電動車用開關磁阻電機驅動系統

李明輝，　徐少輝

(1. 中國人民解放軍空軍 西安航空四站裝備修理廠，陜西 西安　710077；

2. 中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州　221116)

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電動車用開關磁阻電機驅動系統

李明輝1，徐少輝2

(1. 中國人民解放軍空軍 西安航空四站裝備修理廠，陜西 西安710077；

2. 中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州221116)

摘要：開關磁阻電機具有結構簡單、轉速范圍寬、可靠性強、可控參數多等特點，適合作為電動車的驅動電機。首先介紹了電動車開關磁阻電機驅動系統組成，設計了以dsPIC30F6010A為主控制器和EPM570T100C5N為輔助控制器的車用控制器。設計了邏輯輸入和邏輯輸出電路，實現輸入信號和輸出信號的邏輯綜合，簡化控制系統設計。根據電機不同轉速區域，設計了不同的控制策略，提高了電機調速范圍和平滑度： 在低速區域內，基于轉速電流雙閉環控制策略，采用電流斬波控制，限制繞組電流，減小轉矩脈動，保證電機轉速的穩定性能和跟隨性能；高速區域采用電流斬波和開通角、關斷角角度控制交錯控制的方式，調整繞組導通位置，實現電機寬范圍調速的目的。最后，在搭建的試驗平臺上驗證了控制策略的可行性，對轉速、電流波形進行了對比和分析，測試了車用開關磁阻電機驅動系統的調速性能。

關鍵詞：開關磁阻電機； 電動車； 驅動系統； 控制策略

0引言

驅動電機的高性能、高效率是衡量電動車產業化高度的重要標準。開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor， SRM)結構簡單，成本低廉，能夠保證頻繁起動和四象限運行[1-2]，具有很強的再生制動能力，調速范圍寬，起動轉矩大，容錯能力和缺相運行能力強，在很寬的速度和轉矩范圍內能保證高效率，非常適合于電動車應用場合[3-5]。在各級科研單位對SRM關鍵技術的深入研究之下，解決好SRM本身存在的轉矩脈動大等問題，配合高效的控制策略，SRM能夠得到大規模生產，廣泛應用于電動車產業。文獻[6-7]從公式、電流轉速波形、控制策略對SRM進行了系統的描述，表明SRM可以實現四象限任意切換，具有很強的驅動能力和制動效能。文獻[8-10]通過改變傳統拓撲結構，使SRM更加適用于電動汽車，利用傳統的不對稱半橋結構和升降壓電路相結合，實現了能量的雙向流動，提高了儲能裝置的利用率，增加行車里程，簡化了電動車的充電設施。

在本文研究中，首先介紹了電動車SRM驅動系統組成，設計了電動車用控制器及外圍邏輯電路。基于電動車驅動電機特性，提出了優化控制策略。低速區采用轉速電流雙閉環，在保證轉速跟隨性能情況下，減小轉矩脈動，降低噪聲；在高速區域，一方面通過電流斬波和開通角、關斷角角度控制，能夠很好地控制電流峰值大小，從而達到保護器件的目的，另外通過角度優化控制，實現高速跟蹤，完成寬范圍調速目的。

1電動車SRM驅動系統組成

設計的電動車SRM控制系統由96V蓄電池組、SRM、功率變換器、控制器及檢測裝置等組成，如圖1所示。本系統的控制模塊是由微芯公司的dsPIC30F6010A可編程數字處理器和ALTERA公司的EPM570T100可編程邏輯器件組合而成的。位置檢測采用的是光電傳感器，用于檢測轉子的位置；電流檢測采用的是霍爾電流傳感器，用于檢測三相電流，不僅可以在控制中使用，也可以作為驅動系統過流保護使用；電壓檢測采用的是霍爾電壓傳感器，用來檢測蓄電池的電壓，防止蓄電池過充和過放電。車載蓄電池組為能量源，通過功率變換器把電能轉換為電機的機械能，而三者之間的雙向箭頭表明在電機制動模式下，依然可以借助功率變換器把電機的機械能回饋到電源，為蓄電池組充電。

