五电平拓扑下开关磁阻电机直接瞬时转矩控制

程勇， 林辉

(1.西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072;2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安 710054)

五电平拓扑下开关磁阻电机直接瞬时转矩控制

程勇1，2， 林辉1

(1.西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072;2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安 710054)

针对开关磁阻电机转矩脉动，提出开关磁阻电动机五电平驱动拓扑结构和滞环控制策略。研究和分析五电平拓扑的五电平导通原理，并与不对称半桥驱动电路三电平导通进行比较。结合开关磁阻电机绕组导通和直接瞬时转矩控制原理，设计五电平驱动下开关磁阻电机直接瞬时转矩滞环控制策略，并且进行仿真实验。仿真结果证实与不对称半桥电路相比，五电平拓扑下的转矩控制算法简单，而且有效减小转矩脉动，改善转矩的动态特性。

开关磁阻电机;转矩脉动;直接瞬时转矩控制;五电平驱动拓扑

0 引言

开关磁阻电机(switched reluctance motors，SRM)具有简单而特殊的双凸极结构，造成了磁场分布严重非线性。针对开关磁阻电机转矩脉动控制是一个公认的难题和研究的热点。目前，已经取得了大量的关于减小转矩脉动成果。文献［1］利用神经网络对非线性系统的逼近能力，实现i(T，θ)关系的神经网络建模，通过瞬时电流跟踪控制参考电流，控制转矩。文献［2－3］分别利用迭代学习控制和直接转矩方法实现了控制转矩。文献［4－5］采用直接瞬时转矩方法和Boost电路形成了四电平的拓扑，实现了转矩脉动的抑制。还有通过关断角补偿［6］，减小转矩脉动。这些算法虽然都实现了转矩控制，但是控制算法复杂、系统鲁棒性不理想、并且计算量大。

直接瞬时转矩控制［4－5，7］(direct instantaneous torque control，DITC)不同于传统的转矩分配法的电流优化控制输出转矩，它是通过转矩误差控制相绕组上的电压，控制输出转矩。根据直接瞬时转矩控制理论，文中提出了五电平的功率拓扑［9］，并且详细分析导通过程，再与不对称半桥比较后，提出了单相导通和换相导通的滞环控制策略，最后通过仿真验证了该拓扑在DITC控制中的有效性。

1 开关磁阻电机输出转矩分析

假设四相SRM电动机各相绕组采用正向方式连接，且相间互感可以忽略不计，同时各相绕组具有相同的电磁特性。

式中W'、Te表示电机第k相绕组磁共能、总电磁转矩。式(1)描述了SRM每相转矩Tek与磁共能W'、位置角θ关系。Tek是第k相的瞬时转矩。在式(2)中，当k相转矩相加就表示电机的总电磁转矩［7］。

由式(1)可知，磁共能的改变与转子位置、绕组电流的瞬时值相关。在DITC系统，输出的瞬时转矩要作为闭环控制重要变量，通过控制定子绕组电压可以控制瞬时输出转矩［4，7］。文中SRM的瞬时转矩，采用文献［8］的方法建立转矩电流角度表，并且通过查表的方法获得SRM瞬时输出转矩。

2 拓扑分析

不对称半桥式结构是SRD中应用较多的单极性驱动电源。根据不对称半桥工作原理，定子绕组电压定义3个状态。由DITC理论［7］可知，更多的电压状态会提高SRM的转矩性能，获得良好的输出转矩特性。图1是五电平开关磁阻电机的驱动拓扑结构。图2为五电平驱动电路相绕组电压状态。

图1 五电平开关磁阻电机驱动功率电路Fig.1 Five level converter of 4-phase SRM

五电平电路中，比不对称半桥电路多了两个电源控制开关管(VTc1，VTc2)和一个单极性电源(Us1)。增加两个开关管和反向并联二极管给绕组提供不同母线电压等级。由于A相C相(或者B相D相)不能同时导通，因此它们可以共用开关管VTc1，VTc2(或者 B 相 D 相共用VTc3，VTc4)。

