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基于 统一 建模 语言 同步电机 仿真 说明书 开题

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基于统一建模语言的同步电机建模及仿真说明书带开题,基于,统一,建模,语言,同步电机,仿真,说明书,开题

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一、毕业设计（论文）的内容、要求现代产品多由机电液控多领域组件混合而成，因此多领域、多学科的交叉融合已成为现代数字化设计与制造技术的发展趋势。Modelica模型是面向对象的数学模型，基于物理系统数学表示的内在一致性，它支持在一个模型中包含来自多个领域的模型组件，实现多领域建模和仿真。同步电机建模与仿真对其设计优化起着至关重要的作用。基于仿真对同步电机性能进行综合分析可很大程度上提高电机的设计效率和可靠性,从而获得最佳性能参数。该课题基于统一建模语言在Dymola软件环境下构建同步电机模型，在对模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。具体要求如下：1、 调研和查阅相关文献，对现有仿真建模语言进行比较研究；2、 熟悉Modelica语言以及Dymola仿真平台；3、 基于统一建模语言Modelica构建同步电机模型；4、 对同步电机模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。二、毕业设计（论文）应完成的工作毕业设计应完成的工作包括：1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要； 2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、在熟悉Modelica语言以及Dymola仿真平台的基础上，构建同步电机模型，对同步电机模型进行仿真分析的基础上调节电机参数获取较优的动态响应。4、完成绘图工作量折合A0图纸1张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸。三、应收集的资料及主要参考文献1 Fritzson P. Principles of object-oriented modeling and simulation with Modelica 2.1M. New York: IEEE Press, 20032 Modelica Group .Modelica Language SpecificationZ, version 2.2.3 Modelica WWW Site EB/OL. 4 陈晓波, 熊光楞, 郭斌, 等. 基于HLA 的多领域建模研究J. 系统仿真学报, 2003, 15(11): 153715425 熊光楞. 协同仿真与虚拟样机技术M. 北京: 清华大学出版社, 20046 赵建军,丁建完, 周凡利, 陈立平. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理J.系统仿真学报, 2006,18(2): 570-573.7 Dynasim AB. Users Manual Dymola 6 Additions, 20068 杨世文, 苏铁熊, 李炯. 基于Modelica 语言的面向对象的发动机建模与仿真J. 车用发动机, 2004, (2): 39429 吴民峰. 多领域建模仿真平台中语义分析关键机制研究与实现D.华中科技大学硕士学位论文. 200610 刘敏. 基于Modelica的多领域物理系统建模平台的研究与开发D. 华中科技大学硕士学位论文. 2005四、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台多领域建模仿真求解软件（Dymola）任务下达时间：2008年 11 月 21 日毕业设计开始与完成时间：2009年3月9日至 2009年 6 月 29 日-装 - 订 - 线-组织实施单位：教研室主任意见：签字 2008 年 11 月 19 日院领导小组意见：签字 2008 年 11 月 20 日 基于统一建模语言的同步电机建模及仿真摘 要 目前， 随着计算机技术和模拟建模技术的发展，数学建模与仿真在产品设计中的作用越来越重要，已经成为测试和分析产品技术性能的一项重要手段。然而，现在产品的复杂程度逐渐提高，往往涉及机械、控制、电子、和软件等多学科领域,其每个部件、子系统都可能是由各个学科领域的零部件组成, 虽然各个学科领域都有比较成熟的仿真软件,但大部分仿真软件仅适用于本学科领域,并在模型表述中采用自己专门的格式,而复杂产品的整体性能需要多个领域仿真软件的协同仿真,需要在多个仿真软件间进行大量的数据交换,并进行系统层面上的建模,单领域仿真建模工具很难满足要求。因此要设计多领域建模与仿真平台，以满足当今产品生产的需要。 在本论文中，通过对多领域建模语言Modelica在数字电路中的应用以及多领域物理系统仿真平台Dymola系统的应用的介绍，让我们初步了解了多领域建模与仿真在当今产品设计中的应用。该论文主要包含以下的几个主要部分：首先介绍当今多领域建模仿真的发展状况。其次，介绍了有关电路设计和仿真的一些有关软件和平台，以及Modelica语言和Dymola仿真平台。接着，介绍了同步电机工作原理以及它的数学模型。最后，讲述如何利用Modelica语言和Dymola仿真平台建立同步电机仿真模型，以及对它进行分析测试。 本论文对课题的设计方法以及所利用的理论知识进行了详细的阐述，并对多领域建模语言Modelica以及仿真平台Dymola系统进行了介绍。关键字：同步电机建模仿真；同步电机动态响应；Modelica； Dymola系统。 Abstract At present, along with the computer technology and the simulation modelling technology development, mathematics modelling and the simulation is more and more important in the product design function,already became the test and an analysis product technical performance important method.However, now the product complex degree gradually enhances, often involves the machinery, the control, the electron, and software and soon the multi-disciplinary domain, its each part, the subsystem all possibly are is composed by each discipline domain spare part. Although each discipline domain has quite mature simulation softwares, however, most simulation softwares applie only to the areas of themselves, used their own special formats to illustrate the models, but complex products require multiple areas of the overall performance of