同步電機(jī)模型的MAAB仿真

1、存檔資料華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書所屬課程名稱計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)_題 目同步電機(jī)模型的 MATLABMATLAB 仿真_分 院_ 電信分院_專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化_學(xué) 號(hào)_學(xué)生姓名 _指導(dǎo)教師 _2020 1616 年 7 7 月 4 4 日成績:第1章 引言1.1 引言世界工業(yè)進(jìn)步的一個(gè)重要因素是過去幾十年中工廠自動(dòng)化的不斷完 善。在上個(gè)世紀(jì)70年代初葉，席卷全球世界先進(jìn)工業(yè)國家的石油危機(jī)， 迫使他們投入大量人力和財(cái)力去研究高效高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，期望用 它來節(jié)約能源。經(jīng)過十年左右的努力，到了80年代大見成效，高性能交 流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升，能源危機(jī)從而得以緩解。從此以后，

2、高 性能交流電機(jī)的研究從未再停止過。而且眾所周知，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)。對 非線性系統(tǒng)中的混沌和分支現(xiàn)象的研究是當(dāng)前非線性科學(xué)研究的熱點(diǎn)，在 理論上、計(jì)算機(jī)仿真以及實(shí)驗(yàn)上都有了一些研究成果，提出了一些方法。 但要從理論上研究一個(gè)非線性動(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)特性的基礎(chǔ)上，將其簡化。要簡化一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，有兩條途 徑：一是減少系統(tǒng)的維數(shù)；二是消除非線性1。1.2 同步電機(jī)概述同步電機(jī)歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步而著稱的，只要電源 頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對不變。小到電鐘和記錄儀表的定 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，無不

3、利器轉(zhuǎn)速恒定的特 點(diǎn)。除此以外，同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來調(diào) 節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到甚至超前。在一個(gè)工廠中只需要少數(shù) 幾臺(tái)大容量恒轉(zhuǎn)速的設(shè)備（例如水泵、空氣壓縮機(jī)等）采用同步電動(dòng)機(jī)， 就足以改善全廠的功率因數(shù)。由于同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)費(fèi)事、重載有振蕩以至 于失步的危險(xiǎn)，因此除了上述要求以外，一般的工業(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)大家庭的 一員。原來阻礙同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的問題已經(jīng)得到解決。 例如起動(dòng)問題， 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

4、起動(dòng)措施， 甚至有些容量達(dá)數(shù)萬千瓦的大型高速拖動(dòng)電機(jī)，還專門配上變頻裝置作為 軟起動(dòng)設(shè)備。再如失步問題，其起因本來就是由于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速固 定不變，電機(jī)轉(zhuǎn)子落后的角度太大時(shí)便造成失步，現(xiàn)在有了轉(zhuǎn)速和頻率的 閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著改變，失步問題自然也就不存在了2。所以，同步電機(jī)的應(yīng)用已日趨廣泛，同步電機(jī)將在今后的電機(jī)系統(tǒng)研 究中占有重要的地位。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)體間的相互作用和相互依賴關(guān)系構(gòu)成 的具有某種特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)的分類方法是多種多樣的，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)的含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成的一個(gè)整體，

5、以實(shí)現(xiàn)特定的 目的。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、檢測部 件所組成， 用它來完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 位置和其他參數(shù)控制的某個(gè)特定目標(biāo)。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互 關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系，形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)某種目的的均可以認(rèn)為是系 統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為，可以將其本身的特性及內(nèi)部的相互關(guān) 系抽象出來，構(gòu)造出系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)的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)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來表示系統(tǒng)運(yùn) 動(dòng)過程中的各個(gè)量的關(guān)系，是分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系統(tǒng)的

6、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和數(shù)學(xué)工具來分，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)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)性能的一門 學(xué)科，現(xiàn)在尤指利用計(jì)算機(jī)去研究數(shù)學(xué)模型行為的方法。計(jì)算機(jī)仿真的基 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 仿真軟件的發(fā)展?fàn)顩r與應(yīng)用早期的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個(gè)階段：20世紀(jì)40年代模擬計(jì) 算機(jī)仿真；50年代初數(shù)字仿真；60年代早期仿真語言的出現(xiàn)等。80年代 出現(xiàn)的面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)為系統(tǒng)仿真方法注入了活力。我國早在50年代

