摘要：為降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提出四相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理、步驟和實(shí)現(xiàn)方法。借鑒感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制思想，基于能量等效原則推導(dǎo)出四階磁鏈正交變化矩陣，指出采用坐標(biāo)分解法所得的磁鏈幅值是正交變換法所得幅值的1.4倍。針對(duì)正八邊形的電壓空間矢量，分析了磁鏈與電壓矢量問(wèn)的影響關(guān)系，設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)矢量表。仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差可控制在5％范圍內(nèi)，部分解決了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題。
中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0045—04
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)自身結(jié)構(gòu)緊湊牢固、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、成本低、性能可靠，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限控制的特點(diǎn)使其很適合電動(dòng)車(chē)輛的各種工況運(yùn)行，是電動(dòng)車(chē)輛中****有潛力的機(jī)種。但SRM的****缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大，如何降低SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而解決噪聲是SRM應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。直接轉(zhuǎn)矩控制作為降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效手段，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中已得到廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁為規(guī)則的三相正弦交流電，而SRM由于自身的雙凸極結(jié)構(gòu)及直流電壓勵(lì)磁，因而不可照搬感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論。
1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的德彭布羅克(Depenbro—ck)教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論。直接轉(zhuǎn)矩控制用空間矢量分析方法,直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(B B控制)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行****控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。
根據(jù)SRM電壓平衡方程，SRM每相電壓與瞬時(shí)磁鏈?zhǔn)噶糠匠虨椋?/DIV>
式中：Ψ為繞組磁鏈；u為繞組端電壓；R為繞組電阻；i為繞組電流。忽略電機(jī)繞組電阻R，將式(1)寫(xiě)成差分形式：
從式(2)可以看出，瞬時(shí)磁鏈的變化方向與所加定子瞬時(shí)電壓矢量的方向一致。四相SRM瞬時(shí)電壓矢量的定義如圖1所示，箭頭所指為正方向。
在傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋的單極性功率變換器中[5]，對(duì)于單一方向的繞組電流，根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每相繞組有三種可能的電壓狀態(tài)，如圖2所示。相應(yīng)開(kāi)關(guān)函數(shù)si(i=1，2，3，4)的定義如表1所示。
由表1可知，四相sRM功率變換器的開(kāi)關(guān)模式共有3×3×3×3=81種組合。為簡(jiǎn)化方便，選用其中8個(gè)幅值相等、空間互差45。的開(kāi)關(guān)電壓矢量，如圖3所示。電壓矢量沒(méi)有使用零矢量，零矢量主要用于故障保護(hù)和停a機(jī)操作。
1.2磁鏈合成
與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分布繞組建立的磁鏈分布不同，南集中繞組供電的sRM定子繞組磁鏈集中分布在定子磁極上，與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，為簡(jiǎn)化方便，可以假足各相定于繞組的磁鏈固定在各相定子繞組所在磁極的中心線上，為此建立靜
止的α一β坐標(biāo)系[6-7]，如圖4所示。
兩相和四相電機(jī)等效的條件是氣隙中產(chǎn)生的磁通相等，即：
N2和N4分別為兩相和四相電機(jī)繞組的有效匝數(shù)，設(shè)N4=N2.
由式（3）可得：
此變換矩陣保證了系統(tǒng)的能量等效，在靜止的α-β坐標(biāo)上，應(yīng)用能量等效變換矩陣可得合成磁鏈：
式中：Ψs為瞬時(shí)合成磁鏈；δ為瞬時(shí)合成磁鏈的空間位置角。
由式(7)可知，如果磁鏈采取坐標(biāo)分解的方法進(jìn)行合成，則合成磁鏈的幅值比等效方法大1．4倍左右，由此會(huì)導(dǎo)致sRM更多運(yùn)行在磁飽和區(qū)，雖然保證了轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)誤差，但電機(jī)效率會(huì)明顯下降。根據(jù)合成磁鏈6的大小，可以判斷瞬時(shí)合成磁鏈?zhǔn)噶克幍拇沛渽^(qū)間k，磁鏈區(qū)間A劃分如表2所示。
根據(jù)瞬時(shí)合成磁鏈所處的磁鏈區(qū)問(wèn)，可得開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇方法如下。假定要求電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)，定子瞬時(shí)合成磁鏈處于第A區(qū)間(k=1，...，8)，如果要求Ψ，則可以選擇開(kāi)關(guān)電壓矢量Vk-1,Vk+1；如果要求Ψ，可以選擇開(kāi)關(guān)電壓矢量Vk-3,Vk+3；如果要求T，可以選擇開(kāi)關(guān)電壓矢量Vk+1,Vk+3；如果要求T，可以選擇開(kāi)關(guān)電壓矢量Vk-1，Vk-3。綜上所述，可得開(kāi)關(guān)表如表3所示。
2直接轉(zhuǎn)矩控制性能分析
2．1電壓與磁鏈空間矢量關(guān)系