圖1　電動車SRM驅動系統結構圖

從圖2可以看出，控制芯片dsPIC30F6010A主要完成繞組電流、母線電壓的檢測功能，經由內部的A/D模塊處理，完成實時數據采集，為雙閉環策略提供數據；利用SPI模塊輸出串口信號，搭建輔助顯示電路，對電機的運行狀態有直觀的顯示；對EPM570T100C5N預處理之后的位置檢測信號進行捕獲，經過捕獲模塊的處理，輔以速度閉環控制函數和定時器模塊，完成電機的速度閉環控制和實時速度采樣，更可完成開通角和關斷角角度的調整；經過特定的控制策略處理后得出控制信號，經由輸出比較管腳輸出到EPM570T100C5N芯片，完成最后的邏輯綜合命令；定時器模塊在各個模塊的使用過程中交錯使用，用于電流采樣時間的控制、速度數值計算、電機開通角和關斷角的控制。保護電路設置在控制板單元和驅動板之間，通過實時的電流反饋，保證電機的可靠運行，防止因電流過大損壞電機本體和功率器件。

圖2　電動車SRM驅動控制系統

為了消除干擾，保證信號能夠以理想波形輸入到控制器管腳被識別，加入施密特整形芯片CD4016，去除毛刺。經過6N137進行電壓轉化，實現光電隔離，最后通過增加驅動能力的74HC04，輸送到控制器芯片EPM570T100C5N，從而完成位置信號的檢測功能。圖3所示為具體的輸入檢測電路，3路位置檢測信號輸入到CPLD芯片。在芯片中經過預處理，預處理功能主要包括兩個方面： 為了實現對脈沖信號的細分而做的倍頻處理；對信號進行檢測，與設定的邏輯順序進行匹配，如不正確輸出保護閉鎖信號。因此對于此功能，需要3個輸入管腳，7個輸出管腳，輸出信號包括： 3路對應的位置脈沖倍頻信號，3路正常位置脈沖信號，1路輸出保護閉鎖信號。經過芯片dsPIC30F6010A對脈沖信號的處理，可以確定轉子和定子的相對位置，根據控制命令，從而輸出相應的信號控制相繞組的通斷，使電機能夠正常運行；輔以定時器模塊，在控制器中通過數字濾波器計算實時電機轉速值，保證數據的實時性和準確性，完成轉速閉環。

圖3　采樣邏輯輸入電路

對于三相SRM，需要控制的IGBT模塊有6個，因此控制器需要輸出的信號也為6個。如圖4所示，其中三路下管為相控位置信號，三路上管為相控斬波信號，而上管信號是對應相的相控位置輸出信號和斬波信號經過“與”門而得。為了提高系統的驅動能力，減小控制芯片的功耗，在輸出回路中加入74HC04；經過高速光耦隔離芯片6N136，進行高低壓信號的隔離；利用主芯片dsPIC30F6010A輸出的自鎖信號ZS0來控制數據選擇器芯片CD4019，保證信號的輸出功能，可以防止控制器受到干擾誤輸出，保證只有在控制器上電之后才可以可靠輸出信號；利用施密特整形電路，去除毛刺的干擾。

圖4　控制器邏輯輸出電路

2電動車SRM驅動系統控制策略結構框圖

SRM在低速起動過程中，轉速小，運動電動勢小，電流迅速增長，必須對電流限值加以限制，防止對功率開關管器件和電機造成損害。隨著電機轉速的升高，電機的反電動勢增加，電流快速下降。采用電壓斬波控制方式，通過調節輸入直流電壓的PWM占空比，從而更改加到電機繞組兩端的等效電壓。此種方式，適合在電機中速區域的加速過程，但在PWM電壓控制過程中，繞組電流波動效果比電流斬波大，轉矩輸出不平穩，脈動很大。

當轉速超過3000r/min時，電機旋轉速度過快，反電動勢過大，電流不足以上升到期望值，為了提高電機的輸出能力，應該采用開通角和關斷角角度控制方式。開通角決定了繞組電流的峰值大小，關斷角決定了電流續流開始時間。圖5給出了控制策略結構圖。

圖5　控制策略結構框圖

如圖5所示，給定轉速和實時轉速的差值傳輸到速度調節器環節；調節器內部采用模糊控制算法，輸入量為轉速差值和差值變化率，輸出量為電流的預期限值。經過模糊化，查詢模糊推理表，獲取模糊量值，最后經過反模糊化，得到最終的電流預期值I*。對每相繞組電流進行采樣、濾波、轉換，輸入到電流調節器，作為實時電流值。電流調節器采用滯環調節器，通過對實時電流值和電流預期值I*進行比較，輸出相應功率開關管的開關信號。

