基于两种功率拓扑的开关磁阻电机转矩脉动抑制的仿真研究.docx

基于两种功率拓扑的开关磁阻电机转矩脉动抑制的仿真研究摘要本文主要论述了基于不对称桥式功率变换电路和四电平功率变换电路的开关磁阻电 机转矩脉动抑制的仿真研究通过这两种电路的计算机仿真对比可以得出，在结合转矩分配函数 算法的开关磁阻电机转矩脉动抑制方面，四电平功率变换电路更加可行和有效关键词：开关磁阻电机 转矩分配函数 四电平功率变换电路 转矩脉动抑制Simulation Research on Torque Ripple Reduction ofSRM Based on Two Power ConvertorWei Qian Wang Yabiao rantiangang Haolingdi(Baoding Measurement Institute Electrical 695 Room on 54 East Road Baoding 071000)Abstract: The paper presents simulation research on torque ripple reduction of switchedreluctance motor (SRM) torque ripple based on modified multi-level converter. The four-level converter has more feasibility and validity base on Torque sharing function (TSF) algorithm of SRM.Key words: switched reluctance motor (SRM)； torque sharing function (TSF)； four-level converter； torque ripple reduction1引言开关磁阻电机（SRM）具有结构简单，坚固， 工作可靠以及效率高等优点，形成了与其他类型电 机竞争的潜在优势。

但山于SRM为双凸极结构，转 矩是转子位置和各相电流的非线形函数，所以存在 着较大的转矩脉动转矩脉动直接影响着SRM驱 动系统的输出特性，这样就限制了小功率SRM在 某些工业场合的应用与推广因此抑制转矩脉动的 研究一直是国内外学者广泛关注的对象总的来说，减小转矩脉动主要冇两种方法：一种 方法是优化电机的电磁设计，改变定、转子磁极结构 來减小转矩脉动⑴但该方法不仅需要亜新设计磁极的 形状或修改各个位置上的气隙长度，而冃通过此方法 无法完全消除瞬时转矩脉动另一种方法是应用一些 复杂的电控技术来达到上述目的主要包括控制供电 电压、导通角和关断角以及相电流等参数本文主要 从控制角度，讨论抑制转矩脉动的控制方法传统的抑制转矩脉动的方法是将非线性系统近 似转换成筹效线性系统的线性反馈控制方法3】仿 真结果显示这种方法只有在能够得到电机精确的数 学模型的情况卜，才可以得到所希望的脉动较小的 转矩山于缺少精确模型，这种方法使SRM系统 的性能降低，而且某些情况下，甚至导致不稳定的 响应另外，这种方法在化简过程中需要大量计算， 使得数字式实时线性反馈控制方法只适川于低速情 况下的应用⑷为了克服前而所提到的控制方法的缺点，本文 采用最常用的转矩分配函数（TSF）控制方法。

所 用算法通过合理的选择转矩分配函数，规划每相的 电流以便使各相产生的转矩Z和等于总的期望转 矩，以此来减小转矩脉动⑸这种方法简单有效， 减小了控制器的计算量，使得实时控制更实际可行此外，在SRM运行时，釆用不对称桥式功率 变换电路存在着励磁电流的上升和下降相对缓慢的 不足，这就影响了实际电流对期望电流的跟随效果， 转炬脉动相对较大，并且效率和动态性能右所降低 而釆用以电平功率变换电路则可以通过给开关磁阻 电机提供髙电压，加快励磁电流的上升和下降过程， 使转矩脉动、效率和动态性都得到改善本文给出了基于以上两种功率变换电路的TSF 转矩控制方法，根据TSF曲线特点，将其划分为两 个区间，然后对各个区间采用不同的电流滞环控制 方法，从而得到每相开关状态其中，电流滞环控制器的输入为期望电流与实际电流的比较值所给 控制方法通过计算机仿真验证，证明在结合TSF算 法的开关磁阻电机转矩脉动抑制方面，四电平功率 变换电路是更加可行和有效的2基于不对称桥式功率变换电路的TSF转 矩控制2.1不对称桥式功率变换电路及其相关开关状态 图1为SRM驱动电路中最常见的不对称桥式 功率变换电路此电路具有控制灵活、各相可独立 控制的特点。

随着各相桥臂开关管的导通和关断, 每相可有如图2所示的1、0、-1三种开关状态其 中，两个开关管同时导通时设定为状态1,此时加 到相绕组上的电压为正的直流电压为VDCO在电流 上升期间，若电路处于此状态，可快速建立所需的 相电流而在电流平稳产生期间处于此状态，则可 产生比当前值更大的电流一个开关管导通，另一 个开关管关断时设定为状态0,此时加到相绕组上 的电圧为0,相电流处于续流状态在电流上升期 间，若电路处于此状态，可使励磁电流的上升停止 而在电流平稳产生期间处于此状态，则可产生比当 前值更小的电流两个开关管同时关断时设定为状 态-1 ,此时加到相绕组上的电压为负的直流电压2.2 TSF单元SRM的总转矩是山各相绕纽产生的转矩叠加 而合成的，对各相转矩进行任意组合均可产生同样 的电机总转矩，因此要对电机的各相绕组转矩进行 有效的控制,首先要确定SRM每相绕组的期望转 矩与转子位置角的函数关系，即转矩分配函数TSF齐（&） =0.5-0.5cosB（&-氐）/久讪,]10.5 + 0.5心［兀（&-為）/虹切］%" 5為"V&2else这种TSF规定了 SRM每相绕组导通经历了三 个阶段：①心7,导通相期望转矩按分段函 数齐（&）逐渐增加，关断相期望转矩按分段函数 齐（〃）逐渐减小，SRM总转矩山两相绕组转矩叠加 而成。

