杨志红
云南机电职业技术学院 云南 昆明 650203
摘要： 针对开关磁阻电机转矩波动，提出了一种基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制方法用于抑制转矩波动。电机的换相区间通过分离点实时分割为两个子区间。通过在前一个子区间对前一相转矩分配函数施加正向补偿，以及在后一个子区间对后一相转矩分配函数施加负向补偿，可以有效降低电机转矩波动，使电机运行更加平稳。
关键词：开关磁阻电机 转矩波动抑制 直接瞬时转矩控制 转矩分配函数 补偿
一 、引言
由于开关磁阻电机特殊的双凸极结构以及绕组导通方式，开关磁阻电机的驱动转矩由各相转矩叠加而成，因此，电机运行的换相过程中会产生较大的转矩波动。为了抑制开关磁阻电机的转矩波动，目前的研究方案主要包括电机本体结构优化[1]和转矩控制策略[2]。
直接转矩控制方案是对电机总输出转矩进行调控，各相会产生明显的负转矩导致系统效率偏低。根据实时的转矩误差，一些相转矩实时控制方案被提出，最常用的两种策略是直接瞬时转矩控制和转矩分配函数(Torque Sharing Function，TSF)控制。本文提出了一种基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制用于抑制开关磁阻电机转矩波动。
二 、基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制
图1所示为基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制框图。图中，电机采用三相12/8极结构开关磁阻电机，功率变换器采用不对称半桥型功率变换器。电机的实际转速根据检测的转子位置计算获得，由电机给定转速和实际转速的速度误差经过一个比例积分控制器可以得到开关磁阻电机的输出转矩参考值，之后经过转矩分配函数控制器可以得到三相转矩参考值。根据检测的三相定子绕组电流和转子位置，通过对包含开关磁阻电机转矩-电流-转子位置特性的数据表查表，可以获得各相的实际相转矩。
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图l 基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制框图
图2为开关磁阻电机的转矩-电流-转子位置特性曲线。三相参考转矩和实际转矩的转矩误差经过滞环比较器可以得到控制功率变换器的驱动信号，进而控制开关磁阻电机实现基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制方案。
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图2 开关磁阻电机的转矩-电流-转子位置特性曲线
为了使电机总转矩维持在一个恒定值并有效降低转矩波动，在任意时刻，各相绕组的转矩分配函数之和必须等于1，即满足：
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在电机的换相阶段，将转矩分配函数上升沿所在相定义为后一相，将转矩分配函数下降沿所在相定义为前一相。在电机换相区间的开始阶段，前一相绕组产生转矩的位置对应该相电感变化率较大的位置，根据开关磁阻电机相转矩产生原理，该相此时具有较高的转矩产生能力，能够很好地实现转矩跟踪；然而此时后一相绕组产生转矩的位置靠近开关磁阻电机定转子极不对齐位置，此时该相电感变化率非常低，相转矩产生能力很低，容易引起转矩跟踪不足，从而导致电机转矩波动。在电机换相区间的结束阶段，后一相绕组产生转矩的位置到达该相电感变化率较大的位置，具有较高的转矩产生能力，能够及时跟踪上参考转矩。然而，此时前一相绕组产生转矩的位置靠近开关磁阻电机定转子极对齐位置，该相电感较大，相电流不能快速下降而且容易发生拖尾现象，产生的转矩无法迅速降到到该相参考转矩，造成电机总转矩偏高，引起转矩波动。另外，由于母线电压限制以及速度升高等因素，均会加剧上述这两种情况，引起电机更大的转矩波动。
三 、基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制
鉴于在基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制中所存在的转矩波动问题，本文提出了一种基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制，用于进一步降低电机换相区间的转矩波动，使电机运行更加稳定，其控制框图如图4所示，通过加入补偿器实现了对转矩分配函数的实时在线补偿，另外，为了减少开关动作和开关损耗，提高电机运行效率，在不同的转子位置开关管采取不同的导通方式。
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图4 基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制框图
为了实施所提出的转矩分配函数在线补偿方案，电机的换相区间被分割为两个子区间，即区间I和区间II，两个区间的分离点设置为后一相输出转矩与其参考转矩相等的时刻。根据运行状况的不同，分离点可以实现在线调整，如图5所示，其中实线表示补偿前的转矩分配函数，虚线则表示在线补偿后的转矩分配函数。
