基于Simulink的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

陳世軍，查長禮，王陳寧

（安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246052）

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）是繼變頻調(diào)速、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后，發(fā)展起來的新一代交流調(diào)速系統(tǒng)。SRD系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM）、功率變換器、控制器和位置傳感器等部分組成，具有SRM結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、功率電路簡單可靠、起動電流小起動轉(zhuǎn)矩大、可控參數(shù)多和調(diào)速性能好等特點(diǎn)，已成為目前電氣傳動領(lǐng)域的熱門研究課題之一，其成熟的SRD系統(tǒng)產(chǎn)品也越來越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中去。傳統(tǒng)的SRD系統(tǒng)控制方法是在起動和低速時采用電流斬波，高速時則采用單脈沖控制方式，可以在整個調(diào)速范圍內(nèi)靈活控制獲得較好的調(diào)速性能，但是因其存在低速與高速的模式切換問題，故控制較為復(fù)雜。隨著對SRD系統(tǒng)的不斷深入研究，其控制方法也出現(xiàn)了多種，一般來說有以下幾種控制方法［1-2］：電壓PWM控制；電流斬波控制；角度位置控制；或者其中的幾種不同組合的控制方式。

1 SRM控制策略

1.1 SRM數(shù)學(xué)模型

開關(guān)磁阻電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的一個多變量系統(tǒng)，為了便于分析其數(shù)學(xué)模型，假定以下條件成立：K相繞組相對稱，忽略空間諧波；不考慮頻率和溫度的影響；功率開關(guān)器件為理想器件；忽略磁飽和影響。其數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、機(jī)械方程以及機(jī)電聯(lián)系方程［3-4］。SRM電壓方程為：

Uk，Rk，ik，Lk分別為K 相繞組的電壓，電阻，電流，電感；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

轉(zhuǎn)子的機(jī)械方程為：

Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；D為機(jī)電系統(tǒng)粘性摩擦系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子角速度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本原理，可得出SRM的機(jī)電聯(lián)系方程為：

Ψ（θ，i）為電機(jī)磁鏈，是轉(zhuǎn)子位置角與電流的函數(shù)。正是基于開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型基本方程的分析，得出了不同的SRM調(diào)速控制方案，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制。

1.2 SRD系統(tǒng)及其運(yùn)行原理

SRD系統(tǒng)主要包括控制器、功率變換器和SRM電機(jī)，并利用電流檢測模塊實(shí)現(xiàn)電流的反饋，根據(jù)位置傳感器模塊檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置并計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電流與轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制［5］。其工作過程如下：根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速和負(fù)載情況以及位置檢測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號，控制器通過基于電流控制算法給出相應(yīng)的控制電流，并適時地給出定子相的換相控制信號，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要實(shí)時地根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值計(jì)算出電流的給定值，再與電流檢測值相比較，輸出相應(yīng)的PWM控制信號，從而保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 SRD系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 電機(jī)本體

開關(guān)磁阻電機(jī)模塊選用Simulink庫中自帶的6／4極電機(jī)。其技術(shù)參數(shù)分別為：相繞組Rs=8.1 Ω，Lu=0.06H，La=0.24H，J=0.0017kg·m2。

2.2 電流控制與位置檢測

電流控制與位置檢測模塊是SRD系統(tǒng)仿真模型的核心，其仿真模型如圖2所示。

圖2 電流控制與位置檢測

通過對相電流的大小與當(dāng)前轉(zhuǎn)速的大小以及當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置的綜合判斷，產(chǎn)生輸出PWM信號，事先給定開通角與關(guān)閉角的大小，比較給定電流與實(shí)際電流的大小，對輸出PWM信號的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而全面調(diào)節(jié)電流與轉(zhuǎn)速的大小。其輸入信號為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、給定電流以及定子電流，輸出信號為6路PWM信號。

2.3 功率變換

功率變換電路仿真模型采用不對稱半橋型電路，使用3對IGBT功率開關(guān)器件，反向并聯(lián)續(xù)流二極管。其輸入為6路PWM信號，其輸出為三相電壓信號，輸出到6／4電機(jī)的三相繞組上，仿真模型如圖3所示。控制信號由電流控制與位置檢測模塊產(chǎn)生，控制可控器件IGBT的通斷。V+，V-接開關(guān)管的額定電壓，由于主開關(guān)管的電壓定額與電動機(jī)繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。

圖3 功率變換器模塊

在Matlab／Simulink環(huán)境下，將各個模塊封裝成子模塊形式，有序地搭建在一起，建立的SRD系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示。其中，Speed Contr為PI控制器模塊，Position＿Sensor為電流控制與位置檢測模塊，CONVERTER為功率變換模塊，Switched Reluctance Motor為電機(jī)模塊。

圖4 SRD系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置SRD系統(tǒng)仿真時間t=0.5s，給定時間t=0時，初始轉(zhuǎn)速n=500r／min，當(dāng)t=0.25s時，n=1000r／min，配置好系統(tǒng)參數(shù)，啟動系統(tǒng)仿真。分析系統(tǒng)輸出波形包括磁鏈波形、三相定子電流波形、轉(zhuǎn)矩波形以及轉(zhuǎn)速波形。從仿真波形可知，系統(tǒng)在開始時輸出的磁鏈、電流、轉(zhuǎn)矩都能快速達(dá)到穩(wěn)定，波動時間小于0.025s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500r／min；當(dāng)t=0.25s，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變?yōu)?000r／min時，系統(tǒng)出現(xiàn)波動，但也夠較快地趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1000 r／min。可見整個系統(tǒng)具有動靜態(tài)性能良好，并能夠?qū)崟r跟蹤速度的變化，是一個優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

通過對開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及SRD系統(tǒng)運(yùn)行原理的深入分析，提出了一種電流控制的開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法，并利用 Matlab／Simulink的模塊化設(shè)計(jì)方法，分別對電機(jī)本體模塊、電流控制與速度檢測模塊以及功率變換模塊等各個子模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，進(jìn)而建立起整個SRD系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，該控制方法具有良好的動靜態(tài)性能以及快速的速度跟蹤性能。建模方法采用模塊庫自帶的電機(jī)本體模塊，簡單實(shí)用，為實(shí)際的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提供了有效的手段與工具，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

［1］王宏華.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］紀(jì)志成，薛 花.基于 Matlab的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（4）：1015-1021.

［4］肖 芳，潘庭龍，陳 昊.開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制與仿真［J］.微電機(jī)，2004，37（4）：45-46，55.

［5］Soares F，Costa Branco P J.Simulation of a 6／4 switched reluctance motor based on Matlab／Simulink environment［J］.IEEE Trans Aerospace and Electronic，Systems，2001，37（3）：989-1009.