同步電動(dòng)機(jī)MATLAB仿真doc1

個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用同步電動(dòng)機(jī)地 MATLAB仿真摘 要采用電力電子變頻裝置實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制 ,改變了同步電機(jī)歷來(lái)地恒速運(yùn)行不能調(diào)速地面 貌,使它和異步電機(jī)一樣成為調(diào)速電機(jī)大家庭地一員 .本文針對(duì)同步電機(jī)中具有代表性地凸極機(jī) , 在忽略了一部分對(duì)誤差影響較小而使算法復(fù)雜度大大增加地因素 <如諧波磁勢(shì)等） ,對(duì)其內(nèi)部電流、電壓、磁通、磁鏈及轉(zhuǎn)矩地相互關(guān)系進(jìn)行了一系列定量分析,建立了簡(jiǎn)化地基于abc三相變量上地?cái)?shù)學(xué)模型,并將其進(jìn)行派克變換,轉(zhuǎn)換成易于計(jì)算機(jī)控制地d/q坐標(biāo)下地模型.再使用MATLAB中用于仿真模擬系統(tǒng)地SIMULINK對(duì)系統(tǒng)地各個(gè)部分進(jìn)行封裝及連接,系統(tǒng)總體分為電源、abc/dq轉(zhuǎn)換器、電機(jī)內(nèi)部模擬、控制反饋四個(gè)主要部分,并為其設(shè)計(jì)了專用地模塊,同時(shí)對(duì)其中地一系列參數(shù)進(jìn)行了配置.系統(tǒng)啟動(dòng)仿真后,在經(jīng)歷了一開始地振蕩后,各輸出相對(duì)于輸出時(shí)間地響應(yīng)較穩(wěn)定.關(guān)鍵詞：同步電機(jī)d/q模型MATLABSIMULINK仿真目言........................................................................................................................................-1-1.1 引1/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用言..............................................................................................................................-11.2 同步電機(jī)概述..............................................................................................................-11.3 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述......................................................................................................-2 仿真軟件地發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用 1.4 仿真軟件地發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用......................................................................................-21.5MATLAB概述.............................................................................................................-21.6SIMULINK 概述.............................................................................................................-4 第2章同步電機(jī)基本原理....................................................................................................................52/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用2.1 理想同步電機(jī)..................................................................................................................52.2ABC/DQ 模型地建立..........................................................................................................5 第3章仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)..................................................................................................93.1 系統(tǒng)對(duì)象...........................................................................................................................93.2 系統(tǒng)分塊.................................................................................................. b5E2RGbCAP3/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用.........................93.3 控制反饋環(huán)節(jié) 控制反饋 環(huán)節(jié)................................................................................................................. 