五電平拓撲下開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制

程勇， 林輝

(1.西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072;2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710054)

五電平拓撲下開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制

程勇1，2， 林輝1

(1.西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072;2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安 710054)

針對開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動，提出開關(guān)磁阻電動機五電平驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)和滯環(huán)控制策略。研究和分析五電平拓撲的五電平導通原理，并與不對稱半橋驅(qū)動電路三電平導通進行比較。結(jié)合開關(guān)磁阻電機繞組導通和直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制原理，設(shè)計五電平驅(qū)動下開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制策略，并且進行仿真實驗。仿真結(jié)果證實與不對稱半橋電路相比，五電平拓撲下的轉(zhuǎn)矩控制算法簡單，而且有效減小轉(zhuǎn)矩脈動，改善轉(zhuǎn)矩的動態(tài)特性。

開關(guān)磁阻電機;轉(zhuǎn)矩脈動;直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制;五電平驅(qū)動拓撲

0 引言

開關(guān)磁阻電機(switched reluctance motors，SRM)具有簡單而特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)，造成了磁場分布嚴重非線性。針對開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控制是一個公認的難題和研究的熱點。目前，已經(jīng)取得了大量的關(guān)于減小轉(zhuǎn)矩脈動成果。文獻［1］利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性系統(tǒng)的逼近能力，實現(xiàn)i(T，θ)關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，通過瞬時電流跟蹤控制參考電流，控制轉(zhuǎn)矩。文獻［2－3］分別利用迭代學習控制和直接轉(zhuǎn)矩方法實現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)矩。文獻［4－5］采用直接瞬時轉(zhuǎn)矩方法和Boost電路形成了四電平的拓撲，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。還有通過關(guān)斷角補償［6］，減小轉(zhuǎn)矩脈動。這些算法雖然都實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制，但是控制算法復雜、系統(tǒng)魯棒性不理想、并且計算量大。

直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制［4－5，7］(direct instantaneous torque control，DITC)不同于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配法的電流優(yōu)化控制輸出轉(zhuǎn)矩，它是通過轉(zhuǎn)矩誤差控制相繞組上的電壓，控制輸出轉(zhuǎn)矩。根據(jù)直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制理論，文中提出了五電平的功率拓撲［9］，并且詳細分析導通過程，再與不對稱半橋比較后，提出了單相導通和換相導通的滯環(huán)控制策略，最后通過仿真驗證了該拓撲在DITC控制中的有效性。

1 開關(guān)磁阻電機輸出轉(zhuǎn)矩分析

假設(shè)四相SRM電動機各相繞組采用正向方式連接，且相間互感可以忽略不計，同時各相繞組具有相同的電磁特性。

式中W'、Te表示電機第k相繞組磁共能、總電磁轉(zhuǎn)矩。式(1)描述了SRM每相轉(zhuǎn)矩Tek與磁共能W'、位置角θ關(guān)系。Tek是第k相的瞬時轉(zhuǎn)矩。在式(2)中，當k相轉(zhuǎn)矩相加就表示電機的總電磁轉(zhuǎn)矩［7］。

由式(1)可知，磁共能的改變與轉(zhuǎn)子位置、繞組電流的瞬時值相關(guān)。在DITC系統(tǒng)，輸出的瞬時轉(zhuǎn)矩要作為閉環(huán)控制重要變量，通過控制定子繞組電壓可以控制瞬時輸出轉(zhuǎn)矩［4，7］。文中SRM的瞬時轉(zhuǎn)矩，采用文獻［8］的方法建立轉(zhuǎn)矩電流角度表，并且通過查表的方法獲得SRM瞬時輸出轉(zhuǎn)矩。

2 拓撲分析

不對稱半橋式結(jié)構(gòu)是SRD中應(yīng)用較多的單極性驅(qū)動電源。根據(jù)不對稱半橋工作原理，定子繞組電壓定義3個狀態(tài)。由DITC理論［7］可知，更多的電壓狀態(tài)會提高SRM的轉(zhuǎn)矩性能，獲得良好的輸出轉(zhuǎn)矩特性。圖1是五電平開關(guān)磁阻電機的驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)。圖2為五電平驅(qū)動電路相繞組電壓狀態(tài)。

圖1 五電平開關(guān)磁阻電機驅(qū)動功率電路Fig.1 Five level converter of 4-phase SRM

五電平電路中，比不對稱半橋電路多了兩個電源控制開關(guān)管(VTc1，VTc2)和一個單極性電源(Us1)。增加兩個開關(guān)管和反向并聯(lián)二極管給繞組提供不同母線電壓等級。由于A相C相(或者B相D相)不能同時導通，因此它們可以共用開關(guān)管VTc1，VTc2(或者 B 相 D 相共用VTc3，VTc4)。

