基于角度優(yōu)化的開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)電回饋控制策略研究

摘要：開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)簡單、工作可靠、效率高，應(yīng)用于電動(dòng)汽車具有很大應(yīng)用潛力，但由于其嚴(yán)重的非線性，數(shù)學(xué)模型難以建立。通過分析開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)制動(dòng)發(fā)電和能量回饋工作原理，找到影響發(fā)電效率的主要因素，通過模糊控制調(diào)節(jié)開通角、關(guān)斷角度實(shí)現(xiàn)角度優(yōu)化，提高開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)電效率。

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關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)；角度優(yōu)化；發(fā)電效率

中圖分類號：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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Research of Angle Optimization Generation Feedback Control Strategy for Switched Reluctance Wheel Motor

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CHEN Yu，YI Ling Zhi，DAI Biao ，CHEN Yu Gan

（College of Information Engineering ， Xiangtan Uniwersity， Xiangtan411105，China）

Abstract：Wheel switched reluctance motor is simple， working reliably， high efficiency， and has great potential for electric vehicle. But because of serious nonlinearity，its mathematical model is difficult to establish. By analyzing the Switched Reluctance wheel motor braking power generation and energy feedback working principle， we can find the main factors affecting the efficiency of power generation . Also we can improve the power generation efficiency of switched reluctance wheel motor by means of fuzzy controling and adjusting the turnon and turnoff angle which can Realize the Angle optimization.

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Key words：switched reluctance wheel motor；angle optimization；power generation efficiency

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1引言

輪轂電機(jī)技術(shù)將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，使得電動(dòng)車輛的機(jī)械部分得到一定程度上的簡化，充分發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢。根據(jù)電動(dòng)汽車在各種運(yùn)行狀態(tài)的特性可知：針對其驅(qū)動(dòng)電機(jī)在起步、加速、減速、制動(dòng)等狀況時(shí)的各種特性，要求兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)3種功能的電機(jī)。在剎車或下坡時(shí)以發(fā)電的形式將運(yùn)動(dòng)車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在儲能裝置鉛酸蓄電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收[1—2]。本文從能量轉(zhuǎn)換的本質(zhì)出發(fā)，了解了最佳開關(guān)角的控制規(guī)律的特征，基于優(yōu)化開關(guān)角的目的，采用模糊控制對開關(guān)角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)控制

開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)再生制動(dòng)發(fā)電模式是在開關(guān)磁阻電機(jī)的電感下降區(qū)L/θ<0，電流產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能反饋給電源。在汽車電氣系統(tǒng)中，低效將導(dǎo)致更高的消耗、更短的蓄電池壽命，應(yīng)盡可能提高能量轉(zhuǎn)換效率。開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)可利用開通角和關(guān)斷角來優(yōu)化其能量轉(zhuǎn)換過程，提高轉(zhuǎn)換效率。

Tam=12L（θ）θi2（1）

在發(fā)電階段，無法直接對開關(guān)磁阻電機(jī)相繞組電流進(jìn)行控制，只能通過控制勵(lì)磁階段的相電流，增加磁能儲能來實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)控制方案主要包括電流斬波（CCC）、脈寬調(diào)制調(diào)壓控制（PWM）、角度位置控制（APC）3種，它們都是通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，控制開關(guān)磁阻電機(jī)輸出功率[3]。

2.1角度位置控制

分析開關(guān)磁阻的轉(zhuǎn)矩特性可知：當(dāng)電流波形主要位于電感上升區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為正，開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)電流波形主要位于電感的下降段時(shí)，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，開關(guān)磁阻電機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。而通過對開通角、關(guān)斷角的控制，可以使電機(jī)運(yùn)行在不同的狀態(tài)。因?yàn)殚_通角和關(guān)斷角都可以調(diào)節(jié)，所以角度位置控制可分為：變開通角、變關(guān)斷角和同時(shí)改變開通角和關(guān)斷角三種調(diào)節(jié)方式。通過改變開通角不只可以改變電流波形的峰值、寬度和有效值的大小，還可以改變電流波形與電感波形的相對位置，從而間接調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。而關(guān)斷角可以通過改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對位置從而改變電流的有效值。在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)角度位置控制方式通過同時(shí)調(diào)節(jié)開通角θon和關(guān)斷角θoff的大小，通過對其角度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)在變化的負(fù)載情況或電機(jī)轉(zhuǎn)速變化下保持較高的發(fā)電效率。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性等因素使得同時(shí)對開通角θon、關(guān)斷角θoff進(jìn)行控制的方案較復(fù)雜，很難同時(shí)調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)開通角θon減小或關(guān)斷角θoff增大時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)的勵(lì)磁時(shí)間增長，勵(lì)磁電流增大。開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電效率增加。但開通角θon或關(guān)斷角θoff沒有設(shè)定正確，反而會使發(fā)電效率降低[4—6]。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2012年9月

