張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風(fēng)商用車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

HEV驅(qū)動(dòng)用開關(guān)磁阻電機(jī)電流失控問題的分析與解決

張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風(fēng)商用車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

本文結(jié)合HEV驅(qū)動(dòng)用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)中遇到的電流失控問題，分析了失控電流的變化過程及產(chǎn)生原因，并從開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理出發(fā)，分析了發(fā)電運(yùn)行過程中電流失控產(chǎn)生的機(jī)理。最后，文章提出了解決電流失控問題的方案，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

開關(guān)磁阻電機(jī)；電流斬波控制；角度位置控制；運(yùn)動(dòng)電勢(shì)；失控電流

張大雙

碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于東風(fēng)商用車技術(shù)中心，從事新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。

1　前言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制器構(gòu)成，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、起動(dòng)性能好、調(diào)速范圍寬、容錯(cuò)能力強(qiáng)、效率高，已成為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是HEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案之一。隨著在新能源汽車上的應(yīng)用，容錯(cuò)能力及故障診斷成為近年來開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之一。

由于控制器工作在高電壓、大電流、高頻率開關(guān)狀態(tài)，且電磁環(huán)境惡劣，是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中故障率最高的環(huán)節(jié)［1］，尤其以電流失控問題最為嚴(yán)重：一方面，失控電流急劇上升，導(dǎo)致功率器件損壞，降低控制器的可靠性；另一方面，電流失控將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩失控，引起很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，損害車輛傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，危害車輛行駛安全。因此，必須采取措施加以預(yù)防，避免出現(xiàn)電流失控［2，3］。

本文結(jié)合HEV驅(qū)動(dòng)用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)中遇到的電流失控問題，分析了失控電流的變化過程及產(chǎn)生原因，并從開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理出發(fā)，分析了發(fā)電運(yùn)行過程中電流失控產(chǎn)生的機(jī)理，提出了相應(yīng)的解決方案，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

2　電流失控故障現(xiàn)象及分析

2.1電流失控故障現(xiàn)象

圖1是一臺(tái)HEV客車驅(qū)動(dòng)用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（額定功率80KW、額定轉(zhuǎn)速1000rpm）臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，電流失控瞬間示波器捕捉記錄的相電流及母線電壓波形。電流失控導(dǎo)致了失控相（V相）兩個(gè)IGBT器件和母線上三個(gè)繼電器的損壞，同時(shí)，巨大的電流沖擊也使得主電路銅排及控制器殼體嚴(yán)重變形，對(duì)試驗(yàn)人員的人身安全也造成了一定的威脅。

電流失控瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm，功率為22KW。圖1中，第一條曲線為母線電壓波形，第二條曲線為U相電流波形，第三條曲線為V相電流波形。從V相電流波形看，其電周期約占示波器兩格寬度。

2.2電流失控故障分析

首先來分析電流失控瞬間，失控相（V相）電流波形變化的過程。由于電機(jī)控制器的功率電路采用不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)［4］，如圖2所示，且電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，在圖1中所示的第3個(gè)電周期，V相電流斬波結(jié)束后，其上下橋臂IGBT均關(guān)斷，且應(yīng)在本周期保持關(guān)斷至第4周期開始。但在V相電流降至接近零時(shí)，又來了一個(gè)觸發(fā)脈沖使IGBT在電感下降區(qū)誤導(dǎo)通，導(dǎo)致V相進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，期間電流急劇上升，超過了電流斬波控制方式的電流上限，電流處于失控狀態(tài)。

在第4個(gè)電周期初始時(shí)刻，電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，V相上下橋臂IGBT正常導(dǎo)通，由于電流超過斬波電流上限，于是進(jìn)入斬波階段，電流開始下降。但斬波關(guān)斷的第一個(gè)周期結(jié)束后，電流急劇上升，到了硬件保護(hù)電路的模擬斬波上限，系統(tǒng)開始模擬斬波。在模擬斬波階段電流已經(jīng)得到控制，并且在電感進(jìn)入下降區(qū)前，V相上下橋臂兩個(gè)IGBT也關(guān)斷了，電流開始下降。但在電感進(jìn)入下降區(qū)的時(shí)刻，復(fù)現(xiàn)了第3周期的現(xiàn)象，又一個(gè)觸發(fā)脈沖導(dǎo)致V相又進(jìn)入了發(fā)電狀態(tài)，由于此時(shí)的初始電流勵(lì)磁已經(jīng)建立，電流以（|u|+|I·ω·dL（θ）/d θ|）/L（θ）的速率快速上升，超過電流采樣的速率，模擬斬波失效，電流完全失控，超過了功率器件能允許通過的最大電流，最終導(dǎo)致V相兩個(gè)IGBT損壞。

