開關磁阻電機高效運行的控制模式研究

李岳峰 蔡燕

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-9004

摘? 要：本文針對開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）的效率優化控制問題，進行了開通角關斷角的角度優化和角度位置控制模式的優化研究，提出了一種新型角度位置控制模式，在實現電機恒功率運行的基礎上，可以在不同轉速和轉矩下得到使轉矩安培比最大的角度組合，從而實現SRM高效運行。本文以一臺1.1kW的三相12/8極SRM為樣機，搭建了新型角度位置控制仿真模型，仿真結果驗證了本文方法可以有效提高電機運行效率。

關鍵詞：開關磁阻電機? 角度優化? 角度位置控制? 轉矩安培比

中圖分類號：TM352? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-3

Research on the Control Mode of High-efficiency Operation of Switched Reluctance Motor

LI Yuefeng1? CAI Yan1

（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University， Tianjin， 300000 China）

Abstract： In this paper， for the efficiency optimization control problem of Switched reluctance motor（SRM）， the angle optimization of turn-on and turn-off angle and the optimization of angle position control mode are studied， and a new type of angle position control mode is proposed. On the basis of realizing the constant power operation of the motor， the angle combination that maximizes the torque ampere ratio can be obtained at different speeds and torques， so as to realize the high-efficient operation of the SRM. This paper uses a 1.1kW three-phase 12/8 pole SRM as a prototype to build a new type of angle position control simulation model. The simulation results verify that the method in this paper can effectively improve the efficiency of the motor.

Key Words： Switched reluctance motor; Angle optimization; Angle position control; Torque ampere ratio

開關磁阻電機（SRM）作為一種無稀土低成本的雙凸極電機，定子上采用集中繞組，轉子上無繞組也無永磁體，它依靠結構簡單、魯棒性強、調速范圍寬和動態響應快等優點，被廣泛的應用于新能源汽車和工業傳動領域[1-3]。但由于SRM的“單邊勵磁”工作模式，繞組和鐵芯利用率低，使得SRM在功率密度和效率方面略顯不足，因此提高電機運行效率對SRM的研究很有必要。對于角度位置控制方式，開通角和關斷角是主要控制參數，合理選擇角度不光可以擴大轉矩調節范圍還可以提高驅動系統運行效率[4-6]。本文通過對開通角與關斷角的分析研究和角度位置控制模式的研究，以效率的表征指標轉矩安培比為優化目標，提出了一種新的角度位置控制模式，使用開通角調節轉速閉環和遍歷關斷角的方式，在一定轉速和轉矩下得到了最優的開關角組合，從而實現SRM的高效運行。

1? SRM的控制模式研究

角度位置控制模式是在繞組兩端電壓一定的情況下，通過控制相繞組開通角和關斷角改變相電流的有效值大小和波形形狀，從而改變電機輸出轉矩的控制模式。為了實現SRM的恒功率運行，需要調整開通角和關斷角使導通時間合適地增大，做到輸出轉矩受控地隨轉速的負一次方下降，但由于SRM高度飽和特性與非線性特性，開通角和關斷角是許多參數的復雜函數，無法用顯示解析式來表示。同時對于一定的轉速和轉矩，有無數種開通角和關斷角的組合，因此存在最優角度選擇的問題。為了確定恒功率運行點的最優開關角，需要對開通角和關斷角進行詳細分析。

1.1 開通關斷角對SRM性能的影響

角度位置控制方式的電感和相電流波形示意圖如圖1所示，其中非對齊位置為0°，為對齊位置，為電感開始上升處，為電流衰減到零的轉子位置，低電感區間的電感為，最大電感區間的電感值為，為開通角，為關斷角。繞組電流可以在低電感區間迅速建立，由于開通角處于低電感區間，所以電流對開通角的變化非常敏感，改變開通角可以改變電流有效值大小和波形形狀，從而改變正向轉矩的大小和作用時間。在一定范圍內開通角越靠前，電流峰值越大，如果開通角過于靠前，由于此時電感變化率幾乎為零，產生的轉矩也幾乎為零，導致電能利用率不高，會降低SRM的運行效率;如果開通角過于靠后，會使電流峰值變小從而影響電機輸出轉矩。

