开关磁阻电机控制系统设计与仿真
基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模研究
Reference speed
Speed controller io*
PI controller
Current co n tro l l e r
speed
p o si ti o n
Current controller
Angle sel e cti on Angle selection
i a,i b,i c
1 SRM 的数学模型
6/4 三相 SRM 是一个高阶、非线性、强耦合的多变量 系统，绕组电流的非正弦与铁心磁通密度的高饱和是 SRM 运行的两大特点[7]。为了便于分析，假定：
·1016·
系统仿真学报
Vol. 17 No. 4 Apr. 2005
(1) 三相绕组对称，每相的两个线圈作正向串联，忽略
效性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
关键词：开关磁阻电机 (SRM)；仿真建模；Matlab；角位置控制 (APC)；电流斩波控制 (CCC)
文章编号：1004-731X (2005) 04-1015-07
中图分类号：TM352
文献标识码：A
Study on Modeling and Simulation of Switched Reluctance Motor Control System Based on Matlab
2.2 速度控制模块
为实现 SRM 性能的快速预测与优化设计，本文在分析 SRM 数学模型的基础上，借助于 Matlab 强大的仿真建模能 力，利用 Simulink 中内含的功能元件，提出了一种基于 Matlab/Simulink 建立 SRM 控制系统仿真模型的新方法，有 效克服了现有 SRM 建模方法存在的不足。其基本思想是： 将 SRM 电 机 控 制 系 统 的 功 能 单 元 模 块 化 ， 在 Matlab/Simulink 中建立独立的功能模块：SRM 本体模块、 速度控制模块、电流控制模块、转角选择模块、参数计算 模块等，将这些功能模块进行有机整合，即可搭建出 SRM 控制系统整体设计的仿真模型。其中，速度环中采用 PI 控 制 ， 电 流 环 中 将 角 位 置 控 制 （ APC ） 与 电 流 斩 波 控 制 （CCC）相结合，以保证电机高速、低速运行时都有理想 的控制性能。该方法思路清晰，实现便捷，效果理想，仿 真结果证明了该种建模方法的快速性和有效性。
基于ANSOFT开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究
和三 维 有限 元模 型， 采用 不同控 制策 略对开 关磁 阻电机 有 限元 模 型 进行 动 态 仿真 研 究 。 有 限元 仿真 结果 与 将 ＭＡＴ ＡＢ仿真结果进行 比较 ， 果表明有 限元法建 立的 Ｌ 结
理论与设计
基于Ａ Ｏ Ｔ ＮＳ Ｆ 开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究
凌岳伦 王勉 华 王 岩 石 磊 温 东 园
西安 科技 大 学 （ １０ ４） ７０５
Ｓｉ ｕｌ ｔｏ ｔ ｙＯ ｌ ｏ ｅｉ ｇａ ｄ Ｃｏ ｔｏ ｔ ａｅ ｙｏ ｍ ａ ｉｎ Ｓ ｕｄ ｌ Ｍ ｄ ｌｎ ｎ ｎ ｒ ｌ ｒ ｔ ｇ ｆ Ｓ
应 在转 子齿对槽的位置 附近是比较严重的 ， 解 决 这一问题 的有效方法就是 采用三维有限元分
钔
。
本 文 以８６ 开 关 磁 阻电机 为研 究 对 象 ， ／极 建
立 其二 维 和 三维 有 限元 模 型 ， 对开 关磁 阻 电机 的
ｔ ｅｖ ｒ ｃ ｔ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｉ ｉｅｅｅ ｅ ｔｍｏ ｅ ， ｈ ｈ ｅ ａ ｉｙ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｃ ｆｆｎ ｔ ｌｍ ｎ ｄ ｌ ｔ ｅ
ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｏ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍｏ ｅ ｎ ＡＴ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｔ ｆｆ ｉｅ ｅｅ ｎ ｄ ｌａ ｄ Ｍ ｏ ｉ ＬＡＢ
ｈａ ｅ ｏ ｐａ ｅ ｖｅ ｂｅ ｎ ｃ ｍ ｒ ｄ．Ｔｈ ｅ ｕｌ ｎｄｉ ｔ ｄ ｔ ｔｔ ｎｉｅ ｅ ｒ ｓ ｔｉ ｃａ ｅ ｈａ ｈｅ ｆ ｔ ｉ
模 型 及其驱 动系统 有 利于对 电机 转 矩和 磁链 特 性进 行
准 确分析， 同时能 指导开 关磁 阻电机 及其 控制系统 的设
开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真
开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真在开关磁阻电机调速系统中，主要包括开关磁阻电机、功率电子器件
和控制算法三个主要部分。
其中，开关磁阻电机由转子和定子组成，通过
改变定子和转子之间的磁阻能够实现转速的调节。
功率电子器件用于控制
电机的输入和输出电力，常用的有IGBT、MOSFET等。
控制算法主要用于
实现对电机的调速控制，常用的方法有PID控制、模糊控制等。
在进行MATLAB仿真时，需要建立相应的数学模型。
首先需要将电机
的转动方程和电磁方程建立起来，然后根据电机的特性进行参数设置和仿
真实验设计。
可以通过MATLAB的仿真工具箱来实现对开关磁阻电机调速
系统的仿真，该工具箱提供了丰富的函数和算法，能够方便地进行系统建
模和仿真。
在进行仿真实验时，可以通过改变不同的参数来观察系统的动态响应。
例如，调整PID控制器的参数以改变电机的调速性能，通过观察电机的转
速和转矩变化情况来评估调速系统的性能。
同时，还可以分析电机控制系
统的稳定性、鲁棒性等，并对系统进行优化。
总之，开关磁阻电机调速系统的研究和MATLAB仿真是提高电机性能
和控制精度的重要手段。
通过建立数学模型和进行仿真实验，可以对系统
进行分析和优化，为实际应用提供参考和指导。
同时，也为开关磁阻电机
的进一步研究和应用奠定了基础。
基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法
基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法开关磁阻,论文,DSP,控制第18卷第2期浙江万里学院学报Vol.18No.2纪志成，薛花（江南大学控制科学与工程研究中心电气自动化研究所，江苏无锡214122）摘要：在分析开关磁阻电机（SRM）数学模型的基础上，利用C语言编写S-函数，提出了SRM控制系统仿真建模的新方法.在Matlab/Simulink中，构造CME某S-函数的三类简化结构，建立独立的功能模块，如电机本体模块、速度控制模块、电流滞环控制模块等，通过功能模块的有机整合，搭建SRM控制系统快速高效的仿真模型.系统采用双闭环控制：速度环采用PI控制，电流环采用角位置控制（APC）与电流斩波控制（CCC）相结合的方法，保证了SRM在低速或高速运行时都可获得满意的性能.仿真结果证明了采用CME某S-函数方式仿真建模的快速性和有效性.关键词：CME某S-函数；开关磁阻电机（SRM）；仿真建模；快速性作者简介：纪志成，江南大学控制科学与工程研究中心电气自动化研究所教授，博士，博士生导师；薛花，江南大学控制科学与工程研究中心博士研究生。
1引言因其结构简单、可靠性高、性能优良、输出转矩大等特点，开关磁阻电机（SRM）应用广泛[1]，且随着SRM应用领域的不断拓宽，对电机控制系统设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短.如何建立有效的SRM控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题，因此，对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义[2,3].对于在Matlab中进行交流异步电机仿真建模方法的研究已成为探讨的热点，例如通过编写m文件可在Simulink环境下实现SRM控制系统的仿真建模[4]，虽然m文件形式的S-函数具有容易编写和理解的优点，但由于它在每个仿真步都要激活Matlab解释器，使得仿真速度变慢，且这种方法实质上是一种整体分析法，因而在这一模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环就都需对整体系统重新建模.为此，文献[5,6]提出在Matlab/Simulink中构造独立的功能模块，通过模块组合进行交流异步电机建模，通过模块组合进行交流异步电机建模，这一方法可观性好，在原有的建模基础上添加、删除闭环或改变控制策略都十分便捷，但模块化建模的方式存在控制策略难以硬件实现的问题.