吴慎华，孙建忠，温洪彬

（大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116024）

1 引言

当前，由于能源和环境问题，电动汽车受到广泛的重视，电动车行业具有非常大的发展前景。相对于其他电机而言，开关磁阻电机（SRM）具有结构简单、成本低、效率高、启动转矩大、启动电流小、适用于频繁的起停、调速性能好等优点，被越来越广泛应用在电动车的驱动中［1-7］。

近年来，许多文献都在电动车驱动用SRM方面做出了一系列的研究。文献［2］利用转速、母线电压以及给定转矩来查询电流环给定、开通角和关断角的查表法来提高启动转矩和电机的效率。但是此方法需要建立大量准确的数据表格，增加了计算量和复杂程度。文献［3］通过在线仿真得出效率最高时的开通角和关断角。文献［4］在文献［3］的基础上，结合电流滞环控制，采用电流和转速双闭环策略来提高低速启动的转矩和电机的效率。文献［6］首先来建立一个数据表，利用绕组电流、转子位置查询磁链和转矩，然后结合转矩分配函数来抑制转矩脉动、提高电机的运行效率。尽管在抑制转矩脉动和提高电机效率上已经提出了许多方法，但是电动车快速启动的问题还没有得到很好的解决，并且这些方法都是采用固定开通角和关断角进行控制，其效率相对而言较低。针对这一问题，本文对SRM的驱动策略提出了进一步的优化和改进。

2 SRM驱动系统的优势

2.1 SRM原理

SRM 的运转过程遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子的某相绕组通电时，会产生一定走向的磁场，从而产生切向磁拉力，带动相离最近的转子极旋转到转子轴线与定子极轴线相重合的位置。根据转子运动特性，当SRM 的绕组按照一定顺序通电时，所产生的磁场就会使电机按照一定的方向进行旋转运动；按照一定方式改变SRM 的绕组通电顺序，电机又会按照相反的方向进行运转。

SRM 的电磁转矩可以通过其磁共能（WC）对转子位置角（θ）的偏导数进行求得，即：

其中

式中：Wc(i’θ)为绕组的磁共能。

尽管该数学模型从理论上能够完整并准确地描述SRM的电磁及力学的关系，但由于磁路的非线性，该模型的计算变得十分困难。在本文的转矩计算分析中，假设不计磁路的饱和影响、绕组的电感与电流大小无关等因素，将电机模型理想线性化，从而可以得到电磁转矩方程为

从式（2）可以得出电磁转矩的大小与电流的平方成正比，所以SRM在电流较小的时候就可以产生较大的电磁转矩；当转子初始位置在电感上升区（dL/dθ ＞0）时，给定子绕组通电，绕组电流会产生正向转矩（电动转矩）；当转子初始位置在电感下降区（dL/dθ ＜0）时，给定子绕组通电，绕组电流会产生反向转矩（制动转矩）。

2.2 SRM与其他驱动电机的对比

电动汽车的驱动系统主要由控制器、电动机、电池管理系统3大部分组成，其中驱动电机的选择是至关重要的环节。目前市场上电动车驱动电机的性能比较结果如表1所示。

表1 电动车驱动电机的比较Tab.1 The comparison of electric vehicle drive motor

由表1 可以看出，SRM 具有可靠性高、效率高、启动转矩大和启动电流小等优势，更符合车用电机启动迅速和节能的要求。当然SRM 也有一些不足之处，主要是存在转矩脉动，振动和噪声比一般电机大一些。但是由于电动车的运行路况比较复杂，电动车运行过程中就会产生颠簸和噪声，所以SRM的转矩脉动和噪声也就可以忽略不计。

3 驱动策略

电动车用SRM 的驱动系统采用双闭环控制策略：SRM 的启动采用电流和加速度双闭环控制策略；在正常调速过程中，采用电流和转速双闭环控制策略。具体的控制框图如图1所示。

图1 车用SRM驱动策略控制框图Fig.1 The control diagram for switched reluctance motor for electric vehicle

3.1 启动控制策略

由于路况复杂，电动车启动时负载变化特别大，普通的线性叠加给定转速的软启动策略不能满足不同路况下快速启动的要求。针对这一问题，本文提出了基于加速度反馈的启动策略，其控制流程图如图2所示。

图2 基于加速度反馈的启动策略流程图Fig.2 The starting strategy based on acceleration feedback

在定时器中断中进行加速度计算，并采集启动初时加速度的数值。判断是否过流，如果是，保护动作；否则继续判断是否处在启动状态。如果SRM 不在启动过程，直接进入电流和转速双闭环进行控制；否则，进入启动程序。为了使SRM 具有快速的启动性能，在启动过程中采用电流和加速度双闭环控制，用给定加速度与实际加速度的差值作为加速度外环的输入，然后经过PI 调节后作为电流内环的电流给定。在电流内环中，电流斩波限值是根据初始加速度的大小进行调节，这样既能保证启动转矩，又能防止电流峰值过大、造成电能的浪费。SRM启动结束后，采用电流和速度双闭环控制，电机进入正常的调速过程。

