凌 輝， 杜欽君， 馮 晗， 龐 浩， 楊姝欣， 羅永剛

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255022)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場合.但由于其定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)子位置角和相電流都表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非線性關(guān)系[1-2]，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，制約開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在機(jī)床、伺服、電動(dòng)車等對轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要求高的場合下的應(yīng)用.

圍繞開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制，許多學(xué)者從不同角度提出解決方案，主要從兩方面著手.一方面從電動(dòng)機(jī)本體出發(fā)，改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果.文獻(xiàn)[3]提出在轉(zhuǎn)子兩側(cè)開槽的方式，該方法改變轉(zhuǎn)子表面磁密的方向，達(dá)到削弱徑向磁密，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果.文獻(xiàn)[4]采用轉(zhuǎn)子帶極靴(T型)的轉(zhuǎn)子齒形，利用三維有限元建模仿真，證明T型齒能夠減小徑向力，增加切向力，從而有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).另一方面對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到脈動(dòng)抑制的效果.文獻(xiàn)[5-7]引入直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(Direct Instantaneous Torque Control，DITC)的概念，將瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，控制其跟蹤轉(zhuǎn)矩參考值，并設(shè)定單相和兩相導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通邏輯.但由于該策略沒有考慮相電流波形以及在換向初期相電感變化率較低，導(dǎo)致在該時(shí)期相電流有明顯的電流峰值脈動(dòng)，造成較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).文獻(xiàn)[8-9]將直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制和脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)相結(jié)合，對相電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制，等效改變相繞組的平均電壓，在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下都有良好的電流跟蹤效果.值得注意的是，由于傳統(tǒng)不對稱半橋功率變換器能提供的電壓等級較少，所以該方法只能在低中轉(zhuǎn)速下有較好的電流跟蹤和轉(zhuǎn)矩抑制效果；在高轉(zhuǎn)速下，即使繞組全電壓也無法保證電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想的轉(zhuǎn)矩跟蹤效果.文獻(xiàn)[10]在直接轉(zhuǎn)矩控制中加入模糊控制，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度.文獻(xiàn)[11]將全橋功率變換器引入開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少器件成本，但控制器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜.文獻(xiàn)[12-13]分別引入五電平和四電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合滯環(huán)控制設(shè)計(jì)不同導(dǎo)通區(qū)間的控制策略，有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)特性.文獻(xiàn)[14]提出一種新型有源升壓功率變換器，可實(shí)時(shí)控制繞組退磁電壓，結(jié)合瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制策略設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)矩控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化較大情況下開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)運(yùn)行.文獻(xiàn)[15]在傳統(tǒng)DITC的基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)最優(yōu)開通角的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)，利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練預(yù)先獲得的任意轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)開通角，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)自適應(yīng)調(diào)整開通角，抑制換相區(qū)域的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).

本文提出一種五電平拓?fù)湎碌母倪M(jìn)DITC控制方法，設(shè)計(jì)一種不對稱二極管鉗位型五電平功率變換器(Five-Level Asymmetrical Diode-Clamped Converter，5L-ADCC)拓?fù)?，該變換器可提供較高的電壓等級，實(shí)現(xiàn)繞組快速勵(lì)磁和去磁.其次，根據(jù)SRM的電感曲線和矩角特性曲線重新劃分導(dǎo)通區(qū)間，避免換向初期電流峰值較大，合理分配各相通斷.另外，考慮到轉(zhuǎn)速及繞組電壓對電流跟蹤效果的影響，分別設(shè)計(jì)低速與高速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩誤差以及轉(zhuǎn)子位置選擇適配的電壓矢量，使得系統(tǒng)在低速與高速時(shí)均達(dá)到良好的電流跟蹤效果，從而實(shí)現(xiàn)寬速域下SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制.最后，通過仿真驗(yàn)證該方法的有效性.

