開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略模型在環(huán)仿真研究

蔣立偉，葉新偉，朱江，張大雙（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略模型在環(huán)仿真研究

蔣立偉，葉新偉，朱江，張大雙
（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

在分析開關(guān)磁阻（SR）電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合Ansoft有限元分析的數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際樣機(jī)的參數(shù)，首先建立了SR電機(jī)被控對象模型，主要包括SR電機(jī)本體模型、逆變器模型、電池模型等，之后根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的自身特性，建立了轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)的控制策略模型，將被控對象模型和控制策略模型集成，構(gòu)成了模型在環(huán)仿真系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中進(jìn)行電機(jī)控制仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制策略能夠較理想地實(shí)現(xiàn)對SR電機(jī)的控制。

開關(guān)磁阻電機(jī)；被控對象；控制策略；模型在環(huán)；仿真

蔣立偉

畢業(yè)于華中科技大學(xué)電氣工程專業(yè)在職研究生，現(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心先行技術(shù)開發(fā)部工程師，研究方向：開關(guān)磁阻電機(jī)控制和重型AMT控制研究，已發(fā)表文章：4篇，發(fā)明和實(shí)用新型專利：6篇。

引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（簡稱SR電機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固，性能優(yōu)越，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，適于在使用工況較惡劣的混合動力和純電動卡車上使用，但其高度非線性、多變量及變結(jié)構(gòu)的特性，增加了電機(jī)控制的復(fù)雜度，當(dāng)前SR電機(jī)的控制策略已經(jīng)能較好地實(shí)現(xiàn)其控制，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化和完善。在開發(fā)控制策略時(shí)，仿真是重要的環(huán)節(jié)之一，是實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。

基于常用的“V”模式汽車電控系統(tǒng)開發(fā)流程，控制策略的模型在環(huán)仿真是系統(tǒng)功能完善的第一步，也是重要一步，為了使仿真更加準(zhǔn)確和接近實(shí)際情況，并能對控制策略進(jìn)行功能完善和性能驗(yàn)證，采用將有限元分析數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際樣機(jī)參數(shù)相結(jié)合的方法，建立SR電機(jī)被控對象模型，主要包括SR電機(jī)本體模型、逆變器模型、電池模型等，在此基礎(chǔ)上基于目標(biāo)控制器控制策略的開發(fā)思想和處理方式，搭建了SR電機(jī)控制策略模型，便于移植和對比。最后，將被控對象模型與控制策略模型無縫集成并進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果證明了控制策略模型的合理性和有效性。

1　Sr電機(jī)控制策略模型在環(huán)仿真系統(tǒng)

本文的仿真對象為在某混合動力車輛上使用的40/60KW、三相18/12結(jié)構(gòu)的SR電機(jī)?；凇癡”模式的控制系統(tǒng)開發(fā)流程搭建的SR電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模型在環(huán)仿真模型如圖1.1：

1.1電機(jī)本體模型

開關(guān)磁阻電機(jī)的本體封裝如圖1.1所示，圖中T_Load端子為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸入端；A1端和A2端為A相繞組輸出端，B1端和B2端為B相繞組輸出端，C1端和C2端為C相繞組輸出端， Generation Trig為電機(jī)運(yùn)行模式選擇的輸入端口，measurement端子為輸出端，輸出電機(jī)的電角度、速度、轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電流及功率等信息。

開關(guān)磁阻電機(jī)本體封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，主要包括三相的電壓、電流方程（A、B、C）、轉(zhuǎn)矩計(jì)算（Torque）和機(jī)械方程（Mechanical）等三個(gè)部分。

1.1.1電壓、電流平衡方程與模型

三相繞組的電壓平衡方程如下：

式（1）中：

UA、UB、UC：定子繞組相電壓，單位為V；

iA、iB、iC：定子繞組相電流，單位為A；

RA、RB、RC：定子繞組相電阻，單位為Ω；

ψAA、ψBB、ψCC：自感磁鏈，單位為Wb；

ψBA、ψCA、ψAB、ψCB、ψAC、ψBC：互感磁鏈，單位為Wb。

開關(guān)磁阻每相繞組的電壓、電流間滿足式（1）所示的關(guān)系，若直接根據(jù)它對繞組電壓的求解進(jìn)行建模，建立電壓源型繞組模型，會出現(xiàn)代數(shù)環(huán)的問題，同時(shí)直接對磁鏈求導(dǎo)也容易使模型不穩(wěn)定。對式（1）進(jìn)行簡單的變換，即可得到式（2）所示的積分方程。

以A相為例，通過式（2）求得A相自感磁鏈，之后根據(jù)自感磁鏈與電流的關(guān)系，計(jì)算算出當(dāng)前自感磁鏈對應(yīng)的電流，將此電流作為電流源的給定，即可構(gòu)成A相繞組電流，具體模型如圖3所示。

