電機(jī)系統(tǒng)建模與分析大作業(yè)[共19頁]

1、1 本科上機(jī)大作業(yè)報告本科上機(jī)大作業(yè)報告 課程名稱： 電機(jī)系統(tǒng)建模與分析 姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 提交日期： 年 月 日 2 目錄目錄 一、作業(yè)目的一、作業(yè)目的.2 二、作業(yè)要求二、作業(yè)要求.3 三、解題思路三、解題思路.3 1.數(shù)學(xué)模型的建立.3 2.滯環(huán) PWM 的產(chǎn)生.4 3.電樞電壓的確定.4 4.電樞電流為負(fù)值時的處理方法.4 5.RUNGLE-KUTTA法的基本算式.5 四、仿真程序四、仿真程序.5 1.主程序.5 2.調(diào)用程序.8 五、仿真結(jié)果及其分析五、仿真結(jié)果及其分析 .9 1.仿真結(jié)果.9 2.分析計算結(jié)果.11 3.計算結(jié)果影響因素.11 步長

2、的影響.11 轉(zhuǎn)動慣量的影響.12 電感的影響.13 4.改進(jìn)控制策略以獲得更好的轉(zhuǎn)速控制性能（PID）.14 1.主程序.16 2.調(diào)用程序.18 六、收獲與體會六、收獲與體會.18 一、作業(yè)目的一、作業(yè)目的 1.熟悉永磁直流電動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真； 2.熟悉滯環(huán)控制的原理與實現(xiàn)方法； 3.熟悉 Rungle-Kutta 方法在仿真中的應(yīng)用。 3 二、作業(yè)要求二、作業(yè)要求 一臺永磁直流電動機(jī)及其控制系統(tǒng)如下圖。直流電源 Udc=200V；電機(jī)永磁勵磁 f=1Wb, 電樞繞組電阻 Rq=0.5ohm、電感 Lq=0.05H；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 J=0.002kgm2 ；系統(tǒng) 阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù) B

3、=0.1Nm/(rad/s) ，不帶負(fù)載 ；用滯環(huán)控制的方法進(jìn)行限流保護(hù)，電流上限 Ih=15A、Il 下限=14A；功率管均為理想開關(guān)器件；電機(jī)在 t=0 時刻開始運行，并給定階躍 （方波）轉(zhuǎn)速命令，即，在 00.2s 是 80rad/s，在 0.20.4s 是 120rad/s，在 0.40.6s 是 80rad/s 如此反復(fù)，用滯環(huán)控制的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（滯環(huán)寬度+/-2rad/s） 。用四階龍格庫 塔求解電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)速響應(yīng)。 三、解題思路三、解題思路 1.數(shù)學(xué)模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立 按電動機(jī)原則取正方向 即： 4 整理得狀態(tài)方程組： 00 0,0 qfq q q q f q q u

4、R i pi L iB p J i 2.滯環(huán)滯環(huán) PWM 的產(chǎn)生的產(chǎn)生 寫一個 PWM 波發(fā)生函數(shù)，使其具有以下功能： 1） 周期 T、占空比 t 可調(diào) 2） 輸入一個時刻值 t，可輸出對應(yīng)時刻下輸出電壓值（高電平/低電平） 設(shè)置一個電流限制標(biāo)識變量：當(dāng)電樞電流小于電流下限值時，該變量置 1（開 通） ；當(dāng)電樞電流大于電流上限值時，該變量置 0（關(guān)斷） ；當(dāng)電樞電流在上下 限之間時，該變量保持原值不變。 3.電樞電壓的確定電樞電壓的確定 對上述電流限制標(biāo)識變量和 PWM 波輸出做“與”運算，通過判斷對 Uq 賦值： 如果“與”結(jié)果為 1，則 Uq 的值為 Udc；如果“與”結(jié)果為 0，則 Uq

5、 的值為 0。 4.電樞電流為負(fù)值時的處理方法電樞電流為負(fù)值時的處理方法 在滯環(huán)控制中，當(dāng)轉(zhuǎn)速從 120r/min 下降到 80r/min 時，由于電機(jī)自 身轉(zhuǎn)動慣量 J 的影響，即使 uq 為 0，轉(zhuǎn)速下降還是需要一段時間， 而電樞電流就有可能在這段時間能掉到負(fù)值。而通過實際電路分析 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流反向時，并沒有實際的通路，故電樞電流值不可 能為負(fù)，在迭代求解時需要改變電機(jī)狀態(tài)方程組，即電樞電流 iq 的 5 值置為 0，uq 置為電機(jī)兩端感應(yīng)電勢。 電樞電流出現(xiàn)了負(fù)數(shù)的情況,而根據(jù)理論分析,由于續(xù)流二極管的存在,電 樞電流是不可能反向流動的,故現(xiàn)在的仿真程序是需要調(diào)整的。 當(dāng)功率管斷開時