②心叫,导通相绕组单独导通，其值 等于总转矩@0^<0<02,与阶段①相同，其中 久、為、Overlap分别为开通角、关断角和换相重叠 角TSF曲线如图3所示图3 SRM转矩分配函数在SRM运行期间，对于内环釆用电流滞环控 制的TSF控制方法来说，电流是宜接控制的变量， 转矩命令首先要变成电流指令，然后山电流控制器 产生开关信号来实现实际电流对期望电流的良好跟 随因此在SRM的具体控制中，按照TSF曲线的 特点，结合相应的位置信号，将山TSF所决定的期 望电流信号分为区间1和区间2两个区间如图4图4 TSF决定的理想电流山上图可知，区间1是从B相开通角仇n_B开始 到位蛙角Q B为止的区间，也可称为换相巫叠区 对于B相来说，区间1是建立所需相电流的电流上 升区间对于A相来说，区间1 乂是其励磁电流迅 速减小，电路中的磁能向直流电源冋馈的区域区 间2是从九b开始到C相的开通角嘔c为-I卜•的区间在这区间里，A相处于负转矩区，因此希望A相电 流急剧减小到Oo而B相则在实际控制下平稳输出 所需电流和转矩，这时，所需转矩将靠B相独立产 生当SRM的驱动电路为不对称桥式功率变换电 路时，每相有三种开关状态，H电路中各相相互独 立，在任意时刻，任意位置各种开关状态可以相互 纽合，不存在相邻两相Z间的约束关系。

可以施加 如图5所示的滞环控制规则在图5,输入信号为 期望电流和实际电流的差值图5中,Sa和SB分别为A、B两相的开关状态, “A和△厶为A、B两相期望电流和实际电流的偏差 值，而A/伽和A/唤则分别为内部滞环和外部滞环的 极限值在区间1,即换相巫叠区，B相绕组处于 励磁状态，为了使B相能快速建立所需电流以便实 现更好的电流跟随效果所以对B相诫加（），1两 个状态，而无负状态而对于A相，绕组处于去磁 状态，为了实现其快速去磁，乂能满足对期望电流 的良好跟随，所以对A相施加・1, 0, 1三状态,且 为内部滞环在区间2, B相要平滑的输出所需电 流，所以希望其运行于（）,1组成的软斩波方式，而 当电流偏差小于外部滞环极限- △/唤时，才池加-1 状态对于A相来说，其已经进入了负转矩区，因0（b）区间2maximin ° %n图5各区间的控制规则3 基于四电平功率变换电路的TSF转矩控 制3.1四电平功率变换电路及其相关开关状态图6为用于驱动三相SRM的四电平功率变换 电路与不对称桥式变换电路相比，多了一个开关 管0CD，—个一极管Dcd以及一个Boost电容Ccd 所以功率变换电路成本相对较高。

但当SRM运行 时，如果每相中的两个开关管和开关管0CD同时导 通，相绕组上会出现了咼电压V* +以d和 -（％ +〈D）这就使得在电流的上升和下降速度大 大加快，进一步改善了实际电流对期望电流的跟随 效果，减小了转矩脉动，提高了效率而在电流平 稳产生期间，相绕组施加正负高电压，可以提高动 态性能四电平功率变换电路每相冇如图7所示的2、1、 0、・2等4个状态其中，相开关管和开关管0co 同时导通时设定为状态2,此时加到相绕组上的电 压为在电流上升期间，若电路处于此状 态，相比不对称桥式功率变换电路而言，可更快建 立所需的相电流而在电流平稳产生期间处于此状 态，则可产生比当前值更大的电流，提高系统的动 态性能相开关管导通而开关管0CD关断时设定为 状态1,相开关管分别处于导通、关断而开关管Ccd 处于关断时设定为状态（），这两种状态为不对称桥 式功率变换电路原有的状态相开关管同时关断X 相绕组中冇电流流过时设定为状态・2,此时加到相 绕组上的电压为-（Voc+Vcd），在电流下降期间，若 电路处于此状态，相比不对称桥式功率变换电路而 言，可加快电流下降速度而在电流平稳产生期间 处于此状态，则可产生比当前值更小的电流。

提高 系统的动态性能图6四电平功率变换电路图7相开关状态当SRM的驱动电路为四电平功率变换电路时, 每相有四个开关状态，分别为2、1、0、・2其中 :)A/ntax••-A/ .(mm '2I0-2A相V@)区间1B相•••■■(b)区间2A/』E>z・？\xAtnn ( urnnI , iIA<15nwniiir irimi Mffinu：OO Qll34Tmc⑶：n * n：4IinriSl1 ZV■5 U)2-g \(a)不对称桥式功率变换电路仿真结果ftoii 03S OflM OM O.OIC (ItfX1 (IIQ4 002MTimlSl Ti・10(b)四电平功率变换电路仿真结果 图10两种拓扑的TSF转矩控制仿真结果-状态2和・2具有快速励磁和快速去磁,提高效率和 改善系统动态性能的功能考虑到图6所示的各区 间特征，制定了如图8所示的滞环控制规则在区间I, B相绕组处于励磁状态，为了使实 际电流更好的跟随参考电流，保证换相巫叠区的转 矩脉动最小，所以B相除了施加()，1两个状态之 外，还增加了快速励磁的2状态而对A相而言， 从电流控制的响应速度考虑，除了施加绕纽0, 1 两个状态Z外，还有・2和2两状态。

在区间2, B 相要平滑的输出所需电流，所以希望其运行于0,1 组成的软斩波方式，同样考虑到系统动态性能的改图8各区间的控制规则善，乂施加了-2和2。