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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-9004
摘 要：本文针对开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）的效率优化控制问题，进行了开通角关断角的角度优化和角度位置控制模式的优化研究，提出了一种新型角度位置控制模式，在实现电机恒功率运行的基础上，可以在不同转速和转矩下得到使转矩安培比最大的角度组合，从而实现SRM高效运行。本文以一台1.1kW的三相12/8极SRM为样机，搭建了新型角度位置控制仿真模型，仿真结果验证了本文方法可以有效提高电机运行效率。
关键词：开关磁阻电机 角度优化 角度位置控制 转矩安培比
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0001-3
Research on the Control Mode of High-efficiency Operation of Switched Reluctance Motor
LI Yuefeng1 CAI Yan1
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University， Tianjin， 300000 China）
Abstract： In this paper， for the efficiency optimization control problem of Switched reluctance motor（SRM）， the angle optimization of turn-on and turn-off angle and the optimization of angle position control mode are studied， and a new type of angle position control mode is proposed. On the basis of realizing the constant power operation of the motor， the angle combination that maximizes the torque ampere ratio can be obtained at different speeds and torques， so as to realize the high-efficient operation of the SRM. This paper uses a 1.1kW three-phase 12/8 pole SRM as a prototype to build a new type of angle position control simulation model. The simulation results verify that the method in this paper can effectively improve the efficiency of the motor.
Key Words： Switched reluctance motor; Angle optimization; Angle position control; Torque ampere ratio
開关磁阻电机（SRM）作为一种无稀土低成本的双凸极电机，定子上采用集中绕组，转子上无绕组也无永磁体，它依靠结构简单、鲁棒性强、调速范围宽和动态响应快等优点，被广泛的应用于新能源汽车和工业传动领域[1-3]。但由于SRM的“单边励磁”工作模式，绕组和铁芯利用率低，使得SRM在功率密度和效率方面略显不足，因此提高电机运行效率对SRM的研究很有必要。对于角度位置控制方式，开通角和关断角是主要控制参数，合理选择角度不光可以扩大转矩调节范围还可以提高驱动系统运行效率[4-6]。本文通过对开通角与关断角的分析研究和角度位置控制模式的研究，以效率的表征指标转矩安培比为优化目标，提出了一种新的角度位置控制模式，使用开通角调节转速闭环和遍历关断角的方式，在一定转速和转矩下得到了最优的开关角组合，从而实现SRM的高效运行。
1 SRM的控制模式研究
角度位置控制模式是在绕组两端电压一定的情况下，通过控制相绕组开通角和关断角改变相电流的有效值大小和波形形状，从而改变电机输出转矩的控制模式。为了实现SRM的恒功率运行，需要调整开通角和关断角使导通时间合适地增大，做到输出转矩受控地随转速的负一次方下降，但由于SRM高度饱和特性与非线性特性，开通角和关断角是许多参数的复杂函数，无法用显示解析式来表示。同时对于一定的转速和转矩，有无数种开通角和关断角的组合，因此存在最优角度选择的问题。为了确定恒功率运行点的最优开关角，需要对开通角和关断角进行详细分析。
1.1 开通关断角对SRM性能的影响
