开关磁阻电机驱动系统发展概况（讲座）

1、开关磁阻电机驱动系统发展概况(讲座)讲座(一)开关磁阻电机驱动系统发展概况DevelopmentofSwitchedReluctanceDrive摘要: 本文介绍了开关磁阻电机驱动系统(SwitchedReluctanceDrive,SRD)的发展概况、系统构成以及目前的研究热点。关 键 词: 开关磁阻电机研究热点Abstract:Inthispaper,development,constructionandresearchfocusofSwitchedReluctanceDrivewereintroduced.Keywords: SwitchedReluctanceMotorResearch

2、focus1 发展简介美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵

3、引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。2 SRD系统的特点SR电机系统具有一些很有特色的优点:(1)电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;(2)损耗主要产生在定子，电机易于冷却;转子无永磁体高温退磁现象:可允许有较高的温度;(3)转矩方向与电流方向无关，因而可简

4、化功率变换器，降低系统成本。同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高;(4)起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。(5)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性;(6)在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。能四象限运行，具有较强的再生制动能力;(7)有很好的容错能力，可以缺相运行。 这些优点使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。同时，SRD还具有很大的转矩脉动。目前，转矩脉动和

5、噪声这两个突出问题已经制约了SRD的进一步推广和应用。随着研究的深入，降低SR电机的噪声和减小转矩脉动成了SRD的研究热点。3 SRD系统构成 SRD系统主要由四部分组成:SR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。它们之间的关系如图1所示:图1 开关磁阻电机驱动系统(SRD)框图3.1 SR电机本体 SR电机本体是SRD的执行元件， 如图2所示开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体;定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产

6、生磁阻性质的电磁转矩。若顺序给D-A-B-C-D相绕组通电,则转子便按逆时针方向连续转动起来。当主开关管S1、S2导通时，A相绕组从直流电源V吸收电能;当S1、S2关断时,绕组电流通过续流二级管D1、D2将剩余的能量回馈给电源。图2 典型的4相8/6极SRM横截面图3.2 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。 80年代初，主开关器件皆用SCR。鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成

7、的SRD总体性能有局限。后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。 80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。所以TASC Drives公司的OULTON SRD产品中均用GTO作主开关器件。 近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。其中，最

8、常见的拓扑结构有:不对称半桥式、直流电源分裂式等。3.3 控制器 SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。 伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器(DSP)给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。数字控制器由具有较强的信息处理功

9、能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。3.4 位置、电流检测器 位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案。电流检测器向控制器提供SR电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。4 SRD系统研究热点 针对SRD系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究。4.1 功率变换器拓扑结构设计 由于SRD

10、系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组合而成。SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本

11、并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。因此更理想的功率变换器拓扑结构应该为:(1)能够独立、快速又精确地对SR电机各相相电流进行控制;(2)磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速;(3)驱动同等功率等级的SR电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的SR电机;(4)每相主开关器件数目最少。4.2 多目标优化控制 在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。由于SRD控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只是针对单个系统的

12、优化结果。与传统的电机调速系统相比，SRD系统实现优化控制的难度要高一些。但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益深入，它们在SRD系统中的应用也逐渐增多。如采用传统的PI调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了SR电机的转速和转矩控制。一些现代的控制理论和方法在SR电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与PI控制结合在一起的混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制等。这些现代控制技术的使用部分解决了SRD系统的非线性多变量强耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的提出的模型太过复杂而难以用于SR电机实时控制，而有的为

13、控制目的提出的模型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的价值。但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在SRD系统中得到切实应用。4.3 消除转矩脉动控制SR电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于SRM的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。这点限制了SRD在很多直接驱动领域的应用。提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。目前已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。4.4 低噪声控制 针对SR电机本

14、体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。随着研究的深入和SR电机应用的日益广泛，降低SR电机的噪声成了一个关键的研究课题。4.5 无转子位置检测 位置检测是SR电机同步运行的基础，也是SR电机区别于步进电机的主要方面之一，SR电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，为了得到良好的性能，SR电机的控制器需要知道转子的位置信息。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置

