同步电机模型的MATLAB仿真
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。
The Simulation Platform of Synchronous Machine by MATLAB
Abstract:
The utilization of transducer realizes the control of voltage’s frequency. It changes the situation that Synchronous Machine is always running with constant speed. Just like Asynchronous Machine, Synchronous machine can also be viewed as a member of the timing machine. This thesis intends to aim at the typical salient pole machine in Synchronous Machine. Some quantitative analysis are made on relations of salient pole machine among current, voltage, flux, flux linkage and torque, under the condition that some factors such as harmonic electric potential are ignored. These factors have less influence on error but greatly increase complexity of arithmetic. Thus, simplified mathematic model is established on the basis of a, b, c three phase variables. By the Park transformation, this model is transformed to d, q model which, is easy to be controlled by computer. Simulink is used to masking and linking all the parts of the system. The system can be divided into four main parts, namely power system, abc/dq transformation, simulation model of the machine and feedback control. Special blocks are designed for the four parts and a series of parameters in these parts are configured. The results of simulation show that each output has a satisfactory response when there is disturbance.
Key Words: Synchronous Machine Simulation d/q Model MATLAB SIMULINK
目录
第1章引言 (1)
1.1引言 (1)
1.2同步电机概述 (1)
1.3系统仿真技术概述 (2)
1.4仿真软件的发展状况与应用 (2)
1.5MATLAB概述 (2)
1.6S IMULINK概述 (4)
1.7小结 (5)
第2章同步电机基本原理 (6)
2.1理想同步电机 (6)
2.2ABC/DQ模型的建立 (6)
第3章仿真系统总体设计 (10)
3.1系统对象 (10)
3.2系统分块 (10)
3.3控制反馈环节 (11)
第4章仿真系统详细设计 (13)
4.1总体设计 (13)
4.2具体设计 (13)
4.3控制反馈环节 (16)
第5章系统仿真运行 (17)
5.1输出结果稳定情况 (17)
5.2小结 (20)
第6章结论 (21)
第7章致谢 (22)
参考文献 (23)
第1章引言
1.1引言
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[1]。
1.2同步电机概述
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[2]。
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。
1.3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[3]。
1.4仿真软件的发展状况与应用
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[4]。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL，SIMNOM，MATLAB/Simulink，Matrix/System Build，CSMP-C等。
1.5MATLAB概述
MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。[8]
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，其典型的使用包括: .数学计算
.运算法则的推导
.模型仿真和还原
.数据分析，采集及可视化
.科技和工程制图
.开发软件，包括图形用户界面的建立
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的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。
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。
MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。在工具箱的范围内可以解决单个过程，控制系统，神经网络，模糊逻辑，小波，仿真及其他很多问题。
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MA TLAB，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，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图。[3] MATLAB系统可分为五个部分:
MATLAB语言。这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。
MATLAB的工作环境。这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发，管理，调试，
( profiling M-files，MATLAB’s applications。)的系列工具。
图形操作。这是MA TLAB的图形系统。它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。
MATLAB数据功能库。它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Bessel功能和快速傅立叶变换。MATLAB应用程序编程界面。这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。它方便从MATLAB中调用例程(即动态链接)，使MA TLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。
1.6Simulink概述
Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。
Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。
在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。
模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。
1.7小结
综上所述，利用MA TLAB来仿真同步电机的运行情况，可以帮助研究者更好更方便的了解同步电机的特性，以便进一步改善其效率。
第2章同步电机基本原理
2.1理想同步电机
2.1.1理想同步电机假设
众所周知，由于转子结构的不同，同步电机可分为隐极机和凸极机两类。以下的研究对象像都是凸极机。
同步电机的主要特点是：定子有三相交流绕组，转子为直流励磁。
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2/3π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。
2.2abc/dq模型的建立
2.2.1建模背景
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（2－1）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。
as-axis
r
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：
abcr abcr r abcr abcs
abcs s abcs p i r v p i r v λλ+=+= （2-1）
其中，p 为求导算子，即p =d/dt ，v 为各绕组电压，i 为各绕组电流，r 为各绕组电阻，λ为各绕组合成磁链，
??????????=??????????=??????????=cs bs as abcs cs bs as abcs cs bs as abcs i i i i v v v v λλλλ,, (2-2)
????
?
