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（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038）

1 引言

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單，啟動時具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，控制靈活的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在電動汽車和航空發(fā)動機啟動系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機的工作是利用磁阻最小原理，即轉(zhuǎn)子總是有向磁路中磁阻減小方向運動的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子處在電感上升區(qū)時工作在電動狀態(tài)，處在電感下降區(qū)時工作在發(fā)電狀態(tài)[1-3]。

開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子無繞組，只有定子上存在集中繞組，勵磁和發(fā)電分時控制，作為電動機，總希望開關(guān)磁阻電機輸出較大的電磁轉(zhuǎn)矩，但由于磁場的漸變特性，導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機輸出轉(zhuǎn)矩與開通角和關(guān)斷角關(guān)系密切，由于磁場的非線性和電流的脈沖性，開關(guān)磁阻電機內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，通過優(yōu)化可以找到較優(yōu)的開關(guān)角，但由于啟動時轉(zhuǎn)速實時變化，尤其是啟動初始，轉(zhuǎn)速為零，電流上升較大，會延伸到電感下降區(qū)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降或電機反轉(zhuǎn)，對啟動不利。

目前，對開關(guān)磁阻電機啟動系統(tǒng)的研究主要集中在增加電機啟動時導(dǎo)通的相數(shù)，優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)來提高電磁轉(zhuǎn)矩的大小和抑制轉(zhuǎn)矩脈動上[4-8]，很少考慮啟動時產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)效率和啟動性能的影響。

本文提出一種基于電流雙閉環(huán)的開關(guān)磁阻電機啟動過程控制策略，通過仿真驗證，該方法能有效減小啟動過程的制動轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)啟動的平穩(wěn)性。

2 SRM啟動過程能量分析

本文采用6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機進(jìn)行分析，假設(shè)SRM工作在非飽和狀態(tài)，即開關(guān)磁阻電機的電感只與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，與電流的大小無關(guān)。由于繞組三相對稱，以A相為例進(jìn)行分析，當(dāng)A相繞組兩端通電時，相繞組兩端電壓平衡方程式和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

式中：u為繞組兩端的電壓值；Tem為電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。

開關(guān)磁阻電機工作1個周期的電感和電流磁鏈的波形如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機一個周期的電感和電流磁鏈波形Fig.1 The curves of SRM inductance and current flux in one period

由式（1）和式（2）可以分析開關(guān)磁阻電機工作1個周期時各個階段的能量轉(zhuǎn)化過程：

當(dāng)θon≤θ＜θ1時，u=270 V ，電感為最小值恒定，電流線性快速上升，電磁轉(zhuǎn)矩為零，電能轉(zhuǎn)化成磁場儲能。

當(dāng)θ1≤θ＜θoff時，u=270 V ，電感處在上升區(qū)，電流的變化與開通角有關(guān)，此時產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，電能轉(zhuǎn)化為磁場儲能和機械能。

當(dāng)θoff≤θ＜θ2時，u=-270 V ，電感處在上升區(qū)，電流開始下降，磁場儲能轉(zhuǎn)化成機械能和電能。

當(dāng)θ2≤θ＜θ3時，u=-270 V ，電感為最大值，電流快速線性下降，磁場儲能轉(zhuǎn)化成電能。

當(dāng)θ3≤θ＜2θoff-θon時，u=-270 V，電感處在下降區(qū)，電流快速下降，此時將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，機械能和磁場儲能轉(zhuǎn)化成電能。

因此，要使開關(guān)磁阻電機啟動過程輸出轉(zhuǎn)矩最大，必須優(yōu)化控制開關(guān)磁阻電機電流的波形，通過控制SRM的開通角θon和關(guān)斷角θoff來實現(xiàn)，但如果導(dǎo)通角過大，將會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，對啟動不利，故本文提出用電流雙閉環(huán)的控制策略減小制動轉(zhuǎn)矩。

3 開通角和關(guān)斷角對輸出轉(zhuǎn)矩的影響分析

開關(guān)磁阻電機是一個位置閉環(huán)系統(tǒng)，在啟動控制過程中必須實時的檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)位置信息決定開關(guān)磁阻電機的導(dǎo)通相。假設(shè)定子極間與轉(zhuǎn)子極弧重合時轉(zhuǎn)子位置為0°，定子極弧與轉(zhuǎn)子極弧重合時轉(zhuǎn)子位置為45°，由圖1可以分析θon和θoff對啟動轉(zhuǎn)矩的影響。

