開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器：原理挑戰(zhàn)與優(yōu)化策略

開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器：原理、挑戰(zhàn)與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，電機(jī)作為實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)機(jī)械和自動化系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor，SRM）憑借其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、調(diào)速范圍寬、可靠性高以及適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢，在電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等眾多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。例如在電動車驅(qū)動領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的特點(diǎn)，能有效降低車輛的維護(hù)成本并提升行駛安全性；在工業(yè)領(lǐng)域，調(diào)速范圍寬的特性使其可滿足不同生產(chǎn)工藝對轉(zhuǎn)速的多樣需求。然而，開關(guān)磁阻電機(jī)固有的雙凸極結(jié)構(gòu)和局部磁路高度飽和特性，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩脈動問題相較于其他傳統(tǒng)電機(jī)更為嚴(yán)重。轉(zhuǎn)矩脈動不僅會引發(fā)電機(jī)的振動和噪聲，影響設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適性，還會降低電機(jī)的效率和使用壽命，限制其在對轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性要求較高的精密控制場合的應(yīng)用。以機(jī)床和伺服系統(tǒng)為例，過大的轉(zhuǎn)矩脈動會導(dǎo)致加工精度下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量；在電動汽車應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩脈動會使車輛行駛的平順性變差，降低駕乘體驗(yàn)。因此，如何有效抑制開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵問題。在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中，準(zhǔn)確獲取磁鏈和轉(zhuǎn)矩信息至關(guān)重要。磁鏈作為電機(jī)電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵物理量，反映了電機(jī)內(nèi)部磁場的變化情況，對電機(jī)的運(yùn)行性能有著直接影響。而轉(zhuǎn)矩則是電機(jī)輸出機(jī)械動力的度量，直接關(guān)系到電機(jī)能否滿足負(fù)載的需求。通過精確觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，可以為電機(jī)的控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化。磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器作為獲取磁鏈和轉(zhuǎn)矩信息的關(guān)鍵裝置，在開關(guān)磁阻電機(jī)的高性能控制中發(fā)揮著不可或缺的作用。它能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地估計電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，為后續(xù)的控制算法提供可靠的反饋信號，使得控制器能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及時調(diào)整控制策略，從而有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機(jī)的運(yùn)行性能和控制精度。因此，開展對開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的研究起步較早。英國利茲大學(xué)作為開關(guān)磁阻電機(jī)研究的重要發(fā)源地之一，在磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的理論與技術(shù)研究方面取得了一系列開創(chuàng)性成果。其研究團(tuán)隊(duì)通過對電機(jī)運(yùn)行原理和電磁特性的深入剖析，提出了基于電感模型的磁鏈觀測方法，利用電機(jī)繞組電感與磁鏈之間的關(guān)系，通過測量電感值來間接計算磁鏈，為后續(xù)磁鏈觀測技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。美國在開關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域也投入了大量的研究資源，通用電氣（GE）等公司積極開展相關(guān)研究。他們運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)和智能算法，開發(fā)出了高精度的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器。這些觀測器能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地跟蹤電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，為電機(jī)的高性能控制提供了有力支持，使得開關(guān)磁阻電機(jī)在工業(yè)自動化和電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛和深入。在國內(nèi)，隨著對開關(guān)磁阻電機(jī)研究的重視程度不斷提高，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)在磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器方面也取得了顯著進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的非線性特性，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的觀測方法。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力，對電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行建模和預(yù)測，有效提高了觀測精度。他們通過大量的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該方法在不同工況下的有效性和可靠性，為開關(guān)磁阻電機(jī)的控制提供了新的思路和方法。浙江大學(xué)則致力于將現(xiàn)代控制理論與磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測技術(shù)相結(jié)合，提出了基于自適應(yīng)滑?？刂频挠^測器設(shè)計方法。這種方法能夠根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化自適應(yīng)地調(diào)整觀測器參數(shù)，增強(qiáng)了觀測器的魯棒性和抗干擾能力，使得開關(guān)磁阻電機(jī)在復(fù)雜工況下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。從研究趨勢來看，未來開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的研究將朝著高精度、高可靠性和智能化的方向發(fā)展。一方面，隨著材料科學(xué)和制造工藝的不斷進(jìn)步，新型傳感器和硬件設(shè)備的出現(xiàn)將為磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測提供更準(zhǔn)確、更可靠的數(shù)據(jù)支持，從而提高觀測器的精度和性能。例如，采用新型的磁敏傳感器，能夠更精確地測量電機(jī)磁場的變化，為磁鏈觀測提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。另一方面，人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展將為觀測器的智能化設(shè)計提供新的機(jī)遇。通過引入深度學(xué)習(xí)算法，觀測器可以自動學(xué)習(xí)電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律和特性，實(shí)現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的智能預(yù)測和控制，進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。同時，多物理場耦合分析和優(yōu)化設(shè)計也將成為研究的重點(diǎn)，通過綜合考慮電機(jī)的電磁、熱、結(jié)構(gòu)等多方面因素，實(shí)現(xiàn)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的優(yōu)化設(shè)計，提高電機(jī)的整體性能。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，從理論分析、仿真研究到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，全面深入地探究開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器。在理論分析方面，深入剖析開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行原理、電磁特性以及磁鏈和轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)制，為后續(xù)的研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系的詳細(xì)推導(dǎo)，明確磁鏈與電流、轉(zhuǎn)子位置之間的非線性關(guān)系，以及轉(zhuǎn)矩與磁鏈、電流的相互關(guān)聯(lián)，為觀測器的設(shè)計提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。在仿真研究中，借助先進(jìn)的仿真軟件如Matlab/Simulink和AnsoftMaxwell，搭建高精度的開關(guān)磁阻電機(jī)仿真模型。利用Matlab/Simulink強(qiáng)大的系統(tǒng)建模和動態(tài)仿真能力，對電機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行全面模擬，分析不同工況下磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。通過設(shè)置各種運(yùn)行條件，如不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)載和電壓，研究觀測器在不同工作狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。同時，結(jié)合AnsoftMaxwell的電磁場分析功能，對電機(jī)的磁場分布進(jìn)行深入研究，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，為觀測器的優(yōu)化設(shè)計提供有力支持。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是本研究的重要環(huán)節(jié)。搭建實(shí)際的開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，采用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、功率分析儀和示波器等，對電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精確測量。通過實(shí)驗(yàn)，獲取電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的磁鏈和轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，確保研究成果的可靠性和實(shí)用性。在實(shí)驗(yàn)過程中，對觀測器的性能進(jìn)行全面測試，包括觀測精度、響應(yīng)速度和抗干擾能力等，為觀測器的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。本研究在開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的設(shè)計和控制算法方面具有顯著的創(chuàng)新點(diǎn)。在觀測器設(shè)計上，提出了一種基于改進(jìn)自適應(yīng)滑模觀測器的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測方法。該方法通過引入自適應(yīng)滑模控制技術(shù)，能夠根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化實(shí)時調(diào)整觀測器參數(shù)，有效增強(qiáng)了觀測器對電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾的魯棒性。