?????=??????????=??????????=cr br ar abcr cr br ar abcr cr br ar abcr i i i i v v v v λλλλ,, (2-3) 定义f 为电流，电压，磁链的共同变量，则有
)
(3
1
)]
(2
3
)(21[32cs bs as cs bs cs bs as abcs f f j f f f j f f i f -+=-++-= (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：
??
?
??????++=++-+=++-+= 3)-5-(2 ][3
1
2)-5-(2 )]32sin()32sin(sin [32 1)-5-(2 )]32cos()32cos(cos [320cs bs as s cs bs as ds cs bs as qs f f f f f f f f f f f f πθπθθπ
θπθθ(2-5)
定义3
/2πj e
a =，将（2-5-1）－j （2-5-2）可得
.
][ ][3
2
2)3/2()3/2(abcs
j cs bs as j j cs j bs j as ds qs qds f e f a f a f e e f e f e f jf f f θ
θπθπθθ--+----=++=++=-=(2-6) 同理，
abcr j cr br ar j qdr f e f a f a f e f r
r
)(2)(][3
2θθθθ----=++=
(2-7) 定义
???????????'=???
? ??'=????
??'=???? ??lr lr r
s r r r
s abcr abcr r s L L N N r r N N f f N N 22
(2-8)
其中，N s ，N r 分别为定子和转子的匝数 则有
]))[(()(])[()(qds m qdr m lr r qds m qdr m lr
qdr r qdr qdr m qds m ls qdr m qds m ls qds s qds i L i L L j i p L i p L L i r v i L i L L j i p L i p L L i r v +'+'-++'+'+'=''+++'+++=ωωω(2-9)
定子方程：
??
?
?
?
?
???
+=++=-+=dt d i r v dt d i r v dt
d i r v s s
s s ds qs qs
s qs qs ds ds
s ds 000λωλλωλλ (2-10)
其中
?
??
??='++='++=s
ls s qr
qs m qs ls qs dr
ds m ds ls ds i L i i L i L i i L i L 00)()(λλλ (2-11)
转子方程：
??
?
?
?????'+''=''
--'+''=''--'
+''='dt d i r v dt d i r v dt
d i r v r or r or dr r qr qr r qr qr r dr dr r dr
0)()(λλωωλλωωλ (2-12)
其中
???
??''=''++''=''++''='r lr
r qr qs m qr lr qr
dr ds m dr lr dr
i L i i L i L i i L i L 00)()(λλλ (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s v 0和r v 0
'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]
??????
?
???????''??????????
??'+''
--'--'+'--+--+=??????????????''qr dr qs ds r r r r m m
r r r r r m
r m m m s s s m m s s s qr dr qs ds i i i i p L r L p
L L L p L r L p L p L L p L r L L p L L p
L r v v v v .)()()()(ωωωωωωωωωωωω(2-14)
以上即为同步电机数学模型。
第3章 仿真系统总体设计
3.1 系统对象
本次研究对象为典型的5马力（3.73kW ），三相三线，230V ，4极同步凸极机，其参数如下：
r s =0.531Ω r ’r =0.408 Ω J=0.1kg/m 2 L ls =L lr ’=2.52mH L m =84.7mH
3.2 系统分块
3.2.1 电源
假设电机瞬间连接到稳定的60Hz ，正弦输出230V rms 电压源，则三相电压定义为：
)3/2377cos(2303
2
)3/2377cos(2303
2
)377cos(2303
2
ππ+=
-=
=
t v t v t v cs bs as （3-1）
3.2.2 abc/dq 转换器
派克变换是人们熟悉也是最广泛运用的坐标变换之一。它的基础是“任何一组三相平衡定子电流产生的合成磁场，总可由两个轴线相互垂直的磁场所替代”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，就称为派克变换。因此，简言之，派克变换相当于观察点位置的变换——将观察点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。设abc f 为abc 坐标下的变量，0dq f 为dq 坐标下的变量，定义P 为求导算子，其转换公式为：
abc dq Pf f =0 (3-2)
式中
?????
?????=????
??????=c b a abc q d dq f f f f i i i f ,00
(3-3)
定义
??
???
?
?
?
?????
???
