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开关磁阻电机脉冲宽度调制占空比的解析计算新方法
风雨同行 共克时艰
太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室、太原理工大学电气与动力工程学院的研究人员田德翔、曲兵妮、宋建成、赵勇，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于电流斩波控制的脉冲宽度调制占空比解析计算方法，用以解决开关磁阻电机驱动系统电流斩波控制方式下电流脉动大的问题。
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）具有结构简单、制造成本低及可缺相运行的优点，并且不存在永磁电机高温退磁的问题，使得SRM在传动领域中具有巨大应用潜力。但是SRM的运行性能与其控制方法的选择密切相关，当控制方法不同时，电机在效率、转矩脉动、振动和噪声等方面的性能也就表现不同。
SRM的常用控制方式包括角度位置控制、电流斩波控制及电压斩波控制，在实际使用过程中往往是将这三种控制方式相互结合使用。电流斩波控制具有控制方式简单、可有效抑制过冲电流等优点，主要用于SRM起动和低速运行。
但是电流斩波控制属于滞后控制，当绕组电流变化较快或电流采样频率较低时，单纯地使用电流斩波控制往往会使得电机绕组中的实际电流明显超过电流斩波上下限，产生较大的电流脉动。尤其在定转子齿没有重叠的位置区域，即小电感区域内，因反电势较小，过冲电流的问题更为突出，其峰值电流甚至会达到给定电流的1.5倍，这将明显增加电机绕组损耗并引起较大的转矩脉动。
为解决上述问题，国内外学者提出了许多方法。
有学者提出了一种新的驱动电路用以降低开关器件通断所引起的电流脉动，但是该方法需要更换新的硬件电路。
有学者提出根据电感增量对PI参数进行调节及对存储的反电动势进行补偿，解决了电流上升过程的过冲问题，但是该方法需要存储大量数据。
针对相关研究中需要大量储存数据的问题，有学者将神经网络用于增量电感与反电动势的在线计算，减少了数据的存储量。
有学者将滑模变结构控制应用于SRM对给定电流的跟踪，减少了跟踪过程的电流脉动。
有学者提出在已知电机参数的前提下，采用积分滑模控制方法，实现在固定的较低采样频率下对给定电流的跟踪。
有学者以电机磁链特性曲线为基础，预测所需脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）占空比，以减少电流脉动。
有学者通过基于电机模型的自适应控制器与改进采样法，实现了低采样频率下电流脉动的减小。
有学者通过对固定转子位置处的电压进行迭代学习控制，实现固定转子位置对给定电流的跟踪。
有学者提出基于迭代学习控制的平均电流跟踪策略，通过计算一个PWM周期内绕组中实际电流与给定电流差值的平均值作为电压迭代学习控制的输入量，实现对PWM占空比的调节，获得与给定电流相差较小的实际电流。但是当电机负载或给定转速频繁变化时，PWM占空比将可能一直处于调整过程，迭代学习控制的动态性能不够理想。
有学者提出通过实验获得不同转速及参考电流下电流脉动小的PWM占空比，并通过数据拟合获得PWM占空比与转速、电流的函数关系，提高了PWM占空比调节的动态特性。但是该方法需要通过大量实验，以获取不同转速和负载条件下的最优PWM占空比。
太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室、太原理工大学电气与动力工程学院的研究人员，针对传统电流斩波控制法在转速较低、负载较小工况下，存在斩波电流脉动大、容易超过斩波上下限的问题，结合小电感区电感值与电感明显上升段电感对转子位置的斜率，提出一种SRM电流斩波控制下PWM占空比的计算方法，解决了SRM电流斩波控制下电流脉动大及电流容易过冲的问题；并根据电流斩波控制特性，提出一种对小电感区电感值和电感明显上升区电感对转子位置斜率的在线实验测取方法。
图3 SRM驱动系统实验平台
所提出的PWM占空比解析计算法仅需在传统电流斩波控制过程中加入PWM占空比调节计算，无需增加新的硬件电路，实现方法简单易行。PWM占空比解析计算法在计算过程中忽略了一些次要因素的影响，如小电感区的电感变化等，因此所得结果不一定是最优PWM占空比。
最后，在样机系统实验平台上对提出的PWM占空比解析计算法进行了验证。结果表明：与传统电流斩波控制相比较，电机在相同工况下运行时，PWM占空比解析计算法具有更小的电流脉动与转矩脉动，降低了线路损耗，有利于提高电机的运行效率。
与有学者所提出的控制方法相比较，省去了通过大量实验试凑不同转速及负载下合适的PWM占空比，再对所得到的PWM占空比与转速、参考电流进行函数关系拟合的过程，具有更强的可移植性。
以上研究成果发表在2019年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于电流斩波控制的开关磁阻电机脉冲宽度调制占空比解析计算法”，作者为田德翔、曲兵妮、宋建成、赵勇。
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