开关磁阻电机调速系统建模与仿真分析李书杰等收稿日期:20091120基金项目:十一五国家科技支撑计划项目2008BAF34B00开关磁阻电机调速系统建模与仿真分析李书杰卜庆华董健周彦涛太原理工大学电气与动力工程学院太原030024摘要:分析了开关磁阻电机的数学模型在Matlab/Simulink环境下建立了相绕组数学模型、电流置换比较环节、功率变换电路模型结合这几个模块在电流斩波控制阶段做了低速重载仿真分析。仿真分析证明此方法的适用性为SR电机调速系统的分析和设计提供了一种方法。关键词:开关磁阻电机电流斩波仿真分析中图分类号:TM352TP3919文献标志码:A文章编号:10016848201010001903TheModelingandSimulationofSwitchedReluctanceDrivebasedonMatlab/SimulinkLIShujieBUQinghuaDONGJianZHOUYantaoCollegeofElectricalandPauerEngineeringTaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024ChinaAbstract:Themathematicalmodelofswitchedreluctancedrivewasanalyzed.MadethecoilsmodelrelayandpowerconverterinMatlab/Simulinkenvironmen.tBytheseblocksmadethenonlinearmodleofSRmotormadethelowspeedheavyloadsimulationunderchoppedcurrentcontro.lTheresultsdemonstratedtheeffectivenessofthenonlinearsimulationmode.lThemodelofferawayforSRmotrcontrolsystemanalysisandthedesign.KeyWords:SRmotorCCCSimulation0引言开关磁阻电机SR电机或SRM结构简单、启动电流小、启动转矩大、成本低与其他电机相比有明显优势1。但SR电机定、转子均为双凸极结构2-3在转动中存在着显著的边端效应、局部饱和现象导致SR电机磁路的高度非线性。由此而产生的低速转矩脉动、振动、噪音等问题就不难理解了。为了解决上述问题许多论文试图从电子控制部分或改变SR电机结构着手。如:一相导通变两相导通、增加电机的极对数等这些方法虽然部分地解决了上述问题但无疑损害了电机某一方面的性能。因此应从控制部分和电机本体两方面着手解决。本文在Matlab/Simulink环境下建立了开关磁阻电机调速系统SRD的数学模型为分析和设计SR电机调速系统提供了一种方法。1SR电机数学模型从SR电机数学模型的提出到现在SR电机模型的建立可以分为:线性模型、准线性模型、非线性模型由于SR电机的磁场磁路是非线性的线性模型、准线性模型不能准确描述SR电机静、动态特性。为了更好的分析SR电机特性本文采用非线性建模方法建立SR电机数学模型。忽略SR电机各相绕组互感则各相可以独立建模分析。对于第k相绕组电压方程为2UKRKikdk/dt1式中UK为k相绕组电压Rk为第k相绕组电阻ik为第k相绕组流过的电流k为第k相绕组的磁链。而k为第k相绕组电流ik和转子位置角的函数即:kik2则UkRkikkik?6?6dikdtk?6?6ddt3转子的机械运动方程为:TeJdwdtDwTL4wd/dt5式中Te为电磁转矩TL为负载转矩J为转动惯量D为电机系统粘性摩擦系数w为电机角速度。19微电机2010年第43卷第10期而w2n606其中n为电机的转速。从一相考察SR电机的电磁转矩根据磁链分析的虚位移原理电机在任一运行点的转矩可表示为:Tk?6?6?6?9ikconst?6?6?6?9-?6?6?6?9ikconst7?6?6?6?9为第k相绕组磁共能且?6?6?6?9ik0kdi8式5代入式3得dikdtUk-Rkik-k?6?6k/ik92基于Matlab/Simulink建模SR电机调速系统由SR电机、功率变换电路、电流位置检测、控制器几部分组成此部分建立了SR电机模块、电流斩波模块、功率变换模块。