《電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計 文獻(xiàn)綜述 開題報告】基于MATLABSIMULINK的凸極同步電機建模與仿真---電源模塊、abcdq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計 文獻(xiàn)綜述 開題報告】基于MATLABSIMULINK的凸極同步電機建模與仿真---電源模塊、abcdq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計（53頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、電氣工程及其自動化專業(yè)【畢業(yè)設(shè)計+文獻(xiàn)綜述+開題報告】基于MATLABSIMULINK的凸極同步電機建模與仿真---電源模塊、abcdq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計 （20_ _屆） 本科畢業(yè)設(shè)計 基于MATLAB/SIMULINK的凸極同步電機建模與仿真---電源模塊、abc/dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計 摘 要 眾所周知，電機的數(shù)學(xué)模型是多變量、強耦合的非線性系統(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，在理論上、計算機仿真以及實驗上都有了一些研究成果，提出了一些方法。Based o

2、n MATLAB/SIMULINK salient pole synchronous motor of modeling and simulation --- the power modules, abc/dq coordinates converter module, control system module design Abstract As is known to all, the mathematical model is more electrical variable, strongly coupled nonlinear system. In nonlinear syst

3、em 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/SIM

4、ULINK 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 d

5、esign. 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 th

6、e 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. 目錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒論 1 1.1課題的來源 1 1.2課題的意義 2 1.3仿真與仿真軟件的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3.1 系統(tǒng)

7、仿真技術(shù)概述 3 1.3.2 系統(tǒng)仿真軟件的研究現(xiàn)狀 4 1.3.3 MATLAB概述 5 1.3.4 SIMULINK概述 6 1.4課題研究的主要內(nèi)容 7 2設(shè)備方案設(shè)計與總體設(shè)計 8 2.1理想同步機假設(shè) 8 2.2 abc/dq模型的建立 8 2.3仿真系統(tǒng)總體設(shè)計 12 2.3.1總體設(shè)計的系統(tǒng)對象 12 2.3.2總體設(shè)計的系統(tǒng)分塊 14 2.3.3控制反饋環(huán)節(jié) 16 3仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計 18 3.1總體設(shè)計 18 3.2具體設(shè)計 19 3.2.1 電源模塊 19 3.2.2 abc/dq轉(zhuǎn)換器 20 3.2.3控制系統(tǒng)模塊設(shè)計 21 3

8、.2.4電機模塊 23 3.2.5控制反饋環(huán)節(jié) 23 4系統(tǒng)仿真運行 24 結(jié)論 28 參考文獻(xiàn) 29 致謝 31 1 緒論 電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。就能量轉(zhuǎn)換的功能來看，電機可分為發(fā)電機和電動機兩大類。發(fā)電機用以把機械能轉(zhuǎn)換為電能，在發(fā)電站中，通過原動機先把各類一次能源蘊藏的能量轉(zhuǎn)換為機械能，然后通過發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往各種場合供公眾使用。電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能，用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機械和裝置，滿足不同地方的需求。在電力工業(yè)中，發(fā)電機是生產(chǎn)電能的主要設(shè)備；變壓器是變電站輸、配電線路中對電壓進(jìn)行變換的主要設(shè)備；在機械、冶金

9、、紡織、煤炭、石油、化工、交通運輸和家用電器等行業(yè)中，電動機是各種生產(chǎn)機械的主要動力設(shè)備；在國防和民用的各種自動控制系統(tǒng)中，控制電機是重要和不可缺少的元件。 經(jīng)過50年的努力，從仿制階段到自行設(shè)計階段一直到研究、創(chuàng)新階段，我國已經(jīng)建立起自己的電機工業(yè)體系，有了統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品系列，建立了全國性的研究實驗基地和工程技術(shù)人員隊伍。在中、小型和微型電機方面，已開發(fā)25個系列、上千個品種、幾千個規(guī)格的各種電機。在特殊電機方面，隨著新的永磁材料的出現(xiàn)，制成了許多高效節(jié)能、維護(hù)簡單的永磁電機。由于電機和電力電子裝置、單片微型計算機相結(jié)合，出現(xiàn)了各種性能的“一體化電機”。 同步電機是一種常用的交流電

10、機。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)運行時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負(fù)載的大小無關(guān)。從原理上看，同步電機既可以作為發(fā)電機，也可用作電動機或補償機?，F(xiàn)代水電站、火電站和核電站中的交流發(fā)電機幾乎全部都是同步發(fā)電機，在工礦企業(yè)和電力系統(tǒng)中，同步電動機和補償機用得同樣也不少。 工廠自動化的不斷完善是過去幾十年中世界工業(yè)進(jìn)步的一個重要因素。在上個世紀(jì)70年代初，席卷全球世界先進(jìn)工業(yè)國家的石油危機，迫使他們投入大量人力和財力去研究高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，期望來節(jié)約能源。經(jīng)過十年左右的努力，到了80年代，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升，能源危機從而得以緩解。此后，高性能交流電機的研究從未再停止過。電機的數(shù)

11、學(xué)模型是多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)。在理論上，計算機仿真以及實驗中都能夠有一些研究成果，并提出了一些方法。但要從理論上研究一個非線性動力系統(tǒng)比較困難，因此我們在保持其動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上將其簡化。要簡化一個動力系統(tǒng)有兩條途徑：一是消除非線性，二是減少系數(shù)。 在設(shè)計過程中使用MATLAB中的SIMULINK使用工具來輔助設(shè)計，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動態(tài)模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動態(tài)模型來完成，而不必對實物模型進(jìn)行反復(fù)拆裝調(diào)試。MATLAB中的動態(tài)建模、仿真工具SIMULINK具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，也可以給教學(xué)提

