HEV驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流失控問(wèn)題的分析與解決

張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風(fēng)商用車(chē)有限公司 東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，武漢 430056）

HEV驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流失控問(wèn)題的分析與解決

張大雙，周垚，普剛，蔣立偉，朱江

（東風(fēng)商用車(chē)有限公司 東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，武漢 430056）

本文結(jié)合HEV驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中遇到的電流失控問(wèn)題，分析了失控電流的變化過(guò)程及產(chǎn)生原因，并從開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理出發(fā)，分析了發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中電流失控產(chǎn)生的機(jī)理。最后，文章提出了解決電流失控問(wèn)題的方案，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；電流斬波控制；角度位置控制；運(yùn)動(dòng)電勢(shì)；失控電流

張大雙

碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，從事新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。

1　前言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其控制器構(gòu)成，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、起動(dòng)性能好、調(diào)速范圍寬、容錯(cuò)能力強(qiáng)、效率高，已成為新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是HEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案之一。隨著在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用，容錯(cuò)能力及故障診斷成為近年來(lái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之一。

由于控制器工作在高電壓、大電流、高頻率開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且電磁環(huán)境惡劣，是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中故障率最高的環(huán)節(jié)［1］，尤其以電流失控問(wèn)題最為嚴(yán)重：一方面，失控電流急劇上升，導(dǎo)致功率器件損壞，降低控制器的可靠性；另一方面，電流失控將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩失控，引起很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，損害車(chē)輛傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，危害車(chē)輛行駛安全。因此，必須采取措施加以預(yù)防，避免出現(xiàn)電流失控［2，3］。

本文結(jié)合HEV驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中遇到的電流失控問(wèn)題，分析了失控電流的變化過(guò)程及產(chǎn)生原因，并從開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理出發(fā)，分析了發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中電流失控產(chǎn)生的機(jī)理，提出了相應(yīng)的解決方案，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

2　電流失控故障現(xiàn)象及分析

2.1電流失控故障現(xiàn)象

圖1是一臺(tái)HEV客車(chē)驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（額定功率80KW、額定轉(zhuǎn)速1000rpm）臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，電流失控瞬間示波器捕捉記錄的相電流及母線電壓波形。電流失控導(dǎo)致了失控相（V相）兩個(gè)IGBT器件和母線上三個(gè)繼電器的損壞，同時(shí)，巨大的電流沖擊也使得主電路銅排及控制器殼體嚴(yán)重變形，對(duì)試驗(yàn)人員的人身安全也造成了一定的威脅。

電流失控瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000rpm，功率為22KW。圖1中，第一條曲線為母線電壓波形，第二條曲線為U相電流波形，第三條曲線為V相電流波形。從V相電流波形看，其電周期約占示波器兩格寬度。

2.2電流失控故障分析

首先來(lái)分析電流失控瞬間，失控相（V相）電流波形變化的過(guò)程。由于電機(jī)控制器的功率電路采用不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)［4］，如圖2所示，且電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，在圖1中所示的第3個(gè)電周期，V相電流斬波結(jié)束后，其上下橋臂IGBT均關(guān)斷，且應(yīng)在本周期保持關(guān)斷至第4周期開(kāi)始。但在V相電流降至接近零時(shí)，又來(lái)了一個(gè)觸發(fā)脈沖使IGBT在電感下降區(qū)誤導(dǎo)通，導(dǎo)致V相進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，期間電流急劇上升，超過(guò)了電流斬波控制方式的電流上限，電流處于失控狀態(tài)。

在第4個(gè)電周期初始時(shí)刻，電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，V相上下橋臂IGBT正常導(dǎo)通，由于電流超過(guò)斬波電流上限，于是進(jìn)入斬波階段，電流開(kāi)始下降。但斬波關(guān)斷的第一個(gè)周期結(jié)束后，電流急劇上升，到了硬件保護(hù)電路的模擬斬波上限，系統(tǒng)開(kāi)始模擬斬波。在模擬斬波階段電流已經(jīng)得到控制，并且在電感進(jìn)入下降區(qū)前，V相上下橋臂兩個(gè)IGBT也關(guān)斷了，電流開(kāi)始下降。但在電感進(jìn)入下降區(qū)的時(shí)刻，復(fù)現(xiàn)了第3周期的現(xiàn)象，又一個(gè)觸發(fā)脈沖導(dǎo)致V相又進(jìn)入了發(fā)電狀態(tài)，由于此時(shí)的初始電流勵(lì)磁已經(jīng)建立，電流以（|u|+|I·ω·dL（θ）/d θ|）/L（θ）的速率快速上升，超過(guò)電流采樣的速率，模擬斬波失效，電流完全失控，超過(guò)了功率器件能允許通過(guò)的最大電流，最終導(dǎo)致V相兩個(gè)IGBT損壞。