1 傳統(tǒng)DITC策略

不同于電流斬波、轉(zhuǎn)矩分配等間接轉(zhuǎn)矩控制方式，直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制將任一時(shí)刻的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為直接控制量，令其跟蹤轉(zhuǎn)矩參考值，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和位置信號實(shí)時(shí)改變不對稱半橋功率變換器的開關(guān)狀態(tài)，靈活分配變換器的3種電平，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的.傳統(tǒng)DITC系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器、區(qū)間判斷模塊、不對稱半橋功率變換器、轉(zhuǎn)矩估算單元、SRM本體模塊等，DITC系統(tǒng)框圖如圖1所示.圖中：ωref為參考角速度；ω為瞬時(shí)角速度；Δω為角速度誤差；Tref為參考轉(zhuǎn)矩；T為瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩；ΔT為轉(zhuǎn)矩誤差；θ為轉(zhuǎn)子位置角；i為相電流；t為時(shí)間.

圖1 傳統(tǒng)DITC系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of traditional DITC system

1.1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

(1)

式中：Tk為第k相繞組的電磁轉(zhuǎn)矩；ik為第k相電流；繞組的磁共能表達(dá)式為

(2)

式中：ψk為第k相磁鏈.

為方便分析SRM的基本電磁關(guān)系，忽略磁飽和的影響，電感Lk與相電流ik無關(guān)，理想線性模型下SRM的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(3)

實(shí)際上，SRM內(nèi)部非線性嚴(yán)重，其轉(zhuǎn)矩-電流-角度關(guān)系一般通過實(shí)驗(yàn)或有限元仿真獲得.圖2為Ansoft軟件得到的靜態(tài)矩角特性曲線，以定轉(zhuǎn)子凸極對齊位置為0°位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置達(dá)到30° 即不對齊位置時(shí)，電感變化率為正，電動(dòng)機(jī)開始輸出正轉(zhuǎn)矩.

圖2 矩角特性Fig.2 Characteristic of torque-angle

1.2 DITC驅(qū)動(dòng)電路分析

傳統(tǒng)DITC采用不對稱半橋驅(qū)動(dòng)電路，各相獨(dú)立工作，根據(jù)DITC導(dǎo)通規(guī)則得到各相的驅(qū)動(dòng)信號從而驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷.以A相為例，圖3給出不對稱半橋變換器的3種開關(guān)信號.圖中：D1、D2為二極管.通過對S1、S2兩個(gè)開關(guān)管的通斷進(jìn)行組合可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、續(xù)流、去磁3種開關(guān)狀態(tài).

圖3 不對稱半橋變換器開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Switching state of asymmetrical half bridge converter

1.3 DITC原理分析

DITC系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，其核心為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號，調(diào)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小并實(shí)時(shí)跟蹤轉(zhuǎn)矩參考值.根據(jù)不同轉(zhuǎn)子位置，每相導(dǎo)通區(qū)域分為單向?qū)▍^(qū)和兩相導(dǎo)通區(qū).以D、A兩相為例說明導(dǎo)通關(guān)系如下：在單相導(dǎo)通區(qū)，只有D相能提供轉(zhuǎn)矩輸出，其他相關(guān)斷，故采用單滯環(huán)控制.當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差大于內(nèi)滯環(huán)上限時(shí)，D相加正電壓勵(lì)磁，增加轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差減小到內(nèi)滯環(huán)下限時(shí)，D相繞組加零電壓續(xù)流，緩慢減小轉(zhuǎn)矩.在兩相導(dǎo)通區(qū)，D、A兩相同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制較復(fù)雜，故采用雙滯環(huán)控制.當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差大于內(nèi)滯環(huán)上限時(shí)，A相繞組加正電壓，D相保持不變；若轉(zhuǎn)矩誤差繼續(xù)增大到外滯環(huán)上限，D相繞組也加正電壓勵(lì)磁，迅速增加轉(zhuǎn)矩；若轉(zhuǎn)矩誤差小于0，為了使A相能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩逐漸代替D相，只令D相繞組續(xù)流，A相保持不變；若轉(zhuǎn)矩誤差進(jìn)一步減小到內(nèi)滯環(huán)下限，A相繞組也零壓續(xù)流；若轉(zhuǎn)矩誤差仍然減小到外滯環(huán)下限，則D相繞組加負(fù)電壓，迅速減小轉(zhuǎn)矩[5].

