開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）因其定轉(zhuǎn)子均沒有永磁體、轉(zhuǎn)子上沒有繞組，僅由硅鋼片疊壓，結(jié)構(gòu)簡單堅固；此外，增加SRM相數(shù)能增加轉(zhuǎn)矩密度、減小轉(zhuǎn)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(yīng)用展現(xiàn)出特別的優(yōu)勢，作為船舶、電動車輛、風機和航空航天的驅(qū)動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

在多相開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的不對稱半橋功率變換器中功率開關(guān)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(guān)器件數(shù)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(guān)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(guān)斷角可調(diào)節(jié)范圍大、且易于改變控制參數(shù)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(shù)受限、系統(tǒng)性能下降等缺點。為此國內(nèi)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(guān)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(xiàn)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(guān)管，可以實現(xiàn)中點電壓的有源調(diào)節(jié)，提高了輸出轉(zhuǎn)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(xiàn)換相，提高了系統(tǒng)效率，但是無法實現(xiàn)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(guān)頻率，在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(guān)研究中提出，并描述了各開關(guān)管的通斷邏輯。共上管功率變換器四相拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中兩相繞組與三個開關(guān)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(guān)管連接。與不對稱半橋變換器相比，每兩相減少一個開關(guān)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(chǔ)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(zhuǎn)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(gòu)技術(shù)實現(xiàn)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(xiàn)有文獻并未重點討論控制參數(shù)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(shù)綜合優(yōu)化系統(tǒng)出力和效率；最后研制一臺350W寬轉(zhuǎn)速范圍的高速8/6結(jié)構(gòu)四相開關(guān)磁阻實驗樣機，搭建實驗平臺，通過仿真與實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的正確性。

圖16 開關(guān)磁阻電機實驗平臺實物圖

結(jié)論

本文提出了開關(guān)磁阻電機共上管功率變換器的寬轉(zhuǎn)速安全退磁控制策略研究，對使用該拓撲的偶數(shù)相SR電機控制參數(shù)選取都具有參考意義。首先根據(jù)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(jié)論如下：

• 1）共上管變換器拓撲減少了功率開關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)用。
• 3）通過理論分析并結(jié)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(shù)的合理性。