HEV驅動用開關磁阻電機電流失控問題的分析與解決

張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風商用車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

HEV驅動用開關磁阻電機電流失控問題的分析與解決

張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風商用車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

本文結合HEV驅動用開關磁阻電機調速系統開發中遇到的電流失控問題，分析了失控電流的變化過程及產生原因，并從開關磁阻電機運行原理出發，分析了發電運行過程中電流失控產生的機理。最后，文章提出了解決電流失控問題的方案，并通過臺架試驗驗證了方案的可行性。

開關磁阻電機；電流斬波控制；角度位置控制；運動電勢；失控電流

張大雙

碩士學位，現任職于東風商用車技術中心，從事新能源汽車驅動電機系統的開發設計工作。

1　前言

開關磁阻電機調速系統由開關磁阻電機及其控制器構成，由于結構簡單、成本低、起動性能好、調速范圍寬、容錯能力強、效率高，已成為新能源汽車電驅動系統，特別是HEV驅動系統最具發展潛力的技術方案之一。隨著在新能源汽車上的應用，容錯能力及故障診斷成為近年來開關磁阻電機調速系統研究熱點之一。

由于控制器工作在高電壓、大電流、高頻率開關狀態，且電磁環境惡劣，是開關磁阻電機調速系統中故障率最高的環節［1］，尤其以電流失控問題最為嚴重：一方面，失控電流急劇上升，導致功率器件損壞，降低控制器的可靠性；另一方面，電流失控將導致轉矩失控，引起很大的轉矩脈動，損害車輛傳動機構，危害車輛行駛安全。因此，必須采取措施加以預防，避免出現電流失控［2，3］。

本文結合HEV驅動用開關磁阻電機調速系統開發中遇到的電流失控問題，分析了失控電流的變化過程及產生原因，并從開關磁阻電機運行原理出發，分析了發電運行過程中電流失控產生的機理，提出了相應的解決方案，并通過臺架試驗驗證了方案的可行性。

2　電流失控故障現象及分析

2.1電流失控故障現象

圖1是一臺HEV客車驅動用開關磁阻電機調速系統（額定功率80KW、額定轉速1000rpm）臺架試驗時，電流失控瞬間示波器捕捉記錄的相電流及母線電壓波形。電流失控導致了失控相（V相）兩個IGBT器件和母線上三個繼電器的損壞，同時，巨大的電流沖擊也使得主電路銅排及控制器殼體嚴重變形，對試驗人員的人身安全也造成了一定的威脅。

電流失控瞬間，電機的轉速為1000rpm，功率為22KW。圖1中，第一條曲線為母線電壓波形，第二條曲線為U相電流波形，第三條曲線為V相電流波形。從V相電流波形看，其電周期約占示波器兩格寬度。

2.2電流失控故障分析

首先來分析電流失控瞬間，失控相（V相）電流波形變化的過程。由于電機控制器的功率電路采用不對稱半橋結構［4］，如圖2所示，且電機電動運行，在圖1中所示的第3個電周期，V相電流斬波結束后，其上下橋臂IGBT均關斷，且應在本周期保持關斷至第4周期開始。但在V相電流降至接近零時，又來了一個觸發脈沖使IGBT在電感下降區誤導通，導致V相進入發電狀態，期間電流急劇上升，超過了電流斬波控制方式的電流上限，電流處于失控狀態。

在第4個電周期初始時刻，電機電動運行，V相上下橋臂IGBT正常導通，由于電流超過斬波電流上限，于是進入斬波階段，電流開始下降。但斬波關斷的第一個周期結束后，電流急劇上升，到了硬件保護電路的模擬斬波上限，系統開始模擬斬波。在模擬斬波階段電流已經得到控制，并且在電感進入下降區前，V相上下橋臂兩個IGBT也關斷了，電流開始下降。但在電感進入下降區的時刻，復現了第3周期的現象，又一個觸發脈沖導致V相又進入了發電狀態，由于此時的初始電流勵磁已經建立，電流以（|u|+|I·ω·dL（θ）/d θ|）/L（θ）的速率快速上升，超過電流采樣的速率，模擬斬波失效，電流完全失控，超過了功率器件能允許通過的最大電流，最終導致V相兩個IGBT損壞。

