开关磁阻电机控制策略模型在环仿真研究

蒋立伟，叶新伟，朱江，张大双（东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056）

开关磁阻电机控制策略模型在环仿真研究

蒋立伟，叶新伟，朱江，张大双
（东风商用车有限公司技术中心，武汉 430056）

在分析开关磁阻（SR）电机的数学模型的基础上，结合Ansoft有限元分析的数据、试验数据和实际样机的参数，首先建立了SR电机被控对象模型，主要包括SR电机本体模型、逆变器模型、电池模型等，之后根据开关磁阻电机的自身特性，建立了转速和电流双闭环的控制策略模型，将被控对象模型和控制策略模型集成，构成了模型在环仿真系统，在该系统中进行电机控制仿真试验，试验结果表明设计的控制策略能够较理想地实现对SR电机的控制。

开关磁阻电机；被控对象；控制策略；模型在环；仿真

蒋立伟

毕业于华中科技大学电气工程专业在职研究生，现任东风商用车技术中心先行技术开发部工程师，研究方向：开关磁阻电机控制和重型AMT控制研究，已发表文章：4篇，发明和实用新型专利：6篇。

引言

开关磁阻电机（简称SR电机）具有结构简单、牢固，性能优越，控制灵活等优点，适于在使用工况较恶劣的混合动力和纯电动卡车上使用，但其高度非线性、多变量及变结构的特性，增加了电机控制的复杂度，当前SR电机的控制策略已经能较好地实现其控制，但仍需进一步优化和完善。在开发控制策略时，仿真是重要的环节之一，是实际应用的基础。

基于常用的“V”模式汽车电控系统开发流程，控制策略的模型在环仿真是系统功能完善的第一步，也是重要一步，为了使仿真更加准确和接近实际情况，并能对控制策略进行功能完善和性能验证，采用将有限元分析数据、试验数据和实际样机参数相结合的方法，建立SR电机被控对象模型，主要包括SR电机本体模型、逆变器模型、电池模型等，在此基础上基于目标控制器控制策略的开发思想和处理方式，搭建了SR电机控制策略模型，便于移植和对比。最后，将被控对象模型与控制策略模型无缝集成并进行联合仿真，仿真结果证明了控制策略模型的合理性和有效性。

1　Sr电机控制策略模型在环仿真系统

本文的仿真对象为在某混合动力车辆上使用的40/60KW、三相18/12结构的SR电机。基于“V”模式的控制系统开发流程搭建的SR电机驱动系统模型在环仿真模型如图1.1：

1.1电机本体模型

开关磁阻电机的本体封装如图1.1所示，图中T_Load端子为负载转矩的输入端；A1端和A2端为A相绕组输出端，B1端和B2端为B相绕组输出端，C1端和C2端为C相绕组输出端， Generation Trig为电机运行模式选择的输入端口，measurement端子为输出端，输出电机的电角度、速度、转矩、磁链、电流及功率等信息。

开关磁阻电机本体封装的内部结构如图1.2所示，主要包括三相的电压、电流方程（A、B、C）、转矩计算（Torque）和机械方程（Mechanical）等三个部分。

1.1.1电压、电流平衡方程与模型

三相绕组的电压平衡方程如下：

式（1）中：

UA、UB、UC：定子绕组相电压，单位为V；

iA、iB、iC：定子绕组相电流，单位为A；

RA、RB、RC：定子绕组相电阻，单位为Ω；

ψAA、ψBB、ψCC：自感磁链，单位为Wb；

ψBA、ψCA、ψAB、ψCB、ψAC、ψBC：互感磁链，单位为Wb。

开关磁阻每相绕组的电压、电流间满足式（1）所示的关系，若直接根据它对绕组电压的求解进行建模，建立电压源型绕组模型，会出现代数环的问题，同时直接对磁链求导也容易使模型不稳定。对式（1）进行简单的变换，即可得到式（2）所示的积分方程。

