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開關(guān)磁阻電機母線異常電流的研究

文檔作者：朱江蔣立偉張大雙周矗葉新偉普剛文檔來源：東風(fēng)商用車有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月12日
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第49卷第5期
2016年 5月
徽'．} Vo1．49．No．5
M ．2016
開關(guān)磁阻電機母線異常電流的研究
朱 江，蔣立偉，張大雙，周 矗，葉新偉，普 剛
(東風(fēng)商用車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢430056)
摘要：本文在利用Matlab／Simulink建立開關(guān)磁阻電機(SRM)物理模型和控制策略模型的基礎(chǔ)上，通過仿真分析相
電流變化與母線電流變化之間的關(guān)系，找出了SRM工作時母線電流劇烈波動的原因。為解決此問題，本文首先分析
論證了使用LRC低通濾波器改善這種狀況的可行性，然后選取合適的參數(shù)設(shè)計濾波器并進(jìn)行仿真對比，最后，通過
臺架和實車測試，證明了該解決方案有效。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機；母線電流；RLC低通濾波器
中圖分類號：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848(2016)05—0088—05
Research on Abnormal Busbar Current of Switched Reluctance M otor
ZHU Jiang，JIANG Liwei，ZHANG Dashuang，ZHOU Yao，YE Xinwei，PU Gang
(Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV，Wuhan 430056，China)
Abstract：Based on the physical model and control model of switched reluctance motor(SRM)which established
by Matlab／Simulink，this paper analyzed the relationship between the phase current changes and bus—
bar current changes，and then found out the cause of the SRM busbar current severe fluctuation at work．To
solve the above problem，this paper analyzed the feasibility of reducing the fluctuation by using the LRC low—
pass filter． By selecting appropriate parameters to build filter in the vehicle tests，this solution was proved
effective．
Key words：switched reluctance motor；busbar curent；LRC low·pass filter
0 引 言
開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低速
大扭矩等特點，適合用于電動汽車等領(lǐng)域。在某混
合動力卡車上，采用額定電壓576 V、額定功率
40 kW的開關(guān)磁阻電機作為驅(qū)動電機。然而在使用
的過程中，發(fā)現(xiàn)電機母線電流劇烈波動，頻率高達(dá)
3 kHz以上，峰峰值超過1000 A，并且在電動工況
下出現(xiàn)了-300A的負(fù)電流，相當(dāng)于對動力電池進(jìn)行
頻繁的大電流充放電，這將極大的影響動力電池的
性能，同時還會造成其他高壓部件的損壞，威脅整
車的安全，因此必須加以解決。
1 母線異常電流產(chǎn)生原因分析
開關(guān)磁阻電機的運行遵循磁阻最小原理，采取
逐相導(dǎo)通的工作方式。電機運行過程中，隨著IGBT
的開通與關(guān)斷，相電流迅速的增大或減小，幅值變
化較大，且波形極不規(guī)則。母線電流為相電流的疊
