寧德勝 袁克湘 胡維超

（陽(yáng)光電源股份有限公司）

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬而且容錯(cuò)能力強(qiáng)，綜合性能突出，非常符合電動(dòng)汽車對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的要求[1-2]。但是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在應(yīng)用中存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲大等問(wèn)題，限制了其的廣泛應(yīng)用，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[3-5]在控制算法上做了改進(jìn)，文獻(xiàn)[6-7]改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)拓?fù)?。傳統(tǒng)非對(duì)稱半橋式功率變換器僅能提供一種勵(lì)磁電壓和一種退磁電壓，不能滿足電機(jī)在不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速下的需求，會(huì)造成較大的電流或轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文章提出了一種新型五電平驅(qū)動(dòng)電路，相對(duì)于傳統(tǒng)的半橋式驅(qū)動(dòng)電路，其拓?fù)溆懈嗟碾妷哼x項(xiàng)，使得控制更平滑，能夠滿足電機(jī)在不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速下的需求，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了該功率變換器在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上的有效性。

1　五電平功率變換器結(jié)構(gòu)及基本工作原理

1.1　開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)基本工作原理

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，只在定子上安裝集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子沿磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)方向與電流方向無(wú)關(guān)，僅與勵(lì)磁順序有關(guān)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)常用控制方式有電流斬波控制、角度位置控制和電壓PWM控制。

不對(duì)稱半橋式功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)最常用的驅(qū)動(dòng)電路，每相有2個(gè)主開(kāi)關(guān)器件及反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)器件少的優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)半橋式驅(qū)動(dòng)電路僅能夠提供3種電壓回路，控制靈活性差。

不對(duì)稱半橋式功率變換器的3種工作狀態(tài)，如圖1所示，V1和V2是主開(kāi)關(guān)器件，VD1和VD2是反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。其勵(lì)磁和退磁時(shí)加在繞組兩端的是電源電壓，因此電流變換較快，容易超出滯環(huán)區(qū)間。隨著電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能要求的提高，傳統(tǒng)半橋式拓?fù)洳荒苓_(dá)到較為理想的控制效果。具有多種可調(diào)電壓的驅(qū)動(dòng)拓?fù)湓趯?shí)際控制中能提供更加豐富的電壓選擇，增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性，是提高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出性能的理想選擇。文章基于對(duì)傳統(tǒng)拓?fù)涞姆治觯岢隽艘环N五電平功率變換器。

圖1　不對(duì)稱半橋式功率變換器的3種工作狀態(tài)

1.2　新型五電平功率變換器結(jié)構(gòu)

新型五電平功率變換器，如圖2所示。S為三相公共開(kāi)關(guān)管，直流側(cè)電容C1和C2串聯(lián)，起到分壓作用，C1和C2兩端的電壓為電源電壓的1/2，直流側(cè)電容中點(diǎn)通過(guò)2個(gè)開(kāi)關(guān)管分別連接在繞組兩端。該拓?fù)涿肯嘤?個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)管，可通過(guò)S與每相獨(dú)立的開(kāi)關(guān)管配合，控制直流側(cè)2個(gè)電容的充、放電，使繞組勵(lì)磁、退磁或零電壓續(xù)流，并且可以通過(guò)合理控制兩電容充、放電來(lái)維持中點(diǎn)電位平衡。

圖2　五電平功率變換器拓?fù)?/p>

直流側(cè)電壓為2Udc，則直流側(cè)兩電容的額定電壓應(yīng)為 Udc。S，Sa1，Sb1，Sc1的額定電壓值為 2Udc，但 S 是三相公共開(kāi)關(guān)，因此開(kāi)關(guān)頻率較高，要求它有較高的開(kāi)關(guān)能力。

1.3　不同工作模式下的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器可工作于勵(lì)磁、退磁和零電壓續(xù)流模式下，文章所提五電平驅(qū)動(dòng)電路分別有勵(lì)磁和退磁電壓2種，而且有多種續(xù)流回路。以A相為例對(duì)不同電壓回路下功率變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及適用情況進(jìn)行說(shuō)明。