在轉速較低時，相電流斬波次數超過進入角度優化器的最大值，因此固定開通角關斷角，實行電流斬波控制，不進行角度優化，根據捕獲信號輸出相控信號。隨著轉速的提升，超過3000r/min時，電流斬波次數小于預設值，進入角度優化器進行角度控制。開通角可以改變繞組電流曲線的幅值，關斷角對電流的寬度有影響。調節器采用PI算法，輸出量為開通角的變化量，定時器完成偏移過程，輸出信號控制功率器件的下管。因此，采用電流斬波控制和開通角、關斷角角度控制的交錯控制，通過計數電流斬波次數來決定是否進行角度優化。

電流滯環控制器在電機運行過程中始終工作，而不僅僅是在對應繞組通電過程中工作。當電流超過限值，電流斬波信號輸出為低；電流低于限值，電流斬波信號輸出為高。在其他相工作過程中，該相繞組不通電，采樣電流為零，根據滯環控制器原理，輸出信號為高電平。因此，最終的上管斬波控制信號，應為滯環控制器輸出信號和位置信號相“與”之后的信號，此過程在圖5輸出信號綜合邏輯處理環節中完成，由芯片EPM570T100C5N負責；之后經過邏輯輸出電路，在對信號濾波、隔離之后輸入到驅動電路，控制功率變換器的功率開關管器件。

3驅動系統試驗結果分析

通過搭建硬件測試平臺，對電機驅動系統的性能進行測試。測試過程主要分為兩部分： 第一部分是測試電機特性，包括不同控制方法的電流波形、位置信號波形和磁鏈波形，驗證不同控制策略的正確性。第二部分是轉速跟蹤性能測試，測試三種不同的控制方案，選擇適合電動車場合的控制方案，并實現寬調速范圍。

圖6為試驗平臺，主要包括SRM控制臺、測功機、直流電源、上位機、示波器。其中測功機負責測量電機的功率，作為加載設備，完成電機的轉矩測量。扭矩傳感儀可以把電機的實時轉矩輸出到上位機，通過對傳感器輸出脈沖的測量，也可以顯示出電機的實時轉速值；磁粉制動器和電渦流制動器為電機提供負載，通過控制上位機輸出可控電流信號，改變負載大小。

圖6　試驗平臺

3.1　不同轉速段的控制方法

圖7為電流斬波控制下，轉速為500r/min和1000r/min對應的繞組電流波形，此時負載設定為5N·m。其中CH1通道為位置信號波形，是光電傳感器的實時輸出波形，代表了電機的轉子和定子的相對位置；CH2通道為電流波形，縱坐標每一格代表20A；CH3通道為磁鏈波形，縱坐標每一格代表0.05Wb。圖7(a)橫坐標每格代表 5ms，圖7(b)橫坐標每格代表2.5ms。從電流波形中可以看出，通過設定上下限值，電流波形近似為平頂波，在電感最小區電流上升較快，電流前端的波動比較大，斬波比較明顯。

圖7　電流斬波控制

圖8分別為電壓斬波控制下，2000r/min和2500r/min對應的繞組電流波形，此時負載設定為5N·m。CH1通道為對應的斬波信號，電壓斬波脈沖頻率設定為10kHz，可以看出隨著轉速的升高，脈沖占空比也在升高；CH2通道為電流波形，縱坐標每一格代表20A；CH3通道為磁鏈波形，縱坐標每一格代表0.05Wb。橫坐標每格都代表0.5ms。

從圖8中可看出，隨著脈沖占空比的增加，電流轉速上升，但是電流波形的整體趨勢沒有發生變化。在電感上升區導通繞組，電流上升，由于運動電動勢的作用，電流下降。與圖7對比可以看出，在相同轉速、相同負載情況下，電流波動更大，電機輸出的轉矩脈動更大。因此在低轉速區域中，電流斬波控制優于電壓斬波控制，輸出性能更好，開關損耗更低。

