摘要
开关磁阻电机（Switched Reluctance Machines，SRM）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 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2开关磁阻电机调速系统概述 2
1.3开关磁阻电机调速系统的研究和发展方向 5
1.4本设计要做的工作 5
1.5本章小结 6
第2章 交流电机的直接控制理论 7
2.1 异步电机的数学模型 7
2.1.1 三相静止坐标系下的异步电机方程 7
2.1.2两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 18
3.2.1 SRM的DTC原理分析 18
3.2.2 空间电压矢量的产生 20
3.3本章小结 23
第4章 开关磁阻电机的DTC仿真分析 24
4.1 MATLAB/simulink仿真环境介绍 24
4.2 SR电机直接转矩控制系统仿真 24
4.2.1 SR电机直接转矩控制系仿真模型 24
4.2.2 SR电机Simulink中的数学模型 25
4.2.3 功率变换器模块 26
4.2.4 定子磁链3/2变换 27
4.2.5 定子合成磁链扇区位置判定 28
4.2.6 滞环控制器 29
4.3基于MATLAB的开关磁阻电机CCC控制系统的仿真 30
4.3.1仿真模型的搭建 30
4.3.2位置角度检测模块 31
4.4 仿真结果及分析
4.5本章小结
结论
参考文献
致谢
