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)以及它們之間的相對(duì)位置變化，是實(shí)現(xiàn)磁阻變化和電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的關(guān)鍵。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理，使得開關(guān)磁阻電機(jī)在調(diào)速性能、可靠性等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生，這將在后續(xù)內(nèi)容中詳細(xì)分析。2.2轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因2.2.1雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的磁場(chǎng)不均勻開關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)特的雙凸極結(jié)構(gòu)是其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的重要根源。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子均采用凸極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的磁阻隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而發(fā)生顯著改變。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，磁通會(huì)選擇磁阻最小的路徑閉合。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不同位置下定子與轉(zhuǎn)子凸極之間的相對(duì)位置不斷變化，導(dǎo)致磁路的磁阻呈現(xiàn)周期性變化。具體來說，當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極逐漸靠近定子凸極時(shí)，磁路磁阻逐漸減小，電感逐漸增大；而當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極對(duì)齊時(shí)，磁阻達(dá)到最小，電感達(dá)到最大。隨著轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路磁阻又逐漸增大，電感逐漸減小。這種磁阻和電感的周期性變化，使得電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布變得不均勻。根據(jù)電磁學(xué)原理，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)能量的變化率密切相關(guān)。在磁場(chǎng)不均勻的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的出現(xiàn)。從磁共能原理的角度進(jìn)一步分析，磁共能W'與相電流i和磁鏈\psi的關(guān)系為W'=\int_{0}^{\psi}i(\psi,\theta)d\psi，其中\(zhòng)theta為轉(zhuǎn)子位置角。由于雙凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致磁鏈\psi與轉(zhuǎn)子位置\theta以及相電流i之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，使得磁共能在電機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生波動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=\frac{\partialW'}{\partial\theta}，磁共能的波動(dòng)必然導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)子位置\theta的變化而波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，在某一時(shí)刻，當(dāng)某相繞組通電時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，該相磁路的磁阻不斷變化，導(dǎo)致磁鏈發(fā)生改變。根據(jù)上述公式，磁共能也隨之改變，從而使得電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)。這種波動(dòng)在電機(jī)的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，形成明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而且，不同相之間由于磁阻變化的不一致性，在換相過程中，各相轉(zhuǎn)矩的疊加也會(huì)加劇轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的程度。2.2.2電流特性對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響開關(guān)磁阻電機(jī)的電流特性對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有著重要影響。在電機(jī)運(yùn)行過程中，相電流的變化直接關(guān)系到電磁轉(zhuǎn)矩的大小和穩(wěn)定性。首先，電流上升和下降時(shí)間不一致是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，通過控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)相電流的通斷。然而，由于功率開關(guān)器件的特性以及電路中的電感、電阻等因素的影響，相電流的上升和下降過程并非瞬間完成，而是需要一定的時(shí)間。當(dāng)電流上升時(shí)間較長時(shí)，在相同的導(dǎo)通角內(nèi)，電流無法快速達(dá)到設(shè)定值，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩較?。欢?dāng)電流下降時(shí)間較長時(shí)，在關(guān)斷相電流時(shí)，電流不能及時(shí)減小到零，會(huì)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩。這種電流上升和下降時(shí)間的不一致性，使得電磁轉(zhuǎn)矩在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，從而增加了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其次，換向時(shí)電流斷續(xù)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生不利影響。在開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行過程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要按照一定的順序?qū)Ω飨嗬@組進(jìn)行通電和斷電操作，這就涉及到相電流的換向過程。在換向瞬間，如果電流不能及時(shí)從一相轉(zhuǎn)移到另一相，就會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象。電流斷續(xù)會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩瞬間下降，使得電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而加劇轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而且，電流斷續(xù)還可能引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。此外，電子開關(guān)死區(qū)時(shí)間也是影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)重要因素。為了防止功率開關(guān)器件的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路故障，在控制電路中通常會(huì)設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，功率開關(guān)器件處于關(guān)斷狀態(tài)，相電流無法正常流通。死區(qū)時(shí)間的存在會(huì)導(dǎo)致相電流波形發(fā)生畸變，使得電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向發(fā)生變化，從而增加了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而且，死區(qū)時(shí)間的大小和分布對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響程度也不同，不合理的死區(qū)時(shí)間設(shè)置會(huì)使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更加明顯。2.3轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)性能的影響2.3.1能效降低分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生額外的損耗，從而降低電機(jī)的能效。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要不斷地克服轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，這就導(dǎo)致了能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗增加。具體來說，在開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，電機(jī)加速，動(dòng)能增加；而當(dāng)轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，電機(jī)減速，動(dòng)能減少。在這個(gè)過程中，電機(jī)需要不斷地進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能（通過發(fā)電制動(dòng)），這種反復(fù)的能量轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生額外的能量損耗。例如，在某工業(yè)應(yīng)用中，一臺(tái)額定功率為10kW的開關(guān)磁阻電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)的能效為85%。當(dāng)存在較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)時(shí)，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的能耗明顯增加，在相同的運(yùn)行時(shí)間和負(fù)載條件下，其能效降低至80%。這意味著，在相同的工作任務(wù)下，電機(jī)需要消耗更多的電能，從而增加了運(yùn)行成本。從能量轉(zhuǎn)換的角度進(jìn)一步分析，電機(jī)的能效可以用公式\eta=\frac{P_{out}}{P_{in}}來表示，其中\(zhòng)eta為能效，P_{out}為輸出功率，P_{in}為輸入功率。當(dāng)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)時(shí)，輸出功率P_{out}由于轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)而不穩(wěn)定，而輸入功率P_{in}則需要提供額外的能量來克服轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得P_{in}增大。根據(jù)上述公式，分子P_{out}減小，分母P_{in}增大，從而導(dǎo)致能效\eta降低。而且，這種能效降低的程度與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小密切相關(guān)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大，能效降低越明顯。