Привод с управлением по производительности для ступенчатого релук­тансного мотора с мультипортовым каскадным преобразователем и усовершенствованной схемой прямого управления крутящим моментом

Почему важны более плавные электроприводы

По мере того как электромобили становятся повсеместными, водители ожидают от них не только экологичности и эффективности, но и тишины, плавности хода и надёжности. Перспективным типом двигателя для таких автомобилей является ступенчатый релук­тансный мотор: он надёжен, недорог и не требует редкоземельных магнитов. Однако у этих моторов могут возникать рывки крутящего момента и повышенная вибрация, что ухудшает комфорт и увеличивает нагрузку на механические узлы. В этой работе предложен новый подход к питанию и управлению такими моторами, который делает их работу более плавной, снижает потери энергии и лучше подходит для тяжёлых тяговых задач в автомобилях.

Другой тип электрического мотора

Исследование сосредоточено на ступенчатых релук­тансных моторах, которые по внутреннему устройству существенно отличаются от более привычных машин с постоянными магнитами. Вместо магнитов на роторе эти моторы опираются на тенденцию ротора занимать положение с более лёгким магнитным путём — области с большей индуктивностью. Путём последовательного включения и отключения тока в нескольких обмотках статора контроллер «тащит» ротор и создаёт крутящий момент. Такая конструкция прочна, проста и дёшева в производстве и не зависит от редкоземельных материалов. В то же время быстрое включение/выключение и выраженная нелинейность магнитных характеристик мотора могут вызывать значительные пульсации крутящего момента и тока, приводящие к шуму, вибрациям и ускоренному износу в электромобилях.

Новый «мост» питания для мотора

Чтобы сгладить эти проблемы, авторы переработали силовую часть, которая соединяет батарею с мотором. Вместо традиционного двуровневого преобразователя, который резко применяет либо полное напряжение, либо ноль к каждой фазе, предложен модульный мультипортовый каскадный преобразователь, составленный из наслоенных субмодулей на фазу. Теперь каждая фаза может получать несколько промежуточных уровней напряжения, а не только «вкл/выкл». Такой многоуровневый подход сглаживает форму напряжения, снижает электрические напряжения на ключах и изоляции и уменьшает нежелательные гармоники в токе. Модульная структура также проще в масштабировании и более устойчива к отказам, что важно для критичных с точки зрения безопасности тяговых систем.

Более интеллектуальное управление крутящим моментом в реальном времени

Аппаратная часть сочетается с усовершенствованной схемой прямого управления крутящим моментом, действующей как скоростной диспетчер для силовых ключей. Вместо того чтобы медленно формировать токи через традиционные регуляторы, прямая система управления в реальном времени оценивает магнитный поток и крутящий момент двигателя и выбирает из набора шаблонов напряжения тот, который соответствует направлению и требуемой скорости изменения момента. В работе разработаны подробные математические модели нелинейного поведения мотора и организованы возможные шаблоны напряжения в восемь секторов и восемь векторов. Пользовательская таблица переключений затем в каждый момент выбирает наилучший шаблон из многоуровневого преобразователя, удерживая крутящий момент и поток в узких пределах при минимизации лишних переключений.

От компьютерной модели к ре­альным испытаниям

Команда проверяет предложенный подход в два этапа. Сначала они создают детальную модель в MATLAB/Simulink четырёхфазного 8/6 ступенчатого релук­тансного мотора, управляемого новым преобразователем и схемой управления. Анализируются скорость, крутящий момент и фазные токи при установившемся режиме и при резких изменениях скорости, с последующим сравнением с традиционным преобразователем. Затем строится лабораторный стенд мощностью 2,2 кВт с промышленными силовыми модулями, датчиками и энкодером. Эксперименты включают ровный ход на 1000 об/мин, ступенчатые изменения между 400, 1400 и 2400 об/мин, а также разгоны, торможения и возмущения нагрузки. Во всех тестах новый привод поддерживает скорость с высокой точностью и обеспечивает заметно более чистые формы токов и более плавный крутящий момент.

Что означают улучшения на дороге

В количественных показателях предложенный преобразователь и управление уменьшают пульсации крутящего момента примерно до 41,5% по сравнению с традиционной схемой, снижая значения пульсаций до порядка 16–25% в зависимости от скорости и нагрузки. При этом система демонстрирует более быструю реакцию на изменения требований водителя, ограниченный перерегулирование при изменении скоростей и немного более высокую эффективность, работая на фиксированной и предсказуемой частоте переключения. На практике это значит, что электромобиль с таким приводом сможет разгоняться и замедляться более плавно, генерировать меньше шума и вибраций и испытывать меньшие нагрузки на компоненты. Хотя новое оборудование сложнее и дороже стандартных преобразователей, авторы утверждают, что сочетание надёжности, плавности и точности управления делает его сильным кандидатом для будущих высокопроизводительных тяговых систем.

Цитирование: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Ключевые слова: ступенчатый релук­тансный мотор, приводы для электромобилей, снижение пульсаций крутящего момента, многоуровневый силовой преобразователь, прямое управление крутящим моментом