再來(lái)分析母線電壓波形：相電流的上升導(dǎo)致了母線電流的上升及母線電壓的下降。在第4個(gè)電周期，模擬斬波期間，由于電流較大，母線電壓下降明顯，低于欠壓保護(hù)值，這也很好解釋了之前的幾次試驗(yàn)中，控制器進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)原因。而由于誤以為是欠壓保護(hù)值設(shè)置太高，調(diào)低欠壓保護(hù)值后，導(dǎo)致本次試驗(yàn)控制器并未進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)。盡管在模擬斬波時(shí)隨著電流下降及W相的開(kāi)通（圖中未顯示），母線電壓慢慢恢復(fù)，但隨著電流的再一次快速上升，母線電壓直接跌至低點(diǎn)，控制器嚴(yán)重?fù)p壞。

通過(guò)對(duì)失控電流的變化過(guò)程分析可知，連續(xù)兩個(gè)電周期錯(cuò)誤脈沖的觸發(fā)使IGBT在電感下降區(qū)即發(fā)電區(qū)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)是出現(xiàn)電流失控的根本原因，因此IGBT在發(fā)電區(qū)導(dǎo)通是電流失控的前提。

3　發(fā)電過(guò)程中電流失控產(chǎn)生機(jī)理及發(fā)電電流控制策略

3.1發(fā)電過(guò)程中電流失控產(chǎn)生機(jī)理

由前一節(jié)分析可知，IGBT在發(fā)電區(qū)導(dǎo)通即電機(jī)發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有電流失控的可能，因此，發(fā)電運(yùn)行過(guò)程電流的控制至關(guān)重要。仍以不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)功率電路為例，分析開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)失控電流是如何產(chǎn)生的。

對(duì)于SR電機(jī)線性簡(jiǎn)化模型，當(dāng)磁路不飽和，且忽略相間互感，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理及功率電路，電機(jī)一相電壓平衡方程及電磁轉(zhuǎn)矩方程［4，5］如下：

其中，電壓平衡方程左邊為外加電源電壓，右邊第一項(xiàng)是相繞組的電阻壓降，第二項(xiàng)為相繞組上的電感壓降，第三項(xiàng)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)e。

由式（3）可以看出，當(dāng)繞組上施加正向電壓，外加電源與運(yùn)動(dòng)電勢(shì)通過(guò)繞組短路，繞組電流的變化率為正，電流將快速上升，電流有失控的危險(xiǎn)；當(dāng)繞組上施加反向電壓，負(fù)載電流的上升與下降取決于外u 和e 的絕對(duì)值大小。如果u＞e，則負(fù)載電流變化率為負(fù)，電流下降，電流可控；反之則負(fù)載電流變化率為正，電流也會(huì)上升，電流可控性變差，但電流上升的速度會(huì)遠(yuǎn)小于給繞組施加正向電壓時(shí)電流上升的速度，且電流最大值可以預(yù)估。

解上述微分方程（5）可得：

其中，i0為起動(dòng)勵(lì)磁電流。要使電流可控，則必有：di /dt ＜ 0 ，即：

由于 u ＜ 0 ，Lmax＞ 0 ，i0＞ 0 ，ω ＞ 0 解不等式（7），可得開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行電流可控性須滿(mǎn)足不等式：

由上述不等式可知，SR電機(jī)電流的可控性與母線電壓和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行或外加電源電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流不可控。圖3給出了固定轉(zhuǎn)速，固定開(kāi)通角和關(guān)斷角以及同一勵(lì)磁電流，不同電壓下一相電流的仿真結(jié)果。由圖中可以看出，隨著電壓的降低，電流幅值愈來(lái)愈大，當(dāng)電壓降至150V時(shí)，電流峰值最大。隨著電壓的 繼續(xù)下降，關(guān)斷時(shí)由于勵(lì)磁電流 已經(jīng)達(dá)不到給定值（固定開(kāi)通角），加上繞組電阻的影響，電流峰值反而降低。

3.2電機(jī)發(fā)電電流控制策略

綜上所述，在SR電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，在電流的控制策略中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1發(fā)電運(yùn)行時(shí)，繞組初始勵(lì)磁電流建立后，繞組兩端一定不能施加正向電壓，以自勵(lì)不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)功率變換為例， IGBT必定不會(huì)工作在上下橋臂在整個(gè)電感下降區(qū)均導(dǎo)通的狀態(tài)，否則電流快速上升，電流將會(huì)失控，這一點(diǎn)在實(shí)際的試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)低速發(fā)電運(yùn)行時(shí)，滿(mǎn)足式（8），電流可控，可以采用電流斬波控制（CCC）。通過(guò)整個(gè)導(dǎo)通期間上橋臂IGBT 斬波實(shí)現(xiàn)零電壓續(xù)流時(shí)，電流增加；下橋臂IGBT 關(guān)斷實(shí)現(xiàn)繞組兩端施加負(fù)電壓時(shí)，電流減少。

