基于Simplorer與Ansoft Maxwell的SRD系統(tǒng)聯(lián)合仿真

薛嬌

摘要：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive，SRD）是機(jī)電一體化的新型電機(jī)系統(tǒng)，在現(xiàn)代電力電子、電磁分析手段及機(jī)械工藝等的長(zhǎng)足發(fā)展下，SRD的應(yīng)用變得十分廣泛。因磁場(chǎng)分布復(fù)雜，所以建立SRD的數(shù)學(xué)模型比較困難。本文將借助于運(yùn)用Ansoft Maxwell搭建SRD的本體模型，運(yùn)用Simplorer搭建SRD的控制電路模型，并將兩者進(jìn)行同步聯(lián)合仿真，同步分析電機(jī)本體、外電路的數(shù)據(jù)，為SRD系統(tǒng)提供有效的參考。

關(guān)鍵詞：SRD系統(tǒng) 仿真 Simplorer

1 概述

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的最新一代無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。SRD一般用于牽引中，高速性能是SRD的一個(gè)特長(zhǎng)的方向。近年來(lái)隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的出現(xiàn)，利用高性能DSP開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜算法的間接位置檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需附加外部硬件電路，大大提高了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)檢測(cè)的可靠性和適用性，必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性。

電機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，若方法不當(dāng)勢(shì)必會(huì)耗時(shí)耗力，借助于Ansoft Maxwell、Simplore可分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體、控制電路的仿真模型的建立，并且兩者可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真功能，參數(shù)修改方便，結(jié)果經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是比較可靠的，這為電機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了很好的仿真工具，可以為廣大的工程技術(shù)人員所借鑒。

2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1所示的為單相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，其定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，定子繞組為集中繞組。可以看出該類電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，無(wú)電刷和換向器，控制參數(shù)多、方式靈活等其他電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)；適用于需要頻繁調(diào)速和起動(dòng)停止的場(chǎng)合[1][2]。

3 SRD的特點(diǎn)及仿真實(shí)現(xiàn)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是典型的雙凸極電機(jī)，其工作原理遵循磁阻最小的原理而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的，所以繞組中的電流方向沒(méi)有特別的要求，并且電機(jī)的各項(xiàng)集中繞組是獨(dú)立的，也就是說(shuō)各相的磁路相互獨(dú)立，沒(méi)有互感的影響，所以可以通過(guò)控制加到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度（即電流斬波控制，簡(jiǎn)稱CCC）及其與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置（即控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通角、關(guān)斷角的角度位置控制，簡(jiǎn)稱APC），即可控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制的基本原理。圖1所示電機(jī)模型的控制電路如圖2所示。

Simplorer是一款多域系統(tǒng)仿真軟件。它可用于高性能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模、分析和優(yōu)化，諸如電氣、機(jī)電等常見(jiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它提供了一系列建模技術(shù)、分析手段和后處理途徑。這使得工程師籍此可以研究系統(tǒng)的功能、性能和確定整個(gè)的設(shè)計(jì)方案。借鑒Simplorer的仿真結(jié)果可以有效的壓縮開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性和優(yōu)化系統(tǒng)性能提供很好的幫助[3][4]。

為實(shí)現(xiàn)SRD的仿真模型的建立，首先利用Ansoft Maxwell搭建了圖1所示電機(jī)的本體模型，定義、添加材料參數(shù)，并依圖1所示定義繞組中電流的參考方向；然后通過(guò)Simplorer中的Simplorer Circuit菜單下的SbuCircuit-Maxwell Component-Add Transient Cosimulation選項(xiàng)將電機(jī)本體模型添加至Simplorer環(huán)境下；最后，在Simplorer界面中運(yùn)Simplorer所提供的模塊建立SRD模型。

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用了Equation Block（算式模塊）、Comparator（比較器）、Hyperbolic Function（曲線函數(shù)）三個(gè)模塊，如圖3所示。Equation Block用以讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角，充當(dāng)傳感器的作用；Comparator用以比較實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角、繞組電流與給定的轉(zhuǎn)子位置角、繞組電流，通過(guò)比較后輸出控制數(shù)字信號(hào)；Hyperbolic Function用以定義晶閘管、二極管等的工作特性曲線，已達(dá)到貼近實(shí)際器件的工作特性。

4 仿真分析結(jié)果

在Simplorer中完成外電路設(shè)置后，需要像在Ansoft Maxwell環(huán)境下一樣設(shè)置仿真步長(zhǎng)等參數(shù)，在設(shè)置運(yùn)算步長(zhǎng)時(shí)要根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定，一般在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)1°計(jì)算一次。

電機(jī)模型參數(shù)：軸向長(zhǎng)度為60mm，定子外徑為90mm，內(nèi)徑為54mm，氣隙為0.5mm，定子極弧為26.8mm，轉(zhuǎn)子極弧為32.6mm，繞組匝數(shù)為40。

為了驗(yàn)證仿真模型的效果，將同時(shí)進(jìn)行CCC與APC兩種控制方式。仿真設(shè)置為開(kāi)關(guān)區(qū)間為10°～89°，電流斬波值為12A，在此控制條件下當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000r/m時(shí)，在Ansoft Maxwell環(huán)境下可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線、繞組電流曲線分別如圖4、5所示。同時(shí)，可以在Simplorer環(huán)境下查看外電路的結(jié)果曲線，如在一個(gè)周期下繞組A的續(xù)流二極管的續(xù)流結(jié)果如圖6所示。

除了查看結(jié)果曲線外還可以通過(guò)查看不同時(shí)刻，即不同轉(zhuǎn)子位置的電機(jī)磁場(chǎng)分布，以確定電機(jī)的電磁負(fù)荷是否合理，某時(shí)刻的電機(jī)磁場(chǎng)分布如圖7所示。

5 結(jié)論

本文利用Ansoft Maxwell結(jié)合Simplorer建立了SRD系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行了仿真，結(jié)果較好的符合理論值，由本文可以看出利用Ansoft Maxwell結(jié)合Simplorer可以方便進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)的仿真，通過(guò)查看分析其輸出曲線及電機(jī)本體的磁場(chǎng)分布情況，可以分析電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否合理，為SRD的設(shè)計(jì)分析提供了有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳哲明，潘再平.開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（12）：2809-2012.

[2]吳建華.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]高潔，孫鶴旭，何琳，董硯.基于Simplorer的SRD動(dòng)態(tài)建模與實(shí)驗(yàn)研究[J].電氣傳動(dòng).2011，41（10）：37-40.

[4]閆英敏，劉衛(wèi)國(guó).基于Simplorer的無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)仿真[J]. 電氣傳動(dòng)，2005，35（11）：18-20.