开关磁阻电机的基本控制方式详解

开关磁阻电机控制方式多样，通过对电机各相的开关角、脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）占空比以及电流斩波幅值进行调节可实现多种控制模式。

开关磁阻电机通常采用不对称半桥型功率拓扑进行驱动，三相12/8极开关磁阻电机功率变换器的拓扑结构如图1.2所示。该功率变换器由6个功率开关管和6个功率二极管构成；各相均由两个开关管控制，各相之间完全并行。功率变换器有3种基本的运行模式，如图1.3所示。以A相为例，在A相开通区间，A相由开关管S1和S2控制，当开关管S1和S2同时开通时，电源给A相绕组供电，A相绕组进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压，绕组磁链和电流增大，如图1.3（a）所示；当开关管S1关断，S2保持开通，此时电流通过二极管D2和开关管S2组成的回路进行零电压续流，绕组两端电压为零，如图1.3（b）所示；当开关管S1和S2均关断时，A相绕组关断，进入负电压续流模式，电流通过续流二极管D1和D2回馈电源，绕组两端承受负母线电压，绕组磁链和电流均减小，如图1.3（c）所示。在一相电流的连续运行周期内，这三种运行模式依次进行。

图1.3　非对称半桥功率变换器的运行模式

（a）励磁模型；（b）零压续流模式；（c）负电压续流模式。

当开关磁阻电机每走过一个转子的凸极间距角度时，定、转子相对位置完全相同，磁场分布也相同，因此开关磁阻电机的电磁特性通常以转子的凸极间距角为单位呈周期性变化。定义转子的凸极间距角为一个电周期，电周期内的角度称为电角度。一个电角度周期为360°通常定义某相绕组所在定子和任意转子完全重合时的电角度为该相的180°，该相绕组定子恰好处于两相邻转子中间位置时的电角度为该相的0°，电角度和机械角度存在如式（1.1）所示关系：

式中，θe表示电角度；θm表示机械角度；Nr表示转子凸极数。

根据式（1.1）可知电角度与机器角度成比例关系，由于电角度的定义与定、转子相对位置有关，因此每一相的电角度均不同，通常相邻相电角度的差别（Δθp）取决于电机相数：

式中，Np表示电机相数。

与永磁电机不同，开关磁阻电机的相电感同时是电流和转子位置的函数，如果忽略开关磁阻电机的饱和效应，相电感仅为位置的函数。当绕组所在定子凸极和转子凸极完全重合时（θe＝180°），相电感最大；当绕组所在定子凸极和转子凸极距离最远时（θe＝0°），相电感最小。电感随转子位置的变化而变化，图1.4为电感与位置的关系。

图1.4　电机电感与位置曲线

开关磁阻电机的转矩与电感的变化率有关，在电感变化慢的区域内转矩小，在电感变化块的区域内转矩大，在θe＝0°和θe＝180°附近，电感的变化较慢，此处转矩较小。为了提升开关磁阻电机的效率，通常需要开关磁阻电机工作在电感变化快的区域，此时需要设定开通角和关断角，通过开通角和关断角限制开关磁阻电机的导通范围，使开关磁阻电机尽可能工作在电感变化快的区域。在θe＝0°附近，电感最小，此时通电电流上升最快，因此开通角通常选在该区域；开关磁阻电机关断角的设定要使相电流在到达θe＝180°位置之前降为0，以避免产生负转矩。

在实际应用中，开关磁阻电机通常工作在调速模式下，即通过合适的控制方式使开关磁阻电机工作在设定的速度下，开关磁阻电机的调速方式包括直接转矩控制和间接控制，主要的控制方法分类如图1.5所示。

图1.5　开关磁阻电机主要控制方法分类

在直接转矩控制中，控制器根据实际转速和目标转速的差值，生成转矩命令（参考转矩）；同时根据位置和电流的反馈估算实际转矩，根据参考转矩和估算转矩的比较决定功率器件的开关。在直接转矩控制中，转矩的估算模型对控制效果影响较大，常用的转矩估算方法包括查表法［13］、支持向量机［14］、神经网络［15］（见图1.5）。(www.xing528.com)