加，情況更為復(fù)雜。
以上述混合動力卡車項目中所使用的三相開關(guān)
磁阻電機為研究對象，在Matlab／Simulink下，建立
其物理模型和控制策略模型，對各工況進(jìn)行仿真分
析。當(dāng)供電電壓為576 V，轉(zhuǎn)速800 r／min，相繞組
目標(biāo)電流300 A時，電機功率約60 kW，此時三相
電流和母線電流的波形如圖1所示。
圖中實線為A、B、c三相及母線的電流，電流
波形下相互交錯的兩個方波信號為對應(yīng)IGBT的驅(qū)動
信號，使用不同的幅值加以區(qū)分。在仿真過程中，
為了更準(zhǔn)確分析母線電流與相電流之間的關(guān)系，去
除了母線正負(fù)極之間的濾波電容。
從圖l中可以看到，母線電流最大值出現(xiàn)在t2
時刻，約為600 A，此時A相和B相的IGBT均處于
導(dǎo)通狀態(tài)，其中A相已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)電流300A，B
相電流接近300A的目標(biāo)電流。電路中的電流流向如
收稿日期：2015—07—07
作者簡介：朱江(1989)，學(xué)士，工程師，研究方向為新能源汽車電機系統(tǒng)的設(shè)計與試驗。
蔣立偉(1984)，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車電機控制系統(tǒng)的開發(fā)。
5期 朱江等：開關(guān)磁阻電機母線異常電流的研究朱 · ·
下圖2所示。由于Tl、 、rI3、T4四個開關(guān)管全部
導(dǎo)通，A、B相的電流均由正極流向負(fù)極，因此母線
電流為二者疊加，達(dá)到峰值。
圖1 三相電流和母線電流波形
圖2 母線電流最大時電流方向
母線電流最小值出現(xiàn)在圖1中的t3時刻，約為一
200A。在這一時刻，A相IGBT全部關(guān)斷，而B相
IGBT一開一關(guān)，電流方向如圖3所示。由于T1、T2
關(guān)閉，在A相繞組的續(xù)流作用下，二極管D1、D2
被導(dǎo)通，電流從負(fù)極流過D1、繞組、D2后，回到
正極。而由于rI3關(guān)閉T4導(dǎo)通，在B相繞組的續(xù)流
作用下，二極管D3被導(dǎo)通，電流在D3、繞組、T4
構(gòu)成的回路內(nèi)流動。兩相疊加后，母線電流為負(fù)，
其大小等于A相電流的大小。在很多工況下，某一
項繞組關(guān)斷時，另一項正好處于續(xù)流階段，因此母
線電流能達(dá)到的最小值大小等于相電流的最大值，
方向為負(fù)。
另一方面，在一個電周期內(nèi)，相電流大部分時
間處于斬波控制狀態(tài)，IGBT在同時導(dǎo)通和一開一關(guān)
兩種工作方式下不斷切換。當(dāng)IGBT同時導(dǎo)通時，電
流從母線正極流向負(fù)極，方向為正；一開一關(guān)時，
相電流則會在IGBT、二極管、繞組構(gòu)成的回路內(nèi)流
動，母線電流變?yōu)?。IGBT在兩種工作方式下不斷
切換，直接導(dǎo)致母線電流大小在0和相電流大小之
間不斷跳變，因此其波形接近方波，頻率等于相電
流斬波的頻率，如圖1中tl到t2階段母線的電流
波形。
圖3 母線電流最小時電流方向
通過上述分析可知，母線電流的最大值和最小
值出現(xiàn)在換相時。最大值在兩相同時導(dǎo)通時產(chǎn)生，
大小約為相電流最大值的2倍；最小值在一相續(xù)流
回饋而另一相續(xù)流斬波時產(chǎn)生，大小約為相電流最
大值的一1倍。實際測量到的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電機相電
流最大值為330A時，對應(yīng)母線最大值約650A，最
小值約-330A，與上述分析基本一致。
2 解決方案
開關(guān)磁阻電機母線電流劇烈波動是由其獨特的
工作方式?jīng)Q定，難以通過更改控制方式來消除，但
是可以考慮在母線上增加一個低通濾波環(huán)節(jié)來進(jìn)行
優(yōu)化。對電機各工況下的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，
母線電流的頻率主要集中在1 kHz到5 kHz之間。因
此，改善此問題需要對電流中高于1 kHz的成分進(jìn)
行有效的抑制。
2．1 一階RC濾波性能分析
在本文所述的電機系統(tǒng)中，母線電阻值估算約
2 mQ，正負(fù)母線之間設(shè)計有一個1000 的薄膜電