12、供了虛擬的實驗平臺。因此研究該課題具有實際意義。 同步電機轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉(zhuǎn)速就不變。電鐘和記錄儀表的定時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以及大型同步電動機直流發(fā)電機組無不利用了轉(zhuǎn)速恒定的特點。同步電動機還有一個優(yōu)點，即可以控制勵磁來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，功率因數(shù)可提高到1.0或者更高。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，同步電動機也進(jìn)入了調(diào)速電機的大家庭。阻礙到同步電動機廣泛應(yīng)用的問題已經(jīng)得到了有效的解決。同步電機的應(yīng)用已日趨廣泛，同步電機將在今后的電機系統(tǒng)研究中占有重要的地位。 1.3.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 系統(tǒng)仿真是建立在控

13、制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計算機和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗，并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和住處資料對試驗結(jié)果進(jìn)行分析研究，做出決策的一門綜合性的和試驗性的學(xué)科。模擬和仿真模擬技術(shù)是指使用儀器設(shè)備、模型、計算機虛擬技術(shù)，以及利用場地、環(huán)境的布置，模仿出真實工作程序、工作環(huán)境、技術(shù)指標(biāo)、動作要求，進(jìn)行科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計、模擬生產(chǎn)、教學(xué)訓(xùn)練和考核鑒定等的一項綜合技術(shù)。仿真科學(xué)與技術(shù)是以相似理論、模型論、仿真系統(tǒng)理論、仿真方法論、仿真可信性理論和仿真應(yīng)用理論為基本理論，以仿真應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機與應(yīng)用相關(guān)的物

14、理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型參與已有或假想的系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、設(shè)計、加工生產(chǎn)、實驗、評估、運行、維護(hù)和報廢活動的一門由多學(xué)科綜合而成的新學(xué)科。 面對21世紀(jì)的知識經(jīng)濟(jì)和多學(xué)科互相交叉滲透的特點，以建模和仿真為基礎(chǔ)的系統(tǒng)仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)將對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、環(huán)境、訓(xùn)練和教育等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。虛擬設(shè)計、虛擬樣機、虛擬制造等技術(shù)將對產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計方法帶來變革。通過仿真技術(shù)可以對客觀世界中已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生和尚未發(fā)生的客觀事物進(jìn)行分析研究。系統(tǒng)仿真技術(shù)在未來將會有更加廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 仿真系統(tǒng)的可信度是仿真系統(tǒng)的使用者對應(yīng)用仿真系統(tǒng)在一定環(huán)境、一定條件下仿真試驗的結(jié)果，解決

15、所定義問題正確性的信心程度。可信度是由仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)之間相似性決定的仿真系統(tǒng)與仿真目的相適應(yīng)的程度。逼真度描述的不是仿真對某種特定應(yīng)用需求的滿足程度，而是仿真對仿真對象的復(fù)現(xiàn)程度。逼真度考查的是仿真系統(tǒng)或子系統(tǒng)的外在特性，主要是輸入和輸出之間的關(guān)系而非系統(tǒng)或子系統(tǒng)本身的實現(xiàn)方式或手段。 數(shù)學(xué)仿真也稱計算機仿真，就是在計算機上實現(xiàn)描寫系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)模型，并在這個模型上對系統(tǒng)進(jìn)行定量的研究和實驗。這種仿真方法常用于系統(tǒng)的方案設(shè)計階段和某些不適合做實物仿真的場合（包括某些故障模式）。它的特點是重復(fù)性好、精度高、靈活性大、使用方便、成本較低、可以是實時的、也可以是非實時的。數(shù)學(xué)仿真的逼真度和

16、精度取決于仿真計算機的精度和數(shù)學(xué)模型的正確性與精確性。數(shù)學(xué)仿真可采用模擬計算機、數(shù)字計算機和數(shù)字-模擬混合計算機。半物理仿真采用部分物理模型和部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的仿真。其中物理模型采用控制系統(tǒng)中的實物，系統(tǒng)本身的動態(tài)過程則采用數(shù)學(xué)模型。半物理仿真系統(tǒng)通常由滿足實時性要求的仿真計算機、運動模擬器（一般采用三軸機械轉(zhuǎn)臺）、目標(biāo)模擬器、控制臺和部分實物組成?？刂葡到y(tǒng)電子裝置和敏感器安放在轉(zhuǎn)臺上。 半物理仿真的逼真度較高，所以常用來驗證控制系統(tǒng)方案的正確性和可行性，進(jìn)行故障模式的仿真以及對各研制階段的控制系統(tǒng)進(jìn)行閉路動態(tài)驗收試驗。此外，用航天仿真器來訓(xùn)練航天員和用飛行仿真器來訓(xùn)練飛行員也屬于半物理仿真性質(zhì)，

17、后者更著重于視景模擬和人機關(guān)系。以仿真計算機實現(xiàn)系統(tǒng)模型和以航天器計算機或控制系統(tǒng)電子線路為實物的閉路試驗，也可認(rèn)為是半物理仿真，這種仿真重點在于檢驗控制計算機軟件的正確性或研究控制方式中某些功能和參數(shù)。 半物理仿真的逼真度取決于接入的實物部件的多寡、仿真計算機的速度、精度和功能，轉(zhuǎn)臺和各目標(biāo)模擬器的性能。通常對三軸機械轉(zhuǎn)臺的要求是精度高、轉(zhuǎn)動范圍大、動態(tài)響應(yīng)快和框架布置不妨礙光學(xué)敏感器的視場。半物理仿真技術(shù)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展重點。全物理仿真全部采用物理模型的仿真，又稱實物模擬。例如航天器的動態(tài)過程用氣浮臺 單軸或三軸 的運動來代替，控制系統(tǒng)采用實物。因為實物是安放在氣浮臺上的，這種

