寧德勝 袁克湘 胡維超

（陽光電源股份有限公司）

開關(guān)磁阻電機（SRM）結(jié)構(gòu)簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬而且容錯能力強，綜合性能突出，非常符合電動汽車對電驅(qū)系統(tǒng)的要求[1-2]。但是開關(guān)磁阻電機在應(yīng)用中存在轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲大等問題，限制了其的廣泛應(yīng)用，針對這個問題，文獻[3-5]在控制算法上做了改進，文獻[6-7]改進了驅(qū)動拓撲。傳統(tǒng)非對稱半橋式功率變換器僅能提供一種勵磁電壓和一種退磁電壓，不能滿足電機在不同負載和轉(zhuǎn)速下的需求，會造成較大的電流或轉(zhuǎn)矩脈動。文章提出了一種新型五電平驅(qū)動電路，相對于傳統(tǒng)的半橋式驅(qū)動電路，其拓撲有更多的電壓選項，使得控制更平滑，能夠滿足電機在不同負載和轉(zhuǎn)速下的需求，減小電機轉(zhuǎn)矩脈動。通過仿真，驗證了該功率變換器在抑制轉(zhuǎn)矩脈動上的有效性。

1　五電平功率變換器結(jié)構(gòu)及基本工作原理

1.1　開關(guān)磁阻電機基本工作原理

開關(guān)磁阻電機采用雙凸極結(jié)構(gòu)，只在定子上安裝集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組。開關(guān)磁阻電機運行遵循“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子沿磁阻最小方向轉(zhuǎn)動，其旋轉(zhuǎn)方向與電流方向無關(guān)，僅與勵磁順序有關(guān)。開關(guān)磁阻電機常用控制方式有電流斬波控制、角度位置控制和電壓PWM控制。

不對稱半橋式功率變換器是開關(guān)磁阻電機最常用的驅(qū)動電路，每相有2個主開關(guān)器件及反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。其具有結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件少的優(yōu)點，但是傳統(tǒng)半橋式驅(qū)動電路僅能夠提供3種電壓回路，控制靈活性差。

不對稱半橋式功率變換器的3種工作狀態(tài)，如圖1所示，V1和V2是主開關(guān)器件，VD1和VD2是反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。其勵磁和退磁時加在繞組兩端的是電源電壓，因此電流變換較快，容易超出滯環(huán)區(qū)間。隨著電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)性能要求的提高，傳統(tǒng)半橋式拓撲不能達到較為理想的控制效果。具有多種可調(diào)電壓的驅(qū)動拓撲在實際控制中能提供更加豐富的電壓選擇，增強系統(tǒng)的可控性，是提高開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出性能的理想選擇。文章基于對傳統(tǒng)拓撲的分析，提出了一種五電平功率變換器。

圖1　不對稱半橋式功率變換器的3種工作狀態(tài)

1.2　新型五電平功率變換器結(jié)構(gòu)

新型五電平功率變換器，如圖2所示。S為三相公共開關(guān)管，直流側(cè)電容C1和C2串聯(lián)，起到分壓作用，C1和C2兩端的電壓為電源電壓的1/2，直流側(cè)電容中點通過2個開關(guān)管分別連接在繞組兩端。該拓撲每相有3個獨立的開關(guān)管，可通過S與每相獨立的開關(guān)管配合，控制直流側(cè)2個電容的充、放電，使繞組勵磁、退磁或零電壓續(xù)流，并且可以通過合理控制兩電容充、放電來維持中點電位平衡。

圖2　五電平功率變換器拓撲

直流側(cè)電壓為2Udc，則直流側(cè)兩電容的額定電壓應(yīng)為 Udc。S，Sa1，Sb1，Sc1的額定電壓值為 2Udc，但 S 是三相公共開關(guān)，因此開關(guān)頻率較高，要求它有較高的開關(guān)能力。

1.3　不同工作模式下的開關(guān)狀態(tài)