7、 就開始研究仿真技術(shù)了，當(dāng)時(shí)主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計(jì)算機(jī)的仿真為 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)的普及， 近20年以來，國際、國內(nèi)出現(xiàn)了許多專門用于計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真的仿真語 言與工具，如CSM，PACSL，SIMNOM，MATLAB/Simulink，Matrix/System Build,CSMP-C等。1.5 MATLAB 概述MATLAB是國際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實(shí)用的計(jì)算機(jī)工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件， 被譽(yù)為“巨人肩上的工具” 。8MATLAB是 一種應(yīng)用于計(jì)算技術(shù)的高性能語言。它將計(jì)算，可視化和 編

8、程結(jié)合在一個(gè)易于使用的環(huán)境中，此而將問題解決方案表示成我們所熟 悉的數(shù)學(xué)符號(hào)，其典型的使用包括:.數(shù)學(xué)計(jì)算.運(yùn)算法則的推導(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，包括圖形用戶界面的建立MATLAB是 一個(gè)交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指 定大小。通過它可以解決很多技術(shù)計(jì)算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式 推導(dǎo)的問題，有時(shí)還能寫入非交互式語言如C和Fortran等。MATLAB的名字象征著矩陣庫。它最初被幵發(fā)出來是為了方便訪問由LINPACK和EISPAK幵發(fā)的矩陣軟件，其代表著藝術(shù)級(jí)的矩陣計(jì)算軟件。MATLAB在擁有很多用戶的同時(shí)經(jīng)歷了許多年的發(fā)展時(shí)期。

9、在大學(xué)環(huán)境中，它作為介紹性的教育工具，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)，分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊應(yīng)用解決方案稱為工具箱(toolboxes)。作 為用戶不可缺少的工具箱，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MATLA可延展至解決特殊類的問題。在工具箱的范圍 內(nèi)可以解決單個(gè)過程，控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊邏輯，小波，仿真及其 他很多問題。經(jīng)過幾十年的完善和擴(kuò)充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。在 美國，MATLAB大學(xué)生和研究生必修的課程之一。美國許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都安裝有MATLAB供學(xué)習(xí)和研究之用。它集數(shù)

10、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)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含 的SIMULINK是用于在MATLABF建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境的組件，其包含 有大量的模塊集，可以很方便的調(diào)取各種模塊來搭建所構(gòu)想的試驗(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)的Bode圖和Nyquist圖。3MATLA療統(tǒng)可分為五個(gè)部分:MATLAB吾言。 這是一種高級(jí)矩陣語言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。它既有“小型編程”?功能，快速建立小型可棄程序，又有“大型編程”的功能，開發(fā)一 個(gè)完整的大型復(fù)雜應(yīng)用程序。MATLA的工作環(huán)境。這

11、是一套工具和設(shè)備方便用戶和編程者使用MATLAB它包含有在你的工作空間進(jìn)行管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù) 的設(shè)備。同時(shí)也有開發(fā)，管理，調(diào)試，(profiling M-files，MATLAB s applications。)的系列工具。圖形操作。 這是MATLAB的圖形系統(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的MATLAB件中建立完整的用戶圖形界面。MATLA戯據(jù)功能庫。它擁有龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到復(fù)雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值，Bessel功 能和快速傅立葉變

12、換。MATLAE應(yīng)用程序編程界面。這是一個(gè)允許你在MATLAB面下編寫C和Fortran程序的庫。它方便從MATLAB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)的一組程序包，它支持線 形和非線性系統(tǒng)，能在連續(xù)時(shí)間，離散時(shí)間或兩者的復(fù)合情況下建模。系 統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是用不同的部分用不同的速率來采樣和更新。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。相對于以前的仿真需要用語言和程序來表明不同的方程式而

13、言有了極大的進(jìn)步。Simulink擁有全面的庫， 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的塊。模塊有等級(jí)之分，因此可以由頂層往 下的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 模塊來觀看下一層的模型細(xì)節(jié)。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊 之間的相互作用。在定義了一個(gè)模型后，就可以進(jìn)行仿真了，用綜合方法的選擇或用Simulink的菜單或MATLA命令窗口的命令鍵入。菜單的獨(dú)特性便于交互式 工作，當(dāng)然命令行對于運(yùn)行仿真的分支是很有用的。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，可以改變其中的參數(shù)同 時(shí)可以立即看到

