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摘 要：本文结合HEV驱动用开关磁阻电机调速系统开发中遇到的电流失控问题，分析了失控电流的变化过程及产生原因，并从开关磁阻电机运行原理出发，分析了发电运行过程中电流失控产生的机理。最后，文章提出了解决电流失控问题的方案，并通过台架试验验证了方案的可行性。
关键词：开关磁阻电机；电流斩波控制；角度位置控制；运动电势；失控电流
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）04-0045-05
Abstract： An example of current uncontrollable problem of SR motor was given firstly， then the paper analyzed the changing process and the cause of uncontrollable current. Based on the SR motor operational principle， it also discussed the mechanism of the current incontrollable problem during generating operation. At the end of the paper， the solution was provided and verified by the bench test.
Key Words： Switch Reluctance Motor（SRM）； Current Chopping Control（CCC）； Angle Position Control（APC）； Motion Electromotive Force； Uncontrollabe Current
1 前言
开关磁阻电机调速系统由开关磁阻电机及其控制器构成，由于结构简单、成本低、起动性能好、调速范围宽、容错能力强、效率高，已成为新能源汽车电驱动系统，特别是HEV驱动系统最具发展潜力的技术方案之一。随着在新能源汽车上的应用，容错能力及故障诊断成为近年来开关磁阻电机调速系统研究热点之一。
由于控制器工作在高电压、大电流、高频率开关状态，且电磁环境恶劣，是开关磁阻电机调速系统中故障率最高的环节[1]，尤其以电流失控问题最为严重：一方面，失控电流急剧上升，导致功率器件损坏，降低控制器的可靠性；另一方面，电流失控将导致转矩失控，引起很大的转矩脉动，损害车辆传动机构，危害车辆行驶安全。因此，必须采取措施加以预防，避免出现电流失控[2，3]。
本文结合HEV驱动用开关磁阻电机调速系统开发中遇到的电流失控问题，分析了失控电流的变化过程及产生原因，并从开关磁阻电机运行原理出发，分析了发电运行过程中电流失控产生的机理，提出了相应的解决方案，并通过台架试验验证了方案的可行性。
2 电流失控故障现象及分析
2.1 电流失控故障现象
图1是一台HEV客车驱动用开关磁阻电机调速系统（额定功率80KW、额定转速1000rpm）台架试验时，电流失控瞬间示波器捕捉记录的相电流及母线电压波形。电流失控导致了失控相（V相）两个IGBT器件和母线上三个继电器的损坏，同时，巨大的电流冲击也使得主电路铜排及控制器壳体严重变形，对试验人员的人身安全也造成了一定的威胁。
电流失控瞬间，电机的转速为1000rpm，功率为22KW。图1中，第一条曲线为母线电压波形，第二条曲线为U相电流波形，第三条曲线为V相电流波形。从V相电流波形看，其电周期约占示波器两格宽度。
2.2 电流失控故障分析
首先来分析电流失控瞬间，失控相（V相）电流波形变化的过程。由于电机控制器的功率电路采用不对称半桥结构[4]，如图2所示，且电机电动运行，在图1中所示的第3个电周期，V相电流斩波结束后，其上下桥臂IGBT均关断，且应在本周期保持关断至第4周期开始。但在V相电流降至接近零时，又来了一个触发脉冲使IGBT在电感下降区误导通，导致V相进入发电状态，期间电流急剧上升，超过了电流斩波控制方式的电流上限，电流处于失控状态。
