一种零电压保持开通的开关磁阻电机再生制动控制策略

甘醇, 吴建华, 王宁, 杨仕友

(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.国网浙江省电力公司检修分公司,浙江杭州310027)

一种零电压保持开通的开关磁阻电机再生制动控制策略

甘醇1, 吴建华1, 王宁2, 杨仕友1

(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.国网浙江省电力公司检修分公司,浙江杭州310027)

为了减小开关磁阻电机(switched reluctancemotor,SRM)再生制动运行时能量回馈对母线电压的冲击,对SRM再生制动过程进行分析,研究了再生制动能量对母线电压造成的影响,提出一种零电压保持开通的三步制动控制策略。以一台三相开关磁阻电机为应用对象,阐述了所提方法的工作原理和实施办法。研究结果表明该方法既可以产生必要的制动转矩,又能降低再生制动过程中的能量回馈对母线电压所造成的冲击,提高制动过程的可靠性和安全性。仿真与实验验证了该方法的有效性和实用性。

开关磁阻电机;直流母线电压;再生制动;零电压保持开通;可靠性

0 引 言

开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)调速系统是一种新型的机电一体化产品,融合了电机学、电力电子、控制理论等众多学科领域［1］。由于其具有高效率、高可靠性、结构简单和低成本等优点,得到了快速发展。开关磁阻电机具有较好的起动性能,宽广的调速范围,以及其易于实现四象限运行,所以适合应用于各种电力传动系统。近年来,国内外对SRM系统效率、转矩波动、故障诊断与无位置传感器控制等方面进行了深人研究［2-5］,但在制动控制策略及制动可靠性方面研究较少。

电机常用的制动控制策略主要有惯性自由制动、摩擦制动、反接制动和再生制动［6］。惯性自由制动是通过关闭系统所有控制信号,让电机依靠惯性自由停车,这种制动方式时间较长,一般无法满足制动要求;摩擦制动属于机械制动,是通过机械摩擦将动能转化成热量消耗掉从而达到制动停车的目的,这种方法可靠性较低,而且对机械设备损害较大,一般用于低成本装置或者性能要求较低的场合。反接制动和再生制动都属于电力制动,反接制动是通过改变电机定子绕组的通电顺序,使其有反转趋势,从而产生较大的制动力矩,而电机仍工作在电动模式下,这种方法准确性较差,制动过程冲击力强烈,易损坏传动部件,容易造成电机反转;再生制动是在电机制动过程中,通过改变控制策略让电机工作在发电模式下,将动能转化为电能回馈母线,同时制动电流产生制动转矩,再生制动能量利用率高,控制参数多,是一种有效的制动停车控制方法,该方法特别适合于电池供电的驱动系统［7-11］,例如电动汽车驱动系统,可以增加电池的续航能力。SRM可以通过改变开通角和关断角直接实现电动模式和再生制动模式的自由切换,而且不需要额外增加硬件,所以对SRM驱动系统的制动控制策略进行研究具有重要意义。

文献［12-13］研究了永磁同步电机和无刷直流电机驱动系统的优化制动控制策略,改善了系统制动的可靠性,提高了能量回收利用率。文献［14］对转子磁场定向控制的永磁同步电机制动过程进行研究,分析了电机制动时能量的回馈和直流侧母线电压的变化,以及直流母线电压变化对系统的影响,但并未提出有效的母线电压泵升抑制方法。文献［15］提出一种通过改变逆变器开关管的开通序列抑制永磁同步电机系统母线电压泵升的控制方法。文献［16-17］通过在SRM的功率变换器前端加人直流变换环节,改善电机再生制动状态下的电流和速度的动态响应,文献［18-21］对SRM再生制动过程中的电流、转矩和能量转化进行相关分析,通过对SRM的开通角、关断角等参数进行优化控制,对电机的再生制动系统进行设计,但以上文中没有讨论再生能量回馈对母线电压泵升和过电流的影响与抑制方法。文献［22］研究了SRM再生制动能量和母线电压之间的关系,提出将再生制动能量消耗在相邻相绕组上的方法,从而降低对母线电压的冲击。但是该方法在制动过程中通过导通另一相绕组消耗能量,导通相会产生电动转矩,影响制动性能,而对于电池供电的系统,此方法的能量利用率较低。文献［23］对SRM电动模式下的零电压换相控制进行研究,分析了零电压换相过程对速度、转矩以及效率的影响,并与传统的控制方式进行比较,说明了零电压换相控制可以改善电流波形,提高系统效率,但并未对再生制动过程进行分析。