14、結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到MATLA工作空間來做后處理和可視化。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從MATLA命令行直接訪問， 同時(shí)還有很多MATLA的toolboxes中的工具。 因?yàn)镸ATLA和Simulink是一體的，所以可以仿真，分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境 中進(jìn)行。1.7 小結(jié)綜上所述，利用MATLAB來仿真同步電機(jī)的運(yùn)行情況，可以幫助研究 者更好更方便的了解同步電機(jī)的特性，以便進(jìn)一步改善其效率。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)的不同，同步電機(jī)可分為隱極機(jī)和凸極機(jī)兩類。以下的研究對象像都是凸極機(jī)。同步電機(jī)

15、的主要特點(diǎn)是：定子有三相交流繞組，轉(zhuǎn)子為直流勵(lì)磁。將電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化后，電機(jī)內(nèi)部的磁場分布和相應(yīng)的感應(yīng)電勢的變化規(guī) 律仍相當(dāng)復(fù)雜，如步采取一定的假設(shè)，仍難以對它們的運(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時(shí)有可能運(yùn)用疊加原理。（2） 電機(jī)有完全對稱的磁路和繞組。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2/3n電弧度；轉(zhuǎn)子每極的勵(lì)磁繞組完全相同；阻尼條的設(shè)置對稱于正、交軸。（3） 定子三相繞組的自感磁場， 定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感磁場，沿空氣隙按正弦律分布。這一假設(shè)表示略去所有的諧波磁勢、諧

16、波磁通和相應(yīng)的諧波電勢，也略去諧波磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。滿足上列假設(shè)條件的同步電機(jī)，稱為理想同步電機(jī)。以下的分析都以 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)條件的分析、計(jì)算 所得，誤差在允許范圍內(nèi)。2.2 abc/dq 模型的建立2.2.1建模背景因?yàn)閷τ诰哂凶枘釛l的凸極機(jī)，由于空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場總可以分解為兩 個(gè)軸線與轉(zhuǎn)子正，交軸重合的脈動(dòng)磁場，因此模型得以建立。取定子各相繞組軸線及其磁鏈的的正方向，dq軸線的正方向，勵(lì)磁繞組以及正交軸阻尼繞組磁鏈的正方向，如圖？（2-1）所示，定子各相繞組電流產(chǎn)生的磁通方向與各該相繞組軸線的正方向相反時(shí)，這些電流為正 值。換言之，定子各相正值電流將產(chǎn)生

17、各該相負(fù)值磁鏈。轉(zhuǎn)子各繞組電流 產(chǎn)生的磁通方向，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。br-axis bs-axiskq-axisar-axis as-axiskd-axesd，q坐標(biāo)定按圖21的電磁量取向即可列出如下的同步電機(jī)電壓方程和磁鏈方程:電壓方程:isrcr-a其中，p 為求導(dǎo)算子，即 p=d/dt,v為各繞組電壓, 為各繞組電阻，為各繞組合成磁鏈，(2-3)定義f為電流，電壓，磁鏈的共同變量，則有2 . 1 labcs3ias2(fbsfcs).1j石(fbsfcs)(2-4)將abc模型轉(zhuǎn)換為dq模型可更方便地研究，abc軸上的變量轉(zhuǎn)

18、變成dq軸上的轉(zhuǎn)換如下：VabcsrsiabcsP PabcsVabcrJaberP Pabcr(2-1)i為各繞組電流，rVasVabcsVbs,iabcsVcsasasbs)abcsbs(2-2)cscsV Vari iararVbr, ,iabcribr, ,abcrbrV Vcri icrcrj*(fbsfcs)asiiVabcr222fqsf3LasCOSfbscos(3)fcscos(-)(2-5-1)222fds-f3Lassinfbssin(3)fcsSin(3)(2-5-2)f0s1f3Lasfbsfcs(：2-5-3)a(j2 /3e將(2-5-1)j(2-5-2)可得fq

19、dsfqsjf(dslfasefbsej( 2 /3)fcsej( 2 /3)ej fasa fbsa2fcsefabcs.1Iq卄-ej(*3r)farafbra2fcr ej( r)fabcr(2-7)(2-5)定義(2-6)同理,NsffNrabcrabcr2NsrrrrNr2NsLirLirNr(2-8)其中，N,N分別為定子和轉(zhuǎn)子的匝數(shù) 則有dsLJdsLm(idsidr)qsL|siqsLm(iqsiqr)OsLJos(2-11)Vdrrdrddrdt(r)qrVqrrrqrdqrdt(r)drdOrVorrriordt(2-12)定義其中YqdsVqdrrsiqdsrriqdr(