角度位置控制方式的电感和相电流波形示意图如图1所示，其中非对齐位置为0°，为对齐位置，为电感开始上升处，为电流衰减到零的转子位置，低电感区间的电感为，最大电感区间的电感值为，为开通角，为关断角。绕组电流可以在低电感区间迅速建立，由于开通角处于低电感区间，所以电流对开通角的变化非常敏感，改变开通角可以改变电流有效值大小和波形形状，从而改变正向转矩的大小和作用时间。在一定范围内开通角越靠前，电流峰值越大，如果开通角过于靠前，由于此时电感变化率几乎为零，产生的转矩也几乎为零，导致电能利用率不高，会降低SRM的运行效率;如果开通角过于靠后，会使电流峰值变小从而影响电机输出转矩。 改变关断角一般对电流的峰值没有影响，但可以改变续流阶段的电流大小和电流延续到零的持续时间，进而改变电流的有效值，实现对输出转矩的控制。固定开通角，如果关断角过大，相繞组电流励磁的时间变长，相电流的波形宽度随之变宽，但电流拖尾到电感下降区，会导致负转矩的产生，使有效输出转矩降低;如果关断角太小，会使相电流波形变窄，从而降低了电流有效值，使电机出力变小且效率不高。
因此开通角的变化对电流的影响更大，因此控制开通角是调节电流有效值大小和波形形状的主要方法，也是调节电机运行速度的常用方法。
1.2 新型角度位置控制模式
已知开通角或者关断角的改变都会对SRM的运行状态产生影响，而对于一定的转速和转矩，可以通过无数种开通角和关断角的组合实现，最优角度的选择是研究难点。如果依次遍历适当范围内的所有开通角和关断角，工作量将非常庞大，为了提高工作效率，本文提出了开通角调速的控制方式进行角度寻优。
新型角度位置控制框图如图2所示，由给定转速和实际转速的偏差通过速度控制器计算出参考电流，之后一方面参考电流和实际转速作为开通角计算公式的输入计算出开通角;另一方面参考电流与实际电流作比较并给出低速时所需的斩波信号，同时起电流保护作用。在一定转速和负载的外界条件下，给定一个关断角后，转速闭环会通过调节开通角使电机稳定在给定转速下，换而言之，开通角和关断角有无数种组合，关断角一旦确定，开通角会自发地与关断角组成唯一的组合，使开关磁阻电机运行在给定的转矩转速运行点。因此，在一个转矩转速运行点下遍历关断角就相当于遍历了所有的开关角组合，再通过对比每组角度组合下的性能指标，便可找到使电机转矩安培比最大的开关角组合。
图2中的开通角计算公式为：
（1）
公式（1）中：为电感开始上升处的转子位置，为速度控制器计算得出的参考电流，为最小电感值，为电机实际转速，为直流母线电压。
2 仿真验证
本文以一台额定功率1.1Kw、额定转速1500r/min的三相12/8极SRM作为样机，搭建了满足高性能研究需求的高精度SRM仿真模型，同时采用不对称半桥式功率电路作为SRM调速系统的功率变换器，利用所搭建的新型角度位置控制模式仿真模型，在不同的转矩转速运行点选择合适的关断角进行仿真，可以实现SRM的1.1kW恒功率运行。
在转速2000r/min负载5.25N·m的运行点对SRM进行仿真，关断角在14°到16°的范围内，以0.25°为间隔进行选取，由于转速闭环通过速度控制器自动对开通角进行调节，得到的角度组合均可以使SRM运行在相同的运行点。不同关断角下的转矩安培比如图3所示。可以看出，存在一个最优的关断角使转矩安培比最高，值为1.566，意味着，该关断角和当前开通角是这个转矩转速运行点下使电机效率最高的角度组合，此时开通角为-5.2°，关断角为15°。对于恒功率区的其他转矩转速运行点，可以采取相同的方法寻找使转矩安培比最优的角度组合。
3 结语
本文提出的新型角度位置控制模式，一方面可以实现SRM的恒功率运行，另一方面可以在不同转速和转矩下得到转矩安培比最大的开关角组合，从而显著提升SRM的运行效率，仿真结果验证了此方法的有效性，实际的应用中，可根据实际转速和负载值确定最优的开关角组合。另外，该方法可以大大降低SRM角度寻优工作量，提高工作效率，同时转速和电流的双闭环模式可以保证系统的稳定和安全运行。
参考文献：
[1] 管旻珺，张旸明，陈辉，刘闯.开关磁阻电机2（n+1）公共上开关管功率拓扑加速续流控制策略[J].电工技术学报，2019，34（23）：4918-4926.
[2] 匡斯建，张小平，刘苹，张光辉，张铸.基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法[J].电工技术学报，2020，35（20）：4296-4305.
[3] 李洁，李艺辉，刘作军.基于NSGA-Ⅲ的开关磁阻发电机多目标优化设计[J].微电机，2020，53（08）：5-10+44.
[4] 曲兵妮，宋世潮，宋建成，田德翔.考虑小电感区电感变化量的开关磁阻电机开关角优化方法[J].电机与控制学报，2019，23（02）：87-93.
[5] 毛帅，陶建峰，余宏淦，刘成良.采用Kriging模型的开关磁阻电机开通角与关断角寻优方法[J].西安交通大学学报，2020，54（10）：94-99+107.
[6] 朱曰莹，杨传甜，赵桂范，王大方.电动车用开关磁阻电机驱动系统多指标同步优化[J].电机与控制学报，2018，22（10）：25-34.