15、检测技术成为SR电机研究的一大热点。参考文献1詹琼华. 开关磁阻电动机M. 武汉:华中理工大学出版社,1992.2王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技M. 机械工业出版社,1995.讲座(二)开关磁阻电机驱动系统的运行原理PrincipleofOperationforSwitchedReluctanceDriveSystem摘要: 本文分别从电路和能量角度简要叙述了开关磁阻电机的电动和发电运行原理。关 键 词: 开关磁阻电机运行原理Abstract:PrincipleofoperationforSwitchedReluctanceDrivesystemwhichrunsasmotorandge

16、neratorrespectivelyareintroducedinbriefbasedontheviewsofcircuitandenergyinthispaper.Keywords: SwitchedReluctanceMotorPrincipleofOperation1 引言 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用

17、工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。2 电动运行原理2.1 转矩产生原理 如图1所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩

18、使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。图1 三相SR电动机剖面图 从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于

19、相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。2.2 电路分析 图2中电源Vcc是一直流电源，3个电感分别表示SRM的三相绕组，IGBT1IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时，电源给第一相励磁，电流的回路(即励磁阶段)是由电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如图2(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流

20、回路(即去磁阶段)是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组，如图2(b)所示。图2 SRM电路工作示意图2.3 能量转换关系 当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRM工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感上升区域内(转子转向“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能一部分转化为磁场储能，一部分转化为机械能输出;当开关管关断时，绕组电流通过二极管和电源续流，存储的磁场储能一部分转化为电能回馈电源，另一部分则转化为机械能输出。2.4 SR电动机的运行特性12 SR电动机运行速度低于fc(第一临界速度)的范围内，为了保证max和i不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或任两个，

21、或三者同时配合控制。当SR电动机在高于fc范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降(如图3中细实线)。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加(一般不能超过半个转子极距)。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速sc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降，如图3所示。图3 SR电动机的运行特性 开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件

22、，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。 运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。 从控制角度看，在上述两个区域采用不同的控制方法，在第一临界转速以下一般采用电流斩波控制方式(CCC方式)，在第一、第二临界转速之间采用角度位置控制

23、方式(APC方式)。3 发电运行原理3.1 开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator)简介 开关磁阻发电机(SRG)的研究始于20世纪80年代末。初期它是被用作飞机上的起动/发电机的，所以，又称为SR起动/发电机456。由于开关磁阻电机在航天飞机中的广阔应用前景，引起了一些国家政府部门和航天企业的高度重视。1990年美国空军(USAF)、Wright实验室、WPAFB联合与通用电气飞机发动机公司(General Electric aircraft Engine)签约，共同资助GE公司开展开关磁阻组合起动/发电机的研究。Lucas航空公司(Lucas Aeros

24、pace)也开展了SR起动/发电机的研究，认为SR起动/发电机可以在飞机发动机熄火的紧急情况下，由风力发动机(Windmilling engine)驱动为众多的机载设备提供更加可靠的应急电源。 我国在SR发电机的领域也开展了相关的研究活动。其中西北工业大学、西安交通大学在国家“九五”预研基金和国家教委博士点基金的资助下进行SR起动/发电机的相关研究，研制了4kW的SR起动/发电机3。南京航天航空大学也开展了SR发电机的研究工作。与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的结构特点:(1) 结构简单其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组及永磁体;(2) 容错能力强无

25、论从物理方面还是从电磁方面来讲，电机定子各相绕组间都是相互独立的，因而在一相甚至两相故障的情况下，仍然能有一定功率的电能输出;(3) 可以作成很高转速的发电装置，从而达到很高的能流密度。3.2 转矩产生原理 如图4所示，与电动运行时不同，绕组在转子转离“极对极”位置(即电感下降区)时通电，产生的磁阻性电磁转矩趋使电机回到“极对极”位置，但原动机驱动转子克服电磁转矩继续逆时针旋转。此时电磁转矩与转子运动方向相反，阻碍转子运动，是阻转转矩性质。图4 三相SR发电机剖面图 当转子转到下一相的“极对极”位置时，控制器根据新的位置信息向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则下一相绕