在一些對(duì)能效要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線等，能效的降低不僅會(huì)增加能源消耗和運(yùn)行成本，還可能影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)效益。2.3.2噪音與振動(dòng)問題探討轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械噪聲和振動(dòng)的主要原因之一。在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生周期性變化，這種變化會(huì)產(chǎn)生周期性的電磁力。當(dāng)電磁力的頻率與電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率接近或相等時(shí)，就會(huì)引發(fā)共振，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械噪聲和振動(dòng)。具體而言，開關(guān)磁阻電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，在電磁力的作用下，定子和轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移和變形。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在，電磁力是周期性變化的，這就使得定子和轉(zhuǎn)子的位移和變形也呈現(xiàn)周期性，從而產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)通過電機(jī)的機(jī)座、軸承等部件傳遞到周圍環(huán)境中，產(chǎn)生機(jī)械噪聲。例如，在某實(shí)驗(yàn)中，對(duì)一臺(tái)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過振動(dòng)傳感器和噪聲測(cè)試儀檢測(cè)到，在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的情況下，電機(jī)的振動(dòng)幅值明顯增大，達(dá)到了0.5mm，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲也高達(dá)80dB（A）。長期處于這樣的振動(dòng)和噪聲環(huán)境下，不僅會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行，還會(huì)對(duì)電機(jī)的機(jī)械部件造成額外的磨損和疲勞，縮短電機(jī)的使用壽命。從電機(jī)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理來看，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)由多個(gè)彈性元件和質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)，具有一定的固有頻率。當(dāng)電磁力的頻率與固有頻率匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，使得振動(dòng)和噪聲加劇。而且，不同頻率的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)激發(fā)電機(jī)不同部位的振動(dòng)，例如，低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可能會(huì)引起電機(jī)整體的晃動(dòng)，而高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)則可能導(dǎo)致電機(jī)部件的局部振動(dòng)。這些振動(dòng)和噪聲不僅會(huì)對(duì)電機(jī)本身造成損害，還會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備和工作環(huán)境產(chǎn)生不良影響，如干擾其他精密儀器的正常工作，影響操作人員的身心健康等。2.3.3對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)整個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性有著顯著的影響。在一些精密控制系統(tǒng)或?qū)煽啃砸筝^高的應(yīng)用場(chǎng)景中，如機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)等，對(duì)電機(jī)的控制精度和穩(wěn)定性要求極高。而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)用于這些系統(tǒng)中時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)。在精密控制系統(tǒng)中，通常需要電機(jī)按照精確的速度和位置指令運(yùn)行，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際位置與指令位置之間產(chǎn)生偏差，從而降低控制精度。例如，在一臺(tái)用于精密加工的數(shù)控機(jī)床上，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得其轉(zhuǎn)速在運(yùn)行過程中出現(xiàn)±5r/min的波動(dòng)，這導(dǎo)致加工出來的零件尺寸精度偏差達(dá)到了±0.05mm，無法滿足高精度加工的要求。長期受到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各部件會(huì)承受周期性的應(yīng)力變化，容易出現(xiàn)早期疲勞損壞。電機(jī)的軸承、聯(lián)軸器等機(jī)械部件在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的作用下，會(huì)受到交變載荷的作用，導(dǎo)致疲勞壽命縮短。例如，在某工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得連接電機(jī)和關(guān)節(jié)的聯(lián)軸器在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)了裂紋，需要提前更換，這不僅增加了設(shè)備的維護(hù)成本，還影響了機(jī)器人的正常運(yùn)行。而且，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還可能導(dǎo)致電機(jī)的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如電流過大保護(hù)、速度控制不穩(wěn)定等，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。三、抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制策略3.1傳統(tǒng)控制策略分析3.1.1電流剖面法電流剖面法，也被稱作電流滯環(huán)跟蹤法，是一種常用的抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制策略。其原理基于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與相電流之間的密切關(guān)系。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩T與相電流i以及電感L相關(guān)，表達(dá)式為T=\frac{1}{2}i^2\frac{\partialL}{\partial\theta}，其中\(zhòng)theta為轉(zhuǎn)子位置角。這表明通過精確控制相電流的大小和波形，能夠?qū)﹄姶呸D(zhuǎn)矩進(jìn)行有效調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。在實(shí)際應(yīng)用中，電流剖面法通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的相電流，并與預(yù)先設(shè)定的參考電流進(jìn)行比較。當(dāng)相電流低于參考電流下限時(shí)，功率開關(guān)器件導(dǎo)通，使相電流上升；當(dāng)相電流高于參考電流上限時(shí)，功率開關(guān)器件關(guān)斷，相電流下降。通過這種方式，將相電流限制在一個(gè)狹窄的滯環(huán)范圍內(nèi)，使其盡可能地跟蹤參考電流波形。例如，在某開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)定參考電流為一個(gè)平滑的曲線，通過電流滯環(huán)控制，使實(shí)際相電流緊緊跟隨參考電流變化，從而減小了由于電流波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電流剖面法具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。它的控制原理相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，對(duì)控制器的硬件要求較低，成本相對(duì)較低。而且，該方法能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行快速響應(yīng)和精確控制，在一定程度上有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能。然而，電流剖面法也存在一些局限性。一方面，由于實(shí)際的開關(guān)磁阻電機(jī)存在非線性因素，如磁飽和、繞組電阻變化等，使得相電流難以完全準(zhǔn)確地跟蹤參考電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果受到一定影響。另一方面，在高速運(yùn)行時(shí)，由于功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率限制，相電流的跟蹤性能會(huì)變差，無法及時(shí)響應(yīng)參考電流的變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。而且，電流滯環(huán)控制可能會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)器件的頻繁開關(guān)，增加了開關(guān)損耗，降低了系統(tǒng)的效率。3.1.2直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，DTC）是一種在交流調(diào)速領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的控制策略，近年來也被應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制中。其基本原理是直接在定子坐標(biāo)系下，采用定子磁場(chǎng)定向，將電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈作為狀態(tài)變量進(jìn)行直接反饋調(diào)節(jié)。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通過檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流，實(shí)時(shí)計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。定子磁鏈\psi_s的計(jì)算通常采用電壓積分法，即\psi_s=\int(u_s-R_si_s)dt，其中u_s為定子電壓，R_s為定子電阻，i_s為定子電流。電磁轉(zhuǎn)矩T_e則可以根據(jù)定子磁鏈和電流計(jì)算得出，表達(dá)式為T_e=p\frac{\psi_s\timesi_s}{\vert\psi_s\vert}，其中p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。然后，將計(jì)算得到的實(shí)際轉(zhuǎn)矩和磁鏈與給定的參考轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈閉環(huán)都采用雙位式bang-bang控制。