1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 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。 在开始本设计之前，首先对 同步电机的工作原理以及 MATLAB/SIMULINK 工程软件建模的一般流程都能够熟练的掌握。本设计 采用了 同步电机
2、中的凸极机，开始的时候，对 仿真系统总体设计方案的确定，依次对电源模块， abc/dq 坐标转换器模块以及控制系统模块进行设计。 在不考虑一些使算法变得较为复杂的因素后，对其内部电流、电压、磁通及转矩的相互关系进行一系列的定量分析，并 建立了简化的数学模型。在使用 MATLAB 中用于仿真模拟系统的 SIMULINK 对系统启动进行仿真，在经历了一开始的振荡后，会输出相对输出较稳定的时间响应。 关键词 ： 同步电机，模块， MATLAB/SIMULINK，仿真。 II Based on MATLAB/SIMULINK salient pole synchronous motor of mode
3、ling and simulation - the power modules, abc/dq coordinates converter module, control system module design Abstract As is known to all, the mathematical model is more electrical variable, strongly coupled nonlinear system. In nonlinear system of the chaos and branch phenomenon is the current study h
4、otspot in nonlinear science, in theory, computer simulation and experiment have some research results, this paper puts forward some methods. At the start of this design, first of synchronous motor before the working principle and MATLAB/SIMULINK engineering software modeling the general flow of can
5、manipulate. The design has adopted the saliency machine synchronous motor, when beginning, overall design scheme of simulation system to determine the order, the power modules, abc/dq coordinates converter module and control system module design. Without considering some make algorithm are getting c
6、omplicated factors, in their internal current, voltage, the flux and the torque mutual relations between the series of quantitative analysis, and established a simplified mathematical model. In the use of MATLAB simulation system used in the simulation of SIMULINK system startup, experienced in the
7、beginning of the oscillation, will output a stable time relative output response. Keywords: synchronous machine， module, MATLAB/SIMULINK, simulation. III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 2 1.3 仿真与仿真软件的国内外发展现状 . 3 1.3.1 系统仿真技术概述 . 3 1.3.2 系统仿真软件的研究现状 . 4 1.3.3 MATLAB 概述 . 5
8、 1.3.4 SIMULINK 概述 . 6 1.4 课题研究的主要内容 . 7 2 设备方案设计与总体设计 . 8 2.1 理想同步机假设 . 8 2.2 abc/dq 模型的建立 . 8 2.3 仿真系统总体设计 . 12 2.3.1 总体设计的系统对象 . 12 2.3.2 总体设计的系统分块 . 14 2.3.3 控制反馈环节 . 16 3 仿真系统详细设计 . 18 3.1 总体设计 . 18 3.2 具体设计 . 19 3.2.1 电源模块 . 19 3.2.2 abc/dq 转换器 . 20 3.2.3 控制系统模块设计 . 21 3.2.4 电机模块 . 23 3.2.5 控制
9、反馈环节 . 23 4 系统仿真运行 . 24 结论 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 31 基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机 械装置。就能量转换的功能来看，电机可分为发电机和电动机两大类。发 电机用以把机械能转换为电能，在发电站中，通过原动机先把各类一次能源蕴 藏的能量转换为机械能，然后通过发电机把机械能转换为电能，再经输、配电 网络送往各种场合供公众使用。电动机把电能转换为机械能，用来驱动各种用 途的生产机械和装置，满
10、足不同地方的需求。在电力工业中，发电机是生产电 能的主要设备 ；变压器是变电站输、配电线路中对电压进行变换的主要设备； 在机械、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、交通运输和家用电器等行业中，电 动机是各种生产机械的主要动力设备；在国防和民用的各种自动控制系统中， 控制电机是重要和不可缺少的元件。 经过 50 年的努力，从仿制阶段到自行设计阶段一直到 研究、创新阶段，我国已经建立起自己的电机工业体系，有了统一 的国家标准和产品系列，建立了全国性的研究实验基地和工程技术人员队伍。 在中、小型和微型电机方面，已开发 25 个系列、上千个品种、几千个规格的各种电机 。在特殊电机方面，随着新的永磁材料的 出
11、现，制成了许多高效节能、维护简单的永磁 电机。由于电机和电力电子装置、单片微型计算机相结合，出 现了各种性能的“一体化电机”。 同步电机是一种常用的交流电机。若电网的频 率不变，则稳态运行时同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。从 原理上看，同步电机既可以作为发电机，也可用作电动机或补偿机。现代水电 站、火电站和核电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和 电力系统中，同步电动机和补偿机用得同样也不少。 1.2 课题的意义 工厂自动化的不断完善是过去几十年中世界工业进步的一个重要因素。在上个世纪 70 年代 初，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