提前開通角θon有助于提高電感上升處的電流，增大啟動轉(zhuǎn)矩，但如果開通角過小，電流上升的過大，將導(dǎo)致晶體管關(guān)斷后，電流續(xù)流到電感下降區(qū)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，降低系統(tǒng)效率。推遲關(guān)斷角θoff，可以增加電流值和增加導(dǎo)通時間，增大輸出轉(zhuǎn)矩，但過分的推遲關(guān)斷角，也會導(dǎo)致繞組電流下降時延長至電感下降區(qū)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，降低系統(tǒng)的效率。因此，在設(shè)計角度位置控制器時，必須優(yōu)化晶體管的開通角和關(guān)斷角，使開關(guān)磁阻電機的輸出轉(zhuǎn)矩最大。

4 SRM啟動過程電流閉環(huán)控制原理分析

開關(guān)磁電機由于啟動過程轉(zhuǎn)速為零，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動勢為零，故電流的上升速度非?？欤捎陔姍C實際運行中功率變換器和繞組線圈等元件所能承受的電流是有限的，必須對電流進(jìn)行限幅控制，所以本文在啟動開始時采用電流斬波控制。使繞組電流和輸出轉(zhuǎn)矩都限定在一定的范圍內(nèi)。

本文采用電流雙閉環(huán)控制，原理框圖如圖2所示。由于啟動開始時轉(zhuǎn)速為零，PID的輸出非常大，也即參考電流很大，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到電感下降區(qū)時繞組中也存在較大的電流，將產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩，容易使電機振動或反轉(zhuǎn)，對電機啟動不利。因此，增加第2個電流滯環(huán)比較器，以限制啟動初始時電流的大小。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近給定轉(zhuǎn)速時，PID控制器輸出的電流參考值變小，第1個電流滯環(huán)比較器開始發(fā)揮作用，由于第2個電流滯環(huán)比較器給定電流參考值設(shè)定較大，故轉(zhuǎn)速較大時已失去作用。總的來說，第2個滯環(huán)比較器在啟動初始時刻對電流進(jìn)行限制，第1個滯環(huán)比較器在電機接近穩(wěn)態(tài)或突然受到干擾時發(fā)揮作用。

圖2 開關(guān)磁阻電機啟動系統(tǒng)雙閉環(huán)控制原理框圖Fig.2 The double closed loop control principle figure of SRM starting system

5 仿真驗證

本文采用線性電感模型對開關(guān)磁阻電機啟動系統(tǒng)進(jìn)行建模，功率變換器采用不對稱半橋結(jié)構(gòu)。具體的電機參數(shù)為：定子極弧30°，轉(zhuǎn)子極弧40°，最大電感85 mH，最小電感25 mH，額定轉(zhuǎn)速n=500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=1 N·m。

按照參數(shù)和圖2的原理框圖，利用Matlab/Simulink軟件對SRM啟動系統(tǒng)進(jìn)行建模，建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 開關(guān)磁阻電機啟動系統(tǒng)電流雙閉環(huán)仿真模型Fig.3 The current double closed loop control simulation model of SRM starting system

SRM啟動系統(tǒng)仿真模型主要由以下幾部分組成：電感計算模塊，角度轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)速PID控制模塊，電流滯環(huán)控制模塊，控制器模塊，轉(zhuǎn)據(jù)計算模塊等。

下面就主要模塊的結(jié)構(gòu)和功能加以說明。

5.1 電感計算模塊

本文采用線性電感模型，即電感只與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，與電流的大小無關(guān)。各段的表達(dá)式如下：

其中

本文采用M函數(shù)對電感公式進(jìn)行編程實現(xiàn)。

5.2 角度控制模塊

圖4為角度控制模塊的結(jié)構(gòu)圖。在給定轉(zhuǎn)速n=500 r/min時，通過優(yōu)化的最優(yōu)開通角theta_on=8°，關(guān)斷角theta_off=45°，角度控制模塊的作用就是通過把三相繞組的轉(zhuǎn)子位置角信號與給定的開關(guān)角進(jìn)行邏輯比較，產(chǎn)生角度位置控制的邏輯輸出信號1或0。

圖4 角度位置控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure figure of angle position control model

