開關磁阻電機控制策略模型在環仿真研究

蔣立偉，葉新偉，朱江，張大雙（東風商用車有限公司技術中心，武漢 430056）

開關磁阻電機控制策略模型在環仿真研究

蔣立偉，葉新偉，朱江，張大雙
（東風商用車有限公司技術中心，武漢 430056）

在分析開關磁阻（SR）電機的數學模型的基礎上，結合Ansoft有限元分析的數據、試驗數據和實際樣機的參數，首先建立了SR電機被控對象模型，主要包括SR電機本體模型、逆變器模型、電池模型等，之后根據開關磁阻電機的自身特性，建立了轉速和電流雙閉環的控制策略模型，將被控對象模型和控制策略模型集成，構成了模型在環仿真系統，在該系統中進行電機控制仿真試驗，試驗結果表明設計的控制策略能夠較理想地實現對SR電機的控制。

開關磁阻電機；被控對象；控制策略；模型在環；仿真

蔣立偉

畢業于華中科技大學電氣工程專業在職研究生，現任東風商用車技術中心先行技術開發部工程師，研究方向：開關磁阻電機控制和重型AMT控制研究，已發表文章：4篇，發明和實用新型專利：6篇。

引言

開關磁阻電機（簡稱SR電機）具有結構簡單、牢固，性能優越，控制靈活等優點，適于在使用工況較惡劣的混合動力和純電動卡車上使用，但其高度非線性、多變量及變結構的特性，增加了電機控制的復雜度，當前SR電機的控制策略已經能較好地實現其控制，但仍需進一步優化和完善。在開發控制策略時，仿真是重要的環節之一，是實際應用的基礎。

基于常用的“V”模式汽車電控系統開發流程，控制策略的模型在環仿真是系統功能完善的第一步，也是重要一步，為了使仿真更加準確和接近實際情況，并能對控制策略進行功能完善和性能驗證，采用將有限元分析數據、試驗數據和實際樣機參數相結合的方法，建立SR電機被控對象模型，主要包括SR電機本體模型、逆變器模型、電池模型等，在此基礎上基于目標控制器控制策略的開發思想和處理方式，搭建了SR電機控制策略模型，便于移植和對比。最后，將被控對象模型與控制策略模型無縫集成并進行聯合仿真，仿真結果證明了控制策略模型的合理性和有效性。

1　Sr電機控制策略模型在環仿真系統

本文的仿真對象為在某混合動力車輛上使用的40/60KW、三相18/12結構的SR電機。基于“V”模式的控制系統開發流程搭建的SR電機驅動系統模型在環仿真模型如圖1.1：

1.1電機本體模型

開關磁阻電機的本體封裝如圖1.1所示，圖中T_Load端子為負載轉矩的輸入端；A1端和A2端為A相繞組輸出端，B1端和B2端為B相繞組輸出端，C1端和C2端為C相繞組輸出端， Generation Trig為電機運行模式選擇的輸入端口，measurement端子為輸出端，輸出電機的電角度、速度、轉矩、磁鏈、電流及功率等信息。

開關磁阻電機本體封裝的內部結構如圖1.2所示，主要包括三相的電壓、電流方程（A、B、C）、轉矩計算（Torque）和機械方程（Mechanical）等三個部分。

1.1.1電壓、電流平衡方程與模型

三相繞組的電壓平衡方程如下：

式（1）中：

UA、UB、UC：定子繞組相電壓，單位為V；

iA、iB、iC：定子繞組相電流，單位為A；

RA、RB、RC：定子繞組相電阻，單位為Ω；

ψAA、ψBB、ψCC：自感磁鏈，單位為Wb；

ψBA、ψCA、ψAB、ψCB、ψAC、ψBC：互感磁鏈，單位為Wb。

開關磁阻每相繞組的電壓、電流間滿足式（1）所示的關系，若直接根據它對繞組電壓的求解進行建模，建立電壓源型繞組模型，會出現代數環的問題，同時直接對磁鏈求導也容易使模型不穩定。對式（1）進行簡單的變換，即可得到式（2）所示的積分方程。

