电动汽车用开关磁阻电机调速控制系统的设计与研究*

王 蕾 ，谢 炎 ，卢庆收

（河南机电职业学院，河南 郑州 451191）

近年来，在中国国民经济快速发展的背景下政府为汽车产业发展提供了强有力的政策支持，汽车销量逐年大幅增长。然而，汽车工业的蓬勃发展不仅为中国创造了经济效益，也引发了中国的能源和环境危机。因此，为了能够有效地节约能源，改善我国的自然环境，在城市交通方面我国一直在研究可持续发展的策略，我国汽车产业未来发展的重点研究对象——电动汽车，是我国新能源汽车的发展方向。相对于汽车，电动汽车最关键的优点就是高效率、零排放。开关磁阻电机是在现有直流调速系统和交流调速系统的基础上发展起来的一种新型电机[1]。该电机同时兼顾了直流电机和交流电机的优点，具有良好的启动和调速性能，结构简单，价格低廉。

1 电动汽车开关磁阻电机驱动调速系统研究现状

目前，我国在控制技术和电力电子技术方面的发展还没有很大的突破，导致对电动汽车开关磁阻电机控制调速系统缺乏深入研究。早在1970年，英国就研究了电动汽车的SRD（Switched Reluctance Motor Drive，开关磁阻电机调速系统），在1980年已经有公司形成了SRD的研究成果。除此之外，美国和欧洲在SRD调试系统的研究上也付出了很大的努力，通过研究形成的成果产品已经应用于电动汽车、航空航天、家电等领域[2]。我国对SRD调速系统的研究起步较晚。1984年以来，不少企业、高校和科研机构相继开展了SRD研究。但由于起步较晚，华中科技大学直到“十五”时期才研制出混合动力汽车。该车配备SRD调速系统，运行良好。经过几十年的发展和研究，我国在电磁分析、仿真和控制方面，取得了重大突破，获得了丰富的经验和成果。

2 开关磁阻电机调速系统总体设计

在开关磁阻电机调速控制系统的结构中，主要组成部分是功率变换器，它主要完成系统对电机的控制和能量传输[3]。该系统使用带有两个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）开关和两个续流二极管的半桥供电电路。开关断开后，电路中的绕组电流通过续流二极管将存储在绕组磁性中的能量带入电源。在整个续流过程中，绕组电流对反向电压的影响减小到零。开关磁阻电机采用三相6/4极结构，通过改变相电流来改变电机转矩，这样就可以改变电机的转速[4]。霍尔电流传感器用于检测电路中的电流，光电编码器用于检测转子位置，然后DSP（Digital Signal Process，数字信号处理技术）控制器根据检测器的反馈信号控制电机的运行状态。

在控制电路接收到启动信号后，控制程序首先会检测开关磁阻并调试控制系统，系统检测程序正常后，光电编码器检测转子位置信号，然后在控制器中输出相应的信号。一旦操作指令有所变化，就会对控制电路的运行方式进行适当调整，但若在运行过程中出现故障，如过载或转子不转等，应立即停机并采取相应的保护措施，系统解除电路报警模式[5]。

3 开关磁阻电机调速控制策略和方法

传统线性控制器的参数是不会轻易改变的，在整个调速范围内，系统不能满足最佳的动态和静态性能要求。开关磁阻电机调速系统是一个具有多输入、多输出、强耦合特性的非线性系统。为了更进一步完善电动车的控制系统，研究通过调整控制参数的方法，设计一种智能控制方法，力求找到更高效的调速策略。

3.1 开关角

在开通角和关断角之间，向电机绕组施加一些正向电压以维持绕组中的电流。但是，经过一段时间的闭合关断角后，绕组将施加反向电压。通过这种方式，绕组中的电流可以产生续流并迅速减小到零[6]。但不同电流波形形成的绕组铜损和电机效率是不同的。一般来说，电机输出越大，脉动转矩越小，特别是对于M相电机，它的通电相数Ps就会受计算电流占空比影响：

当T变化时Ps也会随之发生变化，优化开关角的控制系统的参数会使电机出力相同，但是整体效率达到最高。

3.2 双闭环控制

开关磁阻电机在低速运行时，其响应速度会变得很慢，但是转矩脉动很大，这将使电动汽车在启动的时候发出很大振动和噪声，为了更好地降低噪声和振动频次，提高系统的响应速度和抗干扰能力，将采用优化的双闭环控制系统。这个双闭环控制系统将电流环比作内环，而转速环是外环，它的响应速度会非常快，系统的动静态性能有了很大的提升，系统控制器也可以采用PI控制器（一种线性控制器）来降低系统的静态误差[7]。根据大量的研究成果，将控制系统优化为低阶控制系统可以保证系统的动态特性。校正电流回路时，应使用典型的一阶系统，而校正速度回路时，应使用典型的二阶系统。