开关磁阻,论文,DSP,控制2浙江万里学院学报2005年4月2CME某S-函数的简化结构利用Matlab/Simulink进行运动控制系统的建模仿真是普遍采用的方法之一，而S-函数，尤其是CME某S-函数，正是整个Simulink动态系统的核心，它不仅提供了增强和扩展Simulink能力的强大机制，同时也是使用RTW（RealTimeWorkhop）实现实时仿真的关键所在，也因此十分适合于复杂动态系统的数学描述，支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统的仿真建模[7].Matlab提供了名为funtmpl_baic.c的CME某S-函数模板，包含了所有的子程序，较为复杂，本文在此基础上提出了简单实用的三类简化结构，如图1所示.结构A结构B图1CME某文件简化结构结构C结构A：仅包含3个子函数，Initialization子函数完成S-函数的初始化工作，如初始化结构体SimStruct、设置输入/输出口、设置采样时间等；mdlOutput子函数描述S-函数的输出方程，输出值是状态某、输入u和时间t的函数，而不包括任何动态方程（微分或差分）在内；Termination子模块在仿真结束时调用，可在此完成结束仿真所需的工作.结构A仅完成由输入直接计算输出的函数描述，采样时间可为连续的或离散的，但不含状态向量，因而没有mdlUpdate子函数和mdlDerivative子函数.结构B：在结构A的基础上增加了mdlDerivative子函数，用于连续状态的求解.状态向量的一阶导是状态某、输入u和时间t的函数，通过mdlDerivative子函数完成计算，并将结果返回供求解器积数某分.结构C：在结构A的基础上增加了mdlUpdate子函数，用于离散状态的求解.下一步状态向量的值某k+1依赖于当前的状态某、输入u和时间t，通过mdlUpdate子函数完成计算，并通过求解器传递给其他模块.将这三类简化的CME某S-函数有机组合，即可完成SRM控制系统的最小化建模，实现占用最少资源的高效仿真，由于结构简单，不仅可使CME某S-函数编程灵活，删改方便，更确保了CME某S-函数高速仿真的特性.3SRM数学模型与控制系统的建立SRM控制系统采用双闭环控制方案：转速环由PI调节器构成，电流环由角位置控制器（APC）与电流斩波控制器（CCC）复合构成.根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，主要包括：SRM本体模块、速度控制模块、电流控制模块、转角选择模块、参数计算模块和电压逆变模块.利用CME某S-函数编程实现各模块的功能，再将这些功能模块有机整合，即可在Matlab/Simulink中搭建SRM控制系统的仿真模型，实现双闭环的控制算法.各功能模块的构建方法与数学模型简述如下.3．1SRM本体模块电机本体模块是控制系统的仿真模型中的关键部分，描述了SRM的本质属性，该模块完成求取SRM三相相电流、电机转速和位置信号的功能，主要由两个子模块组成：相电流生成子模块和转矩计算子模块.对于6/4三相SRM，第k相绕组的电压平衡方程可表示为LdiLdθUk=Rik+(Lk+ikk)k+ikk（1）ikdtdt开关磁阻,论文,DSP,控制第2期纪志成，薛花：基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法3式中：k=a,b,c；Uk为k相绕组电压；R为转子相电阻；Lk为k相绕组电感；ik为k相绕组电流；θ为转子位移角.根据电压平衡方程式（1）建立相电流生成子模块，模块输入量为电机转速ωr、逆变器输出的各相电压Uk（k=a,b,c）和参数计算模块输出的各相绕组电压计算参数Lt,k和Mk，输出量为各相相电流ik.SRM的电磁转矩方程为Te=运动方程为k=a,b,c∑Te,k，Te,k=θ∫ik0Ψk(ik,θ)dik（2）dωr（3）dt式中：Te为电磁转矩；Te,k为k相电磁转矩；Tl为负载转矩；ωr 为电机机械角速度；J为转动惯量.根据SRM电磁转矩方程式（2）建立转矩计算子模块，模块输入为各相电磁转矩Te,k，通过加和模块即可求得电磁转矩信号Te.同时根据运动方程式（3），由电磁转矩Te和负载转矩Tl，通过加乘、积分环节，即可得转速信号ωr，求得的转速信号经过积分可得到转子位置信号θ.TeTl=J3．2速度控制模块速度控制模块采用PI算法，结构简单，单输入：参考转速和实际转速的差值，单输出：参考相电流某，实现该功能的数学表达式可写为幅值i0某i0=kpe(t)+ki∫e(t)dt（4）0t式中：kp为PI控制器中P（比例）的参数，ki为PI控制器中I（积分）的参数，e(t)为参考转速与实际某转速的差值，即e(t)=wr(t)wr(t).3．3电流控制模块电流控制模块的作用是实现电流APC和CCC方式的复合控制，模块输入为参考相电流幅值i0，位移角θ，转速ωr和SRM本体模块输出的三相相电流ia，ib，ic，输出为逆变器控制信号.当转速ωr大于基速ωb 时，采用APC方式，输出恒功率特性，通过调节开通角θon、关断角θoff，改变相电流峰值、有效值，以达到由转矩调节实现转速调节的目的.APC方式下，固定外加电压Ud，可按比例增大导通角θc=θoffθon，以补偿转矩的下降，实现恒功率输出特性.APC方式下的相电流波形如图2（a）所示.当转速ωr小于基速ωb时，采用CCC方式，输出恒转矩特性，通过电流的限幅控制Ud加在导通相绕组上的有效时间，实现了最大磁链和最大电流的限定.CCC方式下，固定θon、θoff，通过斩波控制外加电某压Ud，若电流超出参考相电流i0幅值上限，则功率开关器件关断，迫使电流下降；若超出参考相电流幅值下限，则功率开关器件导通，又使电流开始回升，因此相电流波形近似“理想平顶波”.CCC方式下的相电流波形如图2（b）所示.电流控制模块采用APC与CCC方式的复合控制，可保证在额定运行曲线下方，SRM可运行在任一希望的机械特性上，实现较宽范围的调速特性，使仿真特性更为准确，模型性能更为优越.L(θLLmini(θL(θL某Lmini(θonoffz(a)onoffz(b)（a）APC方式（b）CCC方式图2相电流波形开关磁阻,论文,DSP,控制4浙江万里学院学报2005年4月3．4转角选择模块转角选择模块实现由位移角信号θ进行电机运行状态选择的功能.SRM相电感L(θ)的变化周期正比D于转子极对数，因此6/4三相SRM相电感的变化周期τr=90.一周期内，转子位置信号与相选择信号的对应关系如表1所示，输出的相选择信号直接输入参数计算模块，进行各相电压方程运算参数和转矩的求取.表1转子位置信号与相选择信号对应关系表3．5参数计算模块位置信号0~π/6相选择信号100对应相a相010π/6~π/3b相参数计算模块利用相选择信号、角位移θ和各001π/3~π/2c相相电流ia，ib，ic，求取参与SRM本体模块中电压平衡方程运算的参量Lt,k，Mk与各相转矩Te,k（k=a,b,c）.SRM磁路的非线性、磁通的复杂分布及相间的非线性耦合等因素，使得SRM模型中Lt,k，Mk参数的求取、电磁转矩Te,k的解析计算极为复杂，为以最简洁的近似方法计算出这些参变量，本文采用磁化特性曲线分段线性化的方法，以分饱和段和非饱和段两部分线性特性来近似非线性磁化曲线.基于此准线性模型可推理求得Lt,k，Mk，Te,k的计算公式分别为(Ψadia)0ia≤iLuia≤iΨa0ia≤i，，（5）Lt,a=Ψa==T===Me,aa >0ii>>Lii0iiiaauaaKK2KΨi(d)iiib≤i（6）θθ+≤L()iiiii≤ΨbuΨbb，0b，bb=i2iTe,b==Lt,b=Mb=b=iibθKii>iLuib>ibbKib>iK2KπK(d)Ψicc(θ0+θ)ic≤iicic≤i（7）Ψcicic≤i，ΨcLu+==Ti3=Mc==iLt,c=2ie,cicθKii>iccLuic>iKic>i式中：Lu=Ψminima某为未饱和电感；K=(Ψma某ima某Lu)3．6电压逆变模块β，β为定子极弧；i为磁化曲线开始弯曲处对应的电流值；θ0为电感开始上升变化时对应的位移角.电压逆变模块实现的是逆变器功能，输入为电流控制模块给出逆变控制信号，可根据电机所处的运行阶段输出三相端电压.4SRM控制系统CME某S-函数设计方法Matlab6.5的Simulink环境中，在分析SRM数学模型的基础上，提出了利用CME某S-函数建立SRM图3SRM控制系统仿真建模组成框图SRM双闭环控制系统主要由6个功能模块组成，利用CME某S-函数的三类简化结构，编写程序实现模块功能.其中：①电机本体模块，描述SRM机理特性，具有连续采样时间和连续状态，采用7输入4开关磁阻,论文,DSP,控制第2期纪志成，薛花：基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法5输出的B结构；②速度控制模块，实现PI控制策略，具有离散状态，采样时间1m，采用2输出1输出的C结构；③电流控制模块，实现APC和CCC的复合控制，具有连续采样时间，无状态向量，采用4输入3输出的A结构；④转角选择模块，实现电机运行状态的选择功能，无状态向量，采样时间1m，采用1输入1输出的A结构；⑤参数计算模块，求取电压平衡方程中的运算参量，无状态向量，采样时间0.1m，采用6输出3输出的C结构；⑥电压逆变模块，描述逆变功能，具有连续采样时间，无状态向量，采用3输入3输出的A结构.结构A为CME某S-函数的最简架构，结构B、C是结构A的拓展.