simulation softwares co-simulation, and need a large number of data exchange among a number of simulation softwares,modeling on system level. single field of simulation modeling tools are very difficult to meet the requirements, therefore must design the multi- domains modelling and the simulation platform, meets now the product production needs. In this paper, through to multi- domains modelling language Modelica in the digital circuit application as well as the multi-domains physical system simulation platform Dymola system application introduction, lets us initially understand the multi- domainsmodelling and the simulation in now the product design application.Below this paper mainly contains several main parts: First briefs now the multi- domains modelling simulation development condition.Second, introduced the related circuit design and simulation somerelated software and the platform, as well as Modelica language and Dymola simulation platform.After that, introduced work principle of synchronous motor as well as its mathematical model. Finally, how narrates using the Modelica language and Dymola simulation platform establishment parallel synchronous motor the simulation model, as well as carries on the analysis test to them. The present paper the theory knowledge which as well as used to thetopic design method has carried on the detailed elaboration, and hascarried on the introduction to multi- domains modelling language Modelica as well as the simulation platform Dymola system. Key words: Synchronous machine modeling and simulation;Synchronous motor dynamic response,;Modelica;The Dymola system.目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题来源和研究背景11.2 国内外相关软件的发展概况41.2.1硬件描绘语言VHDL41.2.2 Matlab系统51.3 Modelica语言的介绍61.3.1 Modelica发展的历史61.3.2 Modelica的主要特征71.3.3 Modelica的主要功能81.4 课题研究的目的与意义111.5 课题主要内容122 同步电机基本原理123 仿真系统设计204 仿真结果及分析295 总结与展望355.1 总结355.2 展望35谢 辞37参考文献38391 绪论1.1 课题来源和研究背景该课题来源于桂林电子科技大学机电工程学院,课题主要研究面向对象的多领域建模语言Modelica的应用，本设计主要是研究Modelica在同步电机仿真中的方针及应用。 随着时代和科技的进步，计算机仿真技术日益成为各行业不可缺少的手段和技术。纵观系统仿真技术发展的历史可知，仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算技术的发展密切联系的。正是控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，同时计算机的出现以及计算技术的发展，为仿真技术提供了强有力的手段和工具。由于在计算机上建立系统的数学模型并运转和实验这个模型是十分经济、方便和灵活的，因而计算机仿真在仿真中越来越占有重要的地位。50年代末期到60年代，由于洲际导弹和宇宙飞船的姿态及轨道控制动力学的研究，促进了混合仿真技术的发展，1958年第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真。1964年生产出第一台商用混合计算机系统。60年代，阿波罗登月计划的成功及核电站的广泛使用进一步促进了仿真技术的发展。70年代开始，仿真技术被应用于社会、经济、生态、管理等非工程系统的研究，开拓了仿真技术的广阔应用前景。仿真技术现在已成为系统分析、研究、设计及人员训练不可缺少的重要手段，它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益与经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本，提高系统实验、调试及训练过程中的安全性，对于社会、经济系统，由于不可能直接进行实验，仿真技术更显出它的重要性。 现代仿真系统的总体要求如下(1)减少模型开发时间，即从重视编程转向重视建模，包括研究结构化建模的环境与工具，建立模型库及模型开发的专家系统等等。(2)改进精度，包括改进模型建立的精度及实验运行的精度，比如研究模型结构特征化的新方法模式识别法及人工智能法、连续动力学系统的数值解法、随机数产生的方法等等。(3)改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信，比如研究模型的统一描述形式，图形输入与动画输出，仿真结果的统计、分析等。仿真实验要使得模型能够在计算机上运行，这部分工作要由仿真软件来完成。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户，其功能可概括为：(1)模型描述的规范及处理；(2)仿真实验的执行与控制；(3)数据与结果的分析、显示及文档化；(4)对模型、实验模式、数据、图形或知识的存储、检索与管理。根据上述功能的实现情况，可以将仿真软件分为程序包具有(2)、(3)、(4)中一种或两种功能、仿真语言具有(1)、(2)、(3)功能和一体化仿真环境具有(1)一(4)全部功能的一体化软件系统。从目前看，仿真语言仍是仿真软件的主体。从软件发展的观点来看，最初出现的是一些功能简单的程序包，以后为便于仿真用户使用，开发了许多仿真语言，同时研制成仿真软件。为了满足这些要求，提出了以下几点。 改善建模环境，改善建模环境包括下述内容。