18、方法很適合于研究具有角動量存貯裝置的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的三軸耦合，以及研究控制系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)在力學(xué)上的動態(tài)關(guān)系。在對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行全物理仿真時，安裝在氣浮臺上的實物應(yīng)包括姿態(tài)敏感器（見航天器姿態(tài)敏感器）、控制器執(zhí)行機構(gòu)（見航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)）和遙測遙控裝置和有關(guān)的分系統(tǒng)。目標(biāo)模擬器、環(huán)境模擬器和操作控制臺均設(shè)置在地面上。航天器在空間的運動是由氣浮臺來模擬的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取決于氣浮臺的性能。對氣浮臺的要求是空氣軸承的摩擦力矩和渦流力矩小，垂直負(fù)載能力和橫向剛度大，氣浮臺動、靜平衡好。全物理仿真技術(shù)復(fù)雜，一般只在必要時才采用。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成

19、為具有相當(dāng)規(guī)模的新型產(chǎn)業(yè)，并廣泛應(yīng)用于國防、能源、電力、交通、物流、教育、航天航空、工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、石油化工、船舶、汽車、電子產(chǎn)品、虛擬儀器、農(nóng)業(yè)、體育、娛樂、社會經(jīng)濟(jì)運行、環(huán)境及安全科學(xué)等等領(lǐng)域。?近年來，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，中國仿真市場增長異常迅猛，在某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但總體技術(shù)水平，特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家相比還有差距。以美國為代表的發(fā)達(dá)國家高度重視仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。??仿真將是支持研究各類復(fù)雜系統(tǒng)生命周期的必要手段。仿真系統(tǒng)是預(yù)估其安全性的有效工具，因此仿真系統(tǒng)自身的可信度就變得非常重要。從理論上建立仿真系統(tǒng)的評估體系及相應(yīng)的方法、工具是推動仿真技術(shù)應(yīng)用的重要研

20、究方向。先進(jìn)的分布式仿真技術(shù)的發(fā)展，在2l世紀(jì)，可能將分布在各個應(yīng)用領(lǐng)域的人員和資源集成為一個大型仿真環(huán)境。它將打破各個領(lǐng)域的界限，使人們在仿真環(huán)境里對擬定的設(shè)想和任務(wù)進(jìn)行研究、分析。?仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益，可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)。仿真系統(tǒng)將應(yīng)用于人類生產(chǎn)實踐的全過程，這樣可以避免決策失誤，可以預(yù)測可能發(fā)生的問題，達(dá)到避免故障、安全控制的目的。有關(guān)專家預(yù)言，在2l世紀(jì)，仿真技術(shù)的發(fā)展必將對經(jīng)濟(jì)、社會以及人們的觀念產(chǎn)生巨大影響。PDM/PLM平臺上。同時，在時間尺度上支持全開發(fā)流程的仿真要求，在空間尺度上支持不同開發(fā)團(tuán)隊甚至是交叉型組織架構(gòu)間的協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)的管

21、理。將引進(jìn)更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不斷改進(jìn)GUI，讓軟件使用者直接體驗到數(shù)值計算專家開發(fā)的后臺工具提供的強大功能，同時減少軟件學(xué)習(xí)和使用的困難。提供易學(xué)易用的強大工具。提供源代碼級的二次開發(fā)支持，開放的架構(gòu)滿足不同用戶的專業(yè)開發(fā)要求。在強大的工具平臺上，根據(jù)自身的需要，進(jìn)行二次開發(fā)。這已經(jīng)是目前許多研發(fā)單位開發(fā)專有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。今后的系統(tǒng)仿真工具必須支持用戶在進(jìn)行二次開發(fā)的時候，從源代碼級別開始的創(chuàng)新和工程化定制，并能夠通過封裝集成到原有平臺中去。這種技術(shù)將成為用戶在實現(xiàn)知識和技術(shù)組織內(nèi)共享和傳承的同時，保護(hù)自身知識產(chǎn)權(quán)的必然選擇。 1.3.3 MATLAB概述 M

22、ATLAB是世界流行的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件之一。具有功能強大 數(shù)值計算、符號計算、圖形生成、文本處理及多種專業(yè)工具箱 、界面友好，可二次開發(fā)等特點。在國內(nèi)外，已有許多高等院校將其列為本科生、研究生和博士生必須掌握的基本技能。MATLAB是國際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實用的計算機工具。MATLAB是一種應(yīng)用于計算技術(shù)的高性能語言。它將計算，可視化和編程結(jié)合在一個易于使用的環(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。 MATLAB是一個交互式系統(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)計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問題，有時還能寫入非交互式語言如C和Fort

23、ran等。MATLAB在擁有很多用戶的同時經(jīng)歷了許多年的發(fā)展時期。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。經(jīng)過幾十年的完善和擴充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。在美國，MATLAB是大學(xué)生和研究生必修的課程之一。美國許多大學(xué)的實驗室都安裝有MATLAB，供學(xué)習(xí)和研究之用。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系統(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)想的試驗平臺。