模块的输入、输出间为简单的直馈关系，无连续或离散状态向量时，可采用结构A编写CME某S-函数；当需实现一个连续系统时，首先在结构A的基础上，对结构B模板中的mdlInitilizeSize子函数做适当修改，包括对连续状态个数、状态初始值和采样时间的设置等，还需编写mdlDerivative子函数，对于多变量系统，系统结构向量返回的是所有连续状态的导数，最后在mdlOutput子函数中对系统输出方程做一修改；当需实现一个离散系统时，首先在结构A的基础上，对结构C模板中mdlInitilizeSize子函数的离散状态个数、状态初始值和采样时间等设置做适当修改，然后编写mdlUpdate和mdlOutput子函数，分别输入要表示的系统离散状态方程和输出方程.三类简化结构简单实用，有效实现了易编、易改、易理解的编程原则，确保了设计效率与质量.5仿真结果本文基于Matlab/Simulink建立了6/4三相SRM控制系统的仿真模型，并对该模型进行了双闭环控制方式的仿真实验.SRM参数为：电机相电压Ud＝300V，最大相电流I0ma某＝10A，相绕组电阻R＝1.5Ω，定、转子极弧β＝βr＝30°，饱和时的最大磁通Ψma某＝0.8Wb，最小磁通Ψmin＝0.16Wb，磁化曲线转折处对应电流值i＝2A，转动惯量J＝0.002kg·m2，额定转速ne＝500rad/，极对数np＝2.为了验证所设计的SRM控制系统仿真模型的静、动态性能，系统空载起动，进入稳态运行后，在t＝0.3时参考转速由500rad/突变为150rad/，在t＝0.5时突加负载转矩Tl＝8N·m，在t＝0.6时卸载至1N·m，同时参考转速由150rad/突变为700rad/，稳态t＝0.8时再突增负载转矩至3N·m，可得系统转速、转矩、a相电流、a相电压波形如图4～7所示.由仿真波形分析可得：在ne＝500rad/额定转速下，系统响应快速且平稳，相电流和相波形较为理想，参考电流的限幅作用十分有效；空载稳速运行时，参考转速由500rad/突降至150rad/，电机工作在CCC方式下，再突增为700rad/后，电机工作在APC方式下，突变过程中电机实际转速始终能迅速跟踪给定，超调小，无静差，说明系统反应快速，具有较高的控制精度；在t＝0.5，0.6，0.8时突变负载转矩，电机转速有小跳变，但能够快速回复至平稳运行状态，说明系统运行特性对参数扰动有较强的鲁棒性.仿真结果证明了这种新型的基于CME某S-函数SRM仿真建模方法的有效性.)/dar(wW/（rad·-1）t()图t/开关磁阻,论文,DSP,控制6浙江万里学院学报2005年4月Ua/V)V(aUia/A)A(ait/t()t()t/图6a相电流波形图7a相电压波形5结论本文在分析SRM数学模型的基础上，提出了一种基于CME某S-函数仿真建模的新方法.将该方法应用于Simulink环境下SRM控制系统模型的设计，采用经典的速度、电流双闭环控制方法对该建模方法进行了测试，仿真实验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性.采用简单明了的三类CME某S-函数简化结构，使得实现、验证控制算法十分便捷，改换或改进控制策略十分简易，只需对部分编程语句进行修改即可实现功能模块的更新或替换.特别的是，与m文件S函数建模和框图建模相比，结合了C语言优势的S-函数仿真速度最快，而且可实现对操作系统和硬件访问的特点，使得该方法为设计和调试实际SRM控制系统提供了有效的手段和工具.。
开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制系统设计与仿真
Ａｂｔａｔ ｉ ｃ ｉｓ ｎａｅｕ ｒｕ ｏｔ ｌ Ｄ Ｔ ）ｍｅ ｏ ｄ ｃ ｅ ｏｑｅｒ ｐｅ ｆ ｗｔ ｅ ｌｃ ｎｅ ｓ ｃ：Ｄｒ ｔｎｔ ｔｎｏｓ ｏｑｅｃｎｒ （ ＩＣ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｔ ｄｔ ｒ ｕｅｔ ｒｕ ｐ ｌ ｏ ｉ ｈｄｒ ｕｔ ｃ ｈ ｏｅ ｈｔ ｉ ｓ ｃ ｅ ａ
ＬＩＤａ ｗｅ ． — ｉ ＷＡＮ Ｇ ｉ — ａ． Ｍ ａｎ ｈｕ Ｕ ｕ — ａｎ Ｃｈ ｎ ｙｕ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｌｃ ｉ ａ ｄＣ ｎｒ ｎｉｅ ｒ ｇ ｉ ａ ｎｖｒ ｔ ｏ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅ ｔｃ ｎ ｏ ｔ ｌ ｇ ｅｉ ，Ｘ ’ｎ Ｕ ｉ ｓｙ ｆ ｉ ｃ ｎ Ｅ ｒ ｏＥ ｎ ｎ ｅ ｉ Ｓ ｅ
ｓ ｅｄ ａｊ ｓ ｎ ｅｉ ．Ｔ ｒ ｕ ａ ｅ ｒ ａ ｇ ａｌ ｓ ｐ ｒ ｒｔ ｔａ ｏ ａ ｉｏ ａ ｃ ｒ ｎ ｃ ｏ ｏ ｔ ｌ ｅｈ ｄ ｔ ｐ ｅ ｄｕ ｔ ｇｐ ｒ ｄ ｏｑ ｅ ｗ ｖ ｆ ｍ ｗ ｓ ｒ ｔ ｕ ｅｉ ｔ ｆ ｒ ｔ ｎ ｌ ｕ ｒ ｔ ｈ ｐ ｃｎｒ ｔｏ ．Ｉ ｉ ｏ ｏ ｅ ｙ ｏ ｏ ｈ ｔｄ ｉ ｅ ｏｍ
ｔ ｒ ｕ ｏ ｔ ｏｌ ｒ ｏ ｑ ｅ ｒ ｐ ｌ ｅ ｔ ａ ｎ ｏ ｑ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ；ｔ ｒ ｕ ｉ ｐ ｅ ｒ ｓｒ ｉ ｅ
０ 引 言
开 关 磁 阻 电 机 （ ｗｔ ｅ ｅｕ ｔ ｃ ｏｏ ， Ｓ ｉ ｈ ｄ Ｒ ｌｃ ｎ ｅ Ｍ ｔ ｃ ａ ｒ
制 的角度 抑制 Ｓ Ｍ 的转 矩 脉 动 已成 为 各 பைடு நூலகம்学 者 Ｒ
Ｄｉ ｅ ｔ Ｉ ｔ ｎ ａ ｅ ｕｓ Ｔｏ ｑ ｎ ｒ ｌＳ ｓ ｅ ｓ ｇ ｎ ｒ ｃ ｎｓ ａ ｔ ｎ ０ ｒ ｕｅ Ｃｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｍ Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ
开关磁阻电机控制系统设计
摘要开关磁阻电机调速系统是一种新型电机调速系统，结构简单，成本低，调速性能优异，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，具有强大的市场潜力。
本文以DSP为控制核心，研究并设计了15kW三相12/8极SRM的调速实验系统，用于SRM控制技术的研究。
本文概述了开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD)及其发展和研究现状，论述了其主要研究方向，阐述和分析了开关磁阻电机的结构、运行原理以及系统控制。
并且对SRD系统总体硬件结构进行了设计。
采用不对称半桥型结构，在进行了相关功率器件选型计算的基础上设计了该SRD调速实验系统的功率变换器。
然后，以TMS320LF2407为核心设计了开关磁阻电机控制系统的硬件电路，给出了包括电流检测、位置检测、故障保护等部分电路的详细设计，充分利用了DSP的丰富外设资源，达到了简化电路结构、提高运行可靠性的目的。
另外本文讨论了开关磁阻电机控制软件的设计，采用模块化编程方法，采用基于多中断的控制程序，提高了控制软件的效率。
最后，利用MATLAB/SIMULINK对上述12/8极开关磁阻电机调速系统建立了非线性仿真模型，并对该系统进行了仿真实验，实现了调速，并达到了开关磁阻电机调速系统研究和设计的预期目标，验证和深化了前文所取得一些理论成果，同时也为更近一步研究打下了基础。
关键词：开关磁阻电机；调速系统；DSP；MATLAB/SIMULINK；仿真ABSTRACTSwitched Reluctance Drive system is a new motor drive system. It has many good features for example simple structure, low cost and excellent driving performance. It's the strongest competitor to traditional AC and DC drive system, so it has powerful future.This paper developed a speed experimental system for a 3-phase 12/8-pole SRM of 15 kW based on TMS320LF2407 DSP, which can be used for the technical research on SRM control.The thesis summarizes the development and research of switched reluctance drive (SRD), discusses the main research direction. The structure of SRM, operation principle, and the control scheme of the SRD are elaborated and analyzed. And the whole structure of hardware is schemed out for the SRD speed experimental system. Adopting the dissymmetry half-bridge structure, a power converter is designed for the system after selection calculation of the corresponding devices. Then, TMS320LF2407 DSP is used to