基于Simulink的开关磁阻电机调速系统仿真研究

陈世军，查长礼，王陈宁

（安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽 安庆 246052）

0 引言

开关磁阻电机调速系统（SRD）是继变频调速、无刷直流电动机调速系统之后，发展起来的新一代交流调速系统。SRD系统主要由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、控制器和位置传感器等部分组成，具有SRM结构简单、制造方便、功率电路简单可靠、起动电流小起动转矩大、可控参数多和调速性能好等特点，已成为目前电气传动领域的热门研究课题之一，其成熟的SRD系统产品也越来越广泛地被应用到工业生产实践当中去。传统的SRD系统控制方法是在起动和低速时采用电流斩波，高速时则采用单脉冲控制方式，可以在整个调速范围内灵活控制获得较好的调速性能，但是因其存在低速与高速的模式切换问题，故控制较为复杂。随着对SRD系统的不断深入研究，其控制方法也出现了多种，一般来说有以下几种控制方法［1-2］：电压PWM控制；电流斩波控制；角度位置控制；或者其中的几种不同组合的控制方式。

1 SRM控制策略

1.1 SRM数学模型

开关磁阻电机是一个高阶、非线性、强耦合的一个多变量系统，为了便于分析其数学模型，假定以下条件成立：K相绕组相对称，忽略空间谐波；不考虑频率和温度的影响；功率开关器件为理想器件；忽略磁饱和影响。其数学模型包括电压方程、机械方程以及机电联系方程［3-4］。SRM电压方程为：

Uk，Rk，ik，Lk分别为K 相绕组的电压，电阻，电流，电感；θ为转子位置角。

转子的机械方程为：

Te为电机电磁转矩；J为转动惯量；D为机电系统粘性摩擦系数；ω为转子角速度；n为转子转速；TL为负载转矩。

根据机电能量转换的基本原理，可得出SRM的机电联系方程为：

Ψ（θ，i）为电机磁链，是转子位置角与电流的函数。正是基于开关磁阻电机数学模型基本方程的分析，得出了不同的SRM调速控制方案，从而实现开关磁阻电机的控制。

1.2 SRD系统及其运行原理

SRD系统主要包括控制器、功率变换器和SRM电机，并利用电流检测模块实现电流的反馈，根据位置传感器模块检测出电机转子的位置并计算出电机转速，实现电流与转速的双闭环控制［5］。其工作过程如下：根据给定的转速和负载情况以及位置检测器得到的转子位置信号，控制器通过基于电流控制算法给出相应的控制电流，并适时地给出定子相的换相控制信号，使电机运转。整个系统设计成双闭环控制系统，需要实时地根据转速反馈值计算出电流的给定值，再与电流检测值相比较，输出相应的PWM控制信号，从而保证电机的稳定运行。其结构如图1所示。

图1 开关磁阻电机调速系统结构

2 SRD系统仿真模型建立

2.1 电机本体

开关磁阻电机模块选用Simulink库中自带的6／4极电机。其技术参数分别为：相绕组Rs=8.1 Ω，Lu=0.06H，La=0.24H，J=0.0017kg·m2。

2.2 电流控制与位置检测

电流控制与位置检测模块是SRD系统仿真模型的核心，其仿真模型如图2所示。

图2 电流控制与位置检测

通过对相电流的大小与当前转速的大小以及当前转子位置的综合判断，产生输出PWM信号，事先给定开通角与关闭角的大小，比较给定电流与实际电流的大小，对输出PWM信号的占空比进行调节，进而全面调节电流与转速的大小。其输入信号为转子转速、给定电流以及定子电流，输出信号为6路PWM信号。

2.3 功率变换

功率变换电路仿真模型采用不对称半桥型电路，使用3对IGBT功率开关器件，反向并联续流二极管。其输入为6路PWM信号，其输出为三相电压信号，输出到6／4电机的三相绕组上，仿真模型如图3所示。控制信号由电流控制与位置检测模块产生，控制可控器件IGBT的通断。V+，V-接开关管的额定电压，由于主开关管的电压定额与电动机绕组的电压定额近似相等，所以这种线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流。

图3 功率变换器模块

在Matlab／Simulink环境下，将各个模块封装成子模块形式，有序地搭建在一起，建立的SRD系统的仿真模型如图4所示。其中，Speed Contr为PI控制器模块，Position＿Sensor为电流控制与位置检测模块，CONVERTER为功率变换模块，Switched Reluctance Motor为电机模块。

图4 SRD系统仿真模型

3 仿真结果分析

设置SRD系统仿真时间t=0.5s，给定时间t=0时，初始转速n=500r／min，当t=0.25s时，n=1000r／min，配置好系统参数，启动系统仿真。分析系统输出波形包括磁链波形、三相定子电流波形、转矩波形以及转速波形。从仿真波形可知，系统在开始时输出的磁链、电流、转矩都能快速达到稳定，波动时间小于0.025s，转速稳定在500r／min；当t=0.25s，系统转速变为1000r／min时，系统出现波动，但也够较快地趋于稳定，转速稳定在1000 r／min。可见整个系统具有动静态性能良好，并能够实时跟踪速度的变化，是一个优良的调速系统。

4 结束语

通过对开关磁阻电机的数学模型以及SRD系统运行原理的深入分析，提出了一种电流控制的开关磁阻电机控制方法，并利用 Matlab／Simulink的模块化设计方法，分别对电机本体模块、电流控制与速度检测模块以及功率变换模块等各个子模块进行分析设计，进而建立起整个SRD系统的仿真模型。系统仿真结果表明，该控制方法具有良好的动静态性能以及快速的速度跟踪性能。建模方法采用模块库自带的电机本体模块，简单实用，为实际的开关磁阻电机调速系统提供了有效的手段与工具，具有很强的应用价值。

［1］王宏华.开关磁阻电动机调速控制技术［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［2］吴建华.开关磁阻电机设计及应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］纪志成，薛 花.基于 Matlab的开关磁阻电机控制系统建模仿真研究［J］.系统仿真学报，2005，17（4）：1015-1021.

［4］肖 芳，潘庭龙，陈 昊.开关磁阻电动机的控制与仿真［J］.微电机，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.