圖8　電壓斬波控制

隨著轉速的升高，電流斬波控制中，電流波形不再平滑，斬波次數降低，控制性能下降。因此，隨著轉速的升高，采用開通角和關斷角角度控制方式，通過調節電機的開通角和關斷角，實現調節電機的轉速。圖9分別為開通角和關斷角角度控制下，轉速為5000r/min和6000r/min對應的繞組電流波形，此時負載設定為5N·m。在控制的過程中，固定開關管開通時間，開通角和關斷角同時移動，保證在電感下降區域，電流為零。隨著開通角的前移，電流峰值變大，轉速上升。

3.2　調速跟蹤試驗

在電動車正常行駛過程中，存在不可避免的加速和減速操作，甚至因為路況的原因造成速度的突然降低或者突然上升。在本文測試中，對三種控制方案進行測試，測試轉速穩定性，并進行分析對比，從而選擇最適合電動車場合的控制方案。

方案一： 前文提到的電流斬波和開通角、關斷角角度交錯控制方式，低速時采用電流斬波控制，高速時采用兩種方法的交錯控制；

圖9　開通角和關斷角角度控制

方案二： 低速為電流斬波控制，高速為開通角和關斷角角度控制，兩者相互獨立，分界點為轉速值4000r/min；

方案三： 低速采用電流斬波，中速為電壓斬波，高速為開通角和關斷角角度控制，三者相互獨立，分界點分別為2000r/min和4000r/min。

在三種方法中，低速情況均采用電流斬波，轉速、電流雙閉環控制，選取相同參數值；電壓斬波中采用轉速環控制，利用模糊控制輸出占空比值；開通角和關斷角角度控制中利用PI環進行調節，上下管是相同的相控信號。

方案二和方案三均需要在固定的轉速值切換控制方式，設置速度滯環進行調節，提高系統的可調性。如果不加滯環環節，在固定的轉速值進行控制方法切換，由于參數的不匹配因素，造成轉速的突變，從而導致運行過程在兩種控制方法之間連續切換，速度在設定值進行波動。加入滯環調節功能，在速度達到上限值時，進行低速控制方式到高速控制方式的轉化，初始值為此時速度對應的正常控制量；在速度降為下限時，進行高速控制方式到低速控制方式的轉化，初始值為上次加速過程中，到達此速度時的電流限值或者占空比值。

圖10中CH1為標志位，CH2為轉速曲線，縱坐標每格代表1000r/min，橫坐標為時間，每一格代表5s。測量過程中，分別給定兩個速度3000r/min和6000r/min，測試其穩定性能和跟隨性能。

圖10　調速跟隨性能測試

圖10(a)為方案一對應轉速上升曲線和標志位情況，高電平代表進入開通角和關斷角角度控制模式，低電平為電流斬波控制模式。從CH1通道可以看出，二者是交錯調節，通過對斬波次數的統計，判定進入何種控制方法，圖中第一次進入開通角和關斷角角度控制模式的速度為2600r/min。此方案具有更強的適應性，可以根據負載情況、母線供電電壓情況，靈活調整切換速度。

圖10(b)為方案二情況下，電機轉速上升特性。首先給定電機轉速為3000r/min，轉速快速上升，穩定在給定轉速。此時轉速沒有到達模式切換速度，仍為電流斬波控制方式，設定目標轉速為6000r/min，轉速開始上升，在轉速超過4000r/min 之后，控制模式轉為開通角和關斷角角度控制。從CH1通道中可以看出，兩種控制方法是相互獨立的；從CH2通道中可以看出，對于此兩種不同的控制方式，轉速上升趨勢是相同的。

圖10(c)為方案三情況下，電機轉速上升特性。三種控制方式分別對應低速、中速和高速區域，且轉速分界點分別為2000r/min和4000r/min。

從圖10(b)和10(c)可以看出，在低速和中速區域過程中，電流斬波控制和電壓斬波控制具有類似的運行特性，為了限值電流值大小、減少模式切換次數，可以采用電流斬波控制方式。在高速區域，電機轉子速度快，通過調整開通角增加繞組導通時間，增加電機出力。相對來說，方案一，模式切換速度有很強的適應性，非常適用于電動車應用場合。