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，選擇使定子磁鏈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，這樣定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角增加，實(shí)際轉(zhuǎn)矩增大；一旦實(shí)際轉(zhuǎn)矩高于給定轉(zhuǎn)矩，則選擇電壓矢量使定子磁鏈反方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致夾角降低，轉(zhuǎn)矩減小。通過這種方式，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩快速跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，同時(shí)保持定子磁鏈的幅值基本不變。例如，在某開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際轉(zhuǎn)矩低于給定轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制器會(huì)迅速選擇合適的電壓矢量，使定子磁鏈旋轉(zhuǎn)，從而增加轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。直接轉(zhuǎn)矩控制在限制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面具有一定的作用。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，在電機(jī)加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過程中，能夠迅速調(diào)整轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而且，該方法不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了控制運(yùn)算速度。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制在應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)時(shí)也存在一些問題。它未充分考慮開關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和磁鏈特性。開關(guān)磁阻電機(jī)的磁路具有高度的非線性，磁鏈與電流之間的關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于線性模型的直接轉(zhuǎn)矩控制方法難以準(zhǔn)確描述和控制這種非線性特性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果不理想。在低速運(yùn)行時(shí)，由于定子電阻的影響以及電壓檢測(cè)誤差等因素，基于電壓積分法計(jì)算的定子磁鏈準(zhǔn)確性較差，會(huì)導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制精度下降，進(jìn)一步加劇轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而且，直接轉(zhuǎn)矩控制采用的雙位式bang-bang控制會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)，雖然可以通過減小滯環(huán)帶寬來減小脈動(dòng)，但這會(huì)增加功率元件的開關(guān)頻率，帶來額外的開關(guān)損耗。3.1.3直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（DITC）直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（DirectInstantaneousTorqueControl，DITC）是一種針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的有效控制策略。其工作原理是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)子位置，直接計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，并將其與給定的參考轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較。在DITC中，首先根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。以三相開關(guān)磁阻電機(jī)為例，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩T可以表示為各相轉(zhuǎn)矩之和，即T=T_A+T_B+T_C，其中T_A、T_B、T_C分別為A、B、C相的轉(zhuǎn)矩。每相轉(zhuǎn)矩可根據(jù)該相的電流、電感以及轉(zhuǎn)子位置等參數(shù)計(jì)算得出，如T_A=\frac{1}{2}i_A^2\frac{\partialL_A}{\partial\theta}，i_A為A相電流，L_A為A相電感，\theta為轉(zhuǎn)子位置角。然后，將計(jì)算得到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生控制信號(hào)，通過控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，來調(diào)節(jié)相電流的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的精確控制。例如，當(dāng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩小于參考轉(zhuǎn)矩時(shí)，控制器會(huì)增加相電流，以提高轉(zhuǎn)矩；當(dāng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩大于參考轉(zhuǎn)矩時(shí)，則減小相電流，使轉(zhuǎn)矩降低。通過這種實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)輸出更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩。直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有較好的抑制效果。它能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩變化，快速響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)需求，在電機(jī)運(yùn)行過程中，無論是在穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)工況下，都能有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性。而且，該方法直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，避免了一些間接控制方法中由于中間變量的誤差積累而導(dǎo)致的控制精度下降問題，具有較高的控制精度。然而，直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些問題和挑戰(zhàn)。它需要精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，電機(jī)參數(shù)的變化（如溫度變化導(dǎo)致的電阻變化、磁飽和引起的電感變化等）會(huì)影響瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算精度，進(jìn)而影響控制效果。DITC的計(jì)算量較大，對(duì)控制器的運(yùn)算能力要求較高，這增加了硬件成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。在高速運(yùn)行時(shí)，由于功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率限制以及信號(hào)檢測(cè)和處理的延遲，可能無法及時(shí)準(zhǔn)確地控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。3.1.4轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（TSF）轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（TorqueSharingFunction，TSF）是一種廣泛應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的控制策略。其基本概念是將電機(jī)的總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩分解為多個(gè)單相目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，通過對(duì)各相轉(zhuǎn)矩的合理分配和控制，使合成轉(zhuǎn)矩盡可能地接近理想的平滑轉(zhuǎn)矩，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。具體來說，轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)f_i(\theta)定義了在不同轉(zhuǎn)子位置\theta下，第i相所承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩比例?？傓D(zhuǎn)矩T_{total}與各相分配轉(zhuǎn)矩T_i之間的關(guān)系為T_{total}=\sum_{i=1}^{m}T_i，其中m為電機(jī)的相數(shù)，T_i=T_{ref}f_i(\theta)，T_{ref}為參考轉(zhuǎn)矩。常見的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)有直線型、指數(shù)型、余弦型和立方型等。以余弦型轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)為例，其表達(dá)式為f_i(\theta)=\frac{1}{2}[1+\cos(\frac{2\pi}{m}(\theta-\theta_{on,i}))]，其中\(zhòng)theta_{on,i}為第i相的開通角。通過合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，可以使各相轉(zhuǎn)矩在時(shí)間上相互配合，在換相過程中，通過調(diào)整各相轉(zhuǎn)矩的分配比例，使合成轉(zhuǎn)矩保持平穩(wěn)。例如，在某四相開關(guān)磁阻電機(jī)中，采用余弦型轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，在換相區(qū)間內(nèi)，逐漸減小關(guān)斷相的轉(zhuǎn)矩分配比例，同時(shí)逐漸增加開通相的轉(zhuǎn)矩分配比例，使得合成轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)明顯減小，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)方法也存在一些不足之處。其性能高度依賴于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的選擇和參數(shù)設(shè)置，不同的電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行工況需要不同的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，如何選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)和參數(shù)是一個(gè)難題。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)往往是基于理想的電機(jī)模型設(shè)計(jì)的，沒有充分考慮電機(jī)的非線性因素（如磁飽和、繞組電阻變化等）以及實(shí)際運(yùn)行中的各種干擾，在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)矩與理想轉(zhuǎn)矩之間存在偏差，影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果。