6、,通過電機(jī)的電流不斷減小,當(dāng)電流等于零時,此時可 以看作電機(jī)兩端斷開,由 于沒有了電流,此時電機(jī)上的電壓就是電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)電勢,故在仿真中,出現(xiàn) iq=0 時,就直接把 iq 賦零。 5.Rungle-Kutta 法的基本算式法的基本算式 對于微分方程組 四、仿真程序四、仿真程序 1.主程序主程序 % Square wave generator -just for persipicuous visialization. FS=10000; % sampling rate t=0:1/FS:0.6; p=20*(-square(t*5*pi,50)+100; % square wave contr

7、oller plot(t,p); hold on % Main code -only one period from 00.4s deserve improving! t1=0.2;t2=0.4;t3=0.6;h=0.0001;Udc=200;Ff=1; 6 fi=1;B=0.1;J=0.002;Rq=0.5;Lq=0.05; vb(1)=80;vb(2)=120; i=1;resid=0.00002; pwm_i=1;pwm_w=1;Uq(1)=Udc; w(1)=0;iq(1)=0;pwm(1)=1; con_flag=0; for t1=h:h:0.6 if t10.2 limit_fl

8、ag =1; elseif t10.2 limit_flag =2; else limit_flag=1; end % if iq(i)0.04 con_flag=1; end % % if (iqvb(limit_flag)+resid) pwm_w=0; end if(iq(i)15) pwm_i=0; end pwm(i)=pwm_i*pwm_w; % if(iq(i)14 7 % end else if(pwm(i)=0) iq(i+1),w(i+1)=rungeoff(iq(i),w(i),Lq); plot(t1,iq(i+1),t1,w(i+1);hold on i=i+1; i

9、f(w(i)vb(limit_flag)-resid) pwm_w=1; end if(iq(i)14) pwm_i=1; end pwm(i)=pwm_i*pwm_w; % if(iq(i)14 % end % if(iq(i)=0) % iq(i)=0; % Udc=w(i)*Ff; % else % Udc=pwm(i)*200; % end % if(iq(i)0.2 17 count=count+1; if(mod(count,2)=1) velocity=120; else velocity=80; end temp=0; end % if temp1peri % count1=c

10、ount1+1; % if(mod(count1,2)=1) % pwm=1; % else % pwm=0; % end % temp1=0; % end % plot(i*h,velocity);hold on Udc=Tau*200; iq(i+1),w(i+1)=runge(iq(i),w(i),Udc,h); % plot(i*h,iq(i+1),i*h,w(i+1);hold on Tau = Tau + Kp*(e(3)-e(2) + Ki*e(3)+ Kd*(e(3)+e(1)-2*e(2); if Tau 1 Tau=1; elseif Tau0 Tau=0; end e(1

11、)=e(2); e(2)=e(3); e(3)=velocity-w(i+1); % if(e(3)-2) % e(3)=0; % end % if(iq(i+1)15) iq(i+1)=15; elseif(iq(i+1)0) iq(i+1)=0; 18 end if i=tail-1 disp(sprintf(The final steady error is : %2.1f .n,e(3); end end num=1:tail+1; plot(h*num,w,LineWidth,2);hold on plot(h*num,iq,r); set(gca,FontName,Helonia,

12、FontSize,10,FontWeight,bold); xlim(0,h*tail); xlabel(T/s);ylabel(I/A(V/(red/s);title(PID ); 2.調(diào)用程序調(diào)用程序 function iq,w=runge(iq0,w0,Udc,h) w(1)=w0;iq(1)=iq0; k1=f1(w(1),iq0,Udc);a1=iq(1)+h*k1/2; k2=f1(w(1)+0.5*h,a1,Udc);a2=iq(1)+h*k2/2; k3=f1(w(1)+0.5*h,a2,Udc);a3=iq(1)+h*k3; k4=f1(w(1)+h,a3,Udc); k=(

13、k1+2*k2+2*k3+k4)/6; iq=iq(1)+h*k; k11=pw(iq,w(1);a11=w(1)+h*k11/2; k22=pw(iq+0.5*h,a11);a22=w(1)+h*k22/2; k33=pw(iq+0.5*h,a22);a33=w(1)+h*k33; k44=pw(iq+h,a33); k=(k11+2*k22+2*k33+k44)/6; w=w(1)+h*k; function y=pw(a,c) fi=1;B=0.1;J=0.002; y=(fi*a-B*c)/J; function y=f1(w,iq,Udc) fi=1;Rq=0.5;Lq=0.05; y=(Udc-w*fi-Rq*iq)/Lq; 六、收獲與體會六、收獲與體會 通過本次電機(jī)建模作業(yè)，熟悉永磁直流電動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的建模 19 與仿真，同時也熟悉熟悉滯環(huán)控制的原理與實現(xiàn)方法和 Rungle- Kutta 方法在仿真中的應(yīng)用。這次實驗過程中，對于 matlab 軟件要 求較高，對于很多 matlab 語言有更多的理解。對于電機(jī)建模過程中 的矩陣運算，微分方程組的求解都有很大的提高。 建模過程中，開始遇到最難