4結語

設計了電動車用SRM驅動系統，采用了主輔雙控制器系統，并設計了邏輯輸入、輸出電路。根據電機的特性，設計了寬范圍調速控制策略，采用低速和高速分別控制的方法，控制策略保證平滑切換。在低速情況下，為了限制電流峰值、減小轉矩脈動，采用電流斬波滯環控制策略，其中外環轉速環為模糊控制方式，內環電流環為電流滯環控制，雙閉環控制策略保證了轉速的跟隨性能和電流的穩定性能。在高速情況下，采用開通角和關斷角角度控制方式，控制方法采用PI算法，通過前移開通角和關斷角，增加電機勵磁時間，提高電機轉速。在控制過程中，對三種控制方案進行了比較，試驗結果表明電流斬波和開通角、關斷角角度控制為交錯控制方式，適應性最強，非常適用于電動車應用場合。

【參 考 文 獻】

[1]劉慧武.開關磁阻電機直接轉矩控制系統研究[D].哈爾濱： 哈爾濱理工大學，2014.

[2]CHEN H， GU J J. Implementation of three-phase switched reluctance machine system for motors and generator[J]. IEEE/ASME Trans on Mechatronics， 2010，15(3)： 421-432.

[3]王旭東，王喜蓮.開關磁阻電動機電流雙幅值斬波控制[J].中國電機工程學報，2000，20(4)： 83-86.

[4]CHEN H， XU Y， CHING I H H. Analysis of temperature distribution in power converter for switched reluctance motor drive[J]. IEEE Trans on Magnetics， 2012，48(2)： 991-994.

[5]梁濤年，李勇，杜吉林，等.12/8極開關磁阻電機雙閉環控制系統設計[J].電氣傳動自動化，2015，37(1)： 21-25.

[6]RAHMAN K M， SCHULZ S E. High performance fully digital switched reluctance motor controller for vehicle propulsion[C]∥ Industry Applications Conference， 2001， Thirty-Sixth IAS Annual Meeting， Conference Record of the 2001 IEEE， 2001： 18-25.

[7]SUN J， KUANG Z， WU H， et al. Implementation of a high-speed switched reluctance starter/generator system[C]∥ Electrical Machines and Systems(ICEMS)， 2011 International Conference on IEEE， 2011： 1-5.

[8]袁曉玲，王宏華.對降低開關磁阻電動機振動和噪聲的兩步換相法頻域分析[J].電機與控制學報，2006，9(6)： 533-536.

[9]BILGIN B， EMADI A， KRISHNAMURTHY M. Comprehensive evaluation of the dynamic performance of a 6/10 SRM for traction application in PHEVs[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2013，60(7)： 2564-2575.

[10]CHEN H， LU S L. Fault diagnosis digital method for power transistors in power converters of switched reluctance motors[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics， 2013，60(2)： 749-763.

An Electric Vehicle Drive System Based on Switched Reluctance Motor

LIMinghui1，XuShaohui2

(1. Xi’an Sizhan Equipment Repair Factory of Chinese People’s Liberation Army Air Force，

Xi’an 710077， China； 2. School of Information and Electrical Engineering， China University of

Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

Abstract：Switched Reluctance Motor(SRM) is suitable for electric vehicle(EV)’s drive motor due to the merits of simple structure wide speed operation range， high reliability， variable control parameters， etc. Introduced a SRM drive system framework for EV firstly， and a controller based on dsPIC30F6010A and EPM570T100C5N was proposed. Input and output logic process circuits were designed which simplified the control system. Different algorithms were applied for different speed range in order to improve speed adjustable range and smoothness. At low speed stage， the control strategy based on speed and current double closed loop with current chopping control(CCC) was introduced to limit phase currents and torque ripple， which aimed to ensure the speed stability and tracing performance. At high speed stage， CCC and APC(angle position control) were applied in turn. By adjusting conducting angle， wide speed operation range was acquired. At last， experiments were carried out on the prototype to verify the proposed control algorithm’s feasibility. By comparing and analyzing the current waveforms， speed adjustment performance of the SRM drive system for EV was tested.

Key words：switched reluctance motor； electric vehicle； control strategy

收稿日期：2015-07-23

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)02- 0049- 06

作者簡介：李明輝(1975—)，男，本科，工程師，研究方向為機電系統控制。徐少輝(1994—)，男，碩士研究生，研究方向為電機及其控制。