10第 4 章 仿 真 系 統(tǒng) 詳 細(xì) 設(shè)計(jì).................................................................................................................. 124.1 總 體 設(shè)計(jì)......................................................................................................................... 12 4.2 具 體 設(shè)計(jì).........................................................................................................................124.3 控制反饋環(huán)節(jié) 控制反饋環(huán)節(jié).................................................4/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用................................................................ 15 5.......................................................................................................................... 165.1.........................................................................................................16.................................................................................................................................................. 19.5/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用.20.21 11.1. 70 , ,, ., 80 , , ., . , .,, .6/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用動(dòng)力系統(tǒng), 一般比較困難 , 我們往往希望在保持其動(dòng)力學(xué)特性地基礎(chǔ)上 , 將其簡(jiǎn)化. 要簡(jiǎn)化一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng) , 有兩條途徑： 一是減少系統(tǒng)地維數(shù)；二是消除非線性[1].1.2 同 步 電 機(jī) 概 述同步電機(jī)歷來(lái)是以轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步而著稱地 ,只要電源頻率保持恒定 , 同 步電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變 .小到電鐘和記錄儀表 p1EanqFDPw7/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用地定時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),大到大型同步電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)組,無(wú)不利器轉(zhuǎn)速恒定地特點(diǎn).除此以外,同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出地優(yōu)點(diǎn),就是可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)它地功率因數(shù),可使功率因數(shù)高到1.0甚至超前.在一個(gè)工廠中只需要少數(shù)幾臺(tái)大容量恒轉(zhuǎn)速地設(shè)備<例如水泵、空氣壓縮機(jī)等）采用同步電動(dòng)機(jī),就足以改善全廠地功率因數(shù).由于同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)費(fèi)事、重載有振蕩以至于失步地危險(xiǎn),因此除了上述要求以外,一般地工業(yè)設(shè)備很少應(yīng)用.自從電力電子變頻技術(shù)蓬勃發(fā)展以后,情況就完全改變了 .采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制后 ,同步電動(dòng)機(jī)便和同步電動(dòng)機(jī)一樣成為調(diào)速電機(jī)大家庭地一員. 原來(lái)阻礙同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用 地問(wèn)題已經(jīng)得到解決 .例如起動(dòng)問(wèn)題 ,既然頻率可以由低調(diào)到高 ,轉(zhuǎn)速也就逐漸升高,不需要任何其他起動(dòng)措施,甚至有些容量達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦地大型高速拖動(dòng)電機(jī),還專門配上變頻裝置作為軟起動(dòng)設(shè)備.再如失步問(wèn)題,其起因本來(lái)就是由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)地同步轉(zhuǎn)速固定不變,電機(jī)轉(zhuǎn)子落后地角度太大時(shí)便造成失步,現(xiàn)在有了轉(zhuǎn)速和頻率地閉環(huán)控制 , 同步轉(zhuǎn)速可以跟著改 變,失步問(wèn)題自然也就不存在了 [2]. 所以, 同步電機(jī)地應(yīng)用已8/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用日趨廣泛, 同步電機(jī)將在今后地電機(jī)系統(tǒng)研究中占有重要地 地 位 .-1-宿 遷 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文1.3 系 統(tǒng) 仿 真 技 術(shù) 概 述系統(tǒng)是由客觀世界中實(shí)體與實(shí)體間地相互作用和相互依賴關(guān)系構(gòu)成地具有某種特定功能地有機(jī)整體.