26、组会在转子转离“极对极”位置通电。这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的阻转转矩，在原动机的拖动下发电。3.3 电路分析 根据法拉第电磁感应定律“运动导体在磁场中会产生电势”，而SRG转子仅由叠片构成，没有任何带磁性的磁体。这就需要在SRG发电前有电源提供给SRG励磁，使其内部产生磁场。所以，SRG的特点是首先要通过定子绕组对电机励磁。这一点和其它发电机有着很明显的区别。SRG的工作原理如下: 图5中电源Vcc是一直流电源，既可以是电池，也可以是直流电机。三个电感分别表示SRG的三相绕组，IGBT1IGBT6为与绕组相连的可控开关元件

27、，6个二极管为对应相的续流二极管。当第一相绕组的开关管导通时(即励磁阶段)，电源给第一相励磁，电流的回路是由电源正极上开关管绕组下开关管电源负极，如图5(a)所示。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，电流的续流回路(即发电阶段)是绕组上续流二极管电源下续流二极管绕组，如图5(b)所示。3.4 能量转换关系 当忽略铁耗和各种附加损耗时，SRG工作时的能量转换过程为:通电相绕组的电感处在电感下降区域内(转子转离“极对极”位置)，当开关管导通时，输入的净电能转化为磁场储能，同时原动机拖动转子克服SRG产生的与旋转方向相反的转矩对SRG做功使机械能也转化为磁场储能;当

28、开关管关断时，SRG绕组电流续流，磁场储能转化为电能回馈电源，并且机械能也转化为电能给电源充电。图5 SRG电路工作示意图3.5 SR发电机的运行特性 SR发电机的运行特性与SR电动机的运行特性类似，只不过将曲线沿速度轴翻转到转矩为负的第四象限，在此不再赘述。4 结束语 虽然SRD系统的发展历程仅仅二十余年，但它取得了令人瞩目的成绩。其产品已在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从10W到5MW的宽广范围。它已成为现代调速系统中一支不可忽视的竞争力量。作为一种结构简单、鲁棒性能好、价格便宜的新型调速系统，开关磁阻电机及其调

29、速系统引起各国电气传动界的广泛关注和浓厚兴趣，在世界范围内，正在形成理论研究和实际应用齐头并进的发展趋势。参考文献1 詹琼华. 开关磁阻电动机M. 武汉:华中理工大学出版社,1992.2 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术M. 北京:机械工业出版社，19953 刘 闯,朱学忠,刘迪吉,立 磊. 基于微机控制的开关磁阻发电机研究J. 电力电子技术,1999,5:7-9.4 Radun A V High power density switched reluctance motor drive for aerospace applicationJ.IEEE Trans on IA ,1992,

30、28(1):113119.5 Ferreira C A,Stephen R J,Barry T D et al . Design and implementation of a five-hp,switched reluctance,fuel-lube,pump,motor drive for a gas turbine engineJ.IEEE Trans on PE.1995,10(1):55-61.6 Arthur V. Radun,Caio A. Ferreira,Eike Richter.Two-Channel Switched Reluctance Starter/Generato

31、r ResultsJ. IEEE Trans on IA,1998,34(5):1026-1034.讲座(三)开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构TopologiesofSwitchedReluctanceDrivePowerConvertersMainCircuitry摘要: 本文对现有的开关磁阻电机功率变换器主电路进行了简单的分类，介绍了各类功率变换器的拓扑结构，并对所有的拓扑结构进行了比较，对选择SRD功率变换器有很强的指导意义。关 键 词: 开关磁阻电机SRD功率变换器拓扑Abstract:Thispapermakesabriefclassificationofswitchedrelu

32、ctancedrivepowerconverterwhichhasbeendeveloped,presentsdifferentkindsofpowerconvertertopologiesandcomparesthemwitheachother.ItisofgreatmeanforselectingSRDpowerconverter.Keywords: SwitchedreluctancedriveSRDPowerconverterTopologies1 引言 开关磁阻电机驱动系统是八十年代出现的一种机电一体化装置，它由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器组成1。开关磁阻电机结构简单