12、究高性能的交流调速系统，期望来节约能源。经过十年左右的努力，到了 80 年代，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。此后，高性能交流电机的研究从未再停止过。电机的数学模型是多变量、强耦合的非线性系统。在理论上，计算机仿真以及实验中都能够有一些研究成果，并提出了一些方法。但要从理论上研究一个非线性动力系统比较困难，因此我们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基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 2 有两条途径：一是 消除非线性 ，二是减少系数。 在设 计过程中使用 MA
13、TLAB 中的 SIMULINK 使用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。 MATLAB 中的动态建模、仿真工具 SIMULINK 具有模块组态方便，性能分析直观等优点，可缩短产品的设计开发过程，也可以给教学提供了虚拟的实验平台。因此研究该课题具有实际意义。 同步电机转速与电源频率严格保持同步，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就不变。电钟和记录仪表的定时旋转机构以及大型同步电 动机直流发电机组无不利用了转速恒定的特点。同步电动机还有一个优点，即可以控制励磁来调节功
14、率因数，功率因数可提高到 1.0 或者更高。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，同步电动机也进入了调速电机的大家庭。阻碍到同步电动机广泛应用的问题已经得到了有效的解决。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。 1.3 仿真与仿真软件的国内外发展现状 1.3.1 系统仿真技术概述 系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的， 以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和住处资料对试验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性的和试
15、验性的学科。模拟和仿真模拟技术是指使用仪器设备、模型、计算机虚拟技术，以及利用场地、环境的布置，模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标、动作要求，进行科学研究、工业设计、模拟生产、教学训练和考核鉴定等的一项综合技术。 仿真科学与技术是以相似理论、模型论、仿真系统理论、仿真方法论、仿真可信性理论和仿真应用理论为基本理论，以仿真应用领域有关专业技术 为基础，以计算机与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或假想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、实验、评估、运行、维护和报废活动的一门由多学科综合而成的新学科。 面对 21世纪的知识经济和多学科互相交叉渗透的特点，以建模和仿真为基础
16、的系统仿真技术和虚拟技术将对工业、农业、国防、环境、训练和教育等领域的发展产生重大影响。虚拟设计、虚拟样机、虚拟制造等技术将对产品的传统设计方法带来变革。通过仿真技术可以对客观世界中已经发生、正在发生和尚未发生的客观事物进行分析研究。系统仿真技术在未来将会有更加 广阔的发展和应用前景。 基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 3 仿真系统的可信度是仿真系统的使用者对应用仿真系统在一定环境、一定条件下仿真试验的结果，解决所定义问题正确性的信心程度。可信度是由仿真系统与原型系统之间相似性决定的仿真系统与仿真目的相
17、适应的程度。逼真度描述的不是仿真对某种特定应用需求的满足程度，而是仿真对仿真对象的复现程度。逼真度考查的是仿真系统或子系统的外在特性，主要是输入和输出之间的关系而非系统或子系统本身的实现方式或手段。 数学仿真也称计算机仿真，就是在计算机上实现描写系统物理过程的数学模型，并在这个模型上对系统进行定量的研究和 实验。这种仿真方法常用于系统的方案设计阶段和某些不适合做实物仿真的场合（包括某些故障模式）。它的特点是重复性好、精度高、灵活性大、使用方便、成本较低、可以是实时的、也可以是非实时的。数学仿真的逼真度和精度取决于仿真计算机的精度和数学模型的正确性与精确性。数学仿真可采用模拟计算机、数字计算机和
18、数字 -模拟混合计算机。 半物理仿真采用部分物理模型和部分数学模型的仿真。其中物理模型采用控制系统中的实物，系统本身的动态过程则采用数学模型。半物理仿真系统通常由满足实时性要求的仿真计算机、运动模拟器（一般采用三轴机械转台 ）、目标模拟器、控制台和部分实物组成。控制系统电子装置和敏感器安放在转台上。 半物理仿真的逼真度较高，所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性，进行故障模式的仿真以及对各研制阶段的控制系统进行闭路动态验收试验。此外，用航天仿真器来训练航天员和用飞行仿真器来训练飞行员也属于半物理仿真性质，后者更着重于视景模拟和人机关系。以仿真计算机实现系统模型和以航天器计算机或控制系统电子
19、线路为实物的闭路试验，也可认为是半物理仿真，这种仿真重点在于检验控制计算机软件的正确性或研究控制方式中某些功能和参数。 半物理仿真的逼真 度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能，转台和各目标模拟器的性能。通常对三轴机械转台的要求是精度高、转动范围大、动态响应快和框架布置不妨碍光学敏感器的视场。半物理仿真技术是现代控制系统仿真技术的发展重点。 全物理仿真全部采用物理模型的仿真，又称实物模拟。例如航天器的动态过程用气浮台 (单轴或三轴 )的运动来代替，控制系统采用实物。因为实物是安放在气浮台上的，这种方法很适合于研究具有角动量存贮装置的航天器姿态控制系统的三轴耦合，以及研究控制
20、系统与其他分系统在力学上的动态关系。在对航天器姿态控制 系统进行全物理仿真时，安装在气浮台上的实物应包括姿态敏感器（见航天器姿态敏感器）、控制器执行机构（见航天器姿态控制执行机构）和遥测遥控装置和有关的分系统。目标模拟器、环境模拟器和操作控制台均设置在地面上。航天器在空间的运动是由气浮台来模拟的，所以全物理仿真的逼基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 4 真度和精度主要取决于气浮台的性能。对气浮台的要求是空气轴承的摩擦力矩和涡流力矩小，垂直负载能力和横向刚度大，气浮台动、静平衡好。全物理仿真技术复杂，一般只
21、在必要时才采用。 1.3.2 系统仿真软件的研究现状 随着仿真技术的发展，仿真产业俨然已经成为具有相 当规模的新型产业，并广泛应用于国防、能源、电力、交通、物流、教育、航天航空、工业制造、生物医学、医疗、石油化工、船舶、汽车、电子产品、虚拟仪器、农业、体育、娱乐、社会经济运行、环境及安全科学等等领域。 近年来，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。 仿真将是支持研究各类复杂系统生命周期的必要手段。仿真系统是预估其安全性的有效工具，因此仿真系统自身的可信