在间接控制中，控制器分为内环和外环。外环为速度环，内环为电流环。速度环和电流环的区别在于：速度环负责电流命令（参考电流）的生成；电流环控制器负责电流命令（参考电流）的实现。

速度环控制器根据实际转速和目标转速的差值生成电流命令（参考电流），常用的速度环控制算法包括模糊控制［16］、PID控制［17］、迭代学习控制［18］、滑模控制［19］及电流规划［20-21］。模糊控制、PID控制、迭代学习控制及滑模控制生成的是不随电角度变化的电流命令（简称恒参考电流），而电流规划生成的是随电角度变化的电流命令（简称变参考电流）。电流规划的优势在于，除了实现调速目标以外，还可以实现其他控制目标。常用的电流规划方法包括转矩分配函数法［20］和谐波规划法［21］。转矩分配函数法在实现调速的同时还可以降低转矩脉动，谐波规划法在实现调速的同时还可以降低振动及噪声。但由于电流规划所得到的参考电流是随位置变化的，其对电流环的性能要求较高。

电流环的作用是通过控制功率器件的开关使实际电流值接近参考电流值，根据参考电流形式的不同（变参考电流或恒参考电流），电流环可分为电流波形控制方式和开关角控制方式。在电流波形控制方式下，电流环控制器对电周期内任意位置的电流均进行控制以追踪参考电流，适用于变参考电流的情况；而在开关角控制方式下，电流环控制器仅对开通角和关断角之间的电流进行控制，适用于恒参考电流的情况。开关角控制方式实现简单，仅有开通角、关断角和参考电流三个控制参数，是目前最为常用的电流环控制方式。电流环的实现方式可分为3种，分别是电流斩波控制［22］、PWM控制［23］和单脉冲控制［24］。其中电流斩波控制和PWM控制既可用于电流波形控制方式，也可用于开关角控制方式；而单脉冲控制仅可用于开关角控制方式。

电流斩波控制、PWM控制和单脉冲控制下的电流波形、电压波形、磁链波形分别如图1.6、图1.7和图1.8所示。

电流斩波控制也称为滞环控制，是一种较为简便易行的控制方法，对控制器的硬件要求较低。电流斩波控制的目标是将电流控制在滞环带以内，当电流超过滞环上限时，关断功率开关，电流经续流二极管进行零电压续流，此时电流将缓慢下降；当电流低于滞环下限时，打开功率开关，电流开始上升，此过程反复进行形成斩波电流。

图1.6　电流斩波控制

（a）电流波形；（b）电压波形；（c）磁链波形。

图1.7　PWM控制

（a）电流波形；（b）电压波形；（c）磁链波形。

图1.8　单脉冲控制

（a）电流波形；（b）电压波形；（c）磁链波形。

PWM控制又称为电压斩波控制，通过调节PWM信号的占空比调节平均输出电压，间接控制电流波形。在一个控制周期开始时，控制算法根据电流反馈值、参考电流以及电机电磁参数决定目标输出电压，PWM控制单元输出特定占空比的PWM信号，使驱动器在一个PWM周期内的平均输出电压等于目标输出电压。由于开关磁阻电机的非线性特性，目标输出电压的确定是技术难点，目前常用的方法包括PID控制算法、迭代学习控制算法和预测控制算法。

单脉冲控制可视为PWM控制的特例，即开通角和关断角之间占空比为100%的PWM控制。单脉冲控制通常用于高转速情况，当电机转速较高时，反电动势较大，为了达到参考电流，电压斩波控制演变为单脉冲控制，即占空比达到100%。在单脉冲控制方式下，上下开关管在导通区间内一直导通，电流波形仅受开通角和关断角的影响，可通过改变开通角和关断角进行电流控制。单脉冲控制的控制变量简单，是最容易实现的一种控制方式。