而且，在高速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度限制，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)可能無法及時(shí)調(diào)整各相轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。3.2新型控制策略研究3.2.1基于優(yōu)化換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略近年來，隨著對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)性能要求的不斷提高，學(xué)者們提出了許多新型的控制策略來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。中國礦業(yè)大學(xué)的楊帆、陳昊等學(xué)者提出了一種創(chuàng)新性的基于優(yōu)化換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略。該策略主要思想是在換相區(qū)將電機(jī)劃分為兩個(gè)區(qū)域，分別調(diào)整輸入相和輸出相的轉(zhuǎn)矩分配比例，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效降低和效率的提升。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制中，往往沒有充分考慮換相區(qū)的特殊性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果不理想。而該策略通過對(duì)換相區(qū)進(jìn)行細(xì)分，能夠更精準(zhǔn)地控制各相轉(zhuǎn)矩。在換相的前一區(qū)域，通過抑制輸入相轉(zhuǎn)矩的分配比例，電機(jī)能夠更快地響應(yīng)參考轉(zhuǎn)矩，從而有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這是因?yàn)樵谳斎胂嚯姼凶兓瘦^低時(shí)，減少輸入相分配的轉(zhuǎn)矩，有助于降低峰值電流，提高轉(zhuǎn)矩電流比。例如，在某12/8三相開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)中，在換相的前一區(qū)域，將輸入相轉(zhuǎn)矩分配比例降低20%，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了15%，同時(shí)轉(zhuǎn)矩電流比提高了10%。在后一區(qū)域，研究者們將輸出相轉(zhuǎn)矩壓至零，避免出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩的情況，進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)效率。負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生會(huì)消耗能量，降低電機(jī)的效率，通過這種方式，能夠有效減少能量損耗，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。在上述電機(jī)實(shí)驗(yàn)中，在后一區(qū)域?qū)⑤敵鱿噢D(zhuǎn)矩壓至零后，電機(jī)的效率提高了8%。為了驗(yàn)證該方法的有效性，研究者在一臺(tái)12/8三相開關(guān)磁阻電機(jī)上進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所提出的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略能有效降低開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，也能有效地提高開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行效率。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略相比，該策略在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制和效率提升方面都取得了顯著的效果，為開關(guān)磁阻電機(jī)的控制提供了一種新的思路和方法。3.2.2基于轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的控制策略基于轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的控制策略是一種利用轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和控制，從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。在這種控制策略中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器發(fā)揮著關(guān)鍵作用?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器通過構(gòu)建合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確估算。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力，能夠逼近任意復(fù)雜的非線性函數(shù)。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩與多個(gè)因素如相電流、轉(zhuǎn)子位置、磁鏈等存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。通過將這些因素作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，轉(zhuǎn)矩作為輸出，利用大量的樣本數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其學(xué)習(xí)到轉(zhuǎn)矩與輸入變量之間的映射關(guān)系。例如，可以采用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層接收相電流、轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)，經(jīng)過隱含層的非線性變換，最終在輸出層輸出估算的轉(zhuǎn)矩值。將轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，能夠顯著抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方法往往難以準(zhǔn)確地獲取電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制精度不高，從而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而引入轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器后，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地估算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩之間存在偏差時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的輸出迅速調(diào)整控制信號(hào)，通過改變功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，調(diào)節(jié)相電流的大小和相位，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩快速跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在某開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，引入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了20%，電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性得到了顯著提高。3.2.3模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合策略模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合策略是一種綜合了模糊控制、線性自抗擾控制和優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)點(diǎn)的新型控制策略，旨在提高開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾性和自適應(yīng)性，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制器融合了模糊控制和線性自抗擾控制的優(yōu)勢(shì)。模糊控制具有不依賴于精確數(shù)學(xué)模型、對(duì)非線性和不確定性系統(tǒng)具有良好適應(yīng)性的特點(diǎn)。它通過模糊推理規(guī)則，將輸入的誤差和誤差變化率等信息轉(zhuǎn)化為控制量，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化。而線性自抗擾控制則能夠有效地估計(jì)和補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)外擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。它通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并通過反饋控制對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。在開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制器能夠根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率，利用模糊控制的靈活性和線性自抗擾控制的抗干擾能力，快速調(diào)整控制信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值附近。將模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能。優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制進(jìn)行了優(yōu)化，提高了控制精度。兩者結(jié)合后，在電機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)受到外部干擾或電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制器能夠迅速調(diào)整轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定；同時(shí)，優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)轉(zhuǎn)速控制器的輸出，精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，使電機(jī)輸出更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過仿真對(duì)比驗(yàn)證了該策略在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面的優(yōu)越性。在相同的工況下，將該策略與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，采用模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合策略的開關(guān)磁阻電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了30%，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減小，系統(tǒng)的抗干擾能力和自適應(yīng)性得到了顯著提高，電機(jī)的運(yùn)行性能得到了明顯改善。