电机系统建模与分析大作业
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一、作业目的
1.熟悉永磁直流电动机及其调速系统的建模与仿真;
2.熟悉滞环控制的原理与实现方法;
3.熟悉Rungle-Kutta 方法在仿真中的应用。
二、作业要求
一台永磁直流电动机及其控制系统如下图。直流电源Udc=200V ;电机永磁励磁ψf=1Wb, 电枢绕组电阻Rq=0.5ohm 、电感Lq=0.05H ;转子转动惯量J=0.002kgm2 ;系统阻尼转矩系数B=0.1Nm/(rad/s) ,不带负载 ;用滞环控制的方法进行限流保护,电流上限Ih=15A 、Il 下限=14A ;功率管均为理想开关器件;电机在t=0时刻开始运行,并给定阶跃(方波)转速命令,即,在0~0.2s 是80rad/s ,在0.2~0.4s 是120rad/s ,在0.4~0.6s 是80rad/s 如此反复,用滞环控制的方法进行转速调节(滞环宽度+/-2rad/s )。用四阶龙格-库塔求解电机的电流与转速响应。
三、解题思路
1. 数学模型的建立
按照电动机原则正方向
q q f q q q q d q q i R pi L i R p u ++=++=ωψωψψ(式1-1)
L J D e T T T T ++=(式1-2)
q
f d q q d e i i i T ψψψ=-=(式1-3) ωB T D =(式1-4)
ωJp T J =(式1-5)
0=L T (式1-6)
联立式1-1~式1-6可以得到
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=--=J B p L i R u pi f q q q f q q ωψωωψ
2. PWM 的滞环产生
PWM 滞环的产生主要是利用IF 语句进行控制。具体步骤如下
电枢电流PWM 滞环控制
①定义两个常量,IH=15A ,IL=14A
②定义一个变量数组:PWM_I
③在变量数组中利用if 语句,当电枢电流小于电流下限值的时候,该变量数组对应的数值置为1,当电枢电流大于电流上限值的时候,该变量数组对应的数值置为0。当电枢电流在上下限之间时,该变量保持原值不变。PWM_I:=IF(F12>Z$3,0,IF(F12 转速PWM 滞环控制 ①根据t 的数值,来决定是低转速控制还是高转速控制。 =IF(OR(A4<0.2,A4>0.4),80,120)(A 列为时间t ,OR 函数为或者逻辑函数,当t 大于0.4或者小于0.2的时候,为低转速控制,控制转速为80;当t 大于等于0.2或者t 小于等于0.4的时候,为高速控制,控制转速为120) ②定义一个滞环宽度delta_w=2 ③利用if 函数来实现转速的滞环控制,当转速大于当时时间所对应的转速上限值的时候,PWM_w 为0,当转速小于当时时间所对应的转速下限值的时候,PWM_w 置为0。 具体为PWM_w=IF(G9>B9+Z$4,0,IF(G9 最终将电枢电流滞环和转速滞环做一个与的逻辑运算,就是把PWM_iq 和PWM_w 相乘,得到一个PWM 数列,这就是利用滞环开关控制PWM 波的形成过程仿真。 3. 电枢电压的确定 判断PWM 值,当PWM 值为1的时候,表明电枢电流和转速都未达到上限值,所以将滞环开关关闭,Uq 的值为Udc ;如果PWM 值为0,表明电枢电流和转速至少已经有一个达到了上限值,所以将滞环开关打开,Uq 的值为0。 4. 电枢电流为零或者负值的处理方法 在滞环控制中,转速从120r/min 下降到80r/min 时,由于电机转子自身的惯量,即转速惯量J 的影响,即使Uq 等于零,转速下降还是需要一段时间。而电枢电流在没有任何其他附加影响的情况下是可以掉到负值的。实际上,由于续流二极管的存在,当电流反向时,反向电流并不存在,可认为电路没有处于导通状态,则此时电机里存在的电压就是电机的旋转电势,所以电枢电流不能为负,在求电流的时候,需要通过一个if 语句来实现对iq 负值的控制。 具体为:=IF(F2+W2*Z$1>0.005,F2+W2*Z$1,0)。其中F2+W2*Z$1是龙格库塔法的最后一步,算出来的就是此时的电流。当电流大于0.005的时候,电枢电流就是自身的电流,当电流小于0.005的时候,实际上电流处于0-0.005之间的是不存在的,所以如果不加以限制,此时的电流就是负值,电流可以直接设置为0。 5. Rungle-Kutta 法的基本算式 第一步: q q q f q L i R w U K --=ψ1 J B i H q f ωψ-=1 2)(11hK i i a q += 2)(11hH i w b += 第二步: q q f q L a R b U K 112--=ψ J Bb a H f 111-=ψ 2)(22hK i i a q += 2)(22hH i w b += 第三步 q q f q L a R b U K 223--=ψ J Bb a H f 223-=ψ 33)(hK i i a q += 33)(hH i w b += 第四步 q q f q L a R b U K 3 34--=ψ J Bb a H f 3 34-=ψ 6224 321K K K K K +++= 6224321 H H H H H +++= hK i i i i q q +=+)()1( hH i i +=+)()1(ωω 四、仿真程序 A 列:时间数组t ,从0到0.6s ,以0.0001s 为一步长 B 列:=IF(OR(A7<0.2,A7>0.4),80,120) 高低速转速控制数组,从0-0.2s 以及0.4s-0.6s 为80r/min ,从0.2s-0.4s 均为120r/min 。 C 列:=IF(F5>Z$3,0,IF(F5 电枢电流滞环开关PWM-I ,当电枢电流大于上限值时,PWM-I=0;当电枢电流小于下限值的时候,PWM-I=1;当电枢电流在下限值与上限值之间时,保持原来的PWM-I 不变,PWM-I (i+1)=PWM-I (i )。 D 列:=IF(G5>B5+Z$4,0,IF(G5 转速滞环开关PWM-w ,当转速大于上限值时,PMW-w=0;当转速小于下限值时,PMW-w=1;当转速位于下限值和上限值之间的时候,保持原来的PWM-w 不变,PWM-w(i+1)=PWM(i)。 E 列:=C5*D5 总滞环开关PWM ,是电枢电流滞环开关PWM-I 和转速滞环开关PWM-w 的与逻辑结果,PWM 为1时,滞环开关闭合,电机两端电压为Udc=200V ;当PWM 为0时,滞环开关断开,电机两端电压为0V 。 F 列:=IF(F4+W4*Z$1>0.005,F4+W4*Z$1,0) 电枢电流列,F4+W4*Z$1是龙格库塔法最后一步,当电流为正时,取原电流值;当电流小于0.005时,电流为0。 G 列:=G4+X4*Z$1 转速列,这个公式也是龙格库塔法的最后一步。由于转速不会突然变化,所以可以不要设置IF 语句。