開關(guān)磁阻電機(jī)APC 調(diào)速控制策略研究

金正楹，蔡 燕

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

相比永磁同步電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)不含稀土材料的永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，制造成本低，特別適合于高速、高溫等對(duì)可靠性要求很高的應(yīng)用場(chǎng)景[1-3]。但是從電機(jī)調(diào)速控制的角度看，由于其高度非線性的電磁特性，因此在控制中存在難點(diǎn)[4-5]，尤其是APC 運(yùn)行階段的調(diào)速控制。在過(guò)去的研究中，常用推導(dǎo)開通角公式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速[6-8]，但是其精確性有限。為了對(duì)SRM 展開性能研究，本文提出一種開關(guān)磁阻電機(jī)APC 調(diào)速控制策略，通過(guò)仿真模型的建立，為開展SRM 性能研究提供基礎(chǔ)。

1 APC 運(yùn)行分析

與其他電機(jī)不同，由于SRM 具有特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)以及脈沖式電流的勵(lì)磁方式，一般通過(guò)控制功率變換器開關(guān)管的通斷時(shí)刻，即控制各相開始勵(lì)磁的位置和開始退磁的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)相電流大小和波形的改變，從而控制SRM 的電磁轉(zhuǎn)矩及運(yùn)行方向?；诓粚?duì)稱半橋式功率變換器的調(diào)速控制中，通常開始勵(lì)磁的位置被稱為SRM 的開通角θon，開始退磁的位置被稱為SRM 的關(guān)斷角θoff，這種僅由角度控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)速的控制方式被稱為角度位置控制（Angular Position Control，APC）。

實(shí)際上，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的高度飽和與非線性的特性，開通角和關(guān)斷角對(duì)相電流和輸出轉(zhuǎn)矩的影響無(wú)法被簡(jiǎn)單公式精確表達(dá)。因此，為了確定電機(jī)APC運(yùn)行時(shí)，不同的角度參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，需要將開通角和關(guān)斷角對(duì)相電流的影響分別進(jìn)行分析，而后確定調(diào)速控制的策略。

不同開通角對(duì)相電流波形的影響如圖1（a）所示。隨著開通角的逐漸前移，相電流峰值增大，但是如果開通角過(guò)度前移，則會(huì)導(dǎo)致電流峰值過(guò)高從而損壞電機(jī)；如果開通角過(guò)于靠后，將無(wú)法滿足一定負(fù)載下的調(diào)速要求。不同關(guān)斷角對(duì)相電流波形的影響如圖1（b）所示。在APC 調(diào)速時(shí)，關(guān)斷角對(duì)電流的峰值影響較小，因此對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的作用要弱于開通角，但其決定了相電流的拖尾長(zhǎng)短，對(duì)電機(jī)效率有一定影響，在調(diào)速過(guò)程中也需要設(shè)置合適的關(guān)斷角。通過(guò)分析可知，在APC調(diào)速階段，開通角的變化可以顯著改變電流峰值，影響整個(gè)脈沖區(qū)間內(nèi)的電流有效值，這對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的改變是決定性的，因此將開通角作為開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive，SRD）轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)節(jié)參數(shù)。

圖1 不同角度對(duì)相電流的影響

2 開通角APC 調(diào)速策略

由于開通角對(duì)相電流具有高影響力，因此APC 調(diào)速階段電機(jī)的主要參數(shù)被確定為開通角。但想讓SRM在不同工況下都穩(wěn)定運(yùn)行，閉環(huán)調(diào)節(jié)回路必不可少，因此需要進(jìn)一步建立調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖。

對(duì)于某一個(gè)確定的轉(zhuǎn)速、負(fù)載條件，通常有無(wú)數(shù)種開通角和關(guān)斷角的組合滿足運(yùn)行，但事實(shí)上，通過(guò)上述對(duì)θon和θoff的分析可知，開通角和關(guān)斷角一旦確定，勵(lì)磁電流的波形也就確定了。換言之，在APC 運(yùn)行方式下，給定參考轉(zhuǎn)速ω*和負(fù)載TL 時(shí)，若同時(shí)確定關(guān)斷角θoff，通過(guò)開通角θon對(duì)相電流波形的調(diào)節(jié)，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速ω 穩(wěn)定在參考轉(zhuǎn)速ω*下。