24、 MATLAB是美國MATHWORKS公司生產(chǎn)的一個為科學(xué)和工程計算專門設(shè)計的交互式大型軟件，是一個可以完成各種精確計算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強大的計算工具。MATLAB主要由MATLAB主程序、SIMULINK動態(tài)仿真系統(tǒng)和MATLAB工具箱三大部分組成。其中MATLAB主程序包括MATLAB語言、工作環(huán)境、句柄圖形、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口五個部分；SIMULINK是用于動態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬系統(tǒng)并能動態(tài)地控制該系統(tǒng)。工具箱則是MATLAB的基本語句編寫的各種子程序集和函數(shù)庫，用于解決某一方面的特定問題或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法，是開放的，可以根據(jù)需要擴充。

25、MATLAB最基本、也是最重要的功能就是進(jìn)行實數(shù)矩陣或者復(fù)數(shù)矩陣的運算。由于向量可作為矩陣的一行或者一列，標(biāo)量（一個數(shù)）則可以作為只含有一個元素的矩陣，故向量和標(biāo)量都可以作為特殊矩陣來處理。MATLAB的操作和命令對于矩陣而言，和我們平時使用的形式很相似，但它還有自己的一些規(guī)定。 1.3.4 SIMULINK概述 （1）、仿真系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定； （2）、電源模塊設(shè)計； （3）、abc/dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計； （4）、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計； （5）、用MATLAB/Simulink建模，進(jìn)行系統(tǒng)仿真運行，證明該系統(tǒng)模型的有效性。 2設(shè)備方案設(shè)計與總體設(shè)計 將電機結(jié)構(gòu)簡

26、化后，電機內(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)，仍難以對它們的運行方式作定量分析。這些假設(shè)是： （1）電機鐵芯不飽和。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有可能運用疊加原理。 （2）電機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2/3π電弧度；轉(zhuǎn)子每極的勵磁繞組完全相同；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

27、列假設(shè)條件的同步電機，稱為理想同步電機。以下的分析都以理想同步電機為前提。而時實踐證明，按理想同步電機條件的分析、計算所得，誤差在允許范圍內(nèi)。 2.2 abc/dq模型的建立 因為對于具有阻尼條的凸極機，由于空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場總可以分解為兩個軸線與轉(zhuǎn)子正，交軸重合的脈動磁場，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，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)生的磁通方向，與正軸或交軸正方向相同時，這些

28、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。 圖2-1 定子、轉(zhuǎn)子各相的旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)定位 按圖2-1的電磁量取向即可列出如下的同步電機電壓方程和磁鏈方程： 電壓方程： （2-1） 其中，為求導(dǎo)算子，即 d/dt，v為各繞組電壓，i為各繞組電流，r為各繞組電阻，為各繞組合成磁鏈， 2-2 2-3 定義為電流，電壓，磁鏈的共同變量，則有 2-4 將abc模型轉(zhuǎn)換為dq模型可更方便地研究，a

29、bc軸上的變量轉(zhuǎn)變成dq軸上的轉(zhuǎn)換如下： 2-5 定義，將（2-5-1）－j（2-5-2）可得 2-6 同理， 2-7 定義 2-8 其中，Ns，Nr分別為定子和轉(zhuǎn)子的匝數(shù) 則有 2-9 定子方程： 2-10 其中 2-11 轉(zhuǎn)子方程： 2-12

30、 其中 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和恒等于0，解方程很容易，因此剩下的四個方程可以表示為一個矩陣[2] 2-14 以上即為同步電機數(shù)學(xué)模型。 本次研究對象為110kW，三相三線，440V，4極同步凸極機，其參數(shù)如圖2-2所示： 圖2-2 系統(tǒng)同步電機對象 圖2-3 同步電機額定轉(zhuǎn)速 如圖2-3所示，此同步機額定轉(zhuǎn)速定為1400rad/s。 圖2-4 同步電機勵磁電壓 如圖2-4所示，此同步機勵磁電壓設(shè)定為17.8kv。 圖2-5 信號改變的設(shè)定時間 如圖2-5所

31、示，設(shè)定信號改變的時間為15,40s。 2.3.2總體設(shè)計的系統(tǒng)分塊 （2-15）2）abc/dq轉(zhuǎn)換器 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： 2-16 式中 2-17 定義 2-18 （3）電機 由式 2-14 可得出電機的基本模型，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： 2-19 （4）電

32、磁轉(zhuǎn)矩 由（2-9）帶入dq表達(dá)式輸入功率可得 （2-20） 因此，電功率在電機內(nèi)的終結(jié)有三個去向，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)化為電機內(nèi)部儲存的磁能；剩下的那部分即用于輸出，轉(zhuǎn)化為機械能。因此，輸出的電機功率為： 2-21 其中 （2-22） 上式中 為極對數(shù)，為機械速度，且轉(zhuǎn)動機械功率定義為轉(zhuǎn)速、時間和轉(zhuǎn)矩，以此可得： （

33、2-23） （5）勵磁 圖2-3 勵磁模塊框圖 所謂勵磁，是指為發(fā)電機等“利用電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備”提供工作磁場的行為。對于同步發(fā)電機來說，勵磁系統(tǒng)就是向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供電源的一組設(shè)備。供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。它一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個主要部分組成。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統(tǒng)的主要作用有根據(jù)發(fā)電機負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值； 控制并列運行各發(fā)電機間無功功率分配；提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩(wěn)定性；提高發(fā)電機并列運行的暫態(tài)穩(wěn)定性在發(fā)電

34、機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度根據(jù)運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。2.3.3 控制反饋環(huán)節(jié) 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，比例系數(shù)的加大，會引起系統(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，但積分作用太強會使系統(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，同時加快系統(tǒng)地動態(tài)相應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)地動態(tài)性能?；诂F(xiàn)實中一旦加入微分環(huán)節(jié)，參數(shù)調(diào)整難度加大，因此，本設(shè)

