电动车开关磁阻电机驱动系统控制策略研究

2016-08-28徐青青

微特电机 2016年11期

关键词：磁阻绕组电动车

刘洁，徐青青

(宿迁学院，宿迁 223800)

电动车开关磁阻电机驱动系统控制策略研究

刘洁，徐青青

(宿迁学院，宿迁 223800)

开关磁阻电机具有结构简单、调速范围宽、可靠性高、可控参数多、过载能力强等优点，有着广泛的应用前景。首先，介绍了电动车开关磁阻电机驱动系统结构，设计了以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)作为主控芯片的控制器。然后，根据电机不同转速段，设计了相对应的控制策略，最大化提高电机运行效率：以转速电流双闭环控制为基础，在低速区域内，采用电流PWM控制，利用PI算法调整PWM占空比，既可以限制绕组电流上限值，减小转矩脉动，又可以控制功率开关管斩波频率，避免损坏功率开关管，保证电机平稳起动运行；中速区域内采用电压PWM控制，加快转速动态响应；高速区域内采用变角度位置控制，实现电机宽范围调速。最后，在试验平台上，对提出的控制策略进行验证，测试电动车开关磁阻电机驱动系统的调速性能。试验结果表明，所提出的控制策略具有很强的适应性，使得该驱动系统具有良好的动态性能和较高的稳态精度。

开关磁阻电机；驱动系统；控制策略；电动车

0 引言

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)是一种新型调速电机，具有成本低、结构简单、转速范围宽、起动转矩大且起动电流小、可频繁启停、可靠性高、过载能力强等诸多优点，受到越来越多的关注，以及越来越广泛的应用[1]。SRM的诸多优点使其成为电动车驱动系统的最优方案之一。目前，SRM已成功应用于众多领域，如车辆牵引、家用电器、航空航天等。文献[2]从公式、电机建模与控制策略方面系统地介绍了SRM，实验结果表明，SRM调速范围宽且调速性能优越。文献[3]提出了一种双指标同步优化SRM控制参数的方法，并在负载转矩与电机转速特性的基础上，建立可变开通角、关断角控制参数模型，改进电动汽车用SRM驱动系统动态性能。文献[4]基于电机设计软件RMxprt设计并优化了一款小功率高尔夫球车用SRM，仿真结果表明所设计的电机满足高尔夫球车等小型电动车使用要求，具有一定的应用及推广价值。

本文设计了以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为主控芯片的控制器。根据电机特性，设计了相应的控制策略：在低速区域内，采用转速电流双闭环控制，既可以跟踪给定转速，又能限制绕组电流上限值，减小转矩脉动；中速区域内采用电压PWM控制，提高加速性能；高速区域内采用变角度位置控制，进行角度优化，实现电机宽范围调速。

1 电动车SRM驱动系统

电动车SRM驱动系统主要由蓄电池、SRM、控制器、功率变换器、驱动电路及检测电路等部分组成[5]，如图1所示。

图1 电动车SRM驱动系统结构

1.1控制器

电动车SRM驱动系统的控制芯片采用TI公司生产的TMS320F28335，其功能主要是判断转子位置、计算转速、采集电流电压信息等，综合给定信号及以上信息生成IGBT驱动信号，开通或关断IGBT。DSP产生的信号经由整形、电压转换以及再次整形后传送至驱动电路。结构框图如图2所示。

图2 控制器结构

光电传感器输出的3个位置信号P、Q、R经过整形，通过高速光耦隔离芯片将15 V位置信号转为3.3 V信号传送至DSP输入捕捉引脚，通过3个位置信号的6种不同状态(100，110，010，011，001，101)判断转子与定子的相对位置。DSP还可以通过位置信号计算当前电机转速。电流、电压传感器采集三相绕组电流和电压，将电流与电压信号传送至DSP的A/D采样端口，进行电流、电压采样。通过电位器向驱动系统输入给定转速，液晶显示当前电机转速信息等。