開關(guān)磁阻電機功率變換器可工作于勵磁、退磁和零電壓續(xù)流模式下，文章所提五電平驅(qū)動電路分別有勵磁和退磁電壓2種，而且有多種續(xù)流回路。以A相為例對不同電壓回路下功率變換器的開關(guān)狀態(tài)及適用情況進行說明。

1.3.1勵磁時的開關(guān)狀態(tài)

通常在需要繞組快速勵磁的場合，例如轉(zhuǎn)子剛進入導(dǎo)通區(qū)間時，需要較大的勵磁電壓快速建立勵磁電流。勵磁時的開關(guān)狀態(tài)，如圖3所示。此時，圖3a中S和Sa1開通，Sa2和Sa3關(guān)斷，電源電壓直接加在相繞組上，相繞組快速建立勵磁電流，有利于減小換相時由于后一相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩能力不足帶來的轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)快速、平穩(wěn)換相。

圖3　勵磁時的開關(guān)狀態(tài)

在滯環(huán)控制中，由于開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)采樣頻率的限制，采樣周期較長，會導(dǎo)致實際控制量超出滯環(huán)區(qū)間，造成較大的電流和轉(zhuǎn)矩脈動，還會影響功率器件的壽命，增加系統(tǒng)的損耗。此時較小的勵磁電壓是非常必要的，可得到更好的控制效果且有利于系統(tǒng)的安全運行。文章所提拓撲能夠通過直流側(cè)電容提供勵磁電壓Udc，如圖3b所示，S和Sa3開通時，C1放電，勵磁電壓為 Udc1；或如圖 3c所示，Sa1和 Sa2開通時，C2放電，勵磁電壓為Udc2。實際控制中，可以通過控制開關(guān)的通、斷，使C1和C2輪流充放電，維持直流側(cè)中點電位的平衡。

1.3.2退磁時的開關(guān)狀態(tài)

相繞組在-Udc退磁時也有2種退磁回路，可分別向C1充電或向C2充電。圖4示出退磁時的開關(guān)狀態(tài)。如圖4a所示，Sa2開通，相繞組通過Sa2和VD11退磁，退磁電流向C1充電；如圖4b所示，Sa3閉合，續(xù)流電流通過Sa3和VD12向C2充電。-Udc退磁時，有利于新型五電平拓撲，可以通過開關(guān)的切換實現(xiàn)直流側(cè)兩電容的充、放電，維持中點電位的平衡。如圖4 c所示，所有開關(guān)管都關(guān)斷時，繞組電流通過VD11和VD12續(xù)流，電源電壓反向加在相繞組上使其快速退磁。圖4中2種不同退磁電壓下的退磁回路可以根據(jù)實際需求合理選擇，在開關(guān)磁阻電機控制中，當電流沖擊太大或換相時，需要較大的退磁電壓使繞組快速退磁。當電流或轉(zhuǎn)矩超出滯環(huán)上限較小時，-Udc退磁可避免退磁太快使電流超出滯環(huán)下限值。

圖4　退磁時的開關(guān)狀態(tài)

1.3.3零電壓續(xù)流時的開關(guān)狀態(tài)

零電壓續(xù)流時的開關(guān)狀態(tài)，如圖5所示。文章所提五電平拓撲有3種零電壓續(xù)流回路。如圖5a所示，Sa2和Sa3開通，電流通過Sa2和Sa3續(xù)流；圖5b中S開通，電流通過S和VD11續(xù)流；圖5c中Sa1閉合，電流通過Sa1和VD12續(xù)流。

圖5　零電壓續(xù)流時的開關(guān)狀態(tài)

2　實際控制系統(tǒng)中新型五電平拓撲的工作狀態(tài)