design the hardware circuits of SRM control system, and design details including the current detection, position sensing, fault protection and PWM output etc. are provided. Because of the full use of the abundant peripheral resources of DSP, it comes to the aim simplifying the circuit structure and heightening the reliability. Also, the thesis discusses the routine designing issue. Because the modularized programming method is adopted, and multi-interrupt processing technique is used, operation efficiency of the control software is highly raised. At last, with the MATLAB/SIMULINK a nonlinear simulation model for the foregoing 12/8-pole SRM control system is established. And the simulation experiments have been done on this model. Speed adjustment is realized, and other targets on the research and design of SRM control system are reached, which establishes a good foundation for further research.Keywords：Switched Reluctance Motor; Drive System; DSP; MATLAB/SIMULINK；Simulation目录1 绪论 (1)1.1开关磁阻电机的发展概述 (1)1.2开关磁阻电机调速系统组成 (2)1.3开关磁阻电机调速系统研究现状和方向 (2)1.4本文研究的内容 (4)2 开关磁阻电机原理 (5)2.1开关磁阻电机的基本结构和运行原理 (5)2.1.1电机结构 (5)2.1.2运行的原理 (6)2.1.3电机的基本方程 (7)2.2开关磁阻电机调速系统的基本控制方式 (8)2.2.1角度控制方式(APC) (9)2.2.2电流斩波方式(CCC) (10)2.2.3电压斩波PWM控制方式 (11)2.2.4组合控制 (13)2.3系统控制方式及控制策略的确定 (13)3 SRD调速实验系统硬件设计 (15)3.1 SRD系统设计方案 (15)3.2基于TMS320LF2407控制器的SRD系统硬件结构设计 (16)3.3功率变换器设计与选型 (18)3.3.1功率变换器主电路的选择 (19)3.3.2功率开关器件的选择及参数计算 (19)3.3.3 IGBT驱动电路的设计 (21)3.4控制、检测和保护电路的设计 (22)3.4.1转子位置检测 (22)3.4.2 PWM输出电路 (23)3.4.3电流检测电路 (24)3.4.4故障检测与保护电路 (25)3.4.5键盘与显示电路 (27)4 软件设计 (29)4.1总的设计思路 (29)4.2主程序设计 (29)4.2.1初始化子程序 (29)4.2.2键盘和显示子程序 (31)4.2.3功率驱动保护子程序 (32)5 SRD系统仿真 (34)5.1基于MATLAB/SIMULINK的SRD非线性仿真模型的建立 (34)5.2 CCC方案下SRD仿真模型 (35)5.3 仿真结果 (40)6 总结 (45)参考文献 (46)翻译部分 (48)中文译文 (48)英文原文 (57)致谢 (68)1 绪论开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive，SRD)是80年代中期发展起来的新型调速系统[1]。
开关磁阻电机驱动系统的仿真研究
Ｚ ａ ｇ Ｇｕ ｙ ｈ ｎ ｉｕ
Ｓ ａ ｄ ｎ ｏ ａｉ ｎ ｌ ｌ ｇ ｆＩ ｄ ｓｒ ｈ ｎ ｏ ｇ Ｖ ｃ ｔ ａ ｌ ｅｏ ｎ ｔｙ ｏ Ｃｏ ｅ ｎ
摘
要： 针对开关磁 阻电机 应用开发中的问题 ， 采用
设计是现代产品设计的发展趋势。
ＭＡＴ ＡＢ ｓ ＭｕＬ ＮＫ以及有 限元计算软件对开 关磁 阻 Ｌ ／Ｉ Ｉ 电机 进行了建模 和仿 真的研究 。 结果证 明了此建 模方 法 的合 理性 、 有效 性 ， 为实际 电机 控 制系统 的设计 和调 试 提供了新的思路。 关键 词： 开关磁阻电机 仿真模型 控制器
Ｓ ＲＭ的基 本 方 程 组可 以总结 如下 ：
Ｖ ｉ， ２ … ， ； ｋ【ｌ ｉ， ｑ
：
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｓ ｔｈ ｄ Ｒｅ ｕ ｔ ｎ ｅ Ｍ ｏ ｏ Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｙ ｒ ｓ ｗｉ ｅ ｌ ｃ ａ ｃ ｔ ｒ ｃ ｉ ｌｔｏ
Ｍ ｏ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｌｒ ｄｌ ｎｒ ｌ ｅ
开关磁阻电机驱动系统 （ ＲＤ 是２ 世纪８ Ｓ ） ０ ０ 年代 出现 的一种新型机 电一体化 的可控调速驱 动系统 。 它是电机技 术与现代 电力电子技术 、 微 机 控制技 术 相结合 的产物 。 由于开关磁 阻电机
（ｌ ｉ， ｆ， ｉ； ） ｆ ２ …， ｋ …，ｑ ０ ，
ｋ（ ， ｉ， ｉ） ｉ ｎ，２ …，ｑ ｄｋ
砌 则系 统 的状态 空 间模 型 可表 示 为 ： ，
Ｘ２
Ｓ Ｍ模型可 以分为电磁和机械两大部分， Ｒ 如
图２ Ｓ 。 ＲＭ的 电磁 模 型 输 入 绕 组端 电压 和 转 子 位
置角， 输出电磁转矩 ； Ｒ Ｓ Ｍ机械模型输入电磁转 矩和负载转矩 ， 输出转子位置角， 两个模块通过 电磁转矩和转子位置角耦合在一起。
直线开关磁阻电机控制策略仿真研究
（ ｃｏ ｌｆ ｎｏｍａｉｎａ ｄＥｅｔｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ｉａＵ ｉｅｓｔ ｆＭｉｉ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｘ ｚｏ ２ ０ ８ Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｏｉｆ ｒ ｔ ｎ ｌｃ ｃ Ｅ ｇｎ ｅｉ ， ｈｎ ｎｖｒｉ ｏ ｒａ ｎ ｙｏ ｎｎ ｄＴｃ ｎ ｌｇ， ｕｈ ｕ２ １０ ， ｈｎ ） ｇａ
０ 引 言
直 线开 关磁 阻 电机 可 以认 为是在 旋转 开关 磁 阻 电机 的基 础上进 行 结构变 化而 来 ，即将 一 台旋转 开 关磁 阻 电机 沿径 向剖开 ，再把 电机 的 圆周展 开成直 线 ， 由原 来 的定子演 变而 来 的一侧 叫做初 极 ， 由转
关磁 阻 电机 的瞬态磁 场变 化成 为 电机设 计 时特 别 关 注 的性能 之一 。近年 来 ，有 限元分 析软件 被广 泛应 用于 电机磁 场 问题 的求解 和仿 真过 程 中， 已成 为 电 机设 计和 分析 的重要 工具 。其 中 Ｍ ｘ ｅ ｌ ０软件在 ａｗ ｌ ２ 低频 二维 电磁场 仿 真方面 具有 出色 的性 能 。本文采 用 Ｍ ｘ ｅｌ Ｄ软件 建立 直线 开关磁 阻 电机模 型 ，并 ａ ｗ ｌ ２
子演 变而 来 的一侧 叫做 次极 。其 中 ，又 可 以把 固定
不动 的一侧 称 为定子 ，运 动 的一 侧称 为动 子…。 直 线 开关磁 阻 电机为 双 凸极结 构 ，一般其 定 子 上有 多相 集 中绕 组 ，动 子上 既无 绕 组也 无 永磁 体 ， 其工 作 原理与 旋转 开关磁 阻 电机类 似 ，遵 循 “ 阻 磁 最 小原 理 ” ，即磁 力 线 具有 力 图缩 短 磁通 路 径 以减 小磁 阻增 大磁 导 的本 性 ，从而 使 电动机 定 、动子之
基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真（可编辑）
基于Ansoft的开关磁阻电机建模与仿真维普资讯 ////0>.∞喇理论与设计基于的开关磁阻电机建模与仿真杨丽伟张奕黄北京交通大学摘要:采用公司的和模目前,国内外对开关磁阻电机及其控制系统块建立了开关磁阻电机的模型,给出了电机的功率变换电的仿真大多是用或者来进行的,路,构建了一个完整的仿真系统。
通过对模型的有限这些方法一般根据电机的状态方程进行仿真。
由元分析,得到了的随转子位置变化的电感曲线,同时于开关磁阻电机的运行过程中的非线性特性,在得到了转矩、相电流及磁链曲线。
仿真结果为的优化它运行过程必然会有一些参数发生非线性变化】设计及进一步的研究提供了理论依据。
关键词:开关磁阻电机有限元法仿真分析例如电流、电感等等 ,以固定参数代入方程进 :行求解的方法必然带会来很大的误差,而且由于电机结构特殊性,它的参数也很难由传统的参. ?数计算方法来精确确定。
