这一专栏将介绍开关磁阻电机的控制策略与各类优化电机控制性能的方法，为接下来的课题研究提供参考。本文将介绍直接瞬时转矩控制。
参考文献1、10、12、13
概述
直接瞬时转矩控制(Direct Instantaneous Torque Control, DITC)根据电流与位置信息来估算得到瞬时转矩，然后再将估算转矩与参考转矩之间的转矩误差值送入滞环控制器中，最后结合转子位置角与导通角来划分不同的导通区域，来实现对各相转矩的控制。
图1
直接瞬时转矩控制
直接瞬时转矩控制可以通过参考转矩与估算转矩的差值和转子位置角来实现对功率变换器的直接控制。
和直接转矩控制一样，电机每相对应的功率变换器有三种状态，用“1”、“0”、“-1”表示，参考开关磁阻电机控制策略综述02-直接转矩控制。
转矩估计单元通过查表的方式得到各相转矩的估计值，为此需要得到转矩-电流-转子位置关系表\(T(i,\theta)\)。
传统DITC控制
与直接转矩控制不同，直接瞬时转矩控制没有空间矢量的概念，而是通过一定的规则直接对各相对应的功率变换器件加以控制，进而实现对转矩的滞环控制。
区域划分
开关磁阻电机通过按照一定次序导通与关断各相的方式实现对电机的控制，在同一时刻内会有一相或两相处于导通状态，其余相处于关断状态。
图2 直接瞬时转矩控制的区间划分
如下图所示，一相绕组处于导通状态的区域被称作单相导通区（Single-phase
Conduction
region,SpC），两相绕组处于导通状态的区域被称作两相交换区（Two-phase
Exchange region,TpE），也被称作换向区。
图中展示了从C相单相导通到两相同时导通，再到A相单相导通的过程。首先是C相的单相导通区，此时C相电感具有较大的斜率，C相提供全部的电磁转矩。
随后将A相导通，进入两相交换区，该区域内C相（前一相）电流下降，被称作退磁相，A相（后一相）电流上升，被称作励磁相。两相交换区的起点对应励磁相的开通角\(\theta_{onA}\)，终点对应退磁相的关断角\(\theta_{offC}\)。
该区域内C相电感斜率开始下降，C相电流产生的电磁转矩也随之下降，但依旧能产生较大的电磁转矩，而A相刚刚导通，电感变化率较小，产生的电磁转矩较小。这是采用传统TSF或CCC策略时换相前期总转矩偏小的原因。
在两相交换区之后C相关断，电流迅速下降（电流下降速度与转速、负载转矩、电机电感特性相关），但仍然会产生一定量的转矩，这就是采用传统TSF或CCC策略时换相后期总转矩偏大的原因。通常要求在转子位置角度为转子电周期一半之前（也就是定转子对齐的位置）使得电流降至零，否则会产生负转矩，影响电机性能。与此同时，A相电感斜率开始上升，A相电流产生的电磁转矩也随之上升，C相电流降至零后，A相提供全部电磁转矩。
两相交换区结束后进入励磁相A相的单相导通区，此时A相电流提供全部的电磁转矩。
滞环规则
传统DITC控制方法通过利用转矩误差与各相的滞环控制器来输出各相的开关信号。
转矩误差\(\Delta
T=T_{ref}-T\)，其中\(T_{ref}\)为目标转矩，\(T\)为实际测得转矩。
显然\(\Delta
T>0\)时实际转矩小于目标转矩，\(\Delta T<0\)时实际转矩大于目标转矩。
（1）单相导通区域内时，为达到转矩平滑减小的目的，需要小幅度减小转矩时应尽量施加零电压使相绕组工作于续流状态“S=0”，避免施加反向电压使相绕组工作于退磁状态“S=-1”。
图3
单相导通区滞环规则
单相导通区域的滞环规则如上图所示，\(\Delta
T>\Delta