再來分析母線電壓波形：相電流的上升導(dǎo)致了母線電流的上升及母線電壓的下降。在第4個(gè)電周期，模擬斬波期間，由于電流較大，母線電壓下降明顯，低于欠壓保護(hù)值，這也很好解釋了之前的幾次試驗(yàn)中，控制器進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)原因。而由于誤以為是欠壓保護(hù)值設(shè)置太高，調(diào)低欠壓保護(hù)值后，導(dǎo)致本次試驗(yàn)控制器并未進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)。盡管在模擬斬波時(shí)隨著電流下降及W相的開通（圖中未顯示），母線電壓慢慢恢復(fù)，但隨著電流的再一次快速上升，母線電壓直接跌至低點(diǎn)，控制器嚴(yán)重?fù)p壞。

通過對(duì)失控電流的變化過程分析可知，連續(xù)兩個(gè)電周期錯(cuò)誤脈沖的觸發(fā)使IGBT在電感下降區(qū)即發(fā)電區(qū)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)是出現(xiàn)電流失控的根本原因，因此IGBT在發(fā)電區(qū)導(dǎo)通是電流失控的前提。

3　發(fā)電過程中電流失控產(chǎn)生機(jī)理及發(fā)電電流控制策略

3.1發(fā)電過程中電流失控產(chǎn)生機(jī)理

由前一節(jié)分析可知，IGBT在發(fā)電區(qū)導(dǎo)通即電機(jī)發(fā)電運(yùn)行過程中會(huì)有電流失控的可能，因此，發(fā)電運(yùn)行過程電流的控制至關(guān)重要。仍以不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)功率電路為例，分析開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)失控電流是如何產(chǎn)生的。

對(duì)于SR電機(jī)線性簡(jiǎn)化模型，當(dāng)磁路不飽和，且忽略相間互感，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理及功率電路，電機(jī)一相電壓平衡方程及電磁轉(zhuǎn)矩方程［4，5］如下：

其中，電壓平衡方程左邊為外加電源電壓，右邊第一項(xiàng)是相繞組的電阻壓降，第二項(xiàng)為相繞組上的電感壓降，第三項(xiàng)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)e。

由式（3）可以看出，當(dāng)繞組上施加正向電壓，外加電源與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)通過繞組短路，繞組電流的變化率為正，電流將快速上升，電流有失控的危險(xiǎn)；當(dāng)繞組上施加反向電壓，負(fù)載電流的上升與下降取決于外u 和e 的絕對(duì)值大小。如果u＞e，則負(fù)載電流變化率為負(fù)，電流下降，電流可控；反之則負(fù)載電流變化率為正，電流也會(huì)上升，電流可控性變差，但電流上升的速度會(huì)遠(yuǎn)小于給繞組施加正向電壓時(shí)電流上升的速度，且電流最大值可以預(yù)估。

解上述微分方程（5）可得：

其中，i0為起動(dòng)勵(lì)磁電流。要使電流可控，則必有：di /dt ＜ 0 ，即：

由于 u ＜ 0 ，Lmax＞ 0 ，i0＞ 0 ，ω ＞ 0 解不等式（7），可得開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行電流可控性須滿足不等式：

由上述不等式可知，SR電機(jī)電流的可控性與母線電壓和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行或外加電源電壓過低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流不可控。圖3給出了固定轉(zhuǎn)速，固定開通角和關(guān)斷角以及同一勵(lì)磁電流，不同電壓下一相電流的仿真結(jié)果。由圖中可以看出，隨著電壓的降低，電流幅值愈來愈大，當(dāng)電壓降至150V時(shí)，電流峰值最大。隨著電壓的 繼續(xù)下降，關(guān)斷時(shí)由于勵(lì)磁電流 已經(jīng)達(dá)不到給定值（固定開通角），加上繞組電阻的影響，電流峰值反而降低。

3.2電機(jī)發(fā)電電流控制策略

綜上所述，在SR電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，在電流的控制策略中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1發(fā)電運(yùn)行時(shí)，繞組初始勵(lì)磁電流建立后，繞組兩端一定不能施加正向電壓，以自勵(lì)不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)功率變換為例， IGBT必定不會(huì)工作在上下橋臂在整個(gè)電感下降區(qū)均導(dǎo)通的狀態(tài)，否則電流快速上升，電流將會(huì)失控，這一點(diǎn)在實(shí)際的試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