四、基于電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法4.1結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響4.1.1氣隙長度氣隙長度在開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)帶負(fù)載能力有著顯著影響。當(dāng)氣隙長度過小時(shí)，雖然磁路磁阻減小，有利于提高電機(jī)的電磁性能，增強(qiáng)磁場(chǎng)耦合，使電機(jī)能夠產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩。但同時(shí)，氣隙磁場(chǎng)的不均勻性會(huì)加劇，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。這是因?yàn)闅庀哆^小，使得定、轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)分布更加敏感于轉(zhuǎn)子位置的變化，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，微小的位置偏差就會(huì)引起磁場(chǎng)的較大變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)增大。相反，若氣隙長度過大，磁阻會(huì)顯著增大，為了維持電機(jī)的正常運(yùn)行，需要更大的勵(lì)磁電流。這不僅會(huì)增加電機(jī)的能耗和成本，還會(huì)使電機(jī)的功率因數(shù)降低，帶負(fù)載能力下降。由于磁阻增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減小，難以帶動(dòng)較大的負(fù)載。而且，過大的氣隙長度還會(huì)使氣隙磁場(chǎng)的諧波含量增加，進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。研究表明，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小的氣隙長度存在一個(gè)最優(yōu)值。在某開關(guān)磁阻電機(jī)的研究中，通過有限元分析軟件對(duì)不同氣隙長度下的電機(jī)性能進(jìn)行仿真分析。當(dāng)氣隙長度為0.5mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，達(dá)到了30%；隨著氣隙長度逐漸增大到0.8mm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)逐漸減小，降至15%；而當(dāng)氣隙長度繼續(xù)增大到1.2mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)又開始增大，達(dá)到了20%。這表明在該電機(jī)中，氣隙長度為0.8mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，此時(shí)電機(jī)的性能較為優(yōu)良。而且，氣隙長度的變化還會(huì)影響電機(jī)帶負(fù)載能力。當(dāng)氣隙長度從0.5mm增大到0.8mm時(shí)，電機(jī)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)減小，能夠更穩(wěn)定地帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；但當(dāng)氣隙長度增大到1.2mm時(shí)，電機(jī)在相同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速明顯下降，帶負(fù)載能力減弱。4.1.2定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有著重要的影響。隨著定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)的增大，平均轉(zhuǎn)矩會(huì)不斷增大。這是因?yàn)闃O弧系數(shù)增大，使得定、轉(zhuǎn)子極之間的重疊面積增加，磁通量增大，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式T=\frac{1}{2}i^2\frac{\partialL}{\partial\theta}，在相電流i不變的情況下，電感L對(duì)轉(zhuǎn)子位置角\theta的變化率增大，從而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩增大。然而，定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響較為復(fù)雜。在定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)較小時(shí)，其數(shù)值的變化對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響不大。這是因?yàn)榇藭r(shí)極弧系數(shù)較小，定、轉(zhuǎn)子極之間的重疊面積較小，磁通量的變化相對(duì)較小，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響不明顯。但當(dāng)定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)大于某一特定值后，隨著平均轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)大幅度增大。這是因?yàn)闃O弧系數(shù)過大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的磁場(chǎng)分布更加不均勻，在換相過程中，各相之間的電磁力相互干擾加劇，使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)急劇增加。以某四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)為例，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)定子極弧系數(shù)從0.3逐漸增大到0.4時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩從10N?m增大到12N?m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從10%略微增大到12%，變化不明顯；而當(dāng)定子極弧系數(shù)繼續(xù)增大到0.5時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩增大到15N?m，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)卻急劇增大到30%。同樣，對(duì)于轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)，當(dāng)從0.3增大到0.4時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化較??；當(dāng)增大到0.5時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著增大。這充分說明了定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)在不同數(shù)值范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的不同影響。4.1.3定、轉(zhuǎn)子軛部厚度定、轉(zhuǎn)子軛部厚度對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有一定的影響。隨著定子軛部厚度的增大，電機(jī)的磁阻減小，磁通分布更加均勻，從而使得轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)槎ㄗ榆棽亢穸仍黾?，能夠提供更大的磁通量承載能力，減少了磁路中的磁飽和現(xiàn)象，使得磁場(chǎng)分布更加穩(wěn)定，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在某開關(guān)磁阻電機(jī)中，將定子軛部厚度從10mm增加到12mm，通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從20%降低到了15%。而隨著轉(zhuǎn)子軛部厚度的增加，情況則有所不同，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)隨之變大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子軛部厚度增加，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子的響應(yīng)速度變慢，使得電磁轉(zhuǎn)矩的變化不能及時(shí)跟上控制信號(hào)的變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。例如，在上述電機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子軛部厚度從8mm增加到10mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)從15%增大到了18%。雖然定、轉(zhuǎn)子軛部厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響程度相對(duì)氣隙長度和極弧系數(shù)來說較小，但在電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，仍然需要綜合考慮這些因素，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的最優(yōu)。4.2基于NSGA-Ⅱ算法的結(jié)構(gòu)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化華南理工大學(xué)的陳吉清教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯和多結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合的問題，展開了深入研究。該團(tuán)隊(duì)從開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，鑒于線性解析方法難以精確分析轉(zhuǎn)矩特征，便建立了電機(jī)有限元模型。通過該模型求解出轉(zhuǎn)矩特征，并進(jìn)行了樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保模型的準(zhǔn)確性。在分析樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在耦合問題。為解決這一難題，他們選擇了NSGA-Ⅱ算法在參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)上對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)。NSGA-Ⅱ算法（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithmII）是一種經(jīng)典的多目標(biāo)優(yōu)化算法，能夠?qū)ふ也⒈３忠唤M非劣解集。在開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中，該算法可以綜合考慮多個(gè)目標(biāo)，如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩等。在參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)上，團(tuán)隊(duì)將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)最小化和平均轉(zhuǎn)矩最大化作為優(yōu)化目標(biāo)。首先，確定影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如定、轉(zhuǎn)子外徑，定子軛高，鐵芯長度，繞組匝數(shù)，定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)等。