基于ANSOFT开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究
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20 2010 年第 2 期基于ANSOFT开关磁阻电机建模与控制策略的仿真研究凌岳伦 王勉华 王 岩 石 磊 温东园西安科技大学（710054）Simulation Study on Modeling and Control Strategy of the Switched Reluctance Motor Based on ANSOFTLing Yuelun Wang Mianhua Wang Yan Shi Lei Wen DongyuanXi'an University of Science and Technology电感参数或者磁链数据通过查表的形式给出[2]，在仿真电机的控制方式时会带来一定误差。
有限元法是一种离散的数学方法，它以场的观点，精确的建立电机模型，全面、系统地分析电机性能，为电机的优化设计、驱动控制提供理论依据[3]。
在采用二维有限元分析时，端部磁场效应是忽略不计的。
然而SR 电机的端部磁场效应在转子齿对槽的位置附近是比较严重的，解决这一问题的有效方法就是采用三维有限元分析[4]。
本文以8/6极开关磁阻电机为研究对象，建立其二维和三维有限元模型，对开关磁阻电机的电流斩波和角度位置控制策略进行瞬态仿真研究。
1 控制策略选择SR M 低速运行时，为避免过大的电流脉冲峰值，多采用斩波限流工作方式，即在SR M 一相通电周期内，保持电机每相的开通角和关断角不变，如果电流大于给定最大电流时，则关断主开关器件；如果电流小于给定最小电流时，则再次导通主开关器件。
这样通过主开关器件的多次导通和关断将电流限定在给定电流附近，以此控制导通相的电流，进而控制转矩。
SRM 高速运行时，为保持电机相电压不变，通过改变开通角和关断角两个控制参数来改变摘 要：基于A NSOFT 软件建立开关磁阻电机二维和三维有限元模型,采用不同控制策略对开关磁阻电机有限元模型进行动态仿真研究。
将有限元仿真结果与MATLAB 仿真结果进行比较，结果表明有限元法建立的模型及其驱动系统有利于对电机转矩和磁链特性进行准确分析，同时能指导开关磁阻电机及其控制系统的设计和优化。
关键词：开关磁阻电动机 建模 控制策略 仿真Abstract: The two-dimensional and three dimensionalfinite element model of switched reluctance motor using Ansoft was introduced. The switched reluctance motor model of finite element technique using the different controlling policy has been simulated. In order to verify the veracity and accuracy of finite element model, the simulation results of finite element model and MATLAB have been compared. The result indicated that the finite element method and the driving system were not only helpful to analysis the torque and the flux characteristics but also optimized the switched reluctance motor and the controlling system’s design.Keywords: Switched reluctance motor (SRM) Model-ing Control strategy Simulation由于开关磁阻电机采用双凸极铁心结构，在运行时，绕组电流的非正弦和铁心磁通密度的高饱和，使其无法得到简单、统一的数学模型及解析式[1]。
目前对开关磁阻电机及其控制系统大多采用M AT LA B 进行仿真，其电机模型一般采用2010 年第 2 期 21相电流的波形宽度、电流波形峰值和有效值，进而改变电机转矩和转速。
2 电机模型的建立采用四相8/6极开关磁阻电机模型，参数如表1所示，模型建立过程如下[5]：（1）根据SR M 的基本参数和几何尺寸，利用电机设计软件R M X PRT 生成开关磁阻电机的几何模型。
由于电机的对称性，取模型的1/2进行分析，如图1。
（2）将（1）中生成的SR M 模型导入有限元分析软件MAXWELL2D/3D 中，生成二维或三维有限元模型，如图1，并定义电机的材料属性。
A NSOF T 软件可以定义外加电路与模型构成一个系统进行仿真。
外电路由功率变换器模型和驱动电路组成，可以由A N S O F T 自带的软件schematic capture 和Maxwell CircuitEdit 输入[6]。
由S R M 的工作原理可知，主开关管的通断依赖于转子的位置信号，故以转子位置P 为变量，根据转子位置给功率变换器提供换相信号[7]。
在功率变换器中（如图2），由SR M 等效线圈LA-LD 、线圈电阻R A -R B 和端部的漏感L 1-L 4串联起来等效为每一相的绕组，S 1-S 8为主开关管，DS 1～DS 8为单向二极管，D 1~D 8为续流二极管，VCC 为直流电源，C 1为寄生电容，W 1~W 4为电流控制开关，可以分别设置阈值电流和滞环电流的值对每一相绕组电流进行斩波控制。
