三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真

王智杰　蔡燕　姜文濤

摘 要：開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）的特殊非線性結(jié)構(gòu)使其設(shè)計(jì)和分析十分困難，因此準(zhǔn)確的建模和仿真對開關(guān)磁阻電機(jī)的研究很有必要。文章利用MATLAB/Simulink仿真軟件，采用模塊化的思想對一臺三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（簡稱SRD）進(jìn)行了整體建模。仿真得到的波形驗(yàn)證了搭建的仿真模型的正確性，該模型為進(jìn)行開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化控制研究創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；MATLAB建模仿真；優(yōu)化控制

1 概述

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）定子和轉(zhuǎn)子都是凸極形狀，且都是由高磁導(dǎo)率的硅鋼片堆疊而成，只在定子磁極上安裝有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既沒有繞組也沒有永磁體[1]。與其他電機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)簡單牢固、成本低、調(diào)速范圍寬、控制靈活等優(yōu)勢十分突出，因此在需要調(diào)速和高效率的場合得到了廣泛應(yīng)用[2]。但是雙凸極的結(jié)構(gòu)也帶來了磁路飽和、渦流、磁滯效應(yīng)等一系列的非線性特性，嚴(yán)重影響了開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行性能，并且使開關(guān)磁阻電機(jī)的具體分析研究十分困難。為了準(zhǔn)確研究開關(guān)磁阻電機(jī)的特性，必須對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行建模仿真。文章基于MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)對三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了整體建模仿真研究，將組成系統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、功率變換器、控制器和位置檢測器四部分模塊化，對整個(gè)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了搭建模型的正確性。文章的模型具有參數(shù)修改方便，通用性強(qiáng)，適用于開關(guān)磁阻電機(jī)各種運(yùn)行模式的特點(diǎn)，為開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究創(chuàng)造了條件。

2 基于Matlab的SRD仿真模型的建立

文章在Matlab/Simulink環(huán)境中，利用軟件自帶的豐富模塊庫，在分析了開關(guān)磁阻電機(jī)非線性模型的基礎(chǔ)上，搭建出了SRD仿真模型。

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制方法，其中轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)控制，電流環(huán)內(nèi)環(huán)采用低速時(shí)的電流斬波和高速時(shí)的角度位置控制方式。整個(gè)SRD包括電機(jī)本體模塊、功率變換器模塊、控制器模塊和位置檢測器模塊四部分，通過各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 仿真結(jié)果

基于建立的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，設(shè)定直流母線電壓為513V，最大電感為140mH，最小電感為20mH，每相繞組電阻為1.1Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.02kg·m2，摩擦系數(shù)為0.001N.ms，將定子凸極和轉(zhuǎn)子凸極對齊的位置定義為0°。可以得到不同條件下電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的仿真波形。

3.1 低速電流斬波控制

電機(jī)低速時(shí)采用電流斬波控制，圖1給出了轉(zhuǎn)速n=500r/min時(shí)，采用電流斬波控制方式得到的一相電流和對應(yīng)的相電壓波形。從圖中可以看出加在導(dǎo)通相繞組兩端電壓為母線電壓513V或?yàn)榱恪夭〞r(shí)電流下降緩慢，電流維持在給定的限幅120A附近。

3.2 高速角度位置控制

電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通周期短，電流的建立和續(xù)流會占很大比例，又由于存在運(yùn)動(dòng)電勢，因此電流峰值不大，不必采用電流斬波。通常采用控制開通角θon和關(guān)斷角θoff的角度位置控制。

實(shí)際使用過程中，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可以選取不同的優(yōu)化控制方法。圖2、圖3分別為給定轉(zhuǎn)速為2400r/min，電機(jī)高速穩(wěn)定運(yùn)行后，導(dǎo)通寬度相同，都為15.5°時(shí)，不同開通角θon和關(guān)斷角θoff組合下的相電流波形和輸出轉(zhuǎn)矩波形。通過對比可知轉(zhuǎn)速一定時(shí)，設(shè)定不同的開通角θon和關(guān)斷角θoff組合，其對應(yīng)的相電流大小、帶載能力不同，因此可以通過控制尋找最優(yōu)開通角和關(guān)斷角，來提高電機(jī)出力。

3.3轉(zhuǎn)速波形

轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI控制器控制，圖4為控制器的PI參數(shù)分別為KP=0.5、KI=0.008，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速波形，通過PI調(diào)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以快速達(dá)到給定值并保持這一值不變。

4 結(jié)束語

文章利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了SRD系統(tǒng)的仿真模型，該模型采用模塊化的思想，簡單靈活、易于修改，通用性強(qiáng)。仿真采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制得到了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波形，驗(yàn)證了搭建模型的正確性，表明了整個(gè)系統(tǒng)模型可以用于開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)化控制的下一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王宏華.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]朱曰瑩，趙桂范，楊娜. 電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，11：88-98.

[3]FeiPeng，JinYe，AliEmadi. A Digital PWM Current Controller for switched reluctance Motor Drives [J].KIEE Journals &Magazines，2016，31（10）：7078-7096.