基于三相全橋功率變換器的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

高 原，黃澤群

基于三相全橋功率變換器的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

高 原1，黃澤群2

（1. 海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

論文針對由三相全橋功率變換器驅(qū)動的開關(guān)磁阻電機(jī)，分別構(gòu)建了基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和電流滯環(huán)控制技術(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制模型，對系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)論表明將矢量控制技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)合之后，轉(zhuǎn)矩脈動可得到較大改善，系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)性能也有一定提升。最后搭建了加載試驗(yàn)平臺對所提出的開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的準(zhǔn)確性。

開關(guān)磁阻電機(jī) 轉(zhuǎn)矩脈動 三相全橋功率變換器 矢量控制

0 引言

半個(gè)世紀(jì)以來，開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）發(fā)展迅速，其具有構(gòu)造簡單、系統(tǒng)成本低、調(diào)速范圍寬、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且已在電動汽車、多電飛機(jī)等領(lǐng)域中得到了不同程度的應(yīng)用[1-2]。

雙凸極的結(jié)構(gòu)以及勵(lì)磁的開關(guān)性，決定了開關(guān)磁阻電機(jī)具有固有轉(zhuǎn)矩脈動，影響其平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，這也成為開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于高性能場合的瓶頸，因此分析和抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動成為如今電力傳動和電機(jī)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和研究熱點(diǎn)。SRM調(diào)速系統(tǒng)是包含開關(guān)磁阻電機(jī)、功率模塊、控制器和位置檢測的系統(tǒng)，要想使SRM的轉(zhuǎn)矩脈動變小，不僅需要優(yōu)化SRM和功率變換器的設(shè)計(jì)，還需要先進(jìn)的控制方法。然而非線性、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)等特性大大增加了開關(guān)磁阻電機(jī)的控制難度，傳統(tǒng)的APC、CCC和電壓PWM控制都往往難以取得令人滿意的控制效果。相比之下，矢量控制以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)電機(jī)的定子電流，解除交直軸分量之間的耦合關(guān)系，完成對磁場和力矩的解耦控制，獲得優(yōu)良的控制性能。

此外，開關(guān)磁阻電機(jī)不可通過交直流電源直接驅(qū)動，而需要通過功率變換器運(yùn)轉(zhuǎn)。不對稱半橋功率變換器是開關(guān)磁阻電機(jī)最傳統(tǒng)的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。盡管該拓?fù)浣M成簡單，控制也相當(dāng)靈活，但轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)較大是其主要的應(yīng)用瓶頸，驅(qū)動電路與電機(jī)本體的連線較多，電源模塊與保護(hù)電路都需要設(shè)計(jì)，從而降低了系統(tǒng)級的器件成本，增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。相比之下，三相全橋功率變換器通用性良好，且已普遍用于同步電機(jī)和異步電機(jī)，選型靈活，集成度高，當(dāng)這些模塊應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，其整個(gè)系統(tǒng)器件成本可明顯降低，增強(qiáng)開關(guān)磁阻電機(jī)在市場上的競爭力[3-4]。

基于此，論文擬研究基于三相全橋逆變器的SRM矢量控制技術(shù)，在保持低成本的前提下，可降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，提高系統(tǒng)的整體性能，體現(xiàn)了一定的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 三相不對稱半橋功率變換器

在三相不對稱半橋拓?fù)渲?，兩個(gè)開關(guān)管之間串聯(lián)的是各相定子之間的繞線，電機(jī)的單相電流可以不受其他影響的控制定子上的每相繞組，不會相互影響，也不會出現(xiàn)橋臂互通的現(xiàn)象。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的典型特征是電機(jī)各相繞組之間的耦合度很低，這表明其容錯(cuò)性比較強(qiáng)。但這種方式有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是容易造成比較大的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)，而且系統(tǒng)的本體模塊和驅(qū)動電路模塊之間的連線數(shù)量會比較多，電源和保護(hù)裝置也需要考慮設(shè)計(jì)并加在系統(tǒng)中，這將不但會導(dǎo)致整個(gè)體系的穩(wěn)定程度大大降低，同時(shí)還會使系統(tǒng)的復(fù)雜程度增高[5]。

1.2 三相全橋功率變換器

三相全橋功率變換器是較為成熟的一種適用于交流電機(jī)的驅(qū)動器，它選型方便，通用性非常廣，而且批量生產(chǎn)的價(jià)格也不高。當(dāng)其嵌入到SRM的驅(qū)動系統(tǒng)中時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動模塊的器件價(jià)格可以得到明顯的降低[6]。通常情況下，三相全橋功率變換器主要有兩種拓?fù)湫问?，分別是三角形連接和星型連接，如圖1所示。