21SR电机绕组模型的建立由式5、式7、式9在Matlab/Simulink环境下可搭建SR电机仿真模型如图1所示一相绕组搭建模型时用到了Matlab/Simulink中Look-uptable2-D二维查找模块此模块根据输入与行和列参数进行比较产生其输出。图中La、La-分别接功率变换电路中一相的上下两个开关管其中2号输入thtea接A相绕组位置信号Rs为电机的相绕组电阻。图1一相绕组模型运用此种绕组建模方法可以建立其他相绕组的模型进而建立SR电机模型。此方法亦适用于任何相数的SR电机模型的建立。22电流斩波控制模块此模块的搭建思想是在电流斩波控制阶段通过设置电流斩波上、下限控制此阶段绕组电流的大小如图2所示。在搭建过程中用到滞环比较器Relay。其原理为4-6:此模块每相有两个输入信号实际绕组输入电流i1和参考电流i如实际输入电流i1从零开始上升当超过参考电流i且偏差小于滞环比较器的上限iH时电流继续增大如超出上限iH时开关管关断当绕组电流i1降到与i的偏差大于置换比较器的下限iL时主开关管导通绕组电流i1继续增大。如此反复上述过程直到SR电机的转速达到设定转速时切换控制。图2电流滞环控制模型23功率变换模块本文功率模块电路选用不对称半桥型功率电路主功率开关管选用IGBT。一相绕组的两个主开关管的导通与关断选用同一信号这样能够保证一相桥壁上的两个主开关管同时导通、同时关断。在电流斩波控制阶段CCC主开关管的导通角为0关断角为22变角度控制阶段APC关断角22。3仿真结果及分析应用上述模块及其他几个模块建立了开关磁阻电机调速系统仿真模型并在低速阶段做了重载仿真低速阶段也即CCC控制阶段此阶段的非线性仿真系统采用双闭环控制方案:电流环由电流滞环调节器构成转速环由PI调节器构成主开关管的导通角为0关断角为22。SR电机的额定参数及仿真参数如表1所示。表1SR电机的额定参数及仿真参数参数数值额定转速N/rmin-11500额定负载T/Nm955仿真实验条件n/rmin-1500电流斩波iL/A85iH95负载转矩T/Nm13由图3a启动电流波形可知电流的平均值约为9A在9A上下形成一个大小为1A的带宽由此可以论证电流滞环比较器发挥了作用在启动阶段能够控制相绕组电流的大小避免电流过大对电机绕组产生电流冲击。而图3b为启动转矩波形则显现出SR电机的启动转矩大约为15Nm比负载转矩大可以实现低速重20开关磁阻电机调速系统建模与仿真分析李书杰等载启动。图3低速重载启动波形由图4a稳态电流波形可以得出当达到给定转速500r/min时绕组电流的下限大约为6A已经低于置环比较环节设置的下限85A。可知此时绕组电流已不再是置环比较环节调节而改为PI调节图4b为稳态转矩波形此时SR电机输出转矩平均值与给定负载转矩大体持平转矩波动小。图4低速重载稳态波形4结论通过本文所提出的SRD仿真模型及分析通过设置滞环比较环宽适用于SR电机启动阶段也即CCC控制阶段稳态时输出转矩波动不大满足低速重载启动基本解决了低速转矩波动。因此本文所提出的SRD仿真方法为进一步开展SRD整体性能研究提供了一种参考方法。参考文献1陈昊.开关磁阻调速电动机的原理及设计M.徐州:中国矿业大学出版社2000.2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1998.3詹琼华.开关磁阻电动机M.武汉:华中理工大学出版社1992.4严利.基于matlab/simulink开关磁阻电机非线性建模方法研究与实践D.南京:南京航空航天大学2005.5嵇丽丽陈昊.基于matlab/simulink的开关磁阻电动机驱动系统非线性建模仿真J.东南大学学报:自然科学版2004S1:149-154.6顾明磊王双红孙建波等.开关磁阻电机发电控制系统仿真研究J.微电机2009421:82-85.作者简介:李书杰1981-男硕士研究生研究方向为电机与电器及其控制。卜庆华1949-男教授博导从事电力电子技术、特种电机及其控制方面的研究。21
开关电源空载功效低带响声？
传统换向阀的进出油口控制通过一根阀芯来进行，两油口听开口对应关系早在阀芯设计加工时已确定，在使用过程中不可能修改，从而使得通过两油口的流量或压力不能进行独立控制，互不影响。
