开关磁阻电动机控制方法研究＊

荆建立，吕 明

（蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）的定、转子采用双凸极结构，由硅钢片叠压而成，与传统电机不同之处是转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，因此其结构简单、坚固，制造成本低，运行时可靠性高、维护量小，效率高，另外还具有调速范围宽、起动电流小、起动转矩大的特性，由其构成的传动系统（Switched Reluctance Drives，简称SRD）具有交、直流传动系统所没有的优点。

SRD融SRM、功率变换器、控制器与位置检测器为一体，其性能的改善不能仅依靠优化SRM与功率变换器设计，而必须借助控制方法。SR电动机的控制方法是根据运行条件的不同，在不同的转子位置下通断各相绕阻的开关器件。开关磁阻电动机可控参数多，这样提高了电动机控制的灵活性，但也增加了电动机运行控制的复杂性，电机本身固有的双凸极结构和供电电流的非正弦性，使得电机转矩脉动较大，高度非线性的磁化特性、相间互感以及电阻参数的变化将更增加了电机控制的复杂性［1］，因此对开关磁阻电动机的控制成为研究热点。从20世纪80年代SRM问世至今，在SRM控制方面已涌现出大量控制方法，其中典型的控制方法有四种：角度位置控制、电流斩波控制、电压斩波控制和直接转矩控制。

2 角度位置控制

角度位置控制是外施电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转速。SR电动机在基速至第二临界转速的高速区域运行时常采用此种方式，此时旋转电动势较大，且各相主开关器件导通时间较短，电流较小，通过控制开通角和关断角来对电流波形进行间接控制。

电流波形位于电感波形的上升段时产生正的转矩，位于电感波形的下降段时产生负的转矩。开通角对控制电流大小的作用十分明显，直接影响电流波形起始段的上升率及电流峰值。电流波形起始段的上升率及电流峰值对系统运行性能有相当大的影响，电流上升快和峰值大可以提高电动机的出力，效率也可以高一些，关断角可以改变电流波形宽度，与开通角相比影响较弱，故一般采用固定关断角，改变开通角的控制方式［2］。

由于开通角和关断角对电流影响甚大，电流的大小直接影响着转矩的大小，同时可以多相通电，以增加电机的输出转矩，因此角度位置控制转矩调节的范围很大。通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效率，可实现效率最优控制或转矩最优控制，电动机在角度位置控制下运行效率高。角度位置控制的缺点是不太适用于低速。因为转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须进行限流，角度位置控制在开通期间内开关元件始终是导通的，相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。因此，这种方法比较适合在短时间里快速达到期望电流的场合，如转速较高的场合［3］。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［4］。

3 电流斩波控制

电机的相电压、开通角和关断角保持不变，通过主开关器件的多次导通和关断将电流限制在给定的上下限之间，并藉此控制转矩和转速，此种控制方法称为电流斩波控制。

在SR电动机起动、低、中速运行时，旋转电动势小，电流上升快，为避免电流超过功率器件和电机的允许值，通常会采用电流斩波控制。在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压方向相同，电流比低速运行时增长更快，也采用电流斩波控制。当斩波周期较小时，电流波形呈较宽的平顶波，故产生的转矩也比较平稳，合成转矩脉动较小，因此较适用于转矩调节系统。

该控制方法在负载扰动下动态响应慢，因为电流峰值被限，转矩也相应被限，无法自动适应扰动导致的转速突变，系统特性软。在电流斩波控制方法下，电流波形是锯齿波形，并随着速度的降低，功率开关器件的开关频率增大，转矩脉动也变大，带来的振动和噪声也将加剧。

4 电压斩波控制

功率开关按PWM方式工作，改变占空比，则绕组电压的平均值将会变化，进而间接改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制，又称调压调速。与电流斩波控制方法类似，提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大，成本有所增加。

电压斩波控制既能用于高速区，又能用于低速区，采用这种方法避免了调速方法切换可能带来的一些问题；占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节占空比就可以控制相电流的大小，因此在这种控制方法中相电流的变化率和大小都是可控的，并呈现较好的线性关系，电压斩波控制方法简单，电路实现容易，因此这种方法在开关磁阻电动机控制器产品中得到广泛应用。

电压斩波控制适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，低速运行时转矩脉动较大［5］。在某一速度下运行的开关磁阻电动机产生相同的转矩，开通角和占空比可以有多种不同的组合，因而对应不同大小的电流有效值，因此开通角固定调占空比的方法无法做到整个运行速域内损耗最小、效率最优。

5 直接转矩控制

角度位置控制、电流斩波控制和电压斩波控制只是根据速度控制开通角、关断角、电流幅值和电压实际利用值，藉此控制相电流而间接控制转矩，而没有直接对转矩进行控制，也未考虑SRM内部磁场的非线性，因此很难精确控制电机转矩。