在驱动电路中（如图3），V SA 、V SB 、V SC 、V SD 为受控电压源，其根据转子位置产生脉冲电压信号控制电压开关S 1~S 8对每一相绕组通电[8][9]。
（3）定义计算的边界条件和绕组的激励源。
其中边界采用主从边界，绕组激励源采用外电路驱动。
（4）确定电机是否考虑各种损耗。
（5）设置运动边界、转子转速、有限元分析的步长及其有限元模型的网格剖分。
完成以上步骤就建立了开关磁阻电机的有限元模型，再利用MAXWELL2D/3D 的瞬态模块进行动态仿真。
表1 8/6极SRM 参数表电机类型额定转速定子外直径定子内直径额定功率轭部高度转子外直径铁心长度4相8/6极2000rmp/s120mm 75mm550W9mm74mm65mm3 外电路模型的建立图1 1/2开关磁阻电机2D 及3D几何模型4 仿真结果对于有限元仿真，采用8/6极S R M ，直流270V 供电，开关管的导通周期为60°，每隔15°就有一相导通。
采用电流斩波控制时，转速为1000r/min ，阈值电流为6A ，滞环电流为0.1A 。
采用角度图3 驱动电路模型V_1V_2V_3V_4R sa V SA R sc V SC R sb V SB R sd V SD图2 功率变换器模型VCCc 1D 1D 2DS 1DS 4W 1S 1S 4L 1R AL AI 1D 5D 6DS 5DS 2W 3S 5S 2L 3R CL CI 3D 3D 4DS 3DS 6W 2S 3S 6L 2R VL BI 2D 7D 8DS 7DS 8W 4S 7S 8L 4R DL DI 422 2010 年第 2 期位置控制时，转速为2500r/min ，开通角为0°，关断角为14°。
4.1 基于MAXWELL 2D的仿真（1）电流斩波控制4.2 基于MAXWELL3D的仿真（1）电流斩波控制图4基于二维模型的斩波控制下转矩3.532.521.510.5000.0020.0040.0060.0080.010.0121.81.61.41.210.80.60.40.2000.0020.0010.0030.0040.005（2）角度位置控制图6 基于二维模型的斩波控制下磁链0.30.250.20.150.10.050-0.05f l u x /W b 0.006图9 基于二维模型的角度控制下磁链0.250.20.150.10.050-0.05f l u x /W b0.002图5 基于二维模型的斩波控制下相电流765432100.006图8 基于二维模型的角度控制下相电流5432100.002图13 基于三维模型的角度控制下转矩21.510.50-0.5012345图10 基于三维模型的斩波控制下转矩432124681012图11 基于三维模型的斩波控制下电流86426图12 基于三维模型的斩波控制下磁链0.20.150.10.050-0.05f l u x /W b6图14 基于三维模型的角度控制下磁链ABCD0.250.20.150.10.050-0.0512345f l u x /W b图15 基于三维模型的角度控制下电流ABCD5432100123454.3 基于MATLAB仿真结果基于MATLAB 仿真，参数为直流270V 供电，2010 年第 2 期 23采用M A T L A B 仿真时，转矩最大值为29Nm ，脉动为13Nm ，电流峰值为59A ，其模型采用是60k W 电机的磁链和转矩数据，对分析小功率SR M 的误差较大，但能反映电机的参数变化趋势，能满足一般控制系统要求。
MATLAB 仿真结果中，转矩、电流和磁链的波动范围比较大，适合对电机的控制方式进行定性分析。
5 结论本文在A n sof t Ma xwel l2D/3D 环境下建立了S R M 的不同仿真模型及驱动电路，完成了对SR M 从模型到驱动系统的瞬态仿真研究。
仿真结果反映了SR M 在不同模型和不同控制方式下的电流、电感和转矩的变化曲线，对所设计的电机的各项参数进行了对比验证。
采用有限元模型有利于对SR M 的启动方式和最优角度控制的研究，也为电机结构参数优化、模型建立和控制方式选择提供了理论依据。
参 考 文 献1 王宏华．开关型磁阻电动机调速控制技术[M]．北京：机械工业出版社，1999．2 H.Le-Huy ，P.Brunelle ，Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSys-tems ，Electrimacs2005 Conference ．3 刘国强，赵凌志，蒋继娅．A nsof t 工程电磁场有限元分析[M]．北京：电子工业出版社，2005．4 许 嵩，范 瑜．微型磁悬浮开关磁阻电机的有限元分析[J]．大中型电机，2008，3：20~24．5 杨丽伟，张奕黄．基于A n sof t 的开关磁阻电机建模与仿真[J]．电机技术，2007，3：13~16．6 周会军，丁 文，鱼振民．基于Ma xwel l2D 的开关磁阻电动机的仿真研究[J]．微特电机，2007，7：10~12．7 Scott Stanton ．Analysis of a Dual Channel Switched Reluctance Motor/Generator[M]．Ansoft Corporation ，2004．8 周会军，丁 文，鱼振民．基于A nsof t Ma xwell2D 的开关磁阻电机仿真研究[J]．微电机，2005，38（6）：11~12．（收稿日期：2009-04-01）作者简介：凌岳伦，男，1983年生，湖南株洲人，硕士，研究方向为电力电子与电力传动。