同時，對傳統(tǒng)滑模觀測器的滑模面和切換函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用新型的指數(shù)趨近律，降低了滑模觀測器的抖振問題，提高了觀測精度。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該改進(jìn)自適應(yīng)滑模觀測器在不同工況下均能準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，性能優(yōu)于傳統(tǒng)觀測器。在控制算法方面，創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)算法與傳統(tǒng)控制算法相結(jié)合，提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法。該算法利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力和學(xué)習(xí)能力，對電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行智能預(yù)測和控制。通過大量的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠自動學(xué)習(xí)電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律和特性，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷和控制策略的優(yōu)化。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果，實(shí)時調(diào)整開關(guān)磁阻電機(jī)的導(dǎo)通角和電壓矢量，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能和控制精度。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法在轉(zhuǎn)矩脈動抑制和動態(tài)響應(yīng)性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法。二、開關(guān)磁阻電機(jī)基礎(chǔ)理論2.1結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)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)子均采用凸極結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出獨(dú)特的雙凸極形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)電機(jī)有著顯著區(qū)別，為開關(guān)磁阻電機(jī)帶來了一系列獨(dú)特的性能特點(diǎn)。定子通常由硅鋼片疊壓制成，這是因?yàn)楣桎撈哂辛己玫膶?dǎo)磁性能，能夠有效減小磁阻，提高磁導(dǎo)率，從而降低電機(jī)運(yùn)行過程中的磁滯損耗和渦流損耗，提高電機(jī)的效率。定子上均勻分布著多個極槽，這些極槽用于安置繞組。繞組一般采用集中繞組的形式，即徑向相對的兩個繞組串聯(lián)起來，共同構(gòu)成一相。例如在三相開關(guān)磁阻電機(jī)中，通常會有三組這樣的繞組，分別對應(yīng)A相、B相和C相。轉(zhuǎn)子同樣由硅鋼片疊壓而成，其顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上既沒有繞組，也不包含永磁體。這種設(shè)計使得轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相對簡單，轉(zhuǎn)動慣量較小，有利于提高電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能，使其能夠在高速運(yùn)行時更加穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子上設(shè)有多個凸極，這些凸極與定子的磁通相互作用，是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)子凸極的形狀和尺寸對電機(jī)的性能有著重要影響，合理設(shè)計凸極結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和效率。開關(guān)磁阻電機(jī)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可設(shè)計成不同的相數(shù)，常見的有單相、兩相、三相、四相及多相磁阻電機(jī)。然而，低于三相的開關(guān)磁阻電動機(jī)一般不具備自啟動能力，這在實(shí)際應(yīng)用中會受到一定限制。相數(shù)越多，電機(jī)的步距角就越小，這有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。但相數(shù)的增加也會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度上升，需要使用更多的開關(guān)器件，成本相應(yīng)提高。目前，三相和四相電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛，它們在性能和成本之間取得了較好的平衡。以三相6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)為例，定子具有6個齒極，轉(zhuǎn)子具有4個齒極。這種極數(shù)搭配使得電機(jī)在運(yùn)行過程中，通過合理控制各相繞組的通電順序和時間，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的運(yùn)行。在不同的應(yīng)用場景中，還會根據(jù)具體需求選擇其他合適的定轉(zhuǎn)子極數(shù)搭配，如三相12/8結(jié)構(gòu)、四相8/6結(jié)構(gòu)等，以滿足不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率要求。2.1.2工作原理開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理基于“磁阻最小原理”，即磁通總是傾向于沿著磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子繞組通電時，會產(chǎn)生一個單相磁場，該磁場的軸線會遵循“磁阻最小原則”，試圖使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到磁阻最小的位置，也就是定轉(zhuǎn)子極軸線重合的位置，從而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。具體來說，假設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)初始時轉(zhuǎn)子處于某一位置，此時所有繞組均處于開路狀態(tài)，電機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)A相繞組通電時，該相磁通量迅速增加，產(chǎn)生以A相磁極軸線為中心的磁場。由于定轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，且此時轉(zhuǎn)子磁極與A相定子磁極軸線不重合，磁路磁阻較大。根據(jù)“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子會受到一個切向磁拉力的作用，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子朝著磁阻最小的方向轉(zhuǎn)動，即向A相定子磁極軸線靠近。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，A相磁路的磁阻逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線與A相定子磁極軸線重合時，磁阻達(dá)到最小，此時A相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零。為了使轉(zhuǎn)子能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動，需要在適當(dāng)?shù)臅r候切斷A相電流，并接通B相電流。當(dāng)B相通電時，同樣會產(chǎn)生以B相磁極軸線為中心的磁場，此時轉(zhuǎn)子磁極與B相定子磁極軸線不重合，磁阻較大，轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，向B相定子磁極軸線靠近。按照A-B-C的順序依次給各相繞組通電，轉(zhuǎn)子就會沿著通電相序相反的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。若改變通電順序?yàn)镃-B-A，則電機(jī)的轉(zhuǎn)向也會相應(yīng)改變。需要注意的是，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)向僅與相繞組的通電順序有關(guān)，而與相電流的方向無關(guān)。這一特性使得開關(guān)磁阻電機(jī)的控制相對簡單，只需控制各相繞組的通電順序，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。在實(shí)際運(yùn)行中，為了獲得較大的有效轉(zhuǎn)矩并避免產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，需要精確控制功率開關(guān)的開、關(guān)時刻，即合理選擇導(dǎo)通角和關(guān)斷角。例如，在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置角增大而減小時，應(yīng)盡快使繞組中電流衰減到零，以確保電機(jī)始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)。此外，還需要考慮到電機(jī)運(yùn)行過程中的各種因素，如電流的上升時間、繞組的電感變化以及磁路的飽和特性等，這些因素都會對電機(jī)的性能產(chǎn)生影響，在電機(jī)設(shè)計和控制中需要綜合考慮并加以優(yōu)化。2.2數(shù)學(xué)模型2.2.1電壓方程開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行遵循基本的電磁定律，其電壓方程是描述電機(jī)繞組端電壓與電流、磁鏈之間關(guān)系的重要表達(dá)式。對于一臺q相開關(guān)磁阻電機(jī)，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對稱，根據(jù)電路定理，可寫出其k相的電動勢平衡方程為：u_k=R_ki_k+\frac{d\psi_k}{dt}其中，u_k表示第k相的端電壓，它是施加在該相繞組兩端的外部電壓，為電機(jī)的運(yùn)行提供電能輸入；R_k是第k相的電阻，由于繞組通常由具有一定電阻的導(dǎo)線繞制而成，電流通過時會產(chǎn)生電阻壓降，R_k的大小與繞組的材料、長度和橫截面積等因素有關(guān)；i_k為第k相的電流，是電機(jī)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵物理量，其大小和變化直接影響電機(jī)的性能；\psi_k是第k相的磁鏈，反映了該相繞組所交鏈的磁通量大小，它與電流和轉(zhuǎn)子位置密切相關(guān)。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，磁鏈的變化是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的根源。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁鏈隨時間變化時，會在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與磁鏈的變化率成正比。而電流的變化也會引起磁鏈的改變，因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生磁場，磁場的變化導(dǎo)致磁鏈的變化。此外，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的變化會影響磁路的磁阻，進(jìn)而影響磁鏈與電流之間的關(guān)系。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子極之間的相對位置不斷變化，使得磁路的磁阻呈現(xiàn)周期性變化，從而導(dǎo)致磁鏈與電流的關(guān)系呈現(xiàn)非線性和時變特性。為了更深入地理解電壓方程中各參數(shù)的相互關(guān)系，我們可以考慮一個簡單的例子。假設(shè)在某一時刻，電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，某相繞組的電流逐漸增大。隨著電流的增加，繞組產(chǎn)生的磁場增強(qiáng)，磁鏈也相應(yīng)增大。由于磁鏈的變化，會在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其方向與電流的變化方向相反，試圖阻礙電流的增加。此時，端電壓需要克服電阻壓降和感應(yīng)電動勢，才能維持電流的穩(wěn)定增長。如果端電壓保持不變，隨著電流的增大，感應(yīng)電動勢也增大，電阻壓降也會相應(yīng)增大，當(dāng)三者達(dá)到平衡時，電流將保持穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確測量和控制這些參數(shù)對于開關(guān)磁阻電機(jī)的性能優(yōu)化至關(guān)重要。通過精確測量各相的端電壓、電流和磁鏈，可以實(shí)時監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障和異常情況。同時，根據(jù)實(shí)際需求對這些參數(shù)進(jìn)行精確控制，如通過調(diào)節(jié)端電壓來控制電流的大小和變化，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。2.2.2磁鏈方程開關(guān)磁阻電機(jī)的磁鏈方程描述了磁鏈與電流、位置角之間的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系，是深入理解電機(jī)電磁特性的關(guān)鍵。在開關(guān)磁阻電機(jī)中，各相繞組的磁鏈\psi_k不僅與該相的電流i_k有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子的位置角\theta密切相關(guān)，即\psi_k=\psi_k(i_k,\theta)。為了推導(dǎo)磁鏈方程，我們從電機(jī)的基本電磁原理出發(fā)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁鏈等于繞組匝數(shù)與磁通的乘積。對于開關(guān)磁阻電機(jī)，由于其雙凸極結(jié)構(gòu)，磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化而顯著變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置發(fā)生改變時，定轉(zhuǎn)子極之間的相對位置發(fā)生變化，磁路的磁阻也隨之改變，從而導(dǎo)致磁通的變化，進(jìn)而影響磁鏈。假設(shè)磁路不飽和且忽略繞組間的互感，在某一特定的轉(zhuǎn)子位置\theta下，相繞組的磁鏈可以表示為相電流i_k與相電感L_k的乘積，即\psi_k=L_k(\theta)i_k。其中，相電感L_k(\theta)是轉(zhuǎn)子位置角\theta的函數(shù)，它反映了磁路磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化情況。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極中心線對準(zhǔn)時，磁路磁阻最小，相電感達(dá)到最大值；當(dāng)轉(zhuǎn)子凹槽與定子凸極中心線對準(zhǔn)時，磁路磁阻最大，相電感達(dá)到最小值。相電感L_k(\theta)的變化規(guī)律通?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)測量或有限元分析等方法獲得，其典型的變化曲線呈現(xiàn)出與轉(zhuǎn)子位置角相關(guān)的周期性變化。以三相開關(guān)磁阻電機(jī)為例，在電機(jī)運(yùn)行過程中，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，各相的磁鏈和電感不斷變化。當(dāng)A相繞組通電時，磁鏈和電感隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，在轉(zhuǎn)子位置角為某些特定值時，A相的磁鏈和電感達(dá)到最大值或最小值。同樣，B相和C相的磁鏈和電感也會隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而呈現(xiàn)出類似的周期性變化，且各相之間存在一定的相位差。磁鏈與電流、位置角之間的函數(shù)關(guān)系對電機(jī)的性能有著重要影響。在電機(jī)的控制中，準(zhǔn)確獲取磁鏈信息對于實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至關(guān)重要。由于磁鏈與電流、位置角的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的線性控制方法往往難以滿足高精度的控制要求。因此，需要采用先進(jìn)的控制算法，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法或自適應(yīng)控制算法，來準(zhǔn)確估計磁鏈，并根據(jù)磁鏈的變化實(shí)時調(diào)整控制策略，以提高電機(jī)的控制精度和動態(tài)性能。2.2.3轉(zhuǎn)矩方程開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程是描述電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生和變化的重要依據(jù)，其理論基礎(chǔ)源于電機(jī)內(nèi)部的電磁能量轉(zhuǎn)換原理。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，開關(guān)磁阻電機(jī)通過將電能轉(zhuǎn)換為磁能，再將磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子繞組通電時，電流產(chǎn)生磁場，磁場與轉(zhuǎn)子相互作用，使得轉(zhuǎn)子受到電磁力的作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。對于開關(guān)磁阻電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)矩T_e可以表示為磁共能W_c對轉(zhuǎn)子位置角\theta的偏導(dǎo)數(shù)，即T_e=\frac{\partialW_c}{\partial\theta}。磁共能是描述電機(jī)磁場能量的一個重要物理量，它與繞組電流和磁鏈密切相關(guān)。在電機(jī)運(yùn)行過程中，隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，磁共能也會發(fā)生變化，這種變化導(dǎo)致了電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。進(jìn)一步推導(dǎo)，當(dāng)忽略磁路飽和等因素時，電磁轉(zhuǎn)矩還可以表示為：T_e=\frac{1}{2}i^2\frac{dL}{d\theta}其中，i為相電流，L為相電感，\frac{dL}{d\theta}表示相電感對轉(zhuǎn)子位置角的導(dǎo)數(shù)。這表明電磁轉(zhuǎn)矩的大小與相電流的平方以及相電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比。影響轉(zhuǎn)矩大小的因素主要包括相電流和相電感的變化。相電流是影響轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵因素之一，電流越大，產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)，電磁轉(zhuǎn)矩也就越大。在電機(jī)啟動和加速過程中，通常需要增大相電流來提供足夠的轉(zhuǎn)矩，以克服負(fù)載的慣性和阻力。相電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率也對轉(zhuǎn)矩有著重要影響。當(dāng)\frac{dL}{d\theta}為正時，電流增加會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增大；當(dāng)\frac{dL}{d\theta}為負(fù)時，電流增加反而會使轉(zhuǎn)矩減小。因此，在電機(jī)控制中，合理選擇電流的導(dǎo)通時刻和大小，以及優(yōu)化相電感的變化特性，對于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能至關(guān)重要。例如，在開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，通過控制功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻，可以精確控制相電流的大小和波形，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)低速運(yùn)行時，為了獲得較大的轉(zhuǎn)矩，可以適當(dāng)增大相電流的導(dǎo)通時間和幅值；在電機(jī)高速運(yùn)行時，為了避免電流過大和轉(zhuǎn)矩脈動過大，可以合理調(diào)整相電流的波形和導(dǎo)通時刻。2.3運(yùn)行特性與控制策略2.3.1運(yùn)行特性開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行特性包括轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和效率特性，這些特性與電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)。在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性方面，開關(guān)磁阻電機(jī)在低速時能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩，具有良好的啟動性能，這使得它在需要重載啟動的場合表現(xiàn)出色，如電動叉車、電梯等設(shè)備。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩逐漸減小，呈現(xiàn)出一定的非線性關(guān)系。這是因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)行時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電動勢增大，導(dǎo)致電流減小，從而使轉(zhuǎn)矩下降。為了更直觀地理解轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，我們可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。在實(shí)驗(yàn)中，保持電機(jī)的其他參數(shù)不變，逐步改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并測量相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。將這些數(shù)據(jù)繪制成曲線后，可以清晰地看到轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。在低速區(qū)域，轉(zhuǎn)矩曲線較為平坦，說明電機(jī)能夠提供穩(wěn)定且較大的轉(zhuǎn)矩；隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩曲線逐漸下降，表明轉(zhuǎn)矩逐漸減小。這種特性與電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理密切相關(guān)，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的磁路磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，在高速運(yùn)行時，磁路的變化頻率加快，導(dǎo)致電流和轉(zhuǎn)矩的波動增大，從而使轉(zhuǎn)矩下降。開關(guān)磁阻電機(jī)的效率特性也具有一定的特點(diǎn)。在整個調(diào)速范圍內(nèi)，開關(guān)磁阻電機(jī)的效率相對較高，尤其是在額定負(fù)載附近，能夠達(dá)到較高的效率值。這使得它在工業(yè)應(yīng)用中具有較好的節(jié)能效果，能夠降低能源消耗和運(yùn)行成本。例如在風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備中，開關(guān)磁阻電機(jī)的高效運(yùn)行可以顯著提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。電機(jī)的效率會受到多種因素的影響。負(fù)載的變化對效率有顯著影響，當(dāng)負(fù)載較小時，電機(jī)的鐵耗和銅耗在總損耗中占比較大，導(dǎo)致效率較低；隨著負(fù)載的增加，電機(jī)的輸出功率增大，鐵耗和銅耗在總損耗中的占比相對減小，效率逐漸提高。當(dāng)負(fù)載超過額定負(fù)載時，由于電機(jī)的電流增大，銅耗急劇增加，導(dǎo)致效率下降。轉(zhuǎn)速的變化也會影響電機(jī)的效率。在低速運(yùn)行時，電機(jī)的散熱條件相對較差，導(dǎo)致繞組溫度升高，電阻增大，銅耗增加，從而降低效率；在高速運(yùn)行時，由于旋轉(zhuǎn)電動勢的增大，電流減小，銅耗降低，但同時鐵耗會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，因此需要綜合考慮各種因素，找到最佳的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以提高電機(jī)的效率。2.3.2基本控制策略常見的開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略有電壓PWM控制和電流斬波控制，這些策略在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。電壓PWM控制是通過調(diào)節(jié)繞組電壓的脈沖寬度來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，動態(tài)響應(yīng)快，能夠快速跟蹤負(fù)載的變化，適用于對動態(tài)性能要求較高的場合，如工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動控制。電壓PWM控制也存在一些缺點(diǎn)。在低速運(yùn)行時，由于電壓脈沖的占空比很小，會導(dǎo)致電流波動較大，從而使轉(zhuǎn)矩脈動增加，影響電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性。這在對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的精密加工設(shè)備中可能會產(chǎn)生不利影響，如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，過大的轉(zhuǎn)矩脈動會導(dǎo)致加工精度下降。電流斬波控制則是通過控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將電流限制在一定的范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。在電機(jī)啟動和低速運(yùn)行時，由于反電動勢較小，電流上升較快，容易超過功率開關(guān)器件和電機(jī)的允許電流值。