42V应用的开关磁阻驱动的PLECS仿真模型.doc

42V应用的开关磁阻驱动的仿真模型摘要-对于低压应用，在模型开关磁阻，准确的转换器模型是强制的。对比合理的直流总线电压，半导体器件的电压降是非常重要的，必须被仔细考虑。更进一步说，在42V应用下，电池组被作为能量源，由于电池组的依赖负载现象，直流总线电压上下波动的很厉害。因而，电池组的行为应该在传动系统模型中被关注。本文提出了把转换器行为作为能量源的42V应用的开关磁阻传动模型。整个开关磁阻传动系统在独立仿真平台MATLAB/Simulink下被模型化。在本文结尾，模型的转确性被实验结果所验证。I介绍开关磁阻电机(SRM)提供了很多优点，即，健壮性，简单结构和低维护，这会导致生产和传动操作的的低成本。因而，商业应用中利用SRM的利润正在增长。另外，汽车中SRM的开发受到了关注，因此他们能够和传统电机相竞争。在很多出版物中，开关磁阻电机(SRM)模型化已经被介绍。然而，大多数的出版物主要聚集在SRM自身的行为上。在驱动模型中，很少关注半导体特性和能量源。对于42V的应用，通过半导体开关器件的压降是不能被忽略的。因此，准确的转换器模型应该被需要。此外，电池组提供的直流总线电压具有强的依赖性负载并且不能被作为一个恒量。因而，在本文中报道了一个把转换器行为作为能量源的全面的开关磁阻驱动系统。控制计算机 控制单元 转换器 开关磁阻电机(SRM) 负载电动机 图1 带有负载电动机的开关磁滞驱动的硬件结构图1显示了建立在一个测试台上的42V启动机交流发电机应用的开关磁阻驱动的硬件结构。驱动机包括3相SRM，非对称半桥转换器和基于DSP的控制单元。负载电机能够处理扭矩控制和速度控制。通过测试台上的主计算机的用户接口，控制参数被发送到控制单元并监控测量参数。利用DSP开发平台设计和建立的控制单元，允许控制算法的迅速执行。为了用这个驱动作为开发平台，仿真模型被需要用来在原型被完成之前，分析和预测给定控制算法的驱动器的行为。另外，参数变化的影响，例如直流总线电压和速度能够被全面检查。使用仿真模型，控制方案能够被研究和优化，因此原型的影响和成本能够被最小化。控制单元模型 开关信号 电池模型 转换器模型 SRM模型 负载模型图2 与图1相对应的驱动系统仿真模型图2提出了在MATLAB/Simulink下的仿真模型框图。与图1中的实际硬件结构相一致的单个元件被模型化。利用电气电路定向仿真工具箱，通过等效电路与电池组一样的转换器模型化是可能的。结果，电气电路仿真(转换器和电池)和动态仿真(电动机，负载和控制单元)能够被结合并且在一个单独平台上被同时执行，允许并不复杂的模型化和很少的仿真时间，并保持很高的准确性。仿真模型能够被作为开发基本工具来使用，并且能够研究SRM在42V应用的新的控制方法。为了通过实验验证模型，磁滞电流控制被用作基本控制方法。在下面的部分，分析并且所有器件的模型化被提出。在最后一部分，显示了实验比较结果。II SRM模型由于SRM的非线性特性，模型不能被解析公式直接描述。在几个出版物中，它被证明对于全面的SRM的全面的动态仿真模型，电动机特性需要完成准确的仿真结果。被认为是电动机的手印，流量连接电流位置特性和扭矩电流位置特性(图3)，能够被文献910111213中提到的分析方法所确定。 a) 磁通链特性对电流和转子位置 b)扭矩特性对电流和转子位置 图3 电动机特性然而，这些特性也能够通过实验获得很高的准确性。图3显示了3相18/12SRM的测量特性。我们能够注意到四个量，扭矩，电流，转子位置和磁通链被引入到这个模型中。这些特性必须被组合并且转换成查询表，因此相位电流和扭矩能够被作为磁通链和转子位置的一个函数所确定。磁通链能够被相位电压减去通过相位电阻的压降的积分计算出来 (1)基于通常被应用到电动机上的基本电压公式(1)，SRM能够被MATLAB/Simulink模型化显示到图4中。积分器 查询表 查询表 图 4 SRM相位模型的框图III 转换器模型图5显示了一个有非对称半桥结构的3相转换器。这个结构的转换器对于控制开关磁阻电动机提供高度的自由度和灵活性。 图5 SRM的3相转换器在42V应用中，通过半导体器件的压降对比直流总线压降更重要。因而，对于低压应用，它被强制模型化半导体开关器件的压降。压降是电流和温度的函数。然而，不考虑温度影响，仿真的充分准确性能够仍然能够被达到。因而，对于转换器模型，在恒定环境温度下集电极发射极特性能够被应用。 