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摘 要：该文分析了开关磁阻电机再生制动的原理和控制方法，给出了一套3kW开关磁阻电机再生制动的设计实例，在电流控制的基础上解决了位置检测、优化控制以及系统保护等再生制动过程中不容忽视的问题。理论和实践表明，在电流控制的基础上，中小功率开关磁阻电机具有优良的再生制动性能，这对降低系统成本、提高系统性能/价格比和开拓开关磁阻电机的多种应用具有重要意义。
1 引言
开关磁阻电机（SRM）作为一种新型电机，以其结构简单、坚固，成本低，容错能力强以及调速范围广，运行效率高的优势，在电力传动领域具有广阔的发展前景[1-8]。由于SRM结构的对称性，理论上在发电状态下与其在电动状态下的性能一样优越，因此商业价值得到了国内外的普遍关注。近年来开关磁阻发电机在航空航天电源、机车牵引、风力发电等领域得到了应用，并取得了较好的效果[2-4]，SRM发电状态下的理论和控制研究也有了一定的成果[5-8]。文献[6]、[7]分析了SRM的发电运行机理，给出了其系统框架和控制方式，并通过仿真试验验证了开关磁阻发电机应用的可行性，从而为开关磁阻发电系统的设计提供了依据。文献[5]在理论分析和仿真计算的基础上提出了一种适合高速大功率发电系统的角度位置控制方法（APC），文献[8]提出了APC中一种优化开通角qon和关断角qoff的方法。但总的来说现有的成果对再生制动的控制方式关注较多，对其原理研究和再生制动过程中特殊的位置检测、保护等问题关注较少；对高速大功率系统和APC关注较多，对中小功率系统和其他控制方式关注较少。
基于此现状本文详细分析了再生制动的原理和过程，并给出一3kW开关磁阻电机再生制动的设计实例，在电流控制方式（CCC）的基础上，解决了位置检测、优化控制以及系统保护等问题。
1 引言
开关磁阻电机（SRM）作为一种新型电机，以其结构简单、坚固，成本低，容错能力强以及调速范围广，运行效率高的优势，在电力传动领域具有广阔的发展前景[1-8]。由于SRM结构的对称性，理论上在发电状态下与其在电动状态下的性能一样优越，因此商业价值得到了国内外的普遍关注。近年来开关磁阻发电机在航空航天电源、机车牵引、风力发电等领域得到了应用，并取得了较好的效果[2-4]，SRM发电状态下的理论和控制研究也有了一定的成果[5-8]。文献[6]、[7]分析了SRM的发电运行机理，给出了其系统框架和控制方式，并通过仿真试验验证了开关磁阻发电机应用的可行性，从而为开关磁阻发电系统的设计提供了依据。文献[5]在理论分析和仿真计算的基础上提出了一种适合高速大功率发电系统的角度位置控制方法（APC），文献[8]提出了APC中一种优化开通角qon和关断角qoff的方法。但总的来说现有的成果对再生制动的控制方式关注较多，对其原理研究和再生制动过程中特殊的位置检测、保护等问题关注较少；对高速大功率系统和APC关注较多，对中小功率系统和其他控制方式关注较少。
基于此现状本文详细分析了再生制动的原理和过程，并给出一3kW开关磁阻电机再生制动的设计实例，在电流控制方式（CCC）的基础上，解决了位置检测、优化控制以及系统保护等问题。
2 SRM的再生制动分析
2.1 SRM再生制动原理
在线性化模型的基础上可以得到相绕组电感Lk、相电流ik随定转子相对位置q 的变化规律（图1）和SRM的相绕组电压平衡方程和机电磁转矩表达式[1, 5]
由式(2)可以看出，控制qon和qoff，使ik主要出现在电感上升阶段或电感下降阶段，便可以控制转矩的大小和方向，实现电动和制动状态。
2.2 SRM再生制动过程分析
（1）磁链分析
文献[1]推导了SRM通电期间(qon, qoff)以及断电后(qoff, 2qoff-qon)的磁链方程
可以看出速度w很低时，如果绕组两端加额定电压，可能引起过大的磁链，继而引起过大的冲击电流而损坏电机和传动机构。启动瞬间w＝0，正转－反转过程中w也将通过零点，必须对Vk和ik加以限制。
2）电流波形分析
变换公式(1)可以得到
2.1 SRM再生制动原理
在线性化模型的基础上可以得到相绕组电感Lk、相电流ik随定转子相对位置q 的变化规律（图1）和SRM的相绕组电压平衡方程和机电磁转矩表达式[1, 5]
由式(2)可以看出，控制qon和qoff，使ik主要出现在电感上升阶段或电感下降阶段，便可以控制转矩的大小和方向，实现电动和制动状态。
2.2 SRM再生制动过程分析
（1）磁链分析
文献[1]推导了SRM通电期间(qon, qoff)以及断电后(qoff, 2qoff-qon)的磁链方程