+----+-=21212
1)32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32πθπθθ
πθπθθP (3-4)
3.2.3 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：
)/dt)
d(i *L -P i *P L *)-(-P i *P r -i *L *)-(-P (V *P)(1/L P)/dt d(i )/dt)
d(i *L -P i *P L *)-(P i *P r -i *L *)-(P (V *P)(1/L P)/dt d(i P)/dt)
d(i *L -P i *L *-i *r -i *Ls *-(V *)(1/L )/dt d(i P)i *L *P)/dt d(i *L -i *Ls *i *r -(V *)(1/L )/dt d(i qs m dr r r qr r ds m r qr r qr ds m qr r r dr r qs m r dr r dr qr m dr m qs s ds qs s qs qr m dr m qs ds s ds s ds ωωωωωωωωωωωω=++==++=
(3-5)
3.2.4 电磁转矩
由（2-9）带入dq 表达式输入功率可得
qdr qds m qdr m lr r dqs m qdr m lr qdr r qds
qdr m qds m ls dqr m qds m ls qds s e i i L i L L j i p L i p L L i r i i L i L L j i p L i p L L i r P ']}')')[((')'(''Re{2
3
]})[('')(Re{2
3
++-+++++++++++=ωωω（3-6）
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：
)''(23
qr ds dr qs m r em i i i i L P -=ω (3-7)
其中 rm r P
ωω2
= （3-8）
上式中 P 为极对数，rm ω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
23qr ds dr qs m e i i i i L P
T -=
（3-9） 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：
l rm
e T dt
d J
T +=ω （3-10） P rm r /2ωω= (3-11)
rm ω为转子的机械角速度，l T 为负载转矩。
第4章仿真系统详细设计
4.1总体设计
整个仿真系统总体设计如图4-1所示，共有九个变量输出到工作空间，分别为：TE Vqs ids iqs wm
Vds idrp iqrp tout
其封装的子模块共有三个，重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。
图4-2 电源模块框图
设计中用了两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（60－3）*2起始时间定义为0s ，第二个斜坡函数斜率定义为－(60-3)*2，起始时间为0.5s 然后再加上一个常数3，构成的输出函数为一个从3开始到60的一个斜坡，而后稳定的波形，如图（4-3），而后给予一个2π的增益，即为电机角速率，加上一个积分环节后接入多路信号复合器 电压值设计同上，将输出波形加上
3
2
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：
;pi/3)*2cos(x(1)*x(2)V pi/3)*2-cos(x(1)*x(2)V cos(x(1))*x(2)V c
b a ???
??+=== (4-1) x(1)为电源频率，x(2)为电压幅值
4.2.2 abc/dq 转换器
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，转化器设计如图4-3:
3 f 0s
2 f ds 1 f qs
Mux
Mux
MATLAB Function MATLAB Fcn
s 1 Integrator
f (u) Fcn
Demux Demux
4 w
3 f cs
2 f bs 1 f as
图4-3 坐标转换模块
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，乘上派克矩阵式（3-4），结果即为d/q 坐标下的dq 两相电压。0相可忽略不计。 4.2.3 电机
电机模块实际是一个矢量运算模块，其原理见式（3-15）
图4-4 电机控制框图
运用了四个fuction 模块分别实现了式(3-5)的功能，最后输出定子、转子的各相电流 设计完成后封装为如图（4-1）中的subsystem 模块。
4.2.4电磁转矩
转矩的运算实现见式（3-9）将电机的输出定子、转子dq两相的电流通过相乘、相加这两个数学模块及一个增益模块得到输出的电磁转矩
设计模块如图（4-5）右上部分
图4-5 转矩输出及反馈控制框图
4.3控制反馈环节
因为微分环节对系统而言动荡较大，调试费事，因此本设计的控制器是一个传统的PI 控制器，经过实践检验，该控制器能很好的控制系统的稳定性。如图(4-5)下方所示.调试中可以以改变Bm的值来调整输出。机械转速的输出见式(3-10)。
第5章系统仿真运行
5.1输出结果稳定情况
仿真前各常量的取值如下：
r s=0.531Ωr’r=0.408 ΩJ=0.1kg/m2
L ls=L lr’=2.52mH L m=84.7mH L s=8.722mH Bm=0
输入的abc
电压流进电机内部，经过内部一系列作用后，输出定子、转子的dq相电流响应如图(5-3)-(5-8)所示。由以下响应图可知：由于一开始电压不是瞬间攀升，而是在短时间内由一定幅度攀升到峰值，而且由于外部负载转矩的加入，势必输出会有不稳定，在控制器的反馈控制下，由图5-7可见输出电磁转矩在经历了一开始短时间的波动后，在仿真开始2秒后即趋向于稳定，由图5-8可见输出的机械转速则稳步提高，最后稳定在1800r/m的峰值附近。
中国石油大学胜利学院综合课程设计总结报告 题目：三相异步电机直接启动特性实验模型 学生姓名：潘伟鹏 系别：机械与电气工程系 专业年级： 2012级电气工程专业专升本2班 指导教师：王铭
2013年 6 月 27日
一、设计任务与要求 普通异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条的使用寿命。但在电网条件和工艺条件允许的情况下，异步电动机也可以直接启动。本次课程设计通过MATLAB软件建模模拟三相异步电动机直接启动时的各个元器件上的电量变化。 参考： 电力系统matlab仿真类书籍 电机类教材 二、方案设计与论证 三相异步电动机直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。 由《电机学》知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。三相异步电机电磁转矩的表达式为： （1-1）式中——转矩常数 ——每级下磁通 ——转子功率因数 式(1-1)表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。 从三相异步电动机的转子等值电路可知， （1-2） （1-3）将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：