摘 要：本文针对开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）的效率优化控制问题，进行了开通角关断角的角度优化和角度位置控制模式的优化研究，提出了一种新型角度位置控制模式，在实现电机恒功率运行的基础上，可以在不同转速和转矩下得到使转矩安培比最大的角度组合，从而实现SRM高效运行。本文以一台1.1kW的三相12/8极SRM为样机，搭建了新型角度位置控制仿真模型，仿真结果验证了本文方法可以有效提高电机运行效率。
关键词：开关磁阻电机 角度优化 角度位置控制 转矩安培比
中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0001-3
Research on the Control Mode of High-efficiency Operation of Switched Reluctance Motor
LI Yuefeng1 CAI Yan1
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University， Tianjin， 300000 China）
Abstract： In this paper， for the efficiency optimization control problem of Switched reluctance motor（SRM）， the angle optimization of turn-on and turn-off angle and the optimization of angle position control mode are studied， and a new type of angle position control mode is proposed. On the basis of realizing the constant power operation of the motor， the angle combination that maximizes the torque ampere ratio can be obtained at different speeds and torques， so as to realize the high-efficient operation of the SRM. This paper uses a 1.1kW three-phase 12/8 pole SRM as a prototype to build a new type of angle position control simulation model. The simulation results verify that the method in this paper can effectively improve the efficiency of the motor.
Key Words： Switched reluctance motor; Angle optimization; Angle position control; Torque ampere ratio
開关磁阻电机（SRM）作为一种无稀土低成本的双凸极电机，定子上采用集中绕组，转子上无绕组也无永磁体，它依靠结构简单、鲁棒性强、调速范围宽和动态响应快等优点，被广泛的应用于新能源汽车和工业传动领域[1-3]。但由于SRM的“单边励磁”工作模式，绕组和铁芯利用率低，使得SRM在功率密度和效率方面略显不足，因此提高电机运行效率对SRM的研究很有必要。对于角度位置控制方式，开通角和关断角是主要控制参数，合理选择角度不光可以扩大转矩调节范围还可以提高驱动系统运行效率[4-6]。本文通过对开通角与关断角的分析研究和角度位置控制模式的研究，以效率的表征指标转矩安培比为优化目标，提出了一种新的角度位置控制模式，使用开通角调节转速闭环和遍历关断角的方式，在一定转速和转矩下得到了最优的开关角组合，从而实现SRM的高效运行。
1 SRM的控制模式研究
角度位置控制模式是在绕组两端电压一定的情况下，通过控制相绕组开通角和关断角改变相电流的有效值大小和波形形状，从而改变电机输出转矩的控制模式。为了实现SRM的恒功率运行，需要调整开通角和关断角使导通时间合适地增大，做到输出转矩受控地随转速的负一次方下降，但由于SRM高度饱和特性与非线性特性，开通角和关断角是许多参数的复杂函数，无法用显示解析式来表示。同时对于一定的转速和转矩，有无数种开通角和关断角的组合，因此存在最优角度选择的问题。为了确定恒功率运行点的最优开关角，需要对开通角和关断角进行详细分析。
1.1 开通关断角对SRM性能的影响
