学术简报｜降低转矩脉动40%：开关磁阻电机直接转矩控制的新方法

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摘要

南京航空航天大学自动化学院的研究人员曹鑫、户红艳等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“扇区实时优化的开关磁阻电机直接转矩控制方法”），基于开关磁阻电机（SRM）传统直接转矩控制方法，根据转子特定的位置信息，对电空间的划分进行重组和实时优化，使得优化后的扇区能够反映电机真实的工作状态，辅助电压矢量选择时也更加准确。同时，通过采用饱和电流解析模型，在线实时优化特定的扇区宽度，最大程度地减少瞬时负转矩的产生，在实现转矩脉动抑制功能的同时提高电机的转矩电流比。仿真与实验结果均证实了所提方法的有效性。

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）定子上绕有集中绕组，转子上既无永磁体也无绕组，直接由硅钢片叠压而成，因而结构简单可靠，制作成本低，使其在电力拖动调速系统中具有很强的竞争力和较为广阔的应用前景。然而，因为电机的双凸极结构、高度非线性的磁路特性以及分相励磁的工作方式，开关磁阻电机的输出转矩存在较大的脉动，限制了其在伺服等高性能要求场合下的应用。

为解决转矩脉动问题，国内外学者提出了诸多解决方法，主要包括间接转矩控制方法和直接转矩控制方法。间接转矩控制通过控制磁链、电流或者其他电气量达到间接控制转矩的目的，系统并无转矩闭环。但在高速时，磁链或电流难以跟踪上给定值，并且如何将转矩给定值精确地转换为电流或磁链给定值是间接控制的难点。

直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）方法逻辑简单，直接对输出转矩进行滞环控制，转矩响应快且转矩脉动抑制性能良好，因而受到广泛关注。但传统直接转矩控制方法最初应用于感应电机调速，若直接套用于开关磁阻电机则控制原理上会有偏差，性能未必达到最优，因而控制算法需要做出适当调整。

文献[9]在传统直接转矩控制基础上提前预测开通角以控制电流波形，在高速时也能有效抑制转矩脉动。文献[10]在原有扇区基础上加入3个换相区间，电压矢量也调整为9个，使得换相时刻上一相电流迅速下降。

文献[11]在换相期间维持合成磁链矢量幅值恒定，使相电流尽可能全部用于产生正转矩，提高了转矩电流比。文献[12]通过磁链查表使得励磁相在最佳角度关断，避免相电流延伸至负转矩区导致降低电机能量转换效率。但实际中需要依靠大量的仿真得到不同转速下的退磁曲线，以制作查找表，降低了该算法的通用性。

在传统直接转矩控制方法中，电空间的划分并不具有明确的实际物理意义，因而在选择辅助电压矢量时不能正确反映真实的转子位置，选择的结果存在一定的误差，从而使得转矩脉动抑制效果受限。

本文在抑制转矩脉动的同时期望提高电机的转矩电流比，对直接转矩控制的扇区划分进行针对性优化。依据特殊的转子位置重新划分电空间，在此基础上赋予被特定边界隔开的各扇区以实际的工作状态，因此各扇区的宽度以及任务也不再相同。

开关磁阻电机数学模型目前主要用于确定导通区间，避免相电流延伸至负转矩区或需要用模型预测控制方法预测计算下一时刻电流、转矩等参数。而现有数学模型大多采用余弦函数、指数函数等组合来表示磁链，虽考虑到磁路饱和特性，但计算较为复杂，不利于实际应用。

本文将考虑磁路饱和的电机数学模型用于文献[23]经过优化的直接转矩控制方法，建立相绕组关断时的电流与转子位置的函数关系，在线实时优化特定扇区宽度，从而进一步提高转矩脉动的抑制效果。仿真和实验结果表明，采用本文方法能够有效降低转矩脉动40%左右。 

图 1  定、转子相对位置及相电感曲线示意图

图2  各相正转矩区域

图3  优化后的9个扇区

结论

本文在传统直接转矩控制方法的基础上，采用重组与优化电空间的扇区，通过在线调节各扇区宽度并选择合适的电压矢量，从而在SRM抑制转矩脉动的同时提高了转矩电流比。针对上述方法，进行了仿真和实验验证，得到如下结论：

1）将转子位置信息与电空间边界联系起来，对每相绕组导通区域加以限制，避免负转矩的产生是可行的。

2）通过采用考虑磁路饱和的电流-角度数学模型来预测特定扇区宽度，能够有效抑制相电流延伸至负转矩区，从而实现降低转矩脉动和提高转矩电流比的目的。

3）通过扇区的重组和优化以及不再对磁链进行主动控制等做法，使得电压矢量选择更加符合开关磁阻电机的运行特点，控制算法具有逻辑简单、实施方便等优点。

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