可以看出速度w很低时，如果绕组两端加额定电压，可能引起过大的磁链，继而引起过大的冲击电流而损坏电机和传动机构。启动瞬间w＝0，正转－反转过程中w也将通过零点，必须对Vk和ik加以限制。
2）电流波形分析
变换公式(1)可以得到
图1据此绘出了一般情况下ik(q)的变化规律曲线（粗实线表示）。
都为正值时可以解释为，吸收电能为增加的磁场储能与输出的机械能之和，都为负值时可以解释为，回馈电能为减少的磁场储能与吸收的机械能之和。
利用式(3)~式(6)可以分析再生制动各阶段的电流变化和能量转化：
但正转－反转过程中，这一位置检测机制将出现问题：假设现在导通的是AB相，发出正转－反转指令后，为产生制动转矩，根据图2可以判断初始位置应导通CD相（电感下降）。以后控制器如果按照反向触发逻辑，将会顺次触发CD→BC→AB→DA。然而，由于电机转向不能突变，为保证始终产生制动转矩，应触发的顺序是CD→AD→AB→BC，这就是正转－反转过程中的位置检测问题。
为此，做如下处理：发出正转－反转指令后，不立刻改变转向标志D为1（正转），而是设置反向启动标志F为1（表示要对触发相进行调整，AB（电动）→CD（制动）, BC→AD, CD→BC, DA→BC）；同时检测转速，
后设置低速标志L为1（表示低速时不再根据捕获中断的发生依次触发各相，而是直接根据位置传感器的信号和转向标志位D决定触发相）、改变转向标志D=0（反转）并复位反向启动标志F。这样无论高速、低速，无论电动、制动都可以获得准确的位置信息。
（2）控制方式
三个控制参数中，qon、qoff对电流波形有重要影响，但APC方式工程实现比较复杂，本系统电动时采用转速闭环和电压PWM斩波控制[9]。再生制动过程中切除转速闭环，改用瞬时电流跟踪控制控制相电流，同时采用模糊角度补偿控制改善相电流波形（图3）。
SRM是一个非线性、变参数、变结构系统，PID控制难以获得理想的瞬时电流[10]，本系统采用瞬时电流跟踪控制，根据当前周期参考电流与采样电流偏差开关主开关。其中电流给定值根据主开关和电机的电流定额由软件给定，反馈值由霍尔电流传感器采样得到。
模糊角度补偿即优化固定qoff，采取模糊控制方法来调节qon。二输入一阶模糊控制器输入为SRM速度w和平均电流I，输出为Dqon。模糊控制器实时对Dqon进行调整，
确定，其中
如图2所示。模糊控制规则可以在DSP上很方便地进行编程实现，不需要建立模糊查询表。
为此，做如下处理：发出正转－反转指令后，不立刻改变转向标志D为1（正转），而是设置反向启动标志F为1（表示要对触发相进行调整，AB（电动）→CD（制动）, BC→AD, CD→BC, DA→BC）；同时检测转速，
后设置低速标志L为1（表示低速时不再根据捕获中断的发生依次触发各相，而是直接根据位置传感器的信号和转向标志位D决定触发相）、改变转向标志D=0（反转）并复位反向启动标志F。这样无论高速、低速，无论电动、制动都可以获得准确的位置信息。（2）控制方式
三个控制参数中，qon、qoff对电流波形有重要影响，但APC方式工程实现比较复杂，本系统电动时采用转速闭环和电压PWM斩波控制[9]。再生制动过程中切除转速闭环，改用瞬时电流跟踪控制控制相电流，同时采用模糊角度补偿控制改善相电流波形（图3）。
SRM是一个非线性、变参数、变结构系统，PID控制难以获得理想的瞬时电流[10]，本系统采用瞬时电流跟踪控制，根据当前周期参考电流与采样电流偏差开关主开关。其中电流给定值根据主开关和电机的电流定额由软件给定，反馈值由霍尔电流传感器采样得到。
模糊角度补偿即优化固定qoff，采取模糊控制方法来调节qon。二输入一阶模糊控制器输入为SRM速度w和平均电流I，输出为Dqon。模糊控制器实时对Dqon进行调整，
确定，其中如图2所示。模糊控制规则可以在DSP上很方便地进行编程实现，不需要建立模糊查询表。入机械能，转化为绕组储能。
阶段主开关导通，绕组电压为 
，电机吸收电能，属励磁建流阶段（其中 
阶段是主要的励磁阶段）。 t0-t1阶段产生电动转矩，由于电流较小，电动转矩并不大，而这一阶段可以提高对应 t3时刻的电流 ic，对于建立励磁电流却是相当有益的。
阶段主开关器件关断，绕组电压为 
，回馈电能，属发电阶段（其中 
阶段是主要的发电阶段）。
根据以上分析容易得到如下结论：
① 提高再生制动能力和效率的关键是得到理想的电流波形，提高t3时刻的电流ic对于提高再生制动能力和效率有大的影响。
② t3-t5阶段必须施加-Vk，否则电流将继续升高，可能延续到电感上升阶段，产生电动转矩，影响SRM的再生制动效率，严重的甚至使制动失败；即使施加-Vk，高速阶段也不能保证电流下降，因此必须采用合理的控制方案和采取一定的保护措施。