1.2.1三角形接法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1（a）為三角形接法的開關(guān)磁阻電機(jī)，A、B、C各相電機(jī)繞組都與一個(gè)功率二極管進(jìn)行串聯(lián)。其開關(guān)方式總共包含三個(gè)部分：

圖1 三相全橋功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

階段一：開關(guān)S1和S4保持接通的狀態(tài)，電感導(dǎo)通的只有L1一相，相繞組電流的流經(jīng)方向是經(jīng)從S1到L1，再到S4，最后形成閉環(huán)，這時(shí)的電壓方程可以表示為

階段二：開關(guān)S1和S6保持開通狀態(tài)，S4處于關(guān)斷模式，L1、L2兩相導(dǎo)通，相電流經(jīng)S1流過L1、L2，由S6回到電源負(fù)極，此時(shí)L1、L2兩相勵(lì)磁，電壓方程為

階段三：開關(guān)S1關(guān)斷，S6仍導(dǎo)通，相電流流過L1、L2，經(jīng)過開關(guān)S6，由開關(guān)S2所對應(yīng)的二極管續(xù)流，電壓方程為

上述繞組三角形連接的三相全橋拓?fù)溆捎谠擈?qū)動方式要求要有額外的二極管被串聯(lián)到每相的定子繞組上，這就使得系統(tǒng)的復(fù)雜度大大增加，從而喪失了較好的通用性。

1.2.2星形接法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星形連接的三相全橋功率變換器驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)的電路圖如圖1(b)，星形接法的全橋逆變器驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)時(shí)，需要有一個(gè)相繞組反向串接的前提條件。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)開關(guān)器件很容易直接連通造成短路現(xiàn)象，燒毀電源，因此為了排除這一隱患，且必須滿足SRM的三相電流之和為0。

圖2為星形連接的開三相全橋功率變換器驅(qū)動關(guān)磁阻電機(jī)的通用開關(guān)策略。其中，L1-L3為相電感，I1-I3為相電流，S1-S6為六個(gè)開關(guān)管。

綜上所述，對于三角型連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是繼承了全橋拓?fù)涞耐ㄓ眯裕且驗(yàn)镾RM的定子繞組必須要和功率二極管進(jìn)行串接，所以這將使驅(qū)動系統(tǒng)更加復(fù)雜，電機(jī)可靠性降低。因此功率變換器選用星形連接的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。又考慮到單極性勵(lì)磁模式在轉(zhuǎn)矩脈動比較大的同時(shí)輸出力矩卻很小，因此本文采用雙極性勵(lì)磁模式。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)的通用開關(guān)策略

2 開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模

2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制可分為兩種，一種是基于電流滯環(huán)的矢量控制，一種是基于SVPWM的矢量控制，如圖3所示。

2.1.1基于電流滯環(huán)的矢量控制

開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制電流法模型結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示。該控制方法的基本思路是把電流參考信號與電流傳感器檢測到的功率變換器輸出信號做一個(gè)對比，如果經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)實(shí)際輸出電流值更大，則需要通過切換功率變換器的開合狀態(tài)使該值減小，反之則增大。如此一來實(shí)際電流值將隨著參考電流的波形發(fā)生變化，并在一定程度上可以保持較小的偏差。其最大優(yōu)點(diǎn)是機(jī)理較為簡單、響應(yīng)也很快；不足之出在于穩(wěn)態(tài)性能比較差，轉(zhuǎn)矩波動大。

圖3 開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制框圖

2.1.2基于SVPWM的矢量控制

2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模

本次建模所使用的電機(jī)為3相12/8極SRM，額定功率為1 kW，額定電壓96 V，定子外徑120 mm，轉(zhuǎn)子外徑63 mm，繞組電阻0.178 Ω，槽滿率75%。由于其具有非線性、耦合度很高、鐵芯磁通密度高飽和等特點(diǎn)，為了便于建模分析，假定：1）主開關(guān)管可視為理想開關(guān)；2）忽略電機(jī)自身的鐵耗；3）開關(guān)磁阻電機(jī)的各相參數(shù)對稱，不考慮相間耦合。

開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)涉及的功能化模組有：開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)子位置計(jì)算模塊及控制算法。

2.2.1基于電流滯環(huán)的矢量控制模塊

在該模塊中，外環(huán)實(shí)際參數(shù)與參考轉(zhuǎn)速做差后經(jīng)過PI控制器的放大積分作用，形成給定Iq，并與給定的Id一起經(jīng)反帕克變換形成給定三相電流。以A相為例，比較器帶有滯環(huán)特性，其輸入可以認(rèn)定為給定電流與輸出電流的偏差，對應(yīng)開關(guān)管的開通和關(guān)斷則通過比較器的輸出來調(diào)節(jié)，此外比較器的滯環(huán)寬度亦可調(diào)節(jié)。利用比較器的這一特性，輸出電流可體現(xiàn)出較好的跟隨性。

