Simulink中的開關(guān)磁阻電機的模型及其改進

1、Simulink中的開關(guān)磁阻電機的模型及其改進 邊敦新，董寶香，徐丙垠(山東理工大學，電氣與電子工程學院，山東淄博，)E-mail:摘要: 本文介紹了MATLAB仿真環(huán)境Simulink6.4中所帶的開關(guān)磁阻電機的仿真模型，對模型的建立、參數(shù)的設(shè)置等進行了說明，并且提出了在此模型的基礎(chǔ)將6/4極模型改造為12/8極電機的方法，并對提出的改進進行了驗證。關(guān)鍵詞: 開關(guān)磁阻電機，仿真模型Switched Reluctance Motor in Simulink and its ImprovementBian Dunxin, Dong Baoxiang, Xu Bingyi

2、n(Department of Electrical and Electronic Engineering, Shandong Universi y of Science and Technology， Zibo , P.R.China, )Abstract: The Switched Reluctance Motor (SRM) Simulink model is introduced in the paper. The details of the creation, parameter setting and realization are presented. An 12/8 SRM

3、model is obtained and is verified by theory and simulation. Key words: Switchend Reluctance Motor, Simulation Model1 引言MATLAB是常用的工程軟件，其中的Simulink提供了一種圖形化、模塊化的仿真工具，SIMULINK目前已經(jīng)提供了幾十個工具箱（TOOLBOX）為各個工程技術(shù)領(lǐng)域的科研和技術(shù)人員提供簡單易用的仿真軟件。其中的SimPowerSystems工具箱為電力電子，電力系統(tǒng)及電力拖動等領(lǐng)域提供了大量的仿真模塊，是電氣技術(shù)及自動控制領(lǐng)域工程技術(shù)人員的常用的仿真工具。S

4、imPowerSystems從4.2版（MATLAB 2006Ra ）開始提供了開關(guān)磁阻電機的模型。在MATLAB中建立開關(guān)磁阻電機的仿真模型有很多文獻介紹123，Mathworks公司最終選擇了文獻1的仿真模型。該模型有通用模型和專用模型兩種型式，通用模型以電感參數(shù)參數(shù)的形式給出模型，專用模型則以磁鏈數(shù)據(jù)的形式給出模型。通用模型所需參數(shù)少，容易獲得，能滿足一般控制系統(tǒng)設(shè)計的需要；如果能得到比較準確的磁鏈數(shù)據(jù)，則專用的精度更高一些。2開關(guān)磁阻電機的模型的結(jié)構(gòu)Simulink中的SRM模型可分為兩部分，一部分與電力電子模型接口，另一部分根據(jù)繞組電壓計算電機的運行數(shù)據(jù)。兩部分間通過電流和電壓接口相

5、連接。電力電子部分與本文內(nèi)容關(guān)系不大，不詳細介紹。圖1 開關(guān)磁阻電機的模型圖1為Simulink 中的開關(guān)磁阻電機部分的模型，定子繞組電壓減去電阻壓降得到繞組感應(yīng)電勢，該電勢經(jīng)過離散積分器后得到繞組磁鏈Flux，該磁鏈和轉(zhuǎn)子位置角Teta經(jīng)過ITBL二維查表得到繞組電流I， 電流I和轉(zhuǎn)子位置Teta經(jīng)過二維查表TTBL 得到電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過Sum求和得到總的電磁轉(zhuǎn)矩，該電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過機械運動部分得到機械運動的角速度w和位置角Teta。模型中的v、Flux、I等是向量，與電機的相數(shù)相等。二維查模塊ITBL根據(jù)磁鏈和角度查找電流，TTBL根據(jù)電流和角度查找磁鏈。ITBL表的行向量是0:PosS

6、ensor/180: PosSensor，PosSensor是電機的電感變化周期（度），列向量是0:psim/100:psim，psim是磁鏈的最大值，數(shù)據(jù)表的值是ITBLD，它是的電流矩陣。TTBL的行向量ITBL相同，列向量是0:Im/100:Im，Im是電流最大值，數(shù)據(jù)表的值是TTBLD，是的電流值。 圖2 開關(guān)磁阻電動機的觸發(fā)信號生成框圖為了生成各相的觸發(fā)信號，需要一個觸發(fā)信號生成器，圖2是一個6/4極三相SRM的觸發(fā)信號生成電路。轉(zhuǎn)子角速度w經(jīng)過比例變換從rad/s變成deg/s，然后經(jīng)過離散積分器得到三相相對位置，三相相對于對齊位置互差30度。由于電機模型中假定正方向轉(zhuǎn)動時的觸發(fā)順