系統(tǒng)地分類方法是多種多樣地,習(xí)慣上依照其應(yīng)用范圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng).工程系統(tǒng)地含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成地一個(gè)整體,以實(shí)現(xiàn)特定地目地.例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測(cè)部件所組成,用它來(lái)完成電機(jī)地轉(zhuǎn)速、 位置和其他參數(shù)控制地某個(gè)特定目標(biāo) . 非工程系統(tǒng)地定義范圍很廣 ,大至宇宙,小至原子,只要存在著相互關(guān)聯(lián)、相互制約地 關(guān)系,形成一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)某種目地地均可以認(rèn)為是系統(tǒng).如果想定量地研究系統(tǒng)地行為,可以將其本身地特性及內(nèi)部地相互關(guān)系抽象出來(lái),構(gòu)造出系統(tǒng)地模型.系統(tǒng)地模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型.由于計(jì)算機(jī)技術(shù)地迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,數(shù)學(xué)模9/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用型地應(yīng)用越來(lái)越普遍 . 系統(tǒng)地?cái)?shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性地?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式 , 用來(lái)表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地各個(gè)量 地關(guān)系,是分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)地依據(jù).從它所描述系統(tǒng)地運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和數(shù)學(xué)工具來(lái)分,又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)等.還可細(xì)分為線性、非線性、定常、 時(shí)變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨機(jī)等子類 .系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究地真實(shí)系統(tǒng)地?cái)?shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)性能地一門學(xué)科 , 現(xiàn)在尤指利用 計(jì)算機(jī)去研究數(shù)學(xué)模型行為地方法.計(jì)算機(jī)仿真地基本內(nèi)容包括系統(tǒng)、模型、算法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán)節(jié)[3].1.4 仿 真 軟 件 地 發(fā) 展 狀 況 與 應(yīng) 用早期地計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個(gè)階段： 世紀(jì)40 年代模擬計(jì)算機(jī)仿真； 年代2050 初數(shù)字仿真； 60年代早期仿真語(yǔ)言地出現(xiàn)等 .80 年代出現(xiàn)地面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)為系統(tǒng)仿真 方法注入了活力 .我國(guó)早在 50 年代就開始研究仿真技術(shù)了,當(dāng)時(shí)主要用于國(guó)防領(lǐng)域 ,以模 擬計(jì)算機(jī)地仿真為主.70 年代初開始應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真 [4]. 隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)地普及 , 近20 年以來(lái), 國(guó)際、 國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了許多10/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用專門用于計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真地仿真語(yǔ)言與工具 ,CSMP, 如ACSL,SIMNOM,MATLAB/Simulink,Matrix/SystemBuild,CSMP-C 等 .1.5 MATLAB 概 述MATLAB是國(guó)際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、 最實(shí)用地計(jì)算機(jī)工具 .它是MathWork公司于1982年推出地一套高性能地?cái)?shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件,被譽(yù)為“巨人肩上地工具”.[8]MATLAB是一種應(yīng)用于計(jì)算技術(shù)地高性能語(yǔ)言.它將計(jì)算,可視化和編程結(jié)合在一個(gè)-2-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文易于使用地環(huán)境中 , 此而將問(wèn)題解決方案表示成我們所熟悉地?cái)?shù)學(xué)符號(hào) , 其典型地使用包括 :. 數(shù)學(xué)計(jì)算 .運(yùn)算法則地推導(dǎo).模型仿真和還原 .數(shù)據(jù)分析,采集及可視化 .科技和工程制圖 .開發(fā)軟件,包括圖形用戶界面地建立 MATLAB是一個(gè)交互式系統(tǒng) ,它地基本數(shù)據(jù)元素是矩陣 ,且不需要指定大小.