35、計只采用PI控制器。其中對于輸出的機械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為： ?（-24） 2-25 為轉(zhuǎn)子的機械角速度，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 3仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計 3.1 總體設(shè)計 圖3-1系統(tǒng)總體框圖 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3-1所示，九個變量輸出到工作空間。 其封裝的子模塊共有三個，從左到右分別為電源模塊，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，中心電機模塊，其中Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，具體輸入為一個短時間的脈沖函數(shù)。 3.2 具體設(shè)計 3.2.1 電源模塊 圖3-2電源模塊框圖 電源設(shè)計主要輸入由一個電源頻率和

36、一個電壓幅值組成，如圖3-2所示。 設(shè)計中用了兩電源設(shè)計主要輸入由一個電源頻率和一個電壓幅值組成個同斜率不同起始時間的斜坡函數(shù)，來模擬電機通上電源后的初始電源頻率和幅值，以頻率為例，首先將第一個斜坡函數(shù)斜率定義為（6的增益送入多路信號復(fù)合器，然后通過一個matlab fuction 模塊實現(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。 3.2.2 abc/dq轉(zhuǎn)換器 圖3-3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊 從模擬電源得到的只是三相電壓，為了模型計算，需將其轉(zhuǎn)化成d/q坐標(biāo)下的值，轉(zhuǎn)化器設(shè)計

37、見如圖3-3所示。 其原理是將三相電流表示為矩陣格式，而后用matlab fuction模塊實現(xiàn)矩陣乘法。 派克變化是人們熟悉也是最廣泛運用的坐標(biāo)變換之一。它的基礎(chǔ)是“任何一組平衡定子電流產(chǎn)生的合成磁場，總可由兩個軸線互相垂直的磁場所替代”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。因此，派克變換相當(dāng)于觀察電位置的變化，將觀察電從空間不動的定子上，轉(zhuǎn)移到空間旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，并且將兩個位于轉(zhuǎn)子正、交軸向的等值定子繞組，替代實際的三相定子繞組。 經(jīng)abc/dq變換

38、，輸出結(jié)果即為d/q坐標(biāo)下的dq兩相電壓。d軸分量是電壓的有效值，由于是三相對稱電壓，故0相可忽略不計。 圖3-4 轉(zhuǎn)矩輸出及反饋控制框圖 見圖3-4右上部分便是電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩。圖3-4下方所示是控制反饋環(huán)節(jié)。 控制器的控制規(guī)律為比例 P 控制、積分 I 控制和微分 D 控制。比例（P）控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積

39、分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 4系統(tǒng)仿真運行 圖4-1 轉(zhuǎn)速時間的響應(yīng) 如圖4-1所示，研究仿真同步電機的起動特性。從輸出圖象可以看出，系統(tǒng)開始的

40、時候轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上升，到最高點之后經(jīng)歷一段動蕩，在15s左右之后穩(wěn)定在一定轉(zhuǎn)速上，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見設(shè)計基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 圖4-2 轉(zhuǎn)速時間的響應(yīng)局部放大圖 圖4-3 負(fù)荷角變化的時間響應(yīng) 如圖4-3所示，這是系統(tǒng)在運行過程中系統(tǒng)負(fù)荷角隨時間的響應(yīng)變化，在最初的震蕩之后，隨著轉(zhuǎn)速開始穩(wěn)定，在15s左右負(fù)荷角也趨于穩(wěn)定。該電機是電動機，因此穩(wěn)定的角度是負(fù)角度。 圖4-4 負(fù)荷角變化的時間響應(yīng)局部放大圖 圖4-5 有功功率輸出的時間響應(yīng) 如圖4-5所示，有功功率的輸入響應(yīng)也是要經(jīng)過一段時間，然后15s左右隨著轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。 圖4-6 有功功率輸出的時間響應(yīng)局部放大圖 圖4-7

41、系統(tǒng)定子電流的時間相應(yīng) 如圖4-7所示，系統(tǒng)定子電流從一開始便產(chǎn)生很大的震蕩，在15s左右時候也是趨于穩(wěn)定。 圖4-8 系統(tǒng)定子電流的時間相應(yīng)局部放大圖 結(jié)論 仿真過程的三個主要活動是“系統(tǒng)建?！?、“仿真建?！薄ⅰ胺抡鎸嶒灐?，而聯(lián)系這些活動的要素是“系統(tǒng)”、“模型”、“計算機”。其中：系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的抽象，仿真是通過對模型進(jìn)行實驗來達(dá)到研究的目的要對一個系統(tǒng)或?qū)ο髮嵤┯嬎銠C仿真，首先必須把握系統(tǒng)的基本特征，抓住主要的因素，引入必要的參量，提出合理的假設(shè)，進(jìn)行科學(xué)的抽象，分析各參量間的相互關(guān)系，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，然后在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。仿真建模的過程是在已有的一

42、些先驗知識的基礎(chǔ)上，試探地寫出研究對象所滿足的或近似滿足的數(shù)學(xué)規(guī)律，再結(jié)合實際的研究目的，對猜測性的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化，從而得到既符合客觀實際又易于在計算機上實現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。 參考文獻(xiàn) [1]李立凱,陳守年,許小明.永磁同步電機控制系統(tǒng)的建模與仿真分析，北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009. [2]王行仁.建模與仿真的回顧及展望.北京：北京航空航天大學(xué), 1999. [3]李學(xué)文,李學(xué)軍.基于SIMULINK的永磁同步電機建模與仿真.上海：上海海事大學(xué)，甘肅中醫(yī)學(xué)院，2007. [4]S. Wiggins. Introduction to Applied Nonlinear Dyn