3.3 SRM的控制方法

SRM（Switched Reluctance Motor，开关磁阻电机）的控制参数包括开关角、转矩等，每个控制量有不同的控制方式。SRM的基本控制方式根据角度、电流、电压控制对象的不同分为角度位置控制方式、电流斩波控制方式和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过调整SRM的开通角和关断角来改变电流的幅度值，从而实现对电机转速的控制。当开通角和关断角不同时产生的相电流波形也会随之不同，因此，控制开通角和关断角的带线能够有效地控制SRM的转速[7]。当开通角减小时，每一相的通电时间会随之增加，电流的幅度值也会增加，从而能够确保电流的迅速建立。而电机输出和制动转矩的产生则与关断角息息相关，一旦关断角设置得过小，那么相电流会在规定时间之前降为0，这就会造成电机输出的减少，从而导致电机输出转矩也会随之变小；反之，一旦关断角设置得过于大，那么在电机输出转矩增加时，制动转矩将会随之产生，这样的话不仅仅会导致电机的输出，也会使得电机产生巨大的转矩脉动[8]。因此，当SRM启动时，要严格设置适合的开通角和关断角，以保证其在运行的过程中，开通角和关断角要随着电机运行参数改变。开关角不同，SRD调速系统的相电流、转矩脉动、运行效率等都不同。找到不同速度下开关角度的最佳组合对于抑制转矩脉动和提高电机效率非常重要。

3.3.2 电流斩波控制方法

电流斩波控制方法就是在确保开通角和关断角固定不变的情况下，对开关管的通断频率加以控制，而后控制实际电流的大小始终在给定电流值的范围之内，确保电流的状态呈现锯齿形，实现控制电流的有效值，最终达到控制电机转矩的目的[9]。电流斩波控制方法的中心思想分为两种情况，一种情况是当实际电流值小于给定电流值时，此时应当继续开通开关管，使其电流值持续增加无限趋近于给定电流值；另一种情况是当实际电流值大于给定电流值时，这种情况下要对开关管采取关断处理，实际电流值会逐渐降低至接近于给定电流值。因此，电流斩波控制方法运行的要点即要对开关管进行不断的调整，确保其实际电流值始终保持在限定的电流值附近。

3.3.3 PWM控制方法

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制方式的工作原理主要是通过调整占空比来调整PWM的占空比，调整相绕组电压的平均值，从而实现对电机的控制[10]。当脉冲频率越来越高时，电流波形会逐渐趋于平滑，但值得注意的是，电流波形越平滑，主开关器件的工作频率就越高。PWM控制方式包括单管控制和双管控制。单管斩波器上下桥的开关只有一个工作在斩波状态，另一个始终工作在接通状态。双管斩波器的两个开关管工作原理相同，需要关闭时关闭，需要断开时断开。

3.4 SRM转矩脉动抑制分析

电动汽车作为城市交通未来发展的大趋势，大众对于其肯定有相当高的要求和期待。因此，电动汽车的SRD调速系统在满足电动汽车的基本性能之外还应当充分考虑到舒适性的问题。在电动汽车上安装SRD调速系统时，要进一步解决SRM的转矩脉动和转矩脉动带来的巨大噪声问题，这也是企业和行业研究人员面临的重要课题。那么，SRM转矩脉动的来源主要是哪里呢？这可以从两个角度进行分析探讨，一个方面与SRM本身的结构有关，另一个方面则是由于SRM使用的控制方法不同所造成的[11]。SRM本身的结构是双凸极的，这就使得在运转的过程中磁通会随之变化，而SRM的磁路则很容易呈现饱和状态。此外，SRM的转矩脉动还会在一定程度上受到定子和转子极弧的宽度、相数的不同以及外形尺寸等诸多因素的影响。在各种因素的共同影响下，相绕组电流容易变形并导致不稳定，导致转矩随着相绕组电流的波动而波动，尤其是在换相过程中，转矩不能平滑过渡[12]。除此之外，SRM基本的控制方法，如电流斩波控制方法，也会产生转矩脉动，因此，研究中需要对这些控制方法进行优化，可以加入一些先进的控制算法，以更好地抑制SRM的转矩脉动[13]。

4 结束语

综上所述，为了能够更好地解决有刷直流电机的控制系统过于复杂以及系统稳定性能太差等问题，本研究通过阐述国内外电动汽车开关磁阻电机驱动调速系统研究现状，分析电动汽车开关磁阻电机调速控制系统的基本组成和基本工作原理，并重点剖析了电动汽车开关磁阻电机调速控制系统的设计与研究。开关磁阻电机调速控制系统的启动电流比有刷直流电机的启动电流小，这将延长电动汽车的电池使用寿命[14]。电动汽车是我国城市交通可持续发展的重要战略，也是解决我国能源和环境问题的重要途径。作为电动汽车的核心部件，开关磁阻电机调速系统的运行状态直接影响电动汽车的整体状态。因此，需要进一步地进行研究和讨论。