第一章课程设计内容及要求 1. 直流电动机的机械特性仿真； 2. 直流电动机的直接起动仿真； 3. 直流电动机电枢串联电阻启动仿真； 4. 直流电动机能耗制动仿真； 5．直流电动机反接制动仿真； 6. 直流电动机改变电枢电压调速仿真； 7. 直流电动机改变励磁电流调速仿真。 要求：编写M文件，在Simulink环境画仿真模型原理图，用二维画图命令画仿真结果图或用示波器观察仿真结果，并加以分析
第二章直流电动机的电力拖动仿真绘制 1）直流电动机的机械特性仿真 clear; U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=;R_f=628; Ia_N=I_N-U_N/R_f; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPhi_N=*C_EPhi_N; Ia=0;Ia_N; n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia; Te=C_TPhi_N*Ia; P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,'.-'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); ylim([0,1800]); figure(2); plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm');
hold on; R_c=0; for coef=1:;; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=; for R_c=0::; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'\Omega'); s_y=400*(4-R_c*; text(120,s_y,str);
XXXX届毕业设计说明书 直流电机模糊控制系统 的MATLAB／Simulink仿真研究 院、部：电气与信息工程学院 学生姓名：XXX 指导教师：XXXX职称教授 职称 专业：XXXXXXXXXXXXX 班级：XXXXXXXXX 完成时间：20XX.X.X
摘要 在当今控制技术的发展当中，模糊控制技术的发展走在了前列，成为了当今世界上最先进的控制技术之一。模糊控制技术很好的将模糊数学理论应用于控制领域当中, 更加真切地模拟出了人脑的思维方式和判断能力, 以及对产品生产的过程进行筛选和对产品质量上的控制, 从而发展出了基于模糊控制技术的智能化的新技术，为当今控制技术的发展提供了广阔空间。 在本文当中，主要介绍了基于模糊控制理论的直流电机模糊控制系统的原理，以及直流电机模糊控制系统的优点和缺点，并通过使用MATLAB语言中SIMULINK 模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统进行仿真，把控制直流电机调速的实际情况转换成模糊控制规则，再使用这些规则，对过程经过模糊推理和模糊决策所得到的控制量，从而实现在MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统的建模与仿真。对仿真结果予以分析，对直流电机模糊控制系统的仿真进行总结。 关键词：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流电机；电机调速
ABSTRACT Among today’s control technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in control field, the more realistically simulate the human brain’s way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of modern control technology provides a broad expansion of space. in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of control, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor. Keywordsmatlab；Simulink；fuzzy control；dc motor；motor speed control
辽宁工业大学 实验室开放课题设计（论文） 题目：异步电动机机械特性的MATLAB仿真》 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化 131 学号： 0 ` 学生姓名：徐峰 指导教师：赵丽丽
起止时间：
摘要 异步电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、成本较低等特点，在日常生活中得到广泛的使用。目前，电动机控制系统在追求更高的控制精度的基础上变得越来越复杂，而仿真是对其进行研究的一个重要手段。MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，可用动作系统的建模和仿真。在分析三相异步电动机物理和数学模型的基础上，应用MATLAB软件简历了相对应的仿真模型；在加入相同的三相电压和转矩的条件下，使用实际电机参数，与MALAB给定的电机模型进行了对比仿真。 第一章对异步电机的实验要求做出了相关的描述，第二章对MATLAB仿真软件做了一定的介绍，第三章是对异步电动机的机械特性、启动、制动和正反转进行理论分析和仿真模拟以及仿真结果的分析。 经分析后，表明模型的搭建是合理的。因此，本设计将结合MATLAB的特点，对三相异步电机进行建模和仿真，并通过实际的电动机参数，对建立的模型进行了验证。 关键词：异步电机、数学模型、MATLAB仿真、三相异步电动机
目录 第1章实验任务及要求 (1) 第2章 MATLAB及SIMULINK的介绍 (2) MATLAB介绍 (2) S IMULINK模块的介绍 (3) 第3章仿真实验 (4) 三相异步电动机的机械特性 (4) 三相异步电动机起动的仿真 (6) 三相异步电动机制动仿真 (8) 三相异步电动机正反转仿真 (10) 第4章总结 (12) 参考文献 (13) 附录 (14)
基于Matlab的直流电机速度控制
系统仿真 课程设计报告 设计题目：基于Matlab的直流电机速度控制 专业：自动化 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 开课日期2013年 7 月 1 日至2013年 7 月 13 日南京邮电大学自动化学院
