Simulink中的开关磁阻电机的模型及其改进

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 关键词关键词 开关磁阻电机 仿真模型 SwitchedSwitched ReluctanceReluctance MotorMotor inin SimulinkSimulink andand itsits ImprovementImprovement Bian 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 Model 1 引言引言 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 1 2 3 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 1 Z TsK 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 101181 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 101181 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 P osSensor initialw theta0 powericon SwitchedReluctanceMot orParam block MachineType MachineModel PlotCurves StatorResistance Inertia Friction InitialSpeed Lq Ld Lsat MaximumCurrent MaximumFluxLinkage RotorAngleVector StatorCurrentVe ctor 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 将 极 极 SRM 模型改为模型改为 12 8 极模型极模型 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 表表1 模型验证时参数设置表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 10045742400 12 8 极 SRM 10022 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 S