三相12/8極開關磁阻電機驅動系統建模與仿真

王智杰　蔡燕　姜文濤

摘 要：開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）的特殊非線性結構使其設計和分析十分困難，因此準確的建模和仿真對開關磁阻電機的研究很有必要。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極開關磁阻電機驅動系統（簡稱SRD）進行了整體建模。仿真得到的波形驗證了搭建的仿真模型的正確性，該模型為進行開關磁阻電機的優化控制研究創造了條件。

關鍵詞：開關磁阻電機驅動系統；MATLAB建模仿真；優化控制

1 概述

開關磁阻電機（SRM）定子和轉子都是凸極形狀，且都是由高磁導率的硅鋼片堆疊而成，只在定子磁極上安裝有集中繞組，轉子上既沒有繞組也沒有永磁體[1]。與其他電機相比，其結構簡單牢固、成本低、調速范圍寬、控制靈活等優勢十分突出，因此在需要調速和高效率的場合得到了廣泛應用[2]。但是雙凸極的結構也帶來了磁路飽和、渦流、磁滯效應等一系列的非線性特性，嚴重影響了開關磁阻電機的運行性能，并且使開關磁阻電機的具體分析研究十分困難。為了準確研究開關磁阻電機的特性，必須對開關磁阻電機進行建模仿真。文章基于MATLAB/Simulink仿真系統對三相12/8極開關磁阻電機的驅動系統進行了整體建模仿真研究，將組成系統的開關磁阻電機（SRM）、功率變換器、控制器和位置檢測器四部分模塊化，對整個系統采用轉速、電流雙閉環控制方法。仿真結果驗證了搭建模型的正確性。文章的模型具有參數修改方便，通用性強，適用于開關磁阻電機各種運行模式的特點，為開關磁阻電機及其驅動系統的優化控制研究創造了條件。

2 基于Matlab的SRD仿真模型的建立

文章在Matlab/Simulink環境中，利用軟件自帶的豐富模塊庫，在分析了開關磁阻電機非線性模型的基礎上，搭建出了SRD仿真模型。

系統采用轉速、電流雙閉環的控制方法，其中轉速外環采用PI調節控制，電流環內環采用低速時的電流斬波和高速時的角度位置控制方式。整個SRD包括電機本體模塊、功率變換器模塊、控制器模塊和位置檢測器模塊四部分，通過各個模塊的協調配合，實現開關磁阻電機的穩定運行。

3 仿真結果

基于建立的開關磁阻電機驅動系統模型進行仿真，設定直流母線電壓為513V，最大電感為140mH，最小電感為20mH，每相繞組電阻為1.1Ω，轉動慣量為0.02kg·m2，摩擦系數為0.001N.ms，將定子凸極和轉子凸極對齊的位置定義為0°。可以得到不同條件下電機運轉時的電流、電壓、轉矩、轉速的仿真波形。

3.1 低速電流斬波控制

電機低速時采用電流斬波控制，圖1給出了轉速n=500r/min時，采用電流斬波控制方式得到的一相電流和對應的相電壓波形。從圖中可以看出加在導通相繞組兩端電壓為母線電壓513V或為零。斬波時電流下降緩慢，電流維持在給定的限幅120A附近。

3.2 高速角度位置控制

電機高速運行時，導通周期短，電流的建立和續流會占很大比例，又由于存在運動電勢，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和關斷角θoff的角度位置控制。

實際使用過程中，根據不同的系統要求，可以選取不同的優化控制方法。圖2、圖3分別為給定轉速為2400r/min，電機高速穩定運行后，導通寬度相同，都為15.5°時，不同開通角θon和關斷角θoff組合下的相電流波形和輸出轉矩波形。通過對比可知轉速一定時，設定不同的開通角θon和關斷角θoff組合，其對應的相電流大小、帶載能力不同，因此可以通過控制尋找最優開通角和關斷角，來提高電機出力。

3.3轉速波形

轉速環采用PI控制器控制，圖4為控制器的PI參數分別為KP=0.5、KI=0.008，給定轉速為1500r/min時的轉速波形，通過PI調節，電機轉速可以快速達到給定值并保持這一值不變。

4 結束語

文章利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了SRD系統的仿真模型，該模型采用模塊化的思想，簡單靈活、易于修改，通用性強。仿真采用轉速電流雙閉環控制得到了電機運行時的電流、電壓、轉矩、轉速波形，驗證了搭建模型的正確性，表明了整個系統模型可以用于開關磁阻電機優化控制的下一步研究。

參考文獻

[1]王宏華.開關磁阻電機調速控制技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]朱曰瑩，趙桂范，楊娜. 電動汽車用開關磁阻電機驅動系統設計及優化[J].電工技術學報，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.