T_{min}\)时，实际转矩小于目标转矩，功率变换器工作在励磁状态，相绕组施加正向电压，进而使相电流迅速上升，转矩快速上升，直到\(\Delta T=-\Delta
T_{min}\)，此时实际转矩略大于目标转矩，功率变换器进入续流状态，相电流通过开关管、二极管续流，转矩缓慢减小。若转矩上升过快，使得\(\Delta T<-\Delta
T_{max}\)，则功率变换器进入退磁状态，相绕组施加负向电压，使相电流迅速降低，电机相转矩迅速减小。
\(\Delta
T\)随实际转矩的减小而增大，\(\Delta T
\in (-\Delta T_{min},\Delta
T_{min})\)区域时，功率变换器进入续流状态，减缓转矩减小程度，\(\Delta T>\Delta
T_{min}\)时功率变换器进入励磁状态，转矩回升。
两相交换区退磁相尽量使相绕组工作于续流状态“S=0”，目的是使退磁相实现在“S=1”状态与“S=-1”状态之间平滑切换而避免出现剧烈的转矩波动。
此外，为避免开关管同时动作导致的转矩脉动与功率损耗，尽量不在同一时刻切换两相绕组工作状态。
图4
两相交换区滞环规则
两相交换区域的滞环规则如上图所示，转子位置达到励磁相开通角时，励磁相进入励磁状态，电流迅速上升，转矩迅速增加，假设退磁相也处于励磁状态，则电机的总转矩最终会大于目标转矩。若\(\Delta T \in (-\Delta
T_{min},0)\)，则退磁相进入续流状态，使退磁相电流与总转矩减小，励磁相保持励磁状态不变；若总转矩过大，使得\(\Delta T \in (-\Delta T_{max},-\Delta
T_{min})\)，则励磁相进入续流状态，退磁相保持续流状态不变；若总转矩仍过大，使得\(\Delta T < -\Delta
T_{max}\)，则退磁相进入退磁状态，退磁相电流与总转矩迅速减小，励磁相保持续流状态不变。
\(\Delta
T\)随实际转矩的减小而增大，增大至\(\Delta T \in (0,\Delta
T_{min})\)区域时，退磁相进入续流状态，减缓转矩的减小，若\(\Delta T \in (\Delta T_{min},\Delta
T_{max})\)，励磁相进入励磁状态，退磁相保持续流状态不变；若总转矩仍过小，使得\(\Delta T > \Delta
T_{max}\)，退磁相进入励磁状态，转矩回升。
改进DITC控制
按照电感变化率对两相交换区进行划分
在两相交换区前半段(TpE1)，励磁相（B相）的电感变化率\(\partial L/\partial \theta\)很小，电流较小，退磁相（A相）的电感变化率较大，电流较大，这使得TpE1阶段的总转矩主要由退磁相提供。而在两相交换区后半段(TpE2)，励磁相的电感变化率\(\partial L/\partial \theta\)变大，电流较大，退磁相的电感变化率变小，电流较小，这使得TpE2阶段的总转矩主要由励磁相提供。
TpE1与TpE2的分界点为\(\theta_u\)为电感出现明显变化的点。
图5 按照电感变化率对两相交换区进行划分
图6 两相交换区TpE1与TpE2滞环规则
TpE1阶段励磁相提供的转矩较小，并处于上升趋势，因此一直保持在导通状态，退磁相滞环规则类似与传统滞环。
TpE2阶段退磁相的转矩较小，且处于不断下降的趋势，因此控制在续流和关断状态，励磁相提供的转矩较大，其滞环规则与TpE的退磁相相同。
该改进DITC控制策略的一个重要问题就是如何确定\(\theta_u\)的大小，\(\theta_u\)是电感变化率较小与较大的分界点，也就是产生转矩能力较小与较大的分界点。在线性模型中，可以很容易地观察到这个突变点。
