摘要开关磁阻电机Switched Reluctance MachinesSRM以其结构简单、成本低、可靠性高、转速范围宽等优点近年来迅速发展起来但是由于自身的双凸极结构同时也由于它的非线性造成了开关磁阻电机控制的复杂性制约了其在一定领域中的应用。本文旨在抑制开关磁阻电机转矩脉动针对这一问题提出了开关磁阻电机直接转矩控制的方法。本文首先分析了直接转矩控制在异步电机中的应用然后分析了开关磁阻电机的工作原理并将直接转矩控制引入到开关磁阻电机中。并在 MATLAB仿真平台下对基于直接转矩控制的开关磁阻调速电机驱动系统进行了仿真。直接转矩控制的难点是如何选取三相开关磁阻电机的6个有效电压矢量。仿真结果显示定子磁链轨迹为圆形并与传统控制方法做了比较并验证了电机转矩脉动比常规控制方法小。最后本文总结了一下文章的主要研究成果并且对课题进行了展望为后面的研究做了铺垫。关键词开关磁阻电机直接转矩控制MATLAB第4章开关磁阻电机的DTC仿真分析前文我们队开关磁阻电机的直接转矩控制进行了理论分析分析后方法的可行性需要验证验证算法的可行性一般分为软件仿真验证和硬件实验验证对于软件仿真验证是最直接最方便的从性能上、成本上、开发周期上都占有优势不受外界环境的影响而对于硬件验证必须要考虑实际问题验证周期比较长没有软件仿真快捷但是硬件仿真更接近实际往往验证的更能反映算法的可行性对于软件仿真和硬件仿真各有利弊。为了验证前文所述算法的可行性打算使用MATLAB/simulink下仿真环境验证算法的可行性首先根据系统框图搭建整个算法系统然后通过示波器观察观察整个系统的仿真情况。4.1 MATLAB/simulink仿真环境介绍MATLAB最早是由Cleve Moler 教授创造的意思是矩阵实验室。最初这一软件用到了基于特征值计算的软件包和线性代数软件包中可靠的子程序编写了一套交互式软件系统。后来又推出了基于框图的仿真功能的环境就是现在的SIMULINK。目前MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。Simulink是上个世纪90年代推出的产品。意思是把一系列模块连接起来构成复杂的系统模型。用Simulink仿真的先后顺序为:选取模块建立结构图模型如果图形复杂可以进行子系统的封装然后对其做调用。它的功能是主要是动态系统建模与分析并可以根据仿真效果来调试及选择所需要的参数。4.2 SR电机直接转矩控制系统仿真4.2.1 SR电机直接转矩控制系仿真模型在Matlab /SIMULINK 软件仿真工具下根据开关磁阻电机直接转矩控制系统框图搭建了SR直接转矩控制仿真模型。仿真模型如图4.1所示主要包括电压矢量控制器、转矩观测器、磁链观测器、扇区判断及功率变换器五个部分。以一台三相6/4极SRM电机为仿真对象电机额定转速为1500r/min负载转矩和给定磁链分别取为10N·m和0.3Wb。图4.1 SR电机直接转矩控制系统仿真框图4.2.2 SR电机Simulink中的数学模型MATLAB的库文件中提供了开关磁阻电机的模型常用的电机模型都有我们可用通过设置参数来选择电机的模型本文的直接转矩控制方法所用的开关磁阻电机模型是三相6/4极SR电机模型图4.2给出了Simulink中三相6/4极SR电机模型表示。从图中我们可以看到左边的接线端子这几个接的是功率变换器传递过来的动力信号也就是绕组接线端子是电机负载端模型右边的是电机各相参数的输出。内部包括电机常用的一些参数例如电压信号、电流信号、磁链信息、转矩信息、角速度信号等等。图4.2 Simulink中6/4极SR电机模型我们知道开关磁阻电机内部是非线性的其数学模型也是非线性的图4.3给出了电机模型建立的依据这个图对应的不同角度不同电流对应的磁链值。图4.3 6/4极SR电机的磁特性曲线族4.2.3功率变换器模块开关磁阻电机的功率变换器与异步电机所采用的变换器是不同的开关磁阻电机采用的是不对称半桥型功率变换器功率变换器是连接SR电机绕组与电源端的纽带负责向开关磁阻电机提供运行所需要的能量也是控制器的控制对象。