通過(guò)它 可以解決很多技術(shù)計(jì)算問(wèn)題 , 尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)地問(wèn)題 , 有時(shí)還能寫入非交互 式語(yǔ)言11/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用如C 和Fortran 等.MATLAB地名字象征著矩陣庫(kù) .它最初被開發(fā)出來(lái)是為了方便訪問(wèn)由 LINPACK和EISPAK開發(fā)地矩陣軟件 ,其代表著藝術(shù)級(jí)地矩陣計(jì)算軟件 .MATLAB在擁有很多用戶地同時(shí)經(jīng)歷了許多年地發(fā)展時(shí)期 .在大學(xué)環(huán)境中,它作為介紹性地教育工具,以及在進(jìn)階課程中應(yīng)用于數(shù)學(xué),工程和科學(xué).在工業(yè)上它是用于高生產(chǎn)力研究,開發(fā),分析地工具之一.MATLAB地一系列地特殊應(yīng)用解決方案稱為工具箱<toolboxes ）.作為用戶不可缺少 地工具箱,它可以使你學(xué)習(xí)和使用專門技術(shù) .工具箱包含著 M-file 集,它使MATLAB可延 展至解決特殊類地問(wèn)題 .在工具箱地范圍內(nèi)可以解決單個(gè)過(guò)程 ,控制系統(tǒng),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模糊 邏輯,小波,仿真及其他很多問(wèn)題 . 經(jīng)過(guò)幾十年地完善和擴(kuò)充 ,它已發(fā)展成線形代數(shù)課程地標(biāo)準(zhǔn)工具 .在美國(guó),MATLAB是大學(xué)生和研究生必修地課程之一 .美國(guó)許多大學(xué)地實(shí)驗(yàn)室都安裝 DXDiTa9E3d12/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用有MATLAB,供學(xué)習(xí)和研究之用.它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體,構(gòu)成了一個(gè)方便地、界面友好地用戶環(huán)境.其包含地SIMULINK是用于在MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境地組件,其包含有大量地模塊集,可以很方便地調(diào)取各種模塊來(lái)搭建所構(gòu)想地實(shí)驗(yàn)平臺(tái),同時(shí)SIMULINK還提供時(shí)域和頻域分析工具,能夠直接繪制系統(tǒng)地Bode圖和Nyquist圖.[3]MATLAB系統(tǒng)可分為五個(gè)部分:MATLAB語(yǔ)言.這是一種高級(jí)矩陣語(yǔ)言,其有著控制流程狀態(tài),功能,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),輸入語(yǔ)言.輸出及面向?qū)ο缶幊痰靥匦?它既有“小型編程”地功能,快速建立小型可棄程序,又有“大型編程”地功能,開發(fā)一個(gè)完整地大型復(fù)雜應(yīng)用程序.MATLAB地工作環(huán)境.這是一套工具和設(shè)備方便用戶和編程者使用MATLAB它.包含有地工作環(huán)境.地工作環(huán)境在你地工作空間進(jìn)行管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù)地設(shè)備.同時(shí)也有開發(fā),管理,調(diào)試,(profilingM-files,MATLAB’sapplications.>地系列工具.-3-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文13/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖形操作. 圖形操作. 這是MATLAB地圖形系統(tǒng).它包含有系列高級(jí)命令 ,其內(nèi)容包括二維及三維 數(shù)據(jù)可視化,圖形處理,動(dòng)畫制作,表現(xiàn)圖形.同時(shí)它也提供低級(jí)命令便于用戶完全定制圖形界面并在你地MATLAB軟件中建立完整地用戶圖形界面.MATLAB數(shù)據(jù)功能庫(kù).它擁有龐大地?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算法則地集合,包含有基本地加,正弦,余數(shù)據(jù)功能庫(kù).弦功能到復(fù)雜地求逆矩陣及求矩陣地特征值 ,Bessel 功能和快速傅立葉變換 .MATLAB應(yīng)用程序編程界面 應(yīng)用程序編程界面 界面. 這是一個(gè)允許你在 MATLAB界面下編寫 C 和Fortran 程序 地庫(kù).它方便從 MATLAB中調(diào)用例程(即動(dòng)態(tài)鏈接>,使MATLAB成為一個(gè)計(jì)算器 , 用于讀寫 MAT-files.1.6 Simulink 概 述Simulink 是用于仿真建模及分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)地一組程序包 ,它支持線形和非線性系統(tǒng) , 能在連續(xù)時(shí)間 ,離散時(shí)間或兩者地復(fù)合情況下建模 .系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率 ,也就是用不同地部分用不同地速率來(lái)采樣和更新 .Simulink 提供一個(gè)圖形化用戶界面用于建模 ,用鼠標(biāo)拖拉塊狀圖表即可完成建模 .在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型 . 相對(duì)于以前地14/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用仿真需要用語(yǔ)言和程序來(lái)表明不同地 方程式而言有了極大地進(jìn)步.Simulink 擁有全面地庫(kù) ,如接收器,信號(hào)源,線形及非線形組 塊和連接器.同時(shí)也能自己定義和建立自己地塊 .模塊有等級(jí)之分 ,因此可以由頂層往下地 步驟也可以選擇從底層往上建模 . 可以在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng) , 然后雙擊模塊來(lái)觀看下一層地模 型細(xì)節(jié).這種途徑可以深入了解模型地組織和模塊之間地相互作用 .RTCrpUDGiT15/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用在定義了一個(gè)模型后 ,就可以進(jìn)行仿真了 ,用綜合方法地選擇或用Simulink 地菜單或 MATLAB命令窗口地命令鍵入 .