2 电动车SRM驱动系统控制策略

为了提高电机运行效率，改善驱动系统调速性能，SRM在不同转速段有着不同的控制策略。根据转速，将电机调速范围分成3段：低速(0～2 000 r/min)、中速(2 000～4 000 r/min)、高速(>4 000 r/min)；其中，低速段采用电流PWM控制，中速段采用电压PWM控制，高速段采用变角度位置控制。同时，为了实现良好的调速性能，采用转速电流双闭环控制SRM，外部为转速环，迅速跟随转速变动，电流环在内部，加快转速动态调节过程。SRM驱动系统控制策略框图如图3所示。

图3 电动车SRM驱动系统控制策略框图

2.1电动车SRM驱动系统低速控制

SRM相电流在起动时会迅速增加的原因在于，当转速低时，运动电动势小，无法限制电流增长。为防止相电流过大，必须限制相电流的上限值。同时，随着给定转速的增加，电流上限值随之改变，从而控制电机转矩，使电机工作在恒转矩区。

在SRM控制策略中，电流斩波控制(Chopped Current Control，CCC)方式通常有以下两种实现方法：固定采样频率限制电流上下幅值、电流上限与关断时间恒定。

(1) 固定采样频率限制电流上下幅值

为了控制电流斩波频率，可固定采样频率对电流进行采样，将电流采样值与上下限值相比较，使相电流被限制在上下限值之间。该方法斩波效果与电流采样频率密切相关。在一个控制周期内，由于相绕组磁阻不同，导致电流变化率不同，电流斩波频率疏密不均。若采样频率较低，在低电感区域，电流快速增长，在低电感区电流峰值很大，不能有效地限制电流峰值。因此，一般选择较大的电流采样频率。固定采样频率限制电流上下幅值策略框图如图4所示。

图4 固定采样频率限制电流上下幅值策略框图

(2) 电流上限与关断时间恒定

该方法仅设定电流上限值，当电流大于上限值时，关断IGBT，过一段时间再开通IGBT。在一个控制周期内，固定关断时间，电流斩波频率在一定程度上得到控制，但绕组磁阻、磁阻变化率及转速等会影响电流下降量，导致电流下降量不固定。若关断时间长，相电流波动过大；若关断时间短，斩波频率过高。因此，关断时间很难确定。电流上限与关断时间恒定策略框图如图5所示。

图5 电流上限与关断时间恒定策略框图

以上两种斩波控制方式具有斩波频率不均或电流上升速度过快的缺陷，容易损坏IGBT。因此，本文提出了一种利用PI控制算法调节PWM占空比的电流斩波控制策略，通过固定电流采样频率，将电流采样值与电流给定值相比较，电流差值与差值变化率作为PI控制器输入，通过PI算法得到PWM占空比。当采样值小于给定值时，输出的占空比为正值，且越接近给定值，占空比越小；反之，当采样电流大于给定值时，输出的占空比为0，即关断IGBT，可以有效限制电机绕组电流值，并跟踪限制整体电流幅值。图6为电流PWM控制策略框图。

图6 电流PWM控制策略框图

该控制策略能够通过PWM占空比分段调节绕组电压，从而控制相绕组电流，有效限制SRM起动电流。此外，调节开通角使得启动转矩得到优化。

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2.2电动车SRM驱动系统中速控制

随着电机转速增加，运动电动势升高，电流迅速下降。电流PWM控制策略无法快速跟踪电流值，可能导致电机失速。电压PWM控制(Chopped Voltage Control，CVC)方式不需要滞环比较电流大小，控制灵活，动态响应快，通过固定脉冲周期，调节PWM波占空比，改变相绕组两端电压的平均值，进而调节相绕组电流，实现调节转速的目的。通常选择将功率变换器上管作为斩波管，通过PWM信号控制，下管作为位置管，通过位置信号控制。斩单管可以减小电流波动，因为当上管关断、下管开通时，会实现绕组零电压续流。

SRM具有非线性、变结构以及变参数的特性，难以对其进行准确地数学建模，且数学模型参数与结构变化随着控制方式的变化而改变，因此采用固定参数的PI控制方式无法取得理想的控制效果[6]。模糊控制算法不需要获得被控系统的确切数学模型，特别适用于非线性、模型不完全等系统的控制[7]。

