电机建模与分析上机大作业.docx

本科上机大作业报告课程名称：电机系统建模与分析姓 名：*学 号：3100*学 院：电气工程学院专 业：电气工程及其自动化指导教师：沈*提交日期：2013年 4 月 5 日目录一、作业目的3二、作业要求3三、模型的建立3四、控制策略与算法实现5五、仿真程序6六、仿真结果及分析8七、进一步的分析91、步长的选择92、功率管的开关频率93、灵敏度分析11八、改进的控制方法111、改变滞环的上下限122、采用pi调节133、采用pd调节13九、总结14一、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图1所示。直流电源udc=200v；电机永磁励磁yf=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、下限il=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00.2s是80rad/s，在0.20.4s是120rad/s，在0.40.6s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。图 1三、模型的建立参照一般化电机模型，本例永磁直流电动机可等效为图2的模型。uq是加在电枢绕组两端的电压，永磁体看做开路的fd绕组。图 2电气状态方程： 将（2）式和（3）式代入（1）式可得 其中，p是海氏算子。因为lq是常数，故（4）式可写作 机械状态方程： 将（7）（10）式代入（6）式，可得 将（5）式和（11）式整理得到 四、控制策略与算法实现使用功率管实现滞环控制，当电流超过ih或转速超过设定转速（s）+2rad/s时，断开功率管，电流通过续流二极管形成回路；当电流小于il或转速低于设定转速-2rad/s时开通功率管，续流二极管截止。引入0,1变量flag1和flag2。为了便于用四阶龙格-库塔方法求解上面的微分方程，将变量离散化，且全部采用国际单位制（si）。算法思想如图3所示。图 3下面详述其中“用四阶龙格库塔方法计算下一时刻的iq和的算法。定义变量矩阵 ，根据（12）式和（13）式可得 其中 ， 。将所求区间0,t按步长h等分成n份，若已知ti时刻的xi，经图3所示方法判断uq，可通过下面的方法计算ti+1时刻的xi+1。 五、仿真程序在matlab环境下编写m文件实现上面的算法。代码如下：t=1; %求解时间h=0.00005; %步长%变量定义ucd=200;pf=1;rq=0.5;lq=0.05;j=0.002;ih=15;il=14;b=0.1;w1=80;w2=120;a=-rq/lq, -pf/lq; pf/j, -b/j;%设置初始值t=0;tt=t;iq=0; w=0;x=iq;w;xx=x;cnt=1;%用龙格库塔方法计算while(t=cnt*0.2 cnt=cnt+1; end if mod(cnt,2)=1 w0=w1; else w0=w2; end %滞环控制，flag1控制在il到ih之间，flag2控制在w0-2到w0+2之间 if iqih flag1=0; end if ww0+2 flag2=0; end uq=ucd*flag1*flag2; bu=uq/lq; 0; k1=a*x+bu; k2=a*(x+h/2*k1)+bu; k3=a*(x+h/2*k2)+bu; k4=a*(x+h*k3)+bu; x=x+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; tt=tt t; xx=xx x; iq=x(1); w=x(2);end%绘图figure;plot(tt,xx(1,:),-r);hold on;plot(tt,xx(2,:),-b);grid on;title(iq和w随时间变化曲线);xlabel(t(s);ylabel(iq(a)/w(rad/s);axis(0 t -10 140); hold off;六、仿真结果及分析图 4仿真结果如图4所示，从图中可以看到，当设定速度为80rad/s时，转速在7387rad/s间波动，当转速上升时，电枢电流容易达到上限值ih，此时flag2关断功率管，电流在13.915.2a间波动（下面分析中的电流波动也是这种情况）。从图中还可以看到，存在电流为负的时刻，这是不符合实际的，因为二极管的单向导通性不允许电流反向。若计算得到的iq小于0，且功率管处于关断状态，可令iq=0，此时uq为电机作发电机运行时的电势。即 图 5仿真结果如图5所示，改进的模型不再有iq0的情况，原来iq=1);其中enew是当前误差，sum(ee)是累积误差。功率管的开关频率为fmax=5khz，效果如图12所示。图 123、采用pd调节flag2=(50*(enew+(enew-eold)*20)=1);其中enew是当前误差，eold是上一时刻的误差。此时开关频率为步长设定的频率，当h=0.0002s时，fmax=5khz，效果如图13所示。图 13九、总结本次作业要求对永磁直流电动机进行建模与仿真，在完成过程中有以下几点收获：1、 进一步熟悉了电机建模和数值计算的方法。2、