開關磁阻電機發展及轉矩脈動抑制策略研究

姚璋 陳樹明

摘 ? 要：開關磁阻電機（SRM）結構簡單、性能優異，集電力電子技術和先進控制技術于一體，具有價格低、效率高、適應力強等優點，顯示出廣闊的應用前景。但是SRM本身所具有的非線性電磁特性等特點，使其存在較大的轉矩脈動，限制了SRM在某些領域的應用。文章回顧了SRM的發展歷史，介紹了近年來在抑制SRM轉矩脈動幾種先進控制策略的研究概況。

關鍵詞：開關磁阻電機 ?轉矩脈動 ?控制策略

中圖分類號：TM352 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0121-04

Abstract：Switched Reluctance Motor （SRM） is praised for its simple structure and excellent performance， integrated with power electronics technology and advanced control technology， with the advantages of low price， high efficiency， strong adaptability， and so on， which shows a broad application prospect. However， with the disadvantages of nonlinear electromagnetic characteristics， it has a large torque ripple， which limit its application in some special fields. This paper reviews the development history of SRM and introduces the research situation of several advanced control strategies to suppress SRM torque ripple in recent years.

Key Words：Switched Reluctance Motor;Torque ripple; Control Strategy

開關磁阻電機[1]（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）結構簡單、性能優異，目前被廣泛應用于航空航天、電動車、家用電器等領域。但是SRM的雙凸極結構和開關形式供電電源，也使得基于SRM的調速系統具有多變量、強耦合、非線性嚴重等缺點，運行時伴隨有較大的轉矩脈動，限制了其在高精度運行場合下的應用。因此，國內外對于如何抑制SRM轉矩脈動的研究一直在進行。文章回顧了SRM的發展歷史，介紹了幾種先進的控制策略并分析其特點，為進一步研究提供參考。

1 ?SRM的發展歷史

開關磁阻電機如名稱所示，是一種依賴于磁阻轉矩旋轉而非電磁轉矩的雙凸極結構電機。電機的運轉在很大程度上依賴于功率開關晶閘管，“開關”一詞正是來自于此。由于功率電子器件在早期發展較為緩慢，這也制約了開關磁阻電機的發展。

1842年9月22日，羅伯特·戴維森（Robert Davidson）為愛丁堡-格拉斯哥鐵路線發明了世界上第一臺電力機車，由他自己發明的電機進行驅動。電機結構十分簡單，由一對U形電磁鐵、與電磁鐵相連的旋轉換向器和外圍裝有鐵條的木制圓柱體組成。它的工作原理與現在的開關磁阻電機十分相似，一對電磁鐵輪流通電，吸引鐵條帶動木制圓柱體旋轉。雖然在運行中存在一些問題，比如當鐵條與電磁鐵對準時，會產生非常大的徑向力使其脫離圓柱體，鐵條上的渦流損耗也很高，但戴維森的電機成功地實現了其功能，并成為現代開關磁阻電機的雛形[2]。

1969年納薩爾[3]（Nasar）發表了題為《D.C.-Switched Reluctance Motor》的論文，第一次提出了“開關磁阻電機”這個名稱。這個名稱描述了開關磁阻電機兩個最基本的特征：（1）開關性：電機必須工作在一種連續的開關模式使線圈輪流通電形成旋轉磁場;（2）磁阻性：它是一種雙凸極電機，定、轉子具有可變磁阻回路，閉合回路磁阻總是要趨于最小，如圖1（b），磁阻不是最小，所以產生一個切向力F，在切向力F的作用下，轉子沿逆時針方向轉動，力求回到圖1（a）的最小磁阻狀態。

1980年，勞倫森[4]（Lawrenson）系統地闡述了開關磁阻電機的工作原理和設計特點，為現代開關磁阻電機的發展奠定了基礎。表1列出了SRM發展歷史上的重要節點。

進入90年代后，隨著電子電力技術、半導體技術、現代計算機技術的高速發展，開關磁阻電機在結構設計、控制策略應用上都取得多樣化的成果。

目前開關磁阻電機被廣泛應用于電動車驅動、家用電器、通用工業（風機、泵、壓縮機等）、伺服調速系統、牽引電機等領域，轉速上限高達106 r/min，成為電機市場的重要一員。

2 ?SRM控制策略的發展

由于SRM的雙凸極結構、電機磁鏈的非線性以及輸出轉矩由各相轉矩疊加而成等因素的影響，轉矩脈動成為SRM運行中不可避免的問題，傳統控制方法所產生的轉矩脈動特征值一般在20%甚至更高，在一定程度上限制了其應用范圍。抑制轉矩脈動總體上分兩類方法：優化電機結構和改進控制策略。電機結構優化受限于設計參數等要求，因此有效減小轉矩脈動的新型控制策略成為SRM重要的研究方向之一。