本文中，电压PWM控制采用模糊控制算法，将相邻两次转速误差和误差变化率作为模糊输入量，经过模糊化，查找模糊推理表，得到模糊输出，再经过反模糊，最终，模糊调节器输出电压PWM波占空比。电压PWM控制策略框图如图7所示。

图7电压PWM控制策略框图

在电压PWM控制和变角度控制之间(转速在3 500～4 000 r/min之间)，通常会用变角度电压PWM控制作为过渡。在变角度电压PWM控制中，通过实时优化开通角，可获得更好的电流波形，降低SRM中速运行时的噪声[8]。

2.3电动车SRM驱动系统高速控制

SRM在高速运行时，使用电压PWM控制会导致电压PWM占空比逐渐增大，一个导通周期内斩波次数减少，为了提高驱动系统效率，而改变单脉冲信号的开通角和关断角的值[9]，使得转矩不随转速升高而下降过快，且保持输出功率恒定。本文在DSP中进行角度优化，实现方法如下图8所示。

图8 变角度控制策略图

变角度控制(Angel Position Control，APC)中开通角的调节也需要依靠模糊控制算法，同样将相邻两次转速误差和转速误差变化率作为模糊控制输入，模糊控制器输出优化后的开通角。

相比于开通角，关断角对电流峰值的影响很小，主要影响电流波形的宽度。增大关断角可增大平均电磁转矩，但关断角过大又会导致相电流进入电感下降区，电机会产生制动转矩。因此，一般采用固定关断角，改变开通角的控制方式。

3 电动车驱动系统控制策略验证

为了验证本文所提出的控制策略，测试SRM驱动系统的调速性能，搭建了实验平台，并进行测试。试验样机采用7.5 kW三相12/8极SRM，选用96 V直流电源供电。试验中，控制SRM经历起动低速区、中速区以及高速区3个阶段。测试内容主要包括3个部分：第一部分是电机转速特性测试，主要测试驱动系统的调速性能，实现宽范围调速；第二部分是电机电流特性测试，验证本文提出的控制策略具有实际可行性。第三部分是电机效率测试，主要测试不同转速下输出额定功率时的效率。

3.1电动转速特性试验

SRM低、中、高转速曲线图如图9所示。图9(a)为0～1 000 r/min的SRM转速曲线，该转速段内采用CCC控制，保证电机平稳快速起动。图9(b)为1 000～3 000r/min的SRM转速曲线，该转速段可分为两段，1 000～2 000 r/min转速段内采用CCC控制，2000～3000r/min转速段内采用CVC控制，由图可看出，在中速段CVC控制方式下电机加速性能比CCC控制方式下更具优势。图9(c)为3 000～5 000 r/min的SRM转速曲线，该转速段也可以分为两段，3 000～4 000 r/min转速段内采用CVC控制，4 000～5 000 r/min采用APC控制方式，从图中可以看出，APC控制加速性能优于CVC控制，更适合高速段控制。

(a)0～1000r/min转速曲线(b)1000～3000r/min转速曲线

图9SRM低、中、高转速曲线图

图9(d)为0～6 000 r/min转速段整体加速波形图，区域(1)为CCC控制，区域(2)为CVC控制，区域(3)为APC控制。从图中可以看出，电机从静止加速至6 000 r/min用时15 s，当控制方式由CVC控制切换为APC控制时，电机加速度显著提高，这是由于在APC控制中，电流峰值主要依靠旋转电动势进行限制，没有直接调控电流或电压，更适用于高速段调速。

3.2电动电流特性试验

SRM在低、中、高转速段的电流特性曲线如图10所示，通道CH1表示电机相绕组电流。

图10(a)为CCC控制电流波形，通过PI算法得到PWM占空比，电机转速为550 r/min，设定电流参考幅值为10 A，电流采样频率为20kHz。将采样值与参考值进行比较，并送至PI算法模块。若大于10 A，PWM占空比输出值为0，关断IGBT；若小于10 A，PWM占空比输出值为正，占空比大小由电流差值的大小进行确定。试验中，PWM占空比太小，因此波形斩波不是很清晰。由图可以看出，电流波形呈平顶波且电流波动很小，说明该控制策略能够稳定地控制开关频率，跟踪电流获得较好的斩波波形，使电机平稳快速启动。图10(b)为CVC控制电流波形，PWM斩波频率为10 kHz，电机转速为2 500 r/min，电流最大值为15 A。由图10(b)和图10(c)