有限元法是一种离散化数值计算方法,能够精确地对电机的性能进行仿.真。
文中采用公司的和 , ..模块,利用电磁场有限元方法对开关磁阻电机的 .瞬态性能进行精确分析,从而完成对开关磁阻电机的瞬态仿真研究。
.:开关磁阻电机有限元模型的建立开关磁阻电机是近年来随着电力电本文以电动汽车用开关磁阻电机为研究对子技术和控制技术的发展而诞生的一种特种电象。
首先根据的基本参数在中机。
开关磁阻电机以其结构简单、坚固、成本低生成了二维几何模型,然后利用本身的接廉、可靠性强、起动转矩大、效率高等优点,已经口将几何模型导入 ,再用在许多领域得到了应用。
但是,由于开关磁阻中的瞬态模块进行有限元计算。
求解中运用了 ?电机的结构的特殊性,许多问题极待解决。
例如软件可以定义外加电路的特点,建立了的的振动、噪声问题,开关磁阻电机的特殊应驱动电路模型,与模型构成一个完整系统进行仿用,以及现代控制理论在开关磁阻电机中的应用真。
这使得仿真结果更加接近电机实际运行的情研究等。
因此,对开关磁阻电机的瞬态性能进行况,更为精确地反映了电机的运行性能。
开关磁阻起动／发电机系统的建模与仿真
ＶＯ．２５ ＮＯ １ ．１
湖 ０年 ２月
Ｆｅ ２ Ｏ ｂ． ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ｉ ｉ ｅｓ ｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ａ ｆ Ｈｕ ｅ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｙ
图 １ 功 率 主 电路
电机 的三相 绕 组 与 不 对 称 半 桥 主 电 路 相 连． 在
接有 １ 二极 管 （ Ｄ ） 由 于 电机 发 出 的 电 能具 有 个 Ｒ ． 脉动 性 ， 了使输 出电压 达 到航 空 电源 的技术 要求 ， 为 发 电母线 电压 需 经过 一 个 滤 波 电路 后 输 出． 波 电 滤 路 由 ２个 电容 （ Ｃ ） 一个 电感 （ 构 成． Ｃ ，。 和 Ｌ） Ｓ Ｍ 的数 学模 型可 表示 为 ： Ｒ
前 ，Ｒ Ｓ Ｍｓ已经 被 成 功 应 用 于 飞 机 电源 系 统口 ］ 混 、
功能 ， 又具 有发 电功能 ． 文针 对一 台应 用在 航 空领 本 域 的开 关磁 阻起 动／ 电 机 系 统进 行 数 学 建 模 和 仿 发
真 ， 现整 个 系统 的性 能预 估 和参数 设 计 ， 实 以验证 系 统设 计 的正 确性 ．
ＲＤ 。 …
１ 数 学模 型
开 关磁 阻起 动 ／ 电系 统包 含 ３个 主要部 分 ： 发 一 台三相 １ ／ ２ ８极 开关 磁 阻 电机 、 功率 主 电路 和滤波 电 路． 功率 主 电路 如 图 １ 示 ． 所
。Ｖ Ｌ卜 ＵＴ ｌ ｒｆ ＿ ｂ ＿ Ｉ Ｃ ｌ Ｉ ＝ ｈ － Ｐ ａ Ｐ ｓ ｌ ｅ Ｃ ： ｊ ｌ
链 ； 是转 子角 速度 ； 丁． 丁，Ｊ 分别 是 电磁转 矩 和负 载 转矩 ； Ｊ是转动 惯 量 ； 转 子 位 置 角 ；， 臼是 己 是 电机 绕
基于MATLAB的开关磁阻电机调速系统的建模与仿真
1.3当前的主要研究热点和发展方向
开关磁阻电动机调速系统同样也存在一些自身的不足和缺点，这主要表现在以下几个方面：
（1）系统采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。
（2）开关磁阻电动机运行时转矩脉动较大，通常转矩脉动的典型值为±15%，由转矩脉动导致的噪声问题以及待定频率下的谐振问题也较为突出。
(4)起动转矩高，启动电流小
(5)可控参数多，调速性能好
(6)适用于频繁启动、停车以及正反转运行
(7)效率高，损耗小
开关磁阻电动机调速系统作为一种新型的调速系统，兼有直流传动和普通交流传动的优点，以向各种传统调速系统挑战的势头正在逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械以及汽车辅助设备等领域，显示出强大的市场竞争力。
2.2开关磁阻电动机介绍
开关磁阻电机（SR电机）的基本结构及基本原理的提出可追溯到19世纪40年代，那时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电机旋转是简单易行的，但由于电机的运行特性(效率、功率因数、利用系数等)很差，仅应用于少数小功率场所，因而一直没有引起人们的研究兴趣。直到20世纪60年代，大功率晶闸管投入使用，为开关磁阻电机的研究和发展奠定了重要的物质基础。
2.3.2国内研究
从1984年开始，我国许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如北京纺织机电研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、河海大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达一斯米克公司等，且开关磁阻电机调速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机调速系统的开发研究起点较高，目前各单位都集中于较优的三相和四相控制方案，至今国内已有十余家单位推出不同性能、不同用途的从1kw至55kw等多种规格的系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交换器是SRD系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的主要因素，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电提供电源，起控制绕组开通与关断的作用。由于SR电机绕组电流是单向的，使得功率变换器主电路不仅结构简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，可以避免直通短路危险。但是合理选择和设计功率变换器是提高SRD的性能价格比的关键之一，功率变换器主电路形式的选取对SRM的设计也直接产生影响。SR电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。
基于VB与Ansoft混合编程的开关磁阻电机设计与仿真
（ 哈 尔滨理 工 大学 电气与 电子 工程 学 院 ， 黑龙 江哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ８ ０ ）
摘 要 为 了缩短 开关磁 阻电机 的研 制周期 ， 根据 开关磁 阻电机 的电磁设 计原理 和方法 ， 研
发了基于 Ｖ Ｂ和 Ａ ｎ ｓ ｏ ｌ ｆ Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 混合编程的开关磁阻 电机 电磁设计软件 。提出了 Ｖ Ｂ与 Ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｍａ ｘ—
Ｍ ｉ ｘ ｅ ｄ Ｐｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍｉ ｎｇ ｏ ｆ ＶＢ ａ ｎｄ Ａｎｓ ｏ ｆ ｔ
Ｗｅ ｎ Ｊ ｉ ａ ｂ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｌ Ｙ ｕ ｐ ｉ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ －
中图分 类号 ： Ｔ Ｍ３ ０ １ ． ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ８ － ７ ２ ８ １ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ － ０ ０ ２ ５ － ０ ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ Ｒｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ
Ｏ 引 言
开关 磁 阻 电机 （ Ｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ Ｒ ｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ，
此部 分是性 能计 算 和结 构调整 的依 据 。
目前见到的 Ｓ Ｒ Ｍ机辅设计软件主要有以下
基于AnsoftMaxwell2D的开关磁阻电机仿真研究
基于A n soft M axw ell 2D 的开关磁阻电机仿真研究收稿日期:2004-11-22修回日期:2005-10-08周会军 丁文 鱼振民(西安交通大学电气工程学院,西安,710049)摘 要:基于A nsoft M axw ell 2D 的仿真环境,建立了开关磁阻电动机(SRM )的系统仿真模型。
在建立仿真模型基础上,对电动机的基本特性进行了仿真研究,获得了电机不同位置时的磁场分布、静态电磁参数和动态性能仿真结果。
仿真结果可以用于指导该型电机及其控制系统的设计和优化。