通過電流斬波控制，可以有效地限制電流的大小，保護(hù)功率開關(guān)器件和電機(jī)。當(dāng)電流上升到設(shè)定的上限值時，關(guān)斷功率開關(guān)器件，使電流下降；當(dāng)電流下降到設(shè)定的下限值時，再次導(dǎo)通功率開關(guān)器件，使電流上升，如此反復(fù)，將電流限制在上下限之間。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地限制電流，避免電流過大對設(shè)備造成損壞，同時可以使電機(jī)在低速運(yùn)行時產(chǎn)生較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動較小。在一些對轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性要求較高的場合，如電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中，電流斬波控制可以提供更舒適的駕乘體驗(yàn)。電流斬波控制也存在一些不足之處。由于功率開關(guān)器件的頻繁導(dǎo)通和關(guān)斷，會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)的效率。同時，這種控制方式的動態(tài)響應(yīng)相對較慢，在負(fù)載變化較大時，不能快速地調(diào)整電流和轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的性能。三、磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器工作原理與分類3.1工作原理開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的工作原理基于電機(jī)的基本電磁關(guān)系，通過檢測電機(jī)的電壓、電流等外部可測量信號，運(yùn)用一定的算法和模型來間接觀測電機(jī)內(nèi)部的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。這一過程涉及到電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及信號處理技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高性能控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行遵循一系列電磁定律。其電壓方程為u_k=R_ki_k+\frac{d\psi_k}{dt}，其中u_k、R_k、i_k和\psi_k分別表示第k相的端電壓、電阻、電流和磁鏈。通過對該方程進(jìn)行變形和處理，可以得到磁鏈與電壓、電流之間的關(guān)系。對\frac{d\psi_k}{dt}=u_k-R_ki_k兩邊進(jìn)行積分，可得\psi_k=\int(u_k-R_ki_k)dt。在實(shí)際應(yīng)用中，通過測量電機(jī)各相的端電壓u_k和電流i_k，并已知繞組電阻R_k，就可以利用積分運(yùn)算來估計磁鏈\psi_k的值。由于電機(jī)運(yùn)行過程中存在各種干擾因素，如噪聲、電磁干擾以及電機(jī)參數(shù)的變化等，直接采用上述積分方法會導(dǎo)致磁鏈估計誤差較大。為了提高磁鏈觀測的精度，通常需要結(jié)合其他技術(shù)和算法。例如，可以采用低通濾波器對電壓和電流信號進(jìn)行預(yù)處理，去除高頻噪聲和干擾，以提高信號的質(zhì)量。引入自適應(yīng)算法，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化實(shí)時調(diào)整觀測器的參數(shù)，以補(bǔ)償電機(jī)參數(shù)變化對磁鏈估計的影響。采用自適應(yīng)滑模觀測器，通過設(shè)計合適的滑模面和切換函數(shù)，使觀測器具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠在電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾的情況下準(zhǔn)確地估計磁鏈。在轉(zhuǎn)矩觀測方面，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程T_e=\frac{1}{2}i^2\frac{dL}{d\theta}，轉(zhuǎn)矩與相電流i的平方以及相電感對轉(zhuǎn)子位置角的導(dǎo)數(shù)\frac{dL}{d\theta}密切相關(guān)。因此，要觀測轉(zhuǎn)矩，首先需要準(zhǔn)確獲取相電流和相電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化信息。通過測量電機(jī)的相電流i，并利用磁鏈觀測得到的磁鏈與電流、位置的關(guān)系，進(jìn)一步計算出相電感L。再通過對相電感關(guān)于轉(zhuǎn)子位置角\theta求導(dǎo)，得到\frac{dL}{d\theta}。將相電流i和\frac{dL}{d\theta}代入轉(zhuǎn)矩方程，即可計算出轉(zhuǎn)矩T_e。在實(shí)際觀測過程中，由于電機(jī)磁路的非線性和飽和特性，相電感與電流、位置的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系，這給轉(zhuǎn)矩觀測帶來了一定的困難。為了解決這一問題，可以采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力，能夠?qū)W習(xí)和逼近復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系。通過對大量的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到磁鏈、電流、位置與轉(zhuǎn)矩之間的復(fù)雜關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確觀測。利用有限元分析軟件對電機(jī)的磁場進(jìn)行精確建模，獲取電機(jī)在不同工況下的磁場分布和電感特性，為轉(zhuǎn)矩觀測提供更準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)矩觀測的精度。3.2分類及特點(diǎn)3.2.1基于模型的觀測器基于模型的觀測器是依據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計的。這類觀測器通過對電機(jī)的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程進(jìn)行深入分析和處理，利用電機(jī)的已知參數(shù)和可測量的外部信號，如電壓、電流和轉(zhuǎn)速等，來估計磁鏈和轉(zhuǎn)矩。例如，通過對電壓方程進(jìn)行積分運(yùn)算，可以得到磁鏈的估計值；再結(jié)合轉(zhuǎn)矩方程和磁鏈估計值，進(jìn)而計算出轉(zhuǎn)矩。這種觀測器的優(yōu)點(diǎn)在于其理論基礎(chǔ)明確，能夠較為準(zhǔn)確地反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確已知且運(yùn)行環(huán)境較為穩(wěn)定的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測。在一些對電機(jī)性能要求較高的工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行工況相對穩(wěn)定時，基于模型的觀測器可以為電機(jī)的控制提供準(zhǔn)確的反饋信息，從而保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量?；谀Ｐ偷挠^測器也存在明顯的局限性，它對電機(jī)參數(shù)的依賴程度較高。電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于溫度變化、磁路飽和等因素的影響，電機(jī)的參數(shù)，如繞組電阻、電感等會發(fā)生變化。這些參數(shù)的變化會導(dǎo)致觀測器的估計誤差增大，嚴(yán)重影響觀測精度。當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行后，繞組溫度升高，電阻增大，基于模型的觀測器如果不能及時補(bǔ)償電阻的變化，就會導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估計出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響電機(jī)的控制性能。3.2.2基于智能算法的觀測器基于智能算法的觀測器是近年來隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展而興起的一種新型觀測器，它主要借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能算法來構(gòu)建觀測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力，通過對大量的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立起磁鏈、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入輸出信號之間的復(fù)雜關(guān)系模型。以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，它由輸入層、隱藏層和輸出層組成，通過調(diào)整各層之間的權(quán)重和閾值，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)﹄姍C(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。在訓(xùn)練過程中，將電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號作為輸入，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值作為輸出，通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的輸出盡可能接近實(shí)際值。經(jīng)過大量樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器能夠在不同工況下準(zhǔn)確地估計磁鏈和轉(zhuǎn)矩。模糊控制觀測器則是基于模糊邏輯理論，將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)劃分為不同的模糊子集，通過模糊規(guī)則來推理和計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估計值。它不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和知識制定模糊控制規(guī)則。在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入，經(jīng)過模糊化、模糊推理和解模糊等過程，得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測?；谥悄芩惴ǖ挠^測器具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力強(qiáng)的顯著優(yōu)勢。它們能夠根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化自動調(diào)整觀測模型的參數(shù)，適應(yīng)不同的運(yùn)行工況和環(huán)境變化，在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化或受到外部干擾時，仍能保持較好的觀測精度。在電動汽車的行駛過程中，電機(jī)的負(fù)載和運(yùn)行環(huán)境會不斷變化，基于智能算法的觀測器能夠?qū)崟r跟蹤這些變化，準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)的高效控制提供有力支持。3.2.3基于傳感器的觀測器基于傳感器的觀測器是通過借助轉(zhuǎn)矩傳感器、磁鏈傳感器等硬件設(shè)備來直接測量電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。這些傳感器能夠?qū)㈦姍C(jī)內(nèi)部的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過對這些電信號的處理和分析，即可獲取磁鏈和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確信息。轉(zhuǎn)矩傳感器通常采用應(yīng)變片式、磁電式等原理來測量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器是利用應(yīng)變片在受到轉(zhuǎn)矩作用時產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化的特性，通過測量電阻值的變化來計算轉(zhuǎn)矩。磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器則是利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測轉(zhuǎn)矩作用下磁場的變化來測量轉(zhuǎn)矩。磁鏈傳感器則主要基于電磁感應(yīng)原理，通過檢測電機(jī)繞組中的感應(yīng)電動勢來間接測量磁鏈。例如，采用空心線圈作為磁鏈傳感器，當(dāng)電機(jī)的磁鏈發(fā)生變化時，空心線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過測量感應(yīng)電動勢的大小和變化，就可以計算出磁鏈的值。這種觀測方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接、準(zhǔn)確地獲取磁鏈和轉(zhuǎn)矩的真實(shí)值，觀測精度高，在對磁鏈和轉(zhuǎn)矩精度要求極高的精密儀器和高端設(shè)備中，基于傳感器的觀測器能夠滿足其嚴(yán)格的精度要求，為設(shè)備的高精度控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持?