圖1.3中，ua為電壓檢測模塊，檢測當(dāng)前A相繞組的端電壓，ia為A相繞組相電流，R為相電阻，根據(jù)式（2），ua與相繞組壓降（R·ia）的差值經(jīng)過積分得到A相總磁鏈，之后減去互感磁鏈磁鏈，得到自感磁鏈。將自感磁鏈與位置角（theta）分別作為列輸入向量和行輸入向量提供給二維查表子模塊Table（位置角、磁鏈、電流），該模塊中已置入預(yù)先計(jì)算好的iA（ ψAA， θ ）關(guān)系數(shù)據(jù)，因此通過查表及插值計(jì)算即可得到相電流。

此外，Mabc為互感磁鏈存儲模塊，這里采用了Ansoft有限元仿真得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)償；angular transformation為角度變換模塊，用于角度處理；i（Psi/theta）為自感磁鏈模塊。

1.1.2機(jī)械方程

圖1.4為電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度計(jì)算模型，即機(jī)械方程（mechanical）模型。根據(jù)式（3）可得電機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程的頻域表達(dá)式為

由此得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速為機(jī)械角速度，即模型中的 。之后乘以電機(jī)極對數(shù)得到電角速度，并進(jìn)行積分后得電角度（theta），然后進(jìn)行弧度與角度的換算，最后將角度對360°求余得到電機(jī)的電角度（electrical angle）。

1.1.3轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型

轉(zhuǎn)矩計(jì)算（Torque）模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。Ta、Tb、Tc為轉(zhuǎn)矩查找表，TA=TA（ iA， θ ）已存入預(yù)先處理好的位置角、相電流與相轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)有三種獲取方式：可根據(jù)有限元分析得到；實(shí)驗(yàn)測量得到不同角度下轉(zhuǎn)矩隨電流變化數(shù)據(jù)；由磁鏈數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩。模型建模時(shí)采用第三種方式，這種建模方法可以直接通過電機(jī)運(yùn)行的位置角及實(shí)時(shí)相電流得到相轉(zhuǎn)矩，雖然需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，但模塊本身使用方便，仿真速度和精度都較為理想。

1.2 控制器/逆變器模型

此SRM采用不對稱半橋變換器，因此建立相應(yīng)的仿真模型如圖1.6所示。G端口為驅(qū)動輸入端，來自控制器模型；V+端和V-端連接蓄電池；A1端和A2端連接A相繞組模型；B1端和B2端連接B相繞組模型；C1端和C2端連接C相繞組模型。采用Matlab SimPowerSystems 模塊庫中的IGBT和續(xù)流二級管模塊搭建不對稱半橋變換器。

1.3動力電池模型

圖1.1中所示的Battery模塊即為蓄電池，直接使用了Matlab自帶的蓄電池模型，其參數(shù)配置與實(shí)車動力電池參數(shù)一致。

1.4負(fù)載模型

模型搭建了一種是線性負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。

1.5SR電機(jī)控制策略模型

控制策略模型根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、電壓、三相電流等信號和旋轉(zhuǎn)方向，電動/發(fā)電，目標(biāo)電流/轉(zhuǎn)速等指令實(shí)施對電機(jī)的控制，可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制和電流閉環(huán)控制。

1.5.1速度環(huán)模型

速度環(huán)（Speed loop）模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1.7所示，采用PID調(diào)節(jié)器對速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出i*為電流給定。其運(yùn)行原理為速度偏小時(shí)增加電流給定以提高速度；速度偏大時(shí)減小電流給定以減速。

1.5.2電流環(huán)模型

為了和將來實(shí)際控制器選用的QEP位置的檢測保持一致，將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的一個(gè)電周期360度用2048個(gè)脈沖信號來表示，并進(jìn)行位置區(qū)間劃分及開關(guān)碼的設(shè)計(jì)，如下圖1.8所示：

電流環(huán)模型主體結(jié)構(gòu)由開通角/關(guān)斷角計(jì)算模塊，角度控制模塊，電流控制模塊和換相模塊組成。

（1）開通角/關(guān)斷角計(jì)算模塊

電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要分別計(jì)算電動和發(fā)電工況下的開通角/關(guān)斷角，下面以電動開通角計(jì)算為例進(jìn)行說明。如下圖1.9所示，首先根據(jù)給定電流、電壓和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算基礎(chǔ)開通角anSRM_Adv_TonMA，再由三相位置關(guān)系分別計(jì)算每一相的電動開通角。關(guān)斷角的計(jì)算方式相同，僅參數(shù)不同。