22、度就变得非常 重要。从理论上建立仿真系统的评估体系及相应的方法、工具是推动仿真技术应用的重要研究方向。 先进的分布式仿真技术的发展，在 2l 世纪，可能将分布在各个应用领域的人员和资源集成为一个大型仿真环境。它将打破各个领域的界限，使人们在仿真环境里对拟定的设想和任务进行研究、分析。 仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在 2l 世纪，仿真技术的发展必将对经济、 社会以及人们的观念产生巨大影响。 又比如工程方面的系统仿真。 工
23、程系统的仿真，起源于自动控制技术领域。从最初的简单电子、机械系统，逐步发展到今天涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控制器和执行机构两个方向上飞速发展。控制器的仿真软件，在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。随着执行机构技术的发展，机、电、液、热、气、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提升到了前所未有的水平。相对控制器本身的发展，凭借新的加工制造 技术的支持，执行机构技术的发展更加富于创新和挑战，而对于设计、制造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化系统也提出了更
24、高的要求。 工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。工程师不必是精通数值算法和仿真技术的专家，而只需要关注自己的专业对象，基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 5 其他大量的模型建立、算法选择和数据前 后处理等工作都交给软件自动完成。这一技术特点极大地提高了仿真的效率，降低了系统仿真技术的应用门槛，避免
25、了因为不了解算法造成的仿真失败。在通过建立虚拟产品进行开发和优化过程中，关注以各种特征值为代表的系统性能，实现多方案的快速比较。随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。要求仿真工 具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的 PDM/PLM平台上。同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真
26、要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不断改进 GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易用的强大工具。提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开 发要求。在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共
27、享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。 1.3.3 MATLAB 概述 MATLAB 是世界流行的优秀科技应用软件之一。具有功能强大 (数值计算、符号计算、图形生成、文本处理及多种专业工具箱 )、界面友好，可二次开发等特点。在国内外，已有许多高 等院校将其列为本科生、研究生和博士生必须掌握的基本技能。 MATLAB 是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。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。 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
28、决很多技术计算问题，尤其是带有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 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。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。美国许多基于 MATLAB/SIMULINK 的凸极同步电机建模与仿真 -电源模块、 abc/dq 坐标转换器模块、控制系统模块设计 6 大学的实验室都安装有 MATLAB，供学习和
29、研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的 SIMULINK 是用于在 MATLAB 下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的 试验平台。 MATLAB 是美国 MATHWORKS 公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。 MATLAB 主要由 MATLAB 主程序、 SIMULINK 动态仿真系统和 MATLAB 工具箱三大部分组成。其中 MATLAB 主程序包括 MATLAB 语言、工作环境、句
30、柄图形、数学函数库和应用程序接口五个部分； SIMULINK是用于动态系统仿真的交互式系统，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟系统并能动态地控制该系统 。 工具箱则是 MATLAB 的基本语句编写的各 种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题或实现某一类的新算法，是开放的，可以根据需要扩充。 MATLAB 最基本、也是最重要的功能就是进行实数矩阵或者复数矩阵的运算。由于向量可作为矩阵的一行或者一列，标量（一个数）则可以作为只含有一个元素的矩阵，故向量和标量都可以作为特殊矩阵来处理。MATLAB 的操作和命令对于矩阵而言，和我们平时使用的形式很相似，但它还有自己的一些规定。 1.3.4 SIM
31、ULINK 概述 SIMULINK 为 MATLAB 提供一个 动态系统 建模、仿真和综合分析的集成环境 ，是 MATLAB 重要的组件。 在该环境中无需书写大量 的 程序，只需通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 SIMULINK 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 SIMULINK 已被广泛应用于控制理论和 数字信号处理 的复杂仿真和设计。同时有大量的 第三方软件 和硬件可应用于或被要求应用于 SIMULINK。 SIMULINK 提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程 式而言有了极大的进步。SIMULINK 拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。 在定义了一个模型后，就可以进行仿真了 具，它们可以从 MATLAB命令行直接访问，同时还有很多 MATLAB的 TOOLBOXES中的工具。因为 MATLAB和SIMULINK是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在 两者中的任一环境中进
