Simulink中的开关磁阻电机的模型及其改进.doc

Simulink中的开关磁阻电机的模型及其改进 边敦新，董宝香，徐丙垠(山东理工大学，电气与电子工程学院，山东淄博，255049)E-mail:dxbian摘要: 本文介绍了MATLAB仿真环境Simulink6.4中所带的开关磁阻电机的仿真模型，对模型的建立、参数的设置等进行了说明，并且提出了在此模型的基础将6/4极模型改造为12/8极电机的方法，并对提出的改进进行了验证。关键词: 开关磁阻电机，仿真模型Switched Reluctance Motor in Simulink and its ImprovementBian Dunxin, Dong Baoxiang, Xu Bingyin(Department of Electrical and Electronic Engineering, Shandong Universi y of Science and Technology， Zibo , P.R.China, 255049)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 model is obtained and is verified by theory and simulation. Key words: Switchend Reluctance Motor, Simulation Model1 引言MATLAB是常用的工程软件，其中的Simulink提供了一种图形化、模块化的仿真工具，SIMULINK目前已经提供了几十个工具箱（TOOLBOX）为各个工程技术领域的科研和技术人员提供简单易用的仿真软件。其中的SimPowerSystems工具箱为电力电子，电力系统及电力拖动等领域提供了大量的仿真模块，是电气技术及自动控制领域工程技术人员的常用的仿真工具。SimPowerSystems从4.2版（MATLAB 2006Ra ）开始提供了开关磁阻电机的模型。在MATLAB中建立开关磁阻电机的仿真模型有很多文献介绍123，Mathworks公司最终选择了文献1的仿真模型。该模型有通用模型和专用模型两种型式，通用模型以电感参数参数的形式给出模型，专用模型则以磁链数据的形式给出模型。通用模型所需参数少，容易获得，能满足一般控制系统设计的需要；如果能得到比较准确的磁链数据，则专用的精度更高一些。2开关磁阻电机的模型的结构Simulink中的SRM模型可分为两部分，一部分与电力电子模型接口，另一部分根据绕组电压计算电机的运行数据。两部分间通过电流和电压接口相连接。电力电子部分与本文内容关系不大，不详细介绍。图1 开关磁阻电机的模型图1为Simulink 中的开关磁阻电机部分的模型，定子绕组电压减去电阻压降得到绕组感应电势，该电势经过离散积分器后得到绕组磁链Flux，该磁链和转子位置角Teta经过ITBL二维查表得到绕组电流I， 电流I和转子位置Teta经过二维查表TTBL 得到电磁转矩，电磁转矩经过Sum求和得到总的电磁转矩，该电磁转矩经过机械运动部分得到机械运动的角速度w和位置角Teta。模型中的v、Flux、I等是向量，与电机的相数相等。二维查模块ITBL根据磁链和角度查找电流，TTBL根据电流和角度查找磁链。ITBL表的行向量是0:PosSensor/180: PosSensor，PosSensor是电机的电感变化周期（度），列向量是0:psim/100:psim，psim是磁链的最大值，数据表的值是ITBLD，它是的电流矩阵。TTBL的行向量ITBL相同，列向量是0:Im/100:Im，Im是电流最大值，数据表的值是TTBLD，是的电流值。 图2 开关磁阻电动机的触发信号生成框图为了生成各相的触发信号，需要一个触发信号生成器，图2是一个6/4极三相SRM的触发信号生成电路。转子角速度w经过比例变换从rad/s变成deg/s，然后经过离散积分器得到三相相对位置，三相相对于对齐位置互差30度。由于电机模型中假定正方向转动时的触发顺序是向是A-B-C-A。因此A、B、C初始相对位置角分别为0，60和30度，即B相滞后A相30度，C相超前A相30度。三相相对角度对90度求余得到0-90度范围内的角度值，该角度通过两个比较器与开通角alfa和关断角beta比较，当大于等于alfa或小于等于beta时输出1，否则为0，两路比较输出经过与操作，得到在开通角和管断角之间为1，其余为0的三相触发信号sig。 图3 开关磁阻电机的主电路模型图3所示是Simulink中一6/4极三相SRM主电路模型，触发信号G被分解为3路信号，分别驱动对应相桥臂的功率开关。每个桥臂由两支功率开关组成，采用典型的不对称半桥电路4。输入端V+ 和V-分别接直流母线的正端和负端，A1，A2 ，B1，B2，C2，C2分别接电机模型的同名绕组端。3 开关磁阻电机的模型原理在SRM模型的帮助文件中介绍了模型参数的意义，关于SRM模型的原理，文献1中有所介绍，但对模型实现的一些细节介绍不多，影响到模型的正确实用及改进。本文对后文中用到的关于模型的工作细节部分作简单介绍。图4 开关磁阻电机模型与电力电子电路的接口SRM模型与电力电子电路的接口如图4所示，是通过From 和Goto模块完成的。From模块从电力电子电路得到各相绕组的电压，Goto模块输出相电流到电力电子电路。在SRM模型装入或参数发生改变时，要执行一系列的初始化命令，这些命令可在模型上单击鼠标右键选View Mask查看，其中的Initialization项目下的命令值得研究。这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, RotorAngleVector,StatorCurrentVector,MagnetisationCharacteristic);该命令根据已知参数对SRM仿真中用到的参数进行计算，这些被计算的参数是返回值Rs, Im, J, B, w0, psim, ITBLD, TTBLD, PosSensor, initialw, theta0， 其中Rs是定子绕组电阻；Ims是绕组电流最大值，在ITBL查表中用到，它实际是用户设置的通用模型的最大电流；J是转动惯量，B是摩擦系数，w0是初始角速度，这三个量在机械运动模型中用到；psim是绕组磁链最大值，在ITBL查表中用到，它实际是用户设置的通用模型的最大磁链值；ITBLD和TTBL分别是电流和转矩二维表，前面模型中介绍了；PosSensor是电感变化周期的角度值；initialw是各相相对位置角组成的向量，在图1的Pos_Sensor模块中用于得到各相的相对角度。