开关磁阻电机转矩脉动抑制关键技术研究

磁链无差拍控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制许爱德;张文;何昆仑;曹玉昭【摘要】针对开关磁阻电机(SRM)的直接转矩控制(DTC)中滞环容差导致的转矩脉动大、开关频率不恒定的问题,提出了磁链无差拍控制(DB-FC).通过分析SRM的基本原理,对DB-FC算法的电压控制率进行理论推导,解析获得一个控制周期内能补偿转矩和磁链所需要的电压矢量,使磁链能被定量调节.通过空间电压矢量调制技术合成所需新电压矢量作用于SRM,进而实现在一个采样周期内无差跟踪给定磁链,避免了DTC策略的容差超调现象.以三相12/8极SRM为控制对象,将DB-FC与DTC算法进行仿真分析和实验对比.结果表明,DB-FC实现了转矩脉动的最小化,调速性能与动态响应能力良好,且计算量小、易于实现.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2019(023)008【总页数】10页(P57-66)【关键词】开关磁阻电机;直接转矩控制;磁链无差拍控制;空间矢量脉宽调制;转矩脉动【作者】许爱德;张文;何昆仑;曹玉昭【作者单位】大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026;大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026;大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TM3520 引言随着能源危机与环境危机问题日益严重，能耗低、污染小的开关磁阻电机(switched reluctance motor, SRM)越来越受到大家的关注。

SRM因结构简单、成本低、效率高和无需稀土材料等优势，目前已成为业界关注的热门电机[1-2]。

但SRM的双凸极结构使得其转矩脉动大，进而导致噪声和振动，恶化其低速性能，从而阻碍和限制了SRM的广泛应用[3-4]。

为减小SRM转矩脉动，国内外学者从SRM本体结构设计和采用合适控制策略2个角度开展研究，但是前者主要从电机定转子结构、参数等方面进行优化，通常以牺牲SRM的效率为代价[5-6]。

