使用多端口级联变换器和先进直接转矩控制方案的性能驱动开关磁阻电机驱动

更平顺的电驱为什么重要

随着电动汽车变得越来越普及，驾驶者期望它们不仅环保高效，还要安静、平顺且可靠。开关磁阻电机是未来电动汽车的一种有前景的电机类型，它结构坚固、成本低且不依赖稀土磁材。然而，这类电机可能出现转矩突变并带来额外振动，降低乘坐舒适性并加剧机械部件磨损。本文提出了一种新的供电与控制方法，使此类电机运行更平顺、能耗更低，并更适合汽车牵引等高负荷任务。

另一种类型的电机

研究聚焦于开关磁阻电机，其内部结构与更常见的永磁电机有显著差异。此类电机不是依靠转子上的磁铁，而是利用转子倾向于移动到磁路阻抗较低、即电感较高的区域的特性。通过按顺序对多个定子绕组进行通断开关，控制器牵引转子旋转并产生转矩。该设计坚固、简单且制造成本低，同时避免了对稀土材料的依赖。然而，快速的通断开关和电机强烈的非线性磁学特性会产生较大的转矩与电流波动，从而引起噪声、振动并增加电动汽车的额外磨损。

为电机设计的新型功率“桥”

为了解决这些问题，作者重新设计了将电池与电机连接的电子功率级。与传统的两电平变换器不同，后者对每相要么施加全电压要么为零，文中提出了由每相堆叠子模块组成的模块化多端口级联变换器。每相现在可以呈现多个中间电压等级，而不只是开与关。该多电平方法平滑了电压波形，降低了开关和绝缘的电应力，并减少电流中的不必要谐波。模块化结构也更易扩展并对故障更具容错性，这对安全关键的牵引系统尤为重要。

更智能的实时转矩控制

该硬件与一种增强的直接转矩控制方案配合工作，类似于对功率开关进行高速指挥的交通指挥官。直接转矩控制不是通过传统的反馈回路慢速塑形电流，而是在实时估算电机的磁通和转矩的基础上，从一组电压模式中选择适当模式，依照转矩需要变化的方向和幅度进行切换。在这项工作中，作者建立了电机非线性行为的详细数学模型，并将可能的电压模式组织为八个区段和八个向量。一个定制的开关表在每一时刻从多电平变换器中选出最佳模式，使转矩和磁通维持在窄带内并尽量减少不必要的开关动作。

从计算机模型到实际试验台

团队分两阶段验证了他们的方法。首先，他们在 MATLAB/Simulink 中构建了由新型变换器和控制方案驱动的四相 8/6 开关磁阻电机的详细仿真。研究内容包括稳态运行与快速转速变化下的转速、转矩和相电流，并将结果与传统变换器进行比较。随后他们搭建了一个额定功率 2.2 千瓦的实验台，使用工业电力模块、传感器和编码器。实验包括在 1000 转/分的定速巡航、在 400、1400 与 2400 转/分之间的阶跃变化，以及加速、制动和载荷干扰。在这些测试中，新型驱动在保持精确转速的同时产生了明显更干净的电流波形和更平顺的转矩。

这些改进在道路上的意义

定量地说，与传统设计相比，所提出的变换器与控制将转矩波动减少了约最多 41.5%，将波动值降低到大约 16–25%，具体取决于速度与负载。同时，该系统对驾驶员需求变化的响应更快，速度调整时超调较小，并在固定且可预测的开关频率下表现出略优的效率。通俗地说，装备此类驱动的电动汽车可以实现更平顺的加速与减速，产生更少的噪声与振动，并减少对部件的应力。尽管新硬件比标准变换器更复杂且成本更高，作者认为其在鲁棒性、平顺性和控制精度方面的组合使其成为未来高性能电动牵引系统的有力候选。

引用: 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

关键词: 开关磁阻电机, 电动汽车驱动, 转矩波动减少, 多电平功率变换器, 直接转矩控制