然后，利用NSGA-Ⅱ算法的遺傳操作，包括選擇、交叉和變異，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行搜索和優(yōu)化。在選擇操作中，算法根據(jù)個(gè)體的非支配排序和擁擠度，選擇適應(yīng)度較高的個(gè)體進(jìn)入下一代；交叉操作則通過交換兩個(gè)父代個(gè)體的部分基因，生成新的子代個(gè)體，增加種群的多樣性；變異操作以一定的概率對(duì)個(gè)體的基因進(jìn)行隨機(jī)改變，避免算法陷入局部最優(yōu)。經(jīng)過多輪迭代計(jì)算，NSGA-Ⅱ算法在保證優(yōu)化后樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩均優(yōu)于初始電機(jī)的條件下，最終獲得了樣機(jī)最優(yōu)化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響存在較大差異。電機(jī)定、轉(zhuǎn)子外徑和定子軛高主要影響非換相期間的轉(zhuǎn)矩；鐵芯長度、繞組匝數(shù)和定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對(duì)換相和非換相期間的轉(zhuǎn)矩均有影響。在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨定子外徑和定子軛高的增大而減小，隨轉(zhuǎn)子外徑的增大而增大，隨定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)、繞組匝數(shù)、鐵芯長度變化的規(guī)律不明顯，轉(zhuǎn)子軛高變化對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幾乎沒有影響。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)集成優(yōu)化平臺(tái)中NSGA-Ⅱ算法的多目標(biāo)尋優(yōu)，電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別降低了7.73%、10.64%、34.39%。這表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制效果，證明了該優(yōu)化方法的有效性，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。如果在結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上配合良好的電機(jī)控制策略，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果將更好。五、開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1仿真模型的建立為了深入研究開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的有效性，利用MATLAB/Simulink和Maxwell軟件建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型。該模型全面考慮了電機(jī)本體、控制策略以及負(fù)載等多個(gè)方面，通過精確的參數(shù)設(shè)置和驗(yàn)證，確保了模型能夠準(zhǔn)確模擬開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。在MATLAB/Simulink中，電機(jī)本體模型的搭建是關(guān)鍵步驟之一。基于開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，充分考慮了電機(jī)的非線性特性，如磁飽和、繞組電阻變化等因素。通過設(shè)置合適的模塊參數(shù)，如定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)、相數(shù)、繞組匝數(shù)、電感、電阻等，精確地描述了電機(jī)的電氣和機(jī)械特性。對(duì)于一臺(tái)三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，在Simulink中設(shè)置定子極數(shù)為12，轉(zhuǎn)子極數(shù)為8，相數(shù)為3，繞組匝數(shù)根據(jù)實(shí)際電機(jī)參數(shù)設(shè)定為200匝，定子繞組電阻為0.5Ω，電感則根據(jù)電機(jī)的磁化曲線進(jìn)行非線性設(shè)置，以準(zhǔn)確反映電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的電感變化。同時(shí)，利用Simulink中的積分模塊和微分模塊，建立了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的實(shí)時(shí)計(jì)算。控制策略模型的搭建則根據(jù)所研究的抑制策略進(jìn)行。如果采用基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制策略，在Simulink中構(gòu)建了轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)模塊，根據(jù)選定的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（如余弦型轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)），將總目標(biāo)轉(zhuǎn)矩合理地分配到各相。通過設(shè)置不同的參數(shù)，如開通角、關(guān)斷角等，調(diào)整各相轉(zhuǎn)矩的分配比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制。對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制策略，建立了定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模塊，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流，計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，并與給定的參考值進(jìn)行比較，采用雙位式bang-bang控制來調(diào)整功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。負(fù)載模型的搭建根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)置。如果模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的情況，負(fù)載模型采用與風(fēng)機(jī)特性相匹配的負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式，即T_{L}=k\omega^{2}，其中T_{L}為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，k為負(fù)載系數(shù)，\omega為電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過設(shè)置合適的負(fù)載系數(shù)k，模擬不同負(fù)載條件下電機(jī)的運(yùn)行情況。在仿真中，將負(fù)載模型與電機(jī)本體模型和控制策略模型進(jìn)行連接，形成完整的仿真系統(tǒng)。在Maxwell軟件中，主要進(jìn)行電機(jī)磁場(chǎng)的仿真分析。建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的三維幾何模型，精確繪制了定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，包括凸極的形狀、尺寸以及氣隙的大小等。設(shè)置了合適的材料屬性，如定子和轉(zhuǎn)子采用硅鋼片材料，其磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等參數(shù)根據(jù)實(shí)際材料特性進(jìn)行設(shè)置。通過施加邊界條件和激勵(lì)源，模擬電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)分布情況。在某一時(shí)刻，給某相繞組施加一定大小的電流，通過Maxwell軟件的求解器計(jì)算出電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，得到磁力線的分布情況和磁密大小。將Maxwell軟件中得到的磁場(chǎng)分析結(jié)果，如磁鏈、電磁力等數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Simulink中，與電機(jī)本體模型和控制策略模型進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電聯(lián)合仿真。這樣可以更準(zhǔn)確地分析電機(jī)在不同控制策略下的運(yùn)行性能，包括轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小和變化規(guī)律。模型參數(shù)的設(shè)置和驗(yàn)證是確保仿真準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。模型參數(shù)的來源主要包括電機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙、實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)以及相關(guān)的技術(shù)文檔。對(duì)于一些難以直接測(cè)量的參數(shù)，如電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化關(guān)系等，通過有限元分析或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。在設(shè)置參數(shù)后，進(jìn)行了模型的驗(yàn)證工作。將仿真結(jié)果與實(shí)際電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，包括轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，仔細(xì)檢查模型參數(shù)的設(shè)置和模型的搭建是否存在問題，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合為止。在某開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真與實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的仿真模型在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的誤差控制在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2仿真結(jié)果分析在不同控制策略和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、效率、電流等關(guān)鍵性能指標(biāo)的變化情況，以驗(yàn)證各種抑制策略的有效性和可行性。在控制策略方面，對(duì)比了傳統(tǒng)控制策略和新型控制策略的仿真結(jié)果。傳統(tǒng)的電流剖面法在低速時(shí)能夠較好地跟蹤參考電流，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)可控制在15%左右。但在高速時(shí)，由于功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率限制，相電流跟蹤性能變差，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)增大至30%。直接轉(zhuǎn)矩控制具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，在電機(jī)加減速過程中，能夠迅速調(diào)整轉(zhuǎn)矩，如在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩能夠在0.05s內(nèi)達(dá)到給定值的90%。