在第4个电周期初始时刻，电机电动运行，V相上下桥臂IGBT正常导通，由于电流超过斩波电流上限，于是进入斩波阶段，电流开始下降。但斩波关断的第一个周期结束后，电流急剧上升，到了硬件保护电路的模拟斩波上限，系统开始模拟斩波。在模拟斩波阶段电流已经得到控制，并且在电感进入下降区前，V相上下桥臂两个IGBT也关断了，电流开始下降。但在电感进入下降区的时刻，复现了第3周期的现象，又一个触发脉冲导致V相又进入了发电状态，由于此时的初始电流励磁已经建立，电流以（│u│ │I·ω·dL（θ）/d θ│）/L（θ）的速率快速上升，超过电流采样的速率，模拟斩波失效，电流完全失控，超过了功率器件能允许通过的最大电流，最终导致V相两个IGBT损坏。
再来分析母线电压波形：相电流的上升导致了母线电流的上升及母线电压的下降。在第4个电周期，模拟斩波期间，由于电流较大，母线电压下降明显，低于欠压保护值，这也很好解释了之前的几次试验中，控制器进入欠压保护状态原因。而由于误以为是欠压保护值设置太高，调低欠压保护值后，导致本次试验控制器并未进入欠压保护状态。尽管在模拟斩波时随着电流下降及W相的开通（图中未显示），母线电压慢慢恢复，但随着电流的再一次快速上升，母线电压直接跌至低点，控制器严重损坏。
通过对失控电流的变化过程分析可知，连续两个电周期错误脉冲的触发使IGBT在电感下降区即发电区一直处于导通状态是出现电流失控的根本原因，因此IGBT在发电区导通是电流失控的前提。
3 发电过程中电流失控产生机理及发电电流控制策略 3.1 发电过程中电流失控产生机理
由前一节分析可知，IGBT在发电区导通即电机发电运行过程中会有电流失控的可能，因此，发电运行过程电流的控制至关重要。仍以不对称半桥结构功率电路为例，分析开关磁阻电机发电运行时失控电流是如何产生的。
由式（3）可以看出，当绕组上施加正向电压，外加电源与运动电势通过绕组短路，绕组电流的变化率为正，电流将快速上升，电流有失控的危险；当绕组上施加反向电压，负载电流的上升与下降取决于外u 和e 的绝对值大小。如果u>e，则负载电流变化率为负，电流下降，电流可控；反之则负载电流变化率为正，电流也会上升，电流可控性变差，但电流上升的速度会远小于给绕组施加正向电压时电流上升的速度，且电流最大值可以预估。
由上述不等式可知，SR电机电流的可控性与母线电压和当前电机转速相关。当电机高速运行或外加电源电压过低时，会出现电流不可控。图3 给出了固定转速，固定开通角和关断角以及同一励磁电流，不同电压下一相电流的仿真结果。由图中可以看出，随着电压的降低，电流幅值愈来愈大，当电压降至150V时，电流峰值最大。随着电压的 继续下降，关断时由于励磁电流 已经达不到给定值（固定开通角），加上绕组电阻的影响，电流峰值反而降低。
3.2 电机发电电流控制策略
综上所述，在SR电机发电运行时，在电流的控制策略中应考虑以下几点：
1发电运行时，绕组初始励磁电流建立后，绕组两端一定不能施加正向电压，以自励不对称半桥结构功率变换为例， IGBT必定不会工作在上下桥臂在整个电感下降区均导通的状态，否则电流快速上升，电流将会失控，这一点在实际的试验中得到了验证。
2开关磁阻电机低速发电运行时，满足式（8），电流可控，可以采用电流斩波控制（CCC）。通过整个导通期间上桥臂IGBT 斩波实现零电压续流时，电流增加；下桥臂IGBT 关断实现绕组两端施加负电压时，电流减少。
3开关磁阻电机高速发电运行时，不满足式（8），电流不可控，但不可控并不代表电流失控。由于电流最大值可以预估（出现在电感下降至最小电感处），如图3所示，这种不可控可以加以利用，以获得尽可能大的发电功率和效率。实际发电控制中可以实时检测母线电压及运行速度，根据发电功率调节发电运行时的开通角及关断角，即角度位置控制方式（APC），将失控电流限制在预期的范围内。
正是基于上述3点的考虑，在忽略电阻压降的前提下，SR电机的发电性能可以做到与电动性能一样，即相电流关于电机对齐位置θa 对称[5]。图4是低速CCC控制和高速APC控制时，电动运行与发电运行的相电流及相电压仿真波形。
4 电流失控问题解决方案及试验验证
4.1 电流失控问题解决方案
由于主控电路及控制策略在另一开关磁阻电机调速系统已经通过验证，可以判断策略本身并没有问题。对比两个控制器，差别在于出现电流失控问题的控制器由于尺寸的限制，功率电路的复合母排布线较另一台控制器复杂且混乱，使得电机运行过程中高频开关电流产生的电磁干扰导致IGBT的驱动电路产生了错误脉冲。因此解决措施之一就是在每个IGBT两端并上一个电容来进行滤波，如图5所示，使电流波形更加光滑，减小干扰源，但这仍不能从根本上保证电流绝对可控。