第31卷第3期陳禹等：基于角度優(yōu)化的開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)電回饋控制策略研究

2.2電流斬波控制

電流斬波控制是把開關(guān)磁阻電機(jī)相電流i與已經(jīng)設(shè)定好的電流斬波限is進(jìn)行比較，當(dāng)iis，則關(guān)閉功率電路中的IGBT，直到開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流值小于斬波電流限定值IGBT才再次開通。電流斬波控制方案在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，繞組相電流較大，采用電流斬波控制方式能很好的限制電流峰值，使其不超過允許值，從而起到良好有效的保護(hù)和調(diào)節(jié)作用。但其電流斬波的頻率隨著電流誤差變化而變化，不利于電磁噪聲的消除，且同樣發(fā)電情況下相電流不可控。

2.3脈寬調(diào)制調(diào)壓控制

脈寬調(diào)制調(diào)壓控制方法就是將開通角θon和關(guān)斷角θoff固定在優(yōu)化值上。在θon～θoff區(qū)間用PWM信號對開關(guān)器件的觸發(fā)信號進(jìn)行調(diào)制，通過調(diào)節(jié)占空比D來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的平均值，從而控制勵(lì)磁電流的大小，D越大勵(lì)磁電流越大，從而開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出功率越大。 圖1（a） 轉(zhuǎn)速語言變量隸屬函數(shù)

 圖1（b）開通角語言變量隸屬函數(shù)

 圖1（c）關(guān)斷角語言變量隸屬函數(shù)

3基于模糊邏輯開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)電

狀態(tài)角度優(yōu)化控制

當(dāng)開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)下，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速降低或負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，定子電流波形變化，固定的開通角和關(guān)斷角不適合開關(guān)磁阻電機(jī)的能量回收，影響系統(tǒng)效率。隨著轉(zhuǎn)速降低，開通角和關(guān)斷角按照某種規(guī)律變化，通過角度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率。由于開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)數(shù)學(xué)模型的非線性，使得開通關(guān)斷角隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的改變呈非線性，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜， 很難用數(shù)學(xué)語言表達(dá)。模糊控制適合于數(shù)學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握的對象，本文采用一個(gè)單輸入雙輸出的模糊邏輯控制器，解決開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)能量回收時(shí)角度優(yōu)化問題[5—8]。開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為模糊邏輯控制的輸入量，經(jīng)過模糊化、模糊推理、去模糊化的過程，輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速情況下認(rèn)為的最優(yōu)開通和關(guān)斷角。三個(gè)模糊變量的模糊語言子集分別為：

轉(zhuǎn)速：“很慢”，“慢速”，“中速”，“快速”，“很快”（“VS”，“S”，“M”，“F”，“VF”）；

開通角θon：“很小”，“小”，“中”，“大”，“很大”（“VS”，“S”，“M”，“B”，“VB”）；

關(guān)斷角θoff：“很小”，“小”，“中”，“大”，“很大”（“VS”，“S”，“M”，“B”，“VB”）；

模糊變量語言子集的隸屬函數(shù)見圖2。

模糊規(guī)則為：

轉(zhuǎn)速為VS時(shí)θon是B，θoff是B

轉(zhuǎn)速為S時(shí)θon是M，θoff是B

轉(zhuǎn)速為M時(shí)θon是M， θoff是M

轉(zhuǎn)速為F時(shí)θon是S，θoff是S

轉(zhuǎn)速為VF時(shí)θon是VS，θoff是VS

4仿真結(jié)果

圖2為開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的控制系統(tǒng)仿真，由勵(lì)磁電源、功率驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)磁阻電機(jī)、模糊控制器構(gòu)成。其中模糊控制器的模糊控制規(guī)則已經(jīng)確定，由采樣時(shí)刻的速度輸入，模糊控制規(guī)則導(dǎo)出模糊控制器的控制量輸出。本文采用的重心算法，取隸屬度曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心作為模糊推理的最終輸出值。得到控制開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)制動(dòng)勵(lì)磁的開通角和關(guān)斷角。