33、、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速，同时随着电力电子器件、MCU和DSP的快速发展，功率变换器和控制器也得到了发展，使得SRD成为了一种很有前景的驱动系统。 SRD系统是典型的机电一体化系统，其功率变换器与控制器更是不可分离。在整个系统中，功率变换器中成本的比重很大，而且SRM由直流电压供电，绕组电流为单极性，电流波形受系统运行条件及电机设计参数的制约，很难准确预料，这些都使得功率变换器的设计以及开关器件的选择极为重要而又复杂。 本文先对现有的功率变换器进行简单的分类，然后分别介绍了各类功率变换器中的各种拓扑结构，最后对所有的拓扑结构进行了比较。2 功率变换器的分类及设计要求 现有

34、文献的开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构有很多种，这些结构的区别在于去磁方式(即每个导通区间储存在每相绕组的能量是如何恢复的)的差异。据此，现有的功率变换器拓扑结构可以分成以下三类:半桥型、额外换相电路型、自换相电路型，如图1所示。图1 开关磁阻电机功率变换器分类 开关磁阻电机的转矩与电流的方向无关1，对于给其供电的功率变换器仅需提供单极性的电流即可，因此，每相工作仅需一个开关器件，和同相数其他调速系统相比，逆变器所需总开关器件少，同时开关磁阻电机的绕组与开关器件串联，不会出现直接短路故障，可靠性好。一般说来，理想的SRM功率变换器应满足如下要求23:最少数量的开关器件;既适用于偶数相的SR

35、电机，亦适用于奇数相的SR电机;可将全部电源电压加给电机的绕组;主开关器件的电压额定值与电机接近;具备迅速增加相绕组电流的能力;可通过主开关器件调制，有效地控制相电流;在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。3 各类功率变换器主电路拓扑 半桥型功率变换器控制方式灵活，有很多种改进形式，但总的来说需要元件数量较多，成本较高。 开关磁阻电机的功率变换器中，最灵活、应用最广泛的就是图2(a)所示的不对称桥式变换器3。每一相需要两个开关管T1、T2和两个二极管Dl、D2。当T1、T2同时闭合时，相绕组ph1充电;T1、T2同时打开后，ph1通过Dl、D2续流回馈能量。正是由于能量可以回馈，因此这种变

36、换器效率很高。而且如果出现两相同时工作的情况，由于是各相独立的结构，因而互不影响。但是所需元件数量多，因此成本较高，主要应用在高电压大功率而且相数较少的场合。 为了保持不对称桥式变换器的优良性能，又尽量减少元件，进而出现了不少改进的拓扑结构。如图2(b)中，两相除了每相开关T1、T2，还公用了开关T3、T4，减少了开关个数，但是在每相回路中存在三个开关管，这样增加了损耗，也降低了电压利用率4。图2(c)中改进了这一问题5，如ph1相导通时，充电回路中仅含T1、T2两个开关管;而续流时，回路通过Dl、D3两个二极管，两相共用器件T1、D3。图2 半桥型功率变换器3.2 额外换相电路型(1) 电容

37、储能型 在此模式下，当主开关打开时，储存在绕组中的能量暂时储存到电容里，然后回馈给直流电源或是在下一相开通时给其供电。这样使得开通和关断时间都缩短，于是降低了开关损耗、提高效率，这尤其是在高速运行的时候表现明显。图3(a)为分裂式直流电源功率变换器，当开关T1开通时，电容C1给ph1供电，T1关断时，ph1通过续流二极管给电容C2充电，将绕组能量转换为电容储能。图3 电容储能型变换器(I) 图3(b)是在不对称半桥的基础上加了电容Cb1，让Cb1储能，这样可以提高下一相开通时电流上升的速度。图3(c)是图3(b)的的改进，Cb2比Cb1上的电压要低得多，因此可以选择较廉价的电容。图3(d)中，