(a)550r/min时加载CCC控制(b)2500r/min时加载CVC控制

图9SRM低、中、高速电流特性曲线图

可以看出，一个控制周期内PWM斩波次数随着转速的升高而减少，控制效果会变得不理想，同时电流波动也会变大，所以之后需要对电压PWM控制进行一些调整，采用变角度CVC控制。

图10(c)为变角度CVC控制电流波形，PWM斩波频率为10 kHz，电机转速为3 500 r/min，电流峰值为25 A。导通角提前1.5°使得在电流在低电感区导通区间变大，电流上升更快，幅值更大。为保证速度不变，需要减小电压PWM占空比值。在3 500～4 000 r/min转速区间段，可以通过优化开通角获得更好的电流波形。

图10(d)为APC控制电流波形，电机转速为5000r/min，电流峰值为30A。电机转速大于3 000 r/min，在优化开通角时需要提前开通角，让相绕组电流提前导通，电流上升时间增大，电流峰值和电流波形宽度也会随之增加，实现电机加速。

3.3电机效率测试

图11给出了电机转速从500 r/min到6 000 r/min输出额定功率时的效率曲线。

图11 效率曲线

由图11可以看出，在转速很低时，电机效率较低。但随着转速的升高，效率也会增大，并维持在一个较高的范围内，使电机持续工作在高效率状态。

试验表明，在不同速度段采用不同的控制策略，可以高效率调节SRM，保证驱动系统具有良好的动态性能。

4 结语

设计了电动车开关磁阻电机驱动系统，并设计了以TMS320F28335为主控芯片的控制器。根据电机不同转速段，设计了相对应的控制策略，实现宽范围调速。在低速段，采用电流PWM控制策略，可以限制绕组电流上限值，减小转矩脉动同时限制功率开关管斩波频率，避免损坏功率开关管，其中，外环采用模糊控制方法调节转速，内环电流环采用PI电流斩波控制，双闭环控制策略保证电机平稳快速地启动运行；在中速段，采用电压PWM控制，利用模糊控制算法调节PWM占空比，改变绕组两端电压，加快转速动态响应；在高速段，采用变角度位置控制，利用模糊算法计算开通角，增大电流幅值，实现电机宽范围调速。在试验平台上，验证了本文提出的控制策略，测试了电动车SRM驱动系统的调速性能。试验结果表明，所提出的控制策略具有很强的适应性，使得该驱动系统具有良好的动态性能和较高的稳态精度，非常适用于电动车场合。

[1] 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社,2010.

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ResearchonControlStrategyofElectricVehicleDriveSystemBasedonSwitchedReluctanceMotor

LIUJie,XUQing-qing

(Suqian College,Suqian 223800,China)

Switched Reluctance Motor (SRM) has wide application prospect due to the merits of simple structure, wide speed operation range, high reliability, multi control parameter, strong overload capacity, etc. Firstly, a SRM drive system framework for electric vehicle was introduced. A controller based on DSP TMS320F28335 was proposed. Different algorithms were applied for different speed range to maximize the efficiency of the motor. The control strategy was based on speed and current double closed loop. At low speed stage, the control strategy with chopped current control (CCC) which used PI algorithm to regulate the PWM duty cycle was introduced to limit phase currents, torque ripple and power switch tube chopping frequency which can avoid damaging the power switch tube, which aimed to ensure the motor starting and working calmly. At medium speed stage, chopped voltage control (CVC) was applied to speed up the speed dynamic response; At high speed stage, angel position control (APC) was applied to acquire wide speed range. Finally, experiments were carried out on the prototype to verify the proposed control strategy and test speed adjustment performance of the SRM drive systems for electric vehicle. The experiments results show that the proposed control strategy has strong adaptability making the drive system has good dynamic performance and high steady accuracy.

switched reluctance motor; drive system; control strategy; electric vehicle

2016-06-01

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C252)；宿迁市科技计划项目(H201421,Z201530)

TM352

：A

：1004-7018(2016)11-0077-04

刘洁(1981-)，女，实验师，主要研究方向为机电控制。