为保证功率器件可靠导通，避免出现电流失控问题，更有效的措施是用软件的方法，在控制策略中增加一个角度控制的程序，来关断由错误脉冲触发而导通的IGBT，从而保证电流可控。具体的思路：当触发脉冲到来时，通过软件查询手段判断当前电机位置是否处于与当前运行模式对应的开通角和关断角之间，处于开通角与关断角之间，就导通，否则就关断IGBT。图6是具体的角度控制程序流程图。
4.2 试验验证
采用上述方案后，开关磁阻电机电流失控问题得到了很好的解决，开关磁阻电机调速系统运行可靠，图7是台架试验中不同工况下的相电流波形。
5 结论
开关磁阻电机在发电运行时会出现电流不可控问题，一方面我们要充分利用不可控电流产生的机理，将电流限制在可控的范围内，获得更高的发电功率和效率；另一方面我们要运用硬件和软件的手段防止发电运行过程中出现电流失控问题，从而保证车辆行驶的安全可靠。
参考文献
[1]卢胜利，陈昊，曾辉，于东升. 开关磁阻电机中功率变换器故障在线诊断方法[J].中国电机工程学报，2010，Vol.30（3）：63-70.
[2]WangShuanghong，[ZhanQionghua， MaZhiYuan， ZhouLibing]. Implementation of a 50kW Four-Phase Switched Reluctance Motor Drive System for Hybrid Electric Vehicle[J]. IEEE Transactions On Magnetics， 2005， Vol. 41（1）： 501-504.
[3]Marcus Menne，[Robert B.Inderka，Rik W.De Doncker]. Critical State Generating Model if Switched Reluctance Machine[J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference （PESC）， 2000， Vol .3： 1544-1550.
[4]王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[ M ] . 北京：机械工业出版社，1995： 22-24，65-76.
[5]吴建华. 开关磁阻电机设计及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2001：31-32，53-60.
关键词：开关磁阻电机；电流斩波控制；角度位置控制；运动电势；失控电流
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）04-0045-05
Abstract： An example of current uncontrollable problem of SR motor was given firstly， then the paper analyzed the changing process and the cause of uncontrollable current. Based on the SR motor operational principle， it also discussed the mechanism of the current incontrollable problem during generating operation. At the end of the paper， the solution was provided and verified by the bench test.
Key Words： Switch Reluctance Motor（SRM）； Current Chopping Control（CCC）； Angle Position Control（APC）； Motion Electromotive Force； Uncontrollabe Current
1 前言
开关磁阻电机调速系统由开关磁阻电机及其控制器构成，由于结构简单、成本低、起动性能好、调速范围宽、容错能力强、效率高，已成为新能源汽车电驱动系统，特别是HEV驱动系统最具发展潜力的技术方案之一。随着在新能源汽车上的应用，容错能力及故障诊断成为近年来开关磁阻电机调速系统研究热点之一。
