劉 潔，徐青青

(宿遷學(xué)院，宿遷 223800)

電動車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究

劉 潔，徐青青

(宿遷學(xué)院，宿遷 223800)

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、可靠性高、可控參數(shù)多、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景。首先，介紹了電動車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了以TMS320F28335數(shù)字信號處理器(DSP)作為主控芯片的控制器。然后，根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速段，設(shè)計了相對應(yīng)的控制策略，最大化提高電機(jī)運(yùn)行效率：以轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，在低速區(qū)域內(nèi)，采用電流PWM控制，利用PI算法調(diào)整PWM占空比，既可以限制繞組電流上限值，減小轉(zhuǎn)矩脈動，又可以控制功率開關(guān)管斬波頻率，避免損壞功率開關(guān)管，保證電機(jī)平穩(wěn)起動運(yùn)行；中速區(qū)域內(nèi)采用電壓PWM控制，加快轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)；高速區(qū)域內(nèi)采用變角度位置控制，實現(xiàn)電機(jī)寬范圍調(diào)速。最后，在試驗平臺上，對提出的控制策略進(jìn)行驗證，測試電動車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速性能。試驗結(jié)果表明，所提出的控制策略具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，使得該驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度。

開關(guān)磁阻電機(jī)；驅(qū)動系統(tǒng)；控制策略；電動車

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)是一種新型調(diào)速電機(jī)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大且起動電流小、可頻繁啟停、可靠性高、過載能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注，以及越來越廣泛的應(yīng)用[1]。SRM的諸多優(yōu)點使其成為電動車驅(qū)動系統(tǒng)的最優(yōu)方案之一。目前，SRM已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如車輛牽引、家用電器、航空航天等。文獻(xiàn)[2]從公式、電機(jī)建模與控制策略方面系統(tǒng)地介紹了SRM，實驗結(jié)果表明，SRM調(diào)速范圍寬且調(diào)速性能優(yōu)越。文獻(xiàn)[3]提出了一種雙指標(biāo)同步優(yōu)化SRM控制參數(shù)的方法，并在負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速特性的基礎(chǔ)上，建立可變開通角、關(guān)斷角控制參數(shù)模型，改進(jìn)電動汽車用SRM驅(qū)動系統(tǒng)動態(tài)性能。文獻(xiàn)[4]基于電機(jī)設(shè)計軟件RMxprt設(shè)計并優(yōu)化了一款小功率高爾夫球車用SRM，仿真結(jié)果表明所設(shè)計的電機(jī)滿足高爾夫球車等小型電動車使用要求，具有一定的應(yīng)用及推廣價值。

本文設(shè)計了以TMS320F28335數(shù)字信號處理器(DSP)為主控芯片的控制器。根據(jù)電機(jī)特性，設(shè)計了相應(yīng)的控制策略：在低速區(qū)域內(nèi)，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，既可以跟蹤給定轉(zhuǎn)速，又能限制繞組電流上限值，減小轉(zhuǎn)矩脈動；中速區(qū)域內(nèi)采用電壓PWM控制，提高加速性能；高速區(qū)域內(nèi)采用變角度位置控制，進(jìn)行角度優(yōu)化，實現(xiàn)電機(jī)寬范圍調(diào)速。

1 電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)

電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)主要由蓄電池、SRM、控制器、功率變換器、驅(qū)動電路及檢測電路等部分組成[5]，如圖1所示。

圖1 電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1控制器

電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)的控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，其功能主要是判斷轉(zhuǎn)子位置、計算轉(zhuǎn)速、采集電流電壓信息等，綜合給定信號及以上信息生成IGBT驅(qū)動信號，開通或關(guān)斷IGBT。DSP產(chǎn)生的信號經(jīng)由整形、電壓轉(zhuǎn)換以及再次整形后傳送至驅(qū)動電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)

