开关磁阻电动机的控制方法_开关磁阻电动机运行特性

开关磁阻电动机的控制方法

开关磁阻电动汽车电机控制系统的可控参数主要有开通角、关断角、相电流幅值以及相绕组的端电压，对这些参数进行单独或组合控制就会产生不同的控制方法，常用的控制方法有角度控制（APC）、电流斩波控制（CCC）、电压控制（VC）三种。

1．角度控制法（APC）

APC是电压保持不变，而对开通角和关断角进行控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。在APC控制中，如果改变开通角，而它通常处于低电感区，则可以改变电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和有效值大小以及改变电流波形与电感波形的相对位置，这样就会对输出转矩产生很大的影响。改变关断角一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此关断角同样对电动机的转矩产生影响，只是其影响程度没有开通角那么大。具体实现过程中，一般情况下采用固定关断角、改变开通角的控制模式。与此同时，固定关断角的选取也很重要，需要保证绕组电感开始下降时，相绕组电流尽快衰减到零。对应于每个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角会有多种组合，因此选择的过程中要考虑电磁功率、效率、转矩脉动及电流有效值等运行指标，来确定相应的最优控制的角度。在系统的控制中，要遵循一个原则，即在电动机制动运行时，应使得电流波形位于电感波形的下降段；而在电动机电动运行时，应使电流波形的主要部分位于电感波形的上升段。

角度控制的优点是：转矩调节范围大；可允许多相同时通电，以增加电动机输出转矩‘且转矩脉动小；可实现效率最优控制或转矩最优控制。但角度控制法不适应于低速工况，一般在高速运行时应用。

2．电流斩波控制法（CCC）

在电流斩波控制方式中，一般使电动机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流限的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动汽车电机转矩和转速的目的。实现方式有以下两种：

1）限制电流上下幅值的控制

即在一个控制周期内，给定电流最大值和最小值，使相电流与设定的上下限值进行比较，当大于设定最大值时则控制该相功率开关元件关断，而当相电流降低到设定最小值时，功率开关重新开通，如此反复，其斩波的波形如图4.18所示。这种方式，由于一个周期内电感变化率不同，因此斩波频率疏密不均，在电感变化率大的区间，电流上升快，斩波频率一般很高，开关损耗大，优点是转矩脉动小。

2）电流上限和关断时间恒定

与上一种方法的区别是，当相电流大于电流斩波上限值时，就将功率开关元件关断一段固定的时间再开通。而重新导通的触发条件不是电流的下限而是定时，在每一个控制周期内，关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率、转速等因素，因此电流下限并不一致。关断时间过长，相电流脉动大，易发生“过斩”；关断时间过短，斩波频率又会较高，功率开关元件开关损耗增大。应该根据电动机运行的不同状况来选择关断时间。

电流斩波控制适用于低速和制动运行工况，可限制电流峰值的增长，并起到良好有效的调节作用，而且转矩也比较平稳，电动汽车电机转矩脉动一般也比采用其他控制方式时要明显减小。

3．电压控制法（VC）

电压控制法与前两种控制方式不同，它不是实时地调整开通角和关断角，而是某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。具体方法是在固定开通角和关断角的情况下，用PWM信号来调制主开关器件相控信号，通过调节此PWM信号的占空比，以调节加在主开关上驱动信号波形的占空比，从而改变相绕组上的平均电压，进而改变输出转矩。电压斩波控制是通过PWM的方式调节相绕组的平均电压值，间接调节和限制过大的绕组电流，适合于转速调节系统，抗负荷扰动的动态响应快。这种控制实现容易，且成本较低；缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高、开关损耗大，不能精确控制相电流。

实际上在开关磁阻电动机双向控制系统中，采用的是后两种控制方法。具体的发电／电动状态控制策略见图4.19所示。

开关磁阻电动机的动作过程可分为发电过程和电动过程，分别对应于电动汽车的制动、滑行以及正常行驶过程，而将电动汽车制动、滑行时的能量回收到储能装置中，即为能量的再生回馈；发电状态和电动状态是通过软件来实现切换的。在整个发电回馈过程中，由于开关磁阻电动机本体结构特殊，其定子绕组既是励磁绕组又是电枢绕组，故其励 磁与续流（发电）过程必须采用周期性分时控制。其励磁过程是可控的，但续流（发电）过程不可控，因而采用电流斩波控制来调节励磁阶段励磁电流的大小，从而实现对发电过程的控制。而电动过程采用电压斩波控制，以调节电枢平均电压从而实现对转矩和转速的调节。

开关磁阻电动机双向控制系统的主要目标是实现开关磁阻电动机的双向运行，着重点在于发电／电动状态下的最优控制以及能量回馈问题，不但要让开关磁阻电动机在电动状态下获得优越的调速性能，也要保证其发电状态下的能量回馈。其总体的控制方案如图4. 20所示。

该系统主要由开关磁阻电动机本体、主控制芯片、主功率电路、IGBT驱动电路以及电流电压检测电路、位置检测电路等外围检测电路构成，具体功能的实现过程如下：三相不可控整流桥将380V的三相动力电整流为537V的直流电并通过H桥式主功率电路给电动机供电，同时相电压和相电流检测电路负责对电动汽车电机的母线电压以及相电流情况进行检测，将检测信号反馈至DSP的A／D转换模块，进行A／D采样。同时，电流电压保护电路接收相电流和相电压检测信号，在对其进行处理后，将过电流过电压信号反馈至DSP的PDPINT模块，从而实现整个系统的故障保护功能。此外还有位置检测电路，将光电盘的两路输出信号经调理后，送至DSP的捕捉模块，经角度计算和速度计算模块后产生角度和速度控制信号。DSP内部的PI控制模块对A／D转换后的电流电压信号以及角度、速度信号进行综合后计算，DSP输出五路占空比可变的PWM波形至IGBT驱动电路，实现对主功率开关电路的通断控制。另外DSP的SPI模块负责驱动四个显示模块。各个模块相互联系、相互协作，共同完成整个控制系统的功能。

纯电动汽车开关磁阻电动机的运行特性

纯电动汽车的开关磁阻电动机的运行特性可分为三个区，即恒转矩区、恒功率区和自然特性区。

开关磁阻电动机一般不在自然特性区运行，通常在恒转矩区和恒功率区运行。

相比于电磁感应式电动机，开关磁阻电动机的优点如下：

①电动机的转子没有绕组，定子绕组整体嵌装容易，结构简单，价格便宜。

②电动机的转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电动机容易冷却，效率高，损耗小。

③电动机转矩的方向与定子绕组电流的方向无关，只需控制相绕组通电的顺序即可控制电动机的转动方向，因而功率转换器电路简单，工作可靠。

④转子上没有电刷，结构坚固，转子转动惯量小，有较高的转矩惯量比，适用于高速驱动：此外，转子无明显的热量产生，延长了电动机轴承的使用寿命。

⑤调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩／速度特性。

⑥起动电流小，无电磁感应式电动机在起动时所出现的冲击电流现象，起动转矩大，低速性能好，适合频繁起动。

开关磁阻电动机的缺点主要表现在以下几个方面：

①电磁转矩的脉动较大，在特定频率下会产生谐振，这些都使得开关磁阻电动机的噪声和振动较大。

②开关磁阻电动机的能量转换密度低于电磁感应式电动机。

③当电动机的相数较多时，主接线数就多，电动机的主电路较复杂。