五電平拓撲下開關磁阻電機直接瞬時轉矩控制

程勇， 林輝

(1.西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072;2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710054)

五電平拓撲下開關磁阻電機直接瞬時轉矩控制

程勇1，2， 林輝1

(1.西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072;2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710054)

針對開關磁阻電機轉矩脈動，提出開關磁阻電動機五電平驅動拓撲結構和滯環控制策略。研究和分析五電平拓撲的五電平導通原理，并與不對稱半橋驅動電路三電平導通進行比較。結合開關磁阻電機繞組導通和直接瞬時轉矩控制原理，設計五電平驅動下開關磁阻電機直接瞬時轉矩滯環控制策略，并且進行仿真實驗。仿真結果證實與不對稱半橋電路相比，五電平拓撲下的轉矩控制算法簡單，而且有效減小轉矩脈動，改善轉矩的動態特性。

開關磁阻電機;轉矩脈動;直接瞬時轉矩控制;五電平驅動拓撲

0 引言

開關磁阻電機(switched reluctance motors，SRM)具有簡單而特殊的雙凸極結構，造成了磁場分布嚴重非線性。針對開關磁阻電機轉矩脈動控制是一個公認的難題和研究的熱點。目前，已經取得了大量的關于減小轉矩脈動成果。文獻［1］利用神經網絡對非線性系統的逼近能力，實現i(T，θ)關系的神經網絡建模，通過瞬時電流跟蹤控制參考電流，控制轉矩。文獻［2－3］分別利用迭代學習控制和直接轉矩方法實現了控制轉矩。文獻［4－5］采用直接瞬時轉矩方法和Boost電路形成了四電平的拓撲，實現了轉矩脈動的抑制。還有通過關斷角補償［6］，減小轉矩脈動。這些算法雖然都實現了轉矩控制，但是控制算法復雜、系統魯棒性不理想、并且計算量大。

直接瞬時轉矩控制［4－5，7］(direct instantaneous torque control，DITC)不同于傳統的轉矩分配法的電流優化控制輸出轉矩，它是通過轉矩誤差控制相繞組上的電壓，控制輸出轉矩。根據直接瞬時轉矩控制理論，文中提出了五電平的功率拓撲［9］，并且詳細分析導通過程，再與不對稱半橋比較后，提出了單相導通和換相導通的滯環控制策略，最后通過仿真驗證了該拓撲在DITC控制中的有效性。

1 開關磁阻電機輸出轉矩分析

假設四相SRM電動機各相繞組采用正向方式連接，且相間互感可以忽略不計，同時各相繞組具有相同的電磁特性。

式中W'、Te表示電機第k相繞組磁共能、總電磁轉矩。式(1)描述了SRM每相轉矩Tek與磁共能W'、位置角θ關系。Tek是第k相的瞬時轉矩。在式(2)中，當k相轉矩相加就表示電機的總電磁轉矩［7］。

由式(1)可知，磁共能的改變與轉子位置、繞組電流的瞬時值相關。在DITC系統，輸出的瞬時轉矩要作為閉環控制重要變量，通過控制定子繞組電壓可以控制瞬時輸出轉矩［4，7］。文中SRM的瞬時轉矩，采用文獻［8］的方法建立轉矩電流角度表，并且通過查表的方法獲得SRM瞬時輸出轉矩。

2 拓撲分析

不對稱半橋式結構是SRD中應用較多的單極性驅動電源。根據不對稱半橋工作原理，定子繞組電壓定義3個狀態。由DITC理論［7］可知，更多的電壓狀態會提高SRM的轉矩性能，獲得良好的輸出轉矩特性。圖1是五電平開關磁阻電機的驅動拓撲結構。圖2為五電平驅動電路相繞組電壓狀態。

圖1 五電平開關磁阻電機驅動功率電路Fig.1 Five level converter of 4-phase SRM

五電平電路中，比不對稱半橋電路多了兩個電源控制開關管(VTc1，VTc2)和一個單極性電源(Us1)。增加兩個開關管和反向并聯二極管給繞組提供不同母線電壓等級。由于A相C相(或者B相D相)不能同時導通，因此它們可以共用開關管VTc1，VTc2(或者 B 相 D 相共用VTc3，VTc4)。