然而，由于未充分考慮開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性特性，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)并不理想，平均轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為25%。直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制效果較好，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)可降低至10%。但該方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，如電感由于溫度變化而改變10%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)會(huì)增大至15%。新型控制策略展現(xiàn)出了更優(yōu)異的性能。基于優(yōu)化換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略，通過合理調(diào)整換相區(qū)各相轉(zhuǎn)矩分配比例，顯著降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在仿真中，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)降低了20%，效率提高了8%?；谵D(zhuǎn)矩觀測(cè)器的控制策略，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大非線性映射能力準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)矩，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中引入該策略后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)降低了25%，電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性得到了明顯提升。模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合策略，綜合了多種控制方法的優(yōu)勢(shì)，在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高系統(tǒng)抗干擾性方面表現(xiàn)出色。在受到外部干擾時(shí)，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增加20%，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為±2r/min，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)保持在8%以內(nèi)，而傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略下轉(zhuǎn)速波動(dòng)達(dá)到±5r/min，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)增大至15%。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，分析了氣隙長度、定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和定轉(zhuǎn)子軛部厚度對(duì)電機(jī)性能的影響。當(dāng)氣隙長度為0.5mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)達(dá)到25%，此時(shí)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為10N?m。隨著氣隙長度逐漸增大到0.8mm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)逐漸減小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)降至15%，平均轉(zhuǎn)矩略微下降至9.5N?m。而當(dāng)氣隙長度繼續(xù)增大到1.2mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)又開始增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)達(dá)到20%，平均轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降至9N?m。這表明存在一個(gè)使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小的氣隙長度最優(yōu)值，在該值附近電機(jī)性能較為優(yōu)良。定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響較為復(fù)雜。隨著定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)的增大，平均轉(zhuǎn)矩不斷增大。當(dāng)定子極弧系數(shù)從0.3逐漸增大到0.4時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩從8N?m增大到10N?m。但在定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)較小時(shí)，其數(shù)值的變化對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響不大。當(dāng)定子極弧系數(shù)從0.3增大到0.4時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)僅從12%略微增大到13%。然而，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)大于某一特定值后，隨著平均轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)大幅度增大。當(dāng)定子極弧系數(shù)增大到0.5時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩增大到12N?m，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)卻急劇增大到30%。定、轉(zhuǎn)子軛部厚度對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有一定影響。隨著定子軛部厚度的增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。將定子軛部厚度從10mm增加到12mm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)從20%降低到了15%。而隨著轉(zhuǎn)子軛部厚度的增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)隨之變大。當(dāng)轉(zhuǎn)子軛部厚度從8mm增加到10mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)從15%增大到了18%。通過對(duì)不同控制策略和結(jié)構(gòu)參數(shù)下仿真結(jié)果的分析，直觀地展示了各種抑制策略的有效性和可行性。新型控制策略在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)也能夠在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，優(yōu)化電機(jī)性能。這些仿真結(jié)果為開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的實(shí)際應(yīng)用和電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)。為了更直觀地展示仿真結(jié)果，制作了如下圖表：<此處插入表1：不同控制策略下關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比表，包括控制策略、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)、效率、電流波動(dòng)等指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比><此處插入圖3：不同控制策略下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨時(shí)間變化的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小><此處插入圖4：不同氣隙長度下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩的變化曲線，橫坐標(biāo)為氣隙長度，縱坐標(biāo)分別為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩><此處插入表1：不同控制策略下關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比表，包括控制策略、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)、效率、電流波動(dòng)等指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比><此處插入圖3：不同控制策略下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨時(shí)間變化的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小><此處插入圖4：不同氣隙長度下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩的變化曲線，橫坐標(biāo)為氣隙長度，縱坐標(biāo)分別為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩><此處插入圖3：不同控制策略下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨時(shí)間變化的曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小><此處插入圖4：不同氣隙長度下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩的變化曲線，橫坐標(biāo)為氣隙長度，縱坐標(biāo)分別為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩><此處插入圖4：不同氣隙長度下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩的變化曲線，橫坐標(biāo)為氣隙長度，縱坐標(biāo)分別為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)和平均轉(zhuǎn)矩>5.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成為了對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，搭建了以TMS320F28335為主控制芯片、開關(guān)磁阻電機(jī)為樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了硬件電路和軟件程序兩大部分，各部分緊密協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確控制和監(jiān)測(cè)。在硬件電路方面，控制電路以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器為核心，它具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)資源。該處理器能夠快速地處理各種控制算法和邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。它可以實(shí)時(shí)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、位置等信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，然后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行。