(1)模块化、结构他建模技术 所谓结构化建模技术是指；根据不同实际系统的组成，对系统进行分解，抽象出它们的基本成分及组合关系；确定各种基本成分及其连接的描述形式并开发一种非过程编程语言(模型描述语言)，根据应用领域的不同建立相应的模型库并使它与模型实验模块有机地结合起来。采用这种技术不仅能使仿真软件直接面向领域工程师，而且能大大缩短建模时间。 (2)图形建模技术 利用鼠标器在计算机屏幕上将模型库中已有的系统元件拼合成系统的横型。 在20世纪90年代以前，应用于特定领域的建模仿真软件在其取得成功的同时，伴随着新产品、新技术的不断出现，离复杂产品的现实要求之间的差距也越来越大，具体表现在：（1）对多领域建模支持不足：ADAMS,SIMPACK、Spice、VHDL-AMS、Flowmaster等在其特定专业领域，如机械、电子或液压等，功能相当完善，但对于来自其它领域的组件描述能力有限，对多领域统一建模的支持不足。（2）通用仿真系统如Simulink、ACSL等，有时需要对模型方程作手工推导和分解，然后建立对应的经过分解和变型的模型。建立的模型拓扑结构和实际的物理模型的拓扑结构相去甚远，因而不适合于物理建模(physical modeling)。（3）和传统的面向计算的建模方法不同，第一代面向对象的数学建模语言和仿真系统(ObjectMath,Dymola,Omola,NMF,gPROMS,Allan,Smile等)采用了面向对象和基于方程的建模方法，克服了以前面向过程的建模仿真语言的限制，但诸多语言本身又产生了兼容性和标准化的问题。 为此，来自不同领域的专家学者，在归纳和统一以前的多种面向对象的数学建模语言基础上，于1997年提出了一种新的多领域统一物理建模语言Modelica。 目前，国内高校和研究所对基于Modelica统一建模语言的多领域统一建模的研究还主要局限于基于Dymola软件的应用，如上海交通大学机械与动力工程学院借助于Dymola对燃气轮机、开关磁阻电机、同步电机和热机的分析应用，华北工学院对发动机和机械传动箱的建模分析以及河海大学常州校区机电学院在柔性结构振动控制上应用Modelica语言进行的建模分析等等，而对Modelica统一建模语言本身的研究及其软件支撑平台的开发几乎是空白。 一体化仿真环境是先进仿真技术的主要内容，也是这些技术的综合实现。它涉及到许多新的有关系统仿真的概念，如仿真的基本摄念框架，仿真基于模型的活动，仿真操作系统等。本文从仿真语言及其存在的问题出发，从而引进伤真的基本概念框架及一体化仿真环境，最后再从仿真操作系统的角度对一体化仿真环境作进一步讨论。当前的仿真语言还存在一些问题，有鉴于此，针对多领域耦合的复杂产品，研究开发多领域物理系统混合建模与仿真通用平台MWorks；进一步将针对机械系统，基于CAD技术和多体系统动力学对其进行拓展，研究开发复杂产品机械系统的虚拟功能样机系统FVPS，在统一环境下处理由机械、电子、液压、控制等多领域构件组成的复杂产品的设计分析问题；最终形成一套具有我国自主知识产权的集成化多领域物理系统混合建模与仿真统一平台EMWorks，为企业提供一套产品创新工具。随着电子技术和计算机技术的不断提高，计算机模拟仿真在当今的产品生产过带程中的作用也日趋重要，它能够大大降低产品的生产成本。是否能够建立模拟仿真模型是实现计算机模拟仿真关键之所在。Dymola/Modelica具有良好的可扩展性,可以建立分级模块,再把它们组装起来成为最终的模型,因而简化了程序和步骤。同时,Modelica的non-casual(无须明确输入输出关系)也使得系统模块的组装方便简捷,不失为一种好的建立模块化仿真模型的有效工具和方法。充分开发其特点能进一步完善模块化建模的方法,并拓展该语言的应用领域。由于面向对象技术存在一系列突出优点，近年来这种技术越来越受到人们的重视，对它的应用和研究遍及计算机软件和硬件的各个领域。用模块化、抽象、局部化和模块独立等原理及结构程序设计技术指导面向对象程序设计，能够提高软件的开发效率，增加软件的可理解性和可维护性。当功能需求变化时，无须重新创建工程，只须在原有的基础上作一些增加、删除或修改即可。而且如要产生新的功能也可用原有的类派生而成，可继承原有类中可重用的部分，这样就可以减少不必要的工作量。1.2 国内外相关软件的发展概况 如今，对电子电路的设计与仿真软件很多，这里主要介绍硬件描绘语言VHDL，电路图电路板设计软件PROTEL，以及 MATLAB系统。1.2.1硬件描绘语言VHDL 在现代电子工程领域,硬件描述语言(Hardware Description Language ,缩写为HDL) 因其“代码复用”(Code Reuse) 远高于图形化输入方法的“代码复用”,并且解决了用电路原理图在设计大规模电子系统时的诸多不便,所以成为了电子工程领域主要的设计工具。VHDL语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强, 覆盖面广, 抽象能力强, 应用越来越广泛。 VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为ANSI/IEEE的标准（IEEE STD 1076-1987）。1993年更进一步修订，变得更加完备，成为ANSI/IEEE的ANSI/IEEE STD 1076-1993标准。目前，大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。 VHDL作为IEEE(美国电气电子工程师学会) 标准,近十多年来获得了越来越广泛的应用,随着IEEE 对VHDL 的修订与扩充,VHDL 已经具备描述模拟和数模混合电路结构与行为的能力。然而,VHDL 仿真器仍以事件驱动为核心,也就是说,仿真是按事件发生的顺序进行的。因此,在应用VHDL 对模拟电路进行建模与仿真分析时,还存在着许多限制。 VHDL语言具有多层次描述系统硬件功能的能力, 可以从系统的数学模型直到门级电路, 其高层次的行为描述可以与低层次的RTL 描述和结构描述混合使用; 设计者可以实现从文本编辑、功能仿真、逻辑综合、布局布线、时序仿真到编程下载整个开发过程,大大减轻了设计人员的工作强度, 提高了设计质量, 减少了出错的机会。 用VHDL语言进行的数字系统的设计采用“自顶向下(top to down) ”的设计方法,实现的基本步骤如下: (1) 分析系统的内部结构并进行系统划分,确定各个模块的接口和功能;(2) 编写程序,输入VHDL 代码;(3) 将其编译成标准的VHDL 文件;(4) VHDL 源代码进行综合优化处理;(5) 配置,即加载设计规定的编程数据到指定型号的芯片中;(6) 下载,并验证设计的正确性。1.2.2 Matlab系统 在科学研究和工程应用的过程中，往往需要进行大量的数学计算，传统的纸笔和计算器已根本不能满足海量计算的要求，一些技术人员尝试用Basic , Fortran以及C语言编制程序来减轻工作量，但编制程序不仅需要掌握所用语言的语法，还需要对有关算法进行深入的分析，这对大多数科技工作者来说有一定的难度。当用C或Fortran语言编写程序时，尤其当涉及到矩阵运算和画图时，编程会很麻烦，往往一个简单的问题就要编写很长的代码，键入和调试程序都非常困难。 为了满足用户对工程数学计算的要求，一些软件公司相继推出了一批数学类科技应用软件，如MATLAB, Xmath Mathernatica Maple等，其中Mathworks公司推出的MATLAB以其强大的功能和易用性受到越来越多的科技工作者的欢迎。 MATLAB起初是作为矩阵实验室(Matrix Laboratory)提供给UNPACK和EISPACK矩阵软件包的接口(UNPACK是解线性方程的Fortran程序库，EISPACK是解特征值问题的Fortran程序库)。80年代初期，Cleve Moler, John Little采用C语言编写MATLAB的核心，合作开发了MATLAB第二代专业版。