（电力电子与电力传动专业论文）全数字同步电机矢量控制系统及运行特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 岫t h e d e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo fe l e c t r i cp o w e r - e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r t h et r e n dt h a td r i v et a k e st h ep l a c eo fd r i v ei s e m e r g i n gr a p i d l yj n t h ed r i v ef i e l do f r e g u l a t i n gs p e e d p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t h ea p p l i c a t i o ni nt h e s y n c h r o n o u s m o t o r c y c l o c o n v e r t e rv e c t o rc o n 打0 1t e c h n o l o g ye s p e c i a l l yi nh i g hp o w e r a n d l o ws p e e dm a c h i n e s t h ef u n d a m e n t a l so ft h ev e c t o rc o n t r o lo fs y n c h r o n o u sm o t o ra r e a n a l y s e d a n dt h ew h o l es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li s d e v e l o p e db yu s i n gm a t l a b d e t e c t i o nc i r c u i tt h a t p l a y s a l l i m p o r t a n tr o l e i n d i g t a l v e c t o rs y s t e mi s d e s i g n e da n d v e r i f i e d s i m u l a t i n gt h es y n c h r o n o u sm o t o r i st h ek e yt ot h es y s t e ms i m u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i cm o d e lo f s y n c h r o n o u sm o t o r as i m u l a t i o nm o d e lo fs y n c h r o n o u sm o t o ri s d e v e l o p e db yu s i n gs - f u n c t i o n ，w h i c hi s as o f t w a r ep a c k a g es u p p l i e db ym a t l a b t h e c y c l o c o n v e r t e rm o d e l i se s t a b l i s h e db yu s i n gp o w e r s y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) ，w h i c h a r ea l s o s u p p l i e db ym a t l a b s i m u l i n k i ss e l e c t e dt ob u i l du pv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do n a n a l y s i n g i t s p r i n c i p l ea n dc h a r a c e r i s t i c a n da c c o r d i n gt o c h a r a c t e r sa m o n gd i f f e r e n t b l o c ks e t si nm a t l a b ，t h es y n c h r o n o u sm o t o rm o d e l ，c y c l o c o n v e r t e rm o d e ia n dv e c t o r c o n t r o ls y s t e mm o d e la r el i n k e dt o g e t h e rt ob u i l du pa v e c t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h e s y s t e mm o d e l ，t h es t e a d y s t a t e b e h a v i o ro fs y n c h r o n o u sm o t o r c y c l o c o n v e r t e rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e da n ds t u d i e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n p r o v ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e l t h ei n f l u e n c