由于控制器工作在高电压、大电流、高频率开关状态，且电磁环境恶劣，是开关磁阻电机调速系统中故障率最高的环节[1]，尤其以电流失控问题最为严重：一方面，失控电流急剧上升，导致功率器件损坏，降低控制器的可靠性；另一方面，电流失控将导致转矩失控，引起很大的转矩脉动，损害车辆传动机构，危害车辆行驶安全。因此，必须采取措施加以预防，避免出现电流失控[2，3]。
本文结合HEV驱动用开关磁阻电机调速系统开发中遇到的电流失控问题，分析了失控电流的变化过程及产生原因，并从开关磁阻电机运行原理出发，分析了发电运行过程中电流失控产生的机理，提出了相应的解决方案，并通过台架试验验证了方案的可行性。
2 电流失控故障现象及分析
2.1 电流失控故障现象
图1是一台HEV客车驱动用开关磁阻电机调速系统（额定功率80KW、额定转速1000rpm）台架试验时，电流失控瞬间示波器捕捉记录的相电流及母线电压波形。电流失控导致了失控相（V相）两个IGBT器件和母线上三个继电器的损坏，同时，巨大的电流冲击也使得主电路铜排及控制器壳体严重变形，对试验人员的人身安全也造成了一定的威胁。
电流失控瞬间，电机的转速为1000rpm，功率为22KW。图1中，第一条曲线为母线电压波形，第二条曲线为U相电流波形，第三条曲线为V相电流波形。从V相电流波形看，其电周期约占示波器两格宽度。
2.2 电流失控故障分析
首先来分析电流失控瞬间，失控相（V相）电流波形变化的过程。由于电机控制器的功率电路采用不对称半桥结构[4]，如图2所示，且电机电动运行，在图1中所示的第3个电周期，V相电流斩波结束后，其上下桥臂IGBT均关断，且应在本周期保持关断至第4周期开始。但在V相电流降至接近零时，又来了一个触发脉冲使IGBT在电感下降区误导通，导致V相进入发电状态，期间电流急剧上升，超过了电流斩波控制方式的电流上限，电流处于失控状态。
在第4个电周期初始时刻，电机电动运行，V相上下桥臂IGBT正常导通，由于电流超过斩波电流上限，于是进入斩波阶段，电流开始下降。但斩波关断的第一个周期结束后，电流急剧上升，到了硬件保护电路的模拟斩波上限，系统开始模拟斩波。在模拟斩波阶段电流已经得到控制，并且在电感进入下降区前，V相上下桥臂两个IGBT也关断了，电流开始下降。但在电感进入下降区的时刻，复现了第3周期的现象，又一个触发脉冲导致V相又进入了发电状态，由于此时的初始电流励磁已经建立，电流以（│u│ │I·ω·dL（θ）/d θ│）/L（θ）的速率快速上升，超过电流采样的速率，模拟斩波失效，电流完全失控，超过了功率器件能允许通过的最大电流，最终导致V相两个IGBT损坏。
再来分析母线电压波形：相电流的上升导致了母线电流的上升及母线电压的下降。在第4个电周期，模拟斩波期间，由于电流较大，母线电压下降明显，低于欠压保护值，这也很好解释了之前的几次试验中，控制器进入欠压保护状态原因。而由于误以为是欠压保护值设置太高，调低欠压保护值后，导致本次试验控制器并未进入欠压保护状态。尽管在模拟斩波时随着电流下降及W相的开通（图中未显示），母线电压慢慢恢复，但随着电流的再一次快速上升，母线电压直接跌至低点，控制器严重损坏。
通过对失控电流的变化过程分析可知，连续两个电周期错误脉冲的触发使IGBT在电感下降区即发电区一直处于导通状态是出现电流失控的根本原因，因此IGBT在发电区导通是电流失控的前提。
3 发电过程中电流失控产生机理及发电电流控制策略 3.1 发电过程中电流失控产生机理
由前一节分析可知，IGBT在发电区导通即电机发电运行过程中会有电流失控的可能，因此，发电运行过程电流的控制至关重要。仍以不对称半桥结构功率电路为例，分析开关磁阻电机发电运行时失控电流是如何产生的。
由式（3）可以看出，当绕组上施加正向电压，外加电源与运动电势通过绕组短路，绕组电流的变化率为正，电流将快速上升，电流有失控的危险；当绕组上施加反向电压，负载电流的上升与下降取决于外u 和e 的绝对值大小。如果u>e，则负载电流变化率为负，电流下降，电流可控；反之则负载电流变化率为正，电流也会上升，电流可控性变差，但电流上升的速度会远小于给绕组施加正向电压时电流上升的速度，且电流最大值可以预估。
由上述不等式可知，SR电机电流的可控性与母线电压和当前电机转速相关。当电机高速运行或外加电源电压过低时，会出现电流不可控。图3 给出了固定转速，固定开通角和关断角以及同一励磁电流，不同电压下一相电流的仿真结果。由图中可以看出，随着电压的降低，电流幅值愈来愈大，当电压降至150V时，电流峰值最大。随着电压的 继续下降，关断时由于励磁电流 已经达不到给定值（固定开通角），加上绕组电阻的影响，电流峰值反而降低。