江苏大学硕士学位论文摘要开关磁阻电机是上世纪70年代发展起来的新型调速电机，具有结构简单坚固、起动性能好、成本低、容错性好、可四象限运行等突出优点。

ISAD（Integrated Starter Alternator Damper）系统是混合动力汽车中起动、助力、发电、阻尼多功能一体化的系统。

将开关磁阻电机应用于混合动力汽车ISAD系统，可提高汽车整车性能，降低汽车油耗和排放，具有很好的应用前景和研究价值。

本文以12/10结构开关磁阻电机在混合动力汽车ISAD系统中的应用为研究背景，重点研究了开关磁阻电机在起动、助力、发电状态的运行控制。

结合开关磁阻电机的数学模型，分析了开关磁阻电机在电动与发电状态下的运行特点。

根据ISAD系统的性能要求，分别提出了开关磁阻电机在起动、助力、发电三种工作模式下的控制方法。

在此基础上，构建了开关磁阻电机的ISAD系统实验平台，设计了开关磁阻电机的控制软件。

所设计的开关磁阻电机ISAD系统，通过对不同状态下反馈输入，判断运行状态并根据所在状态调节控制参数。

能够在一定负载下带载起动；在助力状态下以效率最优和转矩最优模式为发动机助力；在发电状态，能够为蓄电池提供恒流和恒压两种模式的闭环充电。

实验证明，研究的开关磁阻电机ISAD系统运行控制方法性能良好，具有很好的应用前景。

关键词：开关磁阻电机，ISAD，混合动力汽车，DSPI江苏大学硕士学位论文AΒSTRACTSwitched Reluctance Motor（SRM）is a novel drive machine developed since 1970s, with the inherent characteristics of simple and rugged construction, good start performance, low-cost, fault tolerant and four-quadrant operation capability,. Integrated Starter Alternator Damper (ISAD）is a system within Hybrid Electrical Vehicle (HEV), combining the starter, alternator, and Damper. The application of SRM in ISAD is prospective for .well performances of the whole HEV, lower oil consumption and emission.Focused on a 12/10 SRM applied in ISAD for HEV, the control scheme of SRM is studied. Considering the mathematical model of SRM, the characteristics of SRM in the motor and generator operation are analyzed . According to the performance requirement of ISAD, control strategies of SRM in starter, booster and Alternator modes are presented respectively. Then the SRM-based ISAD experimental platform is established, the control software is also designed. The designed system recognizes running mode with the current and voltage feedback, and then adjusts control parameters accordingly. When in starter mode, it starts with load to idle speed. When in boost mode, it boosts the engine with efficiency and torque optimum. When in alternator mode, it charges battery with current-constant mode or voltage-constant mode. The experimental results illuminates the performances of the designed ISAD system based on SRM and justify the presented control strategy.KEY WORDS: SRM , ISAD , HEV , DSPII江苏大学硕士学位论文目录第一章绪论 (1)1.1 ISAD系统简介 (1)1.2 开关磁阻电机的发展概况 (2)1.3 开关磁阻电机在ISAD系统上的应用 (3)1.4 课题研究背景及意义 (5)1.5 本文主要研究内容 (5)第二章开关磁阻电机的基本理论 (7)2.1 开关磁阻电机调速系统的基本组成 (7)2.2 开关磁阻电机的原理、基本结构与特点 (9)2.3 开关磁阻电机的数学模型 (11)2.3.1 开关磁阻电机的基本方程 (11)2.3.2 开关磁阻电机的线性模型 (13)2.3.3 开关磁阻电机的磁链特性 (14)2.3.4 开关磁阻电机的电流分析 (15)2.3.5 开关磁阻电机的机械特性 (17)2.4 开关磁阻电机的常用控制方式 (19)2.4.1 电流斩波控制（CCC）方式 (19)2.4.2 角度位置控制（APC）方式 (19)2.4.3 脉宽调制控制（PWM）方式 (20)2.5 开关磁阻电机的发电运行 (20)2.5.1 开关磁阻电机的功率平衡方程 (20)2.5.2 开关磁阻电机的发电运行分析 (21)2.6 小结 (22)第三章12/10结构开关磁阻电机调速系统硬件设计 (23)3.1 系统构成 (23)3.2 开关磁阻电机 (23)3.3 功率变换器 (24)3.3.1 功率变换器拓扑结构 (24)3.3.2 功率变换器具体设计 (25)3.4 控制器组成 (26)3.4.1 DSP控制器 (27)3.4.2 复杂可编程逻辑器件（CPLD）硬件控制电路 (28)3.4.3 外围比较电路 (30)3.5 反馈信号检测 (30)3.5.1 位置信号检测 (30)3.5.2 电流信号检测 (32)III江苏大学硕士学位论文3.5.3 电压信号检测 (33)3.6 小结 (33)第四章开关磁阻电机的控制策略及软件实现 (34)4.1 ISAD系统的控制要求 (34)4.2 开关磁阻电机ΙSAD调速系统的控制策略 (35)4.2.1 起动状态控制策略 (35)4.2.2 助力状态控制策略 (36)4.2.3 发电状态控制策略 (36)4.3 开关磁阻电机的控制问题 (37)4.3.1 转速计算功能的实现 (37)4.3.2 角度位置的准确定位 (38)4.3.3 换相逻辑的实现 (39)4.4 控制软件结构 (40)4.5 后台程序 (41)4.5.1 主程序 (41)4.5.2 初始化模块 (42)4.5.3 起动状态子程序 (43)4.5.4 助力状态子程序 (44)4.5.5 发电状态子程序 (44)4.6 前台中断 (45)4.6.1 捕获中断 (45)4.6.2 定时器1的中断 (46)4.6.3 其它中断 (47)4.7 小结 (47)第五章实验及数据分析 (48)5.1 实验系统 (48)5.2 起动实验 (50)5.3 助力实验 (51)5.3.1 助力状态导通角度优化实验 (51)5.3.2 助力性能分析 (55)5.4 发电运行开通角优化实验 (56)5.5 闭环发电实验 (58)5.6 缺相发电实验 (58)5.7 小结 (60)第六章全文总结与展望 (61)6.1 全文总结 (61)6.2 展望 (62)参考文献 (63)致谢 (68)IV江苏大学硕士学位论文第一章绪论1.1 ISAD系统简介混合动力汽车（Hybrid ElectricVehicle，简称HEV），是指同时装备汽车发动机和电动机两种动力源的新型车辆。

