吳慎華，孫建忠，溫洪彬

（大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024）

1 引言

當(dāng)前，由于能源和環(huán)境問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)受到廣泛的重視，電動(dòng)車(chē)行業(yè)具有非常大的發(fā)展前景。相對(duì)于其他電機(jī)而言，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、適用于頻繁的起停、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)中［1-7］。

近年來(lái)，許多文獻(xiàn)都在電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)用SRM方面做出了一系列的研究。文獻(xiàn)［2］利用轉(zhuǎn)速、母線電壓以及給定轉(zhuǎn)矩來(lái)查詢(xún)電流環(huán)給定、開(kāi)通角和關(guān)斷角的查表法來(lái)提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的效率。但是此方法需要建立大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)表格，增加了計(jì)算量和復(fù)雜程度。文獻(xiàn)［3］通過(guò)在線仿真得出效率最高時(shí)的開(kāi)通角和關(guān)斷角。文獻(xiàn)［4］在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，結(jié)合電流滯環(huán)控制，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)策略來(lái)提高低速啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的效率。文獻(xiàn)［6］首先來(lái)建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，利用繞組電流、轉(zhuǎn)子位置查詢(xún)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，然后結(jié)合轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高電機(jī)的運(yùn)行效率。盡管在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高電機(jī)效率上已經(jīng)提出了許多方法，但是電動(dòng)車(chē)快速啟動(dòng)的問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決，并且這些方法都是采用固定開(kāi)通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，其效率相對(duì)而言較低。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)SRM的驅(qū)動(dòng)策略提出了進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

2 SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 SRM原理

SRM 的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子的某相繞組通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定走向的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生切向磁拉力，帶動(dòng)相離最近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線與定子極軸線相重合的位置。根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性，當(dāng)SRM 的繞組按照一定順序通電時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)使電機(jī)按照一定的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；按照一定方式改變SRM 的繞組通電順序，電機(jī)又會(huì)按照相反的方向進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

SRM 的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)其磁共能（WC）對(duì)轉(zhuǎn)子位置角（θ）的偏導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求得，即：

其中

式中：Wc(i’θ)為繞組的磁共能。

盡管該數(shù)學(xué)模型從理論上能夠完整并準(zhǔn)確地描述SRM的電磁及力學(xué)的關(guān)系，但由于磁路的非線性，該模型的計(jì)算變得十分困難。在本文的轉(zhuǎn)矩計(jì)算分析中，假設(shè)不計(jì)磁路的飽和影響、繞組的電感與電流大小無(wú)關(guān)等因素，將電機(jī)模型理想線性化，從而可以得到電磁轉(zhuǎn)矩方程為

從式（2）可以得出電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比，所以SRM在電流較小的時(shí)候就可以產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置在電感上升區(qū)（dL/dθ ＞0）時(shí)，給定子繞組通電，繞組電流會(huì)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩（電動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置在電感下降區(qū)（dL/dθ ＜0）時(shí)，給定子繞組通電，繞組電流會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩）。

2.2 SRM與其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)的對(duì)比

電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由控制器、電動(dòng)機(jī)、電池管理系統(tǒng)3大部分組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前市場(chǎng)上電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較結(jié)果如表1所示。

表1 電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比較Tab.1 The comparison of electric vehicle drive motor

由表1 可以看出，SRM 具有可靠性高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和啟動(dòng)電流小等優(yōu)勢(shì)，更符合車(chē)用電機(jī)啟動(dòng)迅速和節(jié)能的要求。當(dāng)然SRM 也有一些不足之處，主要是存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，振動(dòng)和噪聲比一般電機(jī)大一些。但是由于電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行路況比較復(fù)雜，電動(dòng)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生顛簸和噪聲，所以SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲也就可以忽略不計(jì)。

3 驅(qū)動(dòng)策略

電動(dòng)車(chē)用SRM 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略：SRM 的啟動(dòng)采用電流和加速度雙閉環(huán)控制策略；在正常調(diào)速過(guò)程中，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略。具體的控制框圖如圖1所示。

圖1 車(chē)用SRM驅(qū)動(dòng)策略控制框圖Fig.1 The control diagram for switched reluctance motor for electric vehicle