在MATLAB中对于异步电机有现成的功率变换器模块而对于开关磁阻电机确没有需要用库文件中提供的开关管来搭建。本仿真系统的开关管采用IGBT开关管将搭建的模块封装起来如图4.4。内部结构图如图4.5所示。图4.4 SR电机的功率变换器模块图4.5功率变换器模块内部结构从图4.5中可以看出搭建的功率变换器有三个桥臂总共有6个IGBT开关管每个开关管有一个控制端子是功率变换器引出的6个端子与开关磁阻电机的三相绕组端子相接。V、V-是功率变换器的直流电源接入端子。功率变换器模块的内部电路如图4.5所示。4.2.4定子磁链3/2变换在本文的直接转矩控制中需要实时的反馈合成磁链为了计算出合成定子磁链的幅值以及所在的扇区可以采用坐标变换简化计算将磁链下的三相转换成两相坐标系下的磁链按照公式为式3.35和式3.36进行转化使用矩阵乘法完成转换。图4.6给出了Simulink环境下实现3/2变化的部分。图4.6 3/2变换模块4.2.5定子合成磁链扇区位置判定最优电压矢量的选择是由定子合成磁链的幅值和扇区位置信息以及转矩信息决定的。上文中我们已经计算出两相静止坐标系下的磁链值我们通过图4.7可计算出合成磁链的旋转角度。图4.7合成磁链角度根据图4.8可以判断磁链所在的扇区图4.8扇区判断4.2.6滞环控制器给定磁链和反馈磁链的作差比较需要通过滞环控制器来完成同样给定转矩和反馈转矩也需要滞环控制器来完成将比较出的误差信息传递给控制器。如图4.9所示分为转矩滞环控制器和磁链滞环控制器。图4.9滞环控制器模块4.3基于MATLAB的开关磁阻电机CCC控制系统的仿真4.3.1仿真模型的搭建根据开关磁阻电机电流斩波控制算法在Matlab/Simulink下搭建了SRM电流斩波控制系统的仿真模型包括以下几个模块开关磁阻电机是库文件中提供的电机模型控制器模块即电流控制模块是根据算法搭建的控制器。搭建的仿真图如图 4.10 所示电流斩波模型在该模型中采用滞环的电流斩波方式在开关角不变的情况下让电流限制在给定值的滞环范围内本文给定的是200A。在Simulink模型中通过滞环比较器来设定滞环宽度参数如图2-8中relay模块所示。本系统上下限设置为10、-10。图4.10 SRM电流斩波控制仿真模型4.3.2位置角度检测模块开关磁阻电机电流斩波控制必须要知道转子的实时位置而电机模型输出参数中并没有各相的实时角度参数所以需要搭建对应的各相位置角度模块。由于使用的是6/4结构的电机就以此电机为例电机输出参数角速度的单位是弧度需要将其转化为角度单位对角速度进行积分可以得到每相转子的旋转角度在开关磁阻电机内部结构中其定转子是周期性的双凸极结构转子绕过一个凸极相当于经过一个周期对于结构的电机每相的周期是三相在初始位置角度上相差每相的选转角度对周期值求余可以得到每相对应周期内的实时角度值对于电流斩波控制每相其作用的范围是开通角和关断角范围内通过两个逻辑比较模块将位置角度限制在开关角范围内如果在范围内输出是1如果不在范围内输出是0。图4.11 SRM电流斩波控制仿真模型4.4仿真结果及分析在MATLAB/Simulink环境中根据系统框图搭建好模型以后接下来就要验证算法的可行性。本节对两种算法分别进行了仿真针对不同仿真结果进行了对比分析。1磁链轨迹图4.11a、b为两种种控制方式下仿真结果由图中的定子空间磁链轨迹看出直接转矩控制方式下的磁链幅值变化波动被限定在滞环宽度范围内且定子空间磁链轨迹为近似圆形而电流斩波控制的磁链波形接近三角形明显不规则从磁链波形上看直接转矩控制下的磁链波形仿真效果明显好于电流斩波控制我们知道电机实际上是通过磁链的作用使得转子的旋转如果磁链比较规则相对来说就可以降低转矩脉动我们从磁链波形上可以判断DTC下的转矩脉动小于CCC下的转矩脉动。