開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制方法

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開(kāi)通角、關(guān)斷角、相電流幅值以及相繞組的端電壓，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)或組合控制就會(huì)產(chǎn)生不同的控制方法，常用的控制方法有角度控制（APC）、電流斬波控制（CCC）、電壓控制（VC）三種。

1．角度控制法（APC）

APC是電壓保持不變，而對(duì)開(kāi)通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)它們的控制來(lái)改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對(duì)位置。在APC控制中，如果改變開(kāi)通角，而它通常處于低電感區(qū)，則可以改變電流的波形寬度、改變電流波形的峰值和有效值大小以及改變電流波形與電感波形的相對(duì)位置，這樣就會(huì)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生很大的影響。改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化，因此關(guān)斷角同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒(méi)有開(kāi)通角那么大。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，一般情況下采用固定關(guān)斷角、改變開(kāi)通角的控制模式。與此同時(shí)，固定關(guān)斷角的選取也很重要，需要保證繞組電感開(kāi)始下降時(shí)，相繞組電流盡快衰減到零。對(duì)應(yīng)于每個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開(kāi)通角與關(guān)斷角會(huì)有多種組合，因此選擇的過(guò)程中要考慮電磁功率、效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電流有效值等運(yùn)行指標(biāo)，來(lái)確定相應(yīng)的最優(yōu)控制的角度。在系統(tǒng)的控制中，要遵循一個(gè)原則，即在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使得電流波形位于電感波形的下降段；而在電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段。

角度控制的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大；可允許多相同時(shí)通電，以增加電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩‘且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小；可實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。但角度控制法不適應(yīng)于低速工況，一般在高速運(yùn)行時(shí)應(yīng)用。

2．電流斬波控制法（CCC）

在電流斬波控制方式中，一般使電動(dòng)機(jī)的開(kāi)通角和關(guān)斷角保持不變，而主要靠控制斬波電流限的大小來(lái)調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種：

1）限制電流上下幅值的控制

即在一個(gè)控制周期內(nèi)，給定電流最大值和最小值，使相電流與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)大于設(shè)定最大值時(shí)則控制該相功率開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷，而當(dāng)相電流降低到設(shè)定最小值時(shí)，功率開(kāi)關(guān)重新開(kāi)通，如此反復(fù)，其斬波的波形如圖4.18所示。這種方式，由于一個(gè)周期內(nèi)電感變化率不同，因此斬波頻率疏密不均，在電感變化率大的區(qū)間，電流上升快，斬波頻率一般很高，開(kāi)關(guān)損耗大，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。

2）電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定

與上一種方法的區(qū)別是，當(dāng)相電流大于電流斬波上限值時(shí)，就將功率開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷一段固定的時(shí)間再開(kāi)通。而重新導(dǎo)通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時(shí)，在每一個(gè)控制周期內(nèi)，關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率、轉(zhuǎn)速等因素，因此電流下限并不一致。關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，相電流脈動(dòng)大，易發(fā)生“過(guò)斬”；關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，斬波頻率又會(huì)較高，功率開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)損耗增大。應(yīng)該根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的不同狀況來(lái)選擇關(guān)斷時(shí)間。

電流斬波控制適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行工況，可限制電流峰值的增長(zhǎng)，并起到良好有效的調(diào)節(jié)作用，而且轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，電動(dòng)汽車電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般也比采用其他控制方式時(shí)要明顯減小。

3．電壓控制法（VC）

電壓控制法與前兩種控制方式不同，它不是實(shí)時(shí)地調(diào)整開(kāi)通角和關(guān)斷角，而是某相繞組導(dǎo)通階段，在主開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方法是在固定開(kāi)通角和關(guān)斷角的情況下，用PWM信號(hào)來(lái)調(diào)制主開(kāi)關(guān)器件相控信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)此PWM信號(hào)的占空比，以調(diào)節(jié)加在主開(kāi)關(guān)上驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的占空比，從而改變相繞組上的平均電壓，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。電壓斬波控制是通過(guò)PWM的方式調(diào)節(jié)相繞組的平均電壓值，間接調(diào)節(jié)和限制過(guò)大的繞組電流，適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)荷擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。這種控制實(shí)現(xiàn)容易，且成本較低；缺點(diǎn)在于導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開(kāi)關(guān)頻率高、開(kāi)關(guān)損耗大，不能精確控制相電流。