一、课程设计题目 控制系统的执行机构常用直流电机来驱动，电路和原理示意图如下所示 其开环传递函 数 为 ()()0001 .0)15.0)(1.001.0(01 .02+++= +++= s s K R Ls b Js K V θ ，请用时域分析方法设计PID 控制器，使系统满足下列性能指标要求：当仿真输入是单位阶跃信号时，电机输出转速调整时间小于2秒，超调小于5％，稳态误差小于1％。 要求给出详细的设计步骤，matlab 源码及仿真曲线。 二、实验原理 本报告首先介绍了直流电动机的物理模型，并测量计算了它的具体参数。然后根据牛顿第二定律和回路电压法分别列写运动平衡方程式和电机电枢回路方程式，从而通过一些数学变换抽象出了以电压为输入、转速为输出、电流和转速为状态变量的数学模型。借助MATLAB 设计simulink 模块调整PID 模块的各项系数，使系统的阶跃响应达到了设计指标。 1、建立该系统的时域数学模型 由克希霍夫定律得： V=R*i+L +e 直流电机转矩和电枢电流关系为 T=Kt*I 电枢旋转产生反电动势与旋转运动角速度的关系为 e=
由牛顿定律，转子力矩平衡关系为 其中，T：负载转矩，：负载电流 V(s)=R*I(s)+L*sI(s)+E(s) 拉式变换：E=Ke(s) 划去中间变量得： 开环传递函数为： 2、PID控制器的功能 比例环节：Kp增大等价于系统的开环增益增加，会引起系统响应速度加快，稳态误差减少，超调量增加。当Kp过大时，会使闭环系 统不稳定； 积分环节：相当于增加系统积分环节个数，主要作用是消除系统的稳态误差。积分环节作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti增大， 系统超调量变小，响应速度变慢； 微分环节：主要作用是提高系统的响应速度，同时减少系统超调量，抵消系统惯性环节的相位滞后不良作用，使系统稳定性明显改善。 Td偏大或偏小，都会使超调量增大，调整时间加长。由于该环节所产 生的控制量与信号变化速率有关，故对于信号无变化或变化缓慢的系 统微分环节不起作用。 三、设计步骤 方法1： 搭建simulink模块，利用经验调节法整定PID参数，使整个系统满足调节时间小于2秒，超调小于5%，稳态误差小于1%。 1、搭建的simulink模块图如下：
%电机设计程序 clear all format short e m1=3;p=2;f=50 %1.额定功率 PN=*10^3 ; %2.额定电压（单位V，三角形接法） UN=380;UN0=380; %3.功电流(单位A) IKW=PN/(m1*UN0) %4.效率eta按照技术条件的规定eta= eta= ; %5.功率因数cos(phi) =,按照技术条件的规定cos(phi)= phi=acos; cos(phi); %6.极对数p=2 p=2; %7.定转子槽数：每极每相槽数取整数。参考类似规格电机取q1=3,则Z1=2m1pq1，再查表10-8选Z2=32，并采用转子斜槽。 q1=3; Z1=2*m1*p*q1 Z2=32 ; %8.定转子每极槽数 Zp1=Z1/(2*p) Zp2=Z2/(2*p) %9.确定电机的主要尺寸；一般可参考类似电机的主要尺寸来确定Di1和lef.现按10-2中的 KE1=*log(PN/1000)*p+ P1=KE1*PN/(eta*cos(phi)) alphap1=;KNm1=;Kdp1=;A1=25000; Bdelta1=;n1=1450; V=(alphap1*KNm1*Kdp1))*(1/(A1*Bdelta1 ))*(P1/n1) D1=; %铁心的有效长度 Di1=; lef =V/((Di1)^2) %气隙的确定 %参考类似产品或由经验公式（10-10a），得 lt=;
delta = lef=lt + 2*delta D2=Di1-2*delta %转子内径先按转轴直径决定（以后再校验转子轭部磁密） Di2= ; %11.极距 tau tau =pi*Di1/(2*p) %12.定子齿距t1 t1=(pi*Di1/Z1) %转子齿距t2 t2=(pi*D2/Z2) bsk=; %15.设计定子绕组 Nphi11=eta*cos(phi)*pi*Di1*A1/(m1*IKW) %取并联支路a1=1,由式（10-15），可得每槽导体数 a1=1; Ns1=47 %16.每相串联导体数Nphi1 Nphi1=Ns1*Z1/(m1*a1) %每相串联匝数N1 N1=Nphi1/2 %17.绕组线规设计 %初选定子电密J11=5.0A/mm^2,由式（10-16），计算导线并绕根数和每根导线面积的乘积。 J11=; %其中定子电流初步估计值 I11=IKW/(eta*cos(phi)) Nt1Ac11=I11/(a1*J11)
安徽工业大学工商学院课程设计（论文）同步电机模型的MATLAB仿真 学生姓名：李春笋 学号：111842161 专业班级：气1142 指导教师：范国伟 2013年12月20日
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。 The Simulation Platform of Synchronous Machine by MATLAB Abstract: The utilization of transducer realizes the control of voltage’s frequency. It changes the situation that Synchronous Machine is always running with constant speed. Just like Asynchronous Machine, Synchronous machine can also be viewed as a member of the timing machine. This thesis intends to aim at the typical salient pole machine in Synchronous Machine. Some quantitative analysis are made on relations of salient pole machine among current, voltage, flux, flux linkage and torque, under the condition that some factors such as harmonic electric potential are ignored. These factors have less influence on error but greatly increase complexity of arithmetic. Thus, simplified mathematic model is established on the basis of a, b, c three phase variables. By the Park transformation, this model is transformed to d, q model which, is easy to be controlled by computer. Simulink is used to masking and linking all the parts of the system. The system can be divided into four main parts, namely power system, abc/dq transformation, simulation model of the machine and feedback control. Special blocks are designed for the four parts and a series of parameters in these parts are configured. The results of simulation show that each output has a satisfactory response when there is disturbance. Key Words: Synchronous Machine Simulation d/q Model MATLAB SIMULINK