不久，他们成立了Mathworks公司，并将MATLAB正式推向市场。与Basic Fortran C语言比较，MATLAB的语法规则更为简单，编程特点更贴近人的思维方式，用MATLAB写程序有如在便笺上列公式和求解，因而MATLAB被称为“科学便笺式”的科学工程计算语言。 MATLAB 是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言,主要由MATLAB主开发环境、扩展MATLAB 功能的工具箱、Simulink仿真环境和第三方开发的辅助工具等内容组成。 它可靠的数值计算和符号计算功能、简单易学的编程语言、强大的图形功能以及为数众多的应用工具箱是MATLAB 区别于其它科技应用软件的显著特点。 MATLAB相对于其他应用软件有以下的优势：（1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库面数避开铰杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。（2）运算符丰富。由于MATLAB是用c语言编写的，MATLAB提供了和c语言几乎样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。（3）MATLAB既具有结构化的控制语句又有面向对象编程的特性。（4）语法限制不严格，程序设计自由度大。（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。（6）MATLAB的图形功能强大。MATLAB数据的可视化非常简单。而且还具有较强的编辑图形界面的能力。 Simulink是MATLAB软件包中最重要的功能模块之一，是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具。它以MAlUlB的核心数学、图形和语言为基础，可以让用户毫不费力地完成从算法开发、仿真或者模型验证的全过程，而不需要传递数据、重写代码或改变软件环境，是交互式，模块化的建模和仿真的动态分析系统，在电子领域，通常利用 Simulink建立电子装置的简化模型并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。 Simulink对C语言代码提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式图形环境下，也可以工作在MATLAB指令语言模式的批处理模式下。 使用MATLAB的优势：其数据处理十分有效，精细，运行速度较快；数据的格式兼容性非常好便于数据的后处理与分析，尤其是控制特性的研究分析。1.3 Modelica语言的介绍1.3.1 Modelica发展的历史多领域建模(multi-domain modeling)是将机械、控制、电子、液压、气动、软件等不同学科领域的模型“组装”成为一个更大的仿真模型，以用于仿真运行。多领域统一建模技术的发展，经历了从单一领域独立建模到多领域统一建模、连续域或离散域分散建模到连续离散混合建模、面向过程建模到面向对象建模的发展阶段。 1978年瑞典人Hilding Elmqvist在博士论文中,针对计算机仿真发展的趋势提出了建立一种新的面向对象的计算机仿真语言的思想,其后在20世纪80年代,由于Pantelides解DAE方程法的出现而有了进一步的发展,并最终在20世纪90年代后半期形成了一种新的仿真语言和软件Modelica/Dymola。Modelica 是欧洲仿真界在统一和归纳先前多种物理建模语言的基础上, 为解决复杂多领域物理系统的统一建模与仿真问题, 提出的一种面向对象的、基于方程的、陈述式建模语言。 目前基于Modelica的具有从建模到仿真直至后处理完整功能的软件只有2个：瑞典Dynasim AB公司的Dymola和瑞典PELAB实验室的MathModelica。Dymola由瑞典Dynasim AB公司设计开发，是第一个支持Modelica语言的建模仿真工具。Dymola提供图形化建模环境，支持基于图标的拖放式图形建模。Dymola也提供文本建模环境，支持具有Modelica语言的文本建模。Dymol具有功能强大的符号处理引擎，集成了多个数值求解包，可实现较大规模的多领域物理系统建模仿真。目前，基于Modelica语言的建模应用大多是采用Dymola实现的。MathModelica由瑞典Link OPing大学PELAB实验室设计开发，它通过集成Microsoft Visio、Mathmatica和Dymol仿真引擎开发而成。其中，Microsoft Visio用于实现图形建模，Dymola仿真引擎用于模型转化和求解，Mathmatica的notebook用于文本建模和仿真后处理。MathModelica拥有和Dymola一样的图形和文本建模能力。与Dymola不同的是，MathModelica的各组成模块没有集成在同一个框架界面中，在建模仿真过程常常需要反复激活和切换操作界面。国内的华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心目前正在研究开发一个基于Modelica语言的多领域物理系统统一建模与仿真平台MWorks，已在核心技术研究和系统开发方面取得了若干成果。Dymola基本上实现了Modelica 2.0版，提供了从可视化建模、自动求解到曲线和动画后处理的完整功能。1.3.2 Modelica的主要特征 Modelica作为新一代面向对象的、基于方程的、多领域复杂物理系统统一建模语言，其显著的四个特征是：（1）面向对象建模。采用面向对象的建模方法，类（class）封装了模型系统的状态和行为，模型知识通过继承实现重用和进化。（2）多领域建模。基于实际物理系统数学描述的内在一致性，Modelica能够对包括机、电、液、控等多个领域组件在内的复杂物理系统统一建模。（3）陈述式物理建模。采用方程描述模型及连接方式，实现非因果建模，可用于物理建模。（4）离散混合建模。Modelica采用同步的微分、代数和离散方程描述混合系统。 Modelica采用了无因果的建模思想,用更加自然的语法和语义来表述模型,非常适合于物理系统的建模。它语法简单、层次清晰,可以按照系统真实拓扑结构来连接各个组件,而且可处理混杂系统。由于其接口设计巧妙,可以用于多领域建模(multi domain) 和多范式建模(multi for2malism) ,真正做到“通用建模”。Modelica 语言与Java 等通用语言有很多相似之处, 完全由类( class) 组成。1.3.3 Modelica的主要功能Dymola(Dynamic Modeling Laboratory)适宜于模拟不同类型的物理对象。它支持分级建模,支持模型库中元件的重复使用,支持复杂、任意的连接。Dymola采用一种新的面向对象的、建立在微分方程基础上的建模方法。Dymola仿真软件采用Modelica语言对其仿真对象进行建模,可以应用于诸多工程领域。 根据Modelica模型文本特点，把握面向用户进行建模的宗旨，把多领域模型建模系统主要分为三大模块：领域库模块、文本建模模块和图形建模模块。领域库模块的主要功能是形象化显示Modelica标准库中的模型，方便用户在图形建模过程中通过拖放式操作进行重用，另外它还能够显示当前模型的层次化信息，反映模型的部件和继承结构；文本建模模块是整个建模系统的核心，能够让用户对模型文本信息进行方便有效的操作和维护，这里的文本信息分为当前模型的Modelica文本信息和注释信息；有效的操作和维护，这里的文本信息分为当前模型的Modelica文本信息和注释信息；图形建模模块是用户进行多领域系统建模最直接方便的途径，能够以图形的方式快速准确的显示模型的层次化建模信息，并对图形信息进行各种操作和维护，而且对建模环境的视图信息进行缩放、移动等操作，方便用户在最优的方式下进行建模工作，图形建模模块包括两个方面：图表组件系统和图标组件系统，图表组件系统显示模型建前模型功能或者外形信息，不反映组件和继承信息信息。