（2）角度控制模塊

角度控制模塊中實(shí)時(shí)計(jì)算的三相開通角/關(guān)斷角依次與電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置進(jìn)行比較，來判斷當(dāng)前相的位置，給出該相當(dāng)前的角度控制開通碼/關(guān)斷碼，然后再與上一次計(jì)算的角度控制導(dǎo)通碼/關(guān)斷碼進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸出，保證平穩(wěn)可靠換相，正轉(zhuǎn)電動時(shí)的角度控制模型如圖1.10所示：

（3）電流控制模塊

電流控制模塊首先根據(jù)三相角度控制開通碼/關(guān)斷碼計(jì)算出當(dāng)前需要開通/關(guān)斷的相，然后將該相電流與目標(biāo)電流比較，進(jìn)行電流斬波，最終輸出控制IGBT的開關(guān)碼IGBT_ControlSig。其中A相電流控制模型如圖1.11所示：

2　仿真及結(jié)果

2.1SR電機(jī)模型參數(shù)

本文基于 Matlab/Simulink建立了18/12三相SR電機(jī)的控制策略模型在環(huán)仿真系統(tǒng)，電機(jī)模型參數(shù)采用某混合動力電動車上實(shí)際使用電機(jī)的數(shù)據(jù)。以該模型為基礎(chǔ)來研究開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略。SR電機(jī)參數(shù)為：額定功率40KW，最大功率60 KW，額定電壓 576 V，額定轉(zhuǎn)速800 rpm，最高轉(zhuǎn)速3000 rpm。

2.2電流環(huán)控制仿真

斷開速度閉環(huán)，電機(jī)負(fù)載隨轉(zhuǎn)速線性變化，給定階躍目標(biāo)電流，觀察相電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

從圖2.1和圖2.2可以看出給定不同階躍的目標(biāo)電流，實(shí)際的相電流能快、準(zhǔn)確地響應(yīng)，圖2.3中電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電流變化保持一致。圖2.4和圖2.5中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，圖2.6和圖2.7是將相電流局部放大，可以看出，控制策略對復(fù)雜的控制具有較好的動態(tài)響應(yīng)。

2.3轉(zhuǎn)速環(huán)控制仿真

在混合動力電動車上，轉(zhuǎn)速控制主要用于換擋的過程中調(diào)節(jié)變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速，要求轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，此時(shí)電機(jī)工作在空載狀態(tài)，因此仿真時(shí)將負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為0。

給定階躍為1000的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，觀察實(shí)際轉(zhuǎn)速響應(yīng)和相電流。

從圖2.8可以看出，轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)的時(shí)間最快0.1s，最慢不超過0.3s，這與樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，可滿足樣車的換擋調(diào)速需求。

從圖2.9的相電流可以看出，在每個(gè)階躍的上升沿和下降沿，為了快速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，相電流變化較快，從圖2.10和圖2.11中的電流局部放大可知，在轉(zhuǎn)速的上升階段電機(jī)處于電動轉(zhuǎn)態(tài)，在轉(zhuǎn)速的下升階段電機(jī)處于發(fā)電轉(zhuǎn)態(tài)，符合SR電機(jī)的控制規(guī)律。

3　結(jié)束語

本文首先以SR電機(jī)數(shù)學(xué)模型和有限元分析的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合樣車SR電機(jī)實(shí)際參數(shù)，建立了準(zhǔn)確和完善的SR電機(jī)被控對象模型，在此基礎(chǔ)上針對實(shí)際應(yīng)用，對SR電機(jī)的控制策略進(jìn)行了研究和建模，最后，將SR電機(jī)被控對象模型與控制策略模型集成，構(gòu)成模型在環(huán)仿真系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行控制策略仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的精確性和有效性，同時(shí)該系統(tǒng)也為將來控制策略的優(yōu)化和完善提供了一種快捷、實(shí)用的平臺。

［1］吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社.2010：10-38.

［2］王雙紅.混合動力電動車用開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)研究［D］.博士學(xué)位論文.華中科技大學(xué).2005.

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羅建武：

文中對模型構(gòu)建的描述清晰，思路明確，并結(jié)合有限元分析數(shù)據(jù)及相關(guān)樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高了仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)

Modelling in the loop Simulation Study for Switched Reluctance Motor Control Strategy

JIANG Li-wei， YE Xin-wei， ZHU Jiang， ZHANG Da-shuang
（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056， China ）

On the basis of analysis of the mathematical model of switched reluctance （SR） motor ，combining Ansoft data ， test data and the actual prototype parameters ， first established SR motor controlled object model ， including the SR motor body model ， inverse model and so on ， then according to characteristics of switch magnetic resistance motor ， established a speed and current double closed loop control strategy model， and integrated the controlled object model and the control strategy model ，constituted a Model in Loop simulation system， finishedsimulation experiments， the results show that the designed control strategies can effectively control SR motor.

SR Motor； the controlled object model； control strategy； Model in loop； simulation

TM352

A

1005-2550（2015）05-0023-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.005

2015-03-27