圖2 五電平驅(qū)動電路相繞組電壓狀態(tài)Fig.2 Voltage state of SRM in five level converter

在圖2(a)中，當SRM繞組需要快速勵磁時，VTc1、VTAU、VTAD導通，VTc2斷開時，電機的電源電壓是(Us1+Us2)，可以有效降低電壓建立時間。為了和不對稱半橋電路的繞組電壓狀態(tài)區(qū)別，定義相繞組電壓狀態(tài) Sk=+2。圖2(b)中，在 VTc1、VTAU、VTAD、VTc2斷開時，加在繞組電源電壓為 －(Us1+Us2)，繞組通過 VDU1、VDA1、VDA2導通反向放電，定義 Sk= －2。圖 2(c)中，在 VTc1、VTc2、VTAU斷開，VDA2、VTAD導通時，相繞組處于續(xù)流狀態(tài)，等效電源等于0，定義Sk=0。圖2(d)中，VTc1關(guān)斷，當繞組電勢小于 Us2，VTc2斷開時，VDU2、VTAU、VTAD導通時，那么二極管VDU1導通，繞組上電源電壓為Us2，相繞組電壓狀態(tài) Sk=1。圖 2(e)中，當 VTc1、VTAU、VTAD斷開時，VTc2、VDA1、VDA2導通，等效電源等于 － Us2，相繞組電壓狀態(tài)Sk=－1。

因此，等效的繞組電壓狀態(tài)也由3種拓展到了5種。比較文獻［5］四電平功率電路，五電平電路電壓狀態(tài)多了2個電壓等級，這將幫助改善轉(zhuǎn)矩動態(tài)性能。

3 五電平驅(qū)動電路的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略

DITC算法的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩誤差的滯環(huán)控制策略。文中SRM控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。由查表法得到的瞬時轉(zhuǎn)矩作為控制量，與參考轉(zhuǎn)矩進行比較后，再送入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器控制。在每個導通周期內(nèi)，各相繞組輪流單相導通。

圖3 五電平直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制原理Fig.3 Control scheme structure of five level instantaneous torque control system

根據(jù)SRM的線性化公式，相電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩可簡化為

圖4 各相電感與位置角關(guān)系圖Fig.4 Relation of induction and position angle

3.1 各相電感和換相角之間的關(guān)系

四相繞組電感和轉(zhuǎn)矩及位置角導通、關(guān)斷關(guān)系如圖5所示。把四相繞組的通電周期分成:換相區(qū)間和單相區(qū)間兩個部分。以D相和A相為例，說明導通區(qū)間關(guān)系。在0°～θ ，D相單相導通，有＞Aon0，D相產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。此時雖然A相＞0，但很小，因此A相在這個位置角區(qū)間并不導通。

圖5 各相轉(zhuǎn)矩與位置角關(guān)系示意圖Fig.5 Sketch of each phase torque in different position

3.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制

單相時，以D相單獨導通為例。如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr增加且大于ΔT1，D相繞組要處在正常導通狀態(tài)，SD=1;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr增加且大于ΔT2，D相繞組要產(chǎn)生足夠的電流滿足輸出轉(zhuǎn)矩增加的要求，SD=2;如果轉(zhuǎn)矩誤差 ΔTerr減小且 － ΔT1≤ΔTerr＜0，通過續(xù)流實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩緩慢減小的要求，SD=0;如果轉(zhuǎn)矩誤差 ΔTerr減小且 －ΔT2≤ΔTerr＜ － ΔT1，繞組加負壓SD=－1，使得輸出轉(zhuǎn)矩進一步減小;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr減小且ΔTerr＜－ΔT2，D相繞組要加速退磁，滿足輸出轉(zhuǎn)矩加速減小的要求，SD=－2，如圖6(a)所示。

換相時(D相換到A相)，滯環(huán)控制的原則即將單相導通相(A相)承擔增加輸出轉(zhuǎn)矩作用，即將關(guān)斷相(D相)承擔減少轉(zhuǎn)矩作用。如果需要減小輸出轉(zhuǎn)矩的時候，應(yīng)該盡可能的平緩的降低D相電壓，A相繞組電壓減小等級要比D相低。