通过以上分析，整个基于Modelica模型建模系统具备以下功能：（1）实现两种方式建模，包括纯文本Modelica模型编辑和可视化图形建模，并保持两种表达的一致性；（2）领域库和自定义模型库的调用功能，支持对已有模型的拖放式重用；（3）对建立的模型进行分层显示，即可快速获取和显示其父模型和子部件的信息；（4）可以同时显示和建立多个模型。 多领域物理系统建模平台中每个模块的具体功能分析如下：（1）领域库模块是建模系统的基础，是用户进行建模的最直接手段，它具体有以下功能：Modelica标准库管理功能 能够准确的读取Modelica标注库中的信息，快捷，准确，直观的显示标注库中的模型，并且可以对标准库中的模型进行拖放式操作。标准库查找功能能够实现在Modelica标注库中对特定名称的模型进行查找。模型层次化信息管理能够反映当前模型的层次结构，显示模型的继承信息和组件信息。（2）文本建模模块是建立模型的主要手段，文本编辑环境应具备以下功能：词法敏感功能文本中的特殊关键词或者注释会以不同颜色高亮显示。基本编辑功能插入、删除、复制、剪贴、粘贴、查找、替换，以及撤消和恢复等功能。文本折叠功能可收起或展开文本里的说明和连接等信息。行标识功能便于定位和显示有语法错误的行位置。文本读取和存入功能从mo文件中读取模型，或将模型文本存入已有的mo包中。参数和属性修改功能对当前模型、父模型、子部件模型的参数和属性提供方便的修改方式。代码提示功能在文本输入时能够实现智能的代码提示。（3）图形建模模块是为用户提供的方便快捷的可视化建模平台。用户可绘制示意图形，或调用领域库中的现成模型创建子部件，并建立部件之间的合理连接。图形环境下的实体编辑、部件拖放和建立连接都会反映到文本编辑器中模型文本的修改。图形编辑模块应具备的主要功能包括：部件拖放功能从系统领域库或用户自定义库中方便快捷的将模型拖放到图形编辑环境中，创建模型的部件。基本实体创建功能实现直线、矩形、椭圆、多边形、文本、部件块以及部件之间的连接等实体图元的绘制。图形窗口缩放功能图形环境应具备放大、缩小、窗口显示、显示全部等显示缩放功能。图形编辑功能实现对以上基本实体的移动、缩放、旋转、复制、剪切、粘贴等功能，以及对编辑操作的撤消和恢复。图形与文本的动态转换图形信息作为文本信息的局部，图形的修改要及时反映到文本的修改，同样文本的修改要及时反映到图形的改变。部件之间非法连接的监测能够监测部件之间连接的合法性，并针对各种非法连接给出相应警告。对于因果关系建模，连接必须是从输入（输出）开始，以输出（输入）结束。连接实体的正交化对部件之间的连接线实体，可以自动将原连接线改变成正交模式的连接线。除了以上功能，系统还具有模型属性修改模块，该模块以图表窗口格式，让用户不仅可以很方便的查看到模型的各种参数信息，也可以查看到当前模型视图的窗口信息（显示尺寸，栅格大小等），而且还可以对以上信息进行方便快捷的修改。 Dymola作为Modelica建模语言的软件支持环境，是一种采用面向对象技术的建模和仿真软件。由于Modelica语言也可以将SIDOPS语言翻译为Modelica语言，所以也支持键合图建模，它也是一种把键合图和方块图结合在一起的建模和仿真软件。Dymola是对实际物理对象的建模，适意于模拟不同类型的物理对象。并且它支持分级建模，支持模型库中元件的重复使用，支持复杂、任意的连接。1.4 课题研究的目的与意义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。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。 目前，单领域仿真建模工具很难满足要求。针对复杂产品的建模和仿真正朝着多领域统一建模和协同仿真的方向发展。 当前，多领域建模仿真方法主要有两种：一种是基于高层体系结构(High Level Architecture, HLA)的方法，另一种是基于统一建模语言的方法。HLA 是一种支持分布式仿真的集成框架标准，它将由不同领域的仿真软件建立的模型划分为不同的联邦成员，并按照HLA 的规范进行集成以实现协同仿真。因此，基于HLA 的多领域建模方法实质上是一种模型集成方法，它需要得到各领域商用仿真软件公司的合作，需要针对不同的仿真应用配置模型接口，编写集成代码，实现较为困难，而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系。 基于统一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描述，彻底实现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换。Modelica 语言是目前盛行的一种先进的面向对象多领域物理系统建模语言，它采用了无因果的建模思想,用更加自然的语法和语义来表述模型,非常适合于物理系统的建模。它语法简单、层次清晰,可以按照系统真实拓扑结构来连接各个组件,而且可处理混杂系统。它具备模型重用性高、建模简单方便、无须符号处理等许多优点。Modelica 语言的建模思想在很大程度上顺应了知识的可积累、可重用和可重构的指导原则。Modelica 语言的优秀特性使得基于Modelica 语言的多领域建模方法具有非常显著的优势，必将成为今后多领域物理系统建模的主流方法。 作为多领域建模语言Modelica 已经被人们广泛应用于机械，液压，气动等各个领域，但对于它在数字电子电路中的应用的研究还比较少。对于数字电路的相关的模型库建立的还比较少。通过此次课题的研究，建立同步电机仿真模型，实现同步电机的仿真。1.5 课题主要内容 本设计主要是讨论Modelica语言并在多领域物理系统仿真平台Dymola系统下建立同步电机模型并进行仿真分析和测试。其具体内容如下：(1) 分析同步电机的结构、工作原理及其数学模型，根据其电路特性，建立相应的等效电路。(2) 分析同步电机内部逻辑结构，并在Dymola仿真平台上构建同步电机模型库，利用组件连接方式构建同步电机仿真系统。(3) 设定同步电机的基本参数，在Dymola仿真平台上进行同步电机的仿真分析，改变某些参数，采用串电阻启动方式，以得到较优的动态响应。2 同步电机基本原理（1）结构模型 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图2-1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。图2-1同步电机结构模型（2）工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当电机的功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电有效值：每相感应电势的有效值为 (2-1) 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即 (2-2)交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对性，保证了感应电势的三相对称性。（3）同步转速 同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： (2-3)要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。（4）运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。