光電傳感器輸出的3個位置信號P、Q、R經(jīng)過整形，通過高速光耦隔離芯片將15 V位置信號轉(zhuǎn)為3.3 V信號傳送至DSP輸入捕捉引腳，通過3個位置信號的6種不同狀態(tài)(100，110，010，011，001，101)判斷轉(zhuǎn)子與定子的相對位置。DSP還可以通過位置信號計算當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流、電壓傳感器采集三相繞組電流和電壓，將電流與電壓信號傳送至DSP的A/D采樣端口，進(jìn)行電流、電壓采樣。通過電位器向驅(qū)動系統(tǒng)輸入給定轉(zhuǎn)速，液晶顯示當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速信息等。

2 電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)控制策略

為了提高電機(jī)運(yùn)行效率，改善驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速性能，SRM在不同轉(zhuǎn)速段有著不同的控制策略。根據(jù)轉(zhuǎn)速，將電機(jī)調(diào)速范圍分成3段：低速(0～2 000 r/min)、中速(2 000～4 000 r/min)、高速(>4 000 r/min)；其中，低速段采用電流PWM控制，中速段采用電壓PWM控制，高速段采用變角度位置控制。同時，為了實現(xiàn)良好的調(diào)速性能，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制SRM，外部為轉(zhuǎn)速環(huán)，迅速跟隨轉(zhuǎn)速變動，電流環(huán)在內(nèi)部，加快轉(zhuǎn)速動態(tài)調(diào)節(jié)過程。SRM驅(qū)動系統(tǒng)控制策略框圖如圖3所示。

圖3 電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)控制策略框圖

2.1電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)低速控制

SRM相電流在起動時會迅速增加的原因在于，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時，運(yùn)動電動勢小，無法限制電流增長。為防止相電流過大，必須限制相電流的上限值。同時，隨著給定轉(zhuǎn)速的增加，電流上限值隨之改變，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。

在SRM控制策略中，電流斬波控制(Chopped Current Control，CCC)方式通常有以下兩種實現(xiàn)方法：固定采樣頻率限制電流上下幅值、電流上限與關(guān)斷時間恒定。

(1) 固定采樣頻率限制電流上下幅值

為了控制電流斬波頻率，可固定采樣頻率對電流進(jìn)行采樣，將電流采樣值與上下限值相比較，使相電流被限制在上下限值之間。該方法斬波效果與電流采樣頻率密切相關(guān)。在一個控制周期內(nèi)，由于相繞組磁阻不同，導(dǎo)致電流變化率不同，電流斬波頻率疏密不均。若采樣頻率較低，在低電感區(qū)域，電流快速增長，在低電感區(qū)電流峰值很大，不能有效地限制電流峰值。因此，一般選擇較大的電流采樣頻率。固定采樣頻率限制電流上下幅值策略框圖如圖4所示。

圖4 固定采樣頻率限制電流上下幅值策略框圖

(2) 電流上限與關(guān)斷時間恒定

該方法僅設(shè)定電流上限值，當(dāng)電流大于上限值時，關(guān)斷IGBT，過一段時間再開通IGBT。在一個控制周期內(nèi)，固定關(guān)斷時間，電流斬波頻率在一定程度上得到控制，但繞組磁阻、磁阻變化率及轉(zhuǎn)速等會影響電流下降量，導(dǎo)致電流下降量不固定。若關(guān)斷時間長，相電流波動過大；若關(guān)斷時間短，斬波頻率過高。因此，關(guān)斷時間很難確定。電流上限與關(guān)斷時間恒定策略框圖如圖5所示。

圖5 電流上限與關(guān)斷時間恒定策略框圖

以上兩種斬波控制方式具有斬波頻率不均或電流上升速度過快的缺陷，容易損壞IGBT。因此，本文提出了一種利用PI控制算法調(diào)節(jié)PWM占空比的電流斬波控制策略，通過固定電流采樣頻率，將電流采樣值與電流給定值相比較，電流差值與差值變化率作為PI控制器輸入，通過PI算法得到PWM占空比。當(dāng)采樣值小于給定值時，輸出的占空比為正值，且越接近給定值，占空比越小；反之，當(dāng)采樣電流大于給定值時，輸出的占空比為0，即關(guān)斷IGBT，可以有效限制電機(jī)繞組電流值，并跟蹤限制整體電流幅值。圖6為電流PWM控制策略框圖。