2 基于5L-ADCC拓?fù)涞母倪M(jìn)DITC策略

傳統(tǒng)DITC根據(jù)電感變化和不對稱半橋的工作狀態(tài)采用滯環(huán)控制，使瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)跟蹤參考值，起到較好的控制效果.電動(dòng)機(jī)第k相電壓平衡方程式為

Uk=Rkik+dψk/dt

(4)

式中：Uk、Rk分別為第k相繞組電壓、內(nèi)阻.忽略電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻壓降，代入ψk=Lk(ik,θ)ik，可得

(5)

式中：wr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度.則在θ處的電流變化率可表示為

(6)

由式(6)可知，此時(shí)若電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較小，電流變化率較大，在換相期間導(dǎo)通相電流建立迅速，但在最小電感恒值(Lmin)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢為0，電流變化率為

(7)

這表明相電流在此區(qū)域線性上升，電流峰值高，可提高電動(dòng)機(jī)的出力，但會(huì)引起轉(zhuǎn)矩向上的脈動(dòng)，增大震動(dòng)和噪聲[1].文獻(xiàn)[16]針對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對開關(guān)角實(shí)時(shí)優(yōu)化，雖然避免了相電流幅值過大，但在最小電感區(qū)域仍存在電流峰值，使系統(tǒng)效率降低.

當(dāng)電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢增大，不對稱半橋提供的的電壓等級無法實(shí)現(xiàn)良好的電流跟蹤性能[8]，電流無法及時(shí)跟蹤所需值，轉(zhuǎn)矩控制效果變差，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能下降.

由以上分析可知，傳統(tǒng)DITC在轉(zhuǎn)速工況變化較大時(shí)無法兼顧轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和運(yùn)行效率的問題.為此，提出5L-ADCC拓?fù)涞母倪M(jìn)DITC策略.根據(jù)電感及轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化曲線，重新劃分區(qū)間，分別設(shè)計(jì)低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下不同的導(dǎo)通規(guī)則.在實(shí)現(xiàn)過程中，首先判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速處于低速還是高速狀態(tài)，以額定轉(zhuǎn)速(ne)的1/2作為臨界轉(zhuǎn)速，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速則采用高速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和繞組所處導(dǎo)通區(qū)間輸出高電平開關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)五電平驅(qū)動(dòng)；同理，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速則采用低速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差和繞組所處導(dǎo)通區(qū)間輸出低電平開關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)三電平驅(qū)動(dòng).5L-ADCC拓?fù)湎碌母倪M(jìn)DITC系統(tǒng)框圖如圖4所示.

圖4 5L-ADCC拓?fù)涞母倪M(jìn)DITC系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of improved DITC system based on 5L-ADCC topology

2.1 不對稱二極管鉗位型五電平變換器拓?fù)?/h3>

不對稱半橋功率變換器提供的電壓等級較少，為提高轉(zhuǎn)矩控制的靈活性，提升繞組電流變化率，提出一種不對稱二極管鉗位型五電平功率變換器，如圖5所示.A、B、C、D分別為SRM的四相繞組；U為電源電壓；Un為中點(diǎn)電位電壓；S3～S12為開關(guān)管；D3～D12為二極管；CU、CL為電源兩側(cè)的分壓電容，在不同開關(guān)狀態(tài)下，電容器會(huì)進(jìn)行充電或放電，中點(diǎn)電位也會(huì)發(fā)生變化.由圖5可知，A、C兩相共用S3、S4和D4，B、D兩相共用S9、S10和D10.在DITC系統(tǒng)中，繞組最多導(dǎo)通兩相，因此電動(dòng)機(jī)繞組按順序?qū)〞r(shí)各相可獨(dú)立控制.相比文獻(xiàn)[17]中的功率電路，所提5L-ADCC電路在實(shí)現(xiàn)五電平驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，所需功率器件更少.

圖5 5L-ADCC主電路Fig.5 Main circuit of 5L-ADCC topology

勵(lì)磁電壓狀態(tài)如圖6所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速大負(fù)載下，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，尤其在換相時(shí)電流建立時(shí)間短，因此需對繞組施加較大電壓以利于及時(shí)建立電流、增加出力，如圖6(a)所示，定義電壓狀態(tài)為Sk=+2 (k=A,B,C,D)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速小負(fù)載下或轉(zhuǎn)矩誤差較小時(shí)，在換相期間勵(lì)磁電流上升迅速，為避免電流過大造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，應(yīng)采用較低的勵(lì)磁電壓，如圖6(b)或6(c)所示，定義電壓狀態(tài)為Sk=+1.