容，相當(dāng)于控制器在輸入端有一個一階RC低通濾
波器，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，對應(yīng)的伯德圖如圖5
· 9D· 麓 49卷
所示。
JlHz
圖5 控制器中RC低通濾波器伯德圖
從圖中可看出，該RC濾波器的截止頻率約
100 kHz，而對于電機母線電流的主要頻率范圍1
kHz到5 kHz，其衰減幾乎可以忽略不計，因此濾波
效果較差。在本例中，要想獲得較好的濾波效果，1
kHz以上的信號衰減幅度需要達(dá)到一10 dB以上。
對于上述的RC濾波器而言，增大c或者R可
以有效的減小截止頻率。但是若要實現(xiàn)對1 kHz以
上頻率信號實現(xiàn)一10 dB以上的衰減效果，需將R
增大至1 Q，或者將c增大至5 mF。將 增大至1
Q會造成超過10 kW的功率損失，將c增大至5 mF
會導(dǎo)致體積成倍增加，兩種方案均不實用。另一方
面，RC濾波器是一種一階濾波器，其過渡帶比較
寬，衰減速度較慢，當(dāng)1 kHz的頻率信號衰減達(dá)到
0．1倍時，正常的低頻信號也會衰減，對電機性能
造成較大影響。
2．2 二階RLC濾波器設(shè)計及分析
相比一階濾波器，二階濾波器有更快的衰減速
度和較窄的過渡帶，擁有更好的濾波效果。因此可
以考慮在母線正極串聯(lián)一個大功率電感，構(gòu)建一個
二階的RLC低通濾波器，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 RLC低通濾波器電路結(jié)構(gòu)
對應(yīng)的可以寫出其傳遞函數(shù)：
G(s)= 1雨
將式中S替換為 寫成標(biāo)準(zhǔn)形式為
) 1
其中， 詈√詈為阻尼比， 轉(zhuǎn)折頻率。
從上式中可知，增大 、c可以有效降低轉(zhuǎn)折頻
率，從而增強對高頻信號的衰減能力，增大 則可
以提高系統(tǒng)的阻尼比，增加穩(wěn)定性。但R增大會顯
著增加系統(tǒng)的熱損耗；電感 值過大則會影響系統(tǒng)
動態(tài)性能，降低穩(wěn)定性；增加C對系統(tǒng)性能有利，
但體積和成本會顯著增加，降低經(jīng)濟(jì)性，因此三個
參數(shù)的選取需要綜合考慮。
選取兩組參數(shù)分析引人電感后系統(tǒng)性能的變化：
(1)R=2 mQ，L=0 H，C：1000 F；(2)R=
2 mQ，L=50 H，C=1000 F。伯德圖如圖7所
示。由于增加了電感，系統(tǒng)成為了二階濾波器，衰
減速度加快，對高頻信號的衰減作用顯著增強，但
因其轉(zhuǎn)折頻率約1 kHz，所以對1 kHz到5 kHz的電
機電流信號衰減不夠明顯。
Ifl 、＼＼ ＼ ＼～ I 、
I ’’’ ’-一
JlHz
圖7 引入電感后系統(tǒng)伯德圖
轉(zhuǎn)折頻率與 、c乘積的平方根成反比，選取兩
組參數(shù)對比分析LC乘積對系統(tǒng)性能的影響：(1)尺
= 2 mfL，L=50 H，C=1000 F；(2)R=2 mD,，L
= 150 txH，C=3000 F。對應(yīng)的伯德圖如圖8所示。
從圖中可知，增大LC參數(shù)后，轉(zhuǎn)折頻率由
1 kHz降到了約200 Hz，從而對1 kHz以上的信號衰
減度達(dá)到了一20 dB以上，濾波效果明顯提升。
主
5期 朱江等：開關(guān)磁阻電機母線異常電流的研究朱 · ·
H
圖8 增大￡C后系統(tǒng)伯德圖
圖9 增大R后系統(tǒng)伯德圖
但上述系統(tǒng)在轉(zhuǎn)折點附近有明顯的震蕩，
加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需適當(dāng)增加阻尼比，阻尼比與
Jc／L、R成正比。其中改變c或者 都對阻尼比影
響較小，所以最佳方式是增加 的值。但 增大會
增加系統(tǒng)熱損耗，因此需要兼顧系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性。
取兩組參數(shù)進(jìn)行對比：(1)R=15 mQ，L=150 H，
C=3000 F；(2)R =2 mr／，L=150 txH，C=
3000 la,F。
從圖9中可知，增大R后頻率轉(zhuǎn)折點處的增益
顯著減小。實際上由于濾波器前后級輸出和負(fù)載的
影響，轉(zhuǎn)折點處系統(tǒng)依然能穩(wěn)定的工作，同時其發(fā)
熱功率小于150 W，滿足使用要求。
3 試驗及結(jié)果