unction [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = BLDC_S(t,x,u,flag) %-----------------------------------------------------------------------
% 状态变量：X(1)=ia;X(2)=ib;X(3)=ic;X(4)=SETA;X(5)=OMEGA; % 输入量：u(1)=Ud; u(2)=TL; % 输出量：n, Tem, ia, ib, ic; %------------------------------------------------------------------------ %-----------------电动机参数--------------------------------------------- R = 0.23;L = 0.00498; M = -0.00005478; J = 0.025; P0=2; % 极对数 RR = diag([R R R]); LL = diag([L-M,L-M,L-M]); S = [2,-1,-1; -1,2,-1; -1,-1,2]/3; %----------------------------------------------------------------------- %SFUNTMPL General M-file S-function template % With M-file S-functions, you can define you own ordinary differential % equations (ODEs), discrete system equations, and/or just about % any type of algorithm to be used within a Simulink block diagram. % % The general form of an M-File S-function syntax is: % [SYS,X0,STR,TS,SIMSTATECOMPLIANCE] = SFUNC(T,X,U,FLAG,P1,...,Pn) % % What is returned by SFUNC at a given point in time, T, depends on the % value of the FLAG, the current state vector, X, and the current % input vector, U. % % FLAG RESULT DESCRIPTION % ----- ------ -------------------------------------------- % 0 [SIZES,X0,STR,TS] Initialization, return system sizes in SYS, % initial state in X0, state ordering strings % in STR, and sample times in TS. % 1 DX Return continuous state derivatives in SYS. % 2 DS Update discrete states SYS = X(n+1) % 3 Y Return outputs in SYS. % 4 TNEXT Return next time hit for variable step sample % time in SYS. % 5 Reserved for future (root finding). % 9 [] Termination, perform any cleanup SYS=[]. % % The state vectors, X and X0 consists of continuous states followed % by discrete states. % % Optional parameters, P1,...,Pn can be provided to the S-function and % used during any FLAG operation. % % When SFUNC is called with FLAG = 0, the following information % should be returned: % % SYS(1) = Number of continuous states. % SYS(2) = Number of discrete states. % SYS(3) = Number of outputs. % SYS(4) = Number of inputs. % Any of the first four elements in SYS can be specified % as -1 indicating that they are dynamically sized. The % actual length for all other flags will be equal to the % length of the input, U. % SYS(5) = Reserved for root finding. Must be zero. % SYS(6) = Direct feedthrough flag (1=yes, 0=no). The s-function % has direct feedthrough if U is used during the FLAG=3 % call. Setting this to 0 is akin to making a promise that % U will not be used during FLAG=3. If you break the promise % then unpredictable results will occur. % SYS(7) = Number of sample times. This is the number of rows in TS. % % X0 = Initial state conditions or [] if no states. %
基于MATLAB三相异步电动机调压调速系统设计
