开关磁阻电机调速系统建模与仿真分析
李书杰，金华 董健，周彦涛(太原理工大学电气与动力工程学院，太原030024)
摘要：分析了开关磁阻电机的数学模型，环境下建立了相绕组数学模型、电流置换比较环节、功率变换电路模型，结合这几个模块在电流斩波控制阶段，做了低速重载仿真分析一仿真分析证明此方法的适用性，为sR电机调速系统的分析和设计提供了一种方法。
关键词：升关磁阻电机；电流斩波；仿真分析
0 引 言
开关磁阻电机(sR电机或sRM)结构简单、肩动电流小、启动转矩大、成本低，与其他电机相比有明显优势’。但sR电机定、转子均为双凸极结构。，在转动巾存在着显著的边端效应、局部饱和现象，导致sR电机磁路的高度非线性。由此而产生的低速转矩脉动、振动、噪音等问题就不难理解了。为了，解决上述问题，许多论文试图从电子控制部分或改变sR电机结构着手。如：一相导通变两相导通、增加电机的极对数等，这些方法虽然部分地解决了上述问题，但无疑损害r电机某一方面的性能。因此应从控制部分和电机本体两方面着手解决。
本文在MmIih／simulink环境下建立了开关磁阻电机调速系统(sRD)的数学模型，为分析和设计sR电机调速系统提供了一一种方法。
l SR电机数学模型
从sR电机数学模型的提出到现在，sR电机模型的建立可以分为：线性模型、准线性模型、非线性模型，由于sR电机的磁场磁路是非线性的，线n生模型、准线性模型不能准确描述sR电机静、动态特性。为了更好的分析sR电机特性，本文采用非线性建模方法建立sR电机数学模型。
忽略了 电机各相绕组互感，则各相可以独立建模分析。对于第A相绕组，电压方程为
式中，UK为K相绕组电压；RK为第K相绕组电阻；ik为第K相绕组流过的电流；ψK为第K相绕组的磁链：而ψi为第k相绕组电流ik和转子位置角θ的函
其巾n为电机的转速。  从一相考察sR电机的电磁转矩，根据磁链分析的虚位移原理，电机在任一运行点的转矩可表示为：
2 基于Matlab／Simulink建模
sR电机调速系统由sR电机、功率变换电路、电流位置检测、控制器几部分组成，此部分建立了sR电机模块、电流斩波模块、功率变换模块。
2．1 SR电机绕组模型的建立
由式(5)、式(7)、式(9)在Matlab／Simulink环境F可搭建sR电机仿真模型如图l所示(一相绕组)，搭建模型时用到了M8tlab／simulink中L00k uptable(2 -D)二维查找模块，此模块根据输入与行和列参数进行比较，产生其输出。图中La+、La一分别接功率变换电路中一相的上下两个开关管，其巾2号输入thtea接A相绕组位置信号，Rs为电机的相绕组电阻。
运用此种绕组建模方法可以建立其他相绕组的模型，进而建立sR电机模型。此方法亦适用于任何相数的SR电机模型的建立。
2．2 电流斩波控制模块
此模块的搭建思想是在电流斩波控制阶段通过设置电流斩波上、下限控制此阶段绕组电流的大小，如图2所示。在搭建过程中用到滞环比较器(Relay)。其原理为：此模块每相有两个输入信号(实际绕组输入电流i1，和参考电流i)，如实际输入电流i1、从零开始上升，当超过参考电流i且偏差小于滞环比较器的上限ih时电流继续增大，如超出上限iH时开关管关断；当绕组电流i1，降到与。的偏差大于置换比较器的下限iL．时主开关管导通，绕组电流i1．继续增大。如此反复上述过程，直到sR电机的转速达到设定转速时切换控制．
2．3功率变换模块
本文功率模块电路选用不对称半桥型功率电路，主功率开关管选用IGBT。一相绕组的两个主开关管的导通与关断选用同一信号，这样能够保证一相桥壁上的两个主开关管同时导通、同时关断。
在电流斩波控制阶段(ccc)主开关管的导通角为0。，关断角为22。；变角度控制阶段(APc)关断角22°
3仿真结果及分析
应用上述模块及其他几个模块建立了开关磁阻电机调速系统仿真模型，并在低速阶段做了重载仿真，低速阶段也即ccc控制阶段，此阶段的非线性仿真系统采用双闭环控制方案：电流环由电流滞环调节器构成，转速环由H调节器构成；主开关管的导通角为O。，关断角为22°sR电机的额定参数及仿真参数如表1所示。
由图3(a）启动电流波形可知电流的平均值约为9 A，在9 A 上下形成一个大小为l A的带宽，由此可以论证电流滞环比较器发挥了作用，在肩动阶段能够控制相绕组电流的大小，避免电流过大对电机绕组产生电流冲击。而图3(b)为启动转矩波形则显现出sR电机的启动转矩大约为15 N·m比负载转矩大，可以实现低速重载启动
图4(a)稳态电流波形可以得出当达到给定转速500r／mim时绕组电流的下限大约为6 A，已经低于置环比较环节设置的下限8 5 A。可知，此时绕组电流已不再是置环比较环节调节，而改为PI调节图4(b)为稳态转矩波形，此时sR电机输出转矩平均值与给定负载转矩大体持平，转矩波动小。
4结论通过本文所提出的sRD仿真模型及分析，通过设置滞环比较环宽适用于sR电机启动阶段，也即ccc控制阶段，稳态时输出转矩波动不大，满足低速重载启动，基本解决了低速转矩波动。因此，本文所提出的sRD仿真方法为进一步开展sRD整体性能研究提供了一种参考方法. |