如果轉(zhuǎn)矩誤差 ΔTerr增加且 ΔT1≤ΔTerr≤ΔT2，D相繞組要在正常導通狀態(tài)，SD=1，A相繞組也要保持SA=1;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr進一步增加且ΔTerr≥ΔT2，A、D相繞組要加速導通滿足輸出轉(zhuǎn)矩增加的要求，SD=2，SA=2;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr減小增加且－ΔT1≤ΔTerr≤0，D、A 兩相繞組 SD=0，SA=1，緩慢減小轉(zhuǎn)矩;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr減小且－ΔT2≤ΔTerr≤－ΔT1，SD= －1，SA=0，使得輸出轉(zhuǎn)矩進一步減小;如果轉(zhuǎn)矩誤差ΔTerr減小且ΔTerr≤－ΔT2，D相繞組要加速退磁，快速減小輸出轉(zhuǎn)矩加速，那么加繞組狀態(tài)電壓SD=－2，A相SA=－1。如圖6(b)，6(c)所示。

圖6 單相導通和兩相換相滯環(huán)控制原理Fig.6 Sketch of torque hysteresis controller in conduction and two phases commutation

4 仿真

根據(jù)文中所述算法，采用Matlab仿真軟件，對額定功率2.2 kW四相8/6極電機，進行了不對稱半橋三電平和五電平功率電路的DITC方法的仿真研究，設(shè)開通角度 θon和關(guān)斷角度 θoff分別 2°和 21°，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600 r/min。兩電源電壓(Us1和Us2)分別為電機定子繞組額定電壓(280 V)的一半140 V。選擇轉(zhuǎn)矩誤差滯環(huán)門限ΔT1=0.1，ΔT2=0.2。其中三電平滯環(huán)控制策略與文獻［7］中方法完全相同。

仿真結(jié)果如圖7(a)、7(b)兩圖是0.2 s時，指令轉(zhuǎn)矩由4 N·m向1 N·m躍變時，五電平拓撲下電機的轉(zhuǎn)矩輸出地魯棒性強于不對稱半橋，沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)矩波動，及時跟定指令轉(zhuǎn)矩，而且過渡過程明顯比不對稱半橋要短，動態(tài)性能好。其中，在圖7(c)中，五電平拓撲穩(wěn)態(tài)下在換相處有較明顯的轉(zhuǎn)矩波動，但是輸出轉(zhuǎn)矩脈動被控制在了(3±0.2)N·m內(nèi)。可見五電平拓撲電壓控制策略抑制了轉(zhuǎn)矩的脈動。在圖7(d)中，轉(zhuǎn)矩脈動的包絡(luò)要比五電平電路大，最大轉(zhuǎn)矩誤差絕對值達到0.3 N·m。圖7(e)～7(h)說明了輸出轉(zhuǎn)矩在6 N·m穩(wěn)態(tài)下，A、B、C三相輸出轉(zhuǎn)矩和對應(yīng)的電壓狀態(tài)。如果電機的負載接近額定負載，那么五電平下DITC將采用電源電壓的±2狀態(tài)完成大滯環(huán)輸出轉(zhuǎn)矩控制，而轉(zhuǎn)矩誤差減小進入小滯環(huán)，DITC通過電源的±1狀態(tài)平滑地輸出轉(zhuǎn)矩。在圖7(e)、7(g)中，五電平控制策略在換相過程中，通過滯環(huán)控制策略五電平拓撲換相階段轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小。不對稱半橋電路由于只有3個電平等級，在換相處的容易引起轉(zhuǎn)矩脈動過大。圖7(g)與圖5中設(shè)計的輸出轉(zhuǎn)矩波形一致，證明了理論設(shè)計的各相輸出轉(zhuǎn)矩。

圖7 兩拓撲DITC仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of DITC between two topologies

5 結(jié)論

針對DITC原理，文中提出五電平拓撲和控制算法解決了SRM電機轉(zhuǎn)矩脈動問題。依靠五電平功率變換器，基于直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制方法的控制策略加強了SRM驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩魯棒性，仿真結(jié)果充分證明了這種方法有效和可行。五電平拓撲為SRM控制提供豐富的控制電壓和向量，該拓撲同樣也可以構(gòu)成豐富的空間電壓矢量，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。

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(編輯:劉素菊)

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

航空科學基金項目(2007ZC53036)

程 勇(1979—)，男，博士研究生，研究方向為檢測技術(shù)，開關(guān)磁阻電機控制;

林 輝(1957—)，男，教授，博士生導師，研究方向為迭代學習控制、電機控制、故障診斷等。