电气工程及其自动化专业【毕业设计 文献综述 开题报告】基于MATLABSIMULINK的凸极同步电机建模与仿真---电源模块、abcdq坐标转换器模块、控制系统模块设计

电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】基于MATLABSIMULINK的凸极同步电机建模与仿真-电源模块、abcdq坐标转换器模块、控制系统模块设计 （20_ _届）本科毕业设计基于MATLAB/SIMULINK的凸极同步电机建模与仿真-电源模块、abc/dq坐标转换器模块、控制系统模块设计摘 要众所周知，电机的数学模型是多变量、强耦合的非线性系统。对非线性系统中的混沌和分支现象的研究是当前非线性科学研究的热点，在理论上、计算机仿真以及实验上都有了一些研究成果，提出了一些方法。Based on MATLAB/SIMULINK salient pole synchronous motor of modeling and simulation - the power modules, abc/dq coordinates converter module, control system module designAbstractAs is known to all, the mathematical model is more electrical variable, strongly coupled nonlinear system. In nonlinear system of the chaos and branch phenomenon is the current study hotspot in nonlinear science, in theory, computer simulation and experiment have some research results, this paper puts forward some methods. At the start of this design, first of synchronous motor before the working principle and MATLAB/SIMULINK engineering software modeling the general flow of can manipulate. The design has adopted the saliency machine synchronous motor, when beginning, overall design scheme of simulation system to determine the order, the power modules, abc/dq coordinates converter module and control system module design. Without considering some make algorithm are getting complicated factors, in their internal current, voltage, the flux and the torque mutual relations between the series of quantitative analysis, and established a simplified mathematical model. In the use of MATLAB simulation system used in the simulation of SIMULINK system startup, experienced in the beginning of the oscillation, will output a stable time relative output response.Keywords: synchronous machine，module, MATLAB/SIMULINK, simulation.目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1课题的来源11.2课题的意义21.3仿真与仿真软件的国内外发展现状31.3.1 系统仿真技术概述31.3.2 系统仿真软件的研究现状41.3.3 MATLAB概述51.3.4 SIMULINK概述61.4课题研究的主要内容72设备方案设计与总体设计82.1理想同步机假设82.2 abc/dq模型的建立82.3仿真系统总体设计12 2.3.1总体设计的系统对象122.3.2总体设计的系统分块142.3.3控制反馈环节163仿真系统详细设计183.1总体设计183.2具体设计193.2.1 电源模块193.2.2 abc/dq转换器203.2.3控制系统模块设计213.2.4电机模块233.2.5控制反馈环节234系统仿真运行24结论28参考文献29致谢311 绪论电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量转换的功能来看，电机可分为发电机和电动机两大类。