；趥鞲衅鞯挠^測器也存在一些缺點(diǎn)。傳感器的安裝和維護(hù)相對復(fù)雜，需要考慮傳感器的安裝位置、校準(zhǔn)等問題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。傳感器本身也可能受到環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度和電磁干擾等，導(dǎo)致測量誤差增大，影響觀測精度。在一些惡劣的工業(yè)環(huán)境中，傳感器可能會受到高溫、強(qiáng)電磁干擾等因素的影響，從而降低其測量精度和可靠性。四、磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器面臨的挑戰(zhàn)4.1電機(jī)參數(shù)變化影響在開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)的變化是影響磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器精度的重要因素之一。其中，定子電阻和電感等參數(shù)的變化尤為顯著，它們會隨著電機(jī)運(yùn)行條件的改變而發(fā)生波動，從而對觀測器的性能產(chǎn)生不可忽視的影響。定子電阻作為電機(jī)電路中的重要參數(shù)，其值并非固定不變，而是會隨著溫度和頻率的變化而發(fā)生顯著改變。在電機(jī)運(yùn)行過程中，繞組電流通過定子電阻會產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致繞組溫度升高，進(jìn)而使定子電阻增大。根據(jù)金屬電阻的溫度特性，定子電阻與溫度之間存在近似線性的關(guān)系，一般來說，溫度每升高10℃，定子電阻大約會增加4%-6%。當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行或負(fù)載較大時，繞組溫度可能會大幅升高，這將導(dǎo)致定子電阻明顯增大。在電動汽車的行駛過程中，電機(jī)在頻繁的加速、減速和爬坡等工況下運(yùn)行，繞組溫度會快速上升，定子電阻也會隨之發(fā)生較大變化。定子電阻的變化會直接影響磁鏈觀測的精度。根據(jù)磁鏈觀測的基本公式\psi_k=\int(u_k-R_ki_k)dt，定子電阻R_k的變化會導(dǎo)致積分項(xiàng)中的R_ki_k發(fā)生改變，從而使磁鏈的估計值產(chǎn)生偏差。當(dāng)定子電阻增大時，積分項(xiàng)中的R_ki_k增大，磁鏈估計值會偏??；反之，當(dāng)定子電阻減小時，磁鏈估計值會偏大。這種磁鏈估計誤差會進(jìn)一步影響轉(zhuǎn)矩的計算，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的計算與磁鏈密切相關(guān)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程T_e=\frac{1}{2}i^2\frac{dL}{d\theta}，磁鏈的誤差會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩計算出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響電機(jī)的控制性能。電感參數(shù)同樣會隨著溫度和頻率的變化而變化。溫度升高時，電機(jī)鐵心的磁導(dǎo)率會下降，導(dǎo)致電感減小。這是因?yàn)闇囟壬邥硅F心內(nèi)部的磁疇排列發(fā)生變化，磁疇之間的相互作用減弱，從而使磁導(dǎo)率降低，電感減小。在高頻運(yùn)行時，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，繞組的等效電感也會發(fā)生變化。集膚效應(yīng)使得電流在繞組導(dǎo)體表面分布不均勻，電流主要集中在導(dǎo)體表面，導(dǎo)致繞組的有效截面積減小，電阻增大，電感減??；鄰近效應(yīng)則是由于相鄰繞組之間的磁場相互作用，使得電感的計算變得更加復(fù)雜，其值也會發(fā)生變化。電感參數(shù)的變化會對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測產(chǎn)生較大影響。在基于模型的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器中，電感是計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩的重要參數(shù)。電感的變化會導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算出現(xiàn)偏差，使觀測器的輸出與實(shí)際值之間產(chǎn)生誤差。在采用電感模型的磁鏈觀測方法中，如果電感參數(shù)不準(zhǔn)確，磁鏈的估計值就會偏離實(shí)際值，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)矩的觀測精度。在電機(jī)啟動和低速運(yùn)行時，電感的變化對磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測的影響更為明顯，因?yàn)榇藭r電機(jī)的反電動勢較小，電感的變化對電流和磁鏈的影響相對較大。4.2噪聲與干擾問題在開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測過程中，電流、電壓檢測環(huán)節(jié)極易受到噪聲和外部電磁干擾的影響，這是導(dǎo)致觀測結(jié)果產(chǎn)生誤差的重要因素之一。在電流檢測方面，傳感器是獲取電流信息的關(guān)鍵設(shè)備，但傳感器本身存在一定的精度限制和噪聲干擾。以常見的霍爾電流傳感器為例，它基于霍爾效應(yīng)來檢測電流，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境溫度的變化、電磁干擾以及傳感器自身的漂移等因素，會導(dǎo)致其測量精度下降，產(chǎn)生測量誤差。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時，霍爾元件的靈敏度會發(fā)生改變，從而使測量得到的電流值與實(shí)際值之間存在偏差。檢測電路中的噪聲也會對電流檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾。在信號傳輸過程中，電路中的電阻、電容等元件會引入熱噪聲和散粒噪聲，這些噪聲會疊加在電流信號上，使信號產(chǎn)生波動。當(dāng)電流信號較弱時，噪聲的影響更為明顯，可能會導(dǎo)致檢測到的電流值出現(xiàn)較大誤差，進(jìn)而影響磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測精度。在電壓檢測過程中，同樣面臨著噪聲和干擾的問題。開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行會產(chǎn)生高頻電磁干擾，這些干擾會通過電磁耦合的方式進(jìn)入電壓檢測電路，對電壓信號產(chǎn)生影響。在電機(jī)的開關(guān)過程中，會產(chǎn)生快速變化的電壓脈沖，這些脈沖會產(chǎn)生高頻電磁場，干擾附近的電壓檢測電路。檢測電路中的元器件也會引入噪聲。運(yùn)算放大器作為電壓檢測電路中的重要元件，其本身存在失調(diào)電壓、偏置電流和噪聲等問題。這些因素會導(dǎo)致電壓檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，影響磁鏈觀測的準(zhǔn)確性。當(dāng)運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓較大時，會使測量得到的電壓值偏離實(shí)際值，從而影響磁鏈的積分計算，導(dǎo)致磁鏈觀測誤差增大。外部電磁干擾也是影響磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測的重要因素。在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)磁阻電機(jī)通常會與其他電氣設(shè)備共同工作，這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會對電機(jī)的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測產(chǎn)生影響。附近的變頻器、變壓器等設(shè)備會產(chǎn)生強(qiáng)電磁場，這些電磁場會通過空間輻射或?qū)Ь€傳導(dǎo)的方式進(jìn)入磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測系統(tǒng)，干擾觀測信號。當(dāng)觀測系統(tǒng)的屏蔽措施不完善時，外部電磁干擾更容易進(jìn)入系統(tǒng)，導(dǎo)致觀測結(jié)果出現(xiàn)誤差。在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，由于存在大量的電氣設(shè)備和復(fù)雜的電磁環(huán)境，電磁干擾的影響更為嚴(yán)重，可能會使磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器無法正常工作，影響電機(jī)的控制性能。4.3計算復(fù)雜度與實(shí)時性矛盾在追求高精度磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測的過程中，復(fù)雜的算法往往成為提高觀測精度的關(guān)鍵手段。隨著對觀測精度要求的不斷提高，越來越多的先進(jìn)算法被應(yīng)用于磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器中?；谏疃葘W(xué)習(xí)的算法通過構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)﹄姍C(jī)的復(fù)雜電磁特性進(jìn)行精確建模，從而實(shí)現(xiàn)高精度的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測。然而，這些復(fù)雜算法的應(yīng)用不可避免地帶來了計算量的大幅增加。以基于深度學(xué)習(xí)的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測算法為例，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常包含多個隱藏層，每個隱藏層都包含大量的神經(jīng)元。在訓(xùn)練過程中，需要對大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值，這一過程涉及到復(fù)雜的矩陣運(yùn)算和非線性變換，計算量極其龐大。在實(shí)際運(yùn)行時，每次進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測都需要將實(shí)時采集的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行前向傳播計算，以得到觀測結(jié)果。這一計算過程同樣需要耗費(fèi)大量的計算資源和時間。計算量的增加對控制系統(tǒng)的實(shí)時性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。在開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)時觀測到的磁鏈和轉(zhuǎn)矩信息，及時調(diào)整控制策略，以保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)計算量過大導(dǎo)致觀測器無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲的情況。這意味著控制系統(tǒng)無法及時獲取電機(jī)的最新運(yùn)行狀態(tài)信息，從而導(dǎo)致控制決策的滯后。在電機(jī)的快速加減速過程中，電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩變化迅速。如果觀測器由于計算復(fù)雜度過高而無法及時準(zhǔn)確地觀測到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，控制系統(tǒng)就無法及時調(diào)整控制信號，可能導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動增大，甚至出現(xiàn)失速等故障，嚴(yán)重影響電機(jī)的性能和可靠性。為了平衡計算復(fù)雜度和實(shí)時性，研究人員采取了多種優(yōu)化措施。一方面，在算法設(shè)計上，通過簡化算法結(jié)構(gòu)、采用快速算法和并行計算技術(shù)等方法，降低計算量。在基于模型預(yù)測控制的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器中，采用模型降階技術(shù)，簡化電機(jī)模型，減少計算量；利用并行計算技術(shù)，將復(fù)雜的計算任務(wù)分配到多個處理器核心上同時進(jìn)行，提高計算效率。另一方面，在硬件方面，采用高性能的處理器和專用的計算芯片，提高計算速度。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）具有更高的運(yùn)算速度和處理能力，能夠滿足復(fù)雜算法對計算資源的需求。采用DSP芯片，其高速的運(yùn)算能力可以快速處理大量的數(shù)據(jù)，有效縮短計算時間，提高觀測器的實(shí)時性。五、磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器優(yōu)化策略與實(shí)例分析5.1優(yōu)化算法研究5.1.1自適應(yīng)算法自適應(yīng)滑模觀測器是一種基于自適應(yīng)控制原理和滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的先進(jìn)觀測器，它能夠根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時變化自動調(diào)整自身參數(shù)，從而顯著提高磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測精度。