开关磁阻电动机高速运行转矩控制

1、开关磁阻电动机高速运行转矩控制相比燃油汽车，电动汽车在行驶的最高速度方面相对较低， 要提高电动汽车的行驶速度， 就需要牵引电动机具备在高速期间 的较大转矩及功率输出保障能力。在电动汽车牵引电动机领域， 大多采用永磁同步电动机或者异步电动机牵引， 尤其永磁同步电 动机， 以其高功率密度而受到广泛采用， 但该电动机高速运行时 往往需要弱磁升速而降低了其牵引性能。而SRM以其优秀的启动 性能、低速大转矩、 宽调速范围、 坚固的结构和相对更低的成本， 在交通工具领域越来越受到关注。但是按照传统的低速电流斩 波、中高速角度位置控制的调速控制模式， 其在高速期间依然表 现为类似交流电机弱磁调速的机械特性，

2、 即速度上升后转矩能力 下降非常明显 1-7 。本文就针对高速运行期间转矩的可控制问 题展开讨论，给出了一种SRM定子绕组连续导通模式下的转矩控 制方法，使高速期间牵引电动机的转矩能保持在一个相对较高的 值上，从而确保提高电动汽车最高行驶速度， 无需改变功率变换 器等结构设计，也无需调节供电直流电源电压。文中以 1.5 kW 的SRM为例，进行了相应的仿真分析和试验验证。1 SRM 数学模型及控制特点1.1 数学模型由于SRM定转子是双凸极结构，电动机在运行时其定转子极 存在着显著的边缘效应和高度局部饱和而引起整个磁路的高度非线性，绕组电感既是转子位置的函数，又是绕组电流的函数， 而SRM调速

3、控制系统的电磁转矩又与电感直接相关。电感线性模型中定子绕组电感与转子位置角的关系如图 1 所示。在定子极中心线与转子槽中心线对齐位置 （即坐标原点） 气 隙大，此时电感为最小值 Lmi n,在定子极中心线与转子极中心 线对齐位置气隙小，电感为最大值 Lmax t r表示极距，即转子 相邻两极之间的机械角度。由电路基本定律可列出各相绕组回路的电压平衡方程式， 电 动机第 k 相的电压平衡方程式为。式中，Uk为第k相绕组相电压，V；Rk为第k相绕组内阻Q ； ik为第k相绕组相电流，A；为第k相磁链，Wb Lk为第k相绕 组自感，h； e为定转子之间位置角度（如图1所示），（°）。式（

4、1 ）表明，电源电压与三部分电压降相平衡。其中，等 式右端第1项为K相回路中电阻的压降；第2项是由电流变化引 起磁链变化而感应的电动势， 称为变压器电动势； 第 3 项是由转 子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势， 称为运动电动 势。在保持供电电压不变的前提下， 在电感的最低平行区域、 上 升区域、最高平行区域，会有不同的电流特性，其中的运动电动 势仅仅在电感的上升区域存在， 在电感的最低平行区域， 电感值 最小，此时若保持式（ 1）平衡，则电流会上升很快。1.2 运行特性与控制方式如图 2 所示，电动机在电源电压作用和允许的最大磁链与最 大电流条件下，有一个临界转速 nl,它是电动机能

5、得到最大转 矩的最高转速。 在这个转速以下电动机呈现恒转矩特性， 在此转 速以上且n2以下则呈现恒功率特性，当电动机在超过n2运行时， 由于可控条件已达极限， 电动机呈现“串励特性”的软机械特性 特点。在一般的工业应用领域， 基本上电动机的规定最高转速控 制在 n2 以下。在前两个区域中，恒转矩区采用电流斩波控制（CCC、恒功率区采用角度位置控制（APC，这基本为业界公知。但是， 针对电力牵引交通工具的应用， 往往需要更大的速度范围， 也就 是说，需要如图 2 所示的自然特性区的调速控制方式， 而自然特 性区的运行特性不适合于交通工具牵引的更高速度的新要求， 因 为交通工具高速运行期间， 速度

6、越高所需的转矩及功率输出能力 不能达到所需值的话，它就不能达到所需的运行速度值。因此， 需要采用一定的控制措施以保障电动机的输出转矩增大到一定 值，不至于像自然的“串励特性”那样转矩遇高速就快速下降， 或者根本不能升速到 n2 以上8-9 。2 基于相绕组间电流连续导通模式的高速运 行转矩控制 传统的控制方式下， 各相绕组电流波形如图 3 所示， 电动机 各相绕组之间的电流波形没有交集， 相电流从 0 起始，然后降为 0，之后下一相绕组的电流再从 0开始。在每一相具备的 180° 可赋予正拖动转矩的电角度范围内，实际电流的导通角是小于 180°的。当电动机速度上升时，功率变

7、换器换流频率增高，周 期变短，磁链降低，反电动势增加，进而相电压饱和相电流被限 制增加，输出转矩与功率不升反降。连续导通模式恰恰相反。 也就是说， 在前一相绕组电流还未 降到 0 时，后一相绕组电流已经开始建立， 供电电源侧的电流始 终不会降到 0，始终连续，总导通角明显大于 180°，此时每相 绕组的开通角都要提前， 在如图 1 所示电感最小的区域开通， 电 流会迅速建立起一个比较大的期望值， 每相磁链也增大， 进而增 强了转矩和功率的输出能力。 不过， 如何精确地得到所需的输出 值，是需要解决的问题 10-12 。 图 4 所示为本文提出的 连续导通模式的算法原理图， 相比断续导

