蔡 燕 居春雷 王浩楠 萬(wàn)耀華 張海華

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的新型直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法及其高效率運(yùn)行

蔡 燕 居春雷 王浩楠 萬(wàn)耀華 張海華

（天津工業(yè)大學(xué)天津市電氣裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

針對(duì)傳統(tǒng)直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（DITC）由于未考慮各相繞組的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化而采用單一的控制策略，造成換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問(wèn)題，提出了一種新型DITC方法來(lái)抑制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。按照電機(jī)繞組的電感變化規(guī)律對(duì)導(dǎo)通周期進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)電機(jī)繞組在各導(dǎo)通區(qū)域輸出轉(zhuǎn)矩能力的變化，對(duì)各區(qū)域分別設(shè)計(jì)滯環(huán)策略，以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)導(dǎo)通周期始終采用輸出轉(zhuǎn)矩能力較大的電機(jī)相的內(nèi)滯環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩誤差，進(jìn)一步減小SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。并針對(duì)DITC效率偏低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)關(guān)斷角的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)開(kāi)通角的離線尋優(yōu)，來(lái)提高電機(jī)效率。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法有效地減小了SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并提升了電機(jī)效率。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制 效率 角度優(yōu)化

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）以可靠性好、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有良好的調(diào)速性能等優(yōu)點(diǎn)，已在牽引運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-5]。但由于雙凸極結(jié)構(gòu)以及單邊開(kāi)關(guān)形式的勵(lì)磁方式，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比其他電機(jī)嚴(yán)重，限制了它的應(yīng)用[6-10]，因此研究如何降低SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有重要意義。

目前，抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法主要可分為兩種：一是通過(guò)優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-13]；二是根據(jù)不同的控制需求采用合適的控制策略降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[14-24]。瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，在減小SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面比平均轉(zhuǎn)矩控制效果好，是當(dāng)前減小SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要研究方向。瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)控制方法的不同可分為間接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制和直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制。間接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制通常采用轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（Torque Sharing Function, TSF）法，將期望轉(zhuǎn)矩由TSF分配給各相，再根據(jù)事先建立好的電機(jī)模型轉(zhuǎn)化為各相參考電流，通過(guò)控制各相電流跟隨參考值達(dá)到跟隨指令轉(zhuǎn)矩的目的。文獻(xiàn)[15]對(duì)線性、三次、正弦和指數(shù)函數(shù)4個(gè)常見(jiàn)的TSF進(jìn)行了控制效果的評(píng)估和優(yōu)化，以達(dá)到減小SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。文獻(xiàn)[16]針對(duì)轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)提出一種轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償方法，增強(qiáng)了相電流跟隨參考電流的能力，以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[17]根據(jù)電機(jī)的磁鏈特性離線計(jì)算出滿足目標(biāo)函數(shù)的TSF，在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)降低了銅耗。但是，間接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制其轉(zhuǎn)矩控制器是開(kāi)環(huán)模式，對(duì)不確定的模型和擾動(dòng)很敏感，且控制過(guò)程中需要對(duì)轉(zhuǎn)矩-電流-位置模型及逆模型進(jìn)行計(jì)算，存在計(jì)算量大的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制（Direct Instantaneous Torque Control, DITC）直接將電磁轉(zhuǎn)矩作為控制對(duì)象，根據(jù)指令轉(zhuǎn)矩和瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩得到所需的參考電壓，不需要精確的電流波形抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方面效果良好。文獻(xiàn)[18]提出了一種改進(jìn)的直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法，通過(guò)在瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制器之前增加PI控制器和改變換相區(qū)域來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[19]將一種基于分?jǐn)?shù)階的PID控制器應(yīng)用于DITC，與傳統(tǒng)的比例積分控制器相比，減小了過(guò)沖和調(diào)整時(shí)間，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性。文獻(xiàn)[20]計(jì)算得到了一種拓寬轉(zhuǎn)速范圍的TSF，據(jù)此設(shè)計(jì)的DITC不需要額外的角度控制器。文獻(xiàn)[21-22]將多電平功率電路應(yīng)用于DITC中，利用多電平功率電路的快速勵(lì)磁和快速退磁的特點(diǎn)降低了電機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[23]提出了一種SRM的DITC參數(shù)辨識(shí)策略，利用事先得到的磁鏈曲線計(jì)算出適用于不同運(yùn)行區(qū)域下的提前角，抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