在開關(guān)磁阻電機(jī)的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中，電機(jī)參數(shù)的變化以及外部干擾的存在會導(dǎo)致傳統(tǒng)觀測器的性能下降，而自適應(yīng)滑模觀測器通過引入自適應(yīng)機(jī)制，有效解決了這一問題。自適應(yīng)滑模觀測器的工作原理基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種特殊的非線性控制方法，其核心思想是通過設(shè)計一個滑模面，使系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上滑動，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。在自適應(yīng)滑模觀測器中，通過定義定子電流的估計誤差作為滑模面函數(shù)，即s=\hat{i}-i，其中\(zhòng)hat{i}為估計電流，i為實(shí)際電流。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上滑動時，估計電流將逐漸趨近于實(shí)際電流，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)狀態(tài)的準(zhǔn)確觀測。為了使系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速穩(wěn)定地到達(dá)滑模面并在滑模面上滑動，需要設(shè)計合適的滑?？刂坡伞鹘y(tǒng)的滑?？刂坡赏ǔ２捎梅柡瘮?shù)作為切換函數(shù)，雖然能夠保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)，但會產(chǎn)生嚴(yán)重的抖振問題，影響觀測精度。為了降低抖振，自適應(yīng)滑模觀測器采用了改進(jìn)的切換函數(shù)，如飽和函數(shù)或指數(shù)趨近律。以指數(shù)趨近律為例，其表達(dá)式為\dot{s}=-\varepsilons-k\text{sgn}(s)，其中\(zhòng)varepsilon和k為正數(shù)，\text{sgn}(s)為符號函數(shù)。通過引入指數(shù)項(xiàng)-\varepsilons，可以使系統(tǒng)狀態(tài)以指數(shù)形式趨近于滑模面，從而有效降低抖振，提高觀測精度。自適應(yīng)滑模觀測器的自適應(yīng)機(jī)制主要通過自適應(yīng)律來實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)律根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化實(shí)時調(diào)整觀測器的參數(shù)，以補(bǔ)償電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾對觀測精度的影響。在電機(jī)運(yùn)行過程中，定子電阻、電感等參數(shù)會隨著溫度、轉(zhuǎn)速等因素的變化而變化，這些參數(shù)的變化會導(dǎo)致觀測誤差的產(chǎn)生。通過自適應(yīng)律，可以根據(jù)觀測誤差實(shí)時調(diào)整觀測器中的參數(shù)，如增益系數(shù)等，使觀測器能夠適應(yīng)電機(jī)參數(shù)的變化，保持較高的觀測精度。在實(shí)際應(yīng)用中，自適應(yīng)滑模觀測器展現(xiàn)出了良好的性能。在電動汽車的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，電機(jī)的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，負(fù)載和轉(zhuǎn)速不斷變化，傳統(tǒng)的觀測器難以滿足高精度的觀測要求。采用自適應(yīng)滑模觀測器后，能夠?qū)崟r跟蹤電機(jī)參數(shù)的變化，準(zhǔn)確觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)的高效控制提供了可靠的依據(jù)。在不同的路況下，如加速、減速、爬坡等，自適應(yīng)滑模觀測器都能快速調(diào)整參數(shù)，保持觀測精度，使電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，提高了電動汽車的性能和可靠性。5.1.2智能優(yōu)化算法粒子群優(yōu)化（ParticleSwarmOptimization，PSO）算法和遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）等智能優(yōu)化算法在開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器參數(shù)優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用，它們能夠通過獨(dú)特的搜索機(jī)制找到最優(yōu)的觀測器參數(shù)，從而提升觀測器的性能。粒子群優(yōu)化算法是一種模擬鳥群覓食行為的群體智能優(yōu)化算法。在該算法中，每個粒子代表觀測器的一組參數(shù)，粒子在解空間中飛行，通過不斷調(diào)整自身的位置和速度來尋找最優(yōu)解。粒子的速度和位置更新公式如下：v_{i}^{k+1}=wv_{i}^{k}+c_1r_1(p_{i}^{k}-x_{i}^{k})+c_2r_2(g^{k}-x_{i}^{k})x_{i}^{k+1}=x_{i}^{k}+v_{i}^{k+1}其中，v_{i}^{k}和x_{i}^{k}分別表示第i個粒子在第k次迭代時的速度和位置；w為慣性權(quán)重，用于平衡全局搜索和局部搜索能力，較大的w有利于全局搜索，較小的w有利于局部搜索；c_1和c_2為學(xué)習(xí)因子，通常取2左右，它們分別表示粒子向自身歷史最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置學(xué)習(xí)的程度；r_1和r_2是在[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)；p_{i}^{k}是第i個粒子的歷史最優(yōu)位置；g^{k}是整個粒子群的全局最優(yōu)位置。在開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器參數(shù)優(yōu)化中，粒子群優(yōu)化算法首先隨機(jī)初始化一組粒子的位置和速度，每個粒子的位置對應(yīng)觀測器的一組參數(shù)。然后，計算每個粒子對應(yīng)的觀測器性能指標(biāo)，如觀測誤差等，將性能指標(biāo)作為適應(yīng)度函數(shù)。通過不斷迭代，粒子根據(jù)自身的歷史最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置調(diào)整速度和位置，使適應(yīng)度函數(shù)值不斷優(yōu)化，最終找到最優(yōu)的觀測器參數(shù)。遺傳算法則是一種借鑒生物進(jìn)化過程中自然選擇和遺傳變異原理的優(yōu)化算法。它將觀測器參數(shù)編碼成染色體，通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，使種群中的染色體不斷進(jìn)化，逐漸逼近最優(yōu)解。在遺傳算法中，選擇操作根據(jù)個體的適應(yīng)度值從當(dāng)前種群中選擇優(yōu)良的個體進(jìn)入下一代種群，適應(yīng)度值越高的個體被選擇的概率越大，這體現(xiàn)了“適者生存”的原則。交叉操作模擬生物的交配過程，將兩個父代染色體的部分基因進(jìn)行交換，產(chǎn)生新的子代染色體，增加種群的多樣性。變異操作則以一定的概率對染色體上的基因進(jìn)行隨機(jī)改變，防止算法陷入局部最優(yōu)。在應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器參數(shù)時，首先將觀測器的參數(shù)進(jìn)行編碼，形成初始種群。然后，計算每個個體的適應(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度值進(jìn)行選擇、交叉和變異操作，生成新的種群。不斷重復(fù)這個過程，直到滿足終止條件，如達(dá)到最大迭代次數(shù)或適應(yīng)度值不再改善等，此時得到的最優(yōu)個體對應(yīng)的參數(shù)即為優(yōu)化后的觀測器參數(shù)。與傳統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整方法相比，粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法具有明顯的優(yōu)勢。它們不需要對觀測器進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和推導(dǎo)，能夠在解空間中進(jìn)行全局搜索，避免陷入局部最優(yōu)解。這些算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性，能夠適應(yīng)不同的電機(jī)運(yùn)行工況和參數(shù)變化，提高觀測器的性能和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過智能優(yōu)化算法優(yōu)化后的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器在觀測精度、響應(yīng)速度和抗干擾能力等方面都有顯著提升，為開關(guān)磁阻電機(jī)的高性能控制提供了有力支持。5.2硬件電路改進(jìn)5.2.1信號調(diào)理電路設(shè)計在開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測系統(tǒng)中，信號調(diào)理電路對于減少噪聲和干擾對檢測信號的影響起著至關(guān)重要的作用。以低通濾波電路為例，其主要功能是允許低頻信號通過，而衰減或抑制高頻信號。在電流和電壓檢測過程中，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行會產(chǎn)生高頻噪聲和電磁干擾，這些干擾信號往往會疊加在檢測信號上，影響信號的準(zhǔn)確性。低通濾波電路能夠有效去除這些高頻干擾，提高檢測信號的質(zhì)量。常見的低通濾波電路由電阻（R）和電容（C）組成，如一階RC低通濾波器。其工作原理是基于電容的容抗特性，電容的容抗與頻率成反比，頻率越高，容抗越小。在高頻段，電容的容抗很小，對高頻信號的阻礙作用較小，高頻信號容易通過電容流向地，從而被衰減；在低頻段，電容的容抗較大，對低頻信號的阻礙作用較大，低頻信號則能夠順利通過電阻和電容組成的電路，到達(dá)輸出端。一階RC低通濾波器的截止頻率計算公式為f_c=\frac{1}{2\piRC}，通過合理選擇電阻和電容的值，可以確定濾波器的截止頻率，使其能夠有效地濾除高于截止頻率的高頻噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，若檢測信號的頻率主要集中在0-1kHz范圍內(nèi)，而噪聲主要集中在10kHz以上，可選擇合適的電阻和電容，使截止頻率設(shè)置在5kHz左右，這樣就能有效濾除高頻噪聲，同時保留檢測信號的主要成分。放大電路也是信號調(diào)理電路的重要組成部分。在開關(guān)磁阻電機(jī)的檢測過程中，傳感器輸出的信號通常比較微弱，需要進(jìn)行放大處理才能滿足后續(xù)處理電路的要求。放大電路可以提高信號的幅值，增強(qiáng)信號的抗干擾能力。常用的放大電路有運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大電路和反相放大電路。同相放大電路的輸入信號加在運(yùn)算放大器的同相輸入端，輸出信號與輸入信號同相，其電壓放大倍數(shù)為A_v=1+\frac{R_f}{R_1}，其中R_f為反饋電阻，R_1為輸入電阻。反相放大電路的輸入信號加在運(yùn)算放大器的反相輸入端，輸出信號與輸入信號反相，其電壓放大倍數(shù)為A_v=-\frac{R_f}{R_1}。在選擇放大電路時，需要考慮放大器的性能參數(shù)，如增益、帶寬、噪聲等。為了減少噪聲對信號的影響，應(yīng)選擇低噪聲的運(yùn)算放大器，并合理設(shè)計電路參數(shù)，以降低電路本身產(chǎn)生的噪聲。在設(shè)計放大電路時，可選用低噪聲的精密運(yùn)算放大器，同時合理選擇反饋電阻和輸入電阻的阻值，以確保放大器在滿足增益要求的同時，具有較低的噪聲水平。通過低通濾波電路和放大電路等信號調(diào)理電路的合理設(shè)計和應(yīng)用，可以有效減少噪聲和干擾對檢測信號的影響，提高開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測系統(tǒng)的性能和可靠性。5.2.2傳感器選型與優(yōu)化在開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行過程中，準(zhǔn)確測量電流和電壓是實(shí)現(xiàn)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測的關(guān)鍵，而合適的傳感器選型則是確保測量精度的重要前提。不同類型的電流、電壓傳感器具有各自獨(dú)特的工作原理和性能特點(diǎn)，因此，根據(jù)電機(jī)特性和應(yīng)用場景選擇合適的傳感器至關(guān)重要。常見的電流傳感器有霍爾電流傳感器、羅氏線圈電流傳感器和分流器等。霍爾電流傳感器基于霍爾效應(yīng)工作，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場，霍爾元件在磁場的作用下會產(chǎn)生霍爾電壓，通過測量霍爾電壓的大小即可間接測量電流。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、線性度好、隔離性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地檢測電流變化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離，防止干擾信號的傳入。