发电机用以把机械能转换为电能，在发电站中，通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后通过发电机把机械能转换为电能，再经输、配电网络送往各种场合供公众使用。电动机把电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和装置，满足不同地方的需求。在电力工业中，发电机是生产电能的主要设备；变压器是变电站输、配电线路中对电压进行变换的主要设备；在机械、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、交通运输和家用电器等行业中，电动机是各种生产机械的主要动力设备；在国防和民用的各种自动控制系统中，控制电机是重要和不可缺少的元件。经过50年的努力，从仿制阶段到自行设计阶段一直到研究、创新阶段，我国已经建立起自己的电机工业体系，有了统一的国家标准和产品系列，建立了全国性的研究实验基地和工程技术人员队伍。在中、小型和微型电机方面，已开发25个系列、上千个品种、几千个规格的各种电机。在特殊电机方面，随着新的永磁材料的出现，制成了许多高效节能、维护简单的永磁电机。由于电机和电力电子装置、单片微型计算机相结合，出现了各种性能的“一体化电机”。同步电机是一种常用的交流电机。若电网的频率不变，则稳态运行时同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。从原理上看，同步电机既可以作为发电机，也可用作电动机或补偿机。现代水电站、火电站和核电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机用得同样也不少。工厂自动化的不断完善是过去几十年中世界工业进步的一个重要因素。在上个世纪70年代初，席卷全球世界先进工业国家的石油危机，迫使他们投入大量人力和财力去研究高性能的交流调速系统，期望来节约能源。经过十年左右的努力，到了80年代，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，能源危机从而得以缓解。此后，高性能交流电机的研究从未再停止过。电机的数学模型是多变量、强耦合的非线性系统。在理论上，计算机仿真以及实验中都能够有一些研究成果，并提出了一些方法。但要从理论上研究一个非线性动力系统比较困难，因此我们在保持其动力学特性的基础上将其简化。要简化一个动力系统有两条途径：一是消除非线性，二是减少系数。在设计过程中使用MATLAB中的SIMULINK使用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。MATLAB中的动态建模、仿真工具SIMULINK具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验平台。因此研究该课题具有实际意义。同步电机转速与电源频率严格保持同步，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就不变。电钟和记录仪表的定时旋转机构以及大型同步电动机直流发电机组无不利用了转速恒定的特点。同步电动机还有一个优点，即可以控制励磁来调节功率因数，功率因数可提高到1.0或者更高。自从电力电子变频技术蓬勃发展以后，情况就完全改变了。采用电压频率协调控制后，同步电动机也进入了调速电机的大家庭。阻碍到同步电动机广泛应用的问题已经得到了有效的解决。同步电机的应用已日趋广泛，同步电机将在今后的电机系统研究中占有重要的地位。1.3.1 系统仿真技术概述系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和住处资料对试验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性的和试验性的学科。模拟和仿真模拟技术是指使用仪器设备、模型、计算机虚拟技术，以及利用场地、环境的布置，模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标、动作要求，进行科学研究、工业设计、模拟生产、教学训练和考核鉴定等的一项综合技术。仿真科学与技术是以相似理论、模型论、仿真系统理论、仿真方法论、仿真可信性理论和仿真应用理论为基本理论，以仿真应用领域有关专业技术为基础，以计算机与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或假想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、实验、评估、运行、维护和报废活动的一门由多学科综合而成的新学科。面对21世纪的知识经济和多学科互相交叉渗透的特点，以建模和仿真为基础的系统仿真技术和虚拟技术将对工业、农业、国防、环境、训练和教育等领域的发展产生重大影响。虚拟设计、虚拟样机、虚拟制造等技术将对产品的传统设计方法带来变革。