傳統(tǒng)DITC雖然采用雙滯環(huán)控制策略，但控制上沒(méi)有考慮換相期間相鄰兩相電感的變化規(guī)律，造成轉(zhuǎn)矩誤差會(huì)不可避免地進(jìn)入外滯環(huán)，使得在換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。此外，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在一些轉(zhuǎn)子位置上為了輸出所需轉(zhuǎn)矩，需要通過(guò)較大的相電流，而在這些位置該相的輸出轉(zhuǎn)矩能力較低，電能無(wú)法有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得DITC系統(tǒng)效率偏低。DITC的低效率會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中電機(jī)尺寸和質(zhì)量增加，能耗增大。如何在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)提高效率也是當(dāng)前DITC面臨的主要問(wèn)題。文獻(xiàn)[25]提出了一種低損耗換相策略，并將該策略應(yīng)用于預(yù)測(cè)脈寬調(diào)制DITC中，以降低換相期間的銅耗，但該方法僅適用于較低的轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[26]以提高效率為目的，提出了一種根據(jù)輸出轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩的關(guān)系來(lái)動(dòng)態(tài)分配各相轉(zhuǎn)矩的DITC，力求通過(guò)快速換相來(lái)提高效率，但由于沒(méi)有對(duì)開(kāi)通角進(jìn)行優(yōu)化，快速換相策略可能導(dǎo)致在換相開(kāi)始時(shí)開(kāi)通相產(chǎn)生較大的峰值電流，不利于效率的提高。

本文提出了一種新型的DITC策略，根據(jù)換相期間相鄰兩相的電感、電流間的變化規(guī)律對(duì)換相區(qū)域進(jìn)行劃分，并對(duì)每個(gè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)控制策略，使得在整個(gè)導(dǎo)通周期始終以轉(zhuǎn)矩輸出能力較大相的內(nèi)滯環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩誤差，改善了傳統(tǒng)DITC換相期間轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的情況，能夠進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)開(kāi)通角以及關(guān)斷角的優(yōu)化選擇，減小相電流峰值，提高了電機(jī)運(yùn)行效率。

1 傳統(tǒng)的DITC

1.1 傳統(tǒng)的DITC結(jié)構(gòu)

SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要由DITC單元、開(kāi)關(guān)表、功率變換器和轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。DITC控制器根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和參考轉(zhuǎn)矩的偏差及當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置發(fā)出控制信號(hào)，功率變換器根據(jù)控制指令對(duì)各相繞組施加不同的電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。

1.2 不對(duì)稱半橋功率變換器的結(jié)構(gòu)及其工作狀態(tài)

SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用不對(duì)稱半橋功率變換器。以A相為例，不對(duì)稱半橋功率變換器存在如圖2所示的三種工作狀態(tài)。

圖1 SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)

圖2 不對(duì)稱半橋功率變換器電路的三種工作狀態(tài)

圖2a為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況，記為A=1，其中A表示A相的工作狀態(tài)，同理B、C分別表示B、C相的工作狀態(tài)。此時(shí)相繞組兩端的電壓為直流母線電壓S，該相處于勵(lì)磁狀態(tài)。

只導(dǎo)通一個(gè)開(kāi)關(guān)管的情況，記為A=0。以下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通為例，如圖2b所示，此時(shí)下橋臂的二極管正向?qū)ǎ嗬@組兩端的電壓為0，該相處于續(xù)流狀態(tài)。

圖2c為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷的情況，記為A=-1。若此時(shí)繞組相電流為零，則該相繞組反向截止。若繞組相電流不為零，則繞組兩端的電壓為-S，該相繞組處于退磁狀態(tài)。

1.3 SRM瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

DITC需要準(zhǔn)確地計(jì)算瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，但SRM具有高度的非線性，難以用公式直接計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩[27-28]。目前，獲取SRM瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的主要方法有解析法建模、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等?？紤]到瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制實(shí)時(shí)性的要求，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并計(jì)算得到了如圖3所示的SRM轉(zhuǎn)矩、電流、位置特性，根據(jù)相電流與轉(zhuǎn)子位置采用查表法實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，兼顧了實(shí)際運(yùn)行中計(jì)算精度和控制的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 SRM的轉(zhuǎn)矩、電流和位置特性