仿真参数的计算实际是用函数SwitchedReluctanceMotorParam完成的，它的输入参数是模型的输入参数，各参数的意义可参考帮助文件。该函数以p文件的形式存放，没有程序源文件，因此具体如何实现上述功能无从得到。但其中关键的功能是根据对齐电感d,非对齐电感Lq，饱和电感Lsat，以及最大电流MaximumCurrent和最大磁链MaximumFluxLinkage或者磁链数据MagnetisationCharacteristic，相应的角度向量RotorAngleVector和电流向量StatorCurrentVector计算ITBLD和TTBLD矩阵。将/极SRM模型改为12/8极模型SimPowerSystems4.2系统的SRM模型只支持6/4，8/6，10/8三种类型的SRM。而12/8极SRM是目前应用比较广泛的一种SRM结构型式。如果能得到12/8极SRM的Simulink模型将会带来很多的方便。本节介绍将6/4极模型改造为12/8极模型的方法，类似地也可以得到其他类型的模型。12/8极SRM与6/4极SRM都是三相的，两者的差别主要在于电感的周期不同，6/4极SRM 的电感周期是90度，12/8极SRM的电感周期是45度。修改SRM的模型有两种方法，一种是在现有的SRM模型上直接修改，另一种是在模块库中增加一个新的模块。在模块库中增加新模块的方法更规范一些，下面介绍这种方法。SRM模型放在powerlib.mdl文件中，搜索到该文件，去掉文件的只读属性，后用Simulink打开该文件，双击鼠标左键打开MACHINES模块库，找到Switched Reluctance Motor 模块，选择File-Save 菜单，在出现的提示窗口，中点击Unllock按钮，将锁定的库解锁，则刚打开的库可以修改了。复制Switched Reluctance Motor，粘贴生成一个新的模块 Switched Reluctance Moto1，将该模型改名为SRM128，鼠标右键点击SRM128模块，选Link Options-Disable Link。解除与模型库之间的关联。鼠标右键点击SRM128模块，选Edit Mask 项，进入模块的Mask编辑。点击Parameters页面，选中Type项，将左下角的编辑框中的数据8/6，10/8数据删除，只留下6/4，将Show Parameter 复选框去掉选择。这一步使得整个模型只能用于12/8极SRM的仿真。点击Initialization页面，在右侧的Initialization Command窗口最后加入 PosSensor = 45; ITBLD= 2*ITBLD; initialw =0,30,15; 命令。第一个命令的作用是将电机的转子周期改为45度，与三相12/8极SRM相一致，第二条是将转矩值加倍，第三条是重新设置各相的初始位置角。把图2的位置检测模块中的90改为45，对转速的积分模块中的角度初值应由原来的0 60 30改为0 30 15。5 12/8极模型的验证本文对12/8极SRM模型的验证理论分析与仿真两个方面进行验证。MATLAB2006Ra中有一个SRM模型的实例power_SwitchedReluctanceMotor.mdl，本文的验证是在此例子基础上进行的。6/4极SRM电机的电感周期是90度，12/8极SRM的电机电感周期是45。当12/8极SRM的转速是6/4极SRM的1/2时，两者的电感变化时间周期是相等的，若两者的2/8极SRM开通角和关断角是6/4极SRM的1/2，则两者的通电时间相同。若两电机的电感参数完全相同，母线电压也相同，则磁链变化相同，对应的电流也相同。6/4极电机电感对角度的变化率是12/8极电机的1/2，同样电流波形时，12/8极SRM的电磁转矩是6/4极SRM的2倍。根据上述分析，对比实例中的6/4极SRM与改进的12/8极SRM仿真结果，可验证12/8极模型的正确性。仿真时须设置的参数如表1，表中未列出的参数采用模型中原模型的值。将转动惯量设置为100的目的是使电机的转速在仿真时间内维持恒定。表1 模型验证时参数设置表参数转动惯量(Jkg.m.m)开通角(度)关断角(度)初始转速(转/分)6/4极SRM1004574240012/8极SRM10022.5371200两模型的仿真结果如图5所示。从中可以看出，在上述仿真参数下，两模型的磁链波形和电流波形相同，12/8极SRM的转矩是6/4极SRM的两倍，这与前面的分析一致，从而说明12/8极SRM的模型是正确的。图5 三相6/4极SRM和三相12/8极SRM仿真模型验证仿真波形6结论本文分析了Simulink6.4中所带的开关磁阻电机的仿真模型，在此基础上对仿真模型进行改进，得到了12/8极电机的仿真模型，并对改进模型进行了验证。参考文献1H.Le-Huy, P. Brunelle, Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems, Electrimacs2005 Conference.2 孙剑波 , 詹琼华. 基于SIMULINK的开关磁阻电机调速系统的建模与仿真. 舰船电子工程.2004(6)3 D.A. Torrey, X.M. Niu, E.J. Unkauf, Analytical modelling of variable reluctance machine magnetisation characteristics , IEE Proceedings - Electric Power Applications, Vol. 142, No. 1, January 1995, pp. 14-22.4 华中科技大学开关磁阻电机课题组. 开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构. 变频器世界.2004(6) 作者简介边敦新 男，1969年生，博士，副教授，主要从事开关磁阻电机及控制方面的研究工作。