圖6 勵(lì)磁電壓狀態(tài)Fig.6 Voltage state of excitation

續(xù)流電壓狀態(tài)如圖7所示，將電壓狀態(tài)定義為Sk=0.可以看出，3種續(xù)流回路都不會(huì)造成中點(diǎn)電位失衡，在實(shí)際控制過程可選擇流過器件較少的回路，如圖7(a)或7(b)所示.

圖7 續(xù)流電壓狀態(tài)Fig.7 Voltage state of continuous current

去磁電壓狀態(tài)如圖8所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速大負(fù)載下，相電流下降緩慢，對繞組施加較大去磁電壓可以避免換相時(shí)當(dāng)前相去磁電流下降緩慢造成的轉(zhuǎn)矩下跌現(xiàn)象，如圖8(c)所示，將電壓狀態(tài)定義為Sk=-2；當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速小負(fù)載下或轉(zhuǎn)矩誤差較小時(shí)，為避免電流下降過快造成的轉(zhuǎn)矩出力不足，需對繞組施加較低的去磁電壓，如圖8(a)或8(b)所示，將電壓狀態(tài)定義為Sk=-1.

圖8 去磁電壓狀態(tài)Fig.8 Voltage state of demagnetization

在開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，功率變換器的成本通常可以用額定伏安值來評價(jià)[18].假設(shè)中點(diǎn)電位平衡，分別對比采用不對稱半橋變換器、文獻(xiàn)[17]所述功率電路、5L-ADCC時(shí)各器件的額定伏安值，如表1所示，其中空白表示不適用.可以看出，文獻(xiàn)[17]所述功率電路的開關(guān)管及二極管雖是不對稱半橋的兩倍，但由于其所承受電壓或額定電流(I)值只有不對稱半橋的一半，所以該功率電路的功率器件成本并沒有增加.所提5L-ADCC電路在文獻(xiàn)[17]所述功率電路基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，令A(yù)、C (或B、D)兩相共用同一橋臂，減少功率器件，總額定伏安值要低于上述兩種功率電路，降低了成本.因此， 5L-ADCC電路在實(shí)現(xiàn)五電平驅(qū)動(dòng)、保證各相獨(dú)立性的同時(shí)降低了器件成本.

表1 額定伏安值對比Tab.1 Comparison of volt-ampere ratings

2.2 導(dǎo)通區(qū)間劃分

圖9 傳統(tǒng)DITC下的電流波形Fig.9 Current waveform in traditional DITC

圖10 相電感曲線與位置角關(guān)系Fig.10 Phase inductance curve versus position angle

2.3 DITC導(dǎo)通規(guī)則設(shè)計(jì)

針對轉(zhuǎn)速工況較大變化時(shí)對電流跟蹤能力的影響，結(jié)合導(dǎo)通區(qū)間，設(shè)計(jì)低速與高速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則，如表2～3所示.其中，括號內(nèi)兩個(gè)量分別表示A、D兩相的電壓狀態(tài)，TH為轉(zhuǎn)矩上限值.

當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢e較小，施加較低等級電壓可確保繞組良好的電流跟蹤能力，故采用三電平驅(qū)動(dòng)控制.如表2所示，轉(zhuǎn)子處于區(qū)間R1時(shí)，由式(7)可知，A相電流線性上升，峰值較大，避免A相過多導(dǎo)通而由電感變化率較高的D相承擔(dān)轉(zhuǎn)矩輸出任務(wù)，可有效削弱電流脈動(dòng)，提高運(yùn)行效率.其中，當(dāng)0≤ΔT

表2 低轉(zhuǎn)速下各區(qū)域?qū)ㄒ?guī)則Tab.2 Conduction rules for regions at a low speed

當(dāng)電動(dòng)機(jī)高速大負(fù)載運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢e變大，繞組電流上升和下降緩慢，若仍采用三電平驅(qū)動(dòng)，當(dāng)前繞組導(dǎo)通相電流無法及時(shí)跟蹤所需值，容易流過負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).5L-ADCC具備多種電壓等級，全壓輸出時(shí)可實(shí)現(xiàn)繞組快速勵(lì)磁和去磁，因此在高速下采用五電平驅(qū)動(dòng)，如表3所示，在提升電流跟蹤能力的同時(shí)提高了轉(zhuǎn)矩控制的靈活性.同樣地，為避免滯環(huán)控制中滯環(huán)限內(nèi)電壓矢量自由響應(yīng)，在滯環(huán)限內(nèi)對繞組施加較低的電壓等級，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)矩誤差, 減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).

