開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）因其定轉子均沒有永磁體、轉子上沒有繞組，僅由硅鋼片疊壓，結構簡單堅固；此外，增加SRM相數能增加轉矩密度、減小轉矩脈動和增強容錯性能，因此多相SRM在高速運行場合和極端環(huán)境下的應用展現出特別的優(yōu)勢，作為船舶、電動車輛、風機和航空航天的驅動系統(tǒng)得到廣泛應用。

在多相開關磁阻電機驅動系統(tǒng)中，常用的不對稱半橋功率變換器中功率開關器件較多，大大制約了系統(tǒng)的性價比提升；為減少功率開關器件數量、降低系統(tǒng)成本，多種改進型功率變換器拓撲被提出，如C-dump式、裂相式、公共開關式、雙繞組式、電阻耗能式等。

與不對稱半橋變換器各相控制獨立、開通角和關斷角可調節(jié)范圍大、且易于改變控制參數等特點相比，改進型功率變換器拓撲主要存在相間耦合、控制參數受限、系統(tǒng)性能下降等缺點。為此國內外學者針對改進型功率變換器拓撲提高系統(tǒng)性能的控制策略展開了相關研究。

• 有學者分析了去除傳統(tǒng)裂相式功率變換器中點電容后的控制策略，在任意時刻必須保證上、下橋臂同時有一相開通，依賴繞組自身的儲能實現換相，在半周期導通控制模式下相間耦合嚴重，使得系統(tǒng)效率整體偏低。
• 有學者提出了N+2型功率變換器拓撲，通過在無中點電容裂相式拓撲中點引入兩個開關管，可以實現中點電壓的有源調節(jié)，提高了輸出轉矩和故障運行能力。
• 有學者提出的高效C-dump功率變換器與傳統(tǒng)C-dump相比，電容耐壓值減小并簡化了控制方法，利用繞組的儲能實現換相，提高了系統(tǒng)效率，但是無法實現能量回饋。
• 有學者進一步改進了C-dump拓撲，將電源與電容串聯(lián)，減少電池的充放電頻率，尤其在低速時大大減少了開關頻率，在寬轉速范圍內提高了系統(tǒng)效率。

本文研究的n+1共上管功率變換器拓撲最早在相關研究中提出，并描述了各開關管的通斷邏輯。共上管功率變換器四相拓撲結構如圖1所示，圖中兩相繞組與三個開關管連接，共上管同時連接兩相繞組的一端，繞組另一端分別與一個下開關管連接。與不對稱半橋變換器相比，每兩相減少一個開關管和一個二極管，繼承了不對稱半橋主電路相間隔離的優(yōu)越性，但是由于公共上管的存在，給繞組的安全退磁帶來難度。

有學者在共上管功率變換器拓撲基礎上通過增加升壓電路加快相繞組的勵磁和退磁，提升電機輸出轉矩和系統(tǒng)效率，同時也增加了主電路復雜性。有學者針對共上管變換器，僅檢測母線電流并通過相電流重構技術實現各相電流檢測，進一步降低了系統(tǒng)成本。

圖1 四相2(n+1)共上管功率變換器拓撲

現有文獻并未重點討論控制參數對共上管變換器的性能影響。本文首先分析該變換器的工作模態(tài)；為確保系統(tǒng)在寬轉速范圍內高效可靠的運行，推導基于安全退磁的控制角度的約束條件，并通過分析控制角度參數綜合優(yōu)化系統(tǒng)出力和效率；最后研制一臺350W寬轉速范圍的高速8/6結構四相開關磁阻實驗樣機，搭建實驗平臺，通過仿真與實驗結果驗證了所提控制策略的正確性。

圖16 開關磁阻電機實驗平臺實物圖

結論

本文提出了開關磁阻電機共上管功率變換器的寬轉速安全退磁控制策略研究，對使用該拓撲的偶數相SR電機控制參數選取都具有參考意義。首先根據變換器的工作模態(tài)，分析了導通寬度對安全退磁的影響；然后，基于分段線性電感模型，推導了在不同工作模式下安全退磁的導通寬度條件；最后通過仿真進一步對控制角度進行優(yōu)化，并通過實驗驗證了本文所提出的方法的可靠性。得到結論如下：

• 1）共上管變換器拓撲減少了功率開關器件，簡化了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)成本。
• 2）相比不對稱半橋變換器，控制策略上需考慮換相時間增加帶來的不利影響，由于導通寬度的減小會使SRM轉矩脈動有所增加，使共上管變換器拓撲更適于在料理機、洗衣機等考慮成本、對振動和噪聲要求較低的中小功率等級電器中應用。
• 3）通過理論分析并結合仿真和實驗驗證了基于共上管變換器的SRM在CCC和APC模式下安全退磁的角度優(yōu)化控制參數的合理性。