直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）在交流电机驱动系统中是一种较完善的控制理论，事实证明它能很容易地控制电机的转矩和转速，并能减小转矩脉动，其实质是基于转矩和定子磁链给定值与实际值的误差和定子磁链的位置，通过选取合适的电压空间矢量，在滞环控制器的滞环范围内，直接控制变换器的开关状态以减少电机转矩和磁链的误差。DTC系统结构简单，可获得高的动、静态性能，具有很好的鲁棒性［6］。

针对开关磁阻电机转矩脉动的问题，同时借鉴于交流电机的DTC，有学者提出了SRM的DTC思想，类似地，SRM的DTC是通过控制磁链的大小和旋转速度来实现，尽管其理论依据是电机的非线性数学模型，但在实际控制中不需要非线性电机模型，控制效果也不取决于电机数学模型的精确性［7］。同时，考虑到SRM的转矩脉动本身特别大，而DTC能够把转矩脉动控制在一定的容差内，从这个角度出发，DTC对减少SRM的转矩脉动是有效的。SRM的DTC能够有效地控制转矩脉动，控制简单，易实现，不需改变现有的电机结构、绕组形式和功率变换器，具有较大的应用价值。

SRM的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的，在磁路饱和状态下，转矩的近似值可以表达为［7］：

式中：θ为转子位置角，i为绕组电流。

SRM的一相电路方程为：

由式（2）可知

由此可知电流与磁链有一个一阶延迟环节，这样在对转矩控制时就可以仅仅控制磁链加速或减速而不考虑电流的变化。同时由式（1）可知，转矩与电流和磁链有关，因此，完全可以通过控制磁链来控制SR电机的转矩。由于开关磁阻电机通常使用单极性驱动，故各相电流都是正的，因此式（1）中转矩的正负是定的。即要产生正的转矩，定子磁链幅值必须随转子位置变化而加速，要产生负的转矩，定子磁链幅值要随转子位置变化减速。

直接转矩控制的实质，是通过对施加在电机定子上的空间电压矢量的加入时刻和加入时间长短进行控制，来保持定子磁链幅值基本恒定，通过控制定子磁链的转速来控制转矩的增加与减少，将转矩控制在一个给定大小的滞环宽度内，达到对转矩的直接控制。为了实现这种控制，并且考虑到开关器件所能承受的开关频率，一般把定子磁链的轨迹分为几个区域，对定子磁链实行分区控制，不同区域采用不同的定子电压矢量，使得定子磁链轨迹接近圆形。通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，定子磁链走走停停，从而控制定子磁链的平均旋转速度，从而有效地控制电机转矩。通过控制定子电压空间矢量的工作状态和零状态交替出现，就可以控制定子磁链空间矢量的平均旋转速度，进而控制电机转矩。

文献［7］的仿真结果证明了这一方法能有效减小转矩波动，定子磁链幅值基本不变，轨迹比较接近于圆形。文献［8］表明了直接转矩控制能较好地抑制转矩脉动。文献［9］的仿真结果表明，将直接转矩控制策略用于开关磁阻电机，有效地控制了转矩和磁链，使系统的动静态性能良好，解决了传统控制方法转矩脉动大的问题，并且实现简单［9］。

6 结论

角度位置控制、电流斩波控制、电压斩波控制是传统的开关磁阻电动机控制方法，方法简单，易于实现，但缺点是转矩脉动大或适用速域有限，直接转矩控制抑制了转矩脉动，但算法和系统实现较为复杂，在实际应用中，应当根据性能要求与实现难易而采用合适的控制方法，这也正体现了SRM控制灵活的一面。

［1］Cheok A D，Fukuda，Y.A New Torque and Flux Control Method for Switched Reluctance Motor Drives［J］.IEEE transactions on power Electronics，2002，17（4）：543－557.

［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，1995.

［3］曹家勇，陈幼平，詹琼华等.开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势［J］.电机与控制学报，2002，6（1）：1－5.

［4］葛宝明，王祥珩，苏鹏声等.开关磁阻电机控制策略综述［J］.电气传动，2001，31（2）：8－13.

［5］郝树人，申红燕，张有明.SRD 的 PWM 调压调速［J］.太原理工大学学报，2000，31（5）：568－570.

［6］张春梅，尔桂花.直接转矩控制研究现状与前景［J］.微电机，2000，（6）：25－28.

［7］宋桂英，孙鹤旭，郑易等.开关磁阻电动机直接转矩控制的研究［J］.电气传动，2004，（5）：11－13.

［8］漆汉宏，张婷婷，李珍国等.基于DITC的开关磁阻电机转矩脉动最小化研究［J］.电工技术学报，2007，22（7）：136－140.

［9］王勉华，梁媛媛，宋景哲.直接转矩控制在开关磁阻电机中的应用与研究［J］.电气传动自动化，2008，30（2）：20－23.