随着微处理控制器、传感器元件成本的下降，控制技术的不断完善，使得双阀芯控制技术在工程机械领域得以应用。英国Utronics公司利用自己的技术及专利优势研制出双阀芯多路换向阀，已广泛应用于JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘机、*车、装载机及挖掘装载机等产品上。为适应中国工程机械产品对液压系统功能要求。稳定性以及自动化控制程度的不断提高，Utronics公司产品适时进入中国市场，现已初步完成厦工（5t）装载机、詹阳（8t）挖掘机样机调试并进入试验阶段。
1、传统单阀芯换向阀的缺陷
传统的单阀芯换向阀所组成的液压系统难以合理解决好以下功能和控制之间存在的矛盾：
（1）液压系统设计时为提高系统稳定性，减少负载变化对速度的影响，要么牺牲部分我们想实现的功能，要么增加额外的液压元件，如调速阀、压力控制阀等，通过增加阻尼，提高系统速度刚度来提高系统的稳定性。但是这样元件的增加又会降低效率，浪费能源；还会使得整个系统的可*性降低、增加成本。
（2）由于换向结构的特殊性，使得用户在实现某一功能时必须购买相应的液压元件，再加上工程机械厂家会根据不同最终用户要求设计出相应的功能，这样会造成生产厂家采购同类、多规格的液压控制元件来满足不同功能要求的需要，不利于产品通用化及产品管理，同时会大大提高产品成本。
（3）由于执行机构进出液压油通过一根阀芯进行控制，单独控制执行机构两侧压力是不可能的。因此，出油侧背压作用于执行机构运动的反方向，随着出油侧背压升高，为保质执行机构的运动，必须提高进油侧压力。这样会使得液压系统消耗的功能增加，效率低，发热增加。
采用双阀芯技术的液压系统，由于执行机构进出油侧阀口阀芯位置及控制方式各自独立，互不影响，这样通过对两阀芯控制方式的不同组合，利用软件编程能很好解决传统单阀系统不能解决的问题，同时还可以轻易实现传统液压系统中难以实现的功能。
2、双阀芯换向阀的两种基本控制策略
由于双阀芯换向两油口控制的灵活性，两油口可分别采取流量控制、压力控制或流量压力控制。正面介绍两种简单的控制策略。
（1）负载方向在整个工作过程中保持不变
我们知道，对于汽车起重机、挖掘机、装载机等而言，其液压缸在整个工作过程中负载方向始终维持不变。下面以起重机变幅液压缸为例来探讨双阀芯的控制策略。
起重机变幅缸在工作过程中其受力，负载方向始终保持不变，因此我们可以采取液压缸有杆控用压力控制、无杆腔用流量控制的控制策略。
无杆腔流量控制是通过检测连接到无杆腔侧阀前后两侧的压差，再根据所需流入或流出流量的多少，计算出阀芯开口大小；有杆腔侧采用压力控制，使该侧维持一个低值的压力，使得更加节能、高效。
由于我们在无杆腔采用了流量控制，因此原控制系统中所用的平衡阀可用一个液控单向阀来代替。这样可消除因平衡阀所带来的系统不稳定，从而提高系统稳定性。
（2）负载方向在工作过程中发生改变
在这种情况下，采取“进油侧压力控制，出油侧流量控制”，在液压缸有杆腔侧用压力控制，无杆腔侧有流量控制。
如负载方向不变，由于出油侧采取了流量控制，我们可将双向平衡阀用液控单向阀来替换，从而提高系统的稳定性。进油侧用压力控制器来维持一个较低的参考压力，一方面提高系统效率，另一方面使系统不发生气穴。
为了使负载方向变化的工作机构能得到很好控制，另外一个PI控制器将被运用到有杆腔的压力控制器中，当负载方向改变后，无杆腔的压力将减小；如果仍将有杆腔维持一个很低的压力，当负载很大时，液压缸将向反方向运动。此时我们可用所增加的PI控制器监视无杆腔压力的变化，当PI控制器检测到无杆腔压力低于所设定的参考值时，将提高有杆腔压力控制器所设定的压力，从而保证系统的正常工作。
3、Ultronics液压控制系统
Ultronics公司是一家集设计、研究和制造的电子液压技术公司。其液压控制系统采用了CAN总线通信，双阀芯控制技术，通过两个阀芯的组合控制，可实现对执行机构多种控制，以提高系统的稳定性，降低能源损耗，同时还可使得系统更加简单，降低成本，加快产品开发速度，这些都是传统的电子系统所不能做到的。
Ultronics控制系统的硬件一般由操纵手柄、电控单元ECU、调节阀、双阀芯液压阀组和外接传感器或开关等组成，其间通过CAN总线通信，液压阀组为电控系统与液压系统的交汇点，系统的另一个重要组成部分就是软件。
