開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方法研究＊

荊建立，呂 明

（蚌埠學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)SRM）的定、轉(zhuǎn)子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，與傳統(tǒng)電機(jī)不同之處是轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組，因此其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，制造成本低，運(yùn)行時(shí)可靠性高、維護(hù)量小，效率高，另外還具有調(diào)速范圍寬、起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特性，由其構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)（Switched Reluctance Drives，簡(jiǎn)稱(chēng)SRD）具有交、直流傳動(dòng)系統(tǒng)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。

SRD融SRM、功率變換器、控制器與位置檢測(cè)器為一體，其性能的改善不能僅依靠?jī)?yōu)化SRM與功率變換器設(shè)計(jì)，而必須借助控制方法。SR電動(dòng)機(jī)的控制方法是根據(jù)運(yùn)行條件的不同，在不同的轉(zhuǎn)子位置下通斷各相繞阻的開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可控參數(shù)多，這樣提高了電動(dòng)機(jī)控制的靈活性，但也增加了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制的復(fù)雜性，電機(jī)本身固有的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電流的非正弦性，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，高度非線性的磁化特性、相間互感以及電阻參數(shù)的變化將更增加了電機(jī)控制的復(fù)雜性［1］，因此對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制成為研究熱點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代SRM問(wèn)世至今，在SRM控制方面已涌現(xiàn)出大量控制方法，其中典型的控制方法有四種：角度位置控制、電流斬波控制、電壓斬波控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

2 角度位置控制

角度位置控制是外施電壓保持不變，通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。SR電動(dòng)機(jī)在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速的高速區(qū)域運(yùn)行時(shí)常采用此種方式，此時(shí)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大，且各相主開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間較短，電流較小，通過(guò)控制開(kāi)通角和關(guān)斷角來(lái)對(duì)電流波形進(jìn)行間接控制。

電流波形位于電感波形的上升段時(shí)產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，位于電感波形的下降段時(shí)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩。開(kāi)通角對(duì)控制電流大小的作用十分明顯，直接影響電流波形起始段的上升率及電流峰值。電流波形起始段的上升率及電流峰值對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能有相當(dāng)大的影響，電流上升快和峰值大可以提高電動(dòng)機(jī)的出力，效率也可以高一些，關(guān)斷角可以改變電流波形寬度，與開(kāi)通角相比影響較弱，故一般采用固定關(guān)斷角，改變開(kāi)通角的控制方式［2］。

由于開(kāi)通角和關(guān)斷角對(duì)電流影響甚大，電流的大小直接影響著轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)可以多相通電，以增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，因此角度位置控制轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍很大。通過(guò)角度優(yōu)化，能使電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載下保持較高的效率，可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制，電動(dòng)機(jī)在角度位置控制下運(yùn)行效率高。角度位置控制的缺點(diǎn)是不太適用于低速。因?yàn)檗D(zhuǎn)速降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)減小，使電流峰值增大，必須進(jìn)行限流，角度位置控制在開(kāi)通期間內(nèi)開(kāi)關(guān)元件始終是導(dǎo)通的，相電流是不可控，其變化率很大，對(duì)于開(kāi)通角和關(guān)斷角的微小變化都十分敏感，在調(diào)節(jié)上也存在一定的困難。因此，這種方法比較適合在短時(shí)間里快速達(dá)到期望電流的場(chǎng)合，如轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合［3］。對(duì)于每一個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開(kāi)通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對(duì)應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜且很難得到滿意的性能［4］。

3 電流斬波控制

電機(jī)的相電壓、開(kāi)通角和關(guān)斷角保持不變，通過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的多次導(dǎo)通和關(guān)斷將電流限制在給定的上下限之間，并藉此控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，此種控制方法稱(chēng)為電流斬波控制。

在SR電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、低、中速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)小，電流上升快，為避免電流超過(guò)功率器件和電機(jī)的允許值，通常會(huì)采用電流斬波控制。在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運(yùn)行時(shí)增長(zhǎng)更快，也采用電流斬波控制。當(dāng)斬波周期較小時(shí)，電流波形呈較寬的平頂波，故產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，合成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，因此較適用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

該控制方法在負(fù)載擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，因?yàn)殡娏鞣逯当幌?，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)被限，無(wú)法自動(dòng)適應(yīng)擾動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速突變，系統(tǒng)特性軟。在電流斬波控制方法下，電流波形是鋸齒波形，并隨著速度的降低，功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也變大，帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲也將加劇。

4 電壓斬波控制

功率開(kāi)關(guān)按PWM方式工作，改變占空比，則繞組電壓的平均值將會(huì)變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制，又稱(chēng)調(diào)壓調(diào)速。與電流斬波控制方法類(lèi)似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減小，但功率開(kāi)關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。