圖6 電流PWM控制策略框圖

該控制策略能夠通過PWM占空比分段調(diào)節(jié)繞組電壓，從而控制相繞組電流，有效限制SRM起動電流。此外，調(diào)節(jié)開通角使得啟動轉(zhuǎn)矩得到優(yōu)化。

對大多數(shù)老年人來說，在所有關(guān)節(jié)中，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)是最易受傷的部位。堅持練習(xí)一套保髖操，不但能起到舒筋活血的作用，還能保養(yǎng)關(guān)節(jié)。

2.2電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)中速控制

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，運(yùn)動電動勢升高，電流迅速下降。電流PWM控制策略無法快速跟蹤電流值，可能導(dǎo)致電機(jī)失速。電壓PWM控制(Chopped Voltage Control，CVC)方式不需要滯環(huán)比較電流大小，控制靈活，動態(tài)響應(yīng)快，通過固定脈沖周期，調(diào)節(jié)PWM波占空比，改變相繞組兩端電壓的平均值，進(jìn)而調(diào)節(jié)相繞組電流，實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。通常選擇將功率變換器上管作為斬波管，通過PWM信號控制，下管作為位置管，通過位置信號控制。斬單管可以減小電流波動，因為當(dāng)上管關(guān)斷、下管開通時，會實現(xiàn)繞組零電壓續(xù)流。

SRM具有非線性、變結(jié)構(gòu)以及變參數(shù)的特性，難以對其進(jìn)行準(zhǔn)確地數(shù)學(xué)建模，且數(shù)學(xué)模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)變化隨著控制方式的變化而改變，因此采用固定參數(shù)的PI控制方式無法取得理想的控制效果[6]。模糊控制算法不需要獲得被控系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，特別適用于非線性、模型不完全等系統(tǒng)的控制[7]。

本文中，電壓PWM控制采用模糊控制算法，將相鄰兩次轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率作為模糊輸入量，經(jīng)過模糊化，查找模糊推理表，得到模糊輸出，再經(jīng)過反模糊，最終，模糊調(diào)節(jié)器輸出電壓PWM波占空比。電壓PWM控制策略框圖如圖7所示。

圖7電壓PWM控制策略框圖

在電壓PWM控制和變角度控制之間(轉(zhuǎn)速在3 500～4 000 r/min之間)，通常會用變角度電壓PWM控制作為過渡。在變角度電壓PWM控制中，通過實時優(yōu)化開通角，可獲得更好的電流波形，降低SRM中速運(yùn)行時的噪聲[8]。

2.3電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)高速控制

SRM在高速運(yùn)行時，使用電壓PWM控制會導(dǎo)致電壓PWM占空比逐漸增大，一個導(dǎo)通周期內(nèi)斬波次數(shù)減少，為了提高驅(qū)動系統(tǒng)效率，而改變單脈沖信號的開通角和關(guān)斷角的值[9]，使得轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速升高而下降過快，且保持輸出功率恒定。本文在DSP中進(jìn)行角度優(yōu)化，實現(xiàn)方法如下圖8所示。

圖8 變角度控制策略圖

變角度控制(Angel Position Control，APC)中開通角的調(diào)節(jié)也需要依靠模糊控制算法，同樣將相鄰兩次轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率作為模糊控制輸入，模糊控制器輸出優(yōu)化后的開通角。

相比于開通角，關(guān)斷角對電流峰值的影響很小，主要影響電流波形的寬度。增大關(guān)斷角可增大平均電磁轉(zhuǎn)矩，但關(guān)斷角過大又會導(dǎo)致相電流進(jìn)入電感下降區(qū)，電機(jī)會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，一般采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制方式。