图6 开状态时开关器件的电流电压特性尽管半导体器件的实际电压电流特性是非线性的，通过图6中的等效电路压降也能被大致模型化。电流电压曲线可以通过两个参数特性化：前向倾斜三极管电阻rT和三极管阀值电压VT。IGBT和二极管的这些参数能够从数据手册和经验数据中得到。图7说明了一种图形化方法从测量中来确定rT和VT。从测量中获得的二极管和IGBT的电流电压特性被绘制并且与图6中的相似的特性相比较。为了在超过驱动典型的操作范围内获得高仿真准确性，相似的线被用来匹配在经常使用的操作点的范围内匹配测量特性，在50A和200A之间。从图7a和7b中，rT能够从相似特性的斜率中获得，VT能够被通过零点的近似曲线电压值所确定。通常，使用从数据手册中提供的rT和VT参数足够获得可接受的准确性。如果开关器件更准确的行为被需要的话，实验方法能够被应用来确定rT和VT。对于电池组，模型能够依赖于仿真目的从简单到复杂的系统。电池组模型的选择总是计算时间，仿真准确性和参数化影响的折衷。对于开关磁滞驱动模型，主要焦点在于电气行为。电池行为例如充电状态(SOC)和温度在这个模型中不是必须的，也不需要重视。为了仿真目的，通过带有电阻的理想电压源来模型化是足够的。电池模型参数，即内压和内电阻，能够从技术手册或者实验数据中获得。a)二极管电流电压特性 b)IGBT电流电压特性 图7 三极管电阻和三极管阀大致曲线在图8中，在MATLAB/Simulink中面向电路的工具箱中的转换器模型被提出。参数rT和VT被用来特性化开关器件。电池组和直流总线电容被被包含在这个模型中。 图8 在电路导向工具箱中的转换器模型IV 控制单元和负载电动机A 控制单元在控制单元中，磁滞电流控制算法被执行。控制值，即参考电流Iref，电流磁滞,开通角度和关闭角度，被测试台主机提供。控制产生开关信号并且发送他们到转换器模型。图9a图解了控制单元模型的框图。控制函数被加入到模型中，因此例如开关逻辑这样的硬件函数能够被仿真完全研究，显示在图9b中。B 负载电动机假设速度控制处理，负载电动机能够被作为一个提供恒定的速度值的单元模型化。如果动态条件应该被仔细考虑的话，扭矩和驱动系统惯量能够被包含在这个模型中。磁滞电流控制通信控制开关逻辑i 电流状态信号通信控制信号开关信号a) 控制单元框图 b)MATLAB/Simulink开关逻辑模型 图9 控制单元模型V 实验验证A 仿真结果 图 10 仿真结果使用动态模型，完整的驱动行为，即电动机，转换器，控制单元和负载电动机，能够被检查。对于任何给定的操作条件仿真能够被执行，被直流总线电压，速度和给定的控制变量定义。图10提出了在两个操作点的仿真结果。它能够被注意到在与实验有较好的一致性的仿真下，依赖于直流总线电压的影响能够被建模。B 实验结果比较在同一个操作点的实验，在先前部分的仿真，能够被执行。图11显示了相位电流，相位电压和直流总线电压。在低速(图11a中为100rpm)，整流器确定了电流波形。在高速时，由于高速减小了后端电动势电压，电流不能到达参考电流(在100A)。 图11 测试台的实验结果测量比较显示在图12和13中。在单脉冲操作时仿真模型准确性最好的验证能够被执行。它能够被看到在两个速度上被示波器测量的曲线能够准确的匹配仿真结果。更进一步说，来自仿真的直流总线电压和实验的比较表明了直流总线电压的行为能够被准确预测。实验 使用理想电压源和理想转换器模型仿真使用电池模型和转换器模型仿真 图12 在n=300rpm; 仿真实验结果的比较(单脉冲操作)使用理想转换器模型，并且，把直流总线电压看作理想电压源，可以看到仿真结果，即相位电流，相位电压和直流总线电压，表明了来自实验结果的更大的偏差。根据图12中的比较，最大电流偏差差不多时20A，在扭矩估测中会导致大的误差。这些错误的仿真结果是不可接受的，并且不能用来研究驱动系统。能够总结出，在低压操作，例如42V应用，为了准确的预测驱动行为和性能，转换器和电压源的准确性模型是必要的，并且应该被包含在开关磁阻驱动模型中。VI 结论在MATLAB/Simulink中，对于42V应用的完全的开关磁阻驱动动态模型已经被介绍。研究实验 使用理想电压源和理想转换器模型仿真使用电池模型和转换器模型仿真 图13 在n=300rpm; 仿真实验结果的比较(单脉冲操作)和讨论了每个系统成分的模型化。模型聚焦在转换器和能量源一样的电动机动态行为上。转换器和电池使用MATLAB/Simul