38、有ph1、ph2两相。以ph1相为例说明，当T1打开后，ph1通过D3给C2充电，实现能量储存，当下一相ph2通电时，闭合T2和Ta2，这时两个回路同时给ph2充电，加速了开通速度。图4 电容储能型变换器() 图4(a)、(b)中所示为所谓的c-dump转换器6。它是利用一个串联(图4(a)或并联的电容(图4(b)，通过一个由Cb、Ta、Da和La组成的Buck(降压)DC-DC变换器，将能量回馈到直流母线上。Cb为附加储能电容，这种变换器有些文献中也将其称为含有DCDC电路的变换器。用这样的方式来将能量从附加电容Cb传到下一个绕组中，可以保证电容不论放电或是过充电，关闭电压可以得到精确控制。

39、不足之处在于元件数量增多，控制难度较大，而且器件的设计要求达到DC-DC变换器的高频(几十kHz以上)，而仅在电机绕组开通或关断时工作，造成一定的浪费。 (2) 电感储能型 如图5所示，电感储能式的变换器在一相中有两个绕组ph1a、ph1b相互耦合，辅助绕组ph1b的作用是将储存在磁芯中的能量回馈到直流侧中，每相仅需要一个开关器件，但辅助绕组不可能做到完全交链，因此需要额外缓冲电路，而且制作电机比较复杂(需要特制绕组)，辅助绕组的加入也加大了绕线体积，降低了单位体积铜的效用。图5 电感存储型变换器图6 耗能型功率变换器 (3) 能量消耗型 对储存在绕组中的剩余能量不是回馈，而是将其消耗掉。这样

40、做的好处是减少了元件数量，使得结构和控制都变得简单。但是这样降低了效率，而且耗能电阻的发热要注意处理。此方法多应用在对效率要求不高而又强调成本低廉的小功率场合。图6(a)应用一个简单的电阻R来吸收ph中的剩余能量，图6(b)则将ph中的能量消耗在稳压管Dl上7。容易计算出消耗能量所需要的时间，如果需要电流快速减少，则电阻发热会比较集中，散热处理比较困难。3.3 自换相电路型 应用谐振的原理，从而实现自动换相的功能。这样实际上也实现了软开关的功能，而且对谐振变换器应用的研究也方兴未艾，这种形式的变换器很有前途。图7 自换相电路型功率变换器 图7(a)中所示电路与前面的有所不同的是它实际上应用的电

41、源是一个等效的电流源，这使得换相时两相电流之和恒定为Io。换相的过程可分为两个阶段，以其中一次换相为例说明:开关T1打开、T2闭合的瞬间，ph1中电流不变(Io);随后，ph1中电流逐步减少，直到ph2中电流达到Io，换相结束。C1、C2和C3组成一个三角形电容网络，与相绕组组成谐振电路。 图7(b)是“H”桥电路3，该电路比四相电容分压时变换器少两只串联的分压电容，换相时时剩余的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位有较大浮动。另外，该电路要求每一瞬间必须有上、下各一相导通。 图7(c)中所示电路能量回馈经过多次谐振8。T1断开后，ph1给Cb谐振充电，之后Ta合

42、上，与Lb谐振，Dr2阻止反充电，Lb最终通过Drl将能量返回电源Vs。4 各类功率变换器的比较 附表是各类功率变换器的比较表，其中m为相数，Vs为直流母线电压，Vt为开关管导通压降。表中对三种类型的功率变换器下的各种功率拓扑结构所需要的开关器件的数目、二极管的数目、适用相数、电源电压利用率、是否有能量回馈、能否迅速增加开通电流做了比较。5 结束语 开关磁阻电机驱动系统功率变换器主电路有很多种拓扑结构，每一种拓扑都有优缺点，也就注定了每一种拓扑有其适用的范围，在拓扑的选择原则上要综合考虑，以发挥其最大效用。 近年来，电力电子器件有了长足的发展，这也为我们的选择提供了很大的余地，我们应该根据各种

43、开关器件的性能以及主电路拓扑的机构选择即经济又适用的器件。参考文献1 詹琼华. 开关磁阻电动机M. 武汉:华中理工大学出版社,1992.2 张全柱,郝荣泰,邓新华. 开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析J. 电气传动自动化, 1995,17(4):50-54.3 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术M. 北京:机械工业出版社,1995.4 A .Ometto，A Julian，and T.A. A novel low cost variable reluctance motor driveJ. Int. Conf. Electric Machines Rec,vol. l ,pp 77