3 電動車驅(qū)動系統(tǒng)控制策略驗證

為了驗證本文所提出的控制策略，測試SRM驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速性能，搭建了實驗平臺，并進(jìn)行測試。試驗樣機(jī)采用7.5 kW三相12/8極SRM，選用96 V直流電源供電。試驗中，控制SRM經(jīng)歷起動低速區(qū)、中速區(qū)以及高速區(qū)3個階段。測試內(nèi)容主要包括3個部分：第一部分是電機(jī)轉(zhuǎn)速特性測試，主要測試驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速性能，實現(xiàn)寬范圍調(diào)速；第二部分是電機(jī)電流特性測試，驗證本文提出的控制策略具有實際可行性。第三部分是電機(jī)效率測試，主要測試不同轉(zhuǎn)速下輸出額定功率時的效率。

3.1電動轉(zhuǎn)速特性試驗

SRM低、中、高轉(zhuǎn)速曲線圖如圖9所示。圖9(a)為0～1 000 r/min的SRM轉(zhuǎn)速曲線，該轉(zhuǎn)速段內(nèi)采用CCC控制，保證電機(jī)平穩(wěn)快速起動。圖9(b)為1 000～3 000r/min的SRM轉(zhuǎn)速曲線，該轉(zhuǎn)速段可分為兩段，1 000～2 000 r/min轉(zhuǎn)速段內(nèi)采用CCC控制，2000～3000r/min轉(zhuǎn)速段內(nèi)采用CVC控制，由圖可看出，在中速段CVC控制方式下電機(jī)加速性能比CCC控制方式下更具優(yōu)勢。圖9(c)為3 000～5 000 r/min的SRM轉(zhuǎn)速曲線，該轉(zhuǎn)速段也可以分為兩段，3 000～4 000 r/min轉(zhuǎn)速段內(nèi)采用CVC控制，4 000～5 000 r/min采用APC控制方式，從圖中可以看出，APC控制加速性能優(yōu)于CVC控制，更適合高速段控制。

(a)0～1000r/min轉(zhuǎn)速曲線(b)1000～3000r/min轉(zhuǎn)速曲線

(c)3000～5000r/min轉(zhuǎn)速曲線(d)0～6000r/min轉(zhuǎn)速曲線

圖9SRM低、中、高轉(zhuǎn)速曲線圖

圖9(d)為0～6 000 r/min轉(zhuǎn)速段整體加速波形圖，區(qū)域(1)為CCC控制，區(qū)域(2)為CVC控制，區(qū)域(3)為APC控制。從圖中可以看出，電機(jī)從靜止加速至6 000 r/min用時15 s，當(dāng)控制方式由CVC控制切換為APC控制時，電機(jī)加速度顯著提高，這是由于在APC控制中，電流峰值主要依靠旋轉(zhuǎn)電動勢進(jìn)行限制，沒有直接調(diào)控電流或電壓，更適用于高速段調(diào)速。

3.2電動電流特性試驗

SRM在低、中、高轉(zhuǎn)速段的電流特性曲線如圖10所示，通道CH1表示電機(jī)相繞組電流。

圖10(a)為CCC控制電流波形，通過PI算法得到PWM占空比，電機(jī)轉(zhuǎn)速為550 r/min，設(shè)定電流參考幅值為10 A，電流采樣頻率為20kHz。將采樣值與參考值進(jìn)行比較，并送至PI算法模塊。若大于10 A，PWM占空比輸出值為0，關(guān)斷IGBT；若小于10 A，PWM占空比輸出值為正，占空比大小由電流差值的大小進(jìn)行確定。試驗中，PWM占空比太小，因此波形斬波不是很清晰。由圖可以看出，電流波形呈平頂波且電流波動很小，說明該控制策略能夠穩(wěn)定地控制開關(guān)頻率，跟蹤電流獲得較好的斬波波形，使電機(jī)平穩(wěn)快速啟動。圖10(b)為CVC控制電流波形，PWM斬波頻率為10 kHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，電流最大值為15 A。由圖10(b)和圖10(c)

(a)550r/min時加載CCC控制(b)2500r/min時加載CVC控制

(c)3500r/min時加載導(dǎo)通角提前1.5°變角度CVC控制(d)5000r/min時加載導(dǎo)通角提前2.5°APC控制

圖9SRM低、中、高速電流特性曲線圖

可以看出，一個控制周期內(nèi)PWM斬波次數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高而減少，控制效果會變得不理想，同時電流波動也會變大，所以之后需要對電壓PWM控制進(jìn)行一些調(diào)整，采用變角度CVC控制。

