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1、 毕毕业业 设设 计计 （ 论论 文文 ） 题题 目目 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
2、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 vo
3、ltages 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.
4、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 arithme
5、tic. 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
6、 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
7、 response when there is disturbance. Key Words: Synchronous Machine Simulation d/q Model MATLAB SIMULINK 目 录 第第 1 章章引言引言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 1.6SIMULINK概述.4 1.7小结5 第第 2 章章同步电机基本原理同步电机基本原理6 2.1理想同步电机6 2.2ABC/DQ模型的建立.6 第第 3 章章仿真系统总体设计仿真系统总体设计10 3.1系统对象10 3.2系
8、统分块10 3.3控制反馈环节11 第第 4 章章仿真系统详细设计仿真系统详细设计13 4.1总体设计13 4.2具体设计13 4.3控制反馈环节16 第第 5 章章系统仿真运行系统仿真运行17 5.1输出结果稳定情况17 5.2小结20 第第 6 章章结论结论21 第第 7 7 章章致谢致谢.22 参考文献参考文献23 杭州电子工业学院毕业设计论文 第 0 页 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
9、。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
10、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
11、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 杭州电子工业学院毕业设计论文 第 1 页 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
12、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
13、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
14、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
15、威、最实用的计算机工具。它是 MathWork 公司于 杭州电子工业学院毕业设计论文 第 2 页 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
16、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 MAT