us(t)表示電壓空間矢量，Ψs(t)表示磁鏈空間矢量，s1一s2一s3一s4一s5一s6一s7一58分別是正八邊形的八條邊。當(dāng)磁鏈空間矢量如Ψs(t)在如圖5所示的位置時(shí)(其頂點(diǎn)在邊S3上)，如果變換器加到定子上的電壓空間定量us(t)為(1100)，則根據(jù)式(12)，定子磁鏈空間矢量的頂點(diǎn)，將沿著S3邊的軌跡，朝著電壓空間矢量us(1l00)所作用的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Ψ(t)沿著邊S運(yùn)動(dòng)到s，與s。的交點(diǎn)，時(shí)，如果改變電壓空間矢量為 (它與電壓空間矢量us(1l00)成45。夾角)，則磁鏈空間矢量Ψs(t)的頂點(diǎn)會(huì)按照與us(0110)相平行的方向，沿著邊S4的軌跡運(yùn)動(dòng)。若在S4與S5的交點(diǎn)時(shí)給出電壓us；(0011)，則Ψs(t)的頂點(diǎn)將沿著邊S5的軌跡運(yùn)動(dòng)。同樣依次給出us(1001)、us(1100)、us(0110)、us(0011)、us(1001)，則磁鏈空間矢量夠(t)的頂點(diǎn)依次沿著邊s6、S7、S8、S1的軌跡運(yùn)動(dòng)。
2.2直接轉(zhuǎn)矩控制方法
四相sRM直接轉(zhuǎn)矩控制可由轉(zhuǎn)矩磁鏈雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先利用電壓傳感器、電流傳感器檢測(cè)sRM直流母線電壓和定子四相電流。通過(guò)磁鏈觀測(cè)器得到定子合成磁鏈，并判斷磁鏈區(qū)間，根據(jù)四相電流和轉(zhuǎn)子位置通過(guò)查找表獲得實(shí)際轉(zhuǎn)矩，將由磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器得到的定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值作為反饋量與磁鏈、轉(zhuǎn)矩的給定值相比較，誤差信號(hào)分別通過(guò)磁鏈調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的滯環(huán)控制單元后，獲得轉(zhuǎn)矩和磁鏈的“0”、“1”控制指令，根據(jù)當(dāng)前定子合成磁鏈所在區(qū)域，按表3選擇合適的開(kāi)關(guān)電壓欠量控制定子磁鏈的大小、平均旋轉(zhuǎn)速度及方向，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接、快速調(diào)節(jié)。
3仿真研究
根據(jù)理論分析，在Matlah／simulink環(huán)境下建立sRM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖6所示。 仿真用到的sRM電機(jī)參數(shù)如表4所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=2 N·m，磁鏈|Ψs|=0．98 wb，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器容差△T=O.4 N·m，磁鏈滯環(huán)比較器容差|△Ψs|=O.04 wb。本文將直接轉(zhuǎn)矩控制(DTc)與傳統(tǒng)的
ccc控制下，sRM轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍從O.4 N·m～2．9 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相當(dāng)大且十分頻繁。而直接轉(zhuǎn)矩控制控制下，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)雖稍慢，為O.01s，但轉(zhuǎn)矩基本無(wú)脈動(dòng)，穩(wěn)態(tài)誤差可以控制在5％的范圍內(nèi)。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制可以有效地減輕sRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而降低噪聲。
4實(shí)驗(yàn)研究
在軟件仿真的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證sRM直接轉(zhuǎn)矩控制思想和方法的正確性。試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，以一臺(tái)1 5 kw永磁直流電動(dòng)機(jī)反接狀態(tài)作負(fù)載，在直流電
動(dòng)機(jī)的電樞中串人大功率可變電阻(多根電爐絲并聯(lián))，通過(guò)改變電阻阻值，以改變直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械接特件．
在試驗(yàn)中，采用TDs210型數(shù)字記憶示波器對(duì)試驗(yàn)波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。sRM運(yùn)行在額定速度1 500 r／min,直流電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載電流為15 A，圖9為sRM。輸出扭矩，圖9a為傳統(tǒng)的ccc控制，圖9b為術(shù)文≤提出的DTC控制。傳統(tǒng)的CCC控制下．sRM工作在額定工作點(diǎn)時(shí)，扭矩在最小的1．8 N·m和****的2 8 N·133之問(wèn)來(lái)回波動(dòng)，振蕩幅度達(dá)40％。而DTC控制下，扭矩基本維持在2 8 N·m左右，波動(dòng)范圍在0 1 N·m(4％)范圍內(nèi)�？梢�(jiàn)DTC控制能有效地解決SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，效果十分顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了四相SRM直接轉(zhuǎn)矩控制的有效性和可行性。
5結(jié)語(yǔ)
與傳統(tǒng)的SRM控制方式不同，直接轉(zhuǎn)矩控制控制無(wú)需建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，電機(jī)繞組電流并沒(méi)有被直接控制。繞組的電流波形和器件的導(dǎo)通關(guān)斷完全由磁鏈和轉(zhuǎn)矩來(lái)決定，通過(guò)控制繞組磁鏈幅值和定子磁通矢量變化速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而控制電機(jī)速度。仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了四相SRM直接轉(zhuǎn)矩控制的可行性和有效性，表明直接轉(zhuǎn)矩控制具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)叮以限制在5％的范圍內(nèi)，有效緩解了SlIM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制的諸多優(yōu)點(diǎn)使其能夠更好地滿足電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行要求，它在電動(dòng)汽車(chē)用SRM系統(tǒng)傳動(dòng)中有著較實(shí)用價(jià)值，有助于提高電動(dòng)汽車(chē)的性能。