將一個15 mQ的電阻和一個150 H的電感串
入回路中，并將電容大小增大至3000 ，進(jìn)行實車
測試，對改善效果進(jìn)行驗證。
以怠速充電工況為例，當(dāng)電機以15 A的電流進(jìn)
行怠速充電時，其母線電流峰峰值由最初的183 A
以上降低到約l5 A，電流波動頻率由3．4 kHz降至
660 Hz，效果顯著，電流對比波形如圖10所示。
圖10 怠速充電工況下電流改善效果
對正常起步、急加速起步、10％坡度正常起步、
10％坡度急加速起步、緊急制動等工況進(jìn)行測試，
均取得了明顯的改善效果，電流峰峰值和波動頻率
為增 都顯著減小，測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 改善后實車測試電流數(shù)據(jù)
4結(jié)語 竺 、
通過上述分析及試驗，可得出以下結(jié)論： 電流最大值的-1倍，而其波動頻率由斬波的頻率決定；
(1)開關(guān)磁阻電機母線的電流的異常主要體現(xiàn)在電 (2)開關(guān)磁阻電機母線電流異常由其SE作方式?jīng)Q定，
流波動幅值過大和波動頻率過高，其中最大值在兩相同無法通過軟件來消除，但是通過仿真和計算可知，在回
． 92． |IL'l}杠 卷
(上接第84頁)
由試驗結(jié)果可以看出，本文所述無刷直流電機
控制系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)所要求的性能參數(shù)；通過穩(wěn)速
控制，穩(wěn)速精度優(yōu)于1％ ，且多臺控制系統(tǒng)一致性
較好；通過電磁兼容性測試，系統(tǒng)電磁兼容性能滿
足GJB15 1 A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度
要求中的CE102、RE102指標(biāo)要求。
5 結(jié) 語
本文所述無刷直流電機控制系統(tǒng)，采用高功率
密度集成功率模塊方案，大大減小了控制系統(tǒng)的體
積和重量，性能指標(biāo)完全滿足軍用產(chǎn)品要求，可進(jìn)
一步推廣至航空航天、石油化工、工業(yè)現(xiàn)場等對產(chǎn)
品可靠性要求較高的場合。
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Date Sheet．
(上接第87頁)
變定時常數(shù)的方法來改變脈沖頻率，達(dá)到變速的目
的，本例采用89C51單片機，其定時器屬于加1定
時器，在步進(jìn)電機加速時，定時常數(shù)應(yīng)增加即常數(shù)
值大，溢出中斷時間快，減速時定時常數(shù)應(yīng)減
小_1 ?？紤]剪板機的生產(chǎn)實際，為了提高系統(tǒng)的響
應(yīng)速度，避免程序運算耽誤步進(jìn)電機的運行速度，
簡化程序編制，故采用查表法完成速度控制，查表
法就是將加減速曲線離散化，把離散所得的轉(zhuǎn)速序
列對應(yīng)的時間常數(shù)序列，做成表格存儲在程序存儲
器中，重置定時常數(shù)，實現(xiàn)加減速的快速控制，如
圖4所示為其加減速控制流程圖，為了簡化，減速
時也采用與加速時相同的方法，取加速的逆過程
設(shè)計。
5 結(jié) 語
文章結(jié)合工程技術(shù)改造實際進(jìn)行研究，對板材
的全自動剪切生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析?？紤]中小企
業(yè)的經(jīng)濟(jì)性及實際情況，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機控制板
料定長，通過分析步進(jìn)電機負(fù)載及匹配情況，設(shè)計
了步進(jìn)電機驅(qū)動電路，進(jìn)一步研究了步進(jìn)電機位置
速度控制設(shè)計和程序控制流程，并結(jié)合實際采用查
表方式，來實現(xiàn)加減速的快速控制。經(jīng)過實際應(yīng)用
驗證，本例的全自動剪板機控制效果良好，工人勞
動強度大大降低，勞動效率大幅度提高，而且，整
個控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，集成度高，結(jié)構(gòu)簡
單，成本低，操作方便，且維護(hù)方便靈活性， 自動
化水平較高。
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