圖10(c)為變角度CVC控制電流波形，PWM斬波頻率為10 kHz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，電流峰值為25 A。導(dǎo)通角提前1.5°使得在電流在低電感區(qū)導(dǎo)通區(qū)間變大，電流上升更快，幅值更大。為保證速度不變，需要減小電壓PWM占空比值。在3 500～4 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間段，可以通過優(yōu)化開通角獲得更好的電流波形。

圖10(d)為APC控制電流波形，電機(jī)轉(zhuǎn)速為5000r/min，電流峰值為30A。電機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min，在優(yōu)化開通角時需要提前開通角，讓相繞組電流提前導(dǎo)通，電流上升時間增大，電流峰值和電流波形寬度也會隨之增加，實現(xiàn)電機(jī)加速。

3.3電機(jī)效率測試

圖11給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速從500 r/min到6 000 r/min輸出額定功率時的效率曲線。

圖11 效率曲線

由圖11可以看出，在轉(zhuǎn)速很低時，電機(jī)效率較低。但隨著轉(zhuǎn)速的升高，效率也會增大，并維持在一個較高的范圍內(nèi)，使電機(jī)持續(xù)工作在高效率狀態(tài)。

試驗表明，在不同速度段采用不同的控制策略，可以高效率調(diào)節(jié)SRM，保證驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

4 結(jié) 語

設(shè)計了電動車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，并設(shè)計了以TMS320F28335為主控芯片的控制器。根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速段，設(shè)計了相對應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)寬范圍調(diào)速。在低速段，采用電流PWM控制策略，可以限制繞組電流上限值，減小轉(zhuǎn)矩脈動同時限制功率開關(guān)管斬波頻率，避免損壞功率開關(guān)管，其中，外環(huán)采用模糊控制方法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用PI電流斬波控制，雙閉環(huán)控制策略保證電機(jī)平穩(wěn)快速地啟動運(yùn)行；在中速段，采用電壓PWM控制，利用模糊控制算法調(diào)節(jié)PWM占空比，改變繞組兩端電壓，加快轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)；在高速段，采用變角度位置控制，利用模糊算法計算開通角，增大電流幅值，實現(xiàn)電機(jī)寬范圍調(diào)速。在試驗平臺上，驗證了本文提出的控制策略，測試了電動車SRM驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速性能。試驗結(jié)果表明，所提出的控制策略具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，使得該驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度，非常適用于電動車場合。

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ResearchonControlStrategyofElectricVehicleDriveSystemBasedonSwitchedReluctanceMotor

LIUJie,XUQing-qing

(Suqian College,Suqian 223800,China)

Switched Reluctance Motor (SRM) has wide application prospect due to the merits of simple structure, wide speed operation range, high reliability, multi control parameter, strong overload capacity, etc. Firstly, a SRM drive system framework for electric vehicle was introduced. A controller based on DSP TMS320F28335 was proposed. Different algorithms were applied for different speed range to maximize the efficiency of the motor. The control strategy was based on speed and current double closed loop. At low speed stage, the control strategy with chopped current control (CCC) which used PI algorithm to regulate the PWM duty cycle was introduced to limit phase currents, torque ripple and power switch tube chopping frequency which can avoid damaging the power switch tube, which aimed to ensure the motor starting and working calmly. At medium speed stage, chopped voltage control (CVC) was applied to speed up the speed dynamic response; At high speed stage, angel position control (APC) was applied to acquire wide speed range. Finally, experiments were carried out on the prototype to verify the proposed control strategy and test speed adjustment performance of the SRM drive systems for electric vehicle. The experiments results show that the proposed control strategy has strong adaptability making the drive system has good dynamic performance and high steady accuracy.

switched reluctance motor; drive system; control strategy; electric vehicle

2016-06-01

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(PPZY2015C252)；宿遷市科技計劃項目(H201421,Z201530)

TM352

：A

：1004-7018(2016)11-0077-04

劉潔(1981-)，女，實驗師，主要研究方向為機(jī)電控制。