摘要：為降低轉(zhuǎn)矩脈動，提出四相開關(guān)磁阻電動機(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。針對正八邊形的電壓空間矢量，分析了磁鏈與電壓矢量問的影響關(guān)系，設(shè)計了開關(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)，部分解決了開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大的問題。
開關(guān)磁阻電動機(jī)(以下簡稱SRM)自身結(jié)構(gòu)緊湊牢固、驅(qū)動電路簡單、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)使其很適合電動車輛的各種工況運(yùn)行，是電動車輛中****有潛力的機(jī)種。但SRM的****缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大，如何降低SRM的轉(zhuǎn)矩脈動，進(jìn)而解決噪聲是SRM應(yīng)用于電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。直接轉(zhuǎn)矩控制作為降低轉(zhuǎn)矩脈動的有效手段，在感應(yīng)電動機(jī)中已得到廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電動機(jī)的勵磁為規(guī)則的三相正弦交流電，而SRM由于自身的雙凸極結(jié)構(gòu)及直流電壓勵磁，因而不可照搬感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論。
1985年德國魯爾大學(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)系下計算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(B B控制)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行****控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。
根據(jù)SRM電壓平衡方程，SRM每相電壓與瞬時磁鏈?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)寫成差分形式：
從式(2)可以看出，瞬時磁鏈的變化方向與所加定子瞬時電壓矢量的方向一致。四相SRM瞬時電壓矢量的定義如圖1所示，箭頭所指為正方向。
在傳統(tǒng)的不對稱半橋的單極性功率變換器中[5]，對于單一方向的繞組電流，根據(jù)不同的開關(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功率變換器的開關(guān)模式共有3×3×3×3=81種組合。為簡化方便，選用其中8個幅值相等、空間互差45。的開關(guān)電壓矢量，如圖3所示。電壓矢量沒有使用零矢量，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為瞬時合成磁鏈；δ為瞬時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)效率會明顯下降。根據(jù)合成磁鏈6的大小，可以判斷瞬時合成磁鏈?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)瞬時合成磁鏈所處的磁鏈區(qū)問，可得開關(guān)電壓矢量的選擇方法如下。假定要求電機(jī)逆時針方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)電動狀態(tài)，定子瞬時合成磁鏈處于第A區(qū)間(k=1，...，8)，如果要求Ψ，則可以選擇開關(guān)電壓矢量Vk-1,Vk+1；如果要求Ψ，可以選擇開關(guān)電壓矢量Vk-3,Vk+3；如果要求T，可以選擇開關(guān)電壓矢量Vk+1,Vk+3；如果要求T，可以選擇開關(guān)電壓矢量Vk-1，Vk-3。綜上所述，可得開關(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(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。當(dāng)Ψ(t)沿著邊S運(yùn)動到s，與s。的交點(diǎn)，時，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)會按照與us(0110)相平行的方向，沿著邊S4的軌跡運(yùn)動。若在S4與S5的交點(diǎn)時給出電壓us；(0011)，則Ψs(t)的頂點(diǎn)將沿著邊S5的軌跡運(yùn)動。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。
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)來實(shí)現(xiàn)。首先利用電壓傳感器、電流傳感器檢測sRM直流母線電壓和定子四相電流。通過磁鏈觀測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)子位置通過查找表獲得實(shí)際轉(zhuǎn)矩，將由磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測器得到的定子磁鏈、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，誤差信號分別通過磁鏈調(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)矩波動范圍從O.4 N·m～2．9 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動相當(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)矩基本無脈動，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，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)平臺如圖8所示，在實(shí)驗(yàn)測試時，以一臺1 5 kw永磁直流電動機(jī)反接狀態(tài)作負(fù)載，在直流電
動機(jī)的電樞中串人大功率可變電阻(多根電爐絲并聯(lián))，通過改變電阻阻值，以改變直流電動機(jī)的機(jī)械接特件．
在試驗(yàn)中，采用TDs210型數(shù)字記憶示波器對試驗(yàn)波形進(jìn)行監(jiān)測。sRM運(yùn)行在額定速度1 500 r／min,直流電動機(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，扭矩在最小的1．8 N·m和****的2 8 N·133之問來回波動，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，波動范圍在0 1 N·m(4％)范圍內(nèi)�？梢奃TC控制能有效地解決SRM轉(zhuǎn)矩脈動問題，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
與傳統(tǒng)的SRM控制方式不同，直接轉(zhuǎn)矩控制控制無需建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，電機(jī)繞組電流并沒有被直接控制。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)矩來決定，通過控制繞組磁鏈幅值和定子磁通矢量變化速度來實(shí)現(xiàn)對電機(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)矩脈動叮以限制在5％的范圍內(nèi)，有效緩解了SlIM轉(zhuǎn)矩脈動的問題。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汽車運(yùn)行要求，它在電動汽車用SRM系統(tǒng)傳動中有著較實(shí)用價值，有助于提高電動汽車的性能。
