王 蕾 ，謝 炎 ，盧慶收

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

近年來(lái)，在中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下政府為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的政策支持，汽車銷量逐年大幅增長(zhǎng)。然而，汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展不僅為中國(guó)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，也引發(fā)了中國(guó)的能源和環(huán)境危機(jī)。因此，為了能夠有效地節(jié)約能源，改善我國(guó)的自然環(huán)境，在城市交通方面我國(guó)一直在研究可持續(xù)發(fā)展的策略，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)研究對(duì)象——電動(dòng)汽車，是我國(guó)新能源汽車的發(fā)展方向。相對(duì)于汽車，電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)就是高效率、零排放。開關(guān)磁阻電機(jī)是在現(xiàn)有直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)[1]。該電機(jī)同時(shí)兼顧了直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

1 電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在控制技術(shù)和電力電子技術(shù)方面的發(fā)展還沒有很大的突破，導(dǎo)致對(duì)電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)缺乏深入研究。早在1970年，英國(guó)就研究了電動(dòng)汽車的SRD（Switched Reluctance Motor Drive，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)），在1980年已經(jīng)有公司形成了SRD的研究成果。除此之外，美國(guó)和歐洲在SRD調(diào)試系統(tǒng)的研究上也付出了很大的努力，通過研究形成的成果產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車、航空航天、家電等領(lǐng)域[2]。我國(guó)對(duì)SRD調(diào)速系統(tǒng)的研究起步較晚。1984年以來(lái)，不少企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)相繼開展了SRD研究。但由于起步較晚，華中科技大學(xué)直到“十五”時(shí)期才研制出混合動(dòng)力汽車。該車配備SRD調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行良好。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和研究，我國(guó)在電磁分析、仿真和控制方面，取得了重大突破，獲得了豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，主要組成部分是功率變換器，它主要完成系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制和能量傳輸[3]。該系統(tǒng)使用帶有兩個(gè)IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）開關(guān)和兩個(gè)續(xù)流二極管的半橋供電電路。開關(guān)斷開后，電路中的繞組電流通過續(xù)流二極管將存儲(chǔ)在繞組磁性中的能量帶入電源。在整個(gè)續(xù)流過程中，繞組電流對(duì)反向電壓的影響減小到零。開關(guān)磁阻電機(jī)采用三相6/4極結(jié)構(gòu)，通過改變相電流來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]?；魻栯娏鱾鞲衅饔糜跈z測(cè)電路中的電流，光電編碼器用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，然后DSP（Digital Signal Process，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)）控制器根據(jù)檢測(cè)器的反饋信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

在控制電路接收到啟動(dòng)信號(hào)后，控制程序首先會(huì)檢測(cè)開關(guān)磁阻并調(diào)試控制系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)程序正常后，光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，然后在控制器中輸出相應(yīng)的信號(hào)。一旦操作指令有所變化，就會(huì)對(duì)控制電路的運(yùn)行方式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但若在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，如過載或轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)等，應(yīng)立即停機(jī)并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，系統(tǒng)解除電路報(bào)警模式[5]。

3 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制策略和方法

傳統(tǒng)線性控制器的參數(shù)是不會(huì)輕易改變的，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，系統(tǒng)不能滿足最佳的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能要求。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)具有多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合特性的非線性系統(tǒng)。為了更進(jìn)一步完善電動(dòng)車的控制系統(tǒng)，研究通過調(diào)整控制參數(shù)的方法，設(shè)計(jì)一種智能控制方法，力求找到更高效的調(diào)速策略。

3.1 開關(guān)角

在開通角和關(guān)斷角之間，向電機(jī)繞組施加一些正向電壓以維持繞組中的電流。但是，經(jīng)過一段時(shí)間的閉合關(guān)斷角后，繞組將施加反向電壓。通過這種方式，繞組中的電流可以產(chǎn)生續(xù)流并迅速減小到零[6]。但不同電流波形形成的繞組銅損和電機(jī)效率是不同的。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)輸出越大，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，特別是對(duì)于M相電機(jī)，它的通電相數(shù)Ps就會(huì)受計(jì)算電流占空比影響：

當(dāng)T變化時(shí)Ps也會(huì)隨之發(fā)生變化，優(yōu)化開關(guān)角的控制系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)使電機(jī)出力相同，但是整體效率達(dá)到最高。

3.2 雙閉環(huán)控制

開關(guān)磁阻電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，其響應(yīng)速度會(huì)變得很慢，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，這將使電動(dòng)汽車在啟動(dòng)的時(shí)候發(fā)出很大振動(dòng)和噪聲，為了更好地降低噪聲和振動(dòng)頻次，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，將采用優(yōu)化的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)將電流環(huán)比作內(nèi)環(huán)，而轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，它的響應(yīng)速度會(huì)非?？?，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能有了很大的提升，系統(tǒng)控制器也可以采用PI控制器（一種線性控制器）來(lái)降低系統(tǒng)的靜態(tài)誤差[7]。根據(jù)大量的研究成果，將控制系統(tǒng)優(yōu)化為低階控制系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。校正電流回路時(shí)，應(yīng)使用典型的一階系統(tǒng)，而校正速度回路時(shí)，應(yīng)使用典型的二階系統(tǒng)。

3.3 SRM的控制方法

SRM（Switched Reluctance Motor，開關(guān)磁阻電機(jī)）的控制參數(shù)包括開關(guān)角、轉(zhuǎn)矩等，每個(gè)控制量有不同的控制方式。SRM的基本控制方式根據(jù)角度、電流、電壓控制對(duì)象的不同分為角度位置控制方式、電流斬波控制方式和PWM控制方式。