2.2.2基于SVPWM的矢量控制模塊

在控制模塊中采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，圖中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅代表電流給定的最大值，它會影響過渡過程的快慢。電流調(diào)節(jié)器輸出限幅表示輸出電壓的限制，一般不超過直流母線電壓。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 基于電流滯環(huán)的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4 轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩波形（滯環(huán)寬度0.1 A）

設(shè)置系統(tǒng)負(fù)載1 Nm，參考轉(zhuǎn)速可設(shè)置為800 rpm，電流滯環(huán)寬度0.1 A。轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩對時(shí)間的響應(yīng)曲線如圖4所示。系統(tǒng)起動時(shí)，起動電流、起動轉(zhuǎn)矩均較大，隨后系統(tǒng)迅速到達(dá)穩(wěn)定：轉(zhuǎn)速最終在800 rpm附近達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，三相電流呈正弦狀，幅值為9 A，平均轉(zhuǎn)矩保持在1.2 Nm，經(jīng)計(jì)算，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為52%。

3.2 基于SVPWM的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

將800 rpm設(shè)置為系統(tǒng)的參考轉(zhuǎn)速，并設(shè)置其負(fù)載為1 Nm，轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩對時(shí)間的響應(yīng)曲線如圖5所示。系統(tǒng)起動時(shí)，起動電流、起動轉(zhuǎn)矩均較大，隨后系統(tǒng)迅速到達(dá)穩(wěn)定：轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在參考轉(zhuǎn)速800 rpm附近，三相電流呈正弦狀，幅值為9 A，實(shí)際Id、實(shí)際Iq與參考值較為吻合，平均轉(zhuǎn)矩維持在1.2 Nm，SRM的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為42%。

圖5 參考轉(zhuǎn)速800 rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩1 Nm時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩波形

綜上所述，在800 rpm、1 Nm的工況下，基于SVPWM的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制策略在降低轉(zhuǎn)矩脈動方面效果最為明顯，其次是基于電流滯環(huán)的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制策略。對傳統(tǒng)CCC控制下的SRM進(jìn)行仿真，算得轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為70%，比前兩者均要高出不少。各控制方法對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)如表1。

表1 不同控制方法的轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)

由此可見，基于三相全橋功率變換器的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有較好的動穩(wěn)態(tài)性能和轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果，值得進(jìn)一步研究。此外，目前市場上三相不對稱半橋拓?fù)淦骷徺I價(jià)達(dá)800元，相比之下，全橋?qū)?yīng)的價(jià)格僅為450元，由此可見基于三相全橋功率變換器的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制系統(tǒng)除了轉(zhuǎn)矩脈動抑制的優(yōu)勢之外，還具有低成本的優(yōu)越性。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于三相全橋功率變換器的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制方法的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺由一臺功率為1 kW的三相12/8極SRM、轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)、磁粉制動器等機(jī)構(gòu)組成。其中SRM處于電動狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩傳感器用來監(jiān)測力矩，磁粉制動器負(fù)責(zé)加載。SRM驅(qū)動系統(tǒng)由供電模塊、驅(qū)動電路、控制單元、采樣電路以及保護(hù)電路等部分組成。在開關(guān)管選型方面，選用英飛凌出產(chǎn)的模塊DF300R07PE4。在控制單元部分，DSP控制器選擇28335型號，在其完成控制算法之后，系統(tǒng)將通過CPLD實(shí)現(xiàn)換相的功能。電流檢測模塊用的是旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾傳感器。保護(hù)電路主要是防止電機(jī)過熱，在實(shí)際操作中還通過冷板與驅(qū)動模塊進(jìn)行熱交換從而達(dá)到散熱的目的。

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的800 rpm、1 Nm的工況下，基于SVPWM的開關(guān)磁阻電機(jī)矢量控制策略在降低轉(zhuǎn)矩脈動方面效果最為明顯，此時(shí)轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)為64%。

這與仿真數(shù)據(jù)得出的論斷是相同的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果雖然在數(shù)值上有一定的差異但是總體趨勢相近，驗(yàn)證了控制方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

論文提出了SRM三相全橋功率變換器驅(qū)動方案，基于3相12/8極SRM，構(gòu)建了三相全橋逆變器矢量控制系統(tǒng)，對其動穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了研究分析。搭建了加載試驗(yàn)平臺，對所提出的開關(guān)磁阻電機(jī)三相全橋功率變換器驅(qū)動方案及控制方法的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

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Study on Vector Control Technology of Switched Reluctance Machine Based on Three-Phase Full-Bridge Converter

Gao Yuan1, Huang Zequn2

(1.Navy Deputy Office in No.431 Shipyard, Huludao 125004, Liaoning, China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2019）11-0001-05

2019-09-19

高原（1979-），男，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及電力拖動系統(tǒng)。E-mail: Gy96421gy@163.com