- 頭條開關磁阻電機脈沖寬度調制占空比的解析計算新方法2021-04-15 作者：田德翔 曲兵妮 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語太原理工大學礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室、太原理工大學電氣與動力工程學院的研究人員田德翔、曲兵妮、宋建成、趙勇，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于電流斬波控制的脈沖寬度調制占空比解析計算方法，用以解決開關磁阻電機驅動系統電流斬波控制方式下電流脈動大的問題。
開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）具有結構簡單、制造成本低及可缺相運行的優點，并且不存在永磁電機高溫退磁的問題，使得SRM在傳動領域中具有巨大應用潛力。但是SRM的運行性能與其控制方法的選擇密切相關，當控制方法不同時，電機在效率、轉矩脈動、振動和噪聲等方面的性能也就表現不同。
SRM的常用控制方式包括角度位置控制、電流斬波控制及電壓斬波控制，在實際使用過程中往往是將這三種控制方式相互結合使用。電流斬波控制具有控制方式簡單、可有效抑制過沖電流等優點，主要用于SRM起動和低速運行。
但是電流斬波控制屬于滯后控制，當繞組電流變化較快或電流采樣頻率較低時，單純地使用電流斬波控制往往會使得電機繞組中的實際電流明顯超過電流斬波上下限，產生較大的電流脈動。尤其在定轉子齒沒有重疊的位置區域，即小電感區域內，因反電勢較小，過沖電流的問題更為突出，其峰值電流甚至會達到給定電流的1.5倍，這將明顯增加電機繞組損耗并引起較大的轉矩脈動。
為解決上述問題，國內外學者提出了許多方法。
- 有學者提出了一種新的驅動電路用以降低開關器件通斷所引起的電流脈動，但是該方法需要更換新的硬件電路。
- 有學者提出根據電感增量對PI參數進行調節及對存儲的反電動勢進行補償，解決了電流上升過程的過沖問題，但是該方法需要存儲大量數據。
- 針對相關研究中需要大量儲存數據的問題，有學者將神經網絡用于增量電感與反電動勢的在線計算，減少了數據的存儲量。
- 有學者將滑模變結構控制應用于SRM對給定電流的跟蹤，減少了跟蹤過程的電流脈動。
- 有學者提出在已知電機參數的前提下，采用積分滑?？刂品椒?，實現在固定的較低采樣頻率下對給定電流的跟蹤。
- 有學者以電機磁鏈特性曲線為基礎，預測所需脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）占空比，以減少電流脈動。
- 有學者通過基于電機模型的自適應控制器與改進采樣法，實現了低采樣頻率下電流脈動的減小。
- 有學者通過對固定轉子位置處的電壓進行迭代學習控制，實現固定轉子位置對給定電流的跟蹤。
- 有學者提出基于迭代學習控制的平均電流跟蹤策略，通過計算一個PWM周期內繞組中實際電流與給定電流差值的平均值作為電壓迭代學習控制的輸入量，實現對PWM占空比的調節，獲得與給定電流相差較小的實際電流。但是當電機負載或給定轉速頻繁變化時，PWM占空比將可能一直處于調整過程，迭代學習控制的動態性能不夠理想。
- 有學者提出通過實驗獲得不同轉速及參考電流下電流脈動小的PWM占空比，并通過數據擬合獲得PWM占空比與轉速、電流的函數關系，提高了PWM占空比調節的動態特性。但是該方法需要通過大量實驗，以獲取不同轉速和負載條件下的最優PWM占空比。
太原理工大學礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室、太原理工大學電氣與動力工程學院的研究人員，針對傳統電流斬波控制法在轉速較低、負載較小工況下，存在斬波電流脈動大、容易超過斬波上下限的問題，結合小電感區電感值與電感明顯上升段電感對轉子位置的斜率，提出一種SRM電流斬波控制下PWM占空比的計算方法，解決了SRM電流斬波控制下電流脈動大及電流容易過沖的問題；并根據電流斬波控制特性，提出一種對小電感區電感值和電感明顯上升區電感對轉子位置斜率的在線實驗測取方法。
圖3 SRM驅動系統實驗平臺
所提出的PWM占空比解析計算法僅需在傳統電流斬波控制過程中加入PWM占空比調節計算，無需增加新的硬件電路，實現方法簡單易行。PWM占空比解析計算法在計算過程中忽略了一些次要因素的影響，如小電感區的電感變化等，因此所得結果不一定是最優PWM占空比。
最后，在樣機系統實驗平臺上對提出的PWM占空比解析計算法進行了驗證。結果表明：與傳統電流斬波控制相比較，電機在相同工況下運行時，PWM占空比解析計算法具有更小的電流脈動與轉矩脈動，降低了線路損耗，有利于提高電機的運行效率。
與有學者所提出的控制方法相比較，省去了通過大量實驗試湊不同轉速及負載下合適的PWM占空比，再對所得到的PWM占空比與轉速、參考電流進行函數關系擬合的過程，具有更強的可移植性。
以上研究成果發表在2019年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于電流斬波控制的開關磁阻電機脈沖寬度調制占空比解析計算法”，作者為田德翔、曲兵妮、宋建成、趙勇。