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47、city Estimation for aSalient-Pole Permanent Magnet SynchronousMachine at Standstill and High Speeds. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，1998. 開題報告 基于MATLAB/SIMULINK的凸極同步電機建模與仿真---電源模塊、abc/dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器模塊、控制系統(tǒng)模塊設(shè)計 摘要：采用電力電子變頻裝置實現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電機歷來的恒速運行不能調(diào)速的面貌，使它和異步電機一樣成為調(diào)速電機大家庭的一員。本文針對同步電機中具有代表性

48、的凸極機，在忽略了一部分對誤差影響較小而使算法復(fù)雜度大大增加的因素（如諧波磁勢等），對其內(nèi)部電流、電壓、磁通、磁鏈及轉(zhuǎn)矩的相互關(guān)系進(jìn)行了一系列定量分析，建立了簡化的基于abc三相變量上的數(shù)學(xué)模型，并將其進(jìn)行派克變換，轉(zhuǎn)換成易于計算機控制的d/q坐標(biāo)下的模型。再使用MATLAB中用于仿真模擬系統(tǒng)的SIMULINK對系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行封裝及連接，系統(tǒng)總體分為電源、abc/dq轉(zhuǎn)換器、電機內(nèi)部模擬、控制反饋四個主要部分，并為其設(shè)計了專用的模塊，同時對其中的一系列參數(shù)進(jìn)行了配置。系統(tǒng)啟動仿真后，在經(jīng)歷了一開始的振蕩后，各輸出相對于輸出時間的響應(yīng)較穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：同步電機 d/q模型 MATLAB

49、 SIMULINK 仿真。 1選題的背景、意義 1.1 同步電機概述 隨著電力電子器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型的可關(guān)斷器件 如IGBT 的實用化，使得高頻PWM控制技術(shù)成為可能。這一技術(shù)的興起直接推動了矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制等新的先進(jìn)控制理論的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)了交流電動機作為一個多變量、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)的靈活控制。采用矢量控制技術(shù)的控制方法后，系統(tǒng)性能均大大提高，尤其是永磁同步電機，因此永磁同步電機控制系統(tǒng)研發(fā)逐漸成為主流和熱點研究課題。在大多數(shù)永磁同步電機變速驅(qū)動系統(tǒng)中,需要軸傳感器安裝于電機軸上提供轉(zhuǎn)子位置信息，確定轉(zhuǎn)子磁場間的空間角度，使坐標(biāo)變換成為可能。在實際系統(tǒng)中,傳感器的存

50、在降低了系統(tǒng)的可靠性,提高了系統(tǒng)的成本。近10年來,各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究,利用檢測定子電壓、電流等易測量進(jìn)行速度估算以取代速度傳感器。由于無傳感器技術(shù)不需要檢測硬件，免去了傳感器的安裝維護(hù)的麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，因而引起廣泛的研究興趣。 交流伺服電機能夠被有效地應(yīng)用在許多位置控制的系統(tǒng)中?，F(xiàn)代的交流伺服系統(tǒng)是一種復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)。能夠?qū)涣魉欧到y(tǒng)進(jìn)行建模與仿真將會對其更深層次的研究產(chǎn)生巨大的影響。為了滿足高性能的傳動需要,必須對位置進(jìn)行精確控制。在設(shè)計伺服系統(tǒng)中,使用MATLAB/SIMULINK對其方案進(jìn)行驗證和仿真,將大大地縮短開發(fā)周期[1]。模

51、型是仿真的基礎(chǔ)。仿真模型所要描述的是客觀世界中的客觀事物的特性,主要包括自然環(huán)境、客體/ 系統(tǒng)、人以及他們之間的交互作用。自然環(huán)境包括地形地貌、海洋、大氣、氣象、電磁干擾、聲的傳播等。自然環(huán)境的建模和虛擬環(huán)境的建立是相當(dāng)復(fù)雜的。對于半實物仿真,將建立為各種系統(tǒng)的傳感器所需要的測量和探測仿真環(huán)境。對于人在回路仿真,將建立為操作、駕駛工作人員所需要的視覺、聽覺、觸覺、力反饋、動感等仿真虛擬環(huán)境[2]。 目前, 永磁同步電機建模和仿真大多集中在控制系統(tǒng)。對于PMSM本體的仿真, 雖然可以從SIMULINK中直接調(diào)用PMSM模塊。但是,不同的永磁同步電機,轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)、定子繞組相數(shù)等均有差異。尤其是

52、多相永磁同步電機 譬如5相 推進(jìn)系統(tǒng)的仿真和開發(fā)還處于起步階段,在SIMULINK庫中也找不到現(xiàn)成的仿真模塊。 好在S2函數(shù)提供了擴展仿真模塊的功能,往往S2函數(shù)模塊是整個仿真系統(tǒng)的核心。因此,根據(jù)不同PMSM數(shù)學(xué)模型,建立S2函數(shù)仿真模塊,對于永磁同步電機的設(shè)計具有重要意義。近年來,我國開展了分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進(jìn)仿真技術(shù)的研究。分布交互仿真起源于聯(lián)網(wǎng)仿真,它是一種具有時空一致性的綜合環(huán)境,應(yīng)著重解決以下關(guān)鍵技術(shù):體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通、時間管理與數(shù)據(jù)管理、時空一致性等。分布交互仿真系統(tǒng)通過局域網(wǎng)/ 廣域網(wǎng)將各種仿真器、仿真設(shè)備、人在回路仿真系統(tǒng)、計算機生成系統(tǒng)等聯(lián)接為一個整體,進(jìn)行復(fù)雜系