3.1 啟動(dòng)控制策略

由于路況復(fù)雜，電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)時(shí)負(fù)載變化特別大，普通的線性疊加給定轉(zhuǎn)速的軟啟動(dòng)策略不能滿足不同路況下快速啟動(dòng)的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了基于加速度反饋的啟動(dòng)策略，其控制流程圖如圖2所示。

圖2 基于加速度反饋的啟動(dòng)策略流程圖Fig.2 The starting strategy based on acceleration feedback

在定時(shí)器中斷中進(jìn)行加速度計(jì)算，并采集啟動(dòng)初時(shí)加速度的數(shù)值。判斷是否過(guò)流，如果是，保護(hù)動(dòng)作；否則繼續(xù)判斷是否處在啟動(dòng)狀態(tài)。如果SRM 不在啟動(dòng)過(guò)程，直接進(jìn)入電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)進(jìn)行控制；否則，進(jìn)入啟動(dòng)程序。為了使SRM 具有快速的啟動(dòng)性能，在啟動(dòng)過(guò)程中采用電流和加速度雙閉環(huán)控制，用給定加速度與實(shí)際加速度的差值作為加速度外環(huán)的輸入，然后經(jīng)過(guò)PI 調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定。在電流內(nèi)環(huán)中，電流斬波限值是根據(jù)初始加速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣既能保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又能防止電流峰值過(guò)大、造成電能的浪費(fèi)。SRM啟動(dòng)結(jié)束后，采用電流和速度雙閉環(huán)控制，電機(jī)進(jìn)入正常的調(diào)速過(guò)程。

3.2 節(jié)能控制策略

為了提高車(chē)用SRM的效率，使其在節(jié)能上更具有優(yōu)勢(shì)，本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制：控制電流斬波的限值和進(jìn)行自適應(yīng)的角度控制。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電壓不變，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)引起的壓降小，電感上升期的時(shí)間長(zhǎng)，這時(shí)候di/dt的值比較大，為了防止電流峰值過(guò)大和增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用單限幅電流斬波控制，限值設(shè)為額定電流的2.5 倍，啟動(dòng)結(jié)束后再降斬波限值設(shè)置為額定電流的2 倍。具體斬波思路是：設(shè)置一個(gè)電流上限值iref，當(dāng)實(shí)際電流i ＞iref時(shí)，關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)；當(dāng)實(shí)際電流i ＜iref時(shí)，則開(kāi)通功率開(kāi)關(guān)。如此通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，使得實(shí)際電流在給定電流附近上下浮動(dòng)，從而獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。具體的理想相電流斬波波形如圖3所示。

圖3 電流斬波的理想波形Fig.3 The ideal waveform of current chopping control

為了滿足車(chē)用SRM 省電的性能要求和保證程序簡(jiǎn)單可靠的運(yùn)行，本文對(duì)角度控制進(jìn)一步的優(yōu)化控制。SRM電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，相電流是在圖4中θ1到θ3這段電感最小區(qū)域迅速建立的，在這一段的開(kāi)通角計(jì)算公式為

式中：Lmin為最小電感；U為直流母線電壓；ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速；i為實(shí)際電流。

令θadv代表著角度控制中開(kāi)通角的變化量，為了計(jì)算方便和簡(jiǎn)化模型，用電流環(huán)的給定值icmd代替實(shí)際電流，其公式為

圖4 一相繞組電感曲線Fig.4 The inductance curve of a phase winding

在負(fù)載一定和母線電壓一定的情況下，SRM的繞組電流與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，再結(jié)合式（4）可得，當(dāng)在負(fù)載和母線電壓一定的前提下，轉(zhuǎn)速最大時(shí)，繞組電流最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的θadv應(yīng)該最大，反之對(duì)應(yīng)的θadv最小，從而可將繞組電流和實(shí)際轉(zhuǎn)速看成一個(gè)整體，建立一個(gè)線性模型：

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出SRM 額定負(fù)載下開(kāi)通角變化量的最大值θmax和最小值θmin，帶入到式（5）求得斜率K 和常數(shù)b，再根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)速和電流環(huán)給定，進(jìn)一步求得開(kāi)通角，計(jì)算公式為

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件電路

本系統(tǒng)采用DSPIC作為主控芯片，處理各種輸入信號(hào)、輸出PWM控制功率電路、響應(yīng)各種保護(hù)信號(hào)，其硬件如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖Fig.5 The control diagram of hardware