實(shí)際上在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)雙向控制系統(tǒng)中，采用的是后兩種控制方法。具體的發(fā)電／電動(dòng)狀態(tài)控制策略見(jiàn)圖4.19所示。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作過(guò)程可分為發(fā)電過(guò)程和電動(dòng)過(guò)程，分別對(duì)應(yīng)于電動(dòng)汽車的制動(dòng)、滑行以及正常行駛過(guò)程，而將電動(dòng)汽車制動(dòng)、滑行時(shí)的能量回收到儲(chǔ)能裝置中，即為能量的再生回饋；發(fā)電狀態(tài)和電動(dòng)狀態(tài)是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)切換的。在整個(gè)發(fā)電回饋過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)特殊，其定子繞組既是勵(lì)磁繞組又是電樞繞組，故其勵(lì) 磁與續(xù)流（發(fā)電）過(guò)程必須采用周期性分時(shí)控制。其勵(lì)磁過(guò)程是可控的，但續(xù)流（發(fā)電）過(guò)程不可控，因而采用電流斬波控制來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁階段勵(lì)磁電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電過(guò)程的控制。而電動(dòng)過(guò)程采用電壓斬波控制，以調(diào)節(jié)電樞平均電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)雙向控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的雙向運(yùn)行，著重點(diǎn)在于發(fā)電／電動(dòng)狀態(tài)下的最優(yōu)控制以及能量回饋問(wèn)題，不但要讓開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下獲得優(yōu)越的調(diào)速性能，也要保證其發(fā)電狀態(tài)下的能量回饋。其總體的控制方案如圖4. 20所示。

該系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、主控制芯片、主功率電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及電流電壓檢測(cè)電路、位置檢測(cè)電路等外圍檢測(cè)電路構(gòu)成，具體功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：三相不可控整流橋將380V的三相動(dòng)力電整流為537V的直流電并通過(guò)H橋式主功率電路給電動(dòng)機(jī)供電，同時(shí)相電壓和相電流檢測(cè)電路負(fù)責(zé)對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)的母線電壓以及相電流情況進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)反饋至DSP的A／D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行A／D采樣。同時(shí)，電流電壓保護(hù)電路接收相電流和相電壓檢測(cè)信號(hào)，在對(duì)其進(jìn)行處理后，將過(guò)電流過(guò)電壓信號(hào)反饋至DSP的PDPINT模塊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的故障保護(hù)功能。此外還有位置檢測(cè)電路，將光電盤的兩路輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，送至DSP的捕捉模塊，經(jīng)角度計(jì)算和速度計(jì)算模塊后產(chǎn)生角度和速度控制信號(hào)。DSP內(nèi)部的PI控制模塊對(duì)A／D轉(zhuǎn)換后的電流電壓信號(hào)以及角度、速度信號(hào)進(jìn)行綜合后計(jì)算，DSP輸出五路占空比可變的PWM波形至IGBT驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主功率開(kāi)關(guān)電路的通斷控制。另外DSP的SPI模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)四個(gè)顯示模塊。各個(gè)模塊相互聯(lián)系、相互協(xié)作，共同完成整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。

純電動(dòng)汽車開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

純電動(dòng)汽車的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)，即恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)一般不在自然特性區(qū)運(yùn)行，通常在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)運(yùn)行。

相比于電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：

①電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組，定子繞組整體嵌裝容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

②電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子無(wú)永磁體，允許較高的溫升。由于繞組均在定子上，電動(dòng)機(jī)容易冷卻，效率高，損耗小。

③電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與定子繞組電流的方向無(wú)關(guān)，只需控制相繞組通電的順序即可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因而功率轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，工作可靠。

④轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電刷，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，有較高的轉(zhuǎn)矩慣量比，適用于高速驅(qū)動(dòng)：此外，轉(zhuǎn)子無(wú)明顯的熱量產(chǎn)生，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命。

⑤調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩／速度特性。

⑥起動(dòng)電流小，無(wú)電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，適合頻繁起動(dòng)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)較大，在特定頻率下會(huì)產(chǎn)生諧振，這些都使得開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)較大。

②開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)。

③當(dāng)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)較多時(shí)，主接線數(shù)就多，電動(dòng)機(jī)的主電路較復(fù)雜。