再來分析母線電壓波形：相電流的上升導致了母線電流的上升及母線電壓的下降。在第4個電周期，模擬斬波期間，由于電流較大，母線電壓下降明顯，低于欠壓保護值，這也很好解釋了之前的幾次試驗中，控制器進入欠壓保護狀態原因。而由于誤以為是欠壓保護值設置太高，調低欠壓保護值后，導致本次試驗控制器并未進入欠壓保護狀態。盡管在模擬斬波時隨著電流下降及W相的開通（圖中未顯示），母線電壓慢慢恢復，但隨著電流的再一次快速上升，母線電壓直接跌至低點，控制器嚴重損壞。

通過對失控電流的變化過程分析可知，連續兩個電周期錯誤脈沖的觸發使IGBT在電感下降區即發電區一直處于導通狀態是出現電流失控的根本原因，因此IGBT在發電區導通是電流失控的前提。

3　發電過程中電流失控產生機理及發電電流控制策略

3.1發電過程中電流失控產生機理

由前一節分析可知，IGBT在發電區導通即電機發電運行過程中會有電流失控的可能，因此，發電運行過程電流的控制至關重要。仍以不對稱半橋結構功率電路為例，分析開關磁阻電機發電運行時失控電流是如何產生的。

對于SR電機線性簡化模型，當磁路不飽和，且忽略相間互感，根據開關磁阻電機運行原理及功率電路，電機一相電壓平衡方程及電磁轉矩方程［4，5］如下：

其中，電壓平衡方程左邊為外加電源電壓，右邊第一項是相繞組的電阻壓降，第二項為相繞組上的電感壓降，第三項為運動電勢e。

由式（3）可以看出，當繞組上施加正向電壓，外加電源與運動電勢通過繞組短路，繞組電流的變化率為正，電流將快速上升，電流有失控的危險；當繞組上施加反向電壓，負載電流的上升與下降取決于外u 和e 的絕對值大小。如果u＞e，則負載電流變化率為負，電流下降，電流可控；反之則負載電流變化率為正，電流也會上升，電流可控性變差，但電流上升的速度會遠小于給繞組施加正向電壓時電流上升的速度，且電流最大值可以預估。

解上述微分方程（5）可得：

其中，i0為起動勵磁電流。要使電流可控，則必有：di /dt ＜ 0 ，即：

由于 u ＜ 0 ，Lmax＞ 0 ，i0＞ 0 ，ω ＞ 0 解不等式（7），可得開關磁阻電機發電運行電流可控性須滿足不等式：

由上述不等式可知，SR電機電流的可控性與母線電壓和當前電機轉速相關。當電機高速運行或外加電源電壓過低時，會出現電流不可控。圖3給出了固定轉速，固定開通角和關斷角以及同一勵磁電流，不同電壓下一相電流的仿真結果。由圖中可以看出，隨著電壓的降低，電流幅值愈來愈大，當電壓降至150V時，電流峰值最大。隨著電壓的 繼續下降，關斷時由于勵磁電流 已經達不到給定值（固定開通角），加上繞組電阻的影響，電流峰值反而降低。

3.2電機發電電流控制策略

綜上所述，在SR電機發電運行時，在電流的控制策略中應考慮以下幾點：

1發電運行時，繞組初始勵磁電流建立后，繞組兩端一定不能施加正向電壓，以自勵不對稱半橋結構功率變換為例， IGBT必定不會工作在上下橋臂在整個電感下降區均導通的狀態，否則電流快速上升，電流將會失控，這一點在實際的試驗中得到了驗證。

2開關磁阻電機低速發電運行時，滿足式（8），電流可控，可以采用電流斬波控制（CCC）。通過整個導通期間上橋臂IGBT 斬波實現零電壓續流時，電流增加；下橋臂IGBT 關斷實現繞組兩端施加負電壓時，電流減少。

3開關磁阻電機高速發電運行時，不滿足式（8），電流不可控，但不可控并不代表電流失控。由于電流最大值可以預估（出現在電感下降至最小電感處），如圖3所示，這種不可控可以加以利用，以獲得盡可能大的發電功率和效率。實際發電控制中可以實時檢測母線電壓及運行速度，根據發電功率調節發電運行時的開通角及關斷角，即角度位置控制方式（APC），將失控電流限制在預期的范圍內。