通过仿真技术可以对客观世界中已经发生、正在发生和尚未发生的客观事物进行分析研究。系统仿真技术在未来将会有更加广阔的发展和应用前景。仿真系统的可信度是仿真系统的使用者对应用仿真系统在一定环境、一定条件下仿真试验的结果，解决所定义问题正确性的信心程度。可信度是由仿真系统与原型系统之间相似性决定的仿真系统与仿真目的相适应的程度。逼真度描述的不是仿真对某种特定应用需求的满足程度，而是仿真对仿真对象的复现程度。逼真度考查的是仿真系统或子系统的外在特性，主要是输入和输出之间的关系而非系统或子系统本身的实现方式或手段。数学仿真也称计算机仿真，就是在计算机上实现描写系统物理过程的数学模型，并在这个模型上对系统进行定量的研究和实验。这种仿真方法常用于系统的方案设计阶段和某些不适合做实物仿真的场合（包括某些故障模式）。它的特点是重复性好、精度高、灵活性大、使用方便、成本较低、可以是实时的、也可以是非实时的。数学仿真的逼真度和精度取决于仿真计算机的精度和数学模型的正确性与精确性。数学仿真可采用模拟计算机、数字计算机和数字-模拟混合计算机。半物理仿真采用部分物理模型和部分数学模型的仿真。其中物理模型采用控制系统中的实物，系统本身的动态过程则采用数学模型。半物理仿真系统通常由满足实时性要求的仿真计算机、运动模拟器（一般采用三轴机械转台）、目标模拟器、控制台和部分实物组成。控制系统电子装置和敏感器安放在转台上。 半物理仿真的逼真度较高，所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性，进行故障模式的仿真以及对各研制阶段的控制系统进行闭路动态验收试验。此外，用航天仿真器来训练航天员和用飞行仿真器来训练飞行员也属于半物理仿真性质，后者更着重于视景模拟和人机关系。以仿真计算机实现系统模型和以航天器计算机或控制系统电子线路为实物的闭路试验，也可认为是半物理仿真，这种仿真重点在于检验控制计算机软件的正确性或研究控制方式中某些功能和参数。 半物理仿真的逼真度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能，转台和各目标模拟器的性能。通常对三轴机械转台的要求是精度高、转动范围大、动态响应快和框架布置不妨碍光学敏感器的视场。半物理仿真技术是现代控制系统仿真技术的发展重点。全物理仿真全部采用物理模型的仿真，又称实物模拟。例如航天器的动态过程用气浮台 单轴或三轴 的运动来代替，控制系统采用实物。因为实物是安放在气浮台上的，这种方法很适合于研究具有角动量存贮装置的航天器姿态控制系统的三轴耦合，以及研究控制系统与其他分系统在力学上的动态关系。在对航天器姿态控制系统进行全物理仿真时，安装在气浮台上的实物应包括姿态敏感器（见航天器姿态敏感器）、控制器执行机构（见航天器姿态控制执行机构）和遥测遥控装置和有关的分系统。目标模拟器、环境模拟器和操作控制台均设置在地面上。航天器在空间的运动是由气浮台来模拟的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取决于气浮台的性能。对气浮台的要求是空气轴承的摩擦力矩和涡流力矩小，垂直负载能力和横向刚度大，气浮台动、静平衡好。全物理仿真技术复杂，一般只在必要时才采用。随着仿真技术的发展，仿真产业俨然已经成为具有相当规模的新型产业，并广泛应用于国防、能源、电力、交通、物流、教育、航天航空、工业制造、生物医学、医疗、石油化工、船舶、汽车、电子产品、虚拟仪器、农业、体育、娱乐、社会经济运行、环境及安全科学等等领域。?近年来，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。?仿真将是支持研究各类复杂系统生命周期的必要手段。仿真系统是预估其安全性的有效工具，因此仿真系统自身的可信度就变得非常重要。从理论上建立仿真系统的评估体系及相应的方法、工具是推动仿真技术应用的重要研究方向。先进的分布式仿真技术的发展，在2l世纪，可能将分布在各个应用领域的人员和资源集成为一个大型仿真环境。它将打破各个领域的界限，使人们在仿真环境里对拟定的设想和任务进行研究、分析。?仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在2l世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。PDM/PLM平台上。同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易用的强大工具。提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开发要求。在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。1.3.3 MATLAB概述MATLAB是世界流行的优秀科技应用软件之一。具有功能强大 数值计算、符号计算、图形生成、文本处理及多种专业工具箱 、界面友好，可二次开发等特点。在国内外，已有许多高等院校将其列为本科生、研究生和博士生必须掌握的基本技能。MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号。MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。在工业上它是用于高生产力研究，开发，分析的工具之一。经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台。MATLAB是美国MATHWORKS公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。MATLAB主要由MATLAB主程序、SIMULINK动态仿真系统和MATLAB工具箱三大部分组成。其中MATLAB主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五个部分；SIMULINK是用于动态系统仿真的交互式系统，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟系统并能动态地控制该系统。工具箱则是MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题或实现某一类的新算法，是开放的，可以根据需要扩充。MATLAB最基本、也是最重要的功能就是进行实数矩阵或者复数矩阵的运算。由于向量可作为矩阵的一行或者一列，标量（一个数）则可以作为只含有一个元素的矩阵，故向量和标量都可以作为特殊矩阵来处理。MATLAB的操作和命令对于矩阵而言，和我们平时使用的形式很相似，但它还有自己的一些规定。1.3.4 SIMULINK概述（1）、仿真系统总体设计方案的确定；（2）、电源模块设计；（3）、abc/dq坐标转换器模块设计；（4）、控制系统模块设计；（5）、用MATLAB/Simulink建模，进行系统仿真运行，证明该系统模型的有效性。2设备方案设计与总体设计将电机结构简化后，电机内部的磁场分布和相应的感应电势的变化规律仍相当复杂，如步采取一定的假设，仍难以对它们的运行方式作定量分析。这些假设是：（1）电机铁芯不饱和。这一假设不仅意味磁场和各绕组电流间有线形关系，也使在确定空气隙合成磁场时有可能运用叠加原理。（2）电机有完全对称的磁路和绕组。这一假设包含以下几方面：定子三相绕组完全相同，空间位置彼此相隔2/3电弧度；转子每极的励磁绕组完全相同；阻尼条的设置对称于正、交轴。（3）定子三相绕组的自感磁场，定子与转子绕组间的互感磁场，沿空气隙按正弦律分布。这一假设表示略去所有的谐波磁势、谐波磁通和相应的谐波电势，也略去谐波磁场产生的电磁转矩。满足上列假设条件的同步电机，称为理想同步电机。以下的分析都以理想同步电机为前提。而时实践证明，按理想同步电机条件的分析、计算所得，误差在允许范围内。2.2 abc/dq模型的建立因为对于具有阻尼条的凸极机，由于空气隙旋转磁场总可以分解为两个轴线与转子正，交轴重合的脉动磁场，因此模型得以建立。取定子各相绕组轴线及其磁链的的正方向，dq轴线的正方向，励磁绕组以及正交轴阻尼绕组磁链的正方向，如图?（21）所示，定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时，这些电流为正值。换言之，定子各相正值电流将产生各该相负值磁链。转子各绕组电流产生的磁通方向，与正轴或交轴正方向相同时，这些电流为正值。即，正值转子电流将产生正值转子绕组磁链。图2-1 定子、转子各相的旋转d，q坐标定位按图2-1的电磁量取向即可列出如下的同步电机电压方程和磁链方程：电压方程： （2-1）其中，为求导算子，即 d/dt，v为各绕组电压，i为各绕组电流，r为各绕组电阻，为各绕组合成磁链， 2-2 2-3 定义为电流，电压，磁链的共同变量，则有 2-4 将abc模型转换为dq模型可更方便地研究，abc轴上的变量转变成dq轴上的转换如下： 2-5 定义，将（2-5-1）j（2-5-2）可得 2-6 同理， 2-7 定义 2-8 其中，Ns，Nr分别为定子和转子的匝数则有 2-9 定子方程： 2-10 其中 2-11 转子方程： 2-12 其中 2-13 在大多数情况下，中枢电流不存在。这种情况下中性轴分量上的电压和恒等于0，解方程很容易，因此剩下的四个方程可以表示为一个矩阵2 2-14 以上即为同步电机数学模型。本次研究对象为110kW，三相三线，440V，4极同步凸极机，其参数如图2-2所示：图2-2 系统同步电机对象图2-3 同步电机额定转速如图2-3所示，此同步机额定转速定为1400rad/s。图2-4 同步电机励磁电压如图2-4所示，此同步机励磁电压设定为17.8kv。图2-5 信号改变的设定时间如图2-5所示，设定信号改变的时间为15,40s。2.3.2总体设计的系统分块 （2-15）2）abc/dq转换器设为abc坐标下的变量，为dq坐标下的变量，定义P为求导算子，其转换公式为： 2-16 式中 2-17 定义 2-18 （3）电机由式 2-14 可得出电机的基本模型，基于先有电压后有电流的习惯，且等式只在瞬间成立，可得出以下算式： 2-19 （4）电磁转矩由（2-9）带入dq表达式输入功率可得（2-20）因此，电功率在电机内的终结有三个去向，第一部分消耗在定子和转子的阻抗中，转化成热能；第二部分转化为电机内部储存的磁能；剩下的那部分即用于输出，转化为机械能。