而实际开关磁阻电机电感特性都是非线性的，也就是说电感变化率的变化是连续的，虽然可以明显看出来前期变化率较小，后期变化率较大，但之间的分界线并不清晰。
将两相交换区与单相导通区均划分为两部分
对于DITC控制策略的改进，大多数论文采取了上一小节所述的方案，将两相导通区间按照电感变化率分为前后两个部分，下面展示的是另一个改进方案，该方案在对于两相交换区的改进与上一方案类似，不同之处在于将单相导通区也划分为两个部分。
图7 新型DITC控制策略区域划分
图8
新型DITC控制策略
新型DITC控制策略将相绕组导通区间分成了四个部分，其中前两个部分对应两相导通区，后两个部分对应单相导通区。
区域Ⅰ的励磁相电感变化率很小（接近于零），退磁相电感变化率较大。因此这一阶段电机转矩主要由退磁相提供，励磁相主要目标是将电流快速提高至稳定值。
此时退磁相靠内滞环进行调整，工作在导通或续流状态。励磁相原则上工作在导通状态，尽快提高电流，只有当总转矩过大时（ΔT<-ΔTH）才会进入续流状态。（什么叫做“原则上”，就是假设转矩差ΔT一直在内滞环范围之内波动）
区域Ⅱ是两相换相区后半部分，此时励磁相电感变化率开始变大，电流达到接近稳定值，能够产生一定量的转矩。退磁相电感变化率减小，产生转矩能力下降。
此时励磁相靠内滞环进行调整，工作在导通或续流状态。退磁相原则上工作在续流状态，只有当转矩过大或过小时才会进入关断或导通状态。（区域Ⅱ的滞环策略与传统DITC两相交换区滞环策略相同）。
两相交换区滞环策略中可以看到，当某一相绕组靠内滞环进行调整时，该相就是决定总转矩大小的能力较高的一相。
注意这里说的时“决定总转矩大小的能力较高的一相”，而不是“转矩较高的一相”，所谓决定总转矩大小的能力，就是指转矩变化速度的快慢，或者说单位时间内转矩变化量的大小。
就好比两个人，一个人有100块钱，今天赚了100块钱；另一个人有1000块钱，今天赔了10块钱。二人的总金额由1100变化到1190，总体上还是赚的。并不是因为钱多的人赔钱了而认为总金额减小。
回归正题，论文中将\(|\frac{dT_A}{d\theta}|=|\frac{dT_B}{d\theta}|\)时刻的转子位置作为区域Ⅰ与区域Ⅱ的分界点\(\theta_m\)
公式中A相是退磁相，其变化率为负数，变化率绝对值先大后小；B是励磁相，变化率是正数，变化率绝对值先小后大。
在区域Ⅰ，有\(|\frac{dT_A}{d\theta}|>|\frac{dT_B}{d\theta}|\)，这时退磁相转矩的减少量大于励磁相转矩的增加量，使得总转矩偏小，\(\Delta T_{est}<0\)。
同理，区域Ⅱ\(|\frac{dT_A}{d\theta}|<|\frac{dT_B}{d\theta}|\)，\(\Delta T_{est}>0\)。
区域Ⅲ和区域Ⅳ以定转子对齐位置为界，也就是产生正转矩与负转矩的交界处。
区域Ⅲ的退磁相电流持续下降（下降速度取决于转速与负载转矩）。励磁相电感变化率达到最大值。退磁相原则上处于关断状态，只有当总转矩过小时（ΔT>ΔTH）才会进入续流状态，减缓退磁相转矩的过度下降。励磁相靠内滞环进行调整。
区域Ⅳ退磁相电流已经完全降至零，一直处于关断状态。励磁相靠内滞环进行调整，只有当总转矩过大时（ΔT<-ΔTH），才会进入关断状态。
参考资料
- 曹文盛．减小转矩脉动的永磁辅助开关磁阻电机控制方法研究[D]．江西理工大学，2023．
- 蔡燕，居春雷，王浩楠，等．开关磁阻电机的新型直接瞬时转矩控制方法及其高效率运行[J]．电工技术学报，2022，37(18)：4625-4637．