7、序是向是A-B-C-A。因此A、B、C初始相對位置角分別為0，60和30度，即B相滯后A相30度，C相超前A相30度。三相相對角度對90度求余得到0-90度范圍內(nèi)的角度值，該角度通過兩個比較器與開通角alfa和關(guān)斷角beta比較，當大于等于alfa或小于等于beta時輸出1，否則為0，兩路比較輸出經(jīng)過與操作，得到在開通角和管斷角之間為1，其余為0的三相觸發(fā)信號sig。 圖3 開關(guān)磁阻電機的主電路模型圖3所示是Simulink中一6/4極三相SRM主電路模型，觸發(fā)信號G被分解為3路信號，分別驅(qū)動對應(yīng)相橋臂的功率開關(guān)。每個橋臂由兩支功率開關(guān)組成，采用典型的不對稱半橋電路4。輸入端V+ 和V-分別接

8、直流母線的正端和負端，A1，A2 ，B1，B2，C2，C2分別接電機模型的同名繞組端。3 開關(guān)磁阻電機的模型原理在SRM模型的幫助文件中介紹了模型參數(shù)的意義，關(guān)于SRM模型的原理，文獻1中有所介紹，但對模型實現(xiàn)的一些細節(jié)介紹不多，影響到模型的正確實用及改進。本文對后文中用到的關(guān)于模型的工作細節(jié)部分作簡單介紹。圖4 開關(guān)磁阻電機模型與電力電子電路的接口SRM模型與電力電子電路的接口如圖4所示，是通過From 和Goto模塊完成的。From模塊從電力電子電路得到各相繞組的電壓，Goto模塊輸出相電流到電力電子電路。在SRM模型裝入或參數(shù)發(fā)生改變時，要執(zhí)行一系列的初始化命令，這些命令可在模型上單擊鼠

9、標右鍵選View Mask查看，其中的Initialization項目下的命令值得研究。這里需要注意的是下面的命令：Rs,Im,J,B,w0,psim,ITBLD,TTBLD,PosSensor,initialw,theta0 = powericon(SwitchedReluctanceMotorParam,block, MachineType, MachineModel, PlotCurves, StatorResistance,Inertia, Friction, InitialSpeed, Lq, Ld, Lsat, MaximumCurrent, MaximumFluxLinkage,

10、 RotorAngleVector,StatorCurrentVector,MagnetisationCharacteristic);該命令根據(jù)已知參數(shù)對SRM仿真中用到的參數(shù)進行計算，這些被計算的參數(shù)是返回值Rs, Im, J, B, w0, psim, ITBLD, TTBLD, PosSensor, initialw, theta0， 其中Rs是定子繞組電阻；Ims是繞組電流最大值，在ITBL查表中用到，它實際是用戶設(shè)置的通用模型的最大電流；J是轉(zhuǎn)動慣量，B是摩擦系數(shù)，w0是初始角速度，這三個量在機械運動模型中用到；psim是繞組磁鏈最大值，在ITBL查表中用到，它實際是用戶設(shè)置的通用模

11、型的最大磁鏈值；ITBLD和TTBL分別是電流和轉(zhuǎn)矩二維表，前面模型中介紹了；PosSensor是電感變化周期的角度值；initialw是各相相對位置角組成的向量，在圖1的Pos_Sensor模塊中用于得到各相的相對角度。仿真參數(shù)的計算實際是用函數(shù)SwitchedReluctanceMotorParam完成的，它的輸入?yún)?shù)是模型的輸入?yún)?shù)，各參數(shù)的意義可參考幫助文件。該函數(shù)以p文件的形式存放，沒有程序源文件，因此具體如何實現(xiàn)上述功能無從得到。但其中關(guān)鍵的功能是根據(jù)對齊電感d,非對齊電感Lq，飽和電感Lsat，以及最大電流MaximumCurrent和最大磁鏈MaximumFluxLinkage

12、或者磁鏈數(shù)據(jù)MagnetisationCharacteristic，相應(yīng)的角度向量RotorAngleVector和電流向量StatorCurrentVector計算ITBLD和TTBLD矩陣。將/極SRM模型改為12/8極模型SimPowerSystems4.2系統(tǒng)的SRM模型只支持6/4，8/6，10/8三種類型的SRM。而12/8極SRM是目前應(yīng)用比較廣泛的一種SRM結(jié)構(gòu)型式。如果能得到12/8極SRM的Simulink模型將會帶來很多的方便。本節(jié)介紹將6/4極模型改造為12/8極模型的方法，類似地也可以得到其他類型的模型。12/8極SRM與6/4極SRM都是三相的，兩者的差別主要在于電