改變關斷角一般對電流的峰值沒有影響，但可以改變續流階段的電流大小和電流延續到零的持續時間，進而改變電流的有效值，實現對輸出轉矩的控制。固定開通角，如果關斷角過大，相繞組電流勵磁的時間變長，相電流的波形寬度隨之變寬，但電流拖尾到電感下降區，會導致負轉矩的產生，使有效輸出轉矩降低;如果關斷角太小，會使相電流波形變窄，從而降低了電流有效值，使電機出力變小且效率不高。

因此開通角的變化對電流的影響更大，因此控制開通角是調節電流有效值大小和波形形狀的主要方法，也是調節電機運行速度的常用方法。

1.2 新型角度位置控制模式

已知開通角或者關斷角的改變都會對SRM的運行狀態產生影響，而對于一定的轉速和轉矩，可以通過無數種開通角和關斷角的組合實現，最優角度的選擇是研究難點。如果依次遍歷適當范圍內的所有開通角和關斷角，工作量將非常龐大，為了提高工作效率，本文提出了開通角調速的控制方式進行角度尋優。

新型角度位置控制框圖如圖2所示，由給定轉速和實際轉速的偏差通過速度控制器計算出參考電流，之后一方面參考電流和實際轉速作為開通角計算公式的輸入計算出開通角;另一方面參考電流與實際電流作比較并給出低速時所需的斬波信號，同時起電流保護作用。在一定轉速和負載的外界條件下，給定一個關斷角后，轉速閉環會通過調節開通角使電機穩定在給定轉速下，換而言之，開通角和關斷角有無數種組合，關斷角一旦確定，開通角會自發地與關斷角組成唯一的組合，使開關磁阻電機運行在給定的轉矩轉速運行點。因此，在一個轉矩轉速運行點下遍歷關斷角就相當于遍歷了所有的開關角組合，再通過對比每組角度組合下的性能指標，便可找到使電機轉矩安培比最大的開關角組合。

圖2中的開通角計算公式為：

（1）

公式（1）中：為電感開始上升處的轉子位置，為速度控制器計算得出的參考電流，為最小電感值，為電機實際轉速，為直流母線電壓。

2? 仿真驗證

本文以一臺額定功率1.1Kw、額定轉速1500r/min的三相12/8極SRM作為樣機，搭建了滿足高性能研究需求的高精度SRM仿真模型，同時采用不對稱半橋式功率電路作為SRM調速系統的功率變換器，利用所搭建的新型角度位置控制模式仿真模型，在不同的轉矩轉速運行點選擇合適的關斷角進行仿真，可以實現SRM的1.1kW恒功率運行。

在轉速2000r/min負載5.25N·m的運行點對SRM進行仿真，關斷角在14°到16°的范圍內，以0.25°為間隔進行選取，由于轉速閉環通過速度控制器自動對開通角進行調節，得到的角度組合均可以使SRM運行在相同的運行點。不同關斷角下的轉矩安培比如圖3所示。可以看出，存在一個最優的關斷角使轉矩安培比最高，值為1.566，意味著，該關斷角和當前開通角是這個轉矩轉速運行點下使電機效率最高的角度組合，此時開通角為-5.2°，關斷角為15°。對于恒功率區的其他轉矩轉速運行點，可以采取相同的方法尋找使轉矩安培比最優的角度組合。

3? 結語

本文提出的新型角度位置控制模式，一方面可以實現SRM的恒功率運行，另一方面可以在不同轉速和轉矩下得到轉矩安培比最大的開關角組合，從而顯著提升SRM的運行效率，仿真結果驗證了此方法的有效性，實際的應用中，可根據實際轉速和負載值確定最優的開關角組合。另外，該方法可以大大降低SRM角度尋優工作量，提高工作效率，同時轉速和電流的雙閉環模式可以保證系統的穩定和安全運行。

參考文獻：

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