電壓斬波控制既能用于高速區(qū)，又能用于低速區(qū)，采用這種方法避免了調(diào)速方法切換可能帶來(lái)的一些問(wèn)題；占空比與相電流最大值之間有較好的線性關(guān)系，調(diào)節(jié)占空比就可以控制相電流的大小，因此在這種控制方法中相電流的變化率和大小都是可控的，并呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，電壓斬波控制方法簡(jiǎn)單，電路實(shí)現(xiàn)容易，因此這種方法在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。

電壓斬波控制適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大［5］。在某一速度下運(yùn)行的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，開(kāi)通角和占空比可以有多種不同的組合，因而對(duì)應(yīng)不同大小的電流有效值，因此開(kāi)通角固定調(diào)占空比的方法無(wú)法做到整個(gè)運(yùn)行速域內(nèi)損耗最小、效率最優(yōu)。

5 直接轉(zhuǎn)矩控制

角度位置控制、電流斬波控制和電壓斬波控制只是根據(jù)速度控制開(kāi)通角、關(guān)斷角、電流幅值和電壓實(shí)際利用值，藉此控制相電流而間接控制轉(zhuǎn)矩，而沒(méi)有直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，也未考慮SRM內(nèi)部磁場(chǎng)的非線性，因此很難精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DTC）在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中是一種較完善的控制理論，事實(shí)證明它能很容易地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并能減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是基于轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈給定值與實(shí)際值的誤差和定子磁鏈的位置，通過(guò)選取合適的電壓空間矢量，在滯環(huán)控制器的滯環(huán)范圍內(nèi)，直接控制變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差。DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可獲得高的動(dòng)、靜態(tài)性能，具有很好的魯棒性［6］。

針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)借鑒于交流電機(jī)的DTC，有學(xué)者提出了SRM的DTC思想，類(lèi)似地，SRM的DTC是通過(guò)控制磁鏈的大小和旋轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，盡管其理論依據(jù)是電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型，但在實(shí)際控制中不需要非線性電機(jī)模型，控制效果也不取決于電機(jī)數(shù)學(xué)模型的精確性［7］。同時(shí)，考慮到SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)本身特別大，而DTC能夠把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在一定的容差內(nèi)，從這個(gè)角度出發(fā)，DTC對(duì)減少SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是有效的。SRM的DTC能夠有效地控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，不需改變現(xiàn)有的電機(jī)結(jié)構(gòu)、繞組形式和功率變換器，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

SRM的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)而產(chǎn)生的，在磁路飽和狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩的近似值可以表達(dá)為［7］：

式中：θ為轉(zhuǎn)子位置角，i為繞組電流。

SRM的一相電路方程為：

由式（2）可知

由此可知電流與磁鏈有一個(gè)一階延遲環(huán)節(jié)，這樣在對(duì)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)就可以?xún)H僅控制磁鏈加速或減速而不考慮電流的變化。同時(shí)由式（1）可知，轉(zhuǎn)矩與電流和磁鏈有關(guān)，因此，完全可以通過(guò)控制磁鏈來(lái)控制SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通常使用單極性驅(qū)動(dòng)，故各相電流都是正的，因此式（1）中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)是定的。即要產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，定子磁鏈幅值必須隨轉(zhuǎn)子位置變化而加速，要產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩，定子磁鏈幅值要隨轉(zhuǎn)子位置變化減速。

直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)質(zhì)，是通過(guò)對(duì)施加在電機(jī)定子上的空間電壓矢量的加入時(shí)刻和加入時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行控制，來(lái)保持定子磁鏈幅值基本恒定，通過(guò)控制定子磁鏈的轉(zhuǎn)速來(lái)控制轉(zhuǎn)矩的增加與減少，將轉(zhuǎn)矩控制在一個(gè)給定大小的滯環(huán)寬度內(nèi)，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。為了實(shí)現(xiàn)這種控制，并且考慮到開(kāi)關(guān)器件所能承受的開(kāi)關(guān)頻率，一般把定子磁鏈的軌跡分為幾個(gè)區(qū)域，對(duì)定子磁鏈實(shí)行分區(qū)控制，不同區(qū)域采用不同的定子電壓矢量，使得定子磁鏈軌跡接近圓形。通過(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，定子磁鏈走走停停，從而控制定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而有效地控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。通過(guò)控制定子電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)交替出現(xiàn)，就可以控制定子磁鏈空間矢量的平均旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

文獻(xiàn)［7］的仿真結(jié)果證明了這一方法能有效減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，定子磁鏈幅值基本不變，軌跡比較接近于圓形。文獻(xiàn)［8］表明了直接轉(zhuǎn)矩控制能較好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)［9］的仿真結(jié)果表明，將直接轉(zhuǎn)矩控制策略用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，有效地控制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能良好，解決了傳統(tǒng)控制方法轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單［9］。

6 結(jié)論

角度位置控制、電流斬波控制、電壓斬波控制是傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方法，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大或適用速域有限，直接轉(zhuǎn)矩控制抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但算法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求與實(shí)現(xiàn)難易而采用合適的控制方法，這也正體現(xiàn)了SRM控制靈活的一面。

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