20、Lis(LirLm)PlqdsLm) pLqdr定子方程:LmPLqdrLmpiqdsj (LlsLm)iqdsj(Lm_L qdrr)( LlrLm)LqdrLmjqds(2-9)Vdssidds1dsdtqsVqsrsidqs1qsdtdsVosSOsdosdt(2-10)轉(zhuǎn)子方程:其中drLlridrLm(idsidr)qrLlriqrLm(iqsiqr)0rLlri0r(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的電壓v0s和v0r恒等于0，解方程很容易， 因此剩下的四個(gè)方程可以表示為一個(gè)矩陣2vdsvqsrsLspLsLsrsLspLmpLmLmLmp.id

21、siqs(2-1vdrLmp(r)LmrrLrp(r)Lr.idrvqr(r)LmLmp(r)LrrrLrpiqr4)以上即為同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.3 系統(tǒng)對象本次研究對象為典型的5馬力()，三相三線，230V, 4極同步凸極機(jī),其參數(shù)如下:Lls二Lr2.4 系統(tǒng)分塊2.4.1電源(3-1)2.4.2abc/dq 轉(zhuǎn)換器派克變換是人們熟悉也是最廣泛運(yùn)用的坐標(biāo)變換之一。它的基礎(chǔ)是“任何一組三相平衡定子電流產(chǎn)生的合成磁場，總可由兩個(gè)軸線相互垂直 的磁場所替代”的雙反應(yīng)原理。根據(jù)這原理，將這兩根軸線的方向選擇得 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，由 兩個(gè)

22、位于這兩軸方向的等值定子繞組電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場所替代，就 稱為派克變換。因此，簡言之，派克變換相當(dāng)于觀察點(diǎn)位置的變換- 將 觀察點(diǎn)從空間不動(dòng)的定子上，轉(zhuǎn)移到空間旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，并且將兩個(gè)位于轉(zhuǎn)子正、交軸向的等值定子繞組，替代實(shí)際的三相定子繞組。設(shè)fabc為abc坐標(biāo)下的變量，為：fdq0為dq坐標(biāo)下的變量，定義P為求導(dǎo)算子，其轉(zhuǎn)換公式fdq 0Pfabc(3-2)ifrs=QJ=mm=假設(shè)電機(jī)瞬間連接到穩(wěn)定的相電壓定義為：60Hz,正弦輸出230V rms電壓源，則三vasVbsvcs；230cos(377t)2 /3)|230cos(377t2 /3)式中idfafdq0iq,fabcfb

23、ifc2；定義coscos(cos(2.4.3電機(jī)(3-3)2 .P sin312sin(12sin(12(3-4)由式(2-14)可得出電機(jī)的基本模型，基于先有電壓后有電流的習(xí)慣, 且等式只在瞬間成立，可得出以下算式：(3-5)2.4.4電磁轉(zhuǎn)矩由(2-9)帶入dq表達(dá)式輸入功率可得3P2Resiqds(LsLm)pqdsLmpjdqrj3.Rerrqdr(LlrLm) pjqdrLmPjdqsj (2(LlsLm)!qdsLmj qdrjqdsr)(LlrLm)iqdrLmj qdsjqdr(3-6)因此，電功率在電機(jī)內(nèi)的終結(jié)有三個(gè)去向，第一部分消耗在定子和轉(zhuǎn)子的 阻抗中，轉(zhuǎn)化成熱能；第二

24、部分轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部儲(chǔ)存的磁能；剩下的那部 分即用于輸出，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此，輸出的電機(jī)功率為：3.rLm(iqsidrjdsjqr)2Pem(3-7)上式中 P 為極對數(shù),和轉(zhuǎn)矩，以此可得：P rm2(3-8)rm為機(jī)械速度，且轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械功率定義為轉(zhuǎn)速、時(shí)間其中(3-9)2.5 控制反饋環(huán)節(jié)3 PTe2Lm(iqsidr idsiqr)對工業(yè)過程進(jìn)行控制一般都采用PID控制，基本都能得到滿意的效果。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，2；比例系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存 在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，但積分