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本文采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車(chē)功能；能夠在0～2 800 r/min內(nèi)任意調(diào)速；實(shí)現(xiàn)欠壓過(guò)流等保護(hù)功能。軟件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)速計(jì)算、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)、欠壓檢測(cè)和鍵盤(pán)掃描等功能；中斷程序主要完成位置信號(hào)捕獲、加速度計(jì)算、A/D采集、速度顯示、確定換相邏輯、雙閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能。具體的程序流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 軟件程序設(shè)計(jì)Fig.6 The design of software

5 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

對(duì)開(kāi)發(fā)的一臺(tái)額定電壓60 V、額定功率4 kW、額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min 的12/8 極SRM 進(jìn)行了試驗(yàn)。

電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min，在不同的啟動(dòng)策略下，測(cè)試了電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，基于加速度反饋啟動(dòng)控制方式和普通軟啟方式的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖7所示。

圖7 兩種控制策略的轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 The speed curves of the two control strategies

從圖7 中可以看出，在基于加速度反饋啟動(dòng)策略的條件下，電機(jī)啟動(dòng)快速平穩(wěn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量小，未超過(guò)5%。而在普通軟啟方式的情況下，電機(jī)啟動(dòng)較緩慢、超調(diào)量大，并且調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。所以，基于加速度反饋的啟動(dòng)策略能更好地滿足車(chē)用SRM快速啟動(dòng)且舒適的要求。

圖8 是轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)載為半載條件下測(cè)得的相電流波形，可以看出，自適應(yīng)角度控制下的電流波形的峰值和電流寬度都要比固定開(kāi)通角控制下的小。所以，基于自適應(yīng)角度控制系統(tǒng)的效率更高，省電效果更明顯。

圖8 2種角度控制方式的電流波形Fig.8 The current curves of the two control of angle

最后進(jìn)行了裝車(chē)試驗(yàn)，用開(kāi)發(fā)的SRM系統(tǒng)替代原有的60 V，4 kW 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，用于某電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)，并與原直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 裝車(chē)測(cè)試結(jié)果Tab.2 The results of actual vehicle test

從表2可以看出，開(kāi)發(fā)的SRM系統(tǒng)的啟動(dòng)電流顯然比直流電動(dòng)機(jī)小，并且行駛里程比直流電動(dòng)機(jī)提高了11%。裝車(chē)試驗(yàn)充分證明，開(kāi)發(fā)的SRM系統(tǒng)具有非常高的節(jié)電性能，適用于電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本文針對(duì)車(chē)用SRM 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，采用DSPIC 為主控芯片，開(kāi)發(fā)了電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，SRM采用基于加速度反饋的啟動(dòng)策略與電流斬波相結(jié)合的控制方式，控制方便、啟動(dòng)平穩(wěn)快速；SRM 采用自適應(yīng)角度控制電動(dòng)運(yùn)行，在獲得足夠轉(zhuǎn)矩的情況下，其運(yùn)行效率更高，用于電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)可有效提高一次充電行駛里程。

［1］孫建忠，白鳳仙．特種電機(jī)及其控制［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］Rahman K M，Schulz S E. High Performance Fully Digital Switched Reluctance Motor Controller for Vehicle Propulsion［J］. IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（4）：1062-1071.

［3］Mademlis C，Kioskeridis I. Performance Optimization in Switched Reluctance Motor Drives with Online Commutation Angle Control［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion，September 2003，18（3）：448-457.

［4］Xue X D，Lin J K，Zhang Z，et al. Study of Motoring Operation of In-wheel Switched Reluctance Motor Drives for Electric Vehicles［C］//2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications，2009：1-6.

［5］Xue X D，Cheng K W E，Cheung N C. Multi-objective Optimization Design of In-wheel Switched Motors in Electric Vehicles［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（9）：2980-2987.

［6］Vrenken R H S，Duarte J L，Wijnands C O E，et al.Switched Reluctance Motor Drive for Full Electric Vehicles-part Ⅱ：Practical Implementation［C］//2013 Eighth International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies（EVER），2013：1-7.

［7］朱日瑩，王大方，趙桂范，等．電動(dòng)車(chē)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（2）：47-52.