利用此原理，本文制定了一種簡(jiǎn)單有效的APC 調(diào)速控制框圖，如圖2 所示。在某一參考轉(zhuǎn)速和給定負(fù)載的條件下，給定一個(gè)關(guān)斷角后，轉(zhuǎn)速閉環(huán)會(huì)驅(qū)動(dòng)比例-積分控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)開通角使電機(jī)運(yùn)行在參考轉(zhuǎn)速下，若轉(zhuǎn)速偏差為正，實(shí)際轉(zhuǎn)速低于參考轉(zhuǎn)速，開通角前移增加勵(lì)磁，若偏差為負(fù)，實(shí)際轉(zhuǎn)速高于參考轉(zhuǎn)速，開通角后移減小勵(lì)磁，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速等于參考轉(zhuǎn)速，電機(jī)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)。雖然開通角和關(guān)斷角有無(wú)數(shù)種組合，但是關(guān)斷角一旦確定，開通角只存在唯一的值滿足此工況的運(yùn)行要求。策略中，角度信號(hào)θ 在速度變換器中轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號(hào)，換相控制器給出的開斷信號(hào)經(jīng)過(guò)功率變換器給到電機(jī)本體，控制相繞組的通斷，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)。

圖2 APC 調(diào)速控制框圖

3 調(diào)速仿真模型

根據(jù)所提出的控制框圖在MATLAB/Simulink 軟件中建立了仿真模型，如圖3 所示。以一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速2 000 rpm，額定功率1.5 kW 的三相12/8 極開關(guān)磁阻電機(jī)為例。在一定的參考轉(zhuǎn)速，負(fù)載TL 和關(guān)斷角條件下，通過(guò)設(shè)置合適的比例、積分系數(shù)，閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)開通角使電機(jī)運(yùn)行在設(shè)定的矩速工作點(diǎn)下。仿真模塊包括換相邏輯控制，功率變換器和電機(jī)本體，此外，設(shè)置了一個(gè)限流模塊，防止調(diào)節(jié)過(guò)程中電流峰值過(guò)高而損壞電機(jī)。

圖3 基于所提出控制策略的MATLAB/Simulink 仿真模型

在電機(jī)模型中，功率變換器是系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行控制信號(hào)，控制相電流的通斷，文章采用不對(duì)稱半橋式功率變換器作為功率電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，且各相可獨(dú)立控制開斷。根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink 軟件中搭建了其仿真模型，如圖4 所示。圖中V+和V-分別為295 V 等效直流電源的正負(fù)兩極，斬波管和位置管均選擇IGBT，G_up 輸入各相上橋臂斬波管的開斷信號(hào)，G_down 輸入下橋臂位置管的開斷信號(hào)。每相上下橋臂各有IGBT 開關(guān)和續(xù)流二極管一個(gè)，在兩個(gè)IGBT 開關(guān)之間是電機(jī)繞組，通過(guò)IGBT 開關(guān)控制對(duì)SRM 繞組的電壓施加。

圖4 不對(duì)稱半橋式功率變換器仿真模型

換相邏輯控制如圖5 所示，通過(guò)將開通角和關(guān)斷角與角度位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，給定IGBT 的通斷信號(hào)。

圖5 換相邏輯控制模型

為了驗(yàn)證策略有效性，本文以轉(zhuǎn)速2 000 rpm，負(fù)載5.25 N·m 的條件為例，給出了仿真波形，如圖6 所示。從上到下依次為3.959~3.966 s 時(shí)間區(qū)間內(nèi)的三相電流、三相轉(zhuǎn)矩、合成轉(zhuǎn)矩波形以及0~5 s 時(shí)間區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速波形。

關(guān)斷角設(shè)定為機(jī)械角16°，設(shè)定Kp，Ki 系數(shù)分別為0.005 和0.02，相電流峰值被限制在10 A，經(jīng)過(guò)約0.5 s 后調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在參考轉(zhuǎn)速2 000 rpm，此時(shí)，開通角穩(wěn)定在-1.98°，由此驗(yàn)證了所提出的控制策略在APC 調(diào)速運(yùn)行時(shí)的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)角度參數(shù)的相電流影響分析，提出了一種簡(jiǎn)單易用的開通角APC 調(diào)速控制策略，并通過(guò)MATLAB/Simulink 仿真模型實(shí)現(xiàn)了該策略，給出了一定矩速工作點(diǎn)下相電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等穩(wěn)態(tài)波形，驗(yàn)證了策略有效性，對(duì)SRD 高性能系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了理論和仿真基礎(chǔ)。