1.4 傳統(tǒng)的DITC策略

SRM是位置閉環(huán)系統(tǒng)，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子位置依次給各相勵(lì)磁。圖4給出了A、B兩相換相過(guò)程中各相電感、相電流和輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律示意圖。傳統(tǒng)的DITC策略將一個(gè)換相周期分為換相區(qū)域（區(qū)域1）和單相導(dǎo)通區(qū)域（區(qū)域2）。

圖4 各相電感、電流和轉(zhuǎn)矩示意圖

為便于分析，忽略磁路飽和，電機(jī)一相繞組的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為

圖5 傳統(tǒng)DITC策略

圖6 傳統(tǒng)DITC的轉(zhuǎn)矩偏差隨時(shí)間的變化

此外，由于傳統(tǒng)DITC僅考慮降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)電流峰值過(guò)大的情況，影響電機(jī)的銅耗與效率。在減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)如何進(jìn)一步減小電流峰值、提高效率，需要合理地設(shè)計(jì)控制策略和角度控制參數(shù)。

2 所提出的新型DITC

由SRM的轉(zhuǎn)矩特性可知，SRM一相繞組產(chǎn)生的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，與該相的相電流大小和該相所處位置的電感變化率有關(guān)。為進(jìn)一步減小換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，需根據(jù)SRM的電感特性有針對(duì)性地制定控制策略。

2.1 SRM的電感特性

從圖7中可以看出，相電感的變化率隨轉(zhuǎn)子位置而周期變化，結(jié)合式（2）可知，每相的轉(zhuǎn)矩輸出能力同樣隨著轉(zhuǎn)子位置而改變。當(dāng)電流一定時(shí)相電感的變化率越大，該相的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩就越大，轉(zhuǎn)矩輸出能力就越強(qiáng)。因此，根據(jù)各相繞組在不同轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)矩輸出能力的不同，采用不同的控制策略，合理地給各相施加電壓，是減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)鍵。

圖7 SRM一周期內(nèi)電感特性

2.2 新型DITC策略

本文根據(jù)換相期間相鄰兩相電感和電流的變化規(guī)律，提出一種新型區(qū)域劃分方法，如圖8所示。將換相區(qū)域劃分為兩個(gè)區(qū)域，分別為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，通過(guò)設(shè)計(jì)滯環(huán)策略以使換相時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出能力較大相采用內(nèi)滯環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩偏差。為了在對(duì)齊位置之前關(guān)斷相具備有一定的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)能力，在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較低時(shí)進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，將單相導(dǎo)通區(qū)域以關(guān)斷相對(duì)齊位置為界劃分為區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ，在對(duì)齊位置之后關(guān)斷相的開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖8 所提出的新型區(qū)域劃分方法

圖9 所提出的新型DITC策略

2.3 角度控制參數(shù)的設(shè)定

圖10 區(qū)域Ⅰ、Ⅱ控制策略的變化及的設(shè)定

圖11 轉(zhuǎn)速為500r/min且時(shí)，換相期間相鄰兩相電壓、電流和轉(zhuǎn)矩波形

圖12 各相的電流、轉(zhuǎn)矩以及波形

圖13 相電流峰值與開(kāi)通角的關(guān)系

圖14 轉(zhuǎn)速為500r/min且時(shí)的各相電流波形

圖15 轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)電機(jī)效率與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)隨開(kāi)通角的變化

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提出的新型DITC方法的可行性及有效性，用一臺(tái)三相12/8極SRM作為樣機(jī)，在Matlab/ Simulink環(huán)境中構(gòu)建了SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。該樣機(jī)的額定電壓、轉(zhuǎn)速和功率分別為514V、1 500r/min和1.5kW。仿真中的采樣周期為5μs，開(kāi)關(guān)頻率限制在20kHz。

