開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制方法

開關(guān)磁阻電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開通角、關(guān)斷角、相電流幅值以及相繞組的端電壓，對這些參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)或組合控制就會(huì)產(chǎn)生不同的控制方法，常用的控制方法有角度控制（APC）、電流斬波控制（CCC）、電壓控制（VC）三種。

1．角度控制法（APC）

APC是電壓保持不變，而對開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，通過對它們的控制來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置。在APC控制中，如果改變開通角，而它通常處于低電感區(qū)，則可以改變電流的波形寬度、改變電流波形的峰值和有效值大小以及改變電流波形與電感波形的相對位置，這樣就會(huì)對輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生很大的影響。改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此關(guān)斷角同樣對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有開通角那么大。具體實(shí)現(xiàn)過程中，一般情況下采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制模式。與此同時(shí)，固定關(guān)斷角的選取也很重要，需要保證繞組電感開始下降時(shí)，相繞組電流盡快衰減到零。對應(yīng)于每個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開通角與關(guān)斷角會(huì)有多種組合，因此選擇的過程中要考慮電磁功率、效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電流有效值等運(yùn)行指標(biāo)，來確定相應(yīng)的最優(yōu)控制的角度。在系統(tǒng)的控制中，要遵循一個(gè)原則，即在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使得電流波形位于電感波形的下降段；而在電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段。

角度控制的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大；可允許多相同時(shí)通電，以增加電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩‘且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)??；可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。但角度控制法不適應(yīng)于低速工況，一般在高速運(yùn)行時(shí)應(yīng)用。

2．電流斬波控制法（CCC）

在電流斬波控制方式中，一般使電動(dòng)機(jī)的開通角和關(guān)斷角保持不變，而主要靠控制斬波電流限的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種：

1）限制電流上下幅值的控制

即在一個(gè)控制周期內(nèi)，給定電流最大值和最小值，使相電流與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)大于設(shè)定最大值時(shí)則控制該相功率開關(guān)元件關(guān)斷，而當(dāng)相電流降低到設(shè)定最小值時(shí)，功率開關(guān)重新開通，如此反復(fù)，其斬波的波形如圖4.18所示。這種方式，由于一個(gè)周期內(nèi)電感變化率不同，因此斬波頻率疏密不均，在電感變化率大的區(qū)間，電流上升快，斬波頻率一般很高，開關(guān)損耗大，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

2）電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定

與上一種方法的區(qū)別是，當(dāng)相電流大于電流斬波上限值時(shí)，就將功率開關(guān)元件關(guān)斷一段固定的時(shí)間再開通。而重新導(dǎo)通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時(shí)，在每一個(gè)控制周期內(nèi)，關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率、轉(zhuǎn)速等因素，因此電流下限并不一致。關(guān)斷時(shí)間過長，相電流脈動(dòng)大，易發(fā)生“過斬”；關(guān)斷時(shí)間過短，斬波頻率又會(huì)較高，功率開關(guān)元件開關(guān)損耗增大。應(yīng)該根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的不同狀況來選擇關(guān)斷時(shí)間。

電流斬波控制適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行工況，可限制電流峰值的增長，并起到良好有效的調(diào)節(jié)作用，而且轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般也比采用其他控制方式時(shí)要明顯減小。

3．電壓控制法（VC）

電壓控制法與前兩種控制方式不同，它不是實(shí)時(shí)地調(diào)整開通角和關(guān)斷角，而是某相繞組導(dǎo)通階段，在主開關(guān)的控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方法是在固定開通角和關(guān)斷角的情況下，用PWM信號(hào)來調(diào)制主開關(guān)器件相控信號(hào)，通過調(diào)節(jié)此PWM信號(hào)的占空比，以調(diào)節(jié)加在主開關(guān)上驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的占空比，從而改變相繞組上的平均電壓，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。電壓斬波控制是通過PWM的方式調(diào)節(jié)相繞組的平均電壓值，間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流，適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)荷擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。這種控制實(shí)現(xiàn)容易，且成本較低；缺點(diǎn)在于導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大，不能精確控制相電流。