 圖2開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)

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本文用MTALAB對電動(dòng)汽車的一個(gè)開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)進(jìn)行建模與仿真研究，采用的是四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)，電流斬波限定值I(xiàn)s為20A。蓄電池電源電壓為40V。研究實(shí)際運(yùn)行情況下輪轂電機(jī)的工作情況，以及在制動(dòng)狀態(tài)下輪轂電機(jī)的回饋電能，及其通過模糊控制優(yōu)化發(fā)電狀態(tài)下的開通角和關(guān)斷角，提高開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)發(fā)電效率。

啟動(dòng)時(shí)電機(jī)初始速度為零，以初始相處的位置定義角度為零。1/2周期導(dǎo)通時(shí)最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，并且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小，而1/3周期導(dǎo)通，由于相之間重合較少，最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與1/2轉(zhuǎn)子周期角導(dǎo)通時(shí)差不多，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較差，因此起動(dòng)性能不好。電動(dòng)時(shí)開通角和關(guān)斷角分別為35度和50度。制動(dòng)時(shí)開通角和關(guān)斷角隨著速度變化而調(diào)節(jié)。

圖4為在0.5s前輪轂電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)汽車一直處于加速狀態(tài)。0.5s后電機(jī)開始下坡，輪轂電機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，且汽車保持一定速度下坡。在制動(dòng)過程中回饋的電能補(bǔ)充給蓄電池充電。

圖5（a）為固定開通角和關(guān)斷角時(shí)，電動(dòng)汽車在下坡時(shí)蓄電池的剩余電量（SOC）。圖5（b）為采用模糊控制方法對開通角和關(guān)斷角進(jìn)行角度優(yōu)化下蓄電池的剩余電量（SOC）。在0.5s后電動(dòng)汽車開始下坡，根據(jù)實(shí)際情況要保持一定速度下坡，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降時(shí)模糊控制會采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在不

圖3開關(guān)磁阻電機(jī)模型

圖4下坡時(shí)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速

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同轉(zhuǎn)速階段調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角，圖5（a）相對圖5（b）而言提高了開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的發(fā)電效率。

（a）

（b）

圖5下坡時(shí)蓄電池SOC 

同時(shí)對電動(dòng)汽車的剎車過程也進(jìn)行仿真，圖6

 圖6剎車時(shí)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速

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為對電動(dòng)汽車由啟動(dòng)到靜止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，0.5s前電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速一直上升，到0.5s后開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，直到2s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，電動(dòng)汽車停止。

圖7（a）與圖7（b）的蓄電池剩余電量對比，圖8（a）為運(yùn)用模糊控制優(yōu)化開通角與關(guān)斷角的方案，開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速從高速一直降低為0，期間不同轉(zhuǎn)速階段，開通角和關(guān)斷角變化了幾次，與圖7（b）固定開通角與關(guān)斷角的蓄電池剩余電量相比，在發(fā)電階段蓄電池增加電量前者的電量要高于后者。同樣說明基于模糊控制角度優(yōu)化對于提高開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的發(fā)電效率是有效的，由蓄電池吸收的電能相對而言增加了，可知道開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)的發(fā)電效率提高了。

 （a）

 （b）

圖7剎車時(shí)蓄電池SOC

5結(jié)論

本文通過模糊控制器改變功率開關(guān)管相對于轉(zhuǎn)子電感的開通角和關(guān)斷角，通過檢測其儲能裝置蓄電池的剩余電量，與固定開通角和關(guān)斷角時(shí)蓄電池剩余電量進(jìn)行比較，證明了采用模糊控制對開通角和關(guān)斷角在制動(dòng)回饋狀態(tài)下進(jìn)行角度優(yōu)化，在一定程度上可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，具有現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義的。

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