8、通模式， 增加了换相控 制器和相电流调节器，以及利用一定算法生成的查询表。速度控制器采用分离 PI 调节，输出期望转矩，其中的查询 表，是根据实时速度信号、期望转矩信号，基于线性插值法，利 用仿真软件离线计算出各种情况下 （不同速度、 不同给定有效相 电流最大转矩等）的导通角 6 p、开通角书、有效相电流参考值 等。然后经由换相控制器输出各相期望电流驱动信号， 其中的导 通角6 p,考虑到绕组温升、开关损耗等对电流乃至转矩的影响， 需要根据实际电流检测值比较并生成新的导通角， 过程中使用经 典 PI 电流调节器补偿这些影响，同时该电流内环也提供给系统 电流保护之用。 经过修正后的作为导通角度值

9、输入， 能有效提高系统的准确性和稳定性。3 仿真分析电动机基本参数为：定子绕组为四相，定 / 转子极数 8/6， 定/转子极弧20°,额定功率1.5 kW，额定电压24 VDC，额定 转速 1 500 r/min ；速度控制器的分离 PI 调节基本参数： Kp=0.139 , Ki=0.690，速度调整周期1 ms；电流调节器的经典 PI调节基本参数：Kp=0.11，Ki=10 ;电动机仿真时选定的给定 速度值为2 500 r/min ；各部采样周期为50卩s。该仿真在0.4 s时启动连续导通控制模式。图 5 (a)显示 了速度的反应， 速度控制器消除了负载的干扰并趋近于给定的速 度

10、值。图5 ( b)显示了断续导通模式直接转矩控制方式下的最 大转矩，以及连续导通模式下的期望转矩。图5 (c)为开通角书的变化情况，这个值首先经由查询表给出，并且根据运行点 在线调整变化，为了适应连续导通模式，该角度提前。图 5(d) 为导通角的变化， 修正前后的导通角， 两个角度之间的差别源于 仿真期间没有模拟电磁损耗， 事实上在优化导通角时应该用软件 离线计算出考虑了温升能升高电阻值、 开关损耗、铁损耗的情况， 否则如图所示得出的导通角必然偏小。图5 (e)和(f)也明显看出输出转矩和输出电流得到了提高。4 试验研究试验系统的参量与仿真时相同，硬件上以TMS320F2833S作为DSP空制

11、器的主控，磁滞测功机做负载，光电传感器检测转子 位置与速度， 霍尔电流传感器检测相绕组电流， 转矩仪测量电动 机负载转矩值，负载略超过额定。测功机自带速度检测器，电机 启动完成后， 通过判断测功机与电机共同速度值的变化自动调整 测功机所给的负载转矩。 速度上升时测功机输出转矩也上升， 速 度下降时测功机输出转矩也下降， 速度稳定时测功机的输出也稳 定。试验结果如图 6 所示。试验结果与仿真结果相比， 除了试验结果必然包含了一些噪 声之外，基本类似，但有两处略有较大差别：第一，图6(c)中，在 0.7 s 时，开通角达 - 80°，仿真结果则没有，这是由于 在转入连续导通模式后的第 2

12、 个相导通周期时对于速度有上升 的需求，如图5 (a)和图6 (a)所示。这种结果也造成了速度 值在随后会有一定的超调，而仿真波形就没有。第二，涉及图 5(d)和图6 (d)的巨大差别，这是由于在试验(实际)中，一 是为了克服温度的升高导致增加的铜损、 铁损和实际中的开关管 开关损耗等，二是查询表的不精确性。因此，需要在线实时控制 有效相电流值与期望值相等。连续导通模式能在高速期间提供较大的转矩和一定的过载 功率， 而电源电压不变， 通过限流措施也可控制电流在一定范围 内(本文实例为 70 A )。相比同步或异步电动机要想达到此工 况，则一般需要升高供电电压值。图 7 所示为连续与断续两种导通

13、控制模式下的电动机输出 转矩与功率对比。若在 1 500 r/min 时转入连续导通控制模式， 其转矩随着转速的提高下降幅度明显减缓，而对应的输出功率， 则呈现出一定的止跌回升。虽然输出功率已明显超出其额定指 标，但因其电压、电流都在可控的限定值内，对电动机及其功率 变换器并不会产生影响，反倒是提升了该电动机的力能指标。试验中选取一定数量的速度点， 每个速度点分别测试读取直 流供电电源电压、电流，以及电动机的稳定输出转矩值。这样可 得到各速度点的转矩、输入和输出功率、效率值等。但是，由于速度超过一定值后，速度越高，功率变换器开关 频率越高，开关损耗越大。 同时因电动机各相绕组换相频率提高， 铁损增加， 以及铜损、 风摩损耗等都随着速度过高而或多或少地 增加，致使其在高速下的效率指标并不理想（图8）。相对传统的断续导通模式， 效率值略有下降， 这也是该控制方法下的一大 缺点。但是，考虑到在交通工具领域，其高速运行时的时段和机 会并不多，可以说实际中总的效率下降并不会明显。 尤其在中国， 公路最高限速仅 120 km/h ，另外诸如城市轻轨、地下铁道等站 点多，启动 / 制动时间长，高速运行时间短，所以本文所述连续 导通转矩控制方法还是非常具有实际意义的。5 结论本