SRM工作在传统再生制动模式下,再生制动能量回馈会造成直流母线电压泵升,同时较大的充电电流可能会损坏母线电容以及电力电子器件。本文提出一种零电压保持开通的三步制动控制策略,采用全电压开通、零电压保持开通和全电压关断的三步方式,解决了提前关断时反电动势较小使制动电流快速下降而带来的制动转矩不足的问题,三步制动控制策略既能产生必要的制动转矩,又可以减小再生制动阶段的过电压和过电流对直流母线和电力电子器件造成的冲击,将母线电压降到安全电压内,对于电动汽车驱动系统,制动过程中产生的能量还可以对蓄电池进行充电,提高电动车的续航旅程。仿真和实验验证了方法的有效性。

1 SRM驱动系统

三相12/8极SRM的结构如图1(a)所示。图中绕组A1、A2、A3、A4串联构成A相绕组,βs、βr为定、转子极弧角。转子槽中心线与定子极中心线重合的位置为转子不对齐位置,定义为开通角的参考零点;转子极中心线与定子极中心线重合位置为转子对齐位置,参见图1(a)标示。电动运行时通常选择各相的开通角在转子不对齐位置附近,关断角在转子对齐位置之前。在SRM驱动系统中,功率变换器对SRM的可靠运行至关重要,不对称半桥型功率变换器控制方式灵活,具有较好的容错性能,其三相主电路结构如图1(b)所示。

为减小转矩脉动,降低开关损耗,提高系统效率,常用的控制策略为:A相导通阶段,下管S2保持开通,上管S1实行斩波控制,电源向绕组供电;A相关断阶段,S1、S2均关断,绕组通过续流二极管D1和D2实现负电压续流,能量快速回馈电源。电机运行采用单双相混合激励(A-AB-B-BC-CCA)的开通方式。不对称半桥型功率变换器每个桥臂使用两个功率开关管,各相之间相互独立,容错性能好,稳定性强。

图1 SRM与功率变换器结构Fig.1 Structures of SRM and power converter

图2 为SRM系统控制框图和能量流动状态。电动阶段电机从母线吸收电能转化为机械能,再生制动阶段电机将机械能转化成电能回馈给母线,通过控制功率变换器,能量可以实现双向传输。图3为不对称半桥型功率变换器的3种工作模式,图3(a)上、下管同时开通,为正电压导通阶段,图3(b)上管关断,下管开通,为零电压续流阶段,图3(c)上、下管同时关断,为负电压续流阶段,即能量回馈阶段。

图2 SRM系统的控制框图及能量流动状态Fig.2 Control block diagram and the energy flow states of SRM system

图3 功率变换器的3种工作模式Fig.3 Three operation modes of power converter

2 SRM的再生制动分析

2.1 再生制动过程与母线电压泵升

开关磁阻电机的电压平衡方程为

式中:U为相电压,其正负的取值由电机工况决定,导通阶段为正,能量回馈阶段为负;R为相绕组电阻;L为相绕组电感;i为相电流;ω为电机转子角速度;θ为转子角位置。式(1)右边第一项为绕组电阻压降,第二项为电流变化产生的感应电动势,第三项为转子位置变化产生的反电动势。

绕组电感随转子位置角的变化呈非线性变化,电机一相的电磁转矩方程为

在电感上升区间内(d L/dθ＞0),产生正向电磁转矩(Te＞0),在电感下降区间内(d L/dθ＜0),产生反向的制动转矩(Te＜0)。

电机转子的机械运动方程为

式中:Tl为负载转矩;J为转动惯量;B为阻尼系数。由式(1)～式(3)可以得到电机的转子角速度ω。

图4为再生制动阶段的电流和电感关系曲线。图中,θon、θoff分别为电机的开通角和关断角,K1K2区间为电流励磁阶段,系统从母线端吸收电能和输出机械能,转化为绕组储能,K2K5或K2K3K4区间为能量回馈阶段,产生制动转矩并回馈母线电能。在电感下降区间,同时开通上、下管将使电机进人发电状态,当制动电流建立后,同时关断上、下管,产生制动转矩,能量同时回馈直流母线。

忽略绕组电阻压降的影响,根据式(1),发电制动阶段能量回馈电源,U取负值,其电压平衡方程可以改写为电流斜率的形式为

图4 再生制动模式下的相电流和相电感关系Fig.4 Relationship between phase inductance and phase current in regenerative braking mode

在开通角θon到关断角θoff区间内,机械能转化为磁场储能,转子位置到达关断角度时,励磁电流K1K2已经建立,关断绕组后,系统向母线充电。当电机运行于额定转速之下的中低速状态时,若反电动势比相电压小,则