53、統(tǒng)的仿真,用于人員訓(xùn)練和工程設(shè)計[3]。 世界工業(yè)進(jìn)步的一個重要因素是過去幾十年中工廠自動化的不斷完善。在上個世紀(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，迫使他們投入大量人力和財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，能源危機從而得以緩解。從此以后，高性能交流電機的研究從未再停止過。而且眾所周知，電機的數(shù)學(xué)模型是多變量、強耦合的非線性系統(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，在理論上、計算機仿真以及實驗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非

54、線性動力系統(tǒng)，一般比較困難，我們往往希望在保持其動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，將其簡化。要簡化一個動力系統(tǒng)，有兩條途徑：一是減少系統(tǒng)的維數(shù)；二是消除非線性[4]。同步電機歷來是以轉(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，同步電動機的轉(zhuǎn)速就絕對不變。小到電鐘和記錄儀表的定時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，大到大型同步電動機直流發(fā)電機組，無不利器轉(zhuǎn)速恒定的特點。除此以外，同步電動機還有一個突出的優(yōu)點，就是可以控制勵磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到1.0甚至超前。在一個工廠中只需要少數(shù)幾臺大容量恒轉(zhuǎn)速的設(shè)備（例如水泵、空氣壓縮機等）采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數(shù)。由于同步電動機起動費事、重載有振蕩以

55、至于失步的危險，因此除了上述要求以外，一般的工業(yè)設(shè)備很少應(yīng)用[]。同步電機歷來是以轉(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，同步電動機的轉(zhuǎn)速就絕對不變。小到電鐘和記錄儀表的定時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，大到大型同步電動機直流發(fā)電機組，無不利器轉(zhuǎn)速恒定的特點。除此以外，同步電動機還有一個突出的優(yōu)點，就是可以控制勵磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到1.0甚至超前。在一個工廠中只需要少數(shù)幾臺大容量恒轉(zhuǎn)速的設(shè)備（例如水泵、空氣壓縮機等）采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數(shù)。由于同步電動機起動費事、重載有振蕩以至于失步的危險，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)

56、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，同步電動機便和同步電動機一樣成為調(diào)速電機大家庭的一員。原來阻礙同步電動機廣泛應(yīng)用的問題已經(jīng)得到解決。例如起動問題，既然頻率可以由低調(diào)到高，轉(zhuǎn)速也就逐漸升高，不需要任何其他起動措施，甚至有些容量達(dá)數(shù)萬千瓦的大型高速拖動電機，還專門配上變頻裝置作為軟起動設(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，電機轉(zhuǎn)子落后的角度太大時便造成失步，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[5]。 所以，同步電機的應(yīng)用已日趨廣泛，同步電機將在今后的電機系統(tǒng)研究中占有重要的地位。 1.2 系統(tǒng)仿真

57、技術(shù)概述 系統(tǒng)是由客觀世界中實體與實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)部件組成的一個整體，以實現(xiàn)特定的目的。例如電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測部件所組成，用它來完成電機的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個特定目標(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，形成一個整體，實現(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

58、型。系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型。由于計算機技術(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)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來表示系統(tǒng)運動過程中的各個量的關(guān)系，是分析、設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系統(tǒng)的運動性質(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、時變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨機等子類。 系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)性能的一門學(xué)科，現(xiàn)在尤指利用計算機去研究數(shù)學(xué)模型行為的方法。計算機仿真的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)、模型、算法、計算機程序設(shè)計與仿真結(jié)果顯示、分析與驗證等環(huán)節(jié)[6]。 [

59、8]。十多年來，隨著MATLAB語言和仿真環(huán)境在控制系統(tǒng)研究與教學(xué)中日益廣泛的應(yīng)用，在系統(tǒng)仿真、自動控制等領(lǐng)域，國外很多高校在教學(xué)與研究中都將MATLAB/語言作為首選的計算機工具。我國的科學(xué)工作者和教育工作者也逐漸認(rèn)識到MATLAB語言的重要性。 MATLAB語言是一種十分有效的工具，能容易地解決在系統(tǒng)仿真及控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域的教學(xué)與研究中遇到的問題，它可以將使用者從煩瑣的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決科學(xué)問題中。 MATLAB語言雖然是計算數(shù)學(xué)專家倡導(dǎo)并開發(fā)的，但其普及和發(fā)展離不開自動控制領(lǐng)域?qū)W者的貢獻(xiàn)。在MATLAB語言的發(fā)展進(jìn)程中，許多有代表性的成就是和控制

60、界的要求與貢獻(xiàn)分不開的。MATLAB具有強大的數(shù)學(xué)運算能力、方便實用的繪圖功能及語言的高度集成性，它在其他科學(xué)與工程領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景和無窮的潛能[]。MATLAB和[10]。 1.4 同步電機模塊分析 直線電機是1種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。采用直線電機驅(qū)動的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、損耗小、噪聲小、成本低、容易控制等優(yōu)點。直接轉(zhuǎn)矩控制 Direct Torque Control ,縮寫為DTC 利用空間矢量分析方法,直接在定子坐標(biāo)系下計算和控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向,借助于離散的兩點式Bang2Bang控制產(chǎn)生PWM信號,直接對