2開關(guān)磁阻電機(jī)低速發(fā)電運(yùn)行時(shí)，滿足式（8），電流可控，可以采用電流斬波控制（CCC）。通過整個(gè)導(dǎo)通期間上橋臂IGBT 斬波實(shí)現(xiàn)零電壓續(xù)流時(shí)，電流增加；下橋臂IGBT 關(guān)斷實(shí)現(xiàn)繞組兩端施加負(fù)電壓時(shí)，電流減少。

3開關(guān)磁阻電機(jī)高速發(fā)電運(yùn)行時(shí)，不滿足式（8），電流不可控，但不可控并不代表電流失控。由于電流最大值可以預(yù)估（出現(xiàn)在電感下降至最小電感處），如圖3所示，這種不可控可以加以利用，以獲得盡可能大的發(fā)電功率和效率。實(shí)際發(fā)電控制中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓及運(yùn)行速度，根據(jù)發(fā)電功率調(diào)節(jié)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的開通角及關(guān)斷角，即角度位置控制方式（APC），將失控電流限制在預(yù)期的范圍內(nèi)。

正是基于上述3點(diǎn)的考慮，在忽略電阻壓降的前提下，SR電機(jī)的發(fā)電性能可以做到與電動(dòng)性能一樣，即相電流關(guān)于電機(jī)對(duì)齊位置θ對(duì)稱［5］。圖4是

a低速CCC控制和高速APC控制時(shí)，電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行的相電流及相電壓仿真波形。

4　電流失控問題解決方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1電流失控問題解決方案

由于主控電路及控制策略在另一開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)通過驗(yàn)證，可以判斷策略本身并沒有問題。對(duì)比兩個(gè)控制器，差別在于出現(xiàn)電流失控問題的控制器由于尺寸的限制，功率電路的復(fù)合母排布線較另一臺(tái)控制器復(fù)雜且混亂，使得電機(jī)運(yùn)行過程中高頻開關(guān)電流產(chǎn)生的電磁干擾導(dǎo)致IGBT的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生了錯(cuò)誤脈沖。因此解決措施之一就是在每個(gè)IGBT兩端并上一個(gè)電容來進(jìn)行濾波，如圖5所示，使電流波形更加光滑，減小干擾源，但這仍不能從根本上保證電流絕對(duì)可控。

為保證功率器件可靠導(dǎo)通，避免出現(xiàn)電流失控問題，更有效的措施是用軟件的方法，在控制策略中增加一個(gè)角度控制的程序，來關(guān)斷由錯(cuò)誤脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通的IGBT，從而保證電流可控。具體的思路：當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，通過軟件查詢手段判斷當(dāng)前電機(jī)位置是否處于與當(dāng)前運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的開通角和關(guān)斷角之間，處于開通角與關(guān)斷角之間，就導(dǎo)通，否則就關(guān)斷IGBT。圖6是具體的角度控制程序流程圖。

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述方案后，開關(guān)磁阻電機(jī)電流失控問題得到了很好的解決，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行可靠，圖7是臺(tái)架試驗(yàn)中不同工況下的相電流波形。

5　結(jié)論

開關(guān)磁阻電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流不可控問題，一方面我們要充分利用不可控電流產(chǎn)生的機(jī)理，將電流限制在可控的范圍內(nèi)，獲得更高的發(fā)電功率和效率；另一方面我們要運(yùn)用硬件和軟件的手段防止發(fā)電運(yùn)行過程中出現(xiàn)電流失控問題，從而保證車輛行駛的安全可靠。

［1］盧勝利，陳昊，曾輝，于東升. 開關(guān)磁阻電機(jī)中功率變換器故障在線診斷方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，Vol.30（3）：63-70.

［2］WangShuanghong，［ZhanQionghua， MaZhiYuan，ZhouLibing］. Implementation of a 50kW Four-Phase Switched Reluctance Motor Drive System for Hybrid Electric Vehicle［J］. IEEE Transactions On Magnetics，2005， Vol. 41（1）： 501-504.

［3］Marcus Menne，［Robert B.Inderka，Rik W.De Doncker］. Critical State Generating Model if Switched Reluctance Machine［J］. IEEE Power Electronics Specialists Conference （PESC）， 2000， Vol .3： 1544-1550.

［4］王宏華. 開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［ M ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995： 22-24，65-76.

［5］吳建華. 開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：31-32，53-60.

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（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

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Switch Reluctance Motor（SRM）； Current Chopping Control（CCC）； Angle Position Control（APC）； Motion Electromotive Force； Uncontrollabe Current

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