此时,d i/d t＜0,制动电流将沿着K2K5轨迹快速下降。

当电机运行于额定转速之上的高速状态时,若反电动势比相电压大,则

此时,d i/d t＞0,制动电流先沿着K2K3轨迹上升,之后再沿着K3K4轨迹下降。转子位置到达θm时的电流峰值为

式中Lmin为相绕组电感的最小值。

由此可见,转速的高低决定了反电动势的大小,而反电动势的大小直接影响到［θoff,θm］区间内的制动电流。

式中Lmax为相绕组电感的最大值。

由一相电流充电造成的母线电容两端的电压增量为

则三相电流共同充电造成的母线电容两端的电压增量为

2.2 零电压保持开通三步制动控制策略

进人发电区域时,制动电流的大小反映了制动的强度,也反映了储存磁场能量的大小,通过对制动电流进行控制,可以实现对发电过程的控制。

如果外加电源电压和电机转速均为常数,则电流波形与开通角、关断角和电机结构参数有关。对于传统制动方式,若电机反电动势小于换向电压,当绕组在θoff1位置提前关断时,制动电流过早下降,如图5(a)中i1(θ),系统将无法产生足够的制动转矩;当绕组在θoff2位置正常关断时,制动电流将会很大,如图5(b)中i2(θ),对母线电容和电子器件造成过电流和过电压冲击,影响系统可靠性。

本文提出一种零电压保持开通的三步制动控制策略,第一步,在电感下降区间内同时开通上下管,使电流上升;第二步,在开通区间内θoff1位置将上管关断,同时下管保持开通,此时绕组外加电压为零,无论反电动势为多大,其必然大于绕组电压,由式(4)、式(6)可知电流将保持上升,这样可以将充电电流保持在一定幅值内,同时产生有效的制动转矩,解决了提前关断后反电动势较小造成的转矩不足问题,并避免了产生过大的制动电流;第三步,当转子位置到达θoff2时,关断下管,能量回馈电源。三步制动的电流如图5中i(θ)所示。图6为全周期导通制动和零电压保持制动时的A相驱动信号与对应相电感示意图。转子位置θoff1到θoff2区间内为下管保持开通阶段,其中一部分能量消耗在激励相绕组上,一部分能量转化为磁场储能,可以增大发电制动状态的有效电流面积,同时又可以减小过大的充电电流对变换器造成的损害。

图5 不同的角度控制策略对制动电流的影响Fig.5 In fluence of different angle control strategies to braking current

图6 驱动信号与相电感的对应关系Fig.6 Relationship between driving signals and phase inductance

3 仿真结果

仿真模型采用的实验样机主要参数如表1所示。SRM控制系统的非线性仿真模型利用Matlab/ SIMULINK建立,电机本体部分的磁链与转矩计算模块参数采用实验样机的Ansoft有限元分析数据导人。功率变换器部分直接采用SimPowerSystems模块搭建,驱动部分采用脉宽调制信号配合逻辑输出实现。

表1 样机参数Table 1 M otor parameters

图7、图8分别为额定1 500 r/min恒转速运行时,全周期导通和零电压保持开通两种制动控制策略下的A相相电流ia、相转矩Ta、A相开关管驱动信号S1和S2、充电电压ΔUdc以及充电电流if的仿真波形。图7中的开通角θon为22°,关断角θoff为42°,图8中的开通角和关断角与图7中的相同,其中零电压保持阶段的零电压导通初始角θoff1为30°,零电压关断角θoff2为42°。

图7 全周期导通制动Fig.7 Full-cycle conduction braking

图8 零电压保持开通制动Fig.8 Zero-voltage loop hold braking

当采用全周期导通的控制方法时,励磁电流的峰值很大,虽然产生的制动转矩较大,但是绕组关断后,较大的充电电流回馈母线,引起母线电压泵升,如图7(b)所示。在相绕组开通区间内,若采用零电压保持开通的控制方法,无论电机转速高低,在下管保持开通的区间内电流将继续上升,不受反电动势较小的影响,仍然可以产生有效的制动转矩,而充电电流幅值相对于全角度开通时会明显降低,母线电压增量也会相应降低,如图8(b)所示,可以起到保护母线电容和功率开关器件的目的。

4 实验结果

实验样机参数见表1,采用不对称半桥型功率变换器驱动,母线电容4 000μF,负载转矩0.83 N·m。控制方式采用斩波调压控制,并以模糊PI控制算法构成转速闭环系统。主控芯片采用DSP TMS320F28335并配以高速逻辑电路,实验平台如图9所示。

图9 实验平台Fig.9 Experimental p latform

图10 为不同制动控制策略下的母线电压与对应的A相电流和转速波形。图11为不同制动控制策略下的A相电流及对应的驱动信号。系统由额定转速1 500 r/min断电后惯性自由制动的时间较长,所需时间2.3 s,如图10(a)。当采用全周期导通控制的再生制动控制策略时,开通角θon为22°,关断角θoff2为42°,虽然制动时间0.22 s较短,但是母线电压飙升至101 V,严重超过了正常工作电压60 V,而且制动电流上升较快,很容易造成系统过电流,其最大峰值也增大到正常电流的7.5倍左右,如图10(b)和图11(a),过电压和过电流很容易造成母线电容和电力电子器件损坏。当采用提前关断的制动方式时,开通角θon为22°,关断角θoff提前至30°,虽然母线电压上升不明显,但是制动时间为1.6 s,制动电流较小不足以产生足够的制动转矩,影响制动性能,最大制动电流峰值为正常电流的4.3倍,如图10(c)和图11(b)。