13、感的周期不同，6/4極SRM 的電感周期是90度，12/8極SRM的電感周期是45度。修改SRM的模型有兩種方法，一種是在現(xiàn)有的SRM模型上直接修改，另一種是在模塊庫中增加一個新的模塊。在模塊庫中增加新模塊的方法更規(guī)范一些，下面介紹這種方法。SRM模型放在powerlib.mdl文件中，搜索到該文件，去掉文件的只讀屬性，后用Simulink打開該文件，雙擊鼠標左鍵打開MACHINES模塊庫，找到Switched Reluctance Motor 模塊，選擇File-Save 菜單，在出現(xiàn)的提示窗口，中點擊Unllock按鈕，將鎖定的庫解鎖，則剛打開的庫可以修改了。復制Switched Relu

14、ctance Motor，粘貼生成一個新的模塊 Switched Reluctance Moto1，將該模型改名為SRM128，鼠標右鍵點擊SRM128模塊，選Link Options-Disable Link。解除與模型庫之間的關(guān)聯(lián)。鼠標右鍵點擊SRM128模塊，選Edit Mask 項，進入模塊的Mask編輯。點擊Parameters頁面，選中Type項，將左下角的編輯框中的數(shù)據(jù)8/6，10/8數(shù)據(jù)刪除，只留下6/4，將Show Parameter 復選框去掉選擇。這一步使得整個模型只能用于12/8極SRM的仿真。點擊Initialization頁面，在右側(cè)的Initialization

15、Command窗口最后加入 PosSensor = 45; ITBLD= 2*ITBLD; initialw =0,30,15; 命令。第一個命令的作用是將電機的轉(zhuǎn)子周期改為45度，與三相12/8極SRM相一致，第二條是將轉(zhuǎn)矩值加倍，第三條是重新設(shè)置各相的初始位置角。把圖2的位置檢測模塊中的90改為45，對轉(zhuǎn)速的積分模塊中的角度初值應(yīng)由原來的0 60 30改為0 30 15。5 12/8極模型的驗證本文對12/8極SRM模型的驗證理論分析與仿真兩個方面進行驗證。MATLAB2006Ra中有一個SRM模型的實例power_SwitchedReluctanceMotor.mdl，本文的驗證是在此例

16、子基礎(chǔ)上進行的。6/4極SRM電機的電感周期是90度，12/8極SRM的電機電感周期是45。當12/8極SRM的轉(zhuǎn)速是6/4極SRM的1/2時，兩者的電感變化時間周期是相等的，若兩者的2/8極SRM開通角和關(guān)斷角是6/4極SRM的1/2，則兩者的通電時間相同。若兩電機的電感參數(shù)完全相同，母線電壓也相同，則磁鏈變化相同，對應(yīng)的電流也相同。6/4極電機電感對角度的變化率是12/8極電機的1/2，同樣電流波形時，12/8極SRM的電磁轉(zhuǎn)矩是6/4極SRM的2倍。根據(jù)上述分析，對比實例中的6/4極SRM與改進的12/8極SRM仿真結(jié)果，可驗證12/8極模型的正確性。仿真時須設(shè)置的參數(shù)如表1，表中未列出

17、的參數(shù)采用模型中原模型的值。將轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置為100的目的是使電機的轉(zhuǎn)速在仿真時間內(nèi)維持恒定。表1 模型驗證時參數(shù)設(shè)置表參數(shù)轉(zhuǎn)動慣量(Jkg.m.m)開通角(度)關(guān)斷角(度)初始轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)6/4極SRM1004574240012/8極SRM10022.5371200兩模型的仿真結(jié)果如圖5所示。從中可以看出，在上述仿真參數(shù)下，兩模型的磁鏈波形和電流波形相同，12/8極SRM的轉(zhuǎn)矩是6/4極SRM的兩倍，這與前面的分析一致，從而說明12/8極SRM的模型是正確的。圖5 三相6/4極SRM和三相12/8極SRM仿真模型驗證仿真波形6結(jié)論本文分析了Simulink6.4中所帶的開關(guān)磁阻電機的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對仿真模型進行改進，得到了12/8極電機的仿真模型，并對改進模型進行了驗證。參考文獻1H.Le-Huy, P. Brunelle, Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems, Electrimacs2005 Conference.2 孫劍波 , 詹瓊?cè)A. 基于SIMULINK的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真. 艦船電子工程.2004(6)3 D.A. Torrey, X.M. Niu,