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： 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。 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2/3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。 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。（5）励磁方式简介 获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。（6）数学模型同步电机是电力系统非常重要的元件，它是一种集旋转与静止、电磁变化和机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大的影响。为了建立同步电机的数学模型，必须对实际的同步电机作必要的假定，以便分析运算。当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组。从而产生空载电动势。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（21）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。br-axis bs-axiskq-axis ar-axis as-axisk d-axescs-axis cr-axis 图22 定子、转子各相的旋转d，q坐标定位按图22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： （2-4）其中，为求导算子，即=d/dt，v为各绕组电压，i为各绕组电流，r为各绕组电阻，为各绕组合成磁链， (2-5) (2-6)定义为电流，电压，磁链的共同变量，则有 (2-7)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：(2-8)定义，将（2-8-1）j（2-8-2）可得(2-9)同理， (2-10)定义 (2-11)其中，Ns，Nr分别为定子和转子的匝数则有(2-12)定子方程： (2-13)其中 (2-14)转子方程： (2-15)其中 (2-16)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和恒等于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(2-17)(2-17)以上即为同步电机数学模型。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。设为abc坐标下的变量，为dq坐标下的变量，定义P为求导算子，其转换公式为： (2-18)式中 (2-19)定义 (2-20)由式(2-17)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： (2-21) 带入dq表达式输入功率可得（2-22）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： (2-23)其中 （2-24）上式中 为极对数，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： （2-25）3 仿真系统设计Modelica语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种建模语言的基础上，于1997年提出的一种基于方程的陈述式建模语言。Modelica语言采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统的拓扑结构基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微分代数方程系统实现仿真运行。该语言可以为任何能够用微分方程或代数方程描述的问题实现建模和仿真。Modelica语言提供了功能强大的软件组件模型，其具有与硬件组件系统同等的灵活性和重用性。Modelica的软件组件模型主要包含三个概念：组件、连接机制和组件构架。组件通过连接机制进行交互连接。组件构架实现组件和连接，确保由连接维持的约束和通讯工作稳定可靠。在Modelica语言中，组件的接口称作连接器，建立在组件连接器上的耦合关系称作连接。如果连接表达的是因果耦合关系，则称其为因果连接。如果连接表达的是非因果耦合关系，则称其为非因果连接。模型类必须有明确的接口，即连接器，用于实现组件与外界的通讯。模型类应该定义为是环境无关的，此举是组件可重用的关键所在。这意味着在类定义中只能包含方程，只使用局部变量与连接器变量，并要求组件与外界的通讯必须通过组件连接器。组件可以由其它相互连接的组件构成，也就是层次建模。Modelica连接器是连接器类的实例。连接器类的主要用途就是定义组件接口的属性与结构。连接器类中定义的变量可划分为两种类型：流变量和势变量。流变量是一种“通过”型变量，如电流、力、力矩等，由关键字flow限定。势变量是一种“跨越”型变量，如电压、位移、角度等。在数学建模中引入面向对象思想的主要目的是为了简化复杂性。Modelica语言将面向对象看作为用于处理复杂大系统描述的一种模型组织概念，强调陈述式描述和模型的重用。Modelica语言以类为中心组织和封装数据，支持采用分层机制、组件连接机制和继承机制构建Modelica模型。Modelica模型实质上是一种陈述式的数学描述，这种陈述式的面向对象方式相比于一般的面向对象程序设计语言而言更加抽象，因为它可以省略许多实现细节，比如不需要编写代码实现组件之间的数据传输。Modelica语言采用数学方程而不是赋值语句定义类的行为。方程具有陈述式非因果特性，也就是声明方程时没有限定方程的求解方向，因而方程具有比赋值语句更大的灵活性和更强的功能。方程可以依据数据环境的需要用于求解不同的变量。这一特性大大提升了Modelica模型的重用性。方程的求解方向最终由仿真求解器根据方程系统的数据流环境自动确定。这意味着用户不必在建模时将以自然形式表述的方程转化为因果赋值形式，这极大地减轻了建模工作量，尤其是对复杂系统建模，同时也可以避免因公式的转化和推导而引起的错误，使得模型更加健壮。对于Modelica语言来说，构建非因果模型是一件很容易的事情。只要采用方程描述物理元件的基本规律或现象，并将组件之间的交互关系表示为非因果连接。陈述式程序设计思想是受到数学思想的启发而产生的。数学思想主张陈述或声明拥有什么，而不是象采用过程式语言所必须的那样，给出一个详细的过程式算法描述怎样实现既定目标。Modelica语言采纳了陈述式设计思想，其软件组件模型支持根据实际系统的物理拓扑结构组织构建仿真模型，即陈述式物理建模。物理元件对应模型的一个组件，物理元件之间的真实的物理连接对应于组件连接图中模型组件之间的逻辑连接。采用这种方式构建的物理系统的Modelica模型有着与实际系统类似的层次结构。此外，Modelica模型的组件连接图还可以粗略地表示实际物理系统的结构布局。基于物理系统数学表示的内在一致性，Modelica语言支持同一个模型容纳来自不同领域的模型组件，从而具备多领域统一建模能力。Modelica语言将任意领域元件的行为统一采用数学方程描述，将元件与外界的通讯接口统一定义为连接器。同一领域内的组件之间的通讯借助建立在相同类型的领域连接器之间的连接实现。正是基于这些特点,Dymola仿真软件采用Modelica语言对其所仿真对象进行建模。它可以应用于诸多工程领域。其特点为:能处理大型,异构领域中的仿真过程;图形化模块快速建模;开放的模块式结构;实时仿真。