er u l e so nh a r m o n i cw a v eo fm o t o r s t a t o rc u r r e n ta n d r i p p l eo fe l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u e a r eo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tr o t a t i o n a l s p e e da n dv o l t a g em o d u l a t i o n r a t i o d e t e c t i o nc i r c u i ti nv e c t o rs y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：s y n c h r o n o u ss i g n a ld e t e c t i o n o fs o u r c ev o l t a g e ，z e r o c r o s s i n gd e t e c t i o no fc y c l o c o n v e r t e rl o a dc u r r e n t ， o u t p u tp h a s e c u r r e n td e t e c t i o no f c y c l o c o n v e r t e r b a s e d o n a n a l y z i n g t h ep r i n c i p l e so fd e t e c t i o nc i r c u i t i ti s d e s i g n e d a n di t s p a r a m e t e r s a r e c a l c u l a t e d s y n c h r o n i z e d - s i g n a l i s a c c u r a t e l y m e a s u r e db ys y n c h r o n o u ss i g n a ld e t e c t i o no fs o u r c ev o l t a g ea n dc a r lp r o v i d ef o rv e c t o r s y s t e m t h e c i r o u i tf o r z e r o - c r o s s i n g d e t e c t i o nh a sm e a s u r e dt h ea c c u r a t ec u r r e n t z e r o c r o s s i n gp o i n t0 1 3 t h y r i s t o r s a n ds u p p l yp u l s es i g n a lf o r c h a n g i n gg r o u p s p h a s e c a r e n ti nm o t o rs t a t o ri sp r e c i s e l yd e t e c t e db yc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t d e l e c t i o nc i r c u i t r e a c ht h ea n t i c i p a t i o n k e y w o r d s ： s y n c h r o n o u s m o t o r c y c l o c o n v e r t e r v e c t o rc o n t r o s i m u l a t i o ni nm a t l a b d e t e c t i o nc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名：二月走1 刊 日期：o 椰f 年尹月j d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阗。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分式容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密留。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：咭强乞硝 日期：0 伸，年千月j o 曰 指导教师签名 瑶辑 日期：多”l f 年中月；dr 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 交流调速传动和直流调速传动 直流调速控制简单，调速性能好，变流装置( 晶闸管整流装置) 容量小，长期以 来在调速传动中一直占统治地位，但也具有以下缺点： ( 1 ) 直流电动机结构复杂，成本高、故障多、维护困难，经常因火花大而影响生 产。 ( 2 ) 换向器的换向能力限制了电机的容量和速度。直流电动机的极限容量和速度 之积约为1 0 6 k w ，r a i n ，许多大型机械的传动电动机已经接近或者超过该值，设计 制造困难，甚至根本制造不出柬。 ( 3 ) 为改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，导致g d 2 增大，影响系统动 态性能，在动态性能要求高的场合，不得不采用双电枢或者三电根带来造价高、 占地面积大、易共振等一系列的问题。 ( 4 ) 直流电动杌除励磁外，全部输入功率都通过换向器流入电根，电机效率低， 由于转子散热条件差，冷却费用高。 交流电机没有上述缺点，但调速困难。