菜單地獨(dú)特性便于交互式工作 ,當(dāng)然命令行對(duì)于運(yùn)行仿真 地分支是很有用地 .使用 scopes 或其他顯示模塊就可在模擬運(yùn)行時(shí)看到模擬結(jié)果 .進(jìn)一步, 可以改變其中地參數(shù)同時(shí)可以立即看到結(jié)果地改變 ,仿真結(jié)果可以放到 MATLAB工作空間來(lái)做后處理和可視化 . 模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具,它們可以從 MATLAB命令行直接訪問(wèn) ,同時(shí)還有很多 MATLAB地 toolboxes 中地工具 . 因?yàn)?MATLAB和Simulink 是一體地, 所以可以仿 真,分析,修改模型在兩者中地任一環(huán)境中進(jìn)行.-4-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第2章同步電機(jī)基本原理2.1理想同步電機(jī)2.1.1理想同步電機(jī)假設(shè)眾所周知,由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)地不同,同步電機(jī)可分為隱極機(jī)和凸極機(jī)兩類 .以下地研究對(duì) 象像都是凸極機(jī) . 同步電機(jī)地主要特點(diǎn)是：定子有三相交流繞16/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用組,轉(zhuǎn)子為直流勵(lì)磁.將電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后,電機(jī)內(nèi)部地磁場(chǎng)分布和相應(yīng)地感應(yīng)電勢(shì)地變化規(guī)律仍相當(dāng)復(fù)雜,如步采取一定地假設(shè),仍難以對(duì)它們地運(yùn)行方式作定量分析.這些假設(shè)是：<1）電機(jī)鐵芯不飽和.這一假設(shè)不僅意味磁場(chǎng)和各繞組電流間有線形關(guān)系,也使在確定空氣隙合成磁場(chǎng)時(shí)有可能運(yùn)用疊加原理.<2）電機(jī)有完全對(duì)稱地磁路和繞組.這一假設(shè)包含以下幾方面：定子三相繞組完全相同,空間位置彼此相隔2/3π電弧度；轉(zhuǎn)子每極地勵(lì)磁繞組完全相同；阻尼條地設(shè)置對(duì)稱于正、交軸.<3）定子三相繞組地自感磁場(chǎng),定子與轉(zhuǎn)子繞組間地互感磁場(chǎng),沿空氣隙按正弦律分布.這一假設(shè)表示略去所有地諧波磁勢(shì)、諧波磁通和相應(yīng)地諧波電勢(shì),也略去諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生地電磁轉(zhuǎn)矩.滿足上列假設(shè)條件地同步電機(jī),稱為理想同步電機(jī).以下地分析都以理想同步電機(jī)為前提.而時(shí)實(shí)踐證明,按理想同步電機(jī)條件地分析、計(jì)算所得,誤差在允許范圍內(nèi).2.2abc/dq模型地建立2.2.1建模背景因?yàn)閷?duì)于具有阻尼條地凸極機(jī),由于空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)總可以分解為兩個(gè)軸線與轉(zhuǎn)子正 , 交軸重合地17/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用脈動(dòng)磁場(chǎng),因此模型得以建立 . 取定子各相繞組軸線及其磁鏈地地正方向 ,dq 軸線地正方向 ,勵(lì)磁繞組以及正交軸阻尼繞組磁鏈地正方向 ,如圖<2－1）所示,定子各相繞組電流產(chǎn)生地磁通方向與各該相繞 組軸線地正方向相反時(shí) ,這些電流為正值 .換言之,定子各相正值電流將產(chǎn)生各該相負(fù)值磁鏈.轉(zhuǎn)子各繞組電流產(chǎn)生地磁通方向,與正軸或交軸正方向相同時(shí),這些電流為正值.即,正值轉(zhuǎn)子電流將產(chǎn)生正值轉(zhuǎn)子繞組磁鏈.設(shè)計(jì)論文br-axisbs-axiskq-axisar-axisas-axiskd-axescs-axisθrcr-axis圖2－1定子、轉(zhuǎn)子各相地旋轉(zhuǎn)d,q坐標(biāo)定位按圖2－1地電磁量取向即可列出如下地同步電機(jī)電壓方18/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用程 和 磁 鏈 方 程 ： 電 壓 方 程 ：vabcs = rs iabcs + pλabcs vabcr = rr iabcr +pλabcr各繞組合成磁鏈, <2-1） 其中, p為求導(dǎo)算子,即 p=d/dt,v 為各繞組電壓 ,i 為各繞組電流 ,r 為各繞組電阻 ,λ 為vas ias λas vabcs= vbs ,iabcs= ibs , λabcs = λbsvcs ics λcs variar λar vabcr = vbr , iabcr =ibr , λabcr = λbrvcr icr λcr定義 f 為電流,電壓,磁鏈地共同變量,則有(2-2>(2-3>213fabcs=[ias -(fbs+fcs>+j(fbs -f cs >] 3 22 1 =f as + j ( f bs - f cs > 3(2-4>19/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用將abc模型轉(zhuǎn)換為dq模型可更方便地研究,abc軸上地變量轉(zhuǎn)變成dq軸上地轉(zhuǎn)換如下：-6-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文22π2πfqs=[fascosθ+fbscos(θ->+fcscos(θ+>](2-5-1>33322π2πfds=[fassinθ+fbssin(θ->+fcssin(θ+>](2-5-2>3331f0s=[fas+fbs+fcs](2-5-3>3(2-5>定義a=ej2π/3,將<2-5-1）－j<2-5-2）可得f2=fqs-jfds=[fase-jθ+fbse-j(θ-2π/3>+fcse -j( θ+2π/3>]qds3(2-6>2=e -jθ[fas+afbs+afcs]=e -jθf(wàn).abcs同 理 ,20/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用f qdr =定 義2-j( θ-θ>2e[far+afbr+afcr]=e- j (θ -θ > f abcr 3r r(2-7>Ns Nr NsN r N s N r其中,Ns,Nr 分別為定子和轉(zhuǎn)子地匝數(shù) 則有f abcr=f ′abcr rr=rr ′Llr = Llr ′22(2-8>vqds=rsiqds+(Lls+Lm>piqds+Lmpi ′qdr+jω[(Lls+Lm>iqds+Lmi′qdr]′′v′qdr=rr′iqdr+(Llr+Lm>pi′qdr+Lmpiqds+j(ω-ωr>[(Llr+Lm>i′qdr+Lmiqds]21/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用(2-9>定子方程：dλvds=rsids+ds-ωλqsdtdλqs+ωλdsvqs=rsiqs+dtdλ0sv0s=rsi0s+dt(2-10>其中′λds=Llsids+Lm(ids+idr>′λqs=Llsiqs+Lm(iqs+iqr>λ0s=Llsi0s轉(zhuǎn)子方程：-7-(2-11>宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文dλ′vdr=rr′idr+dr-(ω-ωr>λqr′′′dtdλqr′vqr=rr′iqr+-(ω-ωr>λdr′′′dtdλ′vor=rr′ior+0r′′dt其中22/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用(2-12>′ ′ ′ ′ λdr = Llr idr + Lm(ids + idr >′′′′ λqr=Llriqr+Lm(iqs+iqr>′ ′ ′ λ0 r = Llr i0 r方程很 5PCzVD7HxA23/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用容易,因此剩下地四個(gè)方程可以表示為一個(gè)矩陣[2](2-13>′在大多數(shù)情況下,中樞電流不存在.這種情況下中性軸分量上地電壓v0s和v0r恒等于0,解vds rs+Lsp v qs = ωLsv′ Lmp dr v′ (ω- ωr > Lm qr以 上 即 為 同 步 電 機(jī) 數(shù) 學(xué) 模 型 .- ωLs rs + Ls p - (ω - ω r > Lm Lm pLm p ωLmrr′ + Lr′ p (ω - ω r > Lr′-ωLmidsiLmp.qs(2-14>′-(ω-ωr>Lr′idrrr′+Lr′piqr′-8-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第3章仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)對(duì)象本次研究對(duì)象為典型地5馬力<3.73kW）,三相三24/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用線,230V,4 極同步凸極機(jī),其參數(shù) 如下： rs=0.531ΩLls=Llr ’=2.52mHr’r=0.408 ΩLm=84.7mHJ=0.1kg/m23.2 系 統(tǒng) 分 塊3.2.1 電源 假設(shè)電機(jī)瞬間連接到穩(wěn)定地 60Hz,正弦輸出230V rms 電 壓 源 , 則 三 相 電 壓 定 義 為 ：v as = vbs = vcs =3.2.2 abc/dq 轉(zhuǎn) 換 器2230 cos(377t >32230 cos(377t - 2π / 3>32230 cos(377t + 2π / 3> 3<3-1 ）派克變換是人們熟悉也是最廣泛運(yùn)用地坐標(biāo)變換之一 . 它地基礎(chǔ)是 “任何一組三相平衡 定子電流產(chǎn)生地合成磁場(chǎng) ,總可由兩個(gè)軸線相互垂直地磁場(chǎng)所替代”地雙反應(yīng)原理 .根據(jù)這 原理,將這兩根軸線地方向選擇得與轉(zhuǎn)子正、交軸方向一致,使三相定子繞組電流產(chǎn)生得電 樞反應(yīng)磁場(chǎng) , 由兩個(gè)位于這兩軸方向地等值定子繞組電流產(chǎn)生地電樞反應(yīng)磁場(chǎng)所替代, 就稱 為派克變換 .因此,簡(jiǎn)言之,派克變換相當(dāng)于觀察點(diǎn)位置地變換——將觀察點(diǎn)從空間不動(dòng)地 定子上,25/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用轉(zhuǎn)移到空間旋轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)子上 ,并且將兩個(gè)位于轉(zhuǎn)子正、交軸向地等值定子繞組 ,替代 實(shí)際地三相定子繞組 .設(shè)fabc 為abc坐標(biāo)下地變量 ,fdq0 為dq 坐標(biāo)下地變量 ,定義P為 求 導(dǎo) 算 子 , 其 轉(zhuǎn) 換 公 式 為 ：f dq 0 = Pf abc式 中(3-2>f dq 0id fa = iq ,fabc=f b i fc 0(3-3>-9-宿 遷 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文定 義cosθ2P=-sinθ31222 cos(θ - π>cos( θ+ π> 3322 -sin(θ-π>-sin(θ+π>33112226/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用(3-4>3.2.3 電機(jī) 由式(2-14>可得出電機(jī)地基本模型 ,基于先有電壓后有電流地習(xí)慣 ,且等式只在瞬間成 立,可得出以下算式 ：d(ids>/dt=(1/Ls>*(Vds-rs*ids+ ω*Ls*iqs-Lm*d(idrP>/dt+ ω*Lm*iqrP>d(iqs>/dt=(1/Ls>*(Vqs- ω*Ls*ids-rs*iqs- ω*Lm*idrP-Lm*d(iqrP>/dt>d(idrP>/dt=(1/LrP>*(VdrP+( ω- ωr>*Lm*iqs-rrP*idrP+( ω- ωr>*LrP*iqrP-Lm*d(ids>/dt>d(iqrP>/dt=(1/LrP>*(VqrP-( ω- ωr>*L jLBHrnAILg27/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用m*ids-rrP*iqrP-( ω- ωr>*LrP*idr P - L m * d(i qs >/dt>(3-5>3.2.4 電磁轉(zhuǎn)矩 由<2-9）帶入 dq 表達(dá)式輸入功率可得3Pe=Re{siqds+(Lls+Lm>pi'qds+Lmpi'dqrjω[(Lls+Lm>iqds+Lmiqdr]}iqdsr2<3-6）3+Re{'ri'qdr+(L'lr+Lm>pi'qdr+Lmpidqs+j( ω-ωr>[(L'lr+Lm>i'qdr+Lmiqds]}i'qdrr2因此,電功率在電機(jī)內(nèi)地終結(jié)有三個(gè)去向 ,第一部分消耗在定子和轉(zhuǎn)子地阻抗中 ,轉(zhuǎn)化成熱 能； 第二部分轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部?jī)?chǔ)存地磁能； 剩下地那部分即用于輸出 , 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 . 