手柄为光电非接触形式，最多可带4个比例输出或2个比例输出和最多5个开关。开关有比例式和自锁式供选择。其防护等级达到了IP67。手柄的延时特性、输出曲线和死区等可通过专用软件JoyVal进行修改。
电控单元ECU其供电压有12V和24V两种，25路和50路两种接口，提供模拟与数字输入、输出接口，同时该电控单元还提供了CAN信接口，使得系统可以接收传感器或控制信号或与其它系统进行连接。ECU中存储了系统控制所需的所有应用程序，该应用程序可将来自于手柄或连接于ECU上的其它器件和信号（如传感器检测信号、发动机控制系统信息等），经处理后转换成各个阀芯动作的指令。
Ultronics控制系统的关键在于其独特的双阀芯控制技术，每片阀有两个阀芯，相当于将一个三位四通阀变成两个三位三通阀的组合，两个阀芯既可单独控制，也可根据控制逻辑进行成对控制，并且两个工作油口都有压力传感器，每一个阀芯都有位置传感器，通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力或流量进行控制，具有很高的控制精度，通过不同的组合可以得到许许多多的控制方案，以满足系统的需要。
每片阀都有两个完整的设置好的混合信号ASIC（模拟型专用集成电路）和一个RISC（精简指令处理器）。这些控制器给传感器提供激励和补偿、给控制传动装置提供动力、提供阀芯控制软件以及CAN总线通信。阀芯动作控制策略以及具体的参数可由用户根据被控执行元件的要求进行设置或修改。控制阀接收到指令后，其内嵌式处理器就运行阀芯动作控制软件实现设定的机能，多个阀间的功能协调是由ECU完成的，从而实现复杂的系统功能。这种分级控制方式使系统的应用具有非常好的灵活性，同时易于构建复杂的控制系统。
Ultronics控制系统功能的多样性是通过应用软件实现的，通过有针对性的编制控制软件。Ultronics控制系统可实现的功能是极其广泛的。履带挖掘机、轮式挖掘机、装载机等先进机型在操作舒适性、作业效率、作业成本消耗、故障诊断、环境保护等方面所做的努力，比如发动机状态与液压系统的适应控制、特定作业功能等，采用Ultronics系统都可实现。
总之，通过CAN总线通讯、独特的双阀芯结构和压力、位移传感器的应用以及压力或流量的闭环控制技术、Ultronics公司的电子液压控制系统使工程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、较低的性价比以及控制理念、维修模式等诸多方面都将引发一次革命性的变化。
方向控制阀分类
在实际应用中，可根据不同的需要将方向控制阀分成若干类别：
（1）按照气体在管道的流动方向，如果只允许气体向一个方向流动，这样的阀叫做单向型控制阀，比如单向阀，梭阀等；可以改变气体流向的控制阀叫做换向阀，比如常用的2way2port，2way3port，2way5port，3way5port等。
（2）按照控制方式可分为电磁阀，机械阀，气控阀，人控阀。其中电磁阀又可以分为单和双电控阀两种；机械阀可分为球头阀，滚轮阀等多种；气控阀也可分为单气控和双气控阀；人力阀 可以分为手动阀，脚踏阀两种。
（3）按工作原理可以分为直动阀和先导阀，直动阀就是靠人力或者电磁力，气动力直接实现换向要求的阀；先导阀是由先导头和阀主体2部分构成，有先导头活塞驱动阀主体里面的阀杆实现换向。
（4）根据换向阀杆的工作位置可以将阀分为2way，3way阀。
（5）根据阀上气孔的多少来进行划分，可以分为2port，3port，5port阀。
普通单向阀（逆止阀或止回阀）
功用：只允许油液正向流动，不许反流。
分类：直通式、直角式
结构：阀体、阀心锥形、钢球式 、弹簧等
工作原理：液流从进油口流入时，A →B
液流从出油口流入时，A → B
开启压力：0、04——0、1MPa
做背压阀：Pk=0.2——0.6 MPa 3
液控单向阀
功用：正向流通，反向受控流通
结构：普通单向阀+液控装置
K不通压力油，A → B
工作原理〈
K通压力油，A → B
结构特点：B→ A，∵ PB=P工，很高
∴ 弹簧腔背压很大，pk很大时才能顶开阀心,影响可靠性。
故 可采用如下措施
1) 采用先导阀预先卸压
2） 采用外泄口回油降低背压