44、-79,1994.5 C. Pollock and B. W. Willianms .Power converter circuits for switched reluctance motor with the minimum number of switchesJ. Proc. Inst. Elect. Eng. Vol. 137,no.6,pp373-384,19906 Hava A. M., Blasko V., Lipo T.A. A modified C-dump converter for variable reluctance machinesJ. Industry Appli

45、cations，IEEE Transaction ，Volume:28, Issue:5，Sep/Oct 1992 pp:1017-1022.7 Hoang Le-Huy , Phlippe Viarouge，Bruno Francoeur. Unipolar converters for switched reluctance motorJ. IEEE ,1989.8 cheng J,Yoshida M,Marai Y. Analysis and application of a part resonant circuit for switched reluctance motorJ. Th

46、e 25th Annual Conference of the IEEE,Volume:3, pp:1115-1120,1999.讲座(四)开关磁阻电机驱动系统的控制策略综述OverviewsofControlStrategiesforSwitchedReluctanceMotor摘要: 本文回顾了开关磁阻电机驱动系统发展过程中出现的各种控制策略，分析和介绍各控制策略的优缺点，展望了SRM控制策略的发展趋势。关 键 词: 开关磁阻电机控制模式控制策略Abstract:Inthispaper,wereviewallkindsofcontrolstrategiesforSRM,analyzethe

47、irsmeritsandflaws,andgivethefuturetrendsinthecontrolschemesofSRM.Keywords: SwitchedreluctancemotorControlmodesControlstrategies1 引言 开关磁阻电动机驱动系统(Switched Reluctance Drives，简称SRD)以其结构简单、工作可靠、转矩惯量比大、效率高和成本较低等优点脱颖而出，被认为是未来有很强竞争力的一种变速驱动系统。但是因为电动机采用的是双凸极结构，高度饱和，故开关磁阻电动机驱动系统本身是一个时变、非线性系统。磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性

48、函数，传统的线性控制方法难以满足动态较快的SRM非线性、变参数要求，因此，与一般电机相比，开关磁阻电动机转矩脉动比较明显，由此引起电机噪声及转速波动，这限制了它的应用。 SRD包括了开关磁阻电机(SRM)、功率变换器、控制器和位置检测器。它性能的改善不能一味地依靠优化SRM与功率变换器设计，还必须借助先进控制策略的手段。从20世纪80年代SRM问世至今，在SRM控制方面已涌现出大量先进的控制思想，并取得了有益的成果。本文结合SRM的控制模式，综述比较SRM的各种控制，分析和介绍了各控制策略的优缺点，展望了SRM控制策略的发展趋势。2 SRM的控制模式由SRM的准线性模型分析得到平均电磁转矩解析

49、式:式中， 电机的结构参数:m为电机相数，Nr为转子极数, 2为最小电感开始随位置角变化的起始角，Lmax为最大电感，Lmin为最小电感; 控制参数:Us为外加绕组相电压, off为关断角, on为开通角，r为转速。 当给定电动机，电机的结构参数是一定的。若要改变电机转矩大小，只有改变SRM的控制参数:定子绕组电压Us、开通角on与关断角off。SRM的控制就是如何合理改变这三个控制参数以达到运行要求。根据改变控制参数的不同方式，SRM有3种控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，简称APC)、电流斩波控制 (Current Chopping Control

50、，简称CCC)与电压控制(Voltage Control，简称VC)。其中，APC是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转矩大小，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能。CCC一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，CCC实际上是调节电压的有效值，与APC类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角;VC是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压来控制电机转速，它分直流侧PWM斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电

51、压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。3 SRM的控制策略 在SRD发展初期，SRM及其功率变换器所具有的简单、经济、可靠的优点，使得SRD一度风靡欧洲，传动界都试图将其迅速商品化。但当时SRD的研究尚处于开创阶段，它的结构理论、运行理论、设计方法等都不成熟，大多数研究集中于SRM与功率变换器的分析、设计。而控制策略主要以线性模型为基础，结合传统PI或PID控制器，简单地运用上述3种控制模式图如图1所示，采用前馈转矩(或电流)控制、反馈转速控制。由此构建的SRD系统难以获得理想的输出特性，不但转矩脉动大、噪声大，而且系统鲁棒性差，其动、静态性能无法与直流传动相媲

