電動汽車用開關磁阻電機五電平功率變換器

寧德勝 袁克湘 胡維超

（陽光電源股份有限公司）

開關磁阻電機（SRM）結構簡單、啟動轉矩大、調速范圍寬而且容錯能力強，綜合性能突出，非常符合電動汽車對電驅系統的要求[1-2]。但是開關磁阻電機在應用中存在轉矩脈動和噪聲大等問題，限制了其的廣泛應用，針對這個問題，文獻[3-5]在控制算法上做了改進，文獻[6-7]改進了驅動拓撲。傳統非對稱半橋式功率變換器僅能提供一種勵磁電壓和一種退磁電壓，不能滿足電機在不同負載和轉速下的需求，會造成較大的電流或轉矩脈動。文章提出了一種新型五電平驅動電路，相對于傳統的半橋式驅動電路，其拓撲有更多的電壓選項，使得控制更平滑，能夠滿足電機在不同負載和轉速下的需求，減小電機轉矩脈動。通過仿真，驗證了該功率變換器在抑制轉矩脈動上的有效性。

1　五電平功率變換器結構及基本工作原理

1.1　開關磁阻電機基本工作原理

開關磁阻電機采用雙凸極結構，只在定子上安裝集中繞組，轉子上既無永磁體也無繞組。開關磁阻電機運行遵循“磁阻最小原理”，轉子沿磁阻最小方向轉動，其旋轉方向與電流方向無關，僅與勵磁順序有關。開關磁阻電機常用控制方式有電流斬波控制、角度位置控制和電壓PWM控制。

不對稱半橋式功率變換器是開關磁阻電機最常用的驅動電路，每相有2個主開關器件及反向并聯的續流二極管。其具有結構簡單、開關器件少的優點，但是傳統半橋式驅動電路僅能夠提供3種電壓回路，控制靈活性差。

不對稱半橋式功率變換器的3種工作狀態，如圖1所示，V1和V2是主開關器件，VD1和VD2是反向并聯的續流二極管。其勵磁和退磁時加在繞組兩端的是電源電壓，因此電流變換較快，容易超出滯環區間。隨著電動汽車對驅動系統性能要求的提高，傳統半橋式拓撲不能達到較為理想的控制效果。具有多種可調電壓的驅動拓撲在實際控制中能提供更加豐富的電壓選擇，增強系統的可控性，是提高開關磁阻電機驅動系統輸出性能的理想選擇。文章基于對傳統拓撲的分析，提出了一種五電平功率變換器。

圖1　不對稱半橋式功率變換器的3種工作狀態

1.2　新型五電平功率變換器結構

新型五電平功率變換器，如圖2所示。S為三相公共開關管，直流側電容C1和C2串聯，起到分壓作用，C1和C2兩端的電壓為電源電壓的1/2，直流側電容中點通過2個開關管分別連接在繞組兩端。該拓撲每相有3個獨立的開關管，可通過S與每相獨立的開關管配合，控制直流側2個電容的充、放電，使繞組勵磁、退磁或零電壓續流，并且可以通過合理控制兩電容充、放電來維持中點電位平衡。

圖2　五電平功率變換器拓撲

直流側電壓為2Udc，則直流側兩電容的額定電壓應為 Udc。S，Sa1，Sb1，Sc1的額定電壓值為 2Udc，但 S 是三相公共開關，因此開關頻率較高，要求它有較高的開關能力。

1.3　不同工作模式下的開關狀態

開關磁阻電機功率變換器可工作于勵磁、退磁和零電壓續流模式下，文章所提五電平驅動電路分別有勵磁和退磁電壓2種，而且有多種續流回路。以A相為例對不同電壓回路下功率變換器的開關狀態及適用情況進行說明。

1.3.1勵磁時的開關狀態

通常在需要繞組快速勵磁的場合，例如轉子剛進入導通區間時，需要較大的勵磁電壓快速建立勵磁電流。勵磁時的開關狀態，如圖3所示。此時，圖3a中S和Sa1開通，Sa2和Sa3關斷，電源電壓直接加在相繞組上，相繞組快速建立勵磁電流，有利于減小換相時由于后一相產生轉矩能力不足帶來的轉矩脈動，實現快速、平穩換相。

圖3　勵磁時的開關狀態

在滯環控制中，由于開關磁阻電機控制系統采樣頻率的限制，采樣周期較長，會導致實際控制量超出滯環區間，造成較大的電流和轉矩脈動，還會影響功率器件的壽命，增加系統的損耗。此時較小的勵磁電壓是非常必要的，可得到更好的控制效果且有利于系統的安全運行。文章所提拓撲能夠通過直流側電容提供勵磁電壓Udc，如圖3b所示，S和Sa3開通時，C1放電，勵磁電壓為 Udc1；或如圖 3c所示，Sa1和 Sa2開通時，C2放電，勵磁電壓為Udc2。實際控制中，可以通過控制開關的通、斷，使C1和C2輪流充放電，維持直流側中點電位的平衡。