关键词:开关磁电动机;A nsoft 软件;M axw ell ;2维磁场中图分类号:TM 352 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)06-0010-03Si m ula tion and Ana lysis of Switched Reluctance M otorZHOU H u i -jun ,D I N G W en ,YU Zhen -m in(Shoo l of E lectrical Engineering ,X i’an J iao tong U niversity ,X i’an ,Ch ina )Abstract :T h is paper introduces the modeling of s w itched reluctance mo to r using M axw ell 2Dof A nsoft co rpo rati on .T he basic perfo r m ances of SRM are analyzed based on the model ,w h ich include the distributi on of m agnetic field at the vari ous ro to r po siti on ,static electrom agnetic characteristics and dynam ic si m ulati on results .T he results o si m ulati on can be available to design and op ti m ize th is new type m ach ine and contro l system .Key words :SRM ;A nsoft ;Si m ulati on ;M axw ell 2D0 引 言开关磁阻电机驱动系统由电机本体(Sw itchedR eluctanceM o to r ,简称SRM )、功率变换器、位置传感器和控制器4部分组成[1]。
48V1.5kW开关磁阻电动机设计优化及驱动系统仿真的开题报告
48V1.5kW开关磁阻电动机设计优化及驱动系统仿真
的开题报告
本文的题目为“48V1.5kW开关磁阻电动机设计优化及驱动系统仿真”，主要涉及到电动机设计与驱动系统仿真方面的研究。
本文的研究目的在于探究开关磁阻电机在电机设计和驱动系统方面的优化与研究。
开关磁阻电机具有高效能、高功率密度、高扭矩密度、起动、制动、换向方便等优点，因此被广泛应用于电动汽车等领域。
但其设计和驱动系统方面的研究相对较少。
文章主要分为以下几个部分：
第一部分：绪论。
介绍了开关磁阻电机的基本原理和应用领域，以及研究背景和意义。
第二部分：开关磁阻电机设计。
从磁路设计、定子绕组设计和转子设计三个方面进行电机设计，优化开关磁阻电机的设计参数，提高电机效率和性能。
第三部分：开关磁阻电机驱动系统。
介绍开关磁阻电机驱动系统的工作原理和控制策略，以及对电机的速度、扭矩和位置等参数进行闭环控制。
第四部分：仿真与实验。
使用电磁场仿真软件和MATLAB/Simulink 等软件对电机和驱动系统进行仿真分析，验证设计和控制策略的正确性和可行性，并通过实验对仿真结果进行验证。
第五部分：结论与展望。
总结本文的研究内容和结论，并对未来的研究方向进行展望。
本文所涉及的研究内容将有助于开展更深入的开关磁阻电机相关研究，并为相关领域的工程应用提供启示。
电子论文-开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真
1.2.3 SRD系统的特点和优点
SRD调速系统之所以被越来越多的人所关注，是因为其本身有许多自己的特点和优点。
(1)SR电机结构简单、优点多
SR电机是将电能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组，制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形；另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却；其次，电机转矩方向与相电流方向无关，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率 ；最后，电机启动转矩大，可靠性高，能适用于危险的环境，且控制方式很灵活。
开关磁阻电机驱动系统模糊控制器的设计与仿真
静 态性 能 ，可 以采 用 模 糊 控 制 代 替 传 统 的 Ｐ Ｄ 控 Ｉ 制 。事实 上 ，随着单 片机及 ＤＳ Ｐ性 能 的不断 提 高 ， 设计 出一 个能 够进行 在线计 算 、推理 的模糊 控制 器
是 完全可 行 的 。
１ 可 在 线 计 算 的模 糊 控 制 器 设 计
０ 引 言
开关磁 阻 电机 （ 以下 简 称 Ｓ Ｍ）具 有 结 构 简 Ｒ
如 图 １ 示 。其 中 ，模糊 控制 器主 要是控 制 电流 的 所 给定值 ，实现 电流 斩 波控 制 （ 简称 为 Ｃ Ｃ控 制 ） Ｃ ， 而角度控 制 （ 简称 为 ＡＰ Ｃ控 制 ）则 由另 外 的控 制 模块 完成 。为 了加强 控制 器在稳 态点 附近 的控制 作 用 ，进一 步削 弱转 矩脉动 的影 响 ，可 以并联 一个 积 分 环节 。这样 ，具 体 的 速 度 控 制 器 结 构 如 图 ２所 示 。图中 Ｅ、Ｅ Ｃ分别 代 表 经 过归 一 化 运算 后 的转
控 制器具 有运 算简便 ，可 进行在 线推 理计 算 的特 点 。文章 不但介 绍 了具体设 计 方法 ，还 给 出了相
应 的仿真 结果 。仿真 结果表 明作 为 Ｓ ＲＭ 调速 系统 中的这 种模 糊控 制器具 有较 好 的控制效 果 。
关键 词 ：开关磁 阻电动机 ；调速 系统 ；模糊 控制器 ；在 线推 理计 算 ；设 计 ；仿真
单 和坚 固耐 用 的特 点 ，低 速时转 矩 大 ，电流小 ，高 速 恒功 率 区域大 ，系统 的调速 范 围宽 ，效 率高 ，因
而可应 用于 家用 电器 、工业伺 服与 调速 系统 、电动 车辆等 方面 Ｅ 。但是 由于 Ｓ Ｍ 具 有很 强 的非 线 性 ｌ ３ Ｒ
开关磁阻电机无位置传感器控制系统仿真
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ：ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ｉ ｌ ｔｏ ｄ ｌｏ ｅ ｓ ｒ ｓ ｏ ｔｏｌ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｌ ｉ ｇ — ｍｏ ｅ ｏ ｓ ｒ ｅ ｏ Ｉ ｓ ｐ ｐ ｒ ａ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆ ｓ ｎ ｏ ］ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ｅ ｎ ｓ ｉ ｎ ｈ ｅ ｅ ｄ ｄ ｂ ｅｖ ｒｆｒ
维普资讯
第 ３ 第６ ２卷 ０期
文章编号：０６—９ ４ （ｏ ６ ｏ １０ ３ ８ ２ ｏ ）６—０ ０ ３ ２一Ｏ ５
计 算 机 仿 真
２６ ６ ０ 年０月 ０
开关 磁 阻 电机 无 位 置传 感 器 控 制 系统 仿 真
雷涛 ， 张晓斌 ， 林辉
ｔａ ｉｉｎ ｌ ｏ ｉ ｏ ｅ ｓ ｒ． ｈ ｓ ｐ ｐ ｒｉ ｃ ｕ ｅ ｅ ａｌ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｌｎ ａ ｄ ｌ ａ ｄ ｏ ｓ ｒ ｅ ｒＳ ｒ ｄ ｔ ａ ｓｔ ｎ ｓ ｎ ｏ Ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｌ ｄ ｓｄ ｔ ｉ ｉ ｌｔｏ ｆｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｍｏ ａ ｎ ｂ ｅ ｒｆ ＲＭ ｎ ｏ ｐ ｉ ｓ ｅ ｖ ｏ ｉ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