52、美，这严重地阻碍了SRD的商品化进程。其原因主要为:SRM为高度非线性系统，具有双凸极集中绕组的几何结构，为输出最大转矩而常常运行于饱和状态，磁阻转矩是定子电流与转子位置的非线性函数，传统的线性控制方法难以满足动态较快的SRM非线性、变参数要求。为改善系统性能,国内外学者对SRM的控制策略进行了深入细致的研究。图1 SRM传统控制原理图3.1 线性化控制 考虑到SRM为耦合非线性多变量系统，MarijaIlic-Spong4首次将非线性控制的微分几何方法应用于SRM，对SRM实现了非线性状态反馈线性化控制，很好地补偿了SRM的非线性特性，解耦了定子相电流在磁阻转矩产生中的影响，在机器人的轨迹跟

53、踪中SRM作为直接传动执行元件取得了优良性能，系统结构如图2所示。但是这种控制策略的缺陷是，系统的实现需要知道电机的所有参数，而且需要全状态(转子位置、转速、加速度、定子电流)可测。文献5采用单相参考转矩为梯形的转矩分配函数，使换相期间的原导通相转矩线性减小，新导通相转矩线性增大，并应用非线性转矩控制补偿反电势与电感的非线性特性，从而使原非线性系统线性化，改善了系统性能，减小了转矩脉动。文献4、5都表明，基于线性控制律的反馈线性化控制器比PID控制器能提供更好的动、静态性能，但是单纯基于线性控制律的反馈线性化控制器，不足以处理SRM模型中的不确定性，在实现时系统性能很难保证。图2 SRM非线性

54、反馈线性化控制的轨迹跟踪系统 为了增强系统的鲁棒性，针对SRM速度跟踪应用，考虑到模型具有不确定性，基于Lyapunov第二方法设计了鲁棒的反馈线性化控制器，通过考虑系统模型的不确定性，虽使SRD系统的暂态、稳态性能及鲁棒性有所改善，但是转矩脉动仍然较大，而且在额定负载下存在7%的速度误差。TaylorD.G.6等人则将反馈线性化技术和奇异摄动技术应用于SRM的控制，通过减小转矩脉动实现了SRD的高动态性能，但是这种方法使用的是SRM的降阶模型，而且它要求知道转矩位置电流特性的先验知识，要求复杂的线性化和解耦变换电路。L.BenAmor基于SRM电动态及机械动态的全阶参数化非线性模型，将非线性

55、自适应反馈线性化控制应用于3相SRM7这种方法减小了系统建模误差的影响，使用参数的在线估计避免了预先测试，在位置控制的应用中显示了系统的高性能，即转矩脉动大大减小，具有强的抑制干扰能力，而且无需测量电机的加速度，无需先验知识，实现容易。但是，它使用的模型忽略了磁饱和效应，这虽然简化了磁链、电感与相电流间的关系，可同时又带来了不小的误差。3.2 滑模变结构控制 滑模变结构控制是对不定性非线性动力学系统进行控制的一种方法。系统中的控制器是由若干个参数或结构不同的子控制器组成的。该系统在工作过程中，预先为控制系统在状态空间中设计一个特殊的超平面，利用不连续的控制规则，使系统在一定的条件下沿规定的状态轨迹做小幅、高频率的上下运动，迫使系统的状态沿着这个规定的超平面向平衡点滑动，最后渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许的邻域内，即滑动模态运动。滑模变结构控制对系统的参数变化和不确定性扰动有较强的鲁棒性，并具有降阶解耦、响应速度快、动态性能好和易于实现的优点。但是这种系统的缺点就是高频颤动(chatter)，这是由于各种非理想情况的存在，如开关延迟，数字实现时的采样延迟等产生的。这种高频颤动现象增加了SRM转矩波动。 1993年,G.S.Buja首次将变结