3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)高速發(fā)電運(yùn)行時(shí)，不滿(mǎn)足式（8），電流不可控，但不可控并不代表電流失控。由于電流最大值可以預(yù)估（出現(xiàn)在電感下降至最小電感處），如圖3所示，這種不可控可以加以利用，以獲得盡可能大的發(fā)電功率和效率。實(shí)際發(fā)電控制中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓及運(yùn)行速度，根據(jù)發(fā)電功率調(diào)節(jié)發(fā)電運(yùn)行時(shí)的開(kāi)通角及關(guān)斷角，即角度位置控制方式（APC），將失控電流限制在預(yù)期的范圍內(nèi)。

正是基于上述3點(diǎn)的考慮，在忽略電阻壓降的前提下，SR電機(jī)的發(fā)電性能可以做到與電動(dòng)性能一樣，即相電流關(guān)于電機(jī)對(duì)齊位置θ對(duì)稱(chēng)［5］。圖4是

a低速CCC控制和高速APC控制時(shí)，電動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行的相電流及相電壓仿真波形。

4　電流失控問(wèn)題解決方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1電流失控問(wèn)題解決方案

由于主控電路及控制策略在另一開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證，可以判斷策略本身并沒(méi)有問(wèn)題。對(duì)比兩個(gè)控制器，差別在于出現(xiàn)電流失控問(wèn)題的控制器由于尺寸的限制，功率電路的復(fù)合母排布線較另一臺(tái)控制器復(fù)雜且混亂，使得電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高頻開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的電磁干擾導(dǎo)致IGBT的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生了錯(cuò)誤脈沖。因此解決措施之一就是在每個(gè)IGBT兩端并上一個(gè)電容來(lái)進(jìn)行濾波，如圖5所示，使電流波形更加光滑，減小干擾源，但這仍不能從根本上保證電流絕對(duì)可控。

為保證功率器件可靠導(dǎo)通，避免出現(xiàn)電流失控問(wèn)題，更有效的措施是用軟件的方法，在控制策略中增加一個(gè)角度控制的程序，來(lái)關(guān)斷由錯(cuò)誤脈沖觸發(fā)而導(dǎo)通的IGBT，從而保證電流可控。具體的思路：當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，通過(guò)軟件查詢(xún)手段判斷當(dāng)前電機(jī)位置是否處于與當(dāng)前運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的開(kāi)通角和關(guān)斷角之間，處于開(kāi)通角與關(guān)斷角之間，就導(dǎo)通，否則就關(guān)斷IGBT。圖6是具體的角度控制程序流程圖。

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述方案后，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流失控問(wèn)題得到了很好的解決，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行可靠，圖7是臺(tái)架試驗(yàn)中不同工況下的相電流波形。

5　結(jié)論

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流不可控問(wèn)題，一方面我們要充分利用不可控電流產(chǎn)生的機(jī)理，將電流限制在可控的范圍內(nèi)，獲得更高的發(fā)電功率和效率；另一方面我們要運(yùn)用硬件和軟件的手段防止發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)電流失控問(wèn)題，從而保證車(chē)輛行駛的安全可靠。

［1］盧勝利，陳昊，曾輝，于東升. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中功率變換器故障在線診斷方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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］王宏華. 開(kāi)關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［ M ］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995： 22-24，65-76.

［5］吳建華. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：31-32，53-60.

專(zhuān)家推薦

張凡武：

論文針對(duì)HEV驅(qū)動(dòng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的電流失控問(wèn)題，分析失控電流的變化過(guò)程及產(chǎn)生原因，并從開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理出發(fā)，分析在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電流失控產(chǎn)生的機(jī)理，提出了解決電流失控問(wèn)題的方案，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

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Analysis and Solution of Switch Reluctance Motor Current Uncontrollable Problem

ZHANG Da-shuang， ZHOU Yao， PU Gang， JIANG Li-wei， ZHU Jiang
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

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.

Switch Reluctance Motor（SRM）； Current Chopping Control（CCC）； Angle Position Control（APC）； Motion Electromotive Force； Uncontrollabe Current

TM352

A

1005-2550（2015）04-0045-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.010

2015-04-07