表1 傳統(tǒng)DITC不同滯環(huán)寬度情況對(duì)比

Tab.1 Comparison of traditional DITC with different hysteresis width

表2 新型DITC不同滯環(huán)寬度情況對(duì)比

Tab.2 Comparison of different hysteresis widths of the new DITC

由表1和表2可以看出，在一定范圍內(nèi)，滯環(huán)寬度越小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但當(dāng)滯環(huán)寬度小于某個(gè)值時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)反而增大。這是由于受到仿真系統(tǒng)的采樣時(shí)間與開(kāi)關(guān)頻率的限制，當(dāng)滯環(huán)寬度過(guò)小時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)矩偏差超出滯環(huán)極限值，輸出轉(zhuǎn)矩之和無(wú)法跟隨參考轉(zhuǎn)矩。另外，橫向?qū)Ρ葍杀碇械霓D(zhuǎn)矩脈動(dòng)情況可以看出，選擇相同的滯環(huán)寬度時(shí)，新型DITC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比傳統(tǒng)DITC更小。

圖16 兩種DITC的仿真結(jié)果（600r/min）

圖17 兩種DITC的轉(zhuǎn)矩誤差軌跡

圖18為相同條件下，300r/min時(shí)，傳統(tǒng)DITC和所提出DITC的仿真結(jié)果，其中開(kāi)通角均為2°。二者的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別為17.5%和11.2%，所提出的新型DITC同樣有良好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果。

圖19為兩種不同DITC下，負(fù)載為8N·m時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在各種不同轉(zhuǎn)速下，所提出的新型DITC比傳統(tǒng)DITC都有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制能力。

圖18 兩種DITC的仿真結(jié)果（300r/min）

圖19 不同轉(zhuǎn)速下兩種控制方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)

圖20 不同轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)效率隨開(kāi)通角的變化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)本文所提出的控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖21所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)和仿真一致，見(jiàn)表3。為了提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)算性能和實(shí)時(shí)性要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制器采用TI公司的TMS320F28377D雙核數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor, DSP）。

圖21 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表3 樣機(jī)參數(shù)

Tab.3 Prototype parameters

圖22為在轉(zhuǎn)速為300r/min，負(fù)載為7N·m時(shí)，傳統(tǒng)DITC和新型DITC下的電流與轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)波形，其中傳統(tǒng)DITC的開(kāi)通角為2°，關(guān)斷角為19°，新型DITC的角度參數(shù)通過(guò)所提方案確定。如圖22中所示，傳統(tǒng)DITC在換相期間，由于沒(méi)有考慮開(kāi)通相和關(guān)斷相轉(zhuǎn)矩輸出能力的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩偏差超出了外滯環(huán)，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大的現(xiàn)象，而新型DITC在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)能夠始終以轉(zhuǎn)矩輸出能力較大相的內(nèi)滯環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)矩誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小。通過(guò)檢測(cè)一個(gè)周期內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩計(jì)算了相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)，其中傳統(tǒng)DITC和新型DITC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)分別為39.33%和29.39%。

圖22 轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖23為轉(zhuǎn)速為500r/min，負(fù)載為8N·m時(shí)的電流與轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)DITC的開(kāi)通角為1°，關(guān)斷角為19°，新型DITC的角度參數(shù)通過(guò)上述方案確定。在傳統(tǒng)DITC控制下，輸出轉(zhuǎn)矩在換相期間出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，而在新型DITC控制下該情況得到了較好的改善。通過(guò)檢測(cè)計(jì)算，得到傳統(tǒng)DITC和新型DITC的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)分別為38.69%和25.49%。

實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于仿真結(jié)果，這是由于測(cè)量精度及采樣頻率還不夠高，導(dǎo)致角度參數(shù)的判斷和轉(zhuǎn)矩計(jì)算存在一定的誤差；另外，由于SRM的高度非線性造成所建模型與實(shí)際電機(jī)仍可能存在誤差，也會(huì)影響控制的效果。但實(shí)驗(yàn)電流波形以及轉(zhuǎn)矩大小基本符合規(guī)律。

圖23 轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig 23 Experimental results of two control methods at 500r/min

如上所述，在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，存在使電機(jī)效率最高的最優(yōu)開(kāi)通角。由離線仿真的結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500r/min和700r/min時(shí)，使電機(jī)效率最高的開(kāi)通角分別為2°和1.5°。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)效率隨開(kāi)通角on的變化規(guī)律如圖24所示。圖中，電機(jī)在500r/min和700r/min時(shí)效率不高的原因：一方面是由于此時(shí)電機(jī)工作在低速，通常電機(jī)在額定工作點(diǎn)時(shí)效率最高，低速時(shí)的效率往往比額定轉(zhuǎn)速時(shí)低很多；另一方面，直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制雖然有利于SRM減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但系統(tǒng)效率要低于平均轉(zhuǎn)矩控制。然而，從圖24中可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，電機(jī)效率隨開(kāi)通角的變化規(guī)律與仿真結(jié)果基本吻合，由此驗(yàn)證了開(kāi)通角離線仿真尋優(yōu)方法的有效性。

