開關磁阻電動機控制方法研究＊

荊建立，呂 明

（蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

開關磁阻電動機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）的定、轉子采用雙凸極結構，由硅鋼片疊壓而成，與傳統電機不同之處是轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環等，定子上只有簡單的集中繞組，因此其結構簡單、堅固，制造成本低，運行時可靠性高、維護量小，效率高，另外還具有調速范圍寬、起動電流小、起動轉矩大的特性，由其構成的傳動系統（Switched Reluctance Drives，簡稱SRD）具有交、直流傳動系統所沒有的優點。

SRD融SRM、功率變換器、控制器與位置檢測器為一體，其性能的改善不能僅依靠優化SRM與功率變換器設計，而必須借助控制方法。SR電動機的控制方法是根據運行條件的不同，在不同的轉子位置下通斷各相繞阻的開關器件。開關磁阻電動機可控參數多，這樣提高了電動機控制的靈活性，但也增加了電動機運行控制的復雜性，電機本身固有的雙凸極結構和供電電流的非正弦性，使得電機轉矩脈動較大，高度非線性的磁化特性、相間互感以及電阻參數的變化將更增加了電機控制的復雜性［1］，因此對開關磁阻電動機的控制成為研究熱點。從20世紀80年代SRM問世至今，在SRM控制方面已涌現出大量控制方法，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，通過改變開通角和關斷角調節電機轉速。SR電動機在基速至第二臨界轉速的高速區域運行時常采用此種方式，此時旋轉電動勢較大，且各相主開關器件導通時間較短，電流較小，通過控制開通角和關斷角來對電流波形進行間接控制。

電流波形位于電感波形的上升段時產生正的轉矩，位于電感波形的下降段時產生負的轉矩。開通角對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系統運行性能有相當大的影響，電流上升快和峰值大可以提高電動機的出力，效率也可以高一些，關斷角可以改變電流波形寬度，與開通角相比影響較弱，故一般采用固定關斷角，改變開通角的控制方式［2］。

由于開通角和關斷角對電流影響甚大，電流的大小直接影響著轉矩的大小，同時可以多相通電，以增加電機的輸出轉矩，因此角度位置控制轉矩調節的范圍很大。通過角度優化，能使電動機在不同負載下保持較高的效率，可實現效率最優控制或轉矩最優控制，電動機在角度位置控制下運行效率高。角度位置控制的缺點是不太適用于低速。因為轉速降低時，旋轉電動勢減小，使電流峰值增大，必須進行限流，角度位置控制在開通期間內開關元件始終是導通的，相電流是不可控，其變化率很大，對于開通角和關斷角的微小變化都十分敏感，在調節上也存在一定的困難。因此，這種方法比較適合在短時間里快速達到期望電流的場合，如轉速較高的場合［3］。對于每一個由轉速與轉矩確定的運行點，開通角與關斷角有多種組合，每一種組合對應不同的性能，具體操作較復雜且很難得到滿意的性能［4］。

3 電流斬波控制

電機的相電壓、開通角和關斷角保持不變，通過主開關器件的多次導通和關斷將電流限制在給定的上下限之間，并藉此控制轉矩和轉速，此種控制方法稱為電流斬波控制。

在SR電動機起動、低、中速運行時，旋轉電動勢小，電流上升快，為避免電流超過功率器件和電機的允許值，通常會采用電流斬波控制。在制動運行時，旋轉電動勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運行時增長更快，也采用電流斬波控制。當斬波周期較小時，電流波形呈較寬的平頂波，故產生的轉矩也比較平穩，合成轉矩脈動較小，因此較適用于轉矩調節系統。

該控制方法在負載擾動下動態響應慢，因為電流峰值被限，轉矩也相應被限，無法自動適應擾動導致的轉速突變，系統特性軟。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，功率開關器件的開關頻率增大，轉矩脈動也變大，帶來的振動和噪聲也將加劇。

4 電壓斬波控制

功率開關按PWM方式工作，改變占空比，則繞組電壓的平均值將會變化，進而間接改變相繞組電流的大小，從而實現轉速和轉矩的調節，這就是電壓斬波控制，又稱調壓調速。與電流斬波控制方法類似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機出力增大，噪聲減小，但功率開關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，又能用于低速區，采用這種方法避免了調速方法切換可能帶來的一些問題；占空比與相電流最大值之間有較好的線性關系，調節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，并呈現較好的線性關系，電壓斬波控制方法簡單，電路實現容易，因此這種方法在開關磁阻電動機控制器產品中得到廣泛應用。

電壓斬波控制適合于轉速調節系統，抗負載擾動的動態響應快，低速運行時轉矩脈動較大［5］。在某一速度下運行的開關磁阻電動機產生相同的轉矩，開通角和占空比可以有多種不同的組合，因而對應不同大小的電流有效值，因此開通角固定調占空比的方法無法做到整個運行速域內損耗最小、效率最優。

5 直接轉矩控制

角度位置控制、電流斬波控制和電壓斬波控制只是根據速度控制開通角、關斷角、電流幅值和電壓實際利用值，藉此控制相電流而間接控制轉矩，而沒有直接對轉矩進行控制，也未考慮SRM內部磁場的非線性，因此很難精確控制電機轉矩。