因此，输出的电机功率为： 2-21 其中 （2-22）上式中 为极对数，为机械速度，且转动机械功率定义为转速、时间和转矩，以此可得： （2-23）（5）励磁图2-3 励磁模块框图所谓励磁，是指为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场的行为。对于同步发电机来说，励磁系统就是向发电机转子提供电源的一组设备。供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的主要作用有根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值； 控制并列运行各发电机间无功功率分配；提高发电机并列运行的静态稳定性；提高发电机并列运行的暂态稳定性在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。2.3.3 控制反馈环节对工业过程进行控制一般都采用PID控制，基本都能得到满意的效果。比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，但积分作用太强会使系统超调加大，使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统地稳定性提高，同时加快系统地动态相应速度，减小调整时间，从而改善系统地动态性能。基于现实中一旦加入微分环节，参数调整难度加大，因此，本设计只采用PI控制器。其中对于输出的机械转子转速为： ?（-24） 2-25 为转子的机械角速度，为负载转矩。3仿真系统详细设计3.1 总体设计图3-1系统总体框图仿真系统总体设计如图3-1所示，九个变量输出到工作空间。 其封装的子模块共有三个，从左到右分别为电源模块，坐标转换模块，中心电机模块，其中Tl为负载转矩，具体输入为一个短时间的脉冲函数。3.2 具体设计3.2.1 电源模块图3-2电源模块框图电源设计主要输入由一个电源频率和一个电压幅值组成，如图3-2所示。设计中用了两电源设计主要输入由一个电源频率和一个电压幅值组成个同斜率不同起始时间的斜坡函数，来模拟电机通上电源后的初始电源频率和幅值，以频率为例，首先将第一个斜坡函数斜率定义为（6的增益送入多路信号复合器，然后通过一个matlab fuction 模块实现以下算式，从而输出三相电压： 4-1 x 1 为电源频率，x 2 为电压幅值。3.2.2 abc/dq转换器图3-3 坐标转换模块从模拟电源得到的只是三相电压，为了模型计算，需将其转化成d/q坐标下的值，转化器设计见如图3-3所示。其原理是将三相电流表示为矩阵格式，而后用matlab fuction模块实现矩阵乘法。派克变化是人们熟悉也是最广泛运用的坐标变换之一。它的基础是“任何一组平衡定子电流产生的合成磁场，总可由两个轴线互相垂直的磁场所替代”的双反应原理。根据这原理，将这两根轴线的方向选择得与转子正、交轴方向一致，使三相定子绕组电流产生得电枢反应磁场，由两个位于这两轴方向的等值定子绕组电流产生的电枢反应磁场所替代。因此，派克变换相当于观察电位置的变化，将观察电从空间不动的定子上，转移到空间旋转的转子上，并且将两个位于转子正、交轴向的等值定子绕组，替代实际的三相定子绕组。经abc/dq变换，输出结果即为d/q坐标下的dq两相电压。d轴分量是电压的有效值，由于是三相对称电压，故0相可忽略不计。图3-4 转矩输出及反馈控制框图见图3-4右上部分便是电机输出的电磁转矩。图3-4下方所示是控制反馈环节。控制器的控制规律为比例 P 控制、积分 I 控制和微分 D 控制。比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。4系统仿真运行图4-1 转速时间的响应如图4-1所示，研究仿真同步电机的起动特性。从输出图象可以看出，系统开始的时候转速稳定上升，到最高点之后经历一段动荡，在15s左右之后稳定在一定转速上，达到稳定状态。由此可见设计基本达到了预期目标。图4-2 转速时间的响应局部放大图图4-3 负荷角变化的时间响应如图4-3所示，这是系统在运行过程中系统负荷角随时间的响应变化，在最初的震荡之后，随着转速开始稳定，在15s左右负荷角也趋于稳定。该电机是电动机，因此稳定的角度是负角度。图4-4 负荷角变化的时间响应局部放大图图4-5 有功功率输出的时间响应如图4-5所示，有功功率的输入响应也是要经过一段时间，然后15s左右随着转速趋于稳定。图4-6 有功功率输出的时间响应局部放大图图4-7 系统定子电流的时间相应如图4-7所示，系统定子电流从一开始便产生很大的震荡，在15s左右时候也是趋于稳定。图4-8 系统定子电流的时间相应局部放大图结论仿真过程的三个主要活动是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”，而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实验来达到研究的目的要对一个系统或对象实施计算机仿真，首先必须把握系统的基本特征，抓住主要的因素，引入必要的参量，提出合理的假设，进行科学的抽象，分析各参量间的相互关系，选择恰当的数学工具，然后在此基础上建立相应的数学模型。