圖24 不同轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)效率隨開(kāi)通角的變化

5 結(jié)論

本文提出的SRM新型DITC方法，根據(jù)換相期間相鄰兩相電感的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種新型的區(qū)域劃分方法，并對(duì)每個(gè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)控制策略，使得在整個(gè)導(dǎo)通周期始終以轉(zhuǎn)矩輸出能力較大相的內(nèi)滯環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩誤差，改善了傳統(tǒng)DITC換相期間SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的情況。同時(shí)，通過(guò)對(duì)角度控制參數(shù)的優(yōu)化選擇，在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)，減小了相電流峰值并提高了效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的有效性和正確性。

[1] Bostanci E, Moallem M, Parsapour A, et al. Opportu- nities and challenges of switched reluctance motor drives for electric propulsion: a comparative study[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2017, 3(1): 58-75.

[2] Li Sufei, Zhang Shen, Habetler T G, et al. Modeling, design optimization, and applications of switched reluctance machines-a review[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(3): 2660-2681.

[3] Han Guoqiang, Chen Hao, Guan Guorui. Low-cost SRM drive system with reduced current sensors and position sensors[J]. IET Electric Power Applications, 2019, 13(7): 853-862.

[4] 王宏華. 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[5] 匡斯建, 張小平, 劉蘋, 等. 基于相電感非飽和區(qū)定位的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(20): 4296-4305.

Kuang Sijian, Zhang Xiaoping, Liu Ping, et al. Sensorless control method for switched reluctance motors based on locations of phase inductance characteristic points[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2020, 35(20): 4296-4305.

[6] 許愛(ài)德, 任萍, 陳加貴, 等. 基于電感特殊位置點(diǎn)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及誤差補(bǔ)償[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(8): 1613-1623.

Xu Aide, Ren Ping, Chen Jiagui, et al. Rotor position detection and error compensation of switched relu- ctance motor based on special inductance position[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1613-1623.

[7] Aiso K, Akatsu K. High speed SRM using vector control for electric vehicle[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(1): 61-68.

[8] Ma Mingyao, Yuan Kexiang, Yang Qingqing, et al. Open-circuit fault-tolerant control strategy based on five-level power converter for SRM system[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2019, 3(2): 178-186.

[9] Jiang J W, Bilgin B, Emadi A. Three-phase 24/16 switched reluctance machine for a hybrid electric powertrain[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2017, 3(1): 76-85.

[10] Boldea I, Tutelea L N, Parsa L, et al. Automotive electric propulsion systems with reduced or no per- manent magnets: an overview[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5696-5711.

[11] Sun Xiaodong, Diao Kaikai, Lei Gang, et al. Study on segmented-rotor switched reluctance motors with different rotor pole numbers for BSG system of hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(6): 5537-5547.

[12] Li Guangjin, Ma Xiyun, Jewell G W, et al. Novel modular switched reluctance machines for perfor- mance improvement[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2018, 33(3): 1255-1265.

[13] 閆文舉, 陳昊, 馬小平, 等. 不同轉(zhuǎn)子極數(shù)下磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(14): 2945-2956.

Yan Wenju, Chen Hao, Ma Xiaoping, et al. Develop- ment and investigation on magnetic field decoupling double stator switched reluctance machine with different rotor pole numbers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 2945-2956.

[14] 朱葉盛, 章國(guó)寶, 黃永明. 基于PWM的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(7): 31-39.

Zhu Yesheng, Zhang Guobao, Huang Yongming. PWM-based direct instantaneous torque control of switched reluctance machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(7): 31-39.

[15] Xue Xiangdang, Cheng K W E, Ho S L. Optimization and evaluation of torque-sharing functions for torque ripple minimization in switched reluctance motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(9): 2076-2090.

[16] Sun Qingguo, Wu Jianhua, Gan Chun, et al. OCTSF for torque ripple minimisation in SRMs[J]. IET Power Electronics, 2016, 9(14): 2741-2750.