3.3.1 角度位置控制方法

角度位置控制方法通過調(diào)整SRM的開通角和關(guān)斷角來(lái)改變電流的幅度值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)開通角和關(guān)斷角不同時(shí)產(chǎn)生的相電流波形也會(huì)隨之不同，因此，控制開通角和關(guān)斷角的帶線能夠有效地控制SRM的轉(zhuǎn)速[7]。當(dāng)開通角減小時(shí)，每一相的通電時(shí)間會(huì)隨之增加，電流的幅度值也會(huì)增加，從而能夠確保電流的迅速建立。而電機(jī)輸出和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生則與關(guān)斷角息息相關(guān)，一旦關(guān)斷角設(shè)置得過小，那么相電流會(huì)在規(guī)定時(shí)間之前降為0，這就會(huì)造成電機(jī)輸出的減少，從而導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之變?。环粗?，一旦關(guān)斷角設(shè)置得過于大，那么在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將會(huì)隨之產(chǎn)生，這樣的話不僅僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的輸出，也會(huì)使得電機(jī)產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[8]。因此，當(dāng)SRM啟動(dòng)時(shí)，要嚴(yán)格設(shè)置適合的開通角和關(guān)斷角，以保證其在運(yùn)行的過程中，開通角和關(guān)斷角要隨著電機(jī)運(yùn)行參數(shù)改變。開關(guān)角不同，SRD調(diào)速系統(tǒng)的相電流、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、運(yùn)行效率等都不同。找到不同速度下開關(guān)角度的最佳組合對(duì)于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高電機(jī)效率非常重要。

3.3.2 電流斬波控制方法

電流斬波控制方法就是在確保開通角和關(guān)斷角固定不變的情況下，對(duì)開關(guān)管的通斷頻率加以控制，而后控制實(shí)際電流的大小始終在給定電流值的范圍之內(nèi)，確保電流的狀態(tài)呈現(xiàn)鋸齒形，實(shí)現(xiàn)控制電流的有效值，最終達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[9]。電流斬波控制方法的中心思想分為兩種情況，一種情況是當(dāng)實(shí)際電流值小于給定電流值時(shí)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開通開關(guān)管，使其電流值持續(xù)增加無(wú)限趨近于給定電流值；另一種情況是當(dāng)實(shí)際電流值大于給定電流值時(shí)，這種情況下要對(duì)開關(guān)管采取關(guān)斷處理，實(shí)際電流值會(huì)逐漸降低至接近于給定電流值。因此，電流斬波控制方法運(yùn)行的要點(diǎn)即要對(duì)開關(guān)管進(jìn)行不斷的調(diào)整，確保其實(shí)際電流值始終保持在限定的電流值附近。

3.3.3 PWM控制方法

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制方式的工作原理主要是通過調(diào)整占空比來(lái)調(diào)整PWM的占空比，調(diào)整相繞組電壓的平均值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制[10]。當(dāng)脈沖頻率越來(lái)越高時(shí)，電流波形會(huì)逐漸趨于平滑，但值得注意的是，電流波形越平滑，主開關(guān)器件的工作頻率就越高。PWM控制方式包括單管控制和雙管控制。單管斬波器上下橋的開關(guān)只有一個(gè)工作在斬波狀態(tài)，另一個(gè)始終工作在接通狀態(tài)。雙管斬波器的兩個(gè)開關(guān)管工作原理相同，需要關(guān)閉時(shí)關(guān)閉，需要斷開時(shí)斷開。

3.4 SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制分析

電動(dòng)汽車作為城市交通未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，大眾對(duì)于其肯定有相當(dāng)高的要求和期待。因此，電動(dòng)汽車的SRD調(diào)速系統(tǒng)在滿足電動(dòng)汽車的基本性能之外還應(yīng)當(dāng)充分考慮到舒適性的問題。在電動(dòng)汽車上安裝SRD調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要進(jìn)一步解決SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)帶來(lái)的巨大噪聲問題，這也是企業(yè)和行業(yè)研究人員面臨的重要課題。那么，SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的來(lái)源主要是哪里呢？這可以從兩個(gè)角度進(jìn)行分析探討，一個(gè)方面與SRM本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一個(gè)方面則是由于SRM使用的控制方法不同所造成的[11]。SRM本身的結(jié)構(gòu)是雙凸極的，這就使得在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中磁通會(huì)隨之變化，而SRM的磁路則很容易呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。此外，SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還會(huì)在一定程度上受到定子和轉(zhuǎn)子極弧的寬度、相數(shù)的不同以及外形尺寸等諸多因素的影響。在各種因素的共同影響下，相繞組電流容易變形并導(dǎo)致不穩(wěn)定，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩隨著相繞組電流的波動(dòng)而波動(dòng)，尤其是在換相過程中，轉(zhuǎn)矩不能平滑過渡[12]。除此之外，SRM基本的控制方法，如電流斬波控制方法，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因此，研究中需要對(duì)這些控制方法進(jìn)行優(yōu)化，可以加入一些先進(jìn)的控制算法，以更好地抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[13]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了能夠更好地解決有刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)過于復(fù)雜以及系統(tǒng)穩(wěn)定性能太差等問題，本研究通過闡述國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，分析電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的基本組成和基本工作原理，并重點(diǎn)剖析了電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的啟動(dòng)電流比有刷直流電機(jī)的啟動(dòng)電流小，這將延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的電池使用壽命[14]。電動(dòng)汽車是我國(guó)城市交通可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，也是解決我國(guó)能源和環(huán)境問題的重要途徑。作為電動(dòng)汽車的核心部件，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響電動(dòng)汽車的整體狀態(tài)。因此，需要進(jìn)一步地進(jìn)行研究和討論。