仿真建模的过程是在已有的一些先验知识的基础上，试探地写出研究对象所满足的或近似满足的数学规律，再结合实际的研究目的，对猜测性的数学关系进行反复修改和优化，从而得到既符合客观实际又易于在计算机上实现的数学模型。 参考文献1李立凯,陈守年,许小明.永磁同步电机控制系统的建模与仿真分析，北京：中国科学技术大学,2009.2王行仁.建模与仿真的回顾及展望.北京：北京航空航天大学, 1999.3李学文,李学军.基于SIMULINK的永磁同步电机建模与仿真.上海：上海海事大学，甘肃中医学院，2007.4S. 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International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics，2008.20Matthew J. Corley and Robert D. Lorenz. Rotor Position and Velocity Estimation for aSalient-Pole Permanent Magnet SynchronousMachine at Standstill and High Speeds. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，1998.开题报告基于MATLAB/SIMULINK的凸极同步电机建模与仿真-电源模块、abc/dq坐标转换器模块、控制系统模块设计摘要：采用电力电子变频装置实现电压频率协调控制，改变了同步电机历来的恒速运行不能调速的面貌，使它和异步电机一样成为调速电机大家庭的一员。本文针对同步电机中具有代表性的凸极机，在忽略了一部分对误差影响较小而使算法复杂度大大增加的因素（如谐波磁势等），对其内部电流、电压、磁通、磁链及转矩的相互关系进行了一系列定量分析，建立了简化的基于abc三相变量上的数学模型，并将其进行派克变换，转换成易于计算机控制的d/q坐标下的模型。再使用MATLAB中用于仿真模拟系统的SIMULINK对系统的各个部分进行封装及连接，系统总体分为电源、abc/dq转换器、电机内部模拟、控制反馈四个主要部分，并为其设计了专用的模块，同时对其中的一系列参数进行了配置。系统启动仿真后，在经历了一开始的振荡后，各输出相对于输出时间的响应较稳定。关键词：同步电机 d/q模型 MATLAB SIMULINK 仿真。1选题的背景、意义1.1 同步电机概述随着电力电子器件的不断进步，尤其是新型的可关断器件 如IGBT 的实用化，使得高频PWM控制技术成为可能。这一技术的兴起直接推动了矢量控制法和直接转矩控制等新的先进控制理论的出现，从而实现了交流电动机作为一个多变量、非线性的复杂系统的灵活控制。采用矢量控制技术的控制方法后，系统性能均大大提高，尤其是永磁同步电机，因此永磁同步电机控制系统研发逐渐成为主流和热点研究课题。在大多数永磁同步电机变速驱动系统中,需要轴传感器安装于电机轴上提供转子位置信息，确定转子磁场间的空间角度，使坐标变换成为可能。在实际系统中,传感器的存在降低了系统的可靠性,提高了系统的成本。近10年来,各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究,利用检测定子电压、电流等易测量进行速度估算以取代速度传感器。由于无传感器技术不需要检测硬件，免去了传感器的安装维护的麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起广泛的研究兴趣。交流伺服电机能够被有效地应用在许多位置控制的系统中。现代的交流伺服系统是一种复杂的非线性时变系统。能够对交流伺服系统进行建模与仿真将会对其更深层次的研究产生巨大的影响。为了满足高性能的传动需要,必须对位置进行精确控制。在设计伺服系统中,使用MATLAB/SIMULINK对其方案进行验证和仿真,将大大地缩短开发周期1。模型是仿真的基础。仿真模型所要描述的是客观世界中的客观事物的特性,主要包括自然环境、客体/ 系统、人以及他们之间的交互作用。自然环境包括地形地貌、海洋、大气、气象、电磁干扰、声的传播等。自然环境的建模和虚拟环境的建立是相当复杂的。对于半实物仿真,将建立为各种系统的传感器所需要的测量和探测仿真环境。对于人在回路仿真,将建立为操作、驾驶工作人员所需要的视觉、听觉、触觉、力反馈、动感等仿真虚拟环境2。目前, 永磁同步电机建模和仿真大多集中在控制系统。对于PMSM本体的仿真, 虽然可以从SIMULINK中直接调用PMSM模块。但是,不同的永磁同步电机,转子磁极对数、定子绕组相数等均有差异。尤其是多相永磁同步电机 譬如5相 推进系统的仿真和开发还处于起步阶段,在SIMULINK库中也找不到现成的仿真模块。 好在S2函数提供了扩展仿真模块的功能,往往S2函数模块是整个仿真系统的核心。