5.3 控制器模塊

控制器模塊的作用是產(chǎn)生功率變換器的輸出信號，即晶體管導(dǎo)通時輸出電壓270 V，二極管續(xù)流時輸出電壓-270 V，無觸發(fā)信號時輸出電壓0 V?？刂破鞯妮斎霝椋航o定電流與實際的電流信號的差值經(jīng)過滯環(huán)比較器的輸出信號input1，角度位置控制模塊的輸出信號input2，轉(zhuǎn)速差值經(jīng)過PID控制器與實際電流的差值經(jīng)過電流滯環(huán)控制器的輸出信號input3，實際電流的輸出信號input4，把這4路輸入信號經(jīng)過M函數(shù)編程實現(xiàn)輸出繞組兩端電壓的功能。具體的控制關(guān)系如表1所示。

表1 控制器模塊輸入輸出邏輯關(guān)系表Tab.1 The input and output logical relationship of the controller model

具體控制思路如下：初始啟動時刻，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定導(dǎo)通相，由于初始啟動轉(zhuǎn)速為零，電流上升很快，第1個電流斬波控制的輸出信號input1，起到電流限幅的作用，防止回路中產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)速的增加，PID控制器和第2個電流滯環(huán)控制器開始發(fā)揮作用，產(chǎn)生輸出電壓信號，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值。

5.4 仿真結(jié)果

根據(jù)圖3建立的模型，對SRM啟動系統(tǒng)電流雙閉環(huán)的啟動特性進(jìn)行仿真。圖5，圖6分別為SRM電流雙閉環(huán)啟動系統(tǒng)和單閉環(huán)啟動系統(tǒng)的仿真波形。為了便于比較雙閉環(huán)控制策略的優(yōu)良啟動性能，本文同時進(jìn)行了電流單閉環(huán)的仿真。

圖5 雙閉環(huán)仿真波形Fig.5 Simulation curves of double closed loop

圖6 單閉環(huán)仿真波形Fig.6 Simulation curves of single closed loop

由圖5可得：采用電流雙閉環(huán)的SRM啟動系統(tǒng)，啟動電流的大小得到了限制，輸出轉(zhuǎn)矩較為平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的上升也比較平穩(wěn)，不存在轉(zhuǎn)速下降等對啟動不利的現(xiàn)象。而采用電流單閉環(huán)的啟動控制系統(tǒng)，啟動之初，由于沒采用電流限幅的控制，輸出電流和轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)速上升較快，當(dāng)電流延伸到電感下降區(qū)，就會產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速突然下降，產(chǎn)生振動，對平穩(wěn)啟動不利。但由于對啟動電流的斬波限制，輸出轉(zhuǎn)矩的大小受到了影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升偏慢，所以在控制時必須對轉(zhuǎn)速上升的快速性和平穩(wěn)性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼壑浴?/p>

6 結(jié)論

本文采用電流雙閉環(huán)對開關(guān)磁阻電機啟動系統(tǒng)進(jìn)行控制，仿真結(jié)果驗證了該方法能有效抑制啟動時產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)上升非常有利，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時間較短。

［1］昝小舒.開關(guān)磁阻啟動/發(fā)電系統(tǒng)控制策略及實驗研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［2］嚴(yán)加根，劉闖，姚國飛，等.開關(guān)磁阻電機矩角特性的研究與應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（9）：29-33.

［3］楊澤斌，黃振躍，張新華.基于Ansoft/Maxwell 2D的開關(guān)磁阻電機啟動性能仿真分析與實驗研究［J］.微電機，2009，42（8）：19-22.

［4］韋銀，全力，許珍，等.車用六相12/10極開關(guān)磁阻啟動/發(fā)電機系統(tǒng)啟動性能分析與仿真［J］微電機，2006，39（1）：47-50.

［5］劉強，全力，蘇寶平，等.基于MATLAB/SIMULINK的開關(guān)磁阻電機啟動性能的數(shù)字仿真［J］.機電工程技術(shù)，2005，34（2）：54-58.

［6］趙德安，鄭棐，全力，等.車用開關(guān)磁阻電機啟動/發(fā)電/助力一體化系統(tǒng)研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008，40（6）：825-829.

［7］王維平，張磊，朱敏，等.啟動/發(fā)電/助力減振一體化系統(tǒng)用開關(guān)磁阻電機啟動轉(zhuǎn)矩控制研究［J］.微電機，2009，42（12）：87-89.

［8］石磊，王勉華.開關(guān)磁阻電機啟動過程分析［J］.電氣傳動，2010，40（12）：3-6.