圖2 五電平驅動電路相繞組電壓狀態Fig.2 Voltage state of SRM in five level converter

在圖2(a)中，當SRM繞組需要快速勵磁時，VTc1、VTAU、VTAD導通，VTc2斷開時，電機的電源電壓是(Us1+Us2)，可以有效降低電壓建立時間。為了和不對稱半橋電路的繞組電壓狀態區別，定義相繞組電壓狀態 Sk=+2。圖2(b)中，在 VTc1、VTAU、VTAD、VTc2斷開時，加在繞組電源電壓為 －(Us1+Us2)，繞組通過 VDU1、VDA1、VDA2導通反向放電，定義 Sk= －2。圖 2(c)中，在 VTc1、VTc2、VTAU斷開，VDA2、VTAD導通時，相繞組處于續流狀態，等效電源等于0，定義Sk=0。圖2(d)中，VTc1關斷，當繞組電勢小于 Us2，VTc2斷開時，VDU2、VTAU、VTAD導通時，那么二極管VDU1導通，繞組上電源電壓為Us2，相繞組電壓狀態 Sk=1。圖 2(e)中，當 VTc1、VTAU、VTAD斷開時，VTc2、VDA1、VDA2導通，等效電源等于 － Us2，相繞組電壓狀態Sk=－1。

因此，等效的繞組電壓狀態也由3種拓展到了5種。比較文獻［5］四電平功率電路，五電平電路電壓狀態多了2個電壓等級，這將幫助改善轉矩動態性能。

3 五電平驅動電路的直接瞬時轉矩控制策略

DITC算法的關鍵是轉矩誤差的滯環控制策略。文中SRM控制結構如圖3所示。由查表法得到的瞬時轉矩作為控制量，與參考轉矩進行比較后，再送入轉矩調節器控制。在每個導通周期內，各相繞組輪流單相導通。

圖3 五電平直接瞬時轉矩控制原理Fig.3 Control scheme structure of five level instantaneous torque control system

根據SRM的線性化公式，相電流產生電磁轉矩可簡化為

圖4 各相電感與位置角關系圖Fig.4 Relation of induction and position angle

3.1 各相電感和換相角之間的關系

四相繞組電感和轉矩及位置角導通、關斷關系如圖5所示。把四相繞組的通電周期分成:換相區間和單相區間兩個部分。以D相和A相為例，說明導通區間關系。在0°～θ ，D相單相導通，有＞Aon0，D相產生正轉矩。此時雖然A相＞0，但很小，因此A相在這個位置角區間并不導通。

圖5 各相轉矩與位置角關系示意圖Fig.5 Sketch of each phase torque in different position

3.2 轉矩滯環控制

單相時，以D相單獨導通為例。如果轉矩誤差ΔTerr增加且大于ΔT1，D相繞組要處在正常導通狀態，SD=1;如果轉矩誤差ΔTerr增加且大于ΔT2，D相繞組要產生足夠的電流滿足輸出轉矩增加的要求，SD=2;如果轉矩誤差 ΔTerr減小且 － ΔT1≤ΔTerr＜0，通過續流實現輸出轉矩緩慢減小的要求，SD=0;如果轉矩誤差 ΔTerr減小且 －ΔT2≤ΔTerr＜ － ΔT1，繞組加負壓SD=－1，使得輸出轉矩進一步減小;如果轉矩誤差ΔTerr減小且ΔTerr＜－ΔT2，D相繞組要加速退磁，滿足輸出轉矩加速減小的要求，SD=－2，如圖6(a)所示。

換相時(D相換到A相)，滯環控制的原則即將單相導通相(A相)承擔增加輸出轉矩作用，即將關斷相(D相)承擔減少轉矩作用。如果需要減小輸出轉矩的時候，應該盡可能的平緩的降低D相電壓，A相繞組電壓減小等級要比D相低。

如果轉矩誤差 ΔTerr增加且 ΔT1≤ΔTerr≤ΔT2，D相繞組要在正常導通狀態，SD=1，A相繞組也要保持SA=1;如果轉矩誤差ΔTerr進一步增加且ΔTerr≥ΔT2，A、D相繞組要加速導通滿足輸出轉矩增加的要求，SD=2，SA=2;如果轉矩誤差ΔTerr減小增加且－ΔT1≤ΔTerr≤0，D、A 兩相繞組 SD=0，SA=1，緩慢減小轉矩;如果轉矩誤差ΔTerr減小且－ΔT2≤ΔTerr≤－ΔT1，SD= －1，SA=0，使得輸出轉矩進一步減小;如果轉矩誤差ΔTerr減小且ΔTerr≤－ΔT2，D相繞組要加速退磁，快速減小輸出轉矩加速，那么加繞組狀態電壓SD=－2，A相SA=－1。如圖6(b)，6(c)所示。

