开关磁阻电机APC 调速控制策略研究

金正楹，蔡 燕

（天津工业大学，天津 300387）

相比永磁同步电机，开关磁阻电机不含稀土材料的永磁体，结构简单、坚固，制造成本低，特别适合于高速、高温等对可靠性要求很高的应用场景[1-3]。但是从电机调速控制的角度看，由于其高度非线性的电磁特性，因此在控制中存在难点[4-5]，尤其是APC 运行阶段的调速控制。在过去的研究中，常用推导开通角公式实现稳速[6-8]，但是其精确性有限。为了对SRM 展开性能研究，本文提出一种开关磁阻电机APC 调速控制策略，通过仿真模型的建立，为开展SRM 性能研究提供基础。

1 APC 运行分析

与其他电机不同，由于SRM 具有特殊的双凸极结构以及脉冲式电流的励磁方式，一般通过控制功率变换器开关管的通断时刻，即控制各相开始励磁的位置和开始退磁的位置来实现相电流大小和波形的改变，从而控制SRM 的电磁转矩及运行方向。基于不对称半桥式功率变换器的调速控制中，通常开始励磁的位置被称为SRM 的开通角θon，开始退磁的位置被称为SRM 的关断角θoff，这种仅由角度控制参数进行调速的控制方式被称为角度位置控制（Angular Position Control，APC）。

实际上，由于开关磁阻电机的高度饱和与非线性的特性，开通角和关断角对相电流和输出转矩的影响无法被简单公式精确表达。因此，为了确定电机APC运行时，不同的角度参数对系统的影响，需要将开通角和关断角对相电流的影响分别进行分析，而后确定调速控制的策略。

不同开通角对相电流波形的影响如图1（a）所示。随着开通角的逐渐前移，相电流峰值增大，但是如果开通角过度前移，则会导致电流峰值过高从而损坏电机；如果开通角过于靠后，将无法满足一定负载下的调速要求。不同关断角对相电流波形的影响如图1（b）所示。在APC 调速时，关断角对电流的峰值影响较小，因此对电机调速控制的作用要弱于开通角，但其决定了相电流的拖尾长短，对电机效率有一定影响，在调速过程中也需要设置合适的关断角。通过分析可知，在APC调速阶段，开通角的变化可以显著改变电流峰值，影响整个脉冲区间内的电流有效值，这对输出转矩的改变是决定性的，因此将开通角作为开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drive，SRD）转速闭环的调节参数。

图1 不同角度对相电流的影响

2 开通角APC 调速策略

由于开通角对相电流具有高影响力，因此APC 调速阶段电机的主要参数被确定为开通角。但想让SRM在不同工况下都稳定运行，闭环调节回路必不可少，因此需要进一步建立调速系统的控制框图。

对于某一个确定的转速、负载条件，通常有无数种开通角和关断角的组合满足运行，但事实上，通过上述对θon和θoff的分析可知，开通角和关断角一旦确定，励磁电流的波形也就确定了。换言之，在APC 运行方式下，给定参考转速ω*和负载TL 时，若同时确定关断角θoff，通过开通角θon对相电流波形的调节，可以使电机转速ω 稳定在参考转速ω*下。

利用此原理，本文制定了一种简单有效的APC 调速控制框图，如图2 所示。在某一参考转速和给定负载的条件下，给定一个关断角后，转速闭环会驱动比例-积分控制器，通过调节开通角使电机运行在参考转速下，若转速偏差为正，实际转速低于参考转速，开通角前移增加励磁，若偏差为负，实际转速高于参考转速，开通角后移减小励磁，直至实际转速等于参考转速，电机运行达到稳态。虽然开通角和关断角有无数种组合，但是关断角一旦确定，开通角只存在唯一的值满足此工况的运行要求。策略中，角度信号θ 在速度变换器中转换为转速信号，换相控制器给出的开断信号经过功率变换器给到电机本体，控制相绕组的通断，从而实现转速闭环。

图2 APC 调速控制框图

3 调速仿真模型

根据所提出的控制框图在MATLAB/Simulink 软件中建立了仿真模型，如图3 所示。以一台额定转速2 000 rpm，额定功率1.5 kW 的三相12/8 极开关磁阻电机为例。在一定的参考转速，负载TL 和关断角条件下，通过设置合适的比例、积分系数，闭环系统通过调节开通角使电机运行在设定的矩速工作点下。仿真模块包括换相逻辑控制，功率变换器和电机本体，此外，设置了一个限流模块，防止调节过程中电流峰值过高而损坏电机。

图3 基于所提出控制策略的MATLAB/Simulink 仿真模型

在电机模型中，功率变换器是系统的重要组成部分，负责执行控制信号，控制相电流的通断，文章采用不对称半桥式功率变换器作为功率电路，其结构简单、稳定性高，且各相可独立控制开断。根据电路拓扑结构，在MATLAB/Simulink 软件中搭建了其仿真模型，如图4 所示。图中V+和V-分别为295 V 等效直流电源的正负两极，斩波管和位置管均选择IGBT，G_up 输入各相上桥臂斩波管的开断信号，G_down 输入下桥臂位置管的开断信号。每相上下桥臂各有IGBT 开关和续流二极管一个，在两个IGBT 开关之间是电机绕组，通过IGBT 开关控制对SRM 绕组的电压施加。

图4 不对称半桥式功率变换器仿真模型

换相逻辑控制如图5 所示，通过将开通角和关断角与角度位置信号进行对比，给定IGBT 的通断信号。

图5 换相逻辑控制模型

为了验证策略有效性，本文以转速2 000 rpm，负载5.25 N·m 的条件为例，给出了仿真波形，如图6 所示。从上到下依次为3.959~3.966 s 时间区间内的三相电流、三相转矩、合成转矩波形以及0~5 s 时间区间内的转速波形。

关断角设定为机械角16°，设定Kp，Ki 系数分别为0.005 和0.02，相电流峰值被限制在10 A，经过约0.5 s 后调速系统进入稳态运行，转速稳定在参考转速2 000 rpm，此时，开通角稳定在-1.98°，由此验证了所提出的控制策略在APC 调速运行时的有效性。

4 结束语

本文通过角度参数的相电流影响分析，提出了一种简单易用的开通角APC 调速控制策略，并通过MATLAB/Simulink 仿真模型实现了该策略，给出了一定矩速工作点下相电流、转矩、转速等稳态波形，验证了策略有效性，对SRD 高性能系统的进一步研究提供了理论和仿真基础。