近年来，随着电力电子技术的发展，丈 功率交流调速的性能己达到童流传动的水平，装置成本降低到与聋流传动相当或者 略低的程度，由于维修费用及能耗大大降低，可靠性提高，因此出现了以交流传动 代替直流传动的强烈趋势。采用这项技术能取得下述效果： ( 1 ) 减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。以德国d i l l t n g e n 厂j 5 m 厚 扳轧机为例，直流主传动年维修工作量1 4 5 h ，交流主传动只需3 6 h ，仅为直流传动 时的1 4 。 ( 2 ) 可以突破直流电动机的功率和速度极限，为设备提供更大的动力，从而提高 产量。 ( 3 ) 减小电机的转动惯量。 ( 4 ) 节能、节水。 ( 5 ) 由于交流电动机结构简单，因此有可能与机械会为一体，形成机电一体化产 品。大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。 ( 6 ) 成本方面，交流调速的功率装置( 变频器与电网补偿装置) 和控制装置比直流 华中科技大学硕士学位论文 调速的功率装置( 速流器与补偿装置) 和控制装置贵，但是它的电动机便宜。随着电 动机功率的增加交流调速总成本的增长比直流调速总成本的增加要慢，大于某一 功率后，交流调速就比直流调速便宜。这临界功率值各公司看法不同，目前一般认为 是2 0 0 0 3 0 0 0 k w 。若直流电动机的g d 2 不能满足工艺要求，需采用双电枢或者三电 枢时，交流调速比直流调速要便宜许多。 1 2 交流调速技术发展的概况与趋势 随着生产力的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。人们转向结构简 单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以 满足生产要求，于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究， 然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一壹以性能优良领先于交流调速。6 0 年 代以后特别是7 0 年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速 性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速己进入逐步代替直流调速的 时代。1 。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不 断涌现，变频技术获得飞速的发展。在变频技术日新月异发展的同时，交流电动机 控制技术取得了突破性的进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统， 与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。7 0 年代初提出的矢量控制理论”1 解决了 交流电动机的转矩控制问题应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按 转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从 而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以：瞎一台三相异步电 动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性 能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。 直接转矩控制是8 0 年代中期提出的又一转矩控制方法其思路是把电机与逆变 器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算， 通过磁通跟踪型p w m 逆交器的开关状态直接控制转矩。因此，无须对定子电流进行 解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前j f 受 到各国学者的重视。 近1 0 年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、 电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速 度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。速度估算的方法，除了 2 华中科技大学硕士学位论文 根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法“”“、扩 展卡尔曼滤波法。1 及滑摸控制法“1 。无传感器控制技术。“1 不需要检测硬件，也免去 了传感器带来的环境适应性差、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成 本，因而引起广泛的兴趣。 微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统。“的转化。数字 化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件降低了成本，提高了控制 精度，而自诊断功能和自调试功能的实现又进一步提高了系统可靠i 生，节约了大量 人力和时间，操作、维修都更加的方便。微机运算速度的提高、存储器的大容量化， 将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向。 