开关磁阻电机控制系统仿真研究
摘 要开关磁阻电动机（简称SRM）调速系统（简称SRD）是全新系统，不同于市面上任一系统，是全新调速电机的代表产品，结构简单、坚固、耐高温、电机成本低廉、制作工艺简单是它的结构、机械特点，同时兼顾驱动系统效率高、调速范围宽、启动转矩大且低速性能好、控制灵活可以频繁瞬时启动制动等优点。开关磁阻电机调速系统已广泛运用于众多工业领域，得到更多人的认可和应用。本文首先介绍了开关磁阻电机调速系统的研究现状和日后的发展趋势，讨论了研究的意义和价值。分析了系统组成及各部分优缺点，阐述了SRD的工作原理。利用MATLAB/SIMULINK 环境构建了各部分仿真模型 ，从而搭建了完整系统动态仿真模型，对给定参数的开关磁阻电机的动态特性进行仿真研究，利用得出的仿真波形图判断电流斩波理论上能否成立，同时也对利用角度位置的控制方式获得的电流电压波形图进行验证。保证开关磁阻电机（SRM）在低速或高速运行时都可正常运行。
目 录
第一章 绪论 1
1.1开关磁阻电机调速系统的历史及现状 1
1.2开关磁阻电机调速系统的发展趋势 2
1.3开关磁阻电机调速系统的研究意义和价值 2
第二章 开关磁阻电机调速系统的构成及理论分析 4
2.1开关磁阻电动机调速系统的组成 4
2.1.1开关磁阻电机（SRM） 4
2.1.2功率变换器 5
2.1.3控制器 6
2.1.4位置检测器 7
2.1.5电流检测器 7
2.2开关磁阻电机工作原理 8
第三章 开关磁阻电机的控制策略 10
3．1开关磁阻电机控制方式 10
3.1.1角位置控制 10
3.1.2电流斩波控制 11
3.1.3电压斩波控制 12
第四章 建立开关磁阻电机调速系统的数学建模 14
4.1开关磁阻电机的数学模型分类 14
4.2开关磁阻电机方程 14
4.3开关磁阻电机系统的线性分析 15
4.3.1电感与转子位置角的关系分析 15
4.3.2线性模型的开关磁阻电机绕组电流分析 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3.3开关磁阻电机电磁转矩分析 21
4.3.4开关磁阻电机转速的控制分析 21
4.4开关磁阻电机系统的非线性分析 21
第五章 开关磁阻电机调速系统MATLAB/SIMULINK仿真 25
5.1仿真软件MATLAB/SIMULINK简介 25
5.2开关磁阻电机调速系统的仿真研究 25
5.2.1逆变器模型 26
5.2.2开关磁阻电机模型 27
5.2.3电流控制器模型 28
5.3仿真结果与分析 28
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1开关磁阻电机调速系统的历史及现状
早在19 世纪 40 年代，就有人提及开关磁阻电动机的基本结构及基本原理，即当时理论意义的“电磁发电机”。由于科学知识有限，没有人能够解决电动机在设计控制上的一系列问题，便被人们遗忘。后来磁阻式电动机开始出现，但一直被误解为不是拥有高性能的电动机，所以很多需要大功率的厂房并不用它，只在少数的小功率场合应用。之后才逐渐有专家进行研究，不断的提高改进这种磁阻式电动机的性能，才得以具备功率范围广的优势，在各方面也不次于其他形式的电动机。
20世纪70年代初期，最原始的开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive)具有晶闸管功率电路和轴向气隙电动机的结构，它由美国福特电动机(Ford Motor)公司成功研制，在电动车传动领域可用于蓄电池供电，优势在于拥有与电动机和发动机的运行调速相媲美的能力。
20世纪70年代中期，英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学协作研发了以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统，研究人员在实践操作与理论实际双方面进行了大量采样工作，大大提升了样机容量与转速，各项指标明确超越传统传动系统，在此基础上，为了更好的宣传开发经营他们共同的研究成果，协作研究小组又共同成立了开关磁阻电动机调速系统公司(Switched Reluctance Drives Ltd．)