表3 高轉(zhuǎn)速下各區(qū)域?qū)ㄒ?guī)則Tab.3 Conduction rules for regions at a high speed

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提控制方法的有效性，在仿真工具M(jìn)ATLAB/Simulink中分別構(gòu)建傳統(tǒng)DITC系統(tǒng)和5L-ADCC拓?fù)湎赂倪M(jìn)DITC系統(tǒng)的仿真模型.系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為100 kHz，電動(dòng)機(jī)額定功率7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值通過有限元建立的轉(zhuǎn)矩特性表插值獲得.傳統(tǒng)DITC系統(tǒng)中，初始開通角設(shè)為31°，關(guān)斷角設(shè)為51°，并根據(jù)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化；改進(jìn)DITC系統(tǒng)中，開通角為30°并保持不變，關(guān)斷角為51°.

圖11～12分別為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為200 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為5 N·m下兩種控制方案的仿真波形圖.仿真結(jié)果表明，在低速下傳統(tǒng)DITC受開通關(guān)斷角影響較大，換相期間會(huì)有較大的電流脈動(dòng).這是由于低速下電流變化率高、電流跟蹤及時(shí)，在換相期間，即將導(dǎo)通相的電流建立速度很快，并且開通角越小，勵(lì)磁時(shí)間越長、電流峰值越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相應(yīng)增大.雖然優(yōu)化開通和關(guān)斷角可以減少相電流勵(lì)磁時(shí)間，降低電流峰值，但傳統(tǒng)DITC在換相時(shí)優(yōu)先導(dǎo)通下一相；而下一相在換相前期輸出轉(zhuǎn)矩能力較弱，為達(dá)到給定轉(zhuǎn)矩值，會(huì)產(chǎn)生較大的電流幅值.改進(jìn)的DITC系統(tǒng)對導(dǎo)通區(qū)間重新劃分，在換相前期繼續(xù)以前一相為主導(dǎo)通相，換相后期才以下一相為主導(dǎo)通相，避免下一相相電流勵(lì)磁時(shí)間過長，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；并且低速下電流變化快，因此只對繞組施加三電平電壓，在滯環(huán)限內(nèi)施加較小的平均電壓，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的變化，避免轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大的現(xiàn)象發(fā)生.

圖11 TL=5 N·m (n=200 r/min)的傳統(tǒng)DITC波形圖Fig.11 Waveform of traditional DITC at 5 N·m (200 r/min)

圖12 TL=5 N·m (n=200 r/min)的改進(jìn)DITC波形圖Fig.12 Waveform of improved DITC at 5 N·m (200 r/min)

圖13～14分別為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為1 500 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為20 N·m兩種控制方案的仿真波形圖.可以看到，傳統(tǒng)DITC系統(tǒng)在換相時(shí)出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且伴有轉(zhuǎn)矩跌落的現(xiàn)象發(fā)生.由于在高速大負(fù)載下，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢變大，導(dǎo)致電流變化率變低，電流跟蹤效果變差，繞組電流勵(lì)磁和去磁比較緩慢，換相時(shí)前一相電流容易延伸至電感下降區(qū)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，并且傳統(tǒng)DITC下剛導(dǎo)通相輸出轉(zhuǎn)矩能力不足，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大的脈動(dòng).改進(jìn)的DITC系統(tǒng)在高速下對繞組施加五電平電壓，提高電流跟蹤能力，有效減少繞組的勵(lì)磁和去磁時(shí)間，防止相電流進(jìn)入負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)，改善轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).

圖13 TL=20 N·m (n=1 500 r/min)的傳統(tǒng)DITC波形圖Fig.13 Waveform of traditional DITC at 20 N·m (1 500 r/min)

圖14 TL=20 N·m (n=1 500 r/min)的改進(jìn)DITC波形圖Fig.14 Waveform of improved DITC at 20 N·m (1 500 r/min)

為比較傳統(tǒng)DITC與5L-ADCC拓?fù)湎碌母倪M(jìn)DITC在不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行性能，分別引入了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)KT、電流脈動(dòng)系數(shù)KI和有效電流值Irms作為評價(jià)SRM運(yùn)行的性能指標(biāo).其中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)可表示為

(8)

式中：Tmax、Tmin、Tav分別為電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)矩最大值、最小值、平均值.KT是反映SRM固有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的重要指標(biāo)，KT越小，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定.