因此,根据不同PMSM数学模型,建立S2函数仿真模块,对于永磁同步电机的设计具有重要意义。近年来,我国开展了分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术的研究。分布交互仿真起源于联网仿真,它是一种具有时空一致性的综合环境,应着重解决以下关键技术:体系结构、网络通、时间管理与数据管理、时空一致性等。分布交互仿真系统通过局域网/ 广域网将各种仿真器、仿真设备、人在回路仿真系统、计算机生成系统等联接为一个整体,进行复杂系统的仿真,用于人员训练和工程设计3。世界工业进步的一个重要因素是过去几十年中工厂自动化的不断完善。在上个世纪70年代初叶，席卷全球世界先进工业国家的石油危机，迫使他们投入大量人力和财力去研究高效高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。经过十年左右的努力，到了80年代大见成效，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，能源危机从而得以缓解。从此以后，高性能交流电机的研究从未再停止过。而且众所周知，电机的数学模型是多变量、强耦合的非线性系统。对非线性系统中的混沌和分支现象的研究是当前非线性科学研究的热点，在理论上、计算机仿真以及实验上都有了一些研究成果，提出了一些方法。但要从理论上研究一个非线性动力系统，一般比较困难，我们往往希望在保持其动力学特性的基础上，将其简化。要简化一个动力系统，有两条途径：一是减少系统的维数；二是消除非线性4。同步电机历来是以转速与电源频率严格保持同步而著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机直流发电机组，无不利器转速恒定的特点。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数高到1.0甚至超前。在一个工厂中只需要少数几台大容量恒转速的设备（例如水泵、空气压缩机等）采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。由于同步电动机起动费事、重载有振荡以至于失步的危险，因此除了上述要求以外，一般的工业设备很少应用。同步电机历来是以转速与电源频率严格保持同步而著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机直流发电机组，无不利器转速恒定的特点。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数高到1.0甚至超前。在一个工厂中只需要少数几台大容量恒转速的设备（例如水泵、空气压缩机等）采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。由于同步电动机起动费事、重载有振荡以至于失步的危险，因此除了上述要求以外，一般的工业设备很少应用。自从电力电子变频技术蓬勃发展以后，情况就完全改变了。采用电压频率协调控制后，同步电动机便和同步电动机一样成为调速电机大家庭的一员。原来阻碍同步电动机广泛应用的问题已经得到解决。例如起动问题，既然频率可以由低调到高，转速也就逐渐升高，不需要任何其他起动措施，甚至有些容量达数万千瓦的大型高速拖动电机，还专门配上变频装置作为软起动设备。再如失步问题，其起因本来就是由于旋转磁场的同步转速固定不变，电机转子落后的角度太大时便造成失步，现在有了转速和频率的闭环控制，同步转速可以跟着改变，失步问题自然也就不存在了5。所以，同步电机的应用已日趋广泛，同步电机将在今后的电机系统研究中占有重要的地位。 1.2 系统仿真技术概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节6。 8。十多年来，随着MATLAB语言和仿真环境在控制系统研究与教学中日益广泛的应用，在系统仿真、自动控制等领域，国外很多高校在教学与研究中都将MATLAB/语言作为首选的计算机工具。我国的科学工作者和教育工作者也逐渐认识到MATLAB语言的重要性。 MATLAB语言是一种十分有效的工具，能容易地解决在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的问题，它可以将使用者从烦琐的底层编程中解放出来，把有限的宝贵时间更多地花在解决科学问题中。 MATLAB语言虽然是计算数学专家倡导并开发的，但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献。在MATLAB语言的发展进程中，许多有代表性的成就是和控制界的要求与贡献分不开的。MATLAB具有强大的数学运算能力、方便实用的绘图功能及语言的高度集成性，它在其他科学与工程领域也有着广阔的应用前景和无穷的潜能。MATLAB和10。1.4 同步电机模块分析直线电机是1种将电能直接转换成直线运动机械能而不需任何中间转换机构的传动装置。采用直线电机驱动的装置具有结构简单、效率高、损耗小、噪声小、成本低、容易控制等优点。