同步電機(jī)模型的MATLAB仿真資料

1、杭州電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)對(duì)象 本次研究對(duì)象為典型的5馬力（3.73kW），三相三線，230V，4極同步凸極機(jī)，其參數(shù)如下：rs=0.531 rr=0.408 J=0.1kg/m2Lls=Llr=2.52mH Lm=84.7mH1.2 系統(tǒng)分塊1.2.1 電源假設(shè)電機(jī)瞬間連接到穩(wěn)定的60Hz，正弦輸出230V rms電壓源，則三相電壓定義為： （3-1）1.2.2 abc/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(chǎng)，總可由兩個(gè)軸線相互垂直的磁場(chǎng)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

2、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)位于這兩軸方向的等值定子繞組電流產(chǎn)生的電樞反應(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)為abc坐標(biāo)下的變量，為dq坐標(biāo)下的變量，定義P為求導(dǎo)算子，其轉(zhuǎn)換公式為： (3-2)式中 (3-3)定義 (3-4)1.2.3 電機(jī)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) 1.2.4 電磁轉(zhuǎn)矩由（2-9）帶入dq

3、表達(dá)式輸入功率可得（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；第二部分轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部?jī)?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： (3-7)其中 （3-8）上式中 為極對(duì)數(shù)，為機(jī)械速度，且轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械功率定義為轉(zhuǎn)速、時(shí)間和轉(zhuǎn)矩，以此可得： （3-9）1.3 控制反饋環(huán)節(jié)對(duì)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，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

4、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?；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(duì)于輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：  （3-10） (3-11)為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。第2章 仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)2.1 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：TE Vqs ids iqs wm Vds idrp iqrp tout 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，中心電機(jī)模

5、塊。其中Tl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2.2 具體設(shè)計(jì)2.2.1 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（603）*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0.5s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開始到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)2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)

6、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，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： (4-1) x(1)為電源頻率，x(2)為電壓幅值2.2.2 abc/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兩相電壓。0相可忽略不計(jì)。2.2.3 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)fu

7、ction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。2.2.4 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2.3 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)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3章 系統(tǒng)仿真運(yùn)

8、行3.1 輸出結(jié)果穩(wěn)定情況仿真前各常量的取值如下：rs=0.531 rr=0.408 J=0.1kg/m2Lls=Llr=2.52mH Lm=84.7mH Ls=8.722mH 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(shì)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