开关磁阻电机控制系统设计与仿真范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉【摘要】In order to improve the speed-governing performance of the switched reluctance motor at different speeds and reduce the torque ripple,a control system of switched reluctance motor is designed.A high-performance DSP (TMS570LS1227) being used as the main controlchip,magnetic encoder AS5040 measures the rotor position,the gate driver IR2130 receives six-way PWM waves and controls IBGT tube off and on.The current tracking control is adopted at low speed,and the phase voltage PWM chopping control at medium and high speed.Under theMatlab/Simulink environment the linear system model is simulated,and a real machine debugging conducted with a switched reluctancemotor,which proves the system runs smoothly with a high-speed performance,and can also effectively inhibit torque ripple and noise of the switched reluctance motor.%为了提高开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)在不同速度运转时的调速性能,降低转矩脉动,设计了一款开关磁阻电机控制系统.控制系统采用高性能DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,磁编码器AS5040测定转子位置,门极驱动器IR2130接收六路PWM波控制IBGT管的通断.低速运行时采用电流跟踪控制,中、高速时采用相电压PWM斩波控制,在Matlab/Simulink环境下对系统线性模型进行了仿真,并对一台开关磁阻电机进行实机调试.测试结果证明所设计系统运行平稳,调速性能优良,能有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动和噪声.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2017(031)001【总页数】7页(P88-94)【关键词】开关磁阻电机;电流跟踪控制;电压斩波【作者】范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉【作者单位】西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TM352;TM301.2开关磁阻电机双凸极的结构以及它的开关性(电机工作在连续的开关供电模式),决定了开关磁阻电机具有一定的固有转矩脉动,无法平稳运行,工作在低速时还伴有较大的电磁噪声,根据SRM的可控量及调速性能,在不同的速度段运行时具有角度位置控制、电流斩波、电压斩波等不同方式[1-3].目前有许多学者对SRM的控制系统做了研究,文献[4]依据开通角和关断角随电机转速变化而改变的原理设计了基于DSPACE开发平台的控制系统,虽然缩短了开发周期,但是电流峰值由旋转电动势限制,低速时该电动势减小,电流等值会超标,其他控制手段进行限流;文献[5]提出一种DTC策略下的转矩双滞环控制器,通过判断开关磁阻电机启动转矩偏差,选择空间矢量,该方法只适合于开关磁阻电机在启动阶段的控制,无法完整解决开关磁阻电机的转矩脉动问题;文献[6]和文献[7]分别采用电流双闭环和优化开关角的方法抑制转矩脉动,然而在电机换相控制时瞬间电流过大,产生负转矩,导致转矩脉动；文献[8]提出一种将上上一周期偏差和当前周期叠加到被控对象进行控制的方法,对具有周期性扰动的SRM系统有良好效果,但是抗负载扰动动态性能较差.本文在研究开关磁阻电机的调速特性,建立数学模型之后,采用高性能DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,以速度作为外环,电流控制为内环,电机在低速运行时采用间接转矩控制,对相电流进行跟踪控制,在中、高速运行时采用电压PWM斩波控制,并设计了开关磁阻电机的硬件驱动电路和软件控制程序,有效地改善了开关磁阻电机运行时的转矩脉动,提高了电机转速控制精度.根据机电关系方程式,有在线性模型中简化方程根据式(2)和(3)得以上各式中Te为转矩;θ为转子角位置;ik为k相绕组的相电流;Wm为磁储能;Ψ为相绕组的磁链;L为绕组电感.由式(4)可知,开关磁阻电机的矩角特性,当dL/dθ≥0时,由于转角的增大,电机电感上升,产生正转矩,当dL/dθ≤0时,产生一个负转矩,因此可以通过控制相绕组电流的通断,改变转矩方向[10-12].由此可知,SRM的每一相的转矩特性可以用转矩——电流——角度来描述,相邻两相相差一个步矩角,当转矩达到最大时开始降落,最大的转矩降落出现在相邻两相的矩角特性曲线重叠处,此时正是开关磁阻电机换相的瞬间,当前相不再产生电磁转矩,下一个导通相不能产生所需转矩,该转矩降落大时转矩脉动大.因此选用合适的控制技术,减小开关磁阻电机相邻两相绕组之间的最大转矩降落,可以有效地抑制转矩脉动[13-15].当SRM工作在低速时,相绕组中旋转电动势减小,相反相电流增长迅速,此时电机处于恒转矩状态,适用相电流斩波的控制方式,即跟踪相电流的控制方法,可以有效地限制相电流超过允许值,当SRM工作在中高速时,随着电机角速度增大,磁链和相电流减小迅速,转矩Te以平方下降,电机处于恒功率状态,此时采用PWM电压斩波的控制方式可以调节相绕组电压平均值,间接限制相电流,抗负载扰动动态性能更加优良[16-20].由开关磁阻电机的控制机理可知,控制相绕组电流或磁链大小可以间接完成转矩控制.本文采用TMS570LS1227作为控制芯片设计了开关磁阻电机的电流和转速的双闭环控制系统,如图1所示.速度控制器输入为SRM的给定转速与反馈速度的比较值,经过PI控制器处理,输出量为给定转矩Tref,经由转矩控制器的转矩分配函数处理,得出各相的参考电流,与各相绕组的反馈相电流比较运算,用PWM控制方式产生功率器件的开关信号.2.1 硬件设计2.1.1 磁编码器通信模块 SRM角度信号的采集采用非接触式磁旋转编码器AS5040.图2所示为磁编码器与单片机通信的硬件电路,AS5040通过串行输出接口与TMS570LS1227的SPI进行同步通信,AS5040输出最大值为1024的电角度值,对应角度信息为360°机械角度,角度信息将被用来完成开关磁阻电机的换相控制与速度测算,需要注意的是磁编码器输出信号为8位电角度信息加3位磁场信息,需要进行移位处理以保证准确性.2.1.2 驱动控制模块 SRM的驱动采用电压斩波(CVC)的方式.如图3所示,通过向高性能门集驱动器IR2130输入六路PWM波,可以使IGBT管工作在脉宽调制方式,脉冲周期固定,改变PWM波的占空比,可以调节绕组两端的电压平均值,间接改变绕组电流从而完成转速控制,此种方式适用于高低速运行,且抗扰动响应快.此外,IR2130的ITRIP、CA-、CAO引脚组成过流、欠压检测电路,系统欠电压时,因为功率器件达不到工作所需电压,会导致输出信号错乱,而过电流时,主回路或定子绕组电流超过允许值,会烧坏功率开关管,当检测到过流或欠压信号时,可以封锁输出,保护IGBT因驱动信号幅值不足或过流而损坏.2.1.3 电流检测模块三相开关磁阻电机控制系统需要3个电流传感器分别检测相电流及母线电流,图4所示为U相电流采集电路,电流传感器采用ACS756,有正电压输入、负电压输入、输出信号、电源电压和地5个端口,因为经过ACS756输出的采样电流信号为按比例缩小的电压信号,需要使用运算放大电路及滤波电路处理,防止后续电路对其产生干扰.如图4所示,运算放大电路设计为电压跟随电路使信号电压保持不变,为了消除采集电流信号的毛刺,添加了二阶低通滤波器,同时为防止采集到的信号电压过高损坏DSP,在电流信号进入DSP采样模块之前添加了3.3V钳位电路.2.2 软件设计该系统采用C语言编制完成,用来控制开关磁阻电机的转速闭环和电流闭环控制,主程序设计框图如图5所示.主程序主要由初始化程序和运行程序两大模块组成,在初始化程序完成DSP系统和SRM速度、位置等参数的初始化之后,进入无限循环的运行程序,在较低的优先级完成SRM速度测量及LED可视化输出.需要注意的是速度测量为双精度数据计算，在后台执行.SRM运行中的电流控制、位置检测、速度控制均在定时中断服务程序中进行,电机控制频率为换相控制和速度控制频率的5倍.采样中断程序由外部中断完成,频率由SRM的运行速度决定,转速越高,采样中断频率越高.为了验证所设计系统的性能,在Matlab/Simulink环境下,在不计算SRM相绕组的磁滞、涡流及互感利用模块库的条件下,建立了控制系统的线性仿真模型进行仿真实验.系统由SRM主体模块、电流控制模块、转速控制模块、转矩计算模块转角选择模块等部分组成,其中主体模块选用三相6极SRM电机,输入量为电机转速,输出量为各相电流,转速环由PI调节器构成电流环为PWM电压斩波控制器和相电流斩波控制器复合组成,电压PWM斩波频率为8kHz,母线电压220V,θon和θoff固定为10°和22°,PI调节参数KP=3.2,KI=0.6.图6为PWM波形、相电压、相电流、合成转矩的仿真图像,结果表明所设计控制系统各项指标都在合格范围,电磁转矩平稳,调速性能优良,可以有效地减小开关磁阻电机运行时的转矩脉动.本文开关磁阻电机控制系统选用TMS570LS1227为主控芯片采用低速相电流追踪控制,中、高速PWM电压斩波的控制策略,所设计控制系统可以有效抑制转矩脉动,系统精度高,硬件、软件系统运行可靠,具有使用价值.E-mail:****************FAN Panfei,ZHANG Tuanshan,YANG Bin,et al.Design and simulation of switched reluctance motor control system[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，31(1)：88-94.