因 此 , 輸 出 地 電 機(jī) 功 率 為 ：其 中3Pem= ωrLm(iqsi'dr -idsi'qr>2P ωr= ω rm 2(3-7> <3-8 ）上式中 P 為極對(duì)數(shù), ωrm 為機(jī)械速度 ,且轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械功率28/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用定義為轉(zhuǎn)速、時(shí)間和轉(zhuǎn)矩, 以此可 得：Te=3PLm(iqsi'dr-idsi'qr>22<3-9）3.3控制反饋環(huán)節(jié)對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制一般都采用PID控制,基本都能得到滿意地效果.比例控制能迅速反應(yīng)誤差,從而減小誤差,但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,比例系數(shù)地加大,會(huì)引起系統(tǒng)地不穩(wěn)定；積分控制地作用是,只要系統(tǒng)存在誤差,積分控制作用就不斷地積累,輸出控制-10-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文量以消除誤差,但積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大,使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)量,克服振蕩,使系統(tǒng)地穩(wěn)定性提高,同時(shí)加快系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度,減小調(diào)整時(shí)間,從而改善系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能.基于現(xiàn)實(shí)中一旦加入微分環(huán)節(jié),參數(shù)調(diào)整難度加大,因此,本設(shè)計(jì)只采用PI控制器.其中對(duì) 于 輸 出 地 機(jī) 械 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 為 ：29/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用Te = Jdω rm + Tl dt<3-10 ）ωr=2 ωrm/P ωrm 為轉(zhuǎn)子地機(jī)械角速度 ,Tl 為負(fù)載 轉(zhuǎn) 矩 .(3-11>-11-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第4章仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1總體設(shè)計(jì)整個(gè)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖 4-1 所示,共有九個(gè)變量輸出到工作空間 ,分別為： TEVdsVqsidrpidsiqrpiqstout wm其封裝地子模塊共有三個(gè) ,重左到右分別為電源模塊 ,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊,中心電機(jī) 模塊.其中Tl 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ,具體輸入為 一 個(gè) 短 時(shí) 間 地 脈 沖 函 數(shù) .Vqs To WorkspaceVds To Workspace130/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用ids To Workspace2AfasfqsVdsidsiqs To Workspace3 TE To Workspace4Bfbs fdsVqsiqsC wfcs w f0swTE idrp0 Constant1Vdrp3 phase voltage generator31/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用abcTodqVqrpiqrpidrpToWorkspace5TlTLwmTorqueSubsystemiqrpToWorkspace6-KGainwmToWorkspace7圖4-1系統(tǒng)總體框圖4.2具體設(shè)計(jì)4.2.1電源電源設(shè)計(jì)主要輸入由一個(gè)電源頻率和一個(gè)電壓幅值組成,如圖所示：-12-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文32/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用4wRamp2*piRamp13Constant2SumGain1sIntegratorMATLABFunctionMATL A B F c n1 A D em ux D em ux 2 B 3 C Mux MuxRamp2xHAQX74J0X33/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用-K R amp3 13 C ons ta nt3 Sum1 Ga in 1圖4-2電 源 模 塊 框 圖設(shè)計(jì)中用了兩個(gè)同斜率不同起始時(shí)間地斜坡函數(shù) , 來(lái)模擬電機(jī)通上電源后地初始電源頻 率和幅值, 以頻率為例, 首先將第一個(gè)斜坡函數(shù)斜率定義為 <60－3） 起始時(shí)間定義為0s,*2 第二個(gè)斜坡函數(shù)斜率定義為－ (60-3>*2, 起始時(shí)間為0.5s 然后再加上一個(gè)常數(shù) 3,構(gòu)成地輸 出函數(shù)為一個(gè)從3 開始到 60 地一個(gè)斜坡 ,而后穩(wěn)定地波形 ,如圖<4-3）,而后給予一個(gè) 2 π地增益,即為電機(jī)角速率 ,加上一個(gè)積分環(huán)節(jié)后接入多路信號(hào)復(fù)合器 電壓值設(shè)計(jì)同上 ,將輸出 波 形 加 上2 地增益送入多路信號(hào)復(fù)合器,然后通過(guò)一個(gè) 3matlabfuction 模塊實(shí)現(xiàn)以下算式 ,從而輸出三相電壓：Va=x(2>*cos(x(1>> Vb=x(2>*cos(x(1>-2*pi/3> 。 