開關磁阻電機APC 調速控制策略研究

金正楹，蔡 燕

（天津工業大學，天津 300387）

相比永磁同步電機，開關磁阻電機不含稀土材料的永磁體，結構簡單、堅固，制造成本低，特別適合于高速、高溫等對可靠性要求很高的應用場景[1-3]。但是從電機調速控制的角度看，由于其高度非線性的電磁特性，因此在控制中存在難點[4-5]，尤其是APC 運行階段的調速控制。在過去的研究中，常用推導開通角公式實現穩速[6-8]，但是其精確性有限。為了對SRM 展開性能研究，本文提出一種開關磁阻電機APC 調速控制策略，通過仿真模型的建立，為開展SRM 性能研究提供基礎。

1 APC 運行分析

與其他電機不同，由于SRM 具有特殊的雙凸極結構以及脈沖式電流的勵磁方式，一般通過控制功率變換器開關管的通斷時刻，即控制各相開始勵磁的位置和開始退磁的位置來實現相電流大小和波形的改變，從而控制SRM 的電磁轉矩及運行方向。基于不對稱半橋式功率變換器的調速控制中，通常開始勵磁的位置被稱為SRM 的開通角θon，開始退磁的位置被稱為SRM 的關斷角θoff，這種僅由角度控制參數進行調速的控制方式被稱為角度位置控制（Angular Position Control，APC）。

實際上，由于開關磁阻電機的高度飽和與非線性的特性，開通角和關斷角對相電流和輸出轉矩的影響無法被簡單公式精確表達。因此，為了確定電機APC運行時，不同的角度參數對系統的影響，需要將開通角和關斷角對相電流的影響分別進行分析，而后確定調速控制的策略。

不同開通角對相電流波形的影響如圖1（a）所示。隨著開通角的逐漸前移，相電流峰值增大，但是如果開通角過度前移，則會導致電流峰值過高從而損壞電機；如果開通角過于靠后，將無法滿足一定負載下的調速要求。不同關斷角對相電流波形的影響如圖1（b）所示。在APC 調速時，關斷角對電流的峰值影響較小，因此對電機調速控制的作用要弱于開通角，但其決定了相電流的拖尾長短，對電機效率有一定影響，在調速過程中也需要設置合適的關斷角。通過分析可知，在APC調速階段，開通角的變化可以顯著改變電流峰值，影響整個脈沖區間內的電流有效值，這對輸出轉矩的改變是決定性的，因此將開通角作為開關磁阻電機調速系統（Switched Reluctance Drive，SRD）轉速閉環的調節參數。

圖1 不同角度對相電流的影響

2 開通角APC 調速策略

由于開通角對相電流具有高影響力，因此APC 調速階段電機的主要參數被確定為開通角。但想讓SRM在不同工況下都穩定運行，閉環調節回路必不可少，因此需要進一步建立調速系統的控制框圖。

對于某一個確定的轉速、負載條件，通常有無數種開通角和關斷角的組合滿足運行，但事實上，通過上述對θon和θoff的分析可知，開通角和關斷角一旦確定，勵磁電流的波形也就確定了。換言之，在APC 運行方式下，給定參考轉速ω*和負載TL 時，若同時確定關斷角θoff，通過開通角θon對相電流波形的調節，可以使電機轉速ω 穩定在參考轉速ω*下。

利用此原理，本文制定了一種簡單有效的APC 調速控制框圖，如圖2 所示。在某一參考轉速和給定負載的條件下，給定一個關斷角后，轉速閉環會驅動比例-積分控制器，通過調節開通角使電機運行在參考轉速下，若轉速偏差為正，實際轉速低于參考轉速，開通角前移增加勵磁，若偏差為負，實際轉速高于參考轉速，開通角后移減小勵磁，直至實際轉速等于參考轉速，電機運行達到穩態。雖然開通角和關斷角有無數種組合，但是關斷角一旦確定，開通角只存在唯一的值滿足此工況的運行要求。策略中，角度信號θ 在速度變換器中轉換為轉速信號，換相控制器給出的開斷信號經過功率變換器給到電機本體，控制相繞組的通斷，從而實現轉速閉環。

圖2 APC 調速控制框圖

3 調速仿真模型

根據所提出的控制框圖在MATLAB/Simulink 軟件中建立了仿真模型，如圖3 所示。以一臺額定轉速2 000 rpm，額定功率1.5 kW 的三相12/8 極開關磁阻電機為例。在一定的參考轉速，負載TL 和關斷角條件下，通過設置合適的比例、積分系數，閉環系統通過調節開通角使電機運行在設定的矩速工作點下。仿真模塊包括換相邏輯控制，功率變換器和電機本體，此外，設置了一個限流模塊，防止調節過程中電流峰值過高而損壞電機。

圖3 基于所提出控制策略的MATLAB/Simulink 仿真模型

在電機模型中，功率變換器是系統的重要組成部分，負責執行控制信號，控制相電流的通斷，文章采用不對稱半橋式功率變換器作為功率電路，其結構簡單、穩定性高，且各相可獨立控制開斷。根據電路拓撲結構，在MATLAB/Simulink 軟件中搭建了其仿真模型，如圖4 所示。圖中V+和V-分別為295 V 等效直流電源的正負兩極，斬波管和位置管均選擇IGBT，G_up 輸入各相上橋臂斬波管的開斷信號，G_down 輸入下橋臂位置管的開斷信號。每相上下橋臂各有IGBT 開關和續流二極管一個，在兩個IGBT 開關之間是電機繞組，通過IGBT 開關控制對SRM 繞組的電壓施加。

圖4 不對稱半橋式功率變換器仿真模型

換相邏輯控制如圖5 所示，通過將開通角和關斷角與角度位置信號進行對比，給定IGBT 的通斷信號。

圖5 換相邏輯控制模型

為了驗證策略有效性，本文以轉速2 000 rpm，負載5.25 N·m 的條件為例，給出了仿真波形，如圖6 所示。從上到下依次為3.959~3.966 s 時間區間內的三相電流、三相轉矩、合成轉矩波形以及0~5 s 時間區間內的轉速波形。

關斷角設定為機械角16°，設定Kp，Ki 系數分別為0.005 和0.02，相電流峰值被限制在10 A，經過約0.5 s 后調速系統進入穩態運行，轉速穩定在參考轉速2 000 rpm，此時，開通角穩定在-1.98°，由此驗證了所提出的控制策略在APC 調速運行時的有效性。

4 結束語

本文通過角度參數的相電流影響分析，提出了一種簡單易用的開通角APC 調速控制策略，并通過MATLAB/Simulink 仿真模型實現了該策略，給出了一定矩速工作點下相電流、轉矩、轉速等穩態波形，驗證了策略有效性，對SRD 高性能系統的進一步研究提供了理論和仿真基礎。