電流脈動(dòng)系數(shù)可表示為

(9)

式中：Imax、Imin、Iav分別為電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下的電流最大值、最小值、平均值.

對比表4～5可知，改進(jìn)的DITC方法不僅在低速小負(fù)載時(shí)有較好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制能力，在高速大負(fù)載下仍能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這是由于高速大負(fù)載時(shí)采用五電平驅(qū)動(dòng)，在轉(zhuǎn)矩誤差偏大時(shí)對繞組施加大電壓，加快繞組電流勵(lì)磁與去磁，能及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩誤差.結(jié)合高速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則，電流跟蹤性能良好，繞組勵(lì)磁和去磁迅速，能避免產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).對比表4～5的KI和Irms可知，所研究的DITC系統(tǒng)的電流脈動(dòng)較傳統(tǒng)DITC更小，尤其在低速小負(fù)載時(shí)電流脈動(dòng)得到有效抑制，降低了電流的峰值和有效值.

表4 傳統(tǒng)DITC在寬速域下的性能指標(biāo)Tab.4 Performance of traditional DITC in a wide speed range

表5 改進(jìn)DITC在寬速域下的性能指標(biāo)Tab.5 Performance of improved DITC in a wide speed range

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提方案的有效性，在8/6極、7.5 kW電動(dòng)機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)包括電動(dòng)機(jī)本體、控制器、變換器、電源模塊、通信模塊、檢測電路等，如圖15所示.電動(dòng)機(jī)額定電壓為280 V，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min.控制開關(guān)頻率為10 kHz，轉(zhuǎn)矩環(huán)采樣頻率設(shè)為20 kHz，采用光電編碼器獲取轉(zhuǎn)子位置，采用磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載，采用轉(zhuǎn)矩儀獲取轉(zhuǎn)矩.圖16為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min、負(fù)載5 N·m時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩波形圖；圖17為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 700 r/min、負(fù)載20 N·m時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩波形圖.

圖15 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 Experimental platform

從圖16可看出，傳統(tǒng)DITC在低速運(yùn)行時(shí)電流脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)矩在換相時(shí)有較大幅值，改進(jìn)DITC對導(dǎo)通區(qū)間重新劃分，避免換相初期的電流尖峰，較好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).隨著轉(zhuǎn)速升高，傳統(tǒng)DITC電流變化變慢.從圖17可看出，傳統(tǒng)DITC的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下跌現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在4.1 N·m左右，改進(jìn)DITC對繞組施加高電平電壓，加速繞組勵(lì)磁和去磁，避免負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在2.7 N·m左右，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低34.1%，即得到抑制.

圖16 n=300 r/min時(shí)不同控制方式的波形Fig.16 Waveforms of different control modes at n=300 r/min

圖17 n=1 700 r/min時(shí)不同控制方式的波形Fig.17 Waveforms of different control modes at n=1 700 r/min

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，所提方案在寬速域范圍下可有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)特性.

5 結(jié)論

(1) 針對開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在換相時(shí)因電流跟蹤效果不佳造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺陷，提出一種五電平拓?fù)涞母倪M(jìn)DITC控制方法，對每相導(dǎo)通區(qū)間重新劃分，根據(jù)轉(zhuǎn)速及負(fù)載工況較大變換時(shí)對電流變化率的影響，提出系統(tǒng)在低速與高速下的DITC導(dǎo)通規(guī)則.

(2) 所采用的5L-ADCC電路可充分發(fā)揮五電平拓?fù)涞膬?yōu)勢，提高電動(dòng)機(jī)控制的靈活性.相比于不對稱半橋功率電路，5L-ADCC電路雖功率器件有所增加，但總額定伏安值有所降低，變換器的成本減少.

(3) 仿真和實(shí)驗(yàn)證明，所提控制策略在較寬速度范圍能夠有效抑制換相區(qū)的轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)，轉(zhuǎn)矩電流比得到提高.