1.3.2退磁時的開關狀態

相繞組在-Udc退磁時也有2種退磁回路，可分別向C1充電或向C2充電。圖4示出退磁時的開關狀態。如圖4a所示，Sa2開通，相繞組通過Sa2和VD11退磁，退磁電流向C1充電；如圖4b所示，Sa3閉合，續流電流通過Sa3和VD12向C2充電。-Udc退磁時，有利于新型五電平拓撲，可以通過開關的切換實現直流側兩電容的充、放電，維持中點電位的平衡。如圖4 c所示，所有開關管都關斷時，繞組電流通過VD11和VD12續流，電源電壓反向加在相繞組上使其快速退磁。圖4中2種不同退磁電壓下的退磁回路可以根據實際需求合理選擇，在開關磁阻電機控制中，當電流沖擊太大或換相時，需要較大的退磁電壓使繞組快速退磁。當電流或轉矩超出滯環上限較小時，-Udc退磁可避免退磁太快使電流超出滯環下限值。

圖4　退磁時的開關狀態

1.3.3零電壓續流時的開關狀態

零電壓續流時的開關狀態，如圖5所示。文章所提五電平拓撲有3種零電壓續流回路。如圖5a所示，Sa2和Sa3開通，電流通過Sa2和Sa3續流；圖5b中S開通，電流通過S和VD11續流；圖5c中Sa1閉合，電流通過Sa1和VD12續流。

圖5　零電壓續流時的開關狀態

2　實際控制系統中新型五電平拓撲的工作狀態

滯環控制是開關磁阻電機的常用控制算法，以電流或轉矩為控制對象，通過控制功率變換器開關的通斷，即加在相繞組兩端電壓的大小和時間，使被控量圍繞參考值波動。因此能否合理控制相繞組兩端的電壓是影響滯環控制效果的關鍵，多電平控制對于提高滯環控制系統的跟蹤能力具有重要意義。開關磁阻電機導通區間分為單相導通區和2相換向區，單相導通區只需控制1個相繞組輸出使其跟蹤參考值，2相換向區需要2相的配合使得2相總的輸出等于參考值。表1示出新型五電平功率變換器在單相導通區和2相換相區的工作狀態。

圖1　五電平拓撲單相導通及換相時的工作狀態

五電平拓撲單相運行時有5種工作狀態，2相換向時有21種工作狀態。相對于傳統不對稱半橋式拓撲多了許多中間狀態，因此可以根據實際控制中被控參數與參考值之差，使控制更加細化。這樣有利于減小換相時的轉矩脈動，使控制更加平滑。

3　仿真分析

為了對比五電平功率變換器與傳統半橋式功率變換器的控制效果，通過仿真軟件MATLAB/Simulink分別搭建了2種拓撲的仿真模型。并在DITC控制算法下，比較了2種拓撲的控制效果。仿真中電機模型根據查表法建立，仿真電機參數與實際電機參數相同，電機額定功率為35 kW，額定電壓和電流分別為336 V和115 A，額定轉速為2 000 r/min，電機的采樣頻率為9.6 kHz。

電機的轉矩脈動（KT）為：

式中：KT——轉矩脈動值；

Tmax，Tmin，Tavg——轉矩最大值、最小值、平均值，N·m。

文章控制算法通過S-function函數建立，仿真中建立了電流-角度-轉矩三維表格，實際轉矩值根據電流值和角度值查表得到，S-function函數模塊根據電機角度和實際轉矩值與參考轉矩值之差控制開關功率變換器開關管的通斷。

圖6和圖7分別示出參考轉矩為40 N、轉速為500 r/min時傳統非對稱半橋式拓撲和五電平拓撲的轉矩、電流波形。對比圖6和圖7可知，采用五電平拓撲的電流脈動要小于傳統非對稱半橋式拓撲，且電流變化更平滑。圖8和圖9分別示出參考轉矩為80 N、轉速為500 r/min時的轉矩和電流波形，從仿真波形可知，五電平功率變換器具有更小的轉矩脈動。因此，可以證明五電平功率變換器具有更好的轉矩脈動抑制效果。

圖6　非對稱半橋式拓撲仿真波形（參考轉矩為40 N）

圖7　五電平拓撲仿真波形（參考轉矩為40 N）

圖8　非對稱半橋式拓撲仿真波形（參考轉矩為80 N）

圖9　五電平拓撲仿真波形（參考轉矩為80 N）

4　結論

五電平功率變換器相對于傳統功率變換器有更多的工作模式，通過控制開關的通斷可以實現對直流側電容的獨立控制，為相繞組提供多種勵磁和退磁電壓，使得電流、轉矩變化更平滑。仿真結果表明，在相同控制方法下，五電平功率變換器相對于傳統非對稱半橋式功率變換器轉矩脈動和電流脈動更小。因此五電平變換器對提高開關磁阻電機控制的靈活性及減小開關磁阻電機的轉矩脈動具有重要意義。