3.2 电机发电电流控制策略
综上所述，在SR电机发电运行时，在电流的控制策略中应考虑以下几点：
1发电运行时，绕组初始励磁电流建立后，绕组两端一定不能施加正向电压，以自励不对称半桥结构功率变换为例， IGBT必定不会工作在上下桥臂在整个电感下降区均导通的状态，否则电流快速上升，电流将会失控，这一点在实际的试验中得到了验证。
2开关磁阻电机低速发电运行时，满足式（8），电流可控，可以采用电流斩波控制（CCC）。通过整个导通期间上桥臂IGBT 斩波实现零电压续流时，电流增加；下桥臂IGBT 关断实现绕组两端施加负电压时，电流减少。
3开关磁阻电机高速发电运行时，不满足式（8），电流不可控，但不可控并不代表电流失控。由于电流最大值可以预估（出现在电感下降至最小电感处），如图3所示，这种不可控可以加以利用，以获得尽可能大的发电功率和效率。实际发电控制中可以实时检测母线电压及运行速度，根据发电功率调节发电运行时的开通角及关断角，即角度位置控制方式（APC），将失控电流限制在预期的范围内。
正是基于上述3点的考虑，在忽略电阻压降的前提下，SR电机的发电性能可以做到与电动性能一样，即相电流关于电机对齐位置θa 对称[5]。图4是低速CCC控制和高速APC控制时，电动运行与发电运行的相电流及相电压仿真波形。
4 电流失控问题解决方案及试验验证
4.1 电流失控问题解决方案
由于主控电路及控制策略在另一开关磁阻电机调速系统已经通过验证，可以判断策略本身并没有问题。对比两个控制器，差别在于出现电流失控问题的控制器由于尺寸的限制，功率电路的复合母排布线较另一台控制器复杂且混乱，使得电机运行过程中高频开关电流产生的电磁干扰导致IGBT的驱动电路产生了错误脉冲。因此解决措施之一就是在每个IGBT两端并上一个电容来进行滤波，如图5所示，使电流波形更加光滑，减小干扰源，但这仍不能从根本上保证电流绝对可控。
为保证功率器件可靠导通，避免出现电流失控问题，更有效的措施是用软件的方法，在控制策略中增加一个角度控制的程序，来关断由错误脉冲触发而导通的IGBT，从而保证电流可控。具体的思路：当触发脉冲到来时，通过软件查询手段判断当前电机位置是否处于与当前运行模式对应的开通角和关断角之间，处于开通角与关断角之间，就导通，否则就关断IGBT。图6是具体的角度控制程序流程图。
4.2 试验验证
采用上述方案后，开关磁阻电机电流失控问题得到了很好的解决，开关磁阻电机调速系统运行可靠，图7是台架试验中不同工况下的相电流波形。
5 结论
开关磁阻电机在发电运行时会出现电流不可控问题，一方面我们要充分利用不可控电流产生的机理，将电流限制在可控的范围内，获得更高的发电功率和效率；另一方面我们要运用硬件和软件的手段防止发电运行过程中出现电流失控问题，从而保证车辆行驶的安全可靠。
参考文献
[1]卢胜利，陈昊，曾辉，于东升. 开关磁阻电机中功率变换器故障在线诊断方法[J].中国电机工程学报，2010，Vol.30（3）：63-70.
[2]WangShuanghong，[ZhanQionghua， MaZhiYuan， ZhouLibing]. Implementation of a 50kW Four-Phase Switched Reluctance Motor Drive System for Hybrid Electric Vehicle[J]. IEEE Transactions On Magnetics， 2005， Vol. 41（1）： 501-504.
[3]Marcus Menne，[Robert B.Inderka，Rik W.De Doncker]. Critical State Generating Model if Switched Reluctance Machine[J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference （PESC）， 2000， Vol .3： 1544-1550.
[4]王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[ M ] . 北京：机械工业出版社，1995： 22-24，65-76.
[5]吴建华. 开关磁阻电机设计及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2001：31-32，53-60.