随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦 控制“”、人工神经网络自适应控制、模糊控制“”等各种新的控制策略正在不断涌现， 展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。 1 3 交流调速的主要应用领域 交流调速技术的飞速发展扩大了它的应用范围。原来一直由直流调速占领的应 用领域，现在已经逐步由交流调速取而代之：原来直流调速难以应用的特大容量、 极高转运和恶劣环境之中，现在由交流调速发挥了作用；原来使用交流传动但不调 速的领域，通过采用交流调运传动，大大节约了能源。 目前，交流调速已遍及国民经济各部门的传动领域： ( 1 ) 冶金机械主要用于轧钢机主传动和高炉热风炉鼓风机等。 ( 2 ) 电气牵引主要用于电气机车、电动汽车等。 ( 3 ) 数控机床主轴传动、迸给传动均采用交流传动，主轴传动要求调速范围宽、 静差率小；伺服进给系统要求输出转矩大、动态响应好、定位精度高，都正在用异 步电动机或同步电动机取代直流电动机。 ( 4 ) 矿井提升机械为保证在较高速度下的安全运行，要求具备优良的调速性能 和位置控制以获得平稳、安全的制动运行，消除失控现象，提高可靠陛。 ( 5 ) 起重、装卸机搬如港口机械要求适应露天操作的具有盐雾、尘土且温差 变化大的恶劣环境，并能频繁迅速起动与调速。 ( 6 ) 船舶推进 ( 7 ) 建筑电气设备用于空调系统、电梯传动及供水系统等。 ( 8 ) 纺织、食品机械如纺丝卷绕机、肉类搅拌机等。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 矢量控制技术 由于电动机的控制主要是对转矩的控制，交流电动机又是多变量、强耦台的非 线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。而以前的控制系统都是采用 单变量控制系统的概念，没有考虑交流电机的非线性、多变量的本质，因而其动态 性能不甚理想。许多专家学者对此进行了潜心研究，终于在不谋而合的提出了两项 研究成果：联邦德国西门子公司f b l a s c h k e 等提出了“感应电机磁场定向的控制原 理”，和美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请专利的“感应电机定子电压的坐标变换 控制原理”。在以后的实践中经过不断的改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制 变频调速系统“。 由于交流电动机三相定子电流经过三相两相坐标变换，可以等效成两相静止坐 标下的交流电流，在通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系 下直流电流。由此可以将交流电动机等效成宜流电动机，按照直流电动机的控制方 法来控制经过变换的直流电流，在通过坐标的反变换，即可实现对交流电动机的控 制。 矢量控制的交一交变频调速系统由同步电动机，变频器，位置检测器及控制电 路等部分组成。其结构框图如图1 1 。 图1 1 系统结构豳 同步电动机在转子侧有独立的直流励磁或者是永磁体，丽定子侧接三相交流电 华中科技大学硕士学位论文 r r 源，其同步转速q 与电源频率 有如下关系：0 9 。= 兰垒尘 通过调节励磁电流，同步电动机的功率因数可调，可以使其超前，也可滞后。 交一交变频器又称周波变换器，该装嚣由三相桥式电路，共3 6 个晶闸管组成，通过 给定的条件来控制晶闸管的通断，从而控制输出电流的幅值和频率以达到控制转速 的目的。 转子位置检测部分是该系统实现矢量控制的重要部分。矢量控制的原理就是通过 电流( 磁势) 的空间矢量坐标变换，将同步电动机等效成直流电机模型，在模仿直 流电动机的控制方法进行控制。 1 5 选题背景 采用电力电子变频装置实现电压频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒转 速运行而不能调速的面貌，起动困难、重载时有振荡和失步等问题已不再成为同步 电动机广泛应用的障碍。同步电动机具有的功率因数可控，功率高，电机气隙大， 制造容易，过载能力强，适用于冲击性负载的优点也得到了充分的体现，优良的控 制性能使其到了广泛应用。丽同步电动机直接变频又较间接变频具有一次换能、效 率较高，转动惯量小，但输出最高频率只有电网频率的1 2 、1 3 的特点。因而交交 变频同步电动机调速系统特异0 适用于低速大功率拖动系统。而采用矢量控制的交交 变频同步电动机调速系统在电动机低速运转时则具有良好的实时控制性能。 1 6 本文主要研究内容 大功率交一交变频调速是一种在大功率、低速范围内广泛使用的交流调速方案， 对它的研究具有十分重要的意义。本文对交一交变频矢量调速系统进行了仿真研究， 并且详细讨论了实际系统中发挥重要作用的检狈8 电路，主要内容如下： ( 1 ) 在仿真系统中，模拟同步电动机是一个关键，本文在分析电动机的状态变 量方程的基础上，用s - f u n c t i o n 函数开发出了同步电动机模型。 ( 2 ) 利用m a t l a b 中的电气系统模块( p s b ) 和s i m u | i n k 模块，分别建立r 交交 变频器及矢量控制器的仿真模型，并且计算出矢量控制器中各调节器的参数。 ( 3 ) 将同步电动机、交交变频器和矢量控青0 器连接起来，就成为一个完整的同 步电动机矢量控制系统，仿真运行结果表明了系统的正确性。 ( 4 ) 在同步电动机矢量控制系统仿真模型的基础上，对电动机的转矩脉动特性 华中科技大学硕士学位论文 进行了研究。 ( 5 ) 详细讨论了同步电动机中检测电路的设计与实现，检测电路包括：零电流 检测、输出相电流检测、同步信号检测。 ( 6 ) 通过检测电路的试验波形验证了其设计的可靠性与正确性，并且做了同步 电动机交一交变频矢量控制的试验，试验结果与仿真结果基本一致。 华中科技大学硕士学位论文 2 交一交变频矢量控制原理及构成 2 1 矢量控制原理 l 一。f ( f ) 讲 9 m l、 。( f )!m 涮，7 燃磊 八 ( f ) 差森? 转子轴 围2 1 f ( i ) 、f 。( f ) 、f ( i ”) 定子、 杪气隙合成磁链矢量 同步电机矢餐图 转子和气隙合成磁动势矢量( 电流矢量) 脚、p 5 定子端电压和定子电动势矢量 p ，内功率因数角，指定子电流f 和电动势9 5 间的夹角 吼外功率因数角，指定子电流f 和电压“5 间的央角 吼负载角，指转子轴( d 轴) 与肘轴之间的夹角 同步电机的矢量见图2 1 ，所有的空间矢量( 除定子轴外) 都在以同步角速度。 旋转，它们位于空删任何位置。定子电流矢量i 和转子励磁电流矢量f 合成磁化电 流矢量f 一，由它产生磁动势和磁链矿定子电动势矢量p 5 比矿超前9 0 在忽略定 华中科技大学硕士学位论文 ；二三 ， 巨兰 亿z ， 按气隙磁场定向控制的同步电机矢量控制调速系统1 ”。主要由主回路和控 制回路两大部分组成。 2 2 1 回路包括：电流控制型三相交一交变频器“”。”、普通同步电机“、转子 位置检测器、测速发电机、电流电压检测单元及转子励磁装黄。 2 2 2 控制回路包括：速度调节单元、功率因数设定单元、转子励磁控制单元、初 始定位单元、混合式磁链模型单元、磁链调节单元及坐标变换。 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 同步电机矢量控制调速系统框幽 2 3 同步电机四象限动态运行 如果整个系统均正常无故障，首先为转予励磁装置和控制回路供电，转子励磁回 路的电流调节嚣打开，整个励磁系统投入。同时磁链给定、电流模型、电压模型也 投入工作，转子励磁电流给定由电流模型输出，转予励磁建立，在励磁电流上升阶 段进行初始定位。这期间控制回路自动切断电流模型与电压模型的通道，即电压模 型中积分器的反馈通道，此时由于定予电流为零，气隙磁场完全出转子励磁建立， 初始定位环节投入运行并测出真实的位置角。定位结束后。系统各环节将恢复到正 常运行状态，交一交变频器、速度调节器相继投入，整个系统起动前的准备工作结 束。 ( 1 ) 起动和低速运行，同步电机开始起动前给出速度给定信号月( 月s1 0 n 。) ，此 时由于低速运行，电压模型不准确，系统中电流模型起主要作用，m t 坐标系的空问 位景和旋转速度由转子位置检测器和电流模型的输出决定。当同步电机的转速达到 9 华中科技大学硕士学位论文 给定值后，速度调节器进行调节，系统在给定速度上稳定运行。 ( 2 ) 系统运行在1 0 n 。 打 范围内，矢量控制的电压模型逐渐代替电流模型起 主要作用，电流模型和转子位置检测器虽然仍在使用，但它们的存在与输出的变化 对控制不再产生任何影响。 ( 3 ) 系统运行在n 。 ，l 。 ， 刚。 7 1 一， i 7 瑶 图2 i 0 同步电机矢量幽 ，w 链轴 1 7 华中科技大学硕士学位论文 由图2 1 0 可得0 = 留锻 当攸、仍及较小时，有 呶刊。恶蔫a 碱嘲 ( 2 8 ) ( 2 9 ) t g ( e o 刊z 字# 寺车 ( 2 由上两式可得 喀够z 留吼一旦蓐 ( 2 1 1 ) 将上式两边乘以；，代入式( 2 8 ) 可得 秘( 一等弘 汜 式( 2 1 2 ) 即为基速以下以及功率因数c o s 纯给定情况下，磊应有的控制规律，其实 现模拟电路如图2 1 1 所示 2 4 9 同步电机的速度调节 图2 1 1 功率因数控制电路 闭环) 速度控制部分由给定限幅环节、速度自适应调节器、动态转矩补偿环节、速度 反馈的陷波滤波器、电流限幅环节等五部分组成。 l b 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 速度给定限幅用于限制给定的正、反最高转速a ( 2 ) 速度自适应调节器 速度自适应调节器仍是比例积分器，它的输入为速度给定和实际速度反馈的差 值，输出为定予电流转矩分量的给定值f 。和直流传动一样，当电动机高于基速运 行时，电动机弱磁，其等效积分时间常数增大，速度环的开环放大倍数减小。p i 调 节模型为： f ；：k 。( 掣) ( t * - - r ) ( 2 1 3 ) 月j k 。一比例系数，与y 成正比 l 一积分时间常数 ( 3 ) 定子电流转矩分量的限幅 为保证定子电流f 5 不超过许值。，最大的定子电流转矩分量给定# 应随定子电 流磁化分量给定值百的增大而减小，即应满足： 矗= ( f l ：i 缸) 2 一( ) 2 ( 2 - i 4 ) ( 4 ) 动态转矩补偿耶币 为减小冲击速降和恢复时间，增大对速度波动的阻尼，提高动态性能，在速度 调节中增加了动态转矩补偿环节。 ( 5 ) 速度反馈的陷波滤波器 用于衰减或消除和机械共振频率相同的速度信号，防止含有此频率的速度信号 加到速度调节器的反馈端参与作用。此陷波滤波器的目的是防止机械共振事故的发 生。 2 4 1 0 矢量变换 矢量变换包括坐标变换、矢量回转器以及矢量分析器。 2 4 ，l o 1 坐标变换 ( 1 ) 2 ，3 变换 1 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 3 2 翻 2 4 1 0 2 矢量回转器( v d ) f ：f c o s ( o l jl s i n o 图2 1 2 定子坐标系 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 图2 1 3 矢量回转器 2 0 o 括丁压了 一2一2 2 3 l i 1，j ，l 啊叫 、旷ip o 三扫 换。一l 括变，引孔 i l r 丫 。