图2 五电平驱动电路相绕组电压状态Fig.2 Voltage state of SRM in five level converter

在图2(a)中，当SRM绕组需要快速励磁时，VTc1、VTAU、VTAD导通，VTc2断开时，电机的电源电压是(Us1+Us2)，可以有效降低电压建立时间。为了和不对称半桥电路的绕组电压状态区别，定义相绕组电压状态 Sk=+2。图2(b)中，在 VTc1、VTAU、VTAD、VTc2断开时，加在绕组电源电压为 －(Us1+Us2)，绕组通过 VDU1、VDA1、VDA2导通反向放电，定义 Sk= －2。图 2(c)中，在 VTc1、VTc2、VTAU断开，VDA2、VTAD导通时，相绕组处于续流状态，等效电源等于0，定义Sk=0。图2(d)中，VTc1关断，当绕组电势小于 Us2，VTc2断开时，VDU2、VTAU、VTAD导通时，那么二极管VDU1导通，绕组上电源电压为Us2，相绕组电压状态 Sk=1。图 2(e)中，当 VTc1、VTAU、VTAD断开时，VTc2、VDA1、VDA2导通，等效电源等于 － Us2，相绕组电压状态Sk=－1。

因此，等效的绕组电压状态也由3种拓展到了5种。比较文献［5］四电平功率电路，五电平电路电压状态多了2个电压等级，这将帮助改善转矩动态性能。

3 五电平驱动电路的直接瞬时转矩控制策略

DITC算法的关键是转矩误差的滞环控制策略。文中SRM控制结构如图3所示。由查表法得到的瞬时转矩作为控制量，与参考转矩进行比较后，再送入转矩调节器控制。在每个导通周期内，各相绕组轮流单相导通。

图3 五电平直接瞬时转矩控制原理Fig.3 Control scheme structure of five level instantaneous torque control system

根据SRM的线性化公式，相电流产生电磁转矩可简化为

图4 各相电感与位置角关系图Fig.4 Relation of induction and position angle

3.1 各相电感和换相角之间的关系

四相绕组电感和转矩及位置角导通、关断关系如图5所示。把四相绕组的通电周期分成:换相区间和单相区间两个部分。以D相和A相为例，说明导通区间关系。在0°～θ ，D相单相导通，有＞Aon0，D相产生正转矩。此时虽然A相＞0，但很小，因此A相在这个位置角区间并不导通。

图5 各相转矩与位置角关系示意图Fig.5 Sketch of each phase torque in different position

3.2 转矩滞环控制

单相时，以D相单独导通为例。如果转矩误差ΔTerr增加且大于ΔT1，D相绕组要处在正常导通状态，SD=1;如果转矩误差ΔTerr增加且大于ΔT2，D相绕组要产生足够的电流满足输出转矩增加的要求，SD=2;如果转矩误差 ΔTerr减小且 － ΔT1≤ΔTerr＜0，通过续流实现输出转矩缓慢减小的要求，SD=0;如果转矩误差 ΔTerr减小且 －ΔT2≤ΔTerr＜ － ΔT1，绕组加负压SD=－1，使得输出转矩进一步减小;如果转矩误差ΔTerr减小且ΔTerr＜－ΔT2，D相绕组要加速退磁，满足输出转矩加速减小的要求，SD=－2，如图6(a)所示。

换相时(D相换到A相)，滞环控制的原则即将单相导通相(A相)承担增加输出转矩作用，即将关断相(D相)承担减少转矩作用。如果需要减小输出转矩的时候，应该尽可能的平缓的降低D相电压，A相绕组电压减小等级要比D相低。

如果转矩误差 ΔTerr增加且 ΔT1≤ΔTerr≤ΔT2，D相绕组要在正常导通状态，SD=1，A相绕组也要保持SA=1;如果转矩误差ΔTerr进一步增加且ΔTerr≥ΔT2，A、D相绕组要加速导通满足输出转矩增加的要求，SD=2，SA=2;如果转矩误差ΔTerr减小增加且－ΔT1≤ΔTerr≤0，D、A 两相绕组 SD=0，SA=1，缓慢减小转矩;如果转矩误差ΔTerr减小且－ΔT2≤ΔTerr≤－ΔT1，SD= －1，SA=0，使得输出转矩进一步减小;如果转矩误差ΔTerr减小且ΔTerr≤－ΔT2，D相绕组要加速退磁，快速减小输出转矩加速，那么加绕组状态电压SD=－2，A相SA=－1。如图6(b)，6(c)所示。