1.3.1勵(lì)磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

通常在需要繞組快速勵(lì)磁的場(chǎng)合，例如轉(zhuǎn)子剛進(jìn)入導(dǎo)通區(qū)間時(shí)，需要較大的勵(lì)磁電壓快速建立勵(lì)磁電流。勵(lì)磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖3所示。此時(shí)，圖3a中S和Sa1開(kāi)通，Sa2和Sa3關(guān)斷，電源電壓直接加在相繞組上，相繞組快速建立勵(lì)磁電流，有利于減小換相時(shí)由于后一相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩能力不足帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)換相。

圖3　勵(lì)磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

在滯環(huán)控制中，由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)采樣頻率的限制，采樣周期較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際控制量超出滯環(huán)區(qū)間，造成較大的電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還會(huì)影響功率器件的壽命，增加系統(tǒng)的損耗。此時(shí)較小的勵(lì)磁電壓是非常必要的，可得到更好的控制效果且有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。文章所提拓?fù)淠軌蛲ㄟ^(guò)直流側(cè)電容提供勵(lì)磁電壓Udc，如圖3b所示，S和Sa3開(kāi)通時(shí)，C1放電，勵(lì)磁電壓為 Udc1；或如圖 3c所示，Sa1和 Sa2開(kāi)通時(shí)，C2放電，勵(lì)磁電壓為Udc2。實(shí)際控制中，可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通、斷，使C1和C2輪流充放電，維持直流側(cè)中點(diǎn)電位的平衡。

1.3.2退磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

相繞組在-Udc退磁時(shí)也有2種退磁回路，可分別向C1充電或向C2充電。圖4示出退磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如圖4a所示，Sa2開(kāi)通，相繞組通過(guò)Sa2和VD11退磁，退磁電流向C1充電；如圖4b所示，Sa3閉合，續(xù)流電流通過(guò)Sa3和VD12向C2充電。-Udc退磁時(shí)，有利于新型五電平拓?fù)?，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)直流側(cè)兩電容的充、放電，維持中點(diǎn)電位的平衡。如圖4 c所示，所有開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過(guò)VD11和VD12續(xù)流，電源電壓反向加在相繞組上使其快速退磁。圖4中2種不同退磁電壓下的退磁回路可以根據(jù)實(shí)際需求合理選擇，在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制中，當(dāng)電流沖擊太大或換相時(shí)，需要較大的退磁電壓使繞組快速退磁。當(dāng)電流或轉(zhuǎn)矩超出滯環(huán)上限較小時(shí)，-Udc退磁可避免退磁太快使電流超出滯環(huán)下限值。

圖4　退磁時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

1.3.3零電壓續(xù)流時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

零電壓續(xù)流時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖5所示。文章所提五電平拓?fù)溆?種零電壓續(xù)流回路。如圖5a所示，Sa2和Sa3開(kāi)通，電流通過(guò)Sa2和Sa3續(xù)流；圖5b中S開(kāi)通，電流通過(guò)S和VD11續(xù)流；圖5c中Sa1閉合，電流通過(guò)Sa1和VD12續(xù)流。

圖5　零電壓續(xù)流時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

2　實(shí)際控制系統(tǒng)中新型五電平拓?fù)涞墓ぷ鳡顟B(tài)

滯環(huán)控制是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的常用控制算法，以電流或轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，通過(guò)控制功率變換器開(kāi)關(guān)的通斷，即加在相繞組兩端電壓的大小和時(shí)間，使被控量圍繞參考值波動(dòng)。因此能否合理控制相繞組兩端的電壓是影響滯環(huán)控制效果的關(guān)鍵，多電平控制對(duì)于提高滯環(huán)控制系統(tǒng)的跟蹤能力具有重要意義。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)導(dǎo)通區(qū)間分為單相導(dǎo)通區(qū)和2相換向區(qū)，單相導(dǎo)通區(qū)只需控制1個(gè)相繞組輸出使其跟蹤參考值，2相換向區(qū)需要2相的配合使得2相總的輸出等于參考值。表1示出新型五電平功率變換器在單相導(dǎo)通區(qū)和2相換相區(qū)的工作狀態(tài)。