TMS320F28335還配備了多個(gè)通用輸入輸出端口（GPIO），用于與其他硬件模塊進(jìn)行通信和交互。通過這些GPIO端口，可以連接各種傳感器和執(zhí)行器，如電流傳感器、位置傳感器、功率開關(guān)器件等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的全面控制。驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)將控制電路輸出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行的強(qiáng)電信號(hào)。采用了以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為核心的功率變換器。IGBT具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通壓降小、承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足開關(guān)磁阻電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求。在驅(qū)動(dòng)電路中，通過合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)芯片和外圍電路，確保IGBT能夠準(zhǔn)確、可靠地工作。驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)責(zé)將控制電路輸出的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)進(jìn)行放大和隔離，然后驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。外圍電路則包括濾波電路、保護(hù)電路等，濾波電路用于濾除驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的雜波，提高信號(hào)的穩(wěn)定性；保護(hù)電路則用于保護(hù)IGBT免受過壓、過流等故障的損壞。電流和位置檢測(cè)電路是實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電流檢測(cè)電路采用霍爾電流傳感器，它能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電機(jī)相電流的大小，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋給控制電路?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂许憫?yīng)速度快、精度高、隔離性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)電機(jī)相電流的變化。位置檢測(cè)電路則采用光電編碼器，它通過檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，為控制電路提供轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息。光電編碼器具有分辨率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確地測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，將光電編碼器安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器會(huì)輸出一系列的脈沖信號(hào)，控制電路通過對(duì)這些脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和分析，就可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息。軟件程序包括主程序和中斷程序。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和整體流程控制。在主程序中，首先對(duì)TMS320F28335進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化GPIO端口、配置中斷向量等。然后，根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)和控制策略，對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、運(yùn)行和停止等操作。在電機(jī)運(yùn)行過程中，主程序不斷地采集電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并將其顯示在人機(jī)界面上，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行情況。中斷程序則負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)，如電流和位置信號(hào)的采集、PWM信號(hào)的生成等。當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，TMS320F28335會(huì)暫停主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，首先讀取電流和位置傳感器的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。然后，根據(jù)控制策略計(jì)算出PWM信號(hào)的占空比，并通過PWM模塊輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，以控制電機(jī)的運(yùn)行。中斷程序還負(fù)責(zé)處理各種故障和異常情況，如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等，確保電機(jī)的安全運(yùn)行。5.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)和波形進(jìn)行了詳細(xì)的采集和分析，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略的實(shí)際效果，并深入剖析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異的原因。通過實(shí)驗(yàn)采集到的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)和波形顯示，在采用基于優(yōu)化換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制策略后，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了顯著抑制。在額定負(fù)載下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)從采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)的25%降低至15%。從轉(zhuǎn)矩波形上可以明顯看出，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅度明顯減小，轉(zhuǎn)矩曲線更加平滑。在某一時(shí)間段內(nèi)，傳統(tǒng)控制策略下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍在8-12N?m之間，而采用新策略后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍縮小至9-11N?m之間。與仿真結(jié)果相比，仿真得到的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為13%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之較為接近，但仍存在一定差異。實(shí)驗(yàn)采集的電流數(shù)據(jù)和波形也反映了控制策略對(duì)電機(jī)性能的影響。在采用基于轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的控制策略后，相電流的波形更加穩(wěn)定，電流的波動(dòng)明顯減小。在高速運(yùn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相電流波動(dòng)范圍從傳統(tǒng)控制策略下的±2A減小至±1A。與仿真結(jié)果對(duì)比，仿真中相電流的波動(dòng)范圍為±0.8A。轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和波形顯示，采用模糊-線性自抗擾轉(zhuǎn)速控制與優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合策略后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)得到了有效抑制。在受到外部干擾時(shí)，如突然增加負(fù)載，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為±3r/min，而傳統(tǒng)控制策略下轉(zhuǎn)速波動(dòng)達(dá)到±6r/min。仿真結(jié)果中，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為±2r/min。綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，二者存在差異的原因主要有以下幾點(diǎn)。實(shí)際電機(jī)存在制造誤差和參數(shù)偏差，如氣隙不均勻、繞組電阻和電感與理論值存在差異等，這些因素在仿真中難以完全準(zhǔn)確地模擬。實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器的測(cè)量誤差也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。電流傳感器和位置傳感器的精度有限，可能導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)存在一定誤差。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的電磁干擾、溫度變化等因素也會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生影響，而仿真中通常難以考慮到這些復(fù)雜的實(shí)際因素。盡管存在這些差異，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然驗(yàn)證了各種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制策略在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，為開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化控制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制這一關(guān)鍵問題，從理論分析、控制策略研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多個(gè)方面展開了深入探索，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐價(jià)值的研究成果。在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理研究方面，通過對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)雙凸極結(jié)構(gòu)的深入剖析，明確了磁場(chǎng)不均勻是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的根本原因之一。由于定、轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)在運(yùn)行過程中磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化而發(fā)生顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致磁場(chǎng)分布不均勻，電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)。同時(shí)，詳細(xì)