图10 母线电压、相电流与转速实验波形Fig.10 Experimental waveforms of DC bus voltage,phase current and speed

图11 相电流与驱动信号实验波形Fig.11 Experimentalwaveform s of phase current and driving signals

若采用零电压保持开通三步制动控制策略,当零电压开通初始角θoff1为35°,零电压关断角θoff2为42°,制动时间为0.45 s,虽然制动电流峰值降至正常电流的4.5倍,但是母线电压仍然飙升至100 V,如图10(d)所示;当零电压开通初始角θoff1为30°,零电压关断角θoff2为42°,制动时间为0.8 s,母线电压仅升高至73 V,制动电流峰值也仅为正常电流的2.5倍,如图10(e)所示。在零电压开通区间内电流仍然继续上升,如图11(c)所示,不受反电动势小于绕组电压的影响,并且可以有效地将制动电流保持在一定幅值内,产生有效的制动转矩,同时提高能量回馈利用率。因此采用零电压保持开通的制动控制策略,选取合适的零电压保持开通区间,可以有效地抑制母线电压和制动电流的飙升,同时获得良好的制动动态响应。

实验结果与仿真结果具有良好的一致性,研究表明:

1)采用全周期导通制动方式时,再生能量回馈造成母线电压泵升,超出器件所承受的安全范围,同时较大的充电电流也可能造成电力电子器件损坏,使系统的可靠性降低。而采用提前关断的控制方式时,制动电流较小,无法产生足够的制动转矩。由于无法有效地工作在发电状态,其能量利用率较低。

2)采用零电压保持制动的控制策略时,若零电压开通初始角度靠近关断角,虽然充电电流峰值有所下降,但是母线电压增量仍然较大,系统再生制动下的可靠性仍较低;若零电压开通初始角度靠近开通角,可以有效地抑制母线电压泵升和降低过大的充电电流峰值,将其控制在安全电压和电流范围内,同时产生一定的制动转矩,虽然其制动时间有所增加,但仍可以达到快速制动的目的。由于其维持了一定发电状态下的有效电流面积,使得能量利用率较高,特别是对于电池驱动的系统,可以增加电池的续航能力。

5 结 论

本文对SRM的再生制动过程进行分析,讨论了再生制动能量回馈与母线电压的关系,提出了一种零电压保持开通的三步制动控制策略,即采用全电压开通、零电压保持开通和全电压关断的三步制动方式,使制动电流不再受反电动势较小的影响。选取合适的零电压保持开通区间,可以有效地抑制母线电压泵升和过大的充电电流,提高系统制动的安全性,同时产生有效的制动转矩,达到快速制动的目的。通过下管保持开通的方式,可以维持有效的发电制动状态,提高系统的能量利用率。

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(编辑:刘琳琳)

Regenerative braking control strategy for sw itched reluctance motors w ith zero-voltage loop hold

GAN Chun1, WU Jian-hua1, WANG Ning2, YANG Shi-you1
(1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China 2;Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310027,China)

In order to reduce the impact on the DC bus voltage in switched reluctance motor(SRM) driveswhen themotor works in the regenerative braking conditions,the regenerative braking processwas analyzed,the regenerative braking energy on the impact of DC bus voltage was investigated,and a new control strategy of three-step regenerative braking operation with zero-voltage loop hold was proposed.The working principle and implemented method of the proposed scheme were presented in details based on a three-phase SRM.The results show that the essential braking torque can be generated,the impact of braking energy feedback to the DC bus is reduced in the process of regenerative braking,and the reliability and security of the braking operation are improved.The simulation and experiment are carried out to verify the effectiveness and practicality of the proposed method.

switched reluctancemotor;DC bus voltage;regenerative braking;zero-voltage loop hold;reliability

10.15938/j.emc.2015.09.002

TM 352

A

1007-449X(2015)09-0008-08

2014-04-16

国家高技术研究发展计划“863计划”(2011AA11A101);国家自然科学基金(51377139)

甘 醇(1987—),男,博士研究生,研究方向为电力电子与电力传动系统的控制与电磁分析;吴建华(1963—),男,博士,教授,研究方向为现代电机CAD,开关磁阻电机及永磁电机,电机噪声振动抑制;王 宁(1990—),女,硕士,研究方向为发电机电磁仿真与配电网自动化;杨仕友(1964—),男,教授,博士生导师,研究方向为电磁场理论及其应用。

吴建华