图6 单相导通和两相换相滞环控制原理Fig.6 Sketch of torque hysteresis controller in conduction and two phases commutation

4 仿真

根据文中所述算法，采用Matlab仿真软件，对额定功率2.2 kW四相8/6极电机，进行了不对称半桥三电平和五电平功率电路的DITC方法的仿真研究，设开通角度 θon和关断角度 θoff分别 2°和 21°，转速稳定在600 r/min。两电源电压(Us1和Us2)分别为电机定子绕组额定电压(280 V)的一半140 V。选择转矩误差滞环门限ΔT1=0.1，ΔT2=0.2。其中三电平滞环控制策略与文献［7］中方法完全相同。

仿真结果如图7(a)、7(b)两图是0.2 s时，指令转矩由4 N·m向1 N·m跃变时，五电平拓扑下电机的转矩输出地鲁棒性强于不对称半桥，没有出现明显的转矩波动，及时跟定指令转矩，而且过渡过程明显比不对称半桥要短，动态性能好。其中，在图7(c)中，五电平拓扑稳态下在换相处有较明显的转矩波动，但是输出转矩脉动被控制在了(3±0.2)N·m内。可见五电平拓扑电压控制策略抑制了转矩的脉动。在图7(d)中，转矩脉动的包络要比五电平电路大，最大转矩误差绝对值达到0.3 N·m。图7(e)～7(h)说明了输出转矩在6 N·m稳态下，A、B、C三相输出转矩和对应的电压状态。如果电机的负载接近额定负载，那么五电平下DITC将采用电源电压的±2状态完成大滞环输出转矩控制，而转矩误差减小进入小滞环，DITC通过电源的±1状态平滑地输出转矩。在图7(e)、7(g)中，五电平控制策略在换相过程中，通过滞环控制策略五电平拓扑换相阶段转矩脉动明显减小。不对称半桥电路由于只有3个电平等级，在换相处的容易引起转矩脉动过大。图7(g)与图5中设计的输出转矩波形一致，证明了理论设计的各相输出转矩。

图7 两拓扑DITC仿真结果Fig.7 Simulation results of DITC between two topologies

5 结论

针对DITC原理，文中提出五电平拓扑和控制算法解决了SRM电机转矩脉动问题。依靠五电平功率变换器，基于直接瞬时转矩控制方法的控制策略加强了SRM驱动系统的转矩鲁棒性，仿真结果充分证明了这种方法有效和可行。五电平拓扑为SRM控制提供丰富的控制电压和向量，该拓扑同样也可以构成丰富的空间电压矢量，实现开关磁阻电机的直接转矩控制。

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(编辑:刘素菊)

Direct instantaneous torque control of switched reluctance motor with five level converter

CHENG Yong1，2， LIN Hui1
(1.College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China;
2.School of Electrical and Control Engineer，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China)

In terms of torque ripple，five-level converter of switched reluctant motor is proposed and analyzed.Conduction of new topology was analyzed，and conduction comparison between new topology and asymmetric half bridge was performed.Based on conduction theory and direct instantaneous torque control(DITC)，hysteresis control strategy was designed in five level converter.Finally，torque simulation was performed.Compared with asymmetric half bridge，results of simulation prove that this method which is simple could reduce SRM’s torque ripple effectively and promote dynamic characteristic.

switched reluctant motors;torque ripple;direct instantaneous torque control;five level con-verter

TM 352

A

1007－449X(2011)04－0018－05

2010－10－14

航空科学基金项目(2007ZC53036)

程 勇(1979—)，男，博士研究生，研究方向为检测技术，开关磁阻电机控制;

林 辉(1957—)，男，教授，博士生导师，研究方向为迭代学习控制、电机控制、故障诊断等。