25、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?；诂F(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。其中對于輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：Jd_rmTl?（3-10）dt2rm/P(3-11)rm為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度,Ti為負(fù)載轉(zhuǎn)矩第3章 仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 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：TEVqsidsiqswmVdsidrpiqrptout其封裝的子模塊共有三個(gè)，重左到右分別為電源模塊，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，中

26、 心電機(jī)模塊。其中TI為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，具體輸入為一個(gè)短時(shí)間的脈沖函數(shù)。圖4-1系統(tǒng)總體框圖3.2 具體設(shè)計(jì)3.2.1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：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)間的斜坡函數(shù)，來模擬電機(jī)通上電 源后的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)*2起始時(shí)間定義為0s，第二個(gè)斜坡函數(shù)斜率定義為(60-3)*2，起始時(shí)間為然后再加上一個(gè)常數(shù)3,構(gòu)成的輸出函數(shù)為一個(gè)從3幵始到60的一個(gè)斜坡，而后穩(wěn)定的波形，如圖(4-3)，而后給予一個(gè)2n的增益，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)

27、計(jì)同上，將輸出波形加上的增益送入多路信號(hào)復(fù)合器， 3然后通過一個(gè)matlab fuction模塊實(shí)現(xiàn)以下算式，從而輸出三相電壓：Vax(2) *cos(x(1)Vbx(2) * cos(x(1)-2* pi/3)Vcx(2) * cos(x(1)2 * pi/3)(4-1)x(1)為電源頻率，x(2)為電壓幅值3.2.2abc/dq 轉(zhuǎn)換器從模擬電源得到的只是三相電壓，為了模型計(jì)算，需將其轉(zhuǎn)化成d/q坐標(biāo)下的值，轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)如圖4-3: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matlab fuction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)下的dq兩

28、相 電壓。0相可忽略不計(jì)。3.2.3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4-4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）的功能，最后輸出定子、 轉(zhuǎn)子的各相電流設(shè)計(jì)完成后封裝為如圖（4-1）中的subsystem模塊。3.2.4電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)見式（3-9）將電機(jī)的輸出定子、轉(zhuǎn)子dq兩相的電流通過相乘、相加這兩個(gè)數(shù)學(xué)模塊及一個(gè)增益模塊得到輸出的電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)模塊如圖（4-5）右上部分圖4-5轉(zhuǎn)矩輸出及反饋控制框圖3.3 控制反饋環(huán)節(jié)因?yàn)槲⒎汁h(huán)節(jié)對系統(tǒng)而言動(dòng)蕩較大，調(diào)試費(fèi)事，因此本設(shè)計(jì)的控制器是一個(gè)傳統(tǒng)的PI控制器，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，該控制器能很好的控制

29、系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。如圖(4-5)下方所示.調(diào)試中可以以改變Bm的值來調(diào)整輸出。機(jī)械轉(zhuǎn)速的輸出見式(3-10)。第4章 系統(tǒng)仿真運(yùn)行4.1 輸出結(jié)果穩(wěn)定情況仿真前各常量的取值如下：rs=Qrr=QJ=m2Lls=Llr= Lm= Ls= Bm=0輸入的abc三相電流經(jīng)轉(zhuǎn)換后得出的dq相電壓時(shí)間相應(yīng)如下： 圖5-1 q相電壓時(shí)間相應(yīng)圖5-2 d相電壓時(shí)間響應(yīng)電壓流進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，經(jīng)過內(nèi)部一系列作用后，輸出定子、轉(zhuǎn)子的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)矩的加入，勢必輸出會(huì)有不穩(wěn)定，在控制器的反饋控制下，由圖5-7可見輸出電磁轉(zhuǎn)矩在經(jīng)歷了一開始短時(shí)間的波動(dòng)后，在仿真開始2秒后即 趨向于穩(wěn)定，由圖5-8可見輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)速則穩(wěn)步提高，最后穩(wěn)定在1800r/m的峰值附近。圖5-3定子q相電流的時(shí)間響應(yīng)圖5-4定子d相電流的時(shí)間響應(yīng)圖5-5轉(zhuǎn)子d相電流的時(shí)間響應(yīng)圖5-6轉(zhuǎn)子q相電流的時(shí)間響應(yīng)圖5-7電磁轉(zhuǎn)矩的時(shí)間響應(yīng)圖5-8輸出轉(zhuǎn)速的時(shí)間響應(yīng)4.2 小結(jié)本次模擬主要仿真同步電機(jī)的起動(dòng)特性，從