以A相為例，通過式（2）求得A相自感磁鏈，之后根據自感磁鏈與電流的關系，計算算出當前自感磁鏈對應的電流，將此電流作為電流源的給定，即可構成A相繞組電流，具體模型如圖3所示。

圖1.3中，ua為電壓檢測模塊，檢測當前A相繞組的端電壓，ia為A相繞組相電流，R為相電阻，根據式（2），ua與相繞組壓降（R·ia）的差值經過積分得到A相總磁鏈，之后減去互感磁鏈磁鏈，得到自感磁鏈。將自感磁鏈與位置角（theta）分別作為列輸入向量和行輸入向量提供給二維查表子模塊Table（位置角、磁鏈、電流），該模塊中已置入預先計算好的iA（ ψAA， θ ）關系數據，因此通過查表及插值計算即可得到相電流。

此外，Mabc為互感磁鏈存儲模塊，這里采用了Ansoft有限元仿真得到的數據，并根據實驗數據進行了補償；angular transformation為角度變換模塊，用于角度處理；i（Psi/theta）為自感磁鏈模塊。

1.1.2機械方程

圖1.4為電機轉速、角度計算模型，即機械方程（mechanical）模型。根據式（3）可得電機機械運動方程的頻域表達式為

由此得到的電機轉速為機械角速度，即模型中的 。之后乘以電機極對數得到電角速度，并進行積分后得電角度（theta），然后進行弧度與角度的換算，最后將角度對360°求余得到電機的電角度（electrical angle）。

1.1.3轉矩計算模型

轉矩計算（Torque）模型內部結構如圖1.5所示。Ta、Tb、Tc為轉矩查找表，TA=TA（ iA， θ ）已存入預先處理好的位置角、相電流與相轉矩的數據。此數據有三種獲取方式：可根據有限元分析得到；實驗測量得到不同角度下轉矩隨電流變化數據；由磁鏈數據計算轉矩。模型建模時采用第三種方式，這種建模方法可以直接通過電機運行的位置角及實時相電流得到相轉矩，雖然需要對大量數據進行預處理，但模塊本身使用方便，仿真速度和精度都較為理想。

1.2 控制器/逆變器模型

此SRM采用不對稱半橋變換器，因此建立相應的仿真模型如圖1.6所示。G端口為驅動輸入端，來自控制器模型；V+端和V-端連接蓄電池；A1端和A2端連接A相繞組模型；B1端和B2端連接B相繞組模型；C1端和C2端連接C相繞組模型。采用Matlab SimPowerSystems 模塊庫中的IGBT和續流二級管模塊搭建不對稱半橋變換器。

1.3動力電池模型

圖1.1中所示的Battery模塊即為蓄電池，直接使用了Matlab自帶的蓄電池模型，其參數配置與實車動力電池參數一致。

1.4負載模型

模型搭建了一種是線性負載，其負載轉矩是轉速的函數。

1.5SR電機控制策略模型

控制策略模型根據電機轉子位置、轉速、電壓、三相電流等信號和旋轉方向，電動/發電，目標電流/轉速等指令實施對電機的控制，可實現速度閉環控制和電流閉環控制。

1.5.1速度環模型

速度環（Speed loop）模型內部結構如圖1.7所示，采用PID調節器對速度誤差進行調節，輸出i*為電流給定。其運行原理為速度偏小時增加電流給定以提高速度；速度偏大時減小電流給定以減速。

1.5.2電流環模型

為了和將來實際控制器選用的QEP位置的檢測保持一致，將電機轉子位置的一個電周期360度用2048個脈沖信號來表示，并進行位置區間劃分及開關碼的設計，如下圖1.8所示：

電流環模型主體結構由開通角/關斷角計算模塊，角度控制模塊，電流控制模塊和換相模塊組成。

（1）開通角/關斷角計算模塊

電機運行時需要分別計算電動和發電工況下的開通角/關斷角，下面以電動開通角計算為例進行說明。如下圖1.9所示，首先根據給定電流、電壓和轉速實時計算基礎開通角anSRM_Adv_TonMA，再由三相位置關系分別計算每一相的電動開通角。關斷角的計算方式相同，僅參數不同。