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电气工程及其自动化专业方向课程设 计 一、设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 二、设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 三、实验设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 四、实验原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； w1为定子电源角速度； U1为定子电源相电压； R2’为折算到定子侧的每相转子电阻； R1为每相定子电阻； L11为每相定子漏感； L12为折算到定子侧的每相转子漏感； S为转差率。
图1 异步电动机在不同电压的机械特性 由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 1、调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 U U U T T T T T R R R N T
中小型异步电动机的MATLAB计算程序%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%第一部分额定数据和主要尺寸%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% myflag1 = 1; %myflag1 myflag1=1是三角形接法,myflag1=0是星 形接法 myflag2 = 0; %myflag2 myflag2=1是双层槽绝缘占面 积,myflag2=0是单层槽绝缘占面积 myflag3 = 1; %myflag3 myflag3=1是无径向通风道的铁心长 度,myflag3=0是定转子径向通风道不交错，其它是通 风道交错 myflag4 = 1; %myflag4 myflag4=1是无径向通风道的净铁心长 度,myflag4=0是有径向通风道的净铁心长度 myflag5 = 2; %myflag5 myflag5=1是双层线圈,myflag5=2是单层 线圈 myflag6 = 0; %myflag6 myflag6=1是平底槽,myflag6=0是圆底槽myflag7 = 0; %myflag7 myflag7=1是平底槽,myflag7=0是圆底槽myflag8 = 1; %myflag8 myflag8=1是圆底槽,myflag8=0是半开口 平底槽,其它为开口平底槽 myflag9 = 1; %myflag9 myflag9=1是半开口槽和半闭开口 槽,myflag9=0是开口槽 myflag10 = 1; %myflag10 myflag10=1是单层线圈,myflag10=0是双 层线圈 myflag11 = 1; %myflag11 myflag11=1是无径向通风道,myflag11=0 是有径向通风道 myflag12 = 3; %myflag12 myflag12=1是双层叠绕组,myflag12=2单 层同心式,myflag12=3单层同心式(分组的）、交叉 式,myflag12=4 单层链式 myflag13 = 1; %myflag13 myfalg13=1是无径向通风道,myflag13=0 是径向通风道
《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真 1 计算电流和转速反馈系数 2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果 根据设计的一般原则“先环后外环”，从环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 电流调节器设计分为以下几个步骤： a 电流环结构图的简化 1）忽略反电动势的动态影响 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即D E≈0。
这时，电流环如下图所示。 2） 等效成单位负反馈系统 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环，同时把给定信号改成U *i (s ) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。 3） 小惯性环节近似处理 由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为 oi s ci 1 31T T ≤ ω
电流环结构图最终简化成图。 b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择： 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统 2) 电流调节器选择 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成 s s K s W i i i ACR ) 1()(ττ+=
第1章绪论 电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系统的运行，由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大。在这种情况下，许多大型的电力科研试验很难进行，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。因此，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具必不可少。而在众多的仿真工具中，MATLAB以其优越的运算能力、方便和完善的绘图功能脱颖而出。 1.1设计目的 让学生综合运用Matlab/Simulink仿真工具箱，建立电力系统仿真模型，对系统三相短路和单相短路等故障形式进行设计、仿真、分析，加深对供电和电力系统知识的了解，并进一步熟悉MATLAB电力系统这一仿真工具。 1.2设计任务 1.运用Simulink建立简单的单机-无穷大系统进行仿真，对系统运行出现短路情况时的仿真结果进行详细的分析。 2.建立带励磁系统的发电机系统，通过仿真结果分析带上励磁系统时电压和电流的变化情况。 1.3设计要求 1.要求每个学生独立完成设计任务。 2.针对每个仿真要给出详细的结果分析。 3.完成实训任务书。 4.要求提交成果：报告书一份。
第2章MATLAB语言的概述 2.1 MATLAB简介 MATLAB是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台，所具有的程序设计灵活，直观，图形功能强大的优点使其已经发展成为多学科，多平台的强大的大型软件。MATLAB提供的Simulink工具箱是一个在MATLAB环境下用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它提供了用方框图进行建模的接口，与传统的仿真建模相比，更加直观、灵活。Simulink的作用是在程序块间的互联基础上建立起一个系统。每个程序块由输入向量，输出向量以及表示状态变量的向量等3个要素组成。在计算前，需要初始化并赋初值，程序块按照需要更新的次序分类。然后用 ODE计算程序通过数值积分来模拟系统。MATLAN含有大量的 ODE计算程序，有固定步长的，有可变步长的为求解复杂的系统提供了方便。MATLAB在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块SimPowerSystem 来完成的。 由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。MATLAB 的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。通过MATLAB 的 SimPowerSystem的模块对电力系统中的应用进行仿真，从而说明其在电力系统仿真中的运用电力系统的仿真可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情况，通过故障仿真得出了相关的电压稳定性方面的结论，从而证明了这种仿真的正确性和在分析应用中的可行性。 2.2 Simulink简介