应用：∵ 液控单向阀具有良好的反密封性
∴ 常用于保压、锁紧和平衡回路
梭阀、双压阀和快速排气阀
1） 梭阀
2） 双压阀
3） 快速排气阀 二 换向阀
作用：变换阀心在阀体内的相对工作位置，使阀体各油口连通或断开，从而
控制执行元件的换向或启停。
换向阀的分类
按结构形式分：滑阀式换向阀、座阀式换向阀、转阀式换向阀
滑阀式换向阀
（1）换向阀的结构和工作原理
阀体：有多级沉割槽的圆柱孔
结构〈
阀芯：有多段环行槽的圆柱体
分类：
二位
按工作位置数分 < 三位 位：阀心相对于阀体的工作位置数。
四位
二通 按通路数分 < 三通 通: 阀体对外连接的主要油口数
四通 （不包括控制油和泄漏油口）
五通
电磁换向阀
液动换向阀
按控制方式分 < 电液换向阀
机动换向阀
手动换向阀
图形符号含义：
1 位——用方格表示，几位即几个方格
2 通——↑ 不通—— ┴ 、┬ 箭头首尾和堵截符号与一个方格有几个交
点即为几通。
3 油口有固定方位和含义，p——进油口(左下）， T——回油口（右下） ,
A.B——与执行元件连接的工作油口（左、右上）。
4 弹簧——W、M，画在方格两侧
二位阀，靠弹簧的一格。
5 常态位置 〈 原理图中，油路应该连接在常态位置 三位阀，中间一格。
滑阀的中位机能
滑阀机能：换向阀处于常态位置时，阀中各油口的连通方式，对三位阀即中间位置各
油口的连通方式，所以称中位机能。
中位机能：三位换向阀处于中立位置时，阀中各油口的连通方式。
（3） 换向阀的主要性能
1） 工作可靠
2） 压力损失小
3） 内泄漏小
4） 换向时间与复位时间
5） 使用寿命长
（4） 操作方式
手动换向阀
特征：利用手动杠杆操纵阀芯运动以控制流向
分类：钢球定位式、 弹簧复位式。
多路换向阀
特征：是一种集中布置的组合式手动换向阀
串联式
分类：按组合方式有〈 并联式
顺序单动式
机动换向阀（行程阀）
特征：利用挡铁或凸轮使阀心运动以控制流向
分类：常为二位阀，有二位二通、三通、四通
举例：二位二通机动换向阀
组成：阀体、阀心、弹簧、滚轮等
常态： P→ A
工作原理〈
滚轮压下： P→ A
电磁换向阀
特征：利用电磁铁推力，推动阀心运动以控制流向。
二通 四通
分类：二位〈 三通 三位〈 等
四通 五通
举例：三位四通电磁换向阀：
组成：阀体、阀心、弹簧、电磁铁等
工作原理： 图示位置，P、A、B、T均不通
右电磁铁通电，P → A ， B → T
左电磁铁通电，P → B ， A → T
二位三通电磁换向阀：
工作原理 ： 图示位置， P → A B ┴
电磁铁通电，P → B A ┴
符号：
交流（D）
电磁铁分类： 按电源分〈 直流（E）
本整形 干式
按内部有无油液〈
湿式 寿命长
液动换向阀
特征：利用压力油改变滑阀位置以控制流向
分类：二位、三位等
组成：
工作原理： 图示位置，p、A、B、均 → T
X1通压力油，p → A，B → T X2通压力油，p → B，A → T
电液换向阀
特征：利用电磁阀控制液动阀，以变换液流方向。
电磁阀（先导阀）
组成〈 〉 组合而成
液动阀（主阀）
工作原理：
电：p ┴ A、B → T
图示 〈
液：p 、A 、B、T均不通
电：p → A → 液动阀左腔，液动阀右腔 → B → T
1YA通电〈
液：p → A ，B → T
电：p → B → 液动阀右腔，液动阀左腔 → A → T
2YA通电〈
液：p → B，A → T 特点：（1） 阻尼调节器（又称换向时间调节器），实为一叠加式单向节流阀，可叠放在
先导阀和主阀之间。
（2） 主阀心行程调节机构
（3） 预压阀—常装在以内控方式供油的电液换向阀中。 3 球阀式换向阀
特征：球阀式换向阀是座阀式换向阀的一种形式，通过改变钢球在阀体内的相对位置来改变流向。
若只是轻载效率低，那很正常，若重载或满载还效率低就是电路或变压器有问题了。
电路问题一般在频率上，变压器问题一般都在选用磁芯不当。或者绕制不当。
带响声除了1楼说的，还有布线不合理也会造成，变压器绕制不好也会响。
另外设计不当，占空比和开关频率以及开关管，变压器匹配不上，反峰吸收过小，PMW不正确都会造成。
你的是正激还是反激，或半桥等等？还是把电路图和实物发上来吧！不然光这样说不清。原因太多了。