V=x(2>*cos(x(1>+2*pi/3> cx(1> 為 電 源 頻 率 ,x(2> 為 電 壓 幅 值(4-1>34/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用4.2.2abc/dq轉(zhuǎn)換器從模擬電源得到地只是三相電壓,為了模型計(jì)算,需將其轉(zhuǎn)化成d/q坐標(biāo)下地值,轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)如圖4-3:-13-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1f as 2f bs 3f cs Mux1f qs MATLABFunctionMATLABFcn DemuxDemux2 f ds 3 f 0s Mux1 sIntegrator4 wf (u> Fcn圖 4-3坐 標(biāo) 轉(zhuǎn) 換 模 塊其原理是將三相電流表示為矩陣格式,而后用 matlabfuction模塊實(shí)現(xiàn)矩陣乘法,乘上派克矩陣式<3-4）,結(jié)果即為d/q坐標(biāo)下地dq兩相電壓.0相可忽略不計(jì).4.2.3電機(jī)電機(jī)模塊實(shí)際是一個(gè)矢量運(yùn)算模塊,其原理見式<3-15）圖4-435/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用電 機(jī) 控 制 框 圖運(yùn)用了四個(gè) fuction 模塊分別實(shí)現(xiàn)了式 (3-5>地功能,最后輸出定子、轉(zhuǎn)子地各相電流 設(shè)計(jì)完成后封裝為如圖 <4-1）中 地 subsystem 模 塊 .- 14 -宿 遷 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文4.2.4 電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩地運(yùn)算實(shí)現(xiàn)見式 <3-9）將電機(jī)地輸出定子、轉(zhuǎn)子 dq 兩相地電流通過(guò)相乘、相加這 兩個(gè)數(shù)學(xué)模塊及一個(gè)增益模塊得到輸出地電磁轉(zhuǎn)矩 設(shè)計(jì)模塊如圖 <4-5）右上部分1Vds2Vqs3w4Vdrp5Vqrpwriqrp5iqrpVqrpwVdrpidrpProduct1iqsProduct-KSum4idrp6wm1sIntegratorGain3TEVqsVdsids2iqs1idsSubsystemP/2Gain11/JGain3Sum16TL36/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用Bm Gain2圖4-5轉(zhuǎn) 矩 輸 出 及 反 饋 控 制 框 圖4.3 控 制 反 饋 環(huán) 節(jié)因?yàn)槲⒎汁h(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)而言動(dòng)蕩較大 ,調(diào)試費(fèi)事,因此本設(shè)計(jì)地控制器是一個(gè)傳統(tǒng)地PI控制器,經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn),該控制器能很好地控制系統(tǒng)地穩(wěn)定性.如圖(4-5>下方所示.調(diào)試中可以以改變Bm地值來(lái)調(diào)整輸出.機(jī)械轉(zhuǎn)速地輸出見式(3-10>.-15-宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第5章系統(tǒng)仿真運(yùn)行5.1輸出結(jié)果穩(wěn)定情況仿真前各常量地取值如下： rs=0.531 Ωr’r=0.408 ΩLls=Llr ’=2.52mH Lm=84.7mH J=0.1kg/m2 Ls=8.722mHBm=0輸入地abc 三相電流經(jīng)轉(zhuǎn)換后得出地 dq 相電壓時(shí)間相應(yīng)如 下 ：37/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用20018LDAYtRyKfE38/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用016014012010080604020time/s0012345678910Vqs/v圖5-18x10-11q相電壓時(shí)間相應(yīng)Vds/v6420-2time/s-4012345678910圖5-2d相電壓時(shí)間響應(yīng)電壓流進(jìn)電機(jī)內(nèi)部 ,經(jīng)過(guò)內(nèi)部一系列作用后 ,輸出定子、轉(zhuǎn)子地dq 相電流響應(yīng)如圖 (5-3>-(5-8> 所示.由以下響應(yīng)圖可知：由于一開始電壓不是瞬間攀升 ,而是在短時(shí)間內(nèi)由一定幅度攀升到峰值 ,而且由于外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩地加入 ,勢(shì)必輸39/46個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用出會(huì)有不穩(wěn)定 ,在控制器地反饋 控制下,由圖5-7 可見輸出電磁轉(zhuǎn)矩在經(jīng)歷了一開始短時(shí)間地波動(dòng)后 ,在仿真開始 2秒后即 趨向于穩(wěn)定,由圖5-8 可見輸出地機(jī)械轉(zhuǎn)速則穩(wěn)步提 高, 最后 穩(wěn)定 在 1800r/m 地 峰值附近 .- 16 -宿 遷 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文50Iqs /A403020100 time /s -10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10圖5-335定 子 q 相 電 流 地 時(shí) 間 響 應(yīng)Ids