7 ”一 1j 矿。_ 丌i i 儿 p 妒 q 3 s c 1 j ? 孙。 l j 7w 厶一、州一 l 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 0 3 矢量分析器( v a ) v = 眄 c o s 妒= v s i n 妒= 吒v 2 5 本章小节 y 图2 1 4 欠量分析器 x ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 本章首先介绍了矢量控制的原理，在此基础上，引出了同步电动机矢量控制系统， 并且详细分析了各单元的原理，这些环节包括：变频器的电流控制系统、同步电动 机的电压模型及电流模型、励磁调节及弱磁控制、同步电动机的功率因数控制、同 步电动机速度控制等。本章的分析为后面采用m a t l a b 进行仿真奠定了理论基础。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 3 交交变频同步电动机矢量控制系统的仿真模型 3 1 同步电动机的仿真 3 1 1 同步电动机的数学模型 同步电动机的数学模型可以参看文献。“。“。 00 x a q 0 00 00 0 0 一瓦 骓 式甲： 心、“。一分别为定子电压在d 轴g 轴上的分量； 屯、一分别为定子电流在d 轴q 轴上的分量； “，、i ，一分别为励磁绕组电压、电流； i 。、1 0 一分别为阻尼绕组的电流在d 轴g 轴上的分量 x d d 轴同步电抗： ( 3 1 ) 2 2 1000妨0 k o 妇b o o 砀o o 如o o o o o o b o k o o 虬叶o o 瓦 峨o o o 龟 o h o o 驰 。毗oo白 。名。磁峨，。讪 d ， ，岷o o o v lliljl11l11llllf-1ltllllli 华中科技大学硕士学位论文 ； 目= = = = = ；= = = = e = = = = = = = = j _ = = = = = 屯一q 轴同步电抗； x ，一励磁绕组电抗； 一d 轴阻尼绕组电抗； 一口轴阻尼绕组电抗； x 。、一纵轴和横轴电枢反应电抗 l 一机电时间常数的标么值； 一转速的标么值： 瓦一负载转矩标么值 3 1 2 同步电动机在m a t l a b 中的仿真 同步电动机仿真可以采用m a t i a b 中自带的模型，关于自带模型电机的仿真可以 具体参考有关文献“。”。还可以根据s i m u l i n k 来搭建同步电动枫模型，如参考文献 ：$ ：9 】帅? ljc 3 “ o m a t l a b 环境中最有效的建模方法是通过系统提供s y s t e m - - f u n c t i o n 的来实现， 称为s 函数法。这种方法完全以设计者设定的数学关系为基础，通过调用s 函数束建 立一个全新的仿真模块，这要求设计者应准确把握控制对象电气特性 s 函数构建仿真模型的基础是控带9 对象的状态方程，仿真中s 函数根据输入量更 新状态量进而改变输出量。同步电动机在系统下的状态方程如式所示。下面将介绍 函数的编写方法。 参数初始设定首先通过s i z e = s i m s i z e 语句获得默认的系统参数变量s i z e 。得出 的实际上是一个结构体变量，其常用成员为： n u m c o n s t a t e s 表示s 函数描述的模块中连续状态的个数； n u m d i s c s t a t e s 表示离散状态的个数： n u m l n p u t s 和n u m o u t p u t s 分别表示模块输入和输出状态的个数： d i r f e e d t h r o u g h 为输入信号是否直接在输出端出现的标识，取值可以为0 ，l ： n u m s a m p l e t i m e s 为模块采样周期的个数，即s 函数支持多采样周期的系统。 按照要求设置好的结构体s i z e s 应该在通过s y s = s i m s i z e s ( s i z e s ) 语句赋给s y s 参 华中科技大学硕士学位论文 数。除了s y s 外，还应设置系统的初始状态变量x o 、说明变量s 肛和采样周期t s ，其 中t s 变量应为双列的矩阵，其中每一行对应一个采样周期。对连续系统和有单个采 样周期的系统来说，该变量为h f ：】，其中为采样周期，如果驭t ，= 一1 则将继承输 入信号的采样周期。参数 为偏移量，一般取为0 。 状态的动态更新连续模块的状态更新由m d l d e r i v a t i v e s 函数来设置，而离散状 态的更新应该由m d l u p d a t e 函数设置。这些函数的输出值，即相应的状念，均由町岱变 量返回。如果要仿真混合系统( h y b r i ds y s t e m ) ，则需要写出这两个函数来分别描 述连续状态和离散状态。 输出信号的计算调用m d l o u t p u t s 函数就可以计算出模块的输出信号，系统的输 出仍然由s y s 变量返回。 根据以上所述，可以得到同步电动机的仿真框图如下： 图3 1 同步电动机仿真框图 图3 23 2 变换内部结构圈 归归 【 一 寻一 一青 华中科技大学硕士学位论文 函数采用定子电流屯、屯励磁电流f ，阻尼绕组电流f d 、i q - 电动机转速作 为状态变量：定子电压、“。，励磁绕组电压”r ，负载转矩瓦作为输入量，由于d 、 q 轴转矩为短路绕组无外加电压，令其为0 。输出除了六个状态变量外t 还有电磁转 州蠢朔 z ， 阡卜ic o 唧s e 跏纠 。， 二； ( 3 4 1 输出应乘以频率的基值，这里取为2 n f = 2 * t o + 6 ，即电动机的额定频率定为6 h z 。 3 2 交交变频器的仿真 交交变频器的仿真可以建立数学模型后利用m a t l a