三相12/8极开关磁阻电机驱动系统建模与仿真

王智杰　蔡燕　姜文涛

摘 要：开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）的特殊非线性结构使其设计和分析十分困难，因此准确的建模和仿真对开关磁阻电机的研究很有必要。文章利用MATLAB/Simulink仿真软件，采用模块化的思想对一台三相12/8极开关磁阻电机驱动系统（简称SRD）进行了整体建模。仿真得到的波形验证了搭建的仿真模型的正确性，该模型为进行开关磁阻电机的优化控制研究创造了条件。

关键词：开关磁阻电机驱动系统；MATLAB建模仿真；优化控制

1 概述

开关磁阻电机（SRM）定子和转子都是凸极形状，且都是由高磁导率的硅钢片堆叠而成，只在定子磁极上安装有集中绕组，转子上既没有绕组也没有永磁体[1]。与其他电机相比，其结构简单牢固、成本低、调速范围宽、控制灵活等优势十分突出，因此在需要调速和高效率的场合得到了广泛应用[2]。但是双凸极的结构也带来了磁路饱和、涡流、磁滞效应等一系列的非线性特性，严重影响了开关磁阻电机的运行性能，并且使开关磁阻电机的具体分析研究十分困难。为了准确研究开关磁阻电机的特性，必须对开关磁阻电机进行建模仿真。文章基于MATLAB/Simulink仿真系统对三相12/8极开关磁阻电机的驱动系统进行了整体建模仿真研究，將组成系统的开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分模块化，对整个系统采用转速、电流双闭环控制方法。仿真结果验证了搭建模型的正确性。文章的模型具有参数修改方便，通用性强，适用于开关磁阻电机各种运行模式的特点，为开关磁阻电机及其驱动系统的优化控制研究创造了条件。

2 基于Matlab的SRD仿真模型的建立

文章在Matlab/Simulink环境中，利用软件自带的丰富模块库，在分析了开关磁阻电机非线性模型的基础上，搭建出了SRD仿真模型。

系统采用转速、电流双闭环的控制方法，其中转速外环采用PI调节控制，电流环内环采用低速时的电流斩波和高速时的角度位置控制方式。整个SRD包括电机本体模块、功率变换器模块、控制器模块和位置检测器模块四部分，通过各个模块的协调配合，实现开关磁阻电机的稳定运行。

3 仿真结果

基于建立的开关磁阻电机驱动系统模型进行仿真，设定直流母线电压为513V，最大电感为140mH，最小电感为20mH，每相绕组电阻为1.1Ω，转动惯量为0.02kg·m2，摩擦系数为0.001N.ms，将定子凸极和转子凸极对齐的位置定义为0°。可以得到不同条件下电机运转时的电流、电压、转矩、转速的仿真波形。

3.1 低速电流斩波控制

电机低速时采用电流斩波控制，图1给出了转速n=500r/min时，采用电流斩波控制方式得到的一相电流和对应的相电压波形。从图中可以看出加在导通相绕组两端电压为母线电压513V或为零。斩波时电流下降缓慢，电流维持在给定的限幅120A附近。

3.2 高速角度位置控制

电机高速运行时，导通周期短，电流的建立和续流会占很大比例，又由于存在运动电势，因此电流峰值不大，不必采用电流斩波。通常采用控制开通角θon和关断角θoff的角度位置控制。

实际使用过程中，根据不同的系统要求，可以选取不同的优化控制方法。图2、图3分别为给定转速为2400r/min，电机高速稳定运行后，导通宽度相同，都为15.5°时，不同开通角θon和关断角θoff组合下的相电流波形和输出转矩波形。通过对比可知转速一定时，设定不同的开通角θon和关断角θoff组合，其对应的相电流大小、带载能力不同，因此可以通过控制寻找最优开通角和关断角，来提高电机出力。

3.3转速波形

转速环采用PI控制器控制，图4为控制器的PI参数分别为KP=0.5、KI=0.008，给定转速为1500r/min时的转速波形，通过PI调节，电机转速可以快速达到给定值并保持这一值不变。

4 结束语

文章利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了SRD系统的仿真模型，该模型采用模块化的思想，简单灵活、易于修改，通用性强。仿真采用转速电流双闭环控制得到了电机运行时的电流、电压、转矩、转速波形，验证了搭建模型的正确性，表明了整个系统模型可以用于开关磁阻电机优化控制的下一步研究。

参考文献

[1]王宏华.开关磁阻电机调速控制技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]朱曰莹，赵桂范，杨娜. 电动汽车用开关磁阻电机驱动系统设计及优化[J].电工技术学报，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.