直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）在交流電機驅動系統中是一種較完善的控制理論，事實證明它能很容易地控制電機的轉矩和轉速，并能減小轉矩脈動，其實質是基于轉矩和定子磁鏈給定值與實際值的誤差和定子磁鏈的位置，通過選取合適的電壓空間矢量，在滯環控制器的滯環范圍內，直接控制變換器的開關狀態以減少電機轉矩和磁鏈的誤差。DTC系統結構簡單，可獲得高的動、靜態性能，具有很好的魯棒性［6］。

針對開關磁阻電機轉矩脈動的問題，同時借鑒于交流電機的DTC，有學者提出了SRM的DTC思想，類似地，SRM的DTC是通過控制磁鏈的大小和旋轉速度來實現，盡管其理論依據是電機的非線性數學模型，但在實際控制中不需要非線性電機模型，控制效果也不取決于電機數學模型的精確性［7］。同時，考慮到SRM的轉矩脈動本身特別大，而DTC能夠把轉矩脈動控制在一定的容差內，從這個角度出發，DTC對減少SRM的轉矩脈動是有效的。SRM的DTC能夠有效地控制轉矩脈動，控制簡單，易實現，不需改變現有的電機結構、繞組形式和功率變換器，具有較大的應用價值。

SRM的轉矩是由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢而產生的，在磁路飽和狀態下，轉矩的近似值可以表達為［7］：

式中：θ為轉子位置角，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一階延遲環節，這樣在對轉矩控制時就可以僅僅控制磁鏈加速或減速而不考慮電流的變化。同時由式（1）可知，轉矩與電流和磁鏈有關，因此，完全可以通過控制磁鏈來控制SR電機的轉矩。由于開關磁阻電機通常使用單極性驅動，故各相電流都是正的，因此式（1）中轉矩的正負是定的。即要產生正的轉矩，定子磁鏈幅值必須隨轉子位置變化而加速，要產生負的轉矩，定子磁鏈幅值要隨轉子位置變化減速。

直接轉矩控制的實質，是通過對施加在電機定子上的空間電壓矢量的加入時刻和加入時間長短進行控制，來保持定子磁鏈幅值基本恒定，通過控制定子磁鏈的轉速來控制轉矩的增加與減少，將轉矩控制在一個給定大小的滯環寬度內，達到對轉矩的直接控制。為了實現這種控制，并且考慮到開關器件所能承受的開關頻率，一般把定子磁鏈的軌跡分為幾個區域，對定子磁鏈實行分區控制，不同區域采用不同的定子電壓矢量，使得定子磁鏈軌跡接近圓形。通過電壓空間矢量來控制定子磁鏈的旋轉速度，定子磁鏈走走停停，從而控制定子磁鏈的平均旋轉速度，從而有效地控制電機轉矩。通過控制定子電壓空間矢量的工作狀態和零狀態交替出現，就可以控制定子磁鏈空間矢量的平均旋轉速度，進而控制電機轉矩。

文獻［7］的仿真結果證明了這一方法能有效減小轉矩波動，定子磁鏈幅值基本不變，軌跡比較接近于圓形。文獻［8］表明了直接轉矩控制能較好地抑制轉矩脈動。文獻［9］的仿真結果表明，將直接轉矩控制策略用于開關磁阻電機，有效地控制了轉矩和磁鏈，使系統的動靜態性能良好，解決了傳統控制方法轉矩脈動大的問題，并且實現簡單［9］。

6 結論

角度位置控制、電流斬波控制、電壓斬波控制是傳統的開關磁阻電動機控制方法，方法簡單，易于實現，但缺點是轉矩脈動大或適用速域有限，直接轉矩控制抑制了轉矩脈動，但算法和系統實現較為復雜，在實際應用中，應當根據性能要求與實現難易而采用合適的控制方法，這也正體現了SRM控制靈活的一面。

［1］Cheok A D，Fukuda，Y.A New Torque and Flux Control Method for Switched Reluctance Motor Drives［J］.IEEE transactions on power Electronics，2002，17（4）：543－557.

［2］王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術［M］.北京：機械工業出版社，1995.

［3］曹家勇，陳幼平，詹瓊華等.開關磁阻電動機控制技術的研究現狀和發展趨勢［J］.電機與控制學報，2002，6（1）：1－5.

［4］葛寶明，王祥珩，蘇鵬聲等.開關磁阻電機控制策略綜述［J］.電氣傳動，2001，31（2）：8－13.

［5］郝樹人，申紅燕，張有明.SRD 的 PWM 調壓調速［J］.太原理工大學學報，2000，31（5）：568－570.

［6］張春梅，爾桂花.直接轉矩控制研究現狀與前景［J］.微電機，2000，（6）：25－28.

［7］宋桂英，孫鶴旭，鄭易等.開關磁阻電動機直接轉矩控制的研究［J］.電氣傳動，2004，（5）：11－13.

［8］漆漢宏，張婷婷，李珍國等.基于DITC的開關磁阻電機轉矩脈動最小化研究［J］.電工技術學報，2007，22（7）：136－140.

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