以A相为例，通过式（2）求得A相自感磁链，之后根据自感磁链与电流的关系，计算算出当前自感磁链对应的电流，将此电流作为电流源的给定，即可构成A相绕组电流，具体模型如图3所示。

图1.3中，ua为电压检测模块，检测当前A相绕组的端电压，ia为A相绕组相电流，R为相电阻，根据式（2），ua与相绕组压降（R·ia）的差值经过积分得到A相总磁链，之后减去互感磁链磁链，得到自感磁链。将自感磁链与位置角（theta）分别作为列输入向量和行输入向量提供给二维查表子模块Table（位置角、磁链、电流），该模块中已置入预先计算好的iA（ ψAA， θ ）关系数据，因此通过查表及插值计算即可得到相电流。

此外，Mabc为互感磁链存储模块，这里采用了Ansoft有限元仿真得到的数据，并根据实验数据进行了补偿；angular transformation为角度变换模块，用于角度处理；i（Psi/theta）为自感磁链模块。

1.1.2机械方程

图1.4为电机转速、角度计算模型，即机械方程（mechanical）模型。根据式（3）可得电机机械运动方程的频域表达式为

由此得到的电机转速为机械角速度，即模型中的 。之后乘以电机极对数得到电角速度，并进行积分后得电角度（theta），然后进行弧度与角度的换算，最后将角度对360°求余得到电机的电角度（electrical angle）。

1.1.3转矩计算模型

转矩计算（Torque）模型内部结构如图1.5所示。Ta、Tb、Tc为转矩查找表，TA=TA（ iA， θ ）已存入预先处理好的位置角、相电流与相转矩的数据。此数据有三种获取方式：可根据有限元分析得到；实验测量得到不同角度下转矩随电流变化数据；由磁链数据计算转矩。模型建模时采用第三种方式，这种建模方法可以直接通过电机运行的位置角及实时相电流得到相转矩，虽然需要对大量数据进行预处理，但模块本身使用方便，仿真速度和精度都较为理想。

1.2 控制器/逆变器模型

此SRM采用不对称半桥变换器，因此建立相应的仿真模型如图1.6所示。G端口为驱动输入端，来自控制器模型；V+端和V-端连接蓄电池；A1端和A2端连接A相绕组模型；B1端和B2端连接B相绕组模型；C1端和C2端连接C相绕组模型。采用Matlab SimPowerSystems 模块库中的IGBT和续流二级管模块搭建不对称半桥变换器。

1.3动力电池模型

图1.1中所示的Battery模块即为蓄电池，直接使用了Matlab自带的蓄电池模型，其参数配置与实车动力电池参数一致。

1.4负载模型

模型搭建了一种是线性负载，其负载转矩是转速的函数。

1.5SR电机控制策略模型

控制策略模型根据电机转子位置、转速、电压、三相电流等信号和旋转方向，电动/发电，目标电流/转速等指令实施对电机的控制，可实现速度闭环控制和电流闭环控制。

1.5.1速度环模型

速度环（Speed loop）模型内部结构如图1.7所示，采用PID调节器对速度误差进行调节，输出i*为电流给定。其运行原理为速度偏小时增加电流给定以提高速度；速度偏大时减小电流给定以减速。

1.5.2电流环模型

为了和将来实际控制器选用的QEP位置的检测保持一致，将电机转子位置的一个电周期360度用2048个脉冲信号来表示，并进行位置区间划分及开关码的设计，如下图1.8所示：

电流环模型主体结构由开通角/关断角计算模块，角度控制模块，电流控制模块和换相模块组成。

（1）开通角/关断角计算模块

电机运行时需要分别计算电动和发电工况下的开通角/关断角，下面以电动开通角计算为例进行说明。如下图1.9所示，首先根据给定电流、电压和转速实时计算基础开通角anSRM_Adv_TonMA，再由三相位置关系分别计算每一相的电动开通角。关断角的计算方式相同，仅参数不同。