3.2 节能控制策略

为了提高车用SRM的效率，使其在节能上更具有优势，本文主要从两个方面进行控制：控制电流斩波的限值和进行自适应的角度控制。

当电机启动运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感上升期的时间长，这时候di/dt的值比较大，为了防止电流峰值过大和增大启动转矩，采用单限幅电流斩波控制，限值设为额定电流的2.5 倍，启动结束后再降斩波限值设置为额定电流的2 倍。具体斩波思路是：设置一个电流上限值iref，当实际电流i ＞iref时，关断功率开关；当实际电流i ＜iref时，则开通功率开关。如此通过控制功率开关的关断，使得实际电流在给定电流附近上下浮动，从而获得足够的启动转矩。具体的理想相电流斩波波形如图3所示。

图3 电流斩波的理想波形Fig.3 The ideal waveform of current chopping control

为了满足车用SRM 省电的性能要求和保证程序简单可靠的运行，本文对角度控制进一步的优化控制。SRM电机正常运行时，相电流是在图4中θ1到θ3这段电感最小区域迅速建立的，在这一段的开通角计算公式为

式中：Lmin为最小电感；U为直流母线电压；ω为实际转速；i为实际电流。

令θadv代表着角度控制中开通角的变化量，为了计算方便和简化模型，用电流环的给定值icmd代替实际电流，其公式为

图4 一相绕组电感曲线Fig.4 The inductance curve of a phase winding

在负载一定和母线电压一定的情况下，SRM的绕组电流与转速成正比的关系，再结合式（4）可得，当在负载和母线电压一定的前提下，转速最大时，绕组电流最大，此时对应的θadv应该最大，反之对应的θadv最小，从而可将绕组电流和实际转速看成一个整体，建立一个线性模型：

经过试验总结出SRM 额定负载下开通角变化量的最大值θmax和最小值θmin，带入到式（5）求得斜率K 和常数b，再根据实时监测到的转速和电流环给定，进一步求得开通角，计算公式为

4 驱动系统的实现

4.1 硬件电路

本系统采用DSPIC作为主控芯片，处理各种输入信号、输出PWM控制功率电路、响应各种保护信号，其硬件如图5所示。

图5 控制系统硬件图Fig.5 The control diagram of hardware

4.2 软件设计

本文采用C 语言进行编写，实现以下功能：实现正转、反转、停车功能；能够在0～2 800 r/min内任意调速；实现欠压过流等保护功能。软件程序主要由主程序和中断服务程序组成。主程序主要完成系统初始化、转速计算、堵转检测、欠压检测和键盘扫描等功能；中断程序主要完成位置信号捕获、加速度计算、A/D采集、速度显示、确定换相逻辑、双闭环调节等功能。具体的程序流程设计如图6所示。

图6 软件程序设计Fig.6 The design of software

5 实验与测试

对开发的一台额定电压60 V、额定功率4 kW、额定转速2 800 r/min 的12/8 极SRM 进行了试验。

电机的目标转速为电机的额定转速2 800 r/min，在不同的启动策略下，测试了电机的转速曲线，基于加速度反馈启动控制方式和普通软启方式的转速变化曲线如图7所示。

图7 两种控制策略的转速曲线Fig.7 The speed curves of the two control strategies

从图7 中可以看出，在基于加速度反馈启动策略的条件下，电机启动快速平稳，启动转速的超调量小，未超过5%。而在普通软启方式的情况下，电机启动较缓慢、超调量大，并且调节时间长。所以，基于加速度反馈的启动策略能更好地满足车用SRM快速启动且舒适的要求。

图8 是转速为1 200 r/min，负载为半载条件下测得的相电流波形，可以看出，自适应角度控制下的电流波形的峰值和电流宽度都要比固定开通角控制下的小。所以，基于自适应角度控制系统的效率更高，省电效果更明显。

图8 2种角度控制方式的电流波形Fig.8 The current curves of the two control of angle

最后进行了装车试验，用开发的SRM系统替代原有的60 V，4 kW 直流电动机系统，用于某电动汽车驱动，并与原直流电动机驱动系统进行了对比，测试结果如表2所示。

表2 装车测试结果Tab.2 The results of actual vehicle test

从表2可以看出，开发的SRM系统的启动电流显然比直流电动机小，并且行驶里程比直流电动机提高了11%。装车试验充分证明，开发的SRM系统具有非常高的节电性能，适用于电动车驱动系统。

6 结论

本文针对车用SRM 的驱动系统进行了理论分析，采用DSPIC 为主控芯片，开发了电动车驱动控制系统，并开展了一系列的试验测试。试验结果表明，SRM采用基于加速度反馈的启动策略与电流斩波相结合的控制方式，控制方便、启动平稳快速；SRM 采用自适应角度控制电动运行，在获得足够转矩的情况下，其运行效率更高，用于电动车驱动可有效提高一次充电行驶里程。

［1］孙建忠，白凤仙．特种电机及其控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

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