开关磁阻电机三种控制策略研究开关磁阻电机结构简单、调速便利，但是其双凸结构及电磁非线性特性严重制约它在工业领域的应用。

基于文章设计的TMS320LF28335的开关磁阻电机调速系统，在不同矩速区实现了电流斩波控制、电压斩波控制和角度位置控制三种控制模式。

并分类阐述了三种控制策略的优缺点，分析了其应用范围。

标签：开关磁阻电机；三种控制模式；开关磁阻电机调速系统1 概述开关磁阻电机因其结构简单坚固、成本低廉、控制参数多、效率高、适于高速与恶劣环境运行等优点越来越受到市场的喜爱，但是其电机本身其非线性与转矩脉动大特点限制SR电机在工业领域的广泛应用[1]。

文章中的开关磁阻电机调速系统是以德州仪器公司的TMS320LF28335为控制器，响应速度快、具有丰富的I/O口，能产生16路的PWM（脉宽调制），硬件结构简单。

性能优良。

SR电机可控参数多、控制灵活，在对SR电机建立线性模型后，在不同励磁方式，可分为三种不同的控制模式：电流斩波控制（CCC）、电压斩波控制（CVC）、角度位置控制（APC）[2]。

2 SRD系统结构与特点开关磁阻电机调速系统（简称SRD）由开关磁阻电机、功率电路、控制器以及位置、电流检测装置组成，如图1所示。

SR电机是开关磁阻电机调速系统中实现机电能量转换的部件。

功率电路把交流电变为电机可接受脉冲直流电，在SRD系统中，功率电路具有十分重要的作用。

控制器是SRD系统的大脑。

电流传感器、位置传感器提供的反馈信息都由控制器进行分析处理，并据此对电路中IGBT的关断作出判断，实现对SR电机的控制，电流检测：检测电机相绕组的电流大小，實现系统电流反馈信息。

位置检测：用绝对编码器检测定转子相对位置，为控制器作出换相操作及计算电机转速提供信号。

3 三种控制模式开关磁阻电机可控参数多，包括电机相电压UK、相电流iK、开通角θon和关断角角θoff等参数，根据不同的矩速区采取不同的控制方式，通常分为以下三种控制方式：电流斩波控制（Current Chopping Control，简称CCC）、电压斩波控制方式（Chopping V oltage Control 简称CVC）、角度位置控制（AngularPositionContro，简称APC），在不同的转速采用不同的控制方式，下边我们详细介绍我们系统如何实现这三种控制方法。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·14·2018年第12期文章编号：2095－6835（2018）12－0014－02开关磁阻电机转矩脉动最小化研究＊徐古轩，蔡燕，李娟，胡鑫剑（天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室，天津300387）摘要：针对开关磁阻电机转矩脉动大的问题，提出了一种基于转矩分配函数的开关磁阻电机转矩脉动最小化控制策略。

利用转矩分配函数将给定的合成转矩分配到各相，使得各相瞬时转矩之和等于转矩给定值，再利用矩角特性实现转矩到电流的映射，得到各相的给定电流指令，通过控制实际电流跟随给定电流指令，实现SRM的恒转矩控制。

关键词：开关磁阻电机；转矩分配函数；转矩脉动；双凸极结构中图分类号：TM352文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.12.014开关磁阻电机（SRM）是具有双凸级结构的变磁阻电机，与其他电机相比，具有结构简单、转子侧无绕组结构也无永磁体、成本低等优点。

近年来，由于市场上稀土材料供不应求，稀土材料的价格在不断上涨，永磁体的生产成本越来越高，而且永磁体在高温下存在退磁现象，这就引起了人们对低成本、结构简单的开关磁阻电机的广泛关注。

但是在实际控制应用中，由于SRM双凸极结构及其非线性电磁特性，其噪声和转矩脉动问题更为严重[1]。

近年来，针对SRM转矩脉动大的问题，国内外专家提出了很多实际方法来提高SRM驱动系统的整体性能[2-4]。

例如有国外学者提出基于混合滑模控制的磁链边界层控制策略来抑制SRM非线性结构所造成的转矩脉动，也有提出基于神经网络的径向基函数控制算法等。

但是这些算法很多都是较复杂的模型，在实际应用中实现起来很困难。

本文提出建立一个合适的转矩分配函数来实现转矩的间接控制，从而减少转矩脉动。

该模型可以根据开关磁阻电机的运行状态，合理地分配各相的转矩，相比于那些复杂的控制算法，它可以通过保持各相转矩之和恒定来减小转矩脉动，实现较为简单，控制更精准。