滯環(huán)控制是開關(guān)磁阻電機的常用控制算法，以電流或轉(zhuǎn)矩為控制對象，通過控制功率變換器開關(guān)的通斷，即加在相繞組兩端電壓的大小和時間，使被控量圍繞參考值波動。因此能否合理控制相繞組兩端的電壓是影響滯環(huán)控制效果的關(guān)鍵，多電平控制對于提高滯環(huán)控制系統(tǒng)的跟蹤能力具有重要意義。開關(guān)磁阻電機導(dǎo)通區(qū)間分為單相導(dǎo)通區(qū)和2相換向區(qū)，單相導(dǎo)通區(qū)只需控制1個相繞組輸出使其跟蹤參考值，2相換向區(qū)需要2相的配合使得2相總的輸出等于參考值。表1示出新型五電平功率變換器在單相導(dǎo)通區(qū)和2相換相區(qū)的工作狀態(tài)。

圖1　五電平拓撲單相導(dǎo)通及換相時的工作狀態(tài)

五電平拓撲單相運行時有5種工作狀態(tài)，2相換向時有21種工作狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)不對稱半橋式拓撲多了許多中間狀態(tài)，因此可以根據(jù)實際控制中被控參數(shù)與參考值之差，使控制更加細化。這樣有利于減小換相時的轉(zhuǎn)矩脈動，使控制更加平滑。

3　仿真分析

為了對比五電平功率變換器與傳統(tǒng)半橋式功率變換器的控制效果，通過仿真軟件MATLAB/Simulink分別搭建了2種拓撲的仿真模型。并在DITC控制算法下，比較了2種拓撲的控制效果。仿真中電機模型根據(jù)查表法建立，仿真電機參數(shù)與實際電機參數(shù)相同，電機額定功率為35 kW，額定電壓和電流分別為336 V和115 A，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，電機的采樣頻率為9.6 kHz。

電機的轉(zhuǎn)矩脈動（KT）為：

式中：KT——轉(zhuǎn)矩脈動值；

Tmax，Tmin，Tavg——轉(zhuǎn)矩最大值、最小值、平均值，N·m。

文章控制算法通過S-function函數(shù)建立，仿真中建立了電流-角度-轉(zhuǎn)矩三維表格，實際轉(zhuǎn)矩值根據(jù)電流值和角度值查表得到，S-function函數(shù)模塊根據(jù)電機角度和實際轉(zhuǎn)矩值與參考轉(zhuǎn)矩值之差控制開關(guān)功率變換器開關(guān)管的通斷。

圖6和圖7分別示出參考轉(zhuǎn)矩為40 N、轉(zhuǎn)速為500 r/min時傳統(tǒng)非對稱半橋式拓撲和五電平拓撲的轉(zhuǎn)矩、電流波形。對比圖6和圖7可知，采用五電平拓撲的電流脈動要小于傳統(tǒng)非對稱半橋式拓撲，且電流變化更平滑。圖8和圖9分別示出參考轉(zhuǎn)矩為80 N、轉(zhuǎn)速為500 r/min時的轉(zhuǎn)矩和電流波形，從仿真波形可知，五電平功率變換器具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動。因此，可以證明五電平功率變換器具有更好的轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果。

圖6　非對稱半橋式拓撲仿真波形（參考轉(zhuǎn)矩為40 N）

圖7　五電平拓撲仿真波形（參考轉(zhuǎn)矩為40 N）

圖8　非對稱半橋式拓撲仿真波形（參考轉(zhuǎn)矩為80 N）

圖9　五電平拓撲仿真波形（參考轉(zhuǎn)矩為80 N）

4　結(jié)論

五電平功率變換器相對于傳統(tǒng)功率變換器有更多的工作模式，通過控制開關(guān)的通斷可以實現(xiàn)對直流側(cè)電容的獨立控制，為相繞組提供多種勵磁和退磁電壓，使得電流、轉(zhuǎn)矩變化更平滑。仿真結(jié)果表明，在相同控制方法下，五電平功率變換器相對于傳統(tǒng)非對稱半橋式功率變換器轉(zhuǎn)矩脈動和電流脈動更小。因此五電平變換器對提高開關(guān)磁阻電機控制的靈活性及減小開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩脈動具有重要意義。