图3-1 仿真流程图模块化建模的基础是系统的可分解性，即系统可以分解为若干个存在相互作用的子系统，子系统本身作为系统又可以进一步进行分解。对每个子系统都建立模型，就形成了层次化的系统模型。理论上，系统进行分解是不受限制的，但合理地分解有助于系统模型的建立与维护。根据面向对象设计思想，涡扇发动机依据功能和物理结构可以被分解成相互作用的相对独立的“对象”部件。每个部件即为一个对象，该对象代表了部件的仿真计算模型。系统整体的仿真由传统的“过程”仿真转换为更能反应真实世界的对相互作用的“对象”的集合仿真。我们把模型分解成功能化的独立模块。每个模块完成该模型中的某一项仿真计算。这样的设计满足了层次化结构的要求，并易于建立可扩展的标准化模型。而建立模块化模型库的困难之处在于系统内相互作用（耦合）的表达 。在表达相互作用时，应尽量保证模块的数学独立性。本文引入势变量和流变量的概念，定义了一般意义下的流体子模块、容积子模块和惯性子模块等。对于由流体工质连接的子系统，分别选取压力和质量流量作为势变量和流变量。根据压力和质量流量之间的关系，定义了流体子模块和容积子模块。对于具有机械连接关系的子系统，分别选取扭矩和角位移作为势变量和流变量。根据扭矩和转速之间的关系，定义了惯性模块。对于存在热量传递关系的子系统，分别选取温度、压力和热流作为势变量和流变量。根据温度和热流之间的关系，定义了流体子模块和容积子模块。综上所述，本文以模块化建模思想作为建立本模型库的一个基本原则。同步电机各常量取值如下：Rs0.324Ohm，Rr0.04Ohm，Ls0.0021H，Lr0.001H，Vr0.108502；Z3；Lm0.0322H；同步电机的总体仿真模型如下图：图3-2 同步电机仿真总体图左端三相绕组的电流接口与电源相接, 右端机械法兰接口可以与转动机械负载相联，电机连接到稳定的50Hz，正弦输出380V的电压源，转子连接一个J0.43kg.m2的转动惯量，并连接一个速度传感器，以测其转动速度和转矩；转动惯量连接到负载，此负载在从t=0s开始上升，负载从0N.m上升到10N.m，历时1s。建立两个connector：MagP和MagN，如下图：图3-3 接口模块存在如下变量等式：partial model OnePort Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_x;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_y;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_x;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_y;equation Vmag_x=mag_p.Vmag_x-mag_n.Vmag_x;Vmag_y=mag_p.Vmag_y-mag_n.Vmag_y;0=mag_p.psi_x+mag_n.psi_x;0=mag_p.psi_y+mag_n.psi_y;psi_x=mag_p.psi_x;psi_y=mag_p.psi_y;end OnePort;建立接地模块：图3-4 接地模块model MagGround Magnetic groundMagP MagP1 annotation (extent=-10,30; 10,50);equation MagP1.Vmag_x=0;MagP1.Vmag_y=0;end MagGround;建立电阻模块：图3-5 电阻模块model MagResistance Magnetic resistance parameter Real N(final min=0)=1;parameter Modelica.SIunits.Inductance M=1;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_x;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_y;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_x;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_y;equation Vmag_x=mag_p.Vmag_x-mag_n.Vmag_x;Vmag_y=mag_p.Vmag_y-mag_n.Vmag_y;0=mag_p.psi_x+mag_n.psi_x;0=mag_p.psi_y+mag_n.psi_y;psi_x=mag_p.psi_x;psi_y=mag_p.psi_y;N*N*psi_x=M*Vmag_x;N*N*psi_y=M*Vmag_y;end MagResistance;构建同步电机励磁模块图3-6 励磁模块model MagSource Magnetic potential difference source parameter Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag=1;parameter Modelica.SIunits.Angle beta=1e-8;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_x;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_y;equation Vmag_x=MagP1.Vmag_x-MagN1.Vmag_x;Vmag_y=MagP1.Vmag_y-MagN1.Vmag_y;0=MagP1.psi_x+MagN1.psi_x;0=MagP1.psi_y+MagN1.psi_y;Vmag_x=Vmag*cos(beta);Vmag_y=Vmag*sin(beta);end MagSource;定转子电路中的线圈绕组耦合模块：图3-7 线圈绕阻耦合模块model MagCoupling Linear magnetic coupling extends Modelica.Electrical.Analog.Interfaces.OnePort;parameter Modelica.SIunits.Angle beta=1e-8 Mag.Field Orient.;parameter Real N(final min=0)=1 number of Turns;parameter Real K(final min=0)=1 scaling Factor;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_x;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_y;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_x;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_y;equation Vmag_x=mag_p.Vmag_x-mag_n.Vmag_x;Vmag_y=mag_p.Vmag_y-mag_n.Vmag_y;0=mag_p.psi_x+mag_n.psi_x;0=mag_p.psi_y+mag_n.psi_y;psi_x=mag_p.psi_x;psi_y=mag_p.psi_y;v=-N/K*cos(beta)*der(psi_x)-N/K*sin(beta)*der(psi_y);Vmag_x=N*K*i*cos(beta);Vmag_y=N*K*i*sin(beta);end