学术简报︱开关磁阻电机共上管功率变换器的宽转速安全退磁控制策略

摘要

南京航空航天大学自动化学院的研究人员陈辉、张旸明、蒋冬青、管旻珺、刘闯，在2019年第19期《电工技术学报》上撰文指出，开关磁阻电机（SRM）用共上管功率变换器可以有效地减少功率开关器件的数量，降低系统成本，同时也具备传统不对称半桥变换器相间独立、励磁快等优点，但是公共上管的存在将出现各相退磁困难的问题。

该文以2(n+1)共上管功率变换器下四相8/6结构SRM为研究对象，研究电流斩波控制和角度位置控制时安全退磁的角度优化控制策略，理论推导共上管功率变换器临界退磁换相时的导通宽度，确保系统在宽转速范围内高效可靠的运行；并通过仿真分析及实验结果验证了共上管变换器的SRM在电流斩波控制（CCC）和角度位置控制（APC）模式下安全退磁的控制参数的合理性。

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）因其定转子均没有永磁体、转子上没有绕组，仅由硅钢片叠压，结构简单坚固；此外，增加SRM相数能增加转矩密度、减小转矩脉动和增强容错性能，因此多相SRM在高速运行场合和极端环境下的应用展现出特别的优势，作为船舶、电动车辆、风机和航空航天的驱动系统得到广泛应用。

在多相开关磁阻电机驱动系统中，常用的不对称半桥功率变换器中功率开关器件较多，大大制约了系统的性价比提升；为减少功率开关器件数量、降低系统成本，多种改进型功率变换器拓扑被提出，如C-dump式、裂相式、公共开关式、双绕组式、电阻耗能式等。

与不对称半桥变换器各相控制独立、开通角和关断角可调节范围大、且易于改变控制参数等特点相比，改进型功率变换器拓扑主要存在相间耦合、控制参数受限、系统性能下降等缺点。为此国内外学者针对改进型功率变换器拓扑提高系统性能的控制策略展开了相关研究。

• 有学者分析了去除传统裂相式功率变换器中点电容后的控制策略，在任意时刻必须保证上、下桥臂同时有一相开通，依赖绕组自身的储能实现换相，在半周期导通控制模式下相间耦合严重，使得系统效率整体偏低。

• 有学者提出了N+2型功率变换器拓扑，通过在无中点电容裂相式拓扑中点引入两个开关管，可以实现中点电压的有源调节，提高了输出转矩和故障运行能力。

• 有学者提出的高效C-dump功率变换器与传统C-dump相比，电容耐压值减小并简化了控制方法，利用绕组的储能实现换相，提高了系统效率，但是无法实现能量回馈。

• 有学者进一步改进了C-dump拓扑，将电源与电容串联，减少电池的充放电频率，尤其在低速时大大减少了开关频率，在宽转速范围内提高了系统效率。

本文研究的n+1共上管功率变换器拓扑最早在相关研究中提出，并描述了各开关管的通断逻辑。共上管功率变换器四相拓扑结构如图1所示，图中两相绕组与三个开关管连接，共上管同时连接两相绕组的一端，绕组另一端分别与一个下开关管连接。与不对称半桥变换器相比，每两相减少一个开关管和一个二极管，继承了不对称半桥主电路相间隔离的优越性，但是由于公共上管的存在，给绕组的安全退磁带来难度。

有学者在共上管功率变换器拓扑基础上通过增加升压电路加快相绕组的励磁和退磁，提升电机输出转矩和系统效率，同时也增加了主电路复杂性。有学者针对共上管变换器，仅检测母线电流并通过相电流重构技术实现各相电流检测，进一步降低了系统成本。

图1  四相2(n+1)共上管功率变换器拓扑

现有文献并未重点讨论控制参数对共上管变换器的性能影响。本文首先分析该变换器的工作模态；为确保系统在宽转速范围内高效可靠的运行，推导基于安全退磁的控制角度的约束条件，并通过分析控制角度参数综合优化系统出力和效率；最后研制一台350W宽转速范围的高速8/6结构四相开关磁阻实验样机，搭建实验平台，通过仿真与实验结果验证了所提控制策略的正确性。

图16  开关磁阻电机实验平台实物图

结论

本文提出了开关磁阻电机共上管功率变换器的宽转速安全退磁控制策略研究，对使用该拓扑的偶数相SR电机控制参数选取都具有参考意义。首先根据变换器的工作模态，分析了导通宽度对安全退磁的影响；然后，基于分段线性电感模型，推导了在不同工作模式下安全退磁的导通宽度条件；最后通过仿真进一步对控制角度进行优化，并通过实验验证了本文所提出的方法的可靠性。得到结论如下：

• 1）共上管变换器拓扑减少了功率开关器件，简化了系统的复杂性，降低系统成本。

• 2）相比不对称半桥变换器，控制策略上需考虑换相时间增加带来的不利影响，由于导通宽度的减小会使SRM转矩脉动有所增加，使共上管变换器拓扑更适于在料理机、洗衣机等考虑成本、对振动和噪声要求较低的中小功率等级电器中应用。

• 3）通过理论分析并结合仿真和实验验证了基于共上管变换器的SRM在CCC和APC模式下安全退磁的角度优化控制参数的合理性。

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