直接转矩控制 Direct Torque Control ,缩写为DTC 利用空间矢量分析方法,直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的转矩,采用定子磁场定向,借助于离散的两点式Bang2Bang控制产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得高动态性能的转矩响应。目前,DTC在异步电机中的应用已经相当成熟, DTC 应用于永磁同步电机控制中,也取得了令人满意的效果。PMLSM 直接推力控制 DTFC ,但只是提出了相关理论,给出了实验结果,并没有提及控制系统模型的具体构建、分析和调试13。具有梯形波反电势的无刷直流机 BLDCM 和具有正弦波反电势的永磁同步机 PMSM 均为采用永磁转子的交流电动机，具有体积小、效率高、结构简单、易于控制、性能优良等优点，广泛应用于军事装备、计算机外围设备、办公机械、仪器仪表、数控机床、汽车电器、家用电器等领域。在电机控制系统的研究与设计中，为缩短产品的开发周期，降低研制成本，通常在研发前期采用仿真的手段进行模型和算法的验证。对于永磁交流电机的仿真模型，国内外有许多相关报道14。在研究同步电机特性问题时,一般文献都没考虑同步电机的电枢电阻。同步电机是电力系统中最重要的部件之一,由多个具有电磁耦合关系的绕组构成。研究同步电机有功功率、无功功率和电磁转矩特性有着至关重要的意义,对电机的稳定运行起着重要的作用。而目前的文献都没考虑同步电机的电枢电阻的影响。本文将从同步电机的动态方程出发,导出考虑电枢电阻时凸极同步电机的有功功率、无功功率和电磁转矩计算公式, 再利用Matlab7. 1/ Simulink6. 3 提供的强大绘图功能和丰富的电力系统仿真分析工具箱,实现电枢电阻对凸极同步电机特性影响的仿真分析15。随着近年来电力电子技术和微电子技术的发展, 大容量的交流电机调速系统在工业、国防等领域得到了越来越广泛的应用。大功率永磁同步电动 PMSM , 因具有良好的性能,在船舶推进方面的应用已成为必然趋势. 船用推进系统有其特殊使用环境, 特别是潜艇推进中, 常采用蓄电池供电, 如采用常规三相PMSM 系统, 必然造成较大的电流, 从而增加驱动模块的容量, 同时也会产生较大的转矩波动。因而一般采用多相 n相 PMSM设计方案16。适当的运动，永久性的磁场，定向控制永磁同步电动机的磁铁,知识的位置和速度是必需的19。同步磁阻电机 SynRM 同感应电动机相比具有如低核心损失,稳定结构、效率高的特点,尤其是力学的稳定性。因此,使用高性能无位置传感器还是比较难的。尽管已经有了很多工业需求的性能优良的驱动，许多研究人员研究对成本效益的传感器驱动器还没做完20。2相关研究的最新成果及动态 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真7。20 世纪80 年代后期起, 国内外都有大量学者从事这方面的研究工作。并已将其用于工业生产, 经过近10 年的发展, 尤其是高性能永磁材料钕铁硼的广泛应用, 由于其转子损耗下降,电枢激磁电流减小, 效率高, 在小功率到中等功率场合, 有替代鼠笼转子异步电机的趋势。同时, 对异步起动永磁同步电动机的研究又具有一定的学术价值, 它融合了异步电机与永磁电机的特性。因而, 近年来科研人员在结构设计 尤其是转子结构设计 、参数计算、性能分析等方面都做了大量的工作, 取得了一定的成绩。本文从异步起动永磁同步电动机的转子结构设计、电机原理设计及性能分析几方面综述国内外异步起动永磁同步电机的发展现状及今后主要的研究方向12。针对纺织行业这一用电大户，提出由目前在纺机中配套用的FX 系列电机由FTY 系列永磁电机替代，通过对纺织行业的市场调研、永磁电机本身性能的分析以及产品替代后运行状况，表明其经济效益和社会效益都是非常显著，具有广阔的发展前景。纺织行业是国内用电大户，其中细纱机用电约占纺织用电的70% 左右，是纺织行业的主要耗电设备。因此采用新型高效节能电机（即永磁同步电动机），降低细纱机的耗电是纺织厂节电的关键措施之一。由于目前稀土永磁材料的价格进一步的降低，因而将永磁电机应用于纺织行业成为可能。而且较同容量、同机座的纺织用异步电机的效率和功率因数均有较大的提高（约为3%7% 左右），可见其节电效果是非常显著的13。 永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同, 但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁, 使电机结构更为简单。近年来, 永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步, 推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发, 有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展, 某些永磁同步电机已形成系列化产品, 其容量从小到大, 目前已达到兆瓦级,