MagCoupling;定转子之间的电磁关系很复杂，为了能在Dymola上实现同步电机仿真，将机电能量转换部分简化如下：图3-8 机电能量转化简图 并建立如下数学方程：model StatorRotor stator and rotor of electric machines parameter Real Z(final min=0)=1 number of Poles/2; Modelica.SIunits.Angle phi(final start=1e-8) rotational angle;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_1x port 1;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_1y port 1;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_2x port 2;Modelica.SIunits.MagneticPotentialDifference Vmag_2y port 2;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_1x port 1;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_1y port 1;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_2x port 2;Modelica.SIunits.MagneticFlux psi_2y port 2;equation Vmag_1x=mag_1p.Vmag_x-mag_1n.Vmag_x;Vmag_1y=mag_1p.Vmag_y-mag_1n.Vmag_y;Vmag_2x=mag_2p.Vmag_x-mag_2n.Vmag_x;Vmag_2y=mag_2p.Vmag_y-mag_2n.Vmag_y;0=mag_1p.psi_x+mag_1n.psi_x;0=mag_1p.psi_y+mag_1n.psi_y;0=mag_2p.psi_x+mag_2n.psi_x;0=mag_2p.psi_y+mag_2n.psi_y;psi_1x=mag_1p.psi_x;psi_1y=mag_1p.psi_y;psi_2x=mag_2p.psi_x;psi_2y=mag_2p.psi_y;flange_b.tau=Z*psi_2x*Vmag_2y-Z*psi_2y*Vmag_2x;phi=flange_b.phi*Z;0=psi_1x+psi_2x*cos(phi)-psi_2y*sin(phi);0=psi_1y+psi_2x*sin(phi)+psi_2y*cos(phi);Vmag_1x=Vmag_2x*cos(phi)-Vmag_2y*sin(phi);Vmag_1y=Vmag_2x*sin(phi)+Vmag_2y*cos(phi);end StatorRotor;根据同步电机原理，设计出同步电机仿真系统总体框图：图3-9系统仿真详细设计图4 仿真结果及分析电压流进电机内部，经过内部一系列作用后，输出定子、转子的电流响应如图（3-10、3-11），输出转子速度如图（3-12）。如图所示，定子电流在开始启动时，最高电流达到358.715A,转子电流最高达到510.354A，转子并不是一开始就以恒速转动，而是经历0.468s的上升时间，达到111.575r的超调量，随后在一个值的附近波动，并逐渐趋于稳定，在1.344s秒之后达到104.791r的稳定值。图3-10定子电流变化图图3-11 转子电流变化图图3-12 转子转速变化图为了获得更好的响应特性，使同步电机的响应时间更短，则采用一些合理的启动方式，传统的电动机的启动方式多以自耦减压、星三角启动为主，而后者的使用场合是有条件的，即它必须在启动转矩不太大的情况下才能使用。近年来，低压电动机的启动发展成为电子式的软启动和变频器启动，高压电动机的启动也发展成为了以液体电阻降压方式为主的启动，还有一部分采用了高压变频器启动；低压电动机的保护以往主要是采用带断相保护的热继电器来作过载保护兼作缺相保护，高压保护则采用传统的继电器来实现过流、过载、堵转等保护，一般情况下能较好地实现电动机的启动与保护。在此作者将采用串电阻启动方式，串电阻启动方式也是降压启动的一种方式，子绕组直接短路，电机的转速和转矩沿固有机械特性变化，直到电磁转矩与负载转矩TL相平衡，电机稳定工作在j点.在起动过程中，一般取起动转矩的最大值T.:为(1.52.2)TN(TN为额定转矩)，最小值T.:2为TN。如果电动机有举刷装t，起动过程结束后，应将三相滑环短接，然后举起电刷，以防止电剧磨损，并可减少裸损耗。接在转子回路中的起动电阻通常为星形连接.小型电动机配用的起动电阻是用金属电阻丝制成，浸在油内，以利散热。大型电动机的起动电阻，用铸铁电阻片或水电阻。转子串接三级电阻起动接线图为了能以较少数t的换接元件和电阻段数来得到较多的起动级数，有时也采用转子申接不对称电阻起动。先把绕线转子感应电动机或同步感应电动机的转子绕组与起动电阻申接起动，然后把电阻短路，使电动机作正常运行的起动方法。转子串电阻进行起动，可以提高起动转矩和减小起动电流，甚至可以获得最大起动转矩，因此常用于起动困难的机械中。为了在整个起动过程中得到比较大的加速转矩，并使起动过程平滑，起动电阻被分成几段，在起动过程中逐级切除。转子串接三级电阻起动接线分别为转子回路申人电阻。(R.tl+RstZ)和R川时电机的机械特性，转子回路不申电阻时电机的机械特性(固有机械特性)。开始起动时，nO，全部电阻接人，这时起动转矩为孔。随着转速上升，转矩沿曲线1变化，逐渐变小;当减小到孔。时，接触器QC3闭合.凡t3被切除，电机的运行点转矩跃升为只，电机的转速和转矩变化;待转矩又减小到孔。接触器QCZ闭合，电阻凡tZ被切除，电机的转速和转矩沿曲线3变化;最后当转矩减小到T，t2时，接触器QCI闭合，起动电阻全部切除在本设计中，作者将串电阻启动方式简化为将转子电阻设计成一个可变电阻，在刚开始仿真时以较高电阻接入，在同步电机稳定运行后以原参数电阻接入。在Dymola系统中设计转子电阻模块：图3-13 可变电阻模块仿真时在t=0时可变电阻值为0.2Ohm，在稳定后变为0.04Ohm；可变电阻的modelica代码如下：model VariableResistor Ideal linear electrical resistor with variable resistance extends Modelica.Electrical.Analog.Interfaces.OnePort;protected Modelica.SIunits.Resistance R;equation R = R_Port.signal1;v = R*i;end VariableResistor;可变电阻控制块Ramp的modelica代码如下：block Ramp Generate ramp signals parameter Real height:=1 Heights of ramps;parameter Real duration:(min=Modelica.Constants.small) = 2 Durations of ramps;parameter Real offset:=0 Offsets of output signals;parameter SI.Time startTime:=0 Output = offset for time startTime;extends Interfaces.MO(final nout=max(size(height, 1); size(duration, 1); size(offset, 1); size(startTime, 1