目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (3) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (4) 七、参数计算 (5) 1. 有关参数的计算 (5) 2. 电流环的设计 (6) 3. 转速环的设计 (8) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (10) 1.系统主电路图 (10) 2.触发电路 (11) 3.控制电路 (15) 4. 转速调节器ASR设计 (16) 5. 电流调节器ACR设计 (16) 6. 限幅电路的设计 (17) 八、系统仿真 (17) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (17) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (19) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (21) 九、总结 (24)
一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
步进电机控制器设计报告 1.绪言 在本次EDA课程设计中，我们组选择了做一个步进电机驱动程序的课题。对于步进电机我们以前并未接触过，它的工作原理是什么，它是如何工作的，我们应该如何控制它的转停，这都是我们迫切需要了解的。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机及驱动电源是互相联系的整体。步进电机驱动电源框图如图1所示。变频信号源产生频率可调的脉冲信号，调节步进电机的速度。脉冲分配器则根据要求把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG 为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG 、110BYG 、（国际标准），而像70BYG 、90BYG 、130BYG 等均为国内标准。 1.1 驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统。 1.1.1 脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或CPU 产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4 左右，电机转速越高，占空比则越大。 1.1.2 信号分配 感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为，步距角为1.8 度；二相八拍为，步距角为0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8 度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步距角为0.9 度）。
毕业设计（论文）题目同步电机模型的 MATLAB仿真
同步电机模型的MATLAB仿真 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。
The Simulation Platform of Synchronous Machine by MATLAB Abstract: The utilization of transducer realizes the control of voltage’s frequency. It changes the situation that Synchronous Machine is always running with constant speed. Just like Asynchronous Machine, Synchronous machine can also be viewed as a member of the timing machine. This thesis intends to aim at the typical salient pole machine in Synchronous Machine. Some quantitative analysis are made on relations of salient pole machine among current, voltage, flux, flux linkage and torque, under the condition that some factors such as harmonic electric potential are ignored. These factors have less influence on error but greatly increase complexity of arithmetic. Thus, simplified mathematic model is established on the basis of a, b, c three phase variables. By the Park transformation, this model is transformed to d, q model which, is easy to be controlled by computer. Simulink is used to masking and linking all the parts of the system. The system can be divided into four main parts, namely power system, abc/dq transformation, simulation model of the machine and feedback control. Special blocks are designed for the four parts and a series of parameters in these parts are configured. The results of simulation show that each output has a satisfactory response when there is disturbance. Key Words: Synchronous Machine Simulation d/q Model MATLAB SIMULINK