【相关文献】[1] 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社2010:124-151.WU Hongxing.Switched reluctance motor system theory and controltechnology[M].Beijing:China Electric Power Press,2010:124-151.[2] 袁驰,范岩.基于DSP的开关磁阻电机控制系统设计[J].电力电子技术,2009,43(2):27-28. YUAN Chi,FAN Yan.Design of SRM control system based on DSP[J].Power Electronics,2009,43(2):27-28.[3] 谢方南,朱莉莉,刘俊纯.基于MCF5213的开关磁阻电机控制系统设计[J].电机与控制应用,2011,38(3):23-27.XIE Fangnan,ZHU Lili,LIU Junchun.Design of switched reluctance motor contro-l system based on MCF5213[J].Motor and Control Applications,2011,38(3):23-27.[4] 李军伟,葛金龙,邱今胜.基于快速原型的开关磁阻电机控制系统开发[J].微电机,2015,43(8):75-78. LI Junwei,GE Jinlong,QIU Jinsheng.Development of switched reluctance motor control system based on rapid control prototyping[J].Micro Motor,2015,43(8):75-78.[5] 林诚才,张月玲,肖逢.基于DTC的开关磁阻电机平稳起动的研究[J].计算机仿真,2015,32(9):180-184.LIN Chengcai,ZHANG Yueling,XIAO Feng.Research on smooth start for switchedreluctance motor based on DTC[J].Computer Simulation,2015,32(9):180-184.[6] 王维平,张磊,朱敏.起动/发电/助力减振一体化系统用开关磁阻电机启动转矩控制研究[J].微电机,2009,42(12):87-89.WANG Weiping,ZHANG Lei,ZHU Min.Research torque control strategy of switched reluctance motor ISAD[J].Computer Simulation,2009,42(12):87-89.[7] 刘勇智,陈杰,盛增津,等.开关磁阻电机启动转矩控制策略研究[J].电气传动,2014,44(7):12-15. LIU Yongzhi,CHEN Jie,SHENG Zengjin,et al.Research on starting torque control strategy of switched reluctance motor[J].Electrical Driver,2014,44(7):12-15.[8] 刘作军,常硕,董砚,等.重复控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制策略[J].微电机,2013,46(5):44-47. LIU Zuojun,CHANG Shuo,DONG Yan,et al.Repetitive control based torque ripple reduction strategy for SRM[J].Micro Motor,2013,46(5):44-47.[9] 蒯松岩,吴涛,代尚方,等.基于RBF的无位置开关磁阻电机控制系统[J].电力电子技术,2011,45(7):52-54.KUAI Songyanl,WU Tao,DAI Shangfang,et al.Position sensorless control system of switched reluctance motor based on RBF[J].Power Electronics Technology,2011,45(7):52-54.[10] 崔晓锃,石山,刘志东.基于论域自调整的模糊PID开关磁阻电机控制系统研究[J].微电机,2012,45(2):75-77.CUI Xiaozeng,SHI Shan,LIU Zhidong.Fuzzy PID control system based on adapt-ive universe for switched reluctance motors[J].Micro Motor,2012,45(2):75-77.[11] 周芸,杨红.一种减少开关磁阻电机转矩脉动的算法[J].计算机仿真,2014,31(9):360-362. ZHOU Yun,YANG Hong.An algorithm to reduce torque ripple of switched eluctance motor[J].Computer Simulation,2014,31(9):360-362.[12] 康梅,吉敬华,赵文祥.矿用开关磁阻电机的转矩脉动优化控制[J].煤矿机械,2013,34(4):92-93. KANG Mei,JI Jinghua,ZHAO Wenxiang.Optimal torque ripple minimized control for switched reluctance motor for mining applications[J].Coal Mine Machinery,2013,34(4):92-93.[13] 刘新江.开关磁阻电机转矩估计和预测控制[D].成都:电子科技大学,2014:14-25.LIU Xinjiang.Torque estimation and predictive control of switched reluctancemotor[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2014:14-25.[14] 宋受俊,葛乐飞,刘虎成,等.开关磁阻电机设计及多目标优化方法[J].电工技术学报,2014,29(5):197-200.SONG Shoujnil,Ge Lefei, LIU Hucheng,et al.Design and multi-objective optimization method of switched reluctance machines[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(5):197-200.[15] 陈鹏.开关磁阻电机控制系统的研究与实现[D].南京:东南大学,2014:37-41.CHEN Peng.Study and implementation of switched reluctance motor controlsystem[D].Nanjing:Southeast University,2014:37-41.[16] 徐宇柘,曹彦萍,钟锐,等.基于LSSVM的开关磁阻电机转子位置估算[J].东南大学学报,2013,43(2):307-311.XU Yuzhe,CAO Yanping,ZHONG Rui,et al.Rotor position estimation of switched reluctance motor based on LSSVM[J].Journal of Southeast University,2013,43(2):307-311.[18] 杨晋岭,张英俊,谢斌红.一种新型开关磁阻电机软开关功率电路[J].煤炭学报,2014,39(1):179-185.YANG Jinling,ZHANG Yingjun,XIE Binhong.A new SRM soft switchingpowercircuit[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):179-185.[19] 李睿,马智远,徐德鸿.一种新型 40 kW 软开关三相脉宽调制整流器[J].中国电机工程学报,2011,31(33):93-100.LI Rui,MA Zhiyuan,XU Dehong.A novel 40 kW soft switching three-phase pulsewidth modulation rectifier[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(33):93-100.[20] MUHAMMAD Rafiq,REHMAN Saeed-ur,REHMAN Fazal-ur,et al.A second ordersliding mode control design of a switched reluctance motor using super twistingalgorithm[J].Simulation Modelling Practice and Theory,2012,25:106-117.。