轉矩的產生依賴于根據轉子位置而對開關管進行的連續切換動作，因此可以通過選擇合適的開通角、關斷角來對SRM進行開關角度控制。電流軟/硬斬波控制和滯環控制也被用于進行SRM的控制。通常電流控制應用于低速區域，在此區域內電流有足夠時間提升到最大值，以獲得最優的性能。而角度控制通常被用于高速區域，通過調節開通角和關斷角來獲得更大的電流。值得注意的是伴隨著轉矩脈動抑制方法的應用，電機的輸出轉矩通常會有一定的下降。文獻[5]中Islam的研究得出結論，轉矩最大化和脈動最小化無法同時達到最優效果。在優化過程中，需要在兩者之間取得最優值。

傳統的角度位置控制、電流控制等更注重對電機調速性能的優化，對于轉矩脈動抑制缺少針對性處理，本節將簡要介紹幾種先進的基于轉矩脈動抑制的控制策略。

2.1 轉矩分配控制

轉矩分配策略的實質是通過定義轉矩分配函數合理地分配與調節各相電流所對應的電磁轉矩分量，保證各相瞬時轉矩之和為恒定值，然后通過矩角特性逆運算得到各相電流，加以適當的控制策略來實現對電機的控制。

如圖2所示，在接受到轉矩給定值后，轉矩分配函數模塊TSF根據電機當前轉子位置，將給定轉矩分配給各相，由轉矩-電流模塊根據開關策略生成給定電流，并分配到功率變換器。轉矩分配函數的作用是在電機相鄰兩相轉矩重疊區將轉矩合理的分配給兩相，從而降低轉矩脈動。

轉矩分配函數的設計是該控制策略的主要難點。合適的轉矩分配函數可以保證在各相切換過程中電流變化率不超過限值，采用在線調節的轉矩分配函數可以更好的滿足實際應用。

2.2 模糊控制

模糊控制的主要原理是以電機的轉子位置信號為輸入，通過模糊控制器得到輸出相電流，實時性修改隸屬度函數以使各相獲得最優的導通區域。模糊控制器不依賴于電機的先驗知識，能很好地適應不同的電機特性，對轉子位置反饋誤差保持較強的魯棒性。

圖3為基于模糊控制的轉矩脈動抑制系統框圖，根據預先設定好的知識庫，將誤差經過模糊化，模糊推理及去模糊化的處理，得到相應的電流輸出。

在文獻[6]中，外環速度控制使用了模糊控制和PI（比例-積分）控制，PI控制器提供主要的參考電流，在穩定狀態下，速度誤差信號在模糊控制器中生成補償電流，與參考電流共同參與脈動抑制調節。內環控制采用常規PI電流控制器生成控制電壓。

由于模糊控制實際上是一種PD（比例-微分）控制，單純依靠模糊控制會導致穩態誤差的存在，即輸出的參考轉矩無法與實際的反饋轉矩達到平衡，導致轉矩脈動很大。為了消除穩態誤差，在模糊控制的基礎上疊加了一個PI環節。此PI環節只有轉速差較小時起作用，這樣既保持了模糊控制魯棒性好的特點，又能夠消除穩態誤差。

模糊控制的缺點在于控制器不能根據負載轉矩的改變而實時調整自身參數，依賴于預先設置的參數，對于電機運行時的參數變化造成的擾動不能及時響應。在實際應用時，模糊控制通常要與自適應控制、神經網絡控制等其他控制策略結合使用，在這個過程中，不同控制策略之間的耦合也成為一個難點。

2.3 直接轉矩控制

直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）是一種基于矢量控制的先進控制策略，首先被應用于感應電機。直接轉矩控制主要應用于磁化特性為線性的交流電機，因此傳統的直接轉矩控制方法不能直接用于各相獨立、非線性嚴重的開關磁阻電機。應用于SRM的DTC的主要思想是根據轉矩和磁通的變化率來選擇定子電壓矢量，保持定子磁鏈矢量的幅值為定值的情況下，不同的電壓矢量可以控制轉矩矢量和合成磁鏈矢量的變化方向。根據電機輸出的相電壓、相電流、位置角等信號作為直接轉矩控制的輸入，根據開關切換表生成對應的電壓矢量，通過功率變換器控制開關磁阻電機各相的導通關斷。通過DTC的控制，轉矩和磁鏈被控制在給定值的滯環范圍內，轉矩脈動現象可以被有效抑制。圖4為直接轉矩控制結構框圖。