a直接转矩控制磁链轨迹 b电流斩波控制磁链轨迹图4.12磁链轨迹2输出转矩波形图4.13 DTC转矩转速波形图图4.14电流角度控制下的转矩转速波形由图中的两种控制方式下的波形图可以看出从图中可以很明显的看出DTC下的转矩波形在给定转矩范围内小幅度的波动而CCC下的输出转矩波形在很大的范围内波动所以DTC对于转矩脉动有明显的效果。转矩脉动小了对于降低电机噪声也有明显效果。4.5本章小结本章主要讲述了开关磁阻电机仿真分析先对MATLAB仿真环境进行了介绍然后进行了SR电机直接转矩控制系统的仿真最后用DTC控制下进行仿真与CCC控制系统的仿真作比较说明DTC的优点和结论。结论本文主要讨论了开关磁阻电机直接转矩控制理论针对如何抑制其转矩脉动前半部分主要介绍了异步电机DTC分析了异步电机直接转矩控制的基本原理对于脉动抑制具有很好的效果并将直接转矩控制引入到开关磁阻电机中后半部分针对提出的开关磁阻电机直接转矩控制方法与传统电流斩波控制通过仿真作了比较。开关磁阻电机虽然比异步电机进入市场晚很多但是其优越的调速性能使得其不亚与异步电机具有很大的发展前景。表现出来的各相优点得到大量科研工作者的关注本文主要做了如下工作查阅了大量国内外有关开关磁阻电机、各种先进控制算法和Matlab仿真系统方面的文献和书籍对开关磁阻电机有了深入的了解包括SRM的基本结构和工作原理。针对开关磁阻电机的转矩脉动本文在了解其工作原理内部电机结构深入分析其产生原因的基础上通过分析异步电机直接转矩控制方法然后将理论引入到开关磁阻电机中并且在此基础上利用Matlab等平台进行了简易的仿真验证了所提方法的可行性。此外通过本文的研究类似于异步电机的直接转矩控制也可直接引用到开关磁阻电机中通过仿真试验对比验证我们可以看出开关磁阻电机直接转矩控制对于转矩脉动有一定的抑制作用使得本课题的研究具有很大的意义。本文的直接转矩控制对开关磁阻电机转矩脉动抑制具有一定效果但是还有很多不足今后要努力的方向是在直接转矩控制中对于实际硬件的实现是需要速度传感器的而速度传感器在环境恶劣的情况下直接影响到整个系统运行的可靠性针对这一点可以探索无速度传感器技术。电机的模型是采用MATLAB库文件直接提供的而此模型往往与实际中的电机模型不符合为了更好的与实际情况相符合我们需要自己建立对应电机的模型而且库文件中的电机模型转矩估算在实际应用中并不切合实际针对转矩估算可以作为今后研究的方向。总之科学技术正在突飞猛进的发展我们要做的就是虚心求学多思考问题遇到不能解决的事情要多查阅相关资料。学海无涯只有努力积累才能走向科学的更深处。目录第1章 绪论 11.1课题研究背景及意义 11.2开关磁阻电机调速系统概述 21.3开关磁阻电机调速系统的研究和发展方向 51.4本设计要做的工作 51.5本章小结 6第2章 交流电机的直接控制理论 72.1 异步电机的数学模型 72.1.1 三相静止坐标系下的异步电机方程 72.1.2两相静止坐标系下的异步电机方程2.1.3 坐标变换2.2 直接转矩控制的基本原理2.2.1 电压空间矢量的概念2.2.2 电压空间矢量对定子磁链的控制2.2.3电压空间矢量对转矩的影响2.3本章小结第3章 SR电机数学模型的建立3.1 SR电机的数学模型3.1.1建立模型常用的方法3.1.2 SR电机的方程3.2 SR电机直接转矩控制方法 183.2.1 SRM的DTC原理分析 183.2.2 空间电压矢量的产生 203.3本章小结 23第4章 开关磁阻电机的DTC仿真分析 244.1 MATLAB/simulink仿真环境介绍 244.2 SR电机直接转矩控制系统仿真 244.2.1 SR电机直接转矩控制系仿真模型 244.2.2 SR电机Simulink中的数学模型 254.2.3 功率变换器模块 264.2.4 定子磁链3/2变换 274.2.5 定子合成磁链扇区位置判定 284.2.6 滞环控制器 294.3基于MATLAB的开关磁阻电机CCC控制系统的仿真 304.3.1仿真模型的搭建 304.3.2位置角度检测模块 314.4 仿真结果及分析4.5本章小结结论参考文献致谢