[17] Li Haoding, Bilgin B, Emadi A. An improved torque sharing function for torque ripple reduction in switched reluctance machines[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(2): 1635-1644.

[18] Castro J, Andrada P, Blanqué B. Minimization of torque ripple in switched reluctance motor drives using an enhanced direct instantaneous torque control[C]// IEEE 2012 International Conference on Electrical Machines, Marseille, France, 2012: 1021-1026.

[19] Liu Lijun, Zhao Mingwei, Yuan Xibo, et al. Direct instantaneous torque control system for switched reluctance motor in electric vehicles[J]. The Journal of Engineering, 2019, 2019(16): 1847-1852.

[20] Zeng Hui, Chen Hao, Shi Jiaotong. Direct instan- taneous torque control with wide operating range for switched reluctance motors[J]. IET Electric Power Applications, 2015, 9(9): 578-585.

[21] Liang Jianning, Lee D H, Ahn J W. Direct instan- taneous torque control of switched reluctance machines using 4-level converters[J]. IET Electric Power Applications, 2009, 3(4): 313-323.

[22] Peng Chenfan, Song Shoujun, Ma Ruiqing, et al. A novel modular 4-level power converter-based direct instantaneous torque control strategy for switched reluctance machine[C]//IEEE 2018 13th IEEE Con- ference on Industrial Electronics and Applications, Wuhan, China, 2018: 2079-2083.

[23] Yao Shuchun, Zhang Wei. A simple strategy for parameters identification of SRM direct instantaneous torque control[J]. IEEE Transactions on Power Elec- tronics, 2018, 33(4): 3622-3630.

[24] 卿龍, 王惠民, 葛興來(lái). 一種高效率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(9): 1912-1920.

Qing Long, Wang Huimin, Ge Xinglai. A high efficiency torque ripple suppression method for switched reluctance motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1912-1920.

[25] Brauer H J, Hennen M D, de Doncker R W. Control for polyphase switched reluctance machines to minimize torque ripple and decrease ohmic machine losses[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(1): 370-378.

[26] 李珍國(guó), 闞志忠. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的高效率直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2010, 25(8): 31-37, 51.

Li Zhenguo, Kan Zhizhong. A high efficiency direct instantaneous torque control of SRM[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(8): 31-37, 51.

[27] 胡勝龍, 左曙光, 劉明田. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)非線性徑向電磁力解析建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1189-1197.

Hu Shenglong, Zuo Shuguang, Liu Mingtian. Analytical modeling of nonlinear radial electromagnetic force in switched reluctance motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1189-1197.

[28] Wu Jiangling, Sun Xiaodong, Zhu Jianguo. Accurate torque modeling with PSO-based recursive robust LSSVR for a segmented-rotor switched reluctance motor[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(2): 96-104.

A New Direct Instantaneous Torque Control Method of Switched Reluctance Motor and Its High Efficiency Operation

（Tianjin Key Laboratory of Intelligent Control for Electrical Equipment Tiangong University Tianjin 300387 China）

The traditional direct instantaneous torque control (DITC) adopts a single control strategy without considering the output torque change of each phase winding with the rotor position, resulting in large torque ripple during commutation. Therefore, a new DITC method is proposed to suppress the torque ripple of switched reluctance motor (SRM). The conduction period is divided into regions according to the inductance change rule of the motor winding, and proper hysteresis strategies are designed for each region based on the output torque capacity changes in each conduction region. Hence, the internal hysteresis loop of the motor phase with large output torque capacity is used to adjust the torque error in the whole conduction cycle, and the torque ripple of SRM is further reduced. Moreover, the efficiency of the motor is improved by adjusting the turn-off angle online and optimizing the turn-on angle off-line. Simulation and experimental results verify that the proposed method effectively reduces the torque ripple of the SRM and improves the motor efficiency.

Switched reluctance motor, torque ripple, direct instantaneous torque control, efficiency, angle optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.212003

TM352

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51777137）和天津市科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目（16PTSYJC00080）資助。

2021-12-10

2022-01-06

蔡 燕 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、監(jiān)測(cè)及多電平功率變換。E-mail: caiyan@tiangong.edu.cn（通信作者）

居春雷 男，1994年生，碩士，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的高性能控制。E-mail: 2849997990@qq.com

（編輯 崔文靜）