開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)仿真研究

陸朱衛(wèi),顧懷敏（. 三江學(xué)院，江蘇南京，00；. 福特汽車工程研究（南京）有限公司，江蘇南京，00）

開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)仿真研究

陸朱衛(wèi)1,顧懷敏2
（1. 三江學(xué)院，江蘇南京，210012；2. 福特汽車工程研究（南京）有限公司，江蘇南京，211100）

開關(guān)磁阻電機(jī)具有低成本、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、靈活的可控性和優(yōu)良的調(diào)速性能的優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文采用直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，仿真結(jié)果表明該方法響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩脈動小、調(diào)速精確高，是一種先進(jìn)的調(diào)速方法。

開關(guān)磁阻電機(jī)；直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制；MATLAB

0 引言

隨著能源危機(jī)的到來和環(huán)境污染的加劇，人們越來越重視清潔可再生能源的開發(fā)。電動汽車作為新一代的交通工具，在節(jié)能減排、減少人類對傳統(tǒng)化石能源的依賴方面具備傳統(tǒng)汽車不可比擬的優(yōu)勢。

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種潛力很大的電動汽車用驅(qū)動電機(jī)，在未來市場占有重要地位。仿真研究在開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)中起到非常重要的作用，它可以模擬電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分析電機(jī)的性能。本文采用直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制，以三相6/4結(jié)構(gòu)為例，利用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，進(jìn)行仿真分析，給出仿真結(jié)果。

1 SRM的結(jié)構(gòu)和原理

開關(guān)磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均采用凸級結(jié)構(gòu)，定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子上無繞組和永磁體，空間相對的定子齒上的繞組串聯(lián)成一相。根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)的不同，有多種電機(jī)結(jié)構(gòu)，以三相6/4結(jié)構(gòu)電機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包含定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子繞組。

圖1 三相6/4結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)

當(dāng)其中一相繞組通電時,該相定子的兩極之間會產(chǎn)生一個磁場,由于磁場的分布要遵循“磁阻最小原則”,即繞組間的磁通總沿著磁阻最小的路徑閉合。所以,當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子凸極軸線與定子凸極軸線不重合時,轉(zhuǎn)子上便會產(chǎn)生磁阻力的作用,從而形成轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子趨于磁阻最小的位置,即兩軸線重合位置。

圖2 SRM的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

圖3 仿真模型

2 SRM直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制

直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略在抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動方面具有較多的應(yīng)用，且具有較好的控制效果，它通過預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)得到電機(jī)的各相參考轉(zhuǎn)矩，將各相繞組的瞬時轉(zhuǎn)矩作為控制對象，在確定的導(dǎo)通角內(nèi)，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的方法來調(diào)節(jié)導(dǎo)通相的功率電路開關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對各相瞬時轉(zhuǎn)矩的控制，使合成轉(zhuǎn)矩輸出平滑。該方法控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對瞬時轉(zhuǎn)矩的實(shí)時閉環(huán)控制，避免轉(zhuǎn)矩開環(huán)控制造成的轉(zhuǎn)矩脈動。

由圖2可知，SRM的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要包括PI速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元、功率變換電路和電機(jī)本體。從整體上看，此控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為速度環(huán)，實(shí)現(xiàn)速度跟蹤的目的；內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟蹤的目的。

3 仿真模型建立

采用MATLAB/SIMULINK建立開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型，如圖3所示，其中外環(huán)為速度環(huán)，通過速度差得到給定轉(zhuǎn)矩T*，給定轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)把轉(zhuǎn)矩分配到各相繞組得到各相給定轉(zhuǎn)矩Tk*，轉(zhuǎn)矩估算模塊計(jì)算出電機(jī)各相繞組的實(shí)際轉(zhuǎn)矩Tk，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)矩環(huán)，Tk*和Tk通過滯緩比較單元形成開關(guān)信號來控制功率開關(guān)電路，功率開關(guān)電路驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行。

4 仿真結(jié)果分析

在仿真模型中給定轉(zhuǎn)速為2000rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，仿真波形分別如圖4、5、6所示。

從圖中可以看到，轉(zhuǎn)速上升過程比較平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，沒有靜態(tài)誤差；啟動過程電流較大，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后電流很小，符合實(shí)際情況；轉(zhuǎn)矩脈動較小，說明直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制可以有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動。

5 結(jié)論

圖4 轉(zhuǎn)速波形

圖5 電流波形

圖6 轉(zhuǎn)矩波形

本文研究了開關(guān)磁阻電機(jī)的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制，利用MATLAB/SIMULINK建立控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明該仿真策略具有穩(wěn)定、高效、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩脈動小、調(diào)速精確高等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。

[1]孟耀輝.無位置傳感器的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略及軟件開發(fā)[D]. 濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2013

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Study on Simulation of Switched Reluctance Motor Control System

Lu Zhuwei1,Gu Huaimin2
（1.Sanjiang University,Jiangsu Nanjing,210012; 2.Ford motor engineering research (nanjing) co., LTD,Jiangsu Nanjing,211100）

Switched reluctance motor has the advantages of low cost, high efficiency, simple structure, flexible controllability and excellent speed adjusting performance. It’s more and more widely used in many areas. In this paper, the direct instantaneous torque control strategy is used to control the switched reluctance motor. The simulation model is established based on MATLAB / Simulink. The simulation results show that the method has fast response, small torque ripple and high precision. So it is a kind of advanced control method.

Switched reluctance motor; Direct instantaneous torque control; MATLAB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A