③ 再生制动阶段有三个控制参数：qon、qoff和Vk。SRM再生制动的控制可以采用控qon、qoff的角度位置控制(APC)方式，也可采用调节斩波电流幅值ichop的电流跟踪控制（CCC）或调节Vk的电压斩波控制（PWM）。
阶段主开关导通，绕组电压为 ，电机吸收电能，属励磁建流阶段（其中 阶段是主要的励磁阶段）。 t0-t1阶段产生电动转矩，由于电流较小，电动转矩并不大，而这一阶段可以提高对应 t3时刻的电流 ic，对于建立励磁电流却是相当有益的。 阶段主开关器件关断，绕组电压为 ，回馈电能，属发电阶段（其中 阶段是主要的发电阶段）。根据以上分析容易得到如下结论：
① 提高再生制动能力和效率的关键是得到理想的电流波形，提高t3时刻的电流ic对于提高再生制动能力和效率有大的影响。
② t3-t5阶段必须施加-Vk，否则电流将继续升高，可能延续到电感上升阶段，产生电动转矩，影响SRM的再生制动效率，严重的甚至使制动失败；即使施加-Vk，高速阶段也不能保证电流下降，因此必须采用合理的控制方案和采取一定的保护措施。
③ 再生制动阶段有三个控制参数：qon、qoff和Vk。SRM再生制动的控制可以采用控qon、qoff的角度位置控制(APC)方式，也可采用调节斩波电流幅值ichop的电流跟踪控制（CCC）或调节Vk的电压斩波控制（PWM）。
3 3kW开关磁阻电机再生制动设计
3.1 再生制动设计方案
试验样机四相8/6极SRM，基本参数如下：Pe=3kW，Ue=260V，Ne=1500r/min，调速范围：70~2000r/min。控制器采用DSP芯片TMS320F240，不仅简化了硬件设计，提高了控制算法设计的灵活性、系统的性能和稳定性，也使得一些先进的控制算法得以在线实现。
（1）正转－反转过程中的位置检测问题
本系统采用两相斩波功率变换器，位置检测方案如下：TMS320F240的2个捕获单元相继捕获位置传感产生的两路正交编码脉冲，即产生4种位置信号（图2中G01、G02代表SRM的4个绕组与转子的相对位置）。捕获中断程序据此判断初始位置和初始导通相，以后控制器根据转向标志D（正转/反转），在收到捕获中断信号后依次触发各相，正转通电顺序为DA→AB→BC→CD，反转通电顺序为DA←AB←BC←CD。这样可以节省捕获采样时间，适应电机高速运转的要求。
3）保护措施
再生制动过程中t3-t5阶段能量回馈电源，为避免母线过电压，主电路增加了电压采样和V5、D5和R组成的泄流回路，如图4所示。电压传感器采样母线电压后送到DSP的A/D口，DSP一旦发现母线过电压，即关闭V1-V4，并施加反压-Vk，同时开通泄流回路。
为避免速度过零时产生过电流，正转－反转过程中的低速阶段采用“软启动”方式，占空比由软件给定，逐步增加和减少 ，同时增加了必要的过电流保护。
图4中，EC为整流电路输出的直流电源电压，电容C1为滤波电容，同时还有吸收SRM换相时回溃能量的作用，A、B、C、D为SRM四相绕组，V1~V5为IPM功率器件，D1~D5为快恢复续流二极管，R为功率电阻。
3.2 试验结果
负载试验以1台3kW它励直流电动机与SRM连接,直流电动机的电动转矩作为SRM的负载转矩,通过改变串入直流电动机电枢中的电阻阻值大小改变直流电动机的机械特性。
负载试验以1台3kW它励直流电动机与SRM连接,直流电动机的电动转矩作为SRM的负载转矩,通过改变串入直流电动机电枢中的电阻阻值大小改变直流电动机的机械特性。
图5、6为负载电流8A、 
时正向启动、再生制动和反向启动三个阶段的相电流、母线电压和转速变化曲线。图5中间为制动阶段波形，可以看出制动阶段母线电压稳定，相电流出现尖峰，从波形放大图中可以看出比较理想。图6中纵轴稳定值和中间线分别代表± 
和 
。试验表明，1-2s内可实现反向启动，转速超调不超过3%。
时正向启动、再生制动和反向启动三个阶段的相电流、母线电压和转速变化曲线。图5中间为制动阶段波形，可以看出制动阶段母线电压稳定，相电流出现尖峰，从波形放大图中可以看出比较理想。图6中纵轴稳定值和中间线分别代表± 和 。试验表明，1-2s内可实现反向启动，转速超调不超过3%。4 结论
理论和实践表明在电流控制的基础上，中小功率SRM具有良好的制动效果，可以方便的实现四象限运行，这对降低中小功率系统成本、提高系统性能/价格比和中小功率驱动系统的再生制动设计，具有一定参考价值。
理论和实践表明在电流控制的基础上，中小功率SRM具有良好的制动效果，可以方便的实现四象限运行，这对降低中小功率系统成本、提高系统性能/价格比和中小功率驱动系统的再生制动设计，具有一定参考价值。