角度位置控制方式的电感和相电流波形示意图如图1所示，其中非对齐位置为0°，为对齐位置，为电感开始上升处，为电流衰减到零的转子位置，低电感区间的电感为，最大电感区间的电感值为，为开通角，为关断角。绕组电流可以在低电感区间迅速建立，由于开通角处于低电感区间，所以电流对开通角的变化非常敏感，改变开通角可以改变电流有效值大小和波形形状，从而改变正向转矩的大小和作用时间。在一定范围内开通角越靠前，电流峰值越大，如果开通角过于靠前，由于此时电感变化率几乎为零，产生的转矩也几乎为零，导致电能利用率不高，会降低SRM的运行效率;如果开通角过于靠后，会使电流峰值变小从而影响电机输出转矩。 改变关断角一般对电流的峰值没有影响，但可以改变续流阶段的电流大小和电流延续到零的持续时间，进而改变电流的有效值，实现对输出转矩的控制。固定开通角，如果关断角过大，相繞组电流励磁的时间变长，相电流的波形宽度随之变宽，但电流拖尾到电感下降区，会导致负转矩的产生，使有效输出转矩降低;如果关断角太小，会使相电流波形变窄，从而降低了电流有效值，使电机出力变小且效率不高。
因此开通角的变化对电流的影响更大，因此控制开通角是调节电流有效值大小和波形形状的主要方法，也是调节电机运行速度的常用方法。
1.2 新型角度位置控制模式
已知开通角或者关断角的改变都会对SRM的运行状态产生影响，而对于一定的转速和转矩，可以通过无数种开通角和关断角的组合实现，最优角度的选择是研究难点。如果依次遍历适当范围内的所有开通角和关断角，工作量将非常庞大，为了提高工作效率，本文提出了开通角调速的控制方式进行角度寻优。
新型角度位置控制框图如图2所示，由给定转速和实际转速的偏差通过速度控制器计算出参考电流，之后一方面参考电流和实际转速作为开通角计算公式的输入计算出开通角;另一方面参考电流与实际电流作比较并给出低速时所需的斩波信号，同时起电流保护作用。在一定转速和负载的外界条件下，给定一个关断角后，转速闭环会通过调节开通角使电机稳定在给定转速下，换而言之，开通角和关断角有无数种组合，关断角一旦确定，开通角会自发地与关断角组成唯一的组合，使开关磁阻电机运行在给定的转矩转速运行点。因此，在一个转矩转速运行点下遍历关断角就相当于遍历了所有的开关角组合，再通过对比每组角度组合下的性能指标，便可找到使电机转矩安培比最大的开关角组合。
图2中的开通角计算公式为：
（1）
公式（1）中：为电感开始上升处的转子位置，为速度控制器计算得出的参考电流，为最小电感值，为电机实际转速，为直流母线电压。
2 仿真验证
本文以一台额定功率1.1Kw、额定转速1500r/min的三相12/8极SRM作为样机，搭建了满足高性能研究需求的高精度SRM仿真模型，同时采用不对称半桥式功率电路作为SRM调速系统的功率变换器，利用所搭建的新型角度位置控制模式仿真模型，在不同的转矩转速运行点选择合适的关断角进行仿真，可以实现SRM的1.1kW恒功率运行。
在转速2000r/min负载5.25N·m的运行点对SRM进行仿真，关断角在14°到16°的范围内，以0.25°为间隔进行选取，由于转速闭环通过速度控制器自动对开通角进行调节，得到的角度组合均可以使SRM运行在相同的运行点。不同关断角下的转矩安培比如图3所示。可以看出，存在一个最优的关断角使转矩安培比最高，值为1.566，意味着，该关断角和当前开通角是这个转矩转速运行点下使电机效率最高的角度组合，此时开通角为-5.2°，关断角为15°。对于恒功率区的其他转矩转速运行点，可以采取相同的方法寻找使转矩安培比最优的角度组合。
3 结语
本文提出的新型角度位置控制模式，一方面可以实现SRM的恒功率运行，另一方面可以在不同转速和转矩下得到转矩安培比最大的开关角组合，从而显著提升SRM的运行效率，仿真结果验证了此方法的有效性，实际的应用中，可根据实际转速和负载值确定最优的开关角组合。另外，该方法可以大大降低SRM角度寻优工作量，提高工作效率，同时转速和电流的双闭环模式可以保证系统的稳定和安全运行。
参考文献：
[1] 管旻珺，张旸明，陈辉，刘闯.开关磁阻电机2（n+1）公共上开关管功率拓扑加速续流控制策略[J].电工技术学报，2019，34（23）：4918-4926.
[2] 匡斯建，张小平，刘苹，张光辉，张铸.基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法[J].电工技术学报，2020，35（20）：4296-4305.
[3] 李洁，李艺辉，刘作军.基于NSGA-Ⅲ的开关磁阻发电机多目标优化设计[J].微电机，2020，53（08）：5-10+44.
[4] 曲兵妮，宋世潮，宋建成，田德翔.考虑小电感区电感变化量的开关磁阻电机开关角优化方法[J].电机与控制学报，2019，23（02）：87-93.
[5] 毛帅，陶建峰，余宏淦，刘成良.采用Kriging模型的开关磁阻电机开通角与关断角寻优方法[J].西安交通大学学报，2020，54（10）：94-99+107.
[6] 朱曰莹，杨传甜，赵桂范，王大方.电动车用开关磁阻电机驱动系统多指标同步优化[J].电机与控制学报，2018，22（10）：25-34.