（2）角度控制模块

角度控制模块中实时计算的三相开通角/关断角依次与电机转子的当前位置进行比较，来判断当前相的位置，给出该相当前的角度控制开通码/关断码，然后再与上一次计算的角度控制导通码/关断码进行逻辑运算后输出，保证平稳可靠换相，正转电动时的角度控制模型如图1.10所示：

（3）电流控制模块

电流控制模块首先根据三相角度控制开通码/关断码计算出当前需要开通/关断的相，然后将该相电流与目标电流比较，进行电流斩波，最终输出控制IGBT的开关码IGBT_ControlSig。其中A相电流控制模型如图1.11所示：

2　仿真及结果

2.1SR电机模型参数

本文基于 Matlab/Simulink建立了18/12三相SR电机的控制策略模型在环仿真系统，电机模型参数采用某混合动力电动车上实际使用电机的数据。以该模型为基础来研究开关磁阻电机控制系统的控制策略。SR电机参数为：额定功率40KW，最大功率60 KW，额定电压 576 V，额定转速800 rpm，最高转速3000 rpm。

2.2电流环控制仿真

断开速度闭环，电机负载随转速线性变化，给定阶跃目标电流，观察相电流、负载转矩、电磁转矩和转速。

从图2.1和图2.2可以看出给定不同阶跃的目标电流，实际的相电流能快、准确地响应，图2.3中电磁转矩与实际电流变化保持一致。图2.4和图2.5中的负载转矩和转速实时变化，图2.6和图2.7是将相电流局部放大，可以看出，控制策略对复杂的控制具有较好的动态响应。

2.3转速环控制仿真

在混合动力电动车上，转速控制主要用于换挡的过程中调节变速箱输入轴的转速，要求转速响应快，此时电机工作在空载状态，因此仿真时将负载转矩设置为0。

给定阶跃为1000的目标转速，观察实际转速响应和相电流。

从图2.8可以看出，转速动态响应的时间最快0.1s，最慢不超过0.3s，这与样车试验数据一致，可满足样车的换挡调速需求。

从图2.9的相电流可以看出，在每个阶跃的上升沿和下降沿，为了快速达到目标转速，相电流变化较快，从图2.10和图2.11中的电流局部放大可知，在转速的上升阶段电机处于电动转态，在转速的下升阶段电机处于发电转态，符合SR电机的控制规律。

3　结束语

本文首先以SR电机数学模型和有限元分析的数据为基础，结合样车SR电机实际参数，建立了准确和完善的SR电机被控对象模型，在此基础上针对实际应用，对SR电机的控制策略进行了研究和建模，最后，将SR电机被控对象模型与控制策略模型集成，构成模型在环仿真系统，利用该系统进行控制策略仿真，仿真结果验证了控制策略的精确性和有效性，同时该系统也为将来控制策略的优化和完善提供了一种快捷、实用的平台。

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罗建武：

文中对模型构建的描述清晰，思路明确，并结合有限元分析数据及相关样机试验数据，提高了仿真系统的准确性，具有较强的应用价

Modelling in the loop Simulation Study for Switched Reluctance Motor Control Strategy

JIANG Li-wei， YE Xin-wei， ZHU Jiang， ZHANG Da-shuang
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

On the basis of analysis of the mathematical model of switched reluctance （SR） motor ，combining Ansoft data ， test data and the actual prototype parameters ， first established SR motor controlled object model ， including the SR motor body model ， inverse model and so on ， then according to characteristics of switch magnetic resistance motor ， established a speed and current double closed loop control strategy model， and integrated the controlled object model and the control strategy model ，constituted a Model in Loop simulation system， finishedsimulation experiments， the results show that the designed control strategies can effectively control SR motor.

SR Motor； the controlled object model； control strategy； Model in loop； simulation

TM352

A

1005-2550（2015）05-0023-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.005

2015-03-27