實(shí)際上在開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)雙向控制系統(tǒng)中，采用的是后兩種控制方法。具體的發(fā)電／電動(dòng)狀態(tài)控制策略見圖4.19所示。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作過程可分為發(fā)電過程和電動(dòng)過程，分別對應(yīng)于電動(dòng)汽車的制動(dòng)、滑行以及正常行駛過程，而將電動(dòng)汽車制動(dòng)、滑行時(shí)的能量回收到儲(chǔ)能裝置中，即為能量的再生回饋；發(fā)電狀態(tài)和電動(dòng)狀態(tài)是通過軟件來實(shí)現(xiàn)切換的。在整個(gè)發(fā)電回饋過程中，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)特殊，其定子繞組既是勵(lì)磁繞組又是電樞繞組，故其勵(lì) 磁與續(xù)流（發(fā)電）過程必須采用周期性分時(shí)控制。其勵(lì)磁過程是可控的，但續(xù)流（發(fā)電）過程不可控，因而采用電流斬波控制來調(diào)節(jié)勵(lì)磁階段勵(lì)磁電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)電過程的控制。而電動(dòng)過程采用電壓斬波控制，以調(diào)節(jié)電樞平均電壓從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)雙向控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的雙向運(yùn)行，著重點(diǎn)在于發(fā)電／電動(dòng)狀態(tài)下的最優(yōu)控制以及能量回饋問題，不但要讓開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下獲得優(yōu)越的調(diào)速性能，也要保證其發(fā)電狀態(tài)下的能量回饋。其總體的控制方案如圖4. 20所示。

該系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、主控制芯片、主功率電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及電流電壓檢測電路、位置檢測電路等外圍檢測電路構(gòu)成，具體功能的實(shí)現(xiàn)過程如下：三相不可控整流橋將380V的三相動(dòng)力電整流為537V的直流電并通過H橋式主功率電路給電動(dòng)機(jī)供電，同時(shí)相電壓和相電流檢測電路負(fù)責(zé)對電動(dòng)汽車電機(jī)的母線電壓以及相電流情況進(jìn)行檢測，將檢測信號(hào)反饋至DSP的A／D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行A／D采樣。同時(shí)，電流電壓保護(hù)電路接收相電流和相電壓檢測信號(hào)，在對其進(jìn)行處理后，將過電流過電壓信號(hào)反饋至DSP的PDPINT模塊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的故障保護(hù)功能。此外還有位置檢測電路，將光電盤的兩路輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，送至DSP的捕捉模塊，經(jīng)角度計(jì)算和速度計(jì)算模塊后產(chǎn)生角度和速度控制信號(hào)。DSP內(nèi)部的PI控制模塊對A／D轉(zhuǎn)換后的電流電壓信號(hào)以及角度、速度信號(hào)進(jìn)行綜合后計(jì)算，DSP輸出五路占空比可變的PWM波形至IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對主功率開關(guān)電路的通斷控制。另外DSP的SPI模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)四個(gè)顯示模塊。各個(gè)模塊相互聯(lián)系、相互協(xié)作，共同完成整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。

純電動(dòng)汽車開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

純電動(dòng)汽車的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)，即恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)一般不在自然特性區(qū)運(yùn)行，通常在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運(yùn)行。

相比于電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：

①電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有繞組，定子繞組整體嵌裝容易，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。

②電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子無永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電動(dòng)機(jī)容易冷卻，效率高，損耗小。

③電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與定子繞組電流的方向無關(guān)，只需控制相繞組通電的順序即可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因而功率轉(zhuǎn)換器電路簡單，工作可靠。

④轉(zhuǎn)子上沒有電刷，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，有較高的轉(zhuǎn)矩慣量比，適用于高速驅(qū)動(dòng)：此外，轉(zhuǎn)子無明顯的熱量產(chǎn)生，延長了電動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命。

⑤調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩／速度特性。

⑥起動(dòng)電流小，無電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，適合頻繁起動(dòng)。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)較大，在特定頻率下會(huì)產(chǎn)生諧振，這些都使得開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)較大。

②開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)。

③當(dāng)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)較多時(shí)，主接線數(shù)就多，電動(dòng)機(jī)的主電路較復(fù)雜。