（2）角度控制模塊

角度控制模塊中實時計算的三相開通角/關斷角依次與電機轉子的當前位置進行比較，來判斷當前相的位置，給出該相當前的角度控制開通碼/關斷碼，然后再與上一次計算的角度控制導通碼/關斷碼進行邏輯運算后輸出，保證平穩可靠換相，正轉電動時的角度控制模型如圖1.10所示：

（3）電流控制模塊

電流控制模塊首先根據三相角度控制開通碼/關斷碼計算出當前需要開通/關斷的相，然后將該相電流與目標電流比較，進行電流斬波，最終輸出控制IGBT的開關碼IGBT_ControlSig。其中A相電流控制模型如圖1.11所示：

2　仿真及結果

2.1SR電機模型參數

本文基于 Matlab/Simulink建立了18/12三相SR電機的控制策略模型在環仿真系統，電機模型參數采用某混合動力電動車上實際使用電機的數據。以該模型為基礎來研究開關磁阻電機控制系統的控制策略。SR電機參數為：額定功率40KW，最大功率60 KW，額定電壓 576 V，額定轉速800 rpm，最高轉速3000 rpm。

2.2電流環控制仿真

斷開速度閉環，電機負載隨轉速線性變化，給定階躍目標電流，觀察相電流、負載轉矩、電磁轉矩和轉速。

從圖2.1和圖2.2可以看出給定不同階躍的目標電流，實際的相電流能快、準確地響應，圖2.3中電磁轉矩與實際電流變化保持一致。圖2.4和圖2.5中的負載轉矩和轉速實時變化，圖2.6和圖2.7是將相電流局部放大，可以看出，控制策略對復雜的控制具有較好的動態響應。

2.3轉速環控制仿真

在混合動力電動車上，轉速控制主要用于換擋的過程中調節變速箱輸入軸的轉速，要求轉速響應快，此時電機工作在空載狀態，因此仿真時將負載轉矩設置為0。

給定階躍為1000的目標轉速，觀察實際轉速響應和相電流。

從圖2.8可以看出，轉速動態響應的時間最快0.1s，最慢不超過0.3s，這與樣車試驗數據一致，可滿足樣車的換擋調速需求。

從圖2.9的相電流可以看出，在每個階躍的上升沿和下降沿，為了快速達到目標轉速，相電流變化較快，從圖2.10和圖2.11中的電流局部放大可知，在轉速的上升階段電機處于電動轉態，在轉速的下升階段電機處于發電轉態，符合SR電機的控制規律。

3　結束語

本文首先以SR電機數學模型和有限元分析的數據為基礎，結合樣車SR電機實際參數，建立了準確和完善的SR電機被控對象模型，在此基礎上針對實際應用，對SR電機的控制策略進行了研究和建模，最后，將SR電機被控對象模型與控制策略模型集成，構成模型在環仿真系統，利用該系統進行控制策略仿真，仿真結果驗證了控制策略的精確性和有效性，同時該系統也為將來控制策略的優化和完善提供了一種快捷、實用的平臺。

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文中對模型構建的描述清晰，思路明確，并結合有限元分析數據及相關樣機試驗數據，提高了仿真系統的準確性，具有較強的應用價

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JIANG Li-wei， YE Xin-wei， ZHU Jiang， ZHANG Da-shuang
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

On the basis of analysis of the mathematical model of switched reluctance （SR） motor ，combining Ansoft data ， test data and the actual prototype parameters ， first established SR motor controlled object model ， including the SR motor body model ， inverse model and so on ， then according to characteristics of switch magnetic resistance motor ， established a speed and current double closed loop control strategy model， and integrated the controlled object model and the control strategy model ，constituted a Model in Loop simulation system， finishedsimulation experiments， the results show that the designed control strategies can effectively control SR motor.

SR Motor； the controlled object model； control strategy； Model in loop； simulation

TM352

A

1005-2550（2015）05-0023-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.005

2015-03-27