基于SIMULINK的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真-

1、基于SIMUL IN K的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真孫劍波詹瓊?cè)A(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院武漢430074摘要:提出一種在MA TLAB/SIMUL IN K環(huán)境下建立開關(guān)磁阻電機(jī)模型的方法,其主電路可用SIMUL IN K庫中的功率電子器件直接搭建,并用此模型對(duì)SRD系統(tǒng)的高、低速動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明此模型對(duì)實(shí)際SRD系統(tǒng)模擬效果很好,是研究SRD系統(tǒng)控制方法的一種有效的輔助手段。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機(jī);MA TLAB;仿真中圖分類號(hào):TP391.9Simulation Model of Switched R eluctance Motor B ased on Matlab

2、/SimulinkSun JianboZhan Q ionghu a(Huazhong University of Science&Technology,Wuhan430074Abstract:A modeling method of Switched Reluctance Motor(SRMbased on MA TLAB/SIMUL IN K is proposed in this paper,which main circuit can be put up by using the power electronic component in the library of SIMU

3、L IN K.Using this model to simulate the high speed and low speed dynamic performance of SRD system,the result shows that the model is very approximate to the real SRD system.Its an effective assistant approach of control strategy study of SRD system.K ey w ords:SRM,MA TLAB,simulationClass number:TP3

4、91.91引言開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,簡(jiǎn)稱SRM是80年代興起,并得到迅速發(fā)展的一種新型調(diào)速電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行遵循“磁路磁阻最小”原理,是磁阻電機(jī)與電力電子開關(guān)電路及電子控制器所組成的機(jī)電一體化設(shè)備,不僅保持了交流感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠的優(yōu)點(diǎn)和直流電機(jī)良好的可控性,還具有交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)所達(dá)不到的價(jià)格低、效率高和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。是現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者,具有廣闊的發(fā)展前景。但由于SRM電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu),以及非線性開關(guān)電源供電等特點(diǎn),使得開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SRD的設(shè)計(jì)和運(yùn)行,都與傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)明顯不同。由于SRM電

5、機(jī)本身是一個(gè)多個(gè)可控量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),為了得到較好的調(diào)速性能,必須使用先進(jìn)的控制方法2。在研究控制方法時(shí),仿真是一個(gè)非常有效的手段。但是,在目前最新的MA TLAB版本(V6.5的SIMUL IN K模塊庫中,尚無開關(guān)磁阻電機(jī)的模型。已有的文獻(xiàn)中提出的開關(guān)磁阻電機(jī)模型都需要專門編寫開關(guān)函數(shù)來代替功率變換器,因此不能對(duì)功率主電路進(jìn)行仿真3,4。作者運(yùn)用SIMUL IN K 中的基本模塊,建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。該模型可直接搭建功率主電路,且具有參數(shù)修改方便、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),給廣大SRD控制研究學(xué)者的后續(xù)研究提供了便利。701總第144期2004年第6期艦船電子工程Ship Elect

6、ronic Engineering收稿日期:2004年2月19日,修回日期:2004年3月25日2SRD 系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1SRM 理想線性化數(shù)學(xué)模型現(xiàn)以一臺(tái)6/4極,定轉(zhuǎn)子極弧均為30°的三相開關(guān)磁阻電機(jī)為例來說明,相電感曲線如圖1 所示。圖1電機(jī)的理想線性相電感曲線電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式計(jì)算:T e =12i 25L (5取相電流、轉(zhuǎn)速、位置角作為狀態(tài)變量,電機(jī)的狀態(tài)方程為:didt=-(R +dL dL i +ULddt =(T e -T L -B Jddt=式中 J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,T L 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,B 為阻尼系數(shù)。2.2SRD 系統(tǒng)框圖SRD 系統(tǒng)一般由開關(guān)磁阻電機(jī)本體、位置

7、檢測(cè)器、功率變換器、控制器等組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。功率變換器一般采用H -橋連接形式,如圖3所示(圖中A 、B 、C 分別表示電機(jī)的三相繞組。圖2SRD 系統(tǒng)框圖圖3H -橋主電路3 SIMUL IN K 下電機(jī)模型的實(shí)現(xiàn)3.1電機(jī)狀態(tài)方程的實(shí)現(xiàn)S -FUNCTION 的編寫開關(guān)磁阻電機(jī)狀態(tài)方程所描述的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)很容易用SIMUL IN K 中的S -FUNCTION模塊實(shí)現(xiàn)(限于篇幅,本文的所有源程序代碼從略。3.2SRD 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在SIMUL IN K 下實(shí)現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)的SRD 調(diào)速系統(tǒng)的模型如圖4所示。速度環(huán)采用傳圖4SRD 系統(tǒng)仿真模型統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器,電流環(huán)采用滯環(huán)比

8、較器。圖中:位置檢測(cè)模塊是一個(gè)M -FUNCTION ,它的輸入為A 相轉(zhuǎn)子位置角、開通角和關(guān)斷角;它的輸出為三路轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)。VSRM 模塊表示封裝好的開關(guān)磁阻電機(jī)模型,它可以象SIMUL IN K 模型庫中的其它電機(jī)模型一樣,直接用IG B T 與其相接以構(gòu)成主電路,因此除了可以仿真電機(jī)的運(yùn)行性能以外,還可以仿真主電路的工作情況。圖5顯示了VSRM 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它是通過三個(gè)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)出電機(jī)的三相相電壓,然后將相電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩一起送入SRM801孫劍波等:基于SIMUL IN K 的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真總第144期 模塊(由S -FUNCTION 構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的

