1、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: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 Bingy
2、in(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
3、/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
4、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
5、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ZTsK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 IT
6、BL 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。TTBL108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
7、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
8、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
9、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,
10、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, initia
11、lw, 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SwitchedReluctance
12、MotorParam 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SimPowerSys
13、tems4.2 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
14、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 SR
15、M128 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; initial
16、w =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/
17、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
18、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 SRM 100 45 74 240012/8极 SRM 100 22.5 37 1200两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
19、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.2
20、004(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。