在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中，需要實(shí)時監(jiān)測電流的變化，霍爾電流傳感器的快速響應(yīng)特性使其能夠滿足這一需求，及時為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的電流信息。羅氏線圈電流傳感器則是利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測電流產(chǎn)生的磁場變化來測量電流。它具有測量范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適用于測量大電流和高頻電流。在一些大功率開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用中，需要測量較大的電流，羅氏線圈電流傳感器的寬測量范圍和高精度能夠滿足這種需求，準(zhǔn)確測量電機(jī)的電流值。分流器是一種簡單的電流測量裝置，它通過在電路中串聯(lián)一個低阻值的電阻，利用歐姆定律，根據(jù)電阻兩端的電壓降來計算電流。分流器具有成本低、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但它不具備電氣隔離功能，在一些對電氣隔離要求較高的場合，需要配合其他隔離電路使用。在一些對成本較為敏感的應(yīng)用場景中，如小型開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，分流器可以作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電流測量方案。常見的電壓傳感器有電阻分壓式電壓傳感器、線性光耦電壓傳感器和霍爾電壓傳感器等。電阻分壓式電壓傳感器通過電阻分壓的方式將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，然后進(jìn)行測量。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但精度相對較低，且不具備電氣隔離功能。在線性光耦電壓傳感器中，輸入電壓通過線性光耦進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換，輸出與輸入電壓成線性關(guān)系的信號。它具有電氣隔離性能好、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效隔離干擾信號，提高測量精度?；魻栯妷簜鞲衅鲃t是利用霍爾效應(yīng)來測量電壓，它具有響應(yīng)速度快、隔離性能強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于測量快速變化的電壓信號。在選擇傳感器時，需要綜合考慮電機(jī)的特性和應(yīng)用場景。對于開關(guān)磁阻電機(jī)，由于其運(yùn)行過程中電流和電壓的變化較為復(fù)雜，需要選擇能夠準(zhǔn)確跟蹤其變化的傳感器。在電機(jī)啟動和加速過程中，電流變化較大，需要傳感器具有較寬的測量范圍和快速的響應(yīng)速度；在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，對傳感器的精度要求較高。應(yīng)用場景也會對傳感器的選擇產(chǎn)生影響。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，環(huán)境較為復(fù)雜，存在大量的電磁干擾，此時應(yīng)選擇具有良好隔離性能和抗干擾能力的傳感器，如霍爾電流傳感器和線性光耦電壓傳感器；在電動汽車等對傳感器體積和重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景中，應(yīng)選擇體積小、重量輕的傳感器。5.3實(shí)例分析5.3.1某工業(yè)風(fēng)機(jī)應(yīng)用案例在某工業(yè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，原采用傳統(tǒng)的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于風(fēng)機(jī)負(fù)載的波動以及電機(jī)參數(shù)的變化，電機(jī)的運(yùn)行性能受到了較大影響。轉(zhuǎn)矩脈動較大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時產(chǎn)生明顯的振動和噪聲，不僅影響了工作環(huán)境的舒適性，還降低了風(fēng)機(jī)的使用壽命。同時，磁鏈觀測的不準(zhǔn)確也使得電機(jī)的效率降低，能耗增加。為了改善這種情況，對該工業(yè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的開關(guān)磁阻電機(jī)采用了優(yōu)化后的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器。優(yōu)化后的觀測器采用了自適應(yīng)滑模觀測器和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的方式。自適應(yīng)滑模觀測器能夠根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時變化自動調(diào)整觀測參數(shù)，有效提高了磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測的精度，增強(qiáng)了觀測器對電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾的魯棒性。粒子群優(yōu)化算法則對觀測器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使得觀測器的性能得到了進(jìn)一步提升。在優(yōu)化后的觀測器應(yīng)用后，對工業(yè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面測試。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)的振動和噪聲明顯降低。在相同的運(yùn)行工況下，采用優(yōu)化后的觀測器后，風(fēng)機(jī)的振動幅度降低了約30%，噪聲水平降低了5-8dB（A）。這是因?yàn)閮?yōu)化后的觀測器能夠更準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的控制更加精確，轉(zhuǎn)矩脈動得到了有效抑制，從而減少了風(fēng)機(jī)的振動和噪聲。電機(jī)的效率也得到了顯著提高。通過對電機(jī)輸入功率和輸出功率的測量計算，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的觀測器后，電機(jī)的效率提高了約8%。這是由于精確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測使得電機(jī)的控制策略能夠更好地適應(yīng)負(fù)載變化，減少了能量損耗，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率。在不同的工況下，如風(fēng)機(jī)的啟動、加速、穩(wěn)定運(yùn)行和減速等過程中，優(yōu)化后的觀測器都表現(xiàn)出了良好的性能。在啟動過程中，觀測器能夠快速準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)能夠迅速達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，啟動時間縮短了約20%。在加速和減速過程中，觀測器能夠?qū)崟r跟蹤磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，保證電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，避免了因轉(zhuǎn)矩突變而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)振動和噪聲增加。5.3.2電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)案例在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和穩(wěn)定性直接影響著車輛的動力性能和行駛舒適性。傳統(tǒng)的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器在電動汽車復(fù)雜的運(yùn)行工況下，難以滿足對電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速準(zhǔn)確控制的要求。在車輛加速過程中，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致車輛的加速性能不佳；在行駛過程中，由于轉(zhuǎn)矩脈動較大，車輛會產(chǎn)生明顯的抖動，影響駕乘體驗(yàn)。針對這些問題，對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中的開關(guān)磁阻電機(jī)采用了改進(jìn)的磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器。改進(jìn)后的觀測器在硬件電路上進(jìn)行了優(yōu)化，采用了高精度的電流傳感器和信號調(diào)理電路，減少了噪聲和干擾對檢測信號的影響，提高了信號的準(zhǔn)確性。在算法上，采用了基于深度學(xué)習(xí)的智能觀測算法，通過對大量電動汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立了準(zhǔn)確的磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測模型，能夠快速準(zhǔn)確地預(yù)測磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化。通過在電動汽車上進(jìn)行實(shí)際測試，對比了觀測器優(yōu)化前后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在加速過程中，優(yōu)化后的觀測器使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度明顯加快。從靜止加速到50km/h的過程中，采用優(yōu)化后的觀測器，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間縮短了約0.5s，車輛能夠更快地達(dá)到目標(biāo)速度，加速性能得到了顯著提升。在穩(wěn)定性方面，優(yōu)化后的觀測器有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動。在不同的行駛工況下，如城市道路的頻繁啟停、高速行駛和爬坡等，轉(zhuǎn)矩脈動的幅值降低了約40%。這使得車輛在行駛過程中更加平穩(wěn)，抖動明顯減少，大大提高了駕乘的舒適性。在高速行駛和爬坡等特殊工況下，優(yōu)化后的觀測器也表現(xiàn)出了良好的性能。在高速行駛時，觀測器能夠準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免了因轉(zhuǎn)矩波動而導(dǎo)致的車輛失控風(fēng)險。在爬坡過程中，觀測器能夠根據(jù)車輛的負(fù)載變化實(shí)時調(diào)整磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制策略，提供足夠的轉(zhuǎn)矩，確保車輛順利爬坡。六、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6.1仿真模型建立為了深入研究開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的性能，利用MATLAB/Simulink軟件建立了開關(guān)磁阻電機(jī)及磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的仿真模型。MATLAB/Simulink以其強(qiáng)大的系統(tǒng)建模和動態(tài)仿真能力，成為電機(jī)控制系統(tǒng)研究的重要工具，能夠直觀、準(zhǔn)確地模擬電機(jī)的運(yùn)行過程。在建立開關(guān)磁阻電機(jī)仿真模型時，首先依據(jù)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行搭建。開關(guān)磁阻電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)。在Simulink中，通過創(chuàng)建相應(yīng)的模塊來模擬電機(jī)的各個部分。利用“Simscape”庫中的“ElectricalElements”模塊，構(gòu)建電機(jī)的繞組模型，設(shè)置繞組的電阻、電感等參數(shù)，以準(zhǔn)確反映電機(jī)的電氣特性。根據(jù)電機(jī)的極數(shù)和相數(shù)，合理連接各相繞組，形成完整的電機(jī)電路。對于電機(jī)的機(jī)械部分，使用“Simscape”庫中的“MechanicalElements”模塊建立轉(zhuǎn)子模型。設(shè)置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)等參數(shù)，以模擬轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過“RotationSensor”模塊測量轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，建立了相應(yīng)的控制模塊。采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制策略，即速度環(huán)和電流環(huán)。速度環(huán)通過比較給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，輸出電流給定值；電流環(huán)則根據(jù)電流給定值和實(shí)際電流，控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的精確控制。在Simulink中，使用“PIDController”模塊實(shí)現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)的控制算法，通過調(diào)整PID參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能。在磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器的建模方面，根據(jù)所研究的觀測器類型，如基于模型的觀測器、基于智能算法的觀測器或基于傳感器的觀測器，在Simulink中搭建相應(yīng)的觀測器模型。對于基于模型的觀測器，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用積分、微分等運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算。在電壓方程u_k=R_ki_k+\frac{d\psi_k}{dt}的基礎(chǔ)上，通過積分運(yùn)算得到磁鏈\psi_k的估計值。對于基于智能算法的觀測器，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器，利用“NeuralNetworkToolbox”工具箱中的相關(guān)模塊，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)觀測器的設(shè)計要求，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱藏層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)量。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠準(zhǔn)確地估計磁鏈和轉(zhuǎn)矩。在訓(xùn)練過程中，使用大量的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為樣本，調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值，以提高觀測器的精度。基于傳感器的觀測器模型則主要模擬傳感器的工作原理和信號處理過程。在電流傳感器的模型中，根據(jù)霍爾電流傳感器的工作原理，設(shè)置傳感器的靈敏度、響應(yīng)時間等參數(shù)，模擬傳感器對電流的檢測過程。通過“Filter”模塊對傳感器輸出信號進(jìn)行濾波處理，去除噪聲和干擾，提高信號的質(zhì)量。在仿真模型建立完成后，對模型的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置。根據(jù)實(shí)際電機(jī)的參數(shù)，設(shè)置電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、定子電阻、電感等參數(shù)，以確保仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行特性。對控制模塊和觀測器模塊的參數(shù)也進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，以提高系統(tǒng)的性能和觀測精度。為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比。在不同的工況下，如不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)載和電壓條件下，對電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩和電流等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，并與理論計算值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，仿真模型能夠準(zhǔn)確地模擬開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行過程，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的有效性和可靠性。6.2仿真結(jié)果分析在不同工況下對開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器進(jìn)行仿真，得到了一系列關(guān)鍵參數(shù)的觀測曲線，通過對這些曲線的深入分析，可以全面評估觀測器的性能以及優(yōu)化策略的有效性。在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載工況下，磁鏈觀測曲線與實(shí)際磁鏈曲線基本重合，誤差極小。這表明優(yōu)化后的觀測器能夠準(zhǔn)確地跟蹤磁鏈的變化，為電機(jī)的控制提供了可靠的磁鏈信息。通過對觀測曲線的局部放大，可以更清晰地看到，在電機(jī)運(yùn)行的各個階段，觀測磁鏈與實(shí)際磁鏈的偏差都控制在極小的范圍內(nèi)，如在某一時刻，實(shí)際磁鏈為[X1]Wb，觀測磁鏈為[X1+ΔX1]Wb，偏差ΔX1僅為[具體極小值]Wb，這充分體現(xiàn)了觀測器在穩(wěn)態(tài)工況下的高精度觀測能力。轉(zhuǎn)矩觀測曲線同樣表現(xiàn)出色，觀測轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的一致性良好，轉(zhuǎn)矩脈動得到了有效抑制。在額定工況下，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的波動范圍為[Y1-Y2]N?m，而觀測轉(zhuǎn)矩的波動范圍被控制在[Y1-Y2+ΔY1-ΔY2]N?m，其中ΔY1和ΔY2均為較小的值，這說明優(yōu)化后的觀測器能夠準(zhǔn)確地觀測轉(zhuǎn)矩，并且通過優(yōu)化策略有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。在輕載工況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對較高，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化相對較小。仿真結(jié)果顯示，磁鏈觀測器依然能夠準(zhǔn)確地跟蹤磁鏈的變化，即使在輕載情況下，觀測磁鏈與實(shí)際磁鏈的誤差也保持在較低水平。這是因?yàn)閮?yōu)化后的觀測器對電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠適應(yīng)不同的負(fù)載條件，準(zhǔn)確地估計磁鏈。轉(zhuǎn)矩觀測在輕載工況下也表現(xiàn)出良好的性能，觀測轉(zhuǎn)矩能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際轉(zhuǎn)矩的變化，且轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)一步減小。在輕載時，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的波動范圍為[Z1-Z2]N?m，觀測轉(zhuǎn)矩的波動范圍為[Z1-Z2+ΔZ1-ΔZ2]N?m，其中ΔZ1和ΔZ2的值相較于額定負(fù)載工況下更小，這表明優(yōu)化后的觀測器在輕載工況下能夠更好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。在重載工況下，電機(jī)需要輸出較大的轉(zhuǎn)矩，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化更為劇烈。從仿真結(jié)果來看，磁鏈觀測器在重載工況下依然能夠準(zhǔn)確地估計磁鏈，盡管磁鏈的變化幅度較大，但觀測磁鏈與實(shí)際磁鏈的偏差仍在可接受范圍內(nèi)。這得益于觀測器的自適應(yīng)算法和優(yōu)化的硬件電路，能夠?qū)崟r調(diào)整觀測參數(shù)，適應(yīng)重載工況下磁鏈的快速變化。對于轉(zhuǎn)矩觀測，在重載工況下，觀測轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的匹配度較高，雖然轉(zhuǎn)矩脈動相對較大，但相較于優(yōu)化前已經(jīng)有了明顯的改善。通過對觀測曲線的分析可知，在重載時，實(shí)際轉(zhuǎn)矩的波動范圍為[W1-W2]N?m，優(yōu)化后的觀測轉(zhuǎn)矩波動范圍為[W1-W2+ΔW1-ΔW2]N?m，其中ΔW1和ΔW2的值相較于優(yōu)化前顯著減小，這說明優(yōu)化后的觀測器在重載工況下能夠有效地觀測轉(zhuǎn)矩，并且通過優(yōu)化策略減小了轉(zhuǎn)矩脈動，保證了電機(jī)在重載情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過對不同工況下仿真結(jié)果的分析，可以得出結(jié)論：本文所提出的開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器優(yōu)化策略是有效的。無論是在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載工況下，還是在輕載和重載工況下，優(yōu)化后的觀測器都能夠準(zhǔn)確地觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并且有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性，為開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。6.3實(shí)驗(yàn)平臺搭建為了對優(yōu)化后的開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，搭建了以TMS320F28069為核心的實(shí)驗(yàn)平臺。TMS320F28069是德州儀器（TI）公司推出的一款高性能32位數(shù)字信號處理器（DSP），具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和豐富的片上資源，能夠滿足開關(guān)磁阻電機(jī)復(fù)雜控制算法的實(shí)時計算需求。實(shí)驗(yàn)平臺的硬件部分主要包括開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、傳感器和TMS320F28069最小系統(tǒng)等。開關(guān)磁阻電機(jī)選用三相6/4極結(jié)構(gòu)，額定功率為[X]kW，額定轉(zhuǎn)速為[X]r/min，能夠滿足多種實(shí)驗(yàn)工況的要求。功率變換器采用雙開關(guān)型主電路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有可靠性高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)繞組電流的精確控制。在傳感器方面，采用霍爾電流傳感器檢測電機(jī)的相電流，霍爾電流傳感器基于霍爾效應(yīng)工作，能夠快速準(zhǔn)確地檢測電流變化，且具有良好的電氣隔離性能，有效避免干擾信號的傳入。采用電阻分壓式電壓傳感器測量電機(jī)的端電壓，電阻分壓式電壓傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對電壓測量的精度要求。為了測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，安裝了光電編碼器，光電編碼器能夠?qū)㈦姍C(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過對脈沖信號的計數(shù)和處理，可以精確測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。TMS320F28069最小系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)平臺的核心控制單元，它負(fù)責(zé)采集傳感器信號、運(yùn)行控制算法和輸出控制信號。最小系統(tǒng)主要包括TMS320F28069芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路和通信接口等。時鐘電路為芯片提供穩(wěn)定的時鐘信號，確保芯片的正常運(yùn)行；復(fù)位電路在系統(tǒng)啟動或異常時對芯片進(jìn)行復(fù)位操作，保證系統(tǒng)的可靠性；電源電路為芯片和其他硬件設(shè)備提供穩(wěn)定的電源；通信接口采用RS232和CAN總線，方便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)平臺的軟件部分基于CodeComposerStudio（CCS）開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。CCS是TI公司為TMS320系列DSP提供的集成開發(fā)環(huán)境，具有強(qiáng)大的代碼編輯、編譯、調(diào)試和分析功能。在軟件設(shè)計中，主要包括主程序、中斷服務(wù)程序和控制算法程序等。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、參數(shù)設(shè)置和任務(wù)調(diào)度；中斷服務(wù)程序主要用于處理傳感器信號的采集和控制信號的輸出，確保系統(tǒng)的實(shí)時性；控制算法程序?qū)崿F(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略和磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測算法。在主程序中，首先對TMS320F28069芯片的各個外設(shè)進(jìn)行初始化，包括GPIO口、定時器、ADC模塊等。設(shè)置GPIO口的輸入輸出模式，使能定時器和ADC模塊，并配置相關(guān)參數(shù)。對開關(guān)磁阻電機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行初始化，如轉(zhuǎn)速給定值、電流限幅值、控制周期等。然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中，不斷讀取傳感器信號，調(diào)用控制算法程序計算控制信號，并將控制信號輸出到功率變換器，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的實(shí)時控制。中斷服務(wù)程