利用空間矢量的分析方法，轉矩的正負由磁鏈對位置角的偏導數決定，當磁鏈幅值隨轉子位置變化而增加時，轉矩會相應增大;當磁鏈幅值隨轉子位置變化而減少時，轉矩會相應減小。選擇不同的電壓矢量可以控制合成磁鏈矢量的變化方向，即改變當前轉矩的變化方向。

傳統的SRM控制方法沒有把轉矩作為直接控制量，因此不能很好地抑制轉矩脈動。將交流電機領域應用成熟的直接轉矩控制方法應用在SRM上，可以獲得良好的控制效果，將轉矩脈動控制在期望范圍內。DTC方法的不足之處在于沒有直接對電流進行控制，對于電流在控制過程出現的超限峰值無法進行抑制。

2.4 直接瞬時轉矩控制

SRM直接瞬時轉矩控制[7]（Direct Instantaneous Torque Control，簡稱DITC）的主要原理是通過轉矩估計器根據電流反饋獲得開關磁阻電機的實時轉矩，然后對轉矩進行斬波控制。在預先設定好的導通角內，根據轉矩偏差控制導通相的開通、關斷和續流，從而將合成轉矩保持在穩定區間內。圖5為直接瞬時轉矩控制結構框圖。

電機的每一相在運行過程中可以分為單相工作和兩相重疊兩種情況，在兩相重疊的情況下需要優先導通下一相，以實現轉矩順利過渡。根據通常使用的不對稱半橋電路功率變換器，可以將每相的工作狀態分為正向勵磁、零電壓續流和反相退磁三種。在單相繞組單獨工作時，根據轉矩偏差與限值高限和低限的關系，實時選擇合適的工作狀態。在兩相同時導通的換相重疊區內，需要對兩相繞組的工作狀態實時切換以使得前一相產生的轉矩逐漸被后一相產生的轉矩所取代，在調節過程中通過三種工作狀態的切換來保持轉矩偏差始終保持在誤差限值內。

無論是直接轉矩控制還是直接瞬時轉矩控制，共同特點是換相區轉矩脈動較大。對比直接瞬時轉矩控制和直接轉矩控制，在DTC策略中，除了轉矩反饋外，還需要磁鏈反饋來計算和發送控制信號，這不僅增加了控制系統的復雜性，而且增加了控制效果的不確定性和準確性。因此，與直接轉矩控制策略相比，直接瞬時轉矩控制策略更適合于實際工程應用。

3 ?結語

開關磁阻電機由于其結構性能上的優點，作為反應堆控制棒驅動機構的驅動電機，在中國實驗快堆（China Experimental Fast Reactor，簡稱CEFR）中承擔重要作用。在CEFR運行中，轉矩脈動成為SRM帶來的主要問題。一方面由于輸出轉矩不平穩，在保留較大裕量的情況下仍有可能造成輸出轉矩不足，引起“滑棒”現象;另一方面，轉矩脈動對機械裝置造成持續性沖擊，容易引起機械部件的疲勞損傷，成為反應堆安全運行的隱患。

轉矩脈動不可避免地會對開關磁阻電機的運轉造成不利影響，限制了其在伺服驅動等要求轉矩平穩領域的應用。采用先進的控制策略對于轉矩脈動的抑制有顯著的作用，雖然很多控制策略僅僅在理論上實現了其目的，但隨著電子電力技術、功率開關器件技術的發展，實際工程應用中這些先進控制策略也迎來了廣闊的前景。

參考文獻

[1] 吳紅星. 開關磁阻電機理論與控制技術[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[2] Krishnan R. Switched Reluctance Motor Drives[M]. Boca Raton. FL： CRC Press. 2001.

[3] Nasar S A. D.C.-switched reluctance motor[M]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers （London）， Vol. 116， No. 6， June 1969， pp. 1048.

[4] Lawrenson P J， Stephenson J M， Blenkinsop P T， et a1. Variable Speed Switched Reluctance Motors[C]. IEEE Proceedings B. IET Digital Library，1980，127（4）：253-265.

[5] Islam M. Minimization of torque ripple in SRM drives[J]. IEEE Trans Industry Electron， 2002， 49（1）：1126–1133.

[6] A Guettaf， F Benchabane， M Bahri， O Bennis. Torque ripple minimization in switched reluctance motor using the fuzzy logic control technique[J]. International Journal of Systems Assurance Engineering and Management. 2014， 5（4）：679–685.

[7] Robert B Inderka， et al. DITC-Direct instantaneous torque control of switched reluctance drives[J]. IEEE， 2002：1605-1609.