61、逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。目前,DTC在異步電機中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟, DTC 應(yīng)用于永磁同步電機控制中,也取得了令人滿意的效果。PMLSM 直接推力控制 DTFC ,但只是提出了相關(guān)理論,給出了實驗結(jié)果,并沒有提及控制系統(tǒng)模型的具體構(gòu)建、分析和調(diào)試[13]。 具有梯形波反電勢的無刷直流機 BLDCM 和具有正弦波反電勢的永磁同步機 PMSM 均為采用永磁轉(zhuǎn)子的交流電動機，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、性能優(yōu)良等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于軍事裝備、計算機外圍設(shè)備、辦公機械、儀器儀表、數(shù)控機床、汽車電器、家用電器等領(lǐng)域。在電機控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計中，為縮短產(chǎn)品

62、的開發(fā)周期，降低研制成本，通常在研發(fā)前期采用仿真的手段進(jìn)行模型和算法的驗證。對于永磁交流電機的仿真模型，國內(nèi)外有許多相關(guān)報道[14]。 在研究同步電機特性問題時,一般文獻(xiàn)都沒考慮同步電機的電樞電阻。同步電機是電力系統(tǒng)中最重要的部件之一,由多個具有電磁耦合關(guān)系的繞組構(gòu)成。研究同步電機有功功率、無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩特性有著至關(guān)重要的意義,對電機的穩(wěn)定運行起著重要的作用。而目前的文獻(xiàn)都沒考慮同步電機的電樞電阻的影響。本文將從同步電機的動態(tài)方程出發(fā),導(dǎo)出考慮電樞電阻時凸極同步電機的有功功率、無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩計算公式, 再利用Matlab7. 1/ Simulink6. 3 提供的強大繪圖功能和豐富的

63、電力系統(tǒng)仿真分析工具箱,實現(xiàn)電樞電阻對凸極同步電機特性影響的仿真分析[15]。 隨著近年來電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展, 大容量的交流電機調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)、國防等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。大功率永磁同步電動 PMSM , 因具有良好的性能,在船舶推進(jìn)方面的應(yīng)用已成為必然趨勢. 船用推進(jìn)系統(tǒng)有其特殊使用環(huán)境, 特別是潛艇推進(jìn)中, 常采用蓄電池供電, 如采用常規(guī)三相PMSM 系統(tǒng), 必然造成較大的電流, 從而增加驅(qū)動模塊的容量, 同時也會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動。因而一般采用多相 n相 PMSM設(shè)計方案[16]。 適當(dāng)?shù)倪\動，永久性的磁場，定向控制永磁同步電動機的磁鐵,知識的位置和速度是必需的

64、[19]。同步磁阻電機 SynRM 同感應(yīng)電動機相比具有如低核心損失,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、效率高的特點,尤其是力學(xué)的穩(wěn)定性。因此,使用高性能無位置傳感器還是比較難的。盡管已經(jīng)有了很多工業(yè)需求的性能優(yōu)良的驅(qū)動，許多研究人員研究對成本效益的傳感器驅(qū)動器還沒做完[20]。 2相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) 早期的計算機仿真技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個階段：20世紀(jì)40年代模擬計算機仿真；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年代就開始研究仿真技術(shù)了，當(dāng)時主要用于國防領(lǐng)域，以模擬計算機的仿真為主。70年代初開始應(yīng)用數(shù)字計算機進(jìn)行仿真[7]。2

65、0 世紀(jì)80 年代后期起, 國內(nèi)外都有大量學(xué)者從事這方面的研究工作。并已將其用于工業(yè)生產(chǎn), 經(jīng)過近10 年的發(fā)展, 尤其是高性能永磁材料釹鐵硼的廣泛應(yīng)用, 由于其轉(zhuǎn)子損耗下降,電樞激磁電流減小, 效率高, 在小功率到中等功率場合, 有替代鼠籠轉(zhuǎn)子異步電機的趨勢。同時, 對異步起動永磁同步電動機的研究又具有一定的學(xué)術(shù)價值, 它融合了異步電機與永磁電機的特性。因而, 近年來科研人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計 尤其是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計 、參數(shù)計算、性能分析等方面都做了大量的工作, 取得了一定的成績。本文從異步起動永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機原理設(shè)計及性能分析幾方面綜述國內(nèi)外異步起動永磁同步電機的發(fā)展現(xiàn)狀及今后主

66、要的研究方向[12]。 針對紡織行業(yè)這一用電大戶，提出由目前在紡機中配套用的FX 系列電機由FTY 系列永磁電機替代，通過對紡織行業(yè)的市場調(diào)研、永磁電機本身性能的分析以及產(chǎn)品替代后運行狀況，表明其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都是非常顯著，具有廣 闊的發(fā)展前景。 紡織行業(yè)是國內(nèi)用電大戶，其中細(xì)紗機用電約占紡織用電的70% 左右，是紡織行業(yè)的主要耗電設(shè)備。因此采用新型高效節(jié)能電機（即永磁同步電動機），降低細(xì)紗機的耗電是紡織廠節(jié)電的關(guān)鍵措施之一。由于目前稀土永磁材料的價格進(jìn)一步的降低，因而將永磁電機應(yīng)用于紡織行業(yè)成為可能。而且較同容量、同機座的紡織用異步電機的效率和功率因數(shù)均有較大的提高（約為3%~7% 左右），可見其節(jié)電效果是非常顯著的[13]。 永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同, 但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵磁繞組勵磁, 使電機結(jié)構(gòu)更為簡單。近年來, 永磁材料性能的改善以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步, 推動了新原理、新結(jié)構(gòu)永磁同步電機的開發(fā), 有力 地促進(jìn)了電機產(chǎn)品技術(shù)、品種及功能的發(fā)展, 某些永磁同步電機已形成系列化產(chǎn)品, 其容量從小到大, 目前已達(dá)到兆瓦級,