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图5 转矩分配函数补偿前后示意图
在区间I，电机的转矩波动主要是由于后一相的低转矩产生能力不足引起，考虑到此时的前一相具有较强的转矩产生能力，因此，后一相引起的转矩不足可以通过控制前一相额外产生一部分转矩用于实现转矩补偿，进而降低电机的转矩波动。为了执行所提的转矩补偿策略，在区间I内的转矩误差要实时计算，考虑到此时的电机转矩是后一相的转矩不足导致。为了消除这一转矩不足，前一相需要产生额外的一部分转矩。考虑到参考转矩实际是由转矩分配函数定义的，转矩误差可以转化为前一相转矩分配函数的补偿值。根据转矩分配函数转矩控制原理，在区间I，后一相转矩分配函数以及相转矩参考在该区间维持不变。
在区间II，由于前一相电流无法快速下降，相转矩无法及时下降到该相参考转矩，造成电机总转矩偏高，引起转矩波动，同时前一子区间内该相的正向补偿也会加剧这一问题。考虑到此时的后一相具有较好的转矩跟踪能力，因此，前一相引起的转矩偏高问题可以通过减少后一相转矩输出实现转矩抵消，进而降低电机的转矩波动。此时，前一相转矩分配函数以及相转矩参考在该区间维持不变。
四、仿真分析
为了验证所提出的基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制，在MATLAB／Simulink中搭建了基于750 W三相12/8极开关磁阻电机的电机驱动系统仿真模型，电机模型所需的转矩、电流、转子位置和磁链、电流、转子位置数据通过ANSOFT/Maxwell有限元计算获得。仿真中，开通角和关断角分别设置为0°和15°，换相区间设置为7.5°。
在换相过程的开始阶段，由于A相具有较低的转矩输出能力，因此尽管A相的上开关管和下开关管保持同时导通，该相输出转矩仍然远低于其参考转矩，导致电机总转矩偏低；而此阶段的C相具有较好的转矩输出能力，因此可以实现转矩的实时跟踪。在换相过程的结束阶段，A相已经到达高转矩输出能力的位置，因此呈现出不错的转矩跟踪特性；对于此阶段的C相来说，由于电机处于低速运行状态，通过同时关断该相上开关管和下开关管，相电流快速下降，该相转矩可以勉强跟踪上相参考转矩而不会引起较大的转矩波动。在换相过程的初始阶段，考虑到C相的高转矩输出特性，通过对C的转矩分配函数施加了一个正向补偿，该相会额外产生一部分转矩用于弥补A相的转矩不足，降低此阶段的电机转矩波动。同时，由于C相转矩分配函数的正向补偿，C相电流被一定程度的抬升，导致在换相过程的结束阶段，C相电流不能迅速下降，该相转矩无法及时下降到其参考转矩而引起转矩偏高，此时通过对A相转矩分配函数施加一个负向补偿，可以消除C相的转矩偏高问题。通过仿真得出：所提出的转矩补偿方案可以抑制电机转矩波动，更有利于电机更平稳运行。
五、 结语
本文提出了一种基于转矩分配函数在线补偿的直接瞬时转矩控制方案，用于降低转矩波动，使电机运行更加稳定。研究发现在电机换相区间的前一个子区间，前一相绕组产生转矩的位置对应该相电感变化率较高的位置，具有较高的转矩产生能力；而后一相绕组产生转矩的位置靠近开关磁阻电机定转子极不对齐位置，此时该相电感变化率非常低，转矩产生能力不足，无法跟踪参考转矩，引起转矩波动。通过对前一相转矩分配函数施加正向补偿，该相可以产生更高的转矩用于弥补后一相的转矩不足，降低此区间内的转矩波动；电机换相区间的后一个子区间，后一相绕组产生转矩的位置到达该相电感变化率较高的位置，具有较强的转矩跟踪能力；而前一相绕组到达靠近开关磁阻电机定转子极的对齐位置，此时的电感较大，该相电流不能快速下降，造成电机总转矩偏高，引起转矩波动；通过对后一相转矩分配函数施加负向补偿，可以消除前一相的转矩偏高，降低转矩波动。
参考文献：
【1】J．Zhu，K．W．E．Cheng，and X．Xue．Design and Analysis of A new enhanced torque hybrid switchedreluctance motor[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2018，33(4)：1965-1977．
【2】修杰，夏长亮．基于遗传算法的开关磁阻电机自适应模糊控制[J]．电工技术学报，2007，22(11)： 69-73．
【3】H．Li，B．Bilgin，and A．Emadi．An improved torque sharing function for torque tipple reduction in switched reluctance machines[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34(2)：1635-1644．
作者简介：杨志红，1976年生，男，汉族，云南省昆明市，从事的主要工作：高原环境条件下电气工程及成套与控制技术，高低压成套设备研究和应用开发，教学；通讯方式：邮编：650203，云南省昆明市盘龙区龙泉路704号 云南机电职业技术学院电气工程学院，电话：13095366837，0871-65237427，Email:35791580@qq.com。