9、狀態(tài)方程。SRM 模塊輸出電機(jī)的三相相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角以及電磁轉(zhuǎn)矩。三相相電流通過受控電流源在主電路中形成同大小流動(dòng)的電流 。圖5VSRM 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由模型可見,控制參數(shù)可直接在模型上修改,電機(jī)參數(shù)全部在S -FUNCTION 中修改。若想進(jìn)行非線性電感模型仿真,只需將電感和電磁轉(zhuǎn)矩求取改為插值查表函數(shù)即可3。因此,此模型修改方便,適用性強(qiáng)。同時(shí)由于采用了封裝的方法,主電路可直接搭建,無需專門為電機(jī)編寫開關(guān)函數(shù),對(duì)SRD 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行有更強(qiáng)的仿真效果4。4SRD 系統(tǒng)仿真現(xiàn)以一臺(tái)三相6/4極開關(guān)磁阻電機(jī)為例來進(jìn)行仿真,電機(jī)參數(shù)為:P N =7.5kw ,N =1900r/m i

10、 n ,U n =460V ,I N =32A ,L min =10m H ,L m ax =110m H ,s =r =30°,J =0.016kg m 2,B =0.001,r =0.0246 。圖6速度階躍響應(yīng)(3=800r/min 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定為10N m ,速度給定為800r/min 時(shí),速度階躍響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)速度曲線、相電流和電磁轉(zhuǎn)矩分別如圖6-圖9所示 。圖7穩(wěn)態(tài)速度曲線(3=800r/min 圖8相電流波形(3=800r/min 圖9電磁轉(zhuǎn)矩波形(3=800r/min 5結(jié)論仿真波形顯示該系統(tǒng)具有很好的動(dòng)靜態(tài)性能,仿真結(jié)果與理論分析比較吻合,證明用以上方法建立的仿真模型

11、是正確的,對(duì)實(shí)際SRD 系統(tǒng)有很好的模擬精度。廣大SRD 系統(tǒng)研究學(xué)者可在此基礎(chǔ)上,方便地對(duì)SRD 系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)1詹瓊?cè)A.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)M .武漢:華中理工大學(xué)出版社,19922葛寶明等.開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略綜述J .電氣傳動(dòng),2001,(29012004年第6期艦船電子工程a 6/4Switched Reluctance Motor Based on Matlab/Simulink Environment J .IEEE ,Trans.,Aerospace and ElectronicSystem ,2001,37(34楊靜等.基于MA TLAB 的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)建模與仿

12、真J .江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,(3(上接第54頁DSS3500輔助決策系統(tǒng);CCTV3500閉路電視系統(tǒng);FFDC3500滅火與損管系統(tǒng);OB TS3500艦載訓(xùn)練系統(tǒng);RD3500遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。5結(jié)束語IPMS 可以提高艦艇平臺(tái)的自動(dòng)化程度,減少艦艇人員編制,降低對(duì)操作人員技術(shù)水平的要求,減輕艦員的勞動(dòng)強(qiáng)度,降低艦艇壽命周期成本費(fèi)用。目前,IPMS 發(fā)展方向是采用開放系統(tǒng)和分布式體系結(jié)構(gòu),采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的多功能顯控臺(tái)以及CO TS 技術(shù)和產(chǎn)品;提高系統(tǒng)的智能化水平,采用專家系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)管理和控制進(jìn)行輔助決策;最終發(fā)展結(jié)果是平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)將與作戰(zhàn)指揮/管理系統(tǒng)的整合為一體,形成全

13、艦綜合信息管理系統(tǒng)。CAE 公司認(rèn)為作戰(zhàn)管理系統(tǒng)與IPMS 將來會(huì)完全融合在一起。美國(guó)海軍的觀點(diǎn)是:“到2015年,艦船上的平臺(tái)控制系統(tǒng)和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)之間將沒有區(qū)別?；跓o所不在的計(jì)算機(jī)指揮和控制系統(tǒng),將提供人員-艦船系統(tǒng)-作戰(zhàn)編隊(duì)指揮-作戰(zhàn)編隊(duì)系統(tǒng)之間的聯(lián)系?！眳⒖嘉墨I(xiàn)1李緒祿,齊歡.國(guó)外艦艇平臺(tái)管理系統(tǒng)綜述J .艦船電子工程,2002,(12陳海鵬,解洪成.艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究初探J .艦船工程研究,2001,(33鄭煒譯,易基圣校.艦艇平臺(tái)控制與自動(dòng)化J .國(guó)外艦船工程,1999,(14李勇群譯,鄭生校.下一代艦艇平臺(tái)集成監(jiān)控系統(tǒng)J .國(guó)外艦船工程,2001,(75羅思均譯,史域觀校.英國(guó)海軍平臺(tái)管理系統(tǒng)的今天和明天J .國(guó)外艦船工程,2001,(5歡迎訂閱艦船電子工程尊敬的訂戶及讀者,艦船電子工程2005年仍為大16開,A4幅面,頁碼增至120頁。每期訂價(jià)15元,全年100元(含郵寄費(fèi)。艦船電子工程固定欄目:C 3I 及指控技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)與電子對(duì)抗、通信技術(shù)、水聲與水中探測(cè)技術(shù)、光電技術(shù)、模擬與仿真、人工智能、電磁兼容、