80年代初，英国TASC公司(TASC Drives Ltd.)推出了通用调速系列产品，产品容量范围更广，各项综合性能指标远超当前的水平，轰动工业界。1983年之后全世界掀起了开关磁阻电机调速系统研发热潮，产品推广领域也在不断扩张，我国在1984年也开始致力于开关磁阻电机调速系统的研究，各类科研机构、高等院校、企业部门吸取国外经验，研制已经形成体系的三相或四相控制方案上，虽然国内研究起步晚，但在前人的基础上也不断完善自己，不同用途、性能、功率(1kW到55kW)的各规格系列产品，应用于棉纺织、煤矿、机械、电动车、家用电器等多种行业。
然而现在的开关磁阻电机仍有较多缺点，噪声震动大、需要位置检测、低速时转矩脉动明显、转子温度升高快，并且由于磁路的非线性，准确的数学模型难以建立。总之在国内外学者的不断探索和努力后，开关磁阻电机调速系统的理论分析、仿真模拟、设计优化、功率变换器设计、位置检测、控制策略等各方面都取得了傲人的成绩，成为当代电气传动的热门课题。
1.2开关磁阻电机调速系统的发展趋势
开关磁阻电机的发展不过200年，在很多方面仍有很多缺点，国内外对此表示开关磁阻电动机调速系统仍需完善。
第一，开关磁阻电机的设计理论不够完善，工程应用方面的实用性不高。从系统理论角度出发，建立完善的设计理论体系，综合电机模型和控制系统各方因素，全面优化设计理论。
第二，功率变换器主电路的结构形式决定了SRD的制造成本和性能，电机模型的建立及参数的确定，合理选择主开关的类型、数量、容量等因素也困扰着研究人员。由于电动机会产生磁路饱和、漩涡流等非线性影响电动机整体性能，造成数学模型难以建立，研究人员必须在计算机辅助下精确估算整个电机静态动态下的数字仿真，将SRM、功率变换器、控制模式三者协调设计才能获得满意效果。
第三、SR电动机最大的缺点是转矩脉动和其产生的噪声，在追求静态转矩并需要低速平稳驱动条件下的场合，SRM并没有发挥优势。所以研究人员必须尽快提高功率因数，加强理论研究，改善静态条件下电机仿真的结果。
第四，SRM位置检测环节是重要组成环节，检测的位置信号是绕组通断的凭证，提供了转速信息服务于转速闭环，多数情况下，研究人员善于使用光电、磁敏及霍尔式位置传感器，但使用这些传感器的同时也提高了制造成本和结构复杂性，也给工程人员安装调试带来不便，同时又因为传感器的分辨率不足，系统性能也因此降低，因此无位置传感器的SRD系统的研制课题 也是日后发展的趋势。
第五，开关磁阻电机调速系统虽然是高效率调速系统，但是电机的铁损耗却也无法避免成为影响效率的主要方面，电机供电是波形复杂，磁路局部会饱和，又因为采用双凸极结构，电机定、转子的各部分铁芯磁通密度变化不同，致使研究人员无法准确测量计算定、转子的铁芯损耗，在未来的研究中，研究人员应从理论角度出发，在电机、电路结构、控制策略三方面着手，建立精准的计算模型，研究减少损耗的措施，完成测试和分析。
目 录
第一章 绪论 1
1.1开关磁阻电机调速系统的历史及现状 1
1.2开关磁阻电机调速系统的发展趋势 2
1.3开关磁阻电机调速系统的研究意义和价值 2
第二章 开关磁阻电机调速系统的构成及理论分析 4
2.1开关磁阻电动机调速系统的组成 4
2.1.1开关磁阻电机（SRM） 4
2.1.2功率变换器 5
2.1.3控制器 6
2.1.4位置检测器 7
2.1.5电流检测器 7
2.2开关磁阻电机工作原理 8
第三章 开关磁阻电机的控制策略 10
3．1开关磁阻电机控制方式 10
3.1.1角位置控制 10
3.1.2电流斩波控制 11
3.1.3电压斩波控制 12
第四章 建立开关磁阻电机调速系统的数学建模 14
4.1开关磁阻电机的数学模型分类 14
4.2开关磁阻电机方程 14
4.3开关磁阻电机系统的线性分析 15
4.3.1电感与转子位置角的关系分析 15
4.3.2线性模型的开关磁阻电机绕组电流分析 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.3.3开关磁阻电机电磁转矩分析 21
4.3.4开关磁阻电机转速的控制分析 21
4.4开关磁阻电机系统的非线性分析 21
第五章 开关磁阻电机调速系统MATLAB/SIMULINK仿真 25
5.1仿真软件MATLAB/SIMULINK简介 25
5.2开关磁阻电机调速系统的仿真研究 25
5.2.1逆变器模型 26
5.2.2开关磁阻电机模型 27
5.2.3电流控制器模型 28
5.3仿真结果与分析 28
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1开关磁阻电机调速系统的历史及现状