圖6 單相導通和兩相換相滯環控制原理Fig.6 Sketch of torque hysteresis controller in conduction and two phases commutation

4 仿真

根據文中所述算法，采用Matlab仿真軟件，對額定功率2.2 kW四相8/6極電機，進行了不對稱半橋三電平和五電平功率電路的DITC方法的仿真研究，設開通角度 θon和關斷角度 θoff分別 2°和 21°，轉速穩定在600 r/min。兩電源電壓(Us1和Us2)分別為電機定子繞組額定電壓(280 V)的一半140 V。選擇轉矩誤差滯環門限ΔT1=0.1，ΔT2=0.2。其中三電平滯環控制策略與文獻［7］中方法完全相同。

仿真結果如圖7(a)、7(b)兩圖是0.2 s時，指令轉矩由4 N·m向1 N·m躍變時，五電平拓撲下電機的轉矩輸出地魯棒性強于不對稱半橋，沒有出現明顯的轉矩波動，及時跟定指令轉矩，而且過渡過程明顯比不對稱半橋要短，動態性能好。其中，在圖7(c)中，五電平拓撲穩態下在換相處有較明顯的轉矩波動，但是輸出轉矩脈動被控制在了(3±0.2)N·m內。可見五電平拓撲電壓控制策略抑制了轉矩的脈動。在圖7(d)中，轉矩脈動的包絡要比五電平電路大，最大轉矩誤差絕對值達到0.3 N·m。圖7(e)～7(h)說明了輸出轉矩在6 N·m穩態下，A、B、C三相輸出轉矩和對應的電壓狀態。如果電機的負載接近額定負載，那么五電平下DITC將采用電源電壓的±2狀態完成大滯環輸出轉矩控制，而轉矩誤差減小進入小滯環，DITC通過電源的±1狀態平滑地輸出轉矩。在圖7(e)、7(g)中，五電平控制策略在換相過程中，通過滯環控制策略五電平拓撲換相階段轉矩脈動明顯減小。不對稱半橋電路由于只有3個電平等級，在換相處的容易引起轉矩脈動過大。圖7(g)與圖5中設計的輸出轉矩波形一致，證明了理論設計的各相輸出轉矩。

圖7 兩拓撲DITC仿真結果Fig.7 Simulation results of DITC between two topologies

5 結論

針對DITC原理，文中提出五電平拓撲和控制算法解決了SRM電機轉矩脈動問題。依靠五電平功率變換器，基于直接瞬時轉矩控制方法的控制策略加強了SRM驅動系統的轉矩魯棒性，仿真結果充分證明了這種方法有效和可行。五電平拓撲為SRM控制提供豐富的控制電壓和向量，該拓撲同樣也可以構成豐富的空間電壓矢量，實現開關磁阻電機的直接轉矩控制。

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(編輯:劉素菊)

Direct instantaneous torque control of switched reluctance motor with five level converter

CHENG Yong1，2， LIN Hui1
(1.College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China;
2.School of Electrical and Control Engineer，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China)

In terms of torque ripple，five-level converter of switched reluctant motor is proposed and analyzed.Conduction of new topology was analyzed，and conduction comparison between new topology and asymmetric half bridge was performed.Based on conduction theory and direct instantaneous torque control(DITC)，hysteresis control strategy was designed in five level converter.Finally，torque simulation was performed.Compared with asymmetric half bridge，results of simulation prove that this method which is simple could reduce SRM’s torque ripple effectively and promote dynamic characteristic.

switched reluctant motors;torque ripple;direct instantaneous torque control;five level con-verter

TM 352

A

1007－449X(2011)04－0018－05

2010－10－14

航空科學基金項目(2007ZC53036)

程 勇(1979—)，男，博士研究生，研究方向為檢測技術，開關磁阻電機控制;

林 輝(1957—)，男，教授，博士生導師，研究方向為迭代學習控制、電機控制、故障診斷等。