圖1　五電平拓?fù)鋯蜗鄬?dǎo)通及換相時(shí)的工作狀態(tài)

五電平拓?fù)鋯蜗噙\(yùn)行時(shí)有5種工作狀態(tài)，2相換向時(shí)有21種工作狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋式拓?fù)涠嗔嗽S多中間狀態(tài)，因此可以根據(jù)實(shí)際控制中被控參數(shù)與參考值之差，使控制更加細(xì)化。這樣有利于減小換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使控制更加平滑。

3　仿真分析

為了對(duì)比五電平功率變換器與傳統(tǒng)半橋式功率變換器的控制效果，通過(guò)仿真軟件MATLAB/Simulink分別搭建了2種拓?fù)涞姆抡婺Ｐ?。并在DITC控制算法下，比較了2種拓?fù)涞目刂菩Ч７抡嬷须姍C(jī)模型根據(jù)查表法建立，仿真電機(jī)參數(shù)與實(shí)際電機(jī)參數(shù)相同，電機(jī)額定功率為35 kW，額定電壓和電流分別為336 V和115 A，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，電機(jī)的采樣頻率為9.6 kHz。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（KT）為：

式中：KT——轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值；

Tmax，Tmin，Tavg——轉(zhuǎn)矩最大值、最小值、平均值，N·m。

文章控制算法通過(guò)S-function函數(shù)建立，仿真中建立了電流-角度-轉(zhuǎn)矩三維表格，實(shí)際轉(zhuǎn)矩值根據(jù)電流值和角度值查表得到，S-function函數(shù)模塊根據(jù)電機(jī)角度和實(shí)際轉(zhuǎn)矩值與參考轉(zhuǎn)矩值之差控制開(kāi)關(guān)功率變換器開(kāi)關(guān)管的通斷。

圖6和圖7分別示出參考轉(zhuǎn)矩為40 N、轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)傳統(tǒng)非對(duì)稱半橋式拓?fù)浜臀咫娖酵負(fù)涞霓D(zhuǎn)矩、電流波形。對(duì)比圖6和圖7可知，采用五電平拓?fù)涞碾娏髅}動(dòng)要小于傳統(tǒng)非對(duì)稱半橋式拓?fù)?，且電流變化更平滑。圖8和圖9分別示出參考轉(zhuǎn)矩為80 N、轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流波形，從仿真波形可知，五電平功率變換器具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，可以證明五電平功率變換器具有更好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果。

圖6　非對(duì)稱半橋式拓?fù)浞抡娌ㄐ危▍⒖嫁D(zhuǎn)矩為40 N）

圖7　五電平拓?fù)浞抡娌ㄐ危▍⒖嫁D(zhuǎn)矩為40 N）

圖8　非對(duì)稱半橋式拓?fù)浞抡娌ㄐ危▍⒖嫁D(zhuǎn)矩為80 N）

圖9　五電平拓?fù)浞抡娌ㄐ危▍⒖嫁D(zhuǎn)矩為80 N）

4　結(jié)論

五電平功率變換器相對(duì)于傳統(tǒng)功率變換器有更多的工作模式，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電容的獨(dú)立控制，為相繞組提供多種勵(lì)磁和退磁電壓，使得電流、轉(zhuǎn)矩變化更平滑。仿真結(jié)果表明，在相同控制方法下，五電平功率變換器相對(duì)于傳統(tǒng)非對(duì)稱半橋式功率變換器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)更小。因此五電平變換器對(duì)提高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制的靈活性及減小開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有重要意義。