早在19 世纪 40 年代，就有人提及开关磁阻电动机的基本结构及基本原理，即当时理论意义的“电磁发电机”。由于科学知识有限，没有人能够解决电动机在设计控制上的一系列问题，便被人们遗忘。后来磁阻式电动机开始出现，但一直被误解为不是拥有高性能的电动机，所以很多需要大功率的厂房并不用它，只在少数的小功率场合应用。之后才逐渐有专家进行研究，不断的提高改进这种磁阻式电动机的性能，才得以具备功率范围广的优势，在各方面也不次于其他形式的电动机。
20世纪70年代初期，最原始的开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive)具有晶闸管功率电路和轴向气隙电动机的结构，它由美国福特电动机(Ford Motor)公司成功研制，在电动车传动领域可用于蓄电池供电，优势在于拥有与电动机和发动机的运行调速相媲美的能力。
20世纪70年代中期，英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学协作研发了以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统，研究人员在实践操作与理论实际双方面进行了大量采样工作，大大提升了样机容量与转速，各项指标明确超越传统传动系统，在此基础上，为了更好的宣传开发经营他们共同的研究成果，协作研究小组又共同成立了开关磁阻电动机调速系统公司(Switched Reluctance Drives Ltd．)
80年代初，英国TASC公司(TASC Drives Ltd.)推出了通用调速系列产品，产品容量范围更广，各项综合性能指标远超当前的水平，轰动工业界。1983年之后全世界掀起了开关磁阻电机调速系统研发热潮，产品推广领域也在不断扩张，我国在1984年也开始致力于开关磁阻电机调速系统的研究，各类科研机构、高等院校、企业部门吸取国外经验，研制已经形成体系的三相或四相控制方案上，虽然国内研究起步晚，但在前人的基础上也不断完善自己，不同用途、性能、功率(1kW到55kW)的各规格系列产品，应用于棉纺织、煤矿、机械、电动车、家用电器等多种行业。
然而现在的开关磁阻电机仍有较多缺点，噪声震动大、需要位置检测、低速时转矩脉动明显、转子温度升高快，并且由于磁路的非线性，准确的数学模型难以建立。总之在国内外学者的不断探索和努力后，开关磁阻电机调速系统的理论分析、仿真模拟、设计优化、功率变换器设计、位置检测、控制策略等各方面都取得了傲人的成绩，成为当代电气传动的热门课题。
1.2开关磁阻电机调速系统的发展趋势
开关磁阻电机的发展不过200年，在很多方面仍有很多缺点，国内外对此表示开关磁阻电动机调速系统仍需完善。
第一，开关磁阻电机的设计理论不够完善，工程应用方面的实用性不高。从系统理论角度出发，建立完善的设计理论体系，综合电机模型和控制系统各方因素，全面优化设计理论。
第二，功率变换器主电路的结构形式决定了SRD的制造成本和性能，电机模型的建立及参数的确定，合理选择主开关的类型、数量、容量等因素也困扰着研究人员。由于电动机会产生磁路饱和、漩涡流等非线性影响电动机整体性能，造成数学模型难以建立，研究人员必须在计算机辅助下精确估算整个电机静态动态下的数字仿真，将SRM、功率变换器、控制模式三者协调设计才能获得满意效果。
第三、SR电动机最大的缺点是转矩脉动和其产生的噪声，在追求静态转矩并需要低速平稳驱动条件下的场合，SRM并没有发挥优势。所以研究人员必须尽快提高功率因数，加强理论研究，改善静态条件下电机仿真的结果。
第四，SRM位置检测环节是重要组成环节，检测的位置信号是绕组通断的凭证，提供了转速信息服务于转速闭环，多数情况下，研究人员善于使用光电、磁敏及霍尔式位置传感器，但使用这些传感器的同时也提高了制造成本和结构复杂性，也给工程人员安装调试带来不便，同时又因为传感器的分辨率不足，系统性能也因此降低，因此无位置传感器的SRD系统的研制课题 也是日后发展的趋势。
第五，开关磁阻电机调速系统虽然是高效率调速系统，但是电机的铁损耗却也无法避免成为影响效率的主要方面，电机供电是波形复杂，磁路局部会饱和，又因为采用双凸极结构，电机定、转子的各部分铁芯磁通密度变化不同，致使研究人员无法准确测量计算定、转子的铁芯损耗，在未来的研究中，研究人员应从理论角度出发，在电机、电路结构、控制策略三方面着手，建立精准的计算模型，研究减少损耗的措施，完成测试和分析。
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