基于Simplorer与Ansoft Maxwell的SRD系统联合仿真

薛娇

摘要：开关磁阻电机系统（Switched Reluctance Drive，SRD）是机电一体化的新型电机系统，在现代电力电子、电磁分析手段及机械工艺等的长足发展下，SRD的应用变得十分广泛。因磁场分布复杂，所以建立SRD的数学模型比较困难。本文将借助于运用Ansoft Maxwell搭建SRD的本体模型，运用Simplorer搭建SRD的控制电路模型，并将两者进行同步联合仿真，同步分析电机本体、外电路的数据，为SRD系统提供有效的参考。

关键词：SRD系统 仿真 Simplorer

1 概述

开关磁阻电机是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速电机，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速电机的优点。SRD一般用于牵引中，高速性能是SRD的一个特长的方向。近年来随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术，无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性，必将更大限度地显示SRD的优越性。

电机系统的开发是一项复杂的工程，若方法不当势必会耗时耗力，借助于Ansoft Maxwell、Simplore可分别实现电机本体、控制电路的仿真模型的建立，并且两者可以实现联合仿真功能，参数修改方便，结果经实践验证是比较可靠的，这为电机系统的开发提供了很好的仿真工具，可以为广大的工程技术人员所借鉴。

2 开关磁阻电机的结构特点

图1所示的为单相开关磁阻电动机结构，其定转子均为凸极结构，转子上既无永磁体又无绕组，定子绕组为集中绕组。可以看出该类电机的转子转动惯量小，动态响应迅速，无电刷和换向器，控制参数多、方式灵活等其他电机无法比拟的优点；适用于需要频繁调速和起动停止的场合[1][2]。

3 SRD的特點及仿真实现

开关磁阻电机是典型的双凸极电机，其工作原理遵循磁阻最小的原理而产生转矩的，所以绕组中的电流方向没有特别的要求，并且电机的各项集中绕组是独立的，也就是说各相的磁路相互独立，没有互感的影响，所以可以通过控制加到开关磁阻电机绕组中电流脉冲的幅值、宽度（即电流斩波控制，简称CCC）及其与转子的相对位置（即控制开关的导通角、关断角的角度位置控制，简称APC），即可控制开关磁阻电机转矩的大小与方向，这正是开关磁阻电机调速控制的基本原理。图1所示电机模型的控制电路如图2所示。

Simplorer是一款多域系统仿真软件。它可用于高性能系统的设计、建模、分析和优化，诸如电气、机电等常见的复杂系统的设计。它提供了一系列建模技术、分析手段和后处理途径。这使得工程师籍此可以研究系统的功能、性能和确定整个的设计方案。借鉴Simplorer的仿真结果可以有效的压缩开发时间和成本，对提高系统可靠性和优化系统性能提供很好的帮助[3][4]。

为实现SRD的仿真模型的建立，首先利用Ansoft Maxwell搭建了图1所示电机的本体模型，定义、添加材料参数，并依图1所示定义绕组中电流的参考方向；然后通过Simplorer中的Simplorer Circuit菜单下的SbuCircuit-Maxwell Component-Add Transient Cosimulation选项将电机本体模型添加至Simplorer环境下；最后，在Simplorer界面中运Simplorer所提供的模块建立SRD模型。

为简化系统的设计主要采用了Equation Block（算式模块）、Comparator（比较器）、Hyperbolic Function（曲线函数）三个模块，如图3所示。Equation Block用以读取电机的转子位置角，充当传感器的作用；Comparator用以比较实际转子位置角、绕组电流与给定的转子位置角、绕组电流，通过比较后输出控制数字信号；Hyperbolic Function用以定义晶闸管、二极管等的工作特性曲线，已达到贴近实际器件的工作特性。

4 仿真分析结果

在Simplorer中完成外电路设置后，需要像在Ansoft Maxwell环境下一样设置仿真步长等参数，在设置运算步长时要根据电机的转速来确定，一般在转子每转过1°计算一次。

电机模型参数：轴向长度为60mm，定子外径为90mm，内径为54mm，气隙为0.5mm，定子极弧为26.8mm，转子极弧为32.6mm，绕组匝数为40。

为了验证仿真模型的效果，将同时进行CCC与APC两种控制方式。仿真设置为开关区间为10°～89°，电流斩波值为12A，在此控制条件下当转速为3000r/m时，在Ansoft Maxwell环境下可以得到电机的转矩曲线、绕组电流曲线分别如图4、5所示。同时，可以在Simplorer环境下查看外电路的结果曲线，如在一个周期下绕组A的续流二极管的续流结果如图6所示。

除了查看结果曲线外还可以通过查看不同时刻，即不同转子位置的电机磁场分布，以确定电机的电磁负荷是否合理，某时刻的电机磁场分布如图7所示。

5 结论

本文利用Ansoft Maxwell结合Simplorer建立了SRD系统的仿真模型并进行了仿真，结果较好的符合理论值，由本文可以看出利用Ansoft Maxwell结合Simplorer可以方便进行电机系统的仿真，通过查看分析其输出曲线及电机本体的磁场分布情况，可以分析电机系统的数据是否合理，为SRD的设计分析提供了有益的参考。

参考文献：

[1]陈哲明，潘再平.开关磁阻电动机控制器的仿真研究[J].系统仿真学报，2004，16（12）：2809-2012.

[2]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]高洁，孙鹤旭，何琳，董砚.基于Simplorer的SRD动态建模与实验研究[J].电气传动.2011，41（10）：37-40.

[4]闫英敏，刘卫国.基于Simplorer的无刷直流伺服系统仿真[J]. 电气传动，2005，35（11）：18-20.