正是基于上述3點的考慮，在忽略電阻壓降的前提下，SR電機的發電性能可以做到與電動性能一樣，即相電流關于電機對齊位置θ對稱［5］。圖4是

a低速CCC控制和高速APC控制時，電動運行與發電運行的相電流及相電壓仿真波形。

4　電流失控問題解決方案及試驗驗證

4.1電流失控問題解決方案

由于主控電路及控制策略在另一開關磁阻電機調速系統已經通過驗證，可以判斷策略本身并沒有問題。對比兩個控制器，差別在于出現電流失控問題的控制器由于尺寸的限制，功率電路的復合母排布線較另一臺控制器復雜且混亂，使得電機運行過程中高頻開關電流產生的電磁干擾導致IGBT的驅動電路產生了錯誤脈沖。因此解決措施之一就是在每個IGBT兩端并上一個電容來進行濾波，如圖5所示，使電流波形更加光滑，減小干擾源，但這仍不能從根本上保證電流絕對可控。

為保證功率器件可靠導通，避免出現電流失控問題，更有效的措施是用軟件的方法，在控制策略中增加一個角度控制的程序，來關斷由錯誤脈沖觸發而導通的IGBT，從而保證電流可控。具體的思路：當觸發脈沖到來時，通過軟件查詢手段判斷當前電機位置是否處于與當前運行模式對應的開通角和關斷角之間，處于開通角與關斷角之間，就導通，否則就關斷IGBT。圖6是具體的角度控制程序流程圖。

4.2試驗驗證

采用上述方案后，開關磁阻電機電流失控問題得到了很好的解決，開關磁阻電機調速系統運行可靠，圖7是臺架試驗中不同工況下的相電流波形。

5　結論

開關磁阻電機在發電運行時會出現電流不可控問題，一方面我們要充分利用不可控電流產生的機理，將電流限制在可控的范圍內，獲得更高的發電功率和效率；另一方面我們要運用硬件和軟件的手段防止發電運行過程中出現電流失控問題，從而保證車輛行駛的安全可靠。

［1］盧勝利，陳昊，曾輝，于東升. 開關磁阻電機中功率變換器故障在線診斷方法［J］.中國電機工程學報，2010，Vol.30（3）：63-70.

［2］WangShuanghong，［ZhanQionghua， MaZhiYuan，ZhouLibing］. Implementation of a 50kW Four-Phase Switched Reluctance Motor Drive System for Hybrid Electric Vehicle［J］. IEEE Transactions On Magnetics，2005， Vol. 41（1）： 501-504.

［3］Marcus Menne，［Robert B.Inderka，Rik W.De Doncker］. Critical State Generating Model if Switched Reluctance Machine［J］. IEEE Power Electronics Specialists Conference （PESC）， 2000， Vol .3： 1544-1550.

［4］王宏華. 開關型磁阻電動機調速控制技術［ M ］.北京：機械工業出版社，1995： 22-24，65-76.

［5］吳建華. 開關磁阻電機設計及應用［M］. 北京：機械工業出版社，2001：31-32，53-60.

專家推薦

張凡武：

論文針對HEV驅動用開關磁阻電機調速控制系統開發中出現的電流失控問題，分析失控電流的變化過程及產生原因，并從開關磁阻電機運行原理出發，分析在發電運行狀態時電流失控產生的機理，提出了解決電流失控問題的方案，并通過臺架試驗驗證了方案的可行性。

論文對新能源汽車開關磁阻電機驅動控制系統安全保護及容錯能力研究與設計具有參考價值。

Analysis and Solution of Switch Reluctance Motor Current Uncontrollable Problem

ZHANG Da-shuang， ZHOU Yao， PU Gang， JIANG Li-wei， ZHU Jiang
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

An example of current uncontrollable problem of SR motor was given firstly， then the paper analyzed the changing process and the cause of uncontrollable current. Based on the SR motor operational principle， it also discussed the mechanism of the current incontrollable problem during generating operation. At the end of the paper， the solution was provided and verified by the bench test.

Switch Reluctance Motor（SRM）； Current Chopping Control（CCC）； Angle Position Control（APC）； Motion Electromotive Force； Uncontrollabe Current

TM352

A

1005-2550（2015）04-0045-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.010

2015-04-07