基于Simplorer與Ansoft Maxwell的SRD系統(tǒng)聯(lián)合仿真

薛嬌

摘要：開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive，SRD）是機電一體化的新型電機系統(tǒng)，在現(xiàn)代電力電子、電磁分析手段及機械工藝等的長足發(fā)展下，SRD的應(yīng)用變得十分廣泛。因磁場分布復(fù)雜，所以建立SRD的數(shù)學(xué)模型比較困難。本文將借助于運用Ansoft Maxwell搭建SRD的本體模型，運用Simplorer搭建SRD的控制電路模型，并將兩者進行同步聯(lián)合仿真，同步分析電機本體、外電路的數(shù)據(jù)，為SRD系統(tǒng)提供有效的參考。

關(guān)鍵詞：SRD系統(tǒng) 仿真 Simplorer

1 概述

開關(guān)磁阻電機是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速電機，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計和制作技術(shù)為一體的光、機、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速電機的優(yōu)點。SRD一般用于牽引中，高速性能是SRD的一個特長的方向。近年來隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價格的數(shù)字信號處理芯片（DSP）的出現(xiàn)，利用高性能DSP開發(fā)各種復(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù)，無需附加外部硬件電路，大大提高了開關(guān)磁阻電機檢測的可靠性和適用性，必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性。

電機系統(tǒng)的開發(fā)是一項復(fù)雜的工程，若方法不當(dāng)勢必會耗時耗力，借助于Ansoft Maxwell、Simplore可分別實現(xiàn)電機本體、控制電路的仿真模型的建立，并且兩者可以實現(xiàn)聯(lián)合仿真功能，參數(shù)修改方便，結(jié)果經(jīng)實踐驗證是比較可靠的，這為電機系統(tǒng)的開發(fā)提供了很好的仿真工具，可以為廣大的工程技術(shù)人員所借鑒。

2 開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)特點

圖1所示的為單相開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)，其定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，定子繞組為集中繞組。可以看出該類電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)迅速，無電刷和換向器，控制參數(shù)多、方式靈活等其他電機無法比擬的優(yōu)點；適用于需要頻繁調(diào)速和起動停止的場合[1][2]。

3 SRD的特點及仿真實現(xiàn)

開關(guān)磁阻電機是典型的雙凸極電機，其工作原理遵循磁阻最小的原理而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，所以繞組中的電流方向沒有特別的要求，并且電機的各項集中繞組是獨立的，也就是說各相的磁路相互獨立，沒有互感的影響，所以可以通過控制加到開關(guān)磁阻電機繞組中電流脈沖的幅值、寬度（即電流斬波控制，簡稱CCC）及其與轉(zhuǎn)子的相對位置（即控制開關(guān)的導(dǎo)通角、關(guān)斷角的角度位置控制，簡稱APC），即可控制開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是開關(guān)磁阻電機調(diào)速控制的基本原理。圖1所示電機模型的控制電路如圖2所示。

Simplorer是一款多域系統(tǒng)仿真軟件。它可用于高性能系統(tǒng)的設(shè)計、建模、分析和優(yōu)化，諸如電氣、機電等常見的復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。它提供了一系列建模技術(shù)、分析手段和后處理途徑。這使得工程師籍此可以研究系統(tǒng)的功能、性能和確定整個的設(shè)計方案。借鑒Simplorer的仿真結(jié)果可以有效的壓縮開發(fā)時間和成本，對提高系統(tǒng)可靠性和優(yōu)化系統(tǒng)性能提供很好的幫助[3][4]。

為實現(xiàn)SRD的仿真模型的建立，首先利用Ansoft Maxwell搭建了圖1所示電機的本體模型，定義、添加材料參數(shù)，并依圖1所示定義繞組中電流的參考方向；然后通過Simplorer中的Simplorer Circuit菜單下的SbuCircuit-Maxwell Component-Add Transient Cosimulation選項將電機本體模型添加至Simplorer環(huán)境下；最后，在Simplorer界面中運Simplorer所提供的模塊建立SRD模型。

為簡化系統(tǒng)的設(shè)計主要采用了Equation Block（算式模塊）、Comparator（比較器）、Hyperbolic Function（曲線函數(shù)）三個模塊，如圖3所示。Equation Block用以讀取電機的轉(zhuǎn)子位置角，充當(dāng)傳感器的作用；Comparator用以比較實際轉(zhuǎn)子位置角、繞組電流與給定的轉(zhuǎn)子位置角、繞組電流，通過比較后輸出控制數(shù)字信號；Hyperbolic Function用以定義晶閘管、二極管等的工作特性曲線，已達到貼近實際器件的工作特性。

4 仿真分析結(jié)果

在Simplorer中完成外電路設(shè)置后，需要像在Ansoft Maxwell環(huán)境下一樣設(shè)置仿真步長等參數(shù)，在設(shè)置運算步長時要根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速來確定，一般在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過1°計算一次。

電機模型參數(shù)：軸向長度為60mm，定子外徑為90mm，內(nèi)徑為54mm，氣隙為0.5mm，定子極弧為26.8mm，轉(zhuǎn)子極弧為32.6mm，繞組匝數(shù)為40。

為了驗證仿真模型的效果，將同時進行CCC與APC兩種控制方式。仿真設(shè)置為開關(guān)區(qū)間為10°～89°，電流斬波值為12A，在此控制條件下當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/m時，在Ansoft Maxwell環(huán)境下可以得到電機的轉(zhuǎn)矩曲線、繞組電流曲線分別如圖4、5所示。同時，可以在Simplorer環(huán)境下查看外電路的結(jié)果曲線，如在一個周期下繞組A的續(xù)流二極管的續(xù)流結(jié)果如圖6所示。

除了查看結(jié)果曲線外還可以通過查看不同時刻，即不同轉(zhuǎn)子位置的電機磁場分布，以確定電機的電磁負荷是否合理，某時刻的電機磁場分布如圖7所示。

5 結(jié)論

本文利用Ansoft Maxwell結(jié)合Simplorer建立了SRD系統(tǒng)的仿真模型并進行了仿真，結(jié)果較好的符合理論值，由本文可以看出利用Ansoft Maxwell結(jié)合Simplorer可以方便進行電機系統(tǒng)的仿真，通過查看分析其輸出曲線及電機本體的磁場分布情況，可以分析電機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否合理，為SRD的設(shè)計分析提供了有益的參考。

參考文獻：

[1]陳哲明，潘再平.開關(guān)磁阻電動機控制器的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16（12）：2809-2012.

[2]吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]高潔，孫鶴旭，何琳，董硯.基于Simplorer的SRD動態(tài)建模與實驗研究[J].電氣傳動.2011，41（10）：37-40.

[4]閆英敏，劉衛(wèi)國.基于Simplorer的無刷直流伺服系統(tǒng)仿真[J]. 電氣傳動，2005，35（11）：18-20.