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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
I
摘 要
MATLAB 凭借其强大的矩阵计算和数值计算能力、出色的数据图形可视化技术
及日益丰富的 Simulink 动态仿真模型库,成为电机电气自动化领域首屈一指的计算机
仿真平台。进一步探索高效的机电动力系统 MATLAB 建模与仿真方法具有重要的意
义。本文通过大量的仿真实验研究了非库有模块和复杂控制系统的建模方法,并建立
自定义模型库以提高仿真开发效率。
论文首先以异步电机为例,针对模块法搭建比较繁琐且容易出错的情况,探索使
用 S-函数构造并封装非库有模块的建模新方式,大大简化了建模过程。特别的,对异
步电机带负载启动仿真过程中转速出现负值的现象进行了分析,给出了合理解决方
案;引入非定常参数概念,建立了轴系转动惯量随负载变化的异步电机仿真新模型。
新的仿真模型更准确、更接近工程实际,为后续研究提供了更为灵活而有效的方法。
其次,通过异步电机变压变频启动、矢量控制系统和直接转矩控制系统仿真研究,
提出了将复杂机电动力系统的数学模型向仿真模型转化的建模方法,即先根据系统原
理将其模型按功能分成若干个子系统,再对各个子系统分别建模、封装、调试,最后
将其有机组合。进一步地,利用上述仿真建模方法,依次对永磁同步电机空间矢量控
制和直接转矩控制系统、无刷直流电机双闭环调速系统和直接转矩控制系统进行了仿
真实验研究。大量仿真实践验证了所提出的仿真建模方法的灵活性和有效性,同时也
为机电动力系统仿真在机电一体化系统中的应用提供了技术参考。
最后,针对 MATLAB 自带模型库的局限性,总结了在 MATLAB/Simulink 平台上
构造并封装的电机本体及电源等非库有模块,将其集成添加到自定义模型库中,丰富
和完善了 MATLAB 模型库,供用户调用以提高仿真开发效率。
关键词:机电动力系统,数字仿真,建模方法,S-函数,模块封装
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
II
Abstract
MATLAB has been the chief computer simulation platform in the field of electric
machinery and electric automation, due to its advantages of powerful matrix and numerical
computing, outstanding visual data processing and richer simulation model library. It's
obviously that exploring effective modeling and simulation methods of electrical machine
dynamics based on MATLAB will make a significant sense. A lot of research is conducted
to investigate the modeling methods of non-library models and complex control systems in
this paper, and user-defined model library is established to improve simulation efficiency.
Firstly, taking induction machine as an example, a new way of building and packaging
non-library models by using S-function is probed and the process of modeling is simplified
greatly compared to using modules. The phenomenon that speed appears negative when
induction machine starts with load in simulink is studied and a reasonable solution is given;
then an improved induction machine model in which rotational inertia changes with load is
proposed by introducing the concept of non-stationary parameters. The new simulation
model is more accurate, and flexible and effective modeling methods are provided.
Secondly, the transformation of mathematical model to simulation model for complex
electrical machine dynamics is presented based on the research of induction machine
VVVF starting model, VC system and DTC system, that is, the model should be devided
into several subsystems according to its principle and funtion, then subsystems are builded,
packaged, tested and organized. Following that, a series of control systems are analysed and
simulated by using method mentioned above, such as the SVPWM controlled PMSM, DTC
system of PMSM, double closed-loop speed control system of BLDCM and BLDCM DTC
system. The simulation results prove the flexibility and validity of the method, and provide
technical reference for the application of electrical machine dynamics simulation in
mechanical-electrical integration system.
Finally, aiming at the shortage of the MATLAB model library, non-library models
builded and packaged in MATLAB/Simulink platform are summarized, they are integrated
and added to user-defined model library to enrich and consummate MATLAB model library,
so that users can call the models directly and simulation efficiency is improved.
Keywords:
Electrical machine dynamics, Digital simulation, Modeling method, S-Function,
Module packaging
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
III
目 录
摘 要 .................................................................................................................................... 1
Absract .................................................................................................................................... II
1 绪论 ................................................................................................................................. 1
1.1 课题研究背景及意义 .................................................................................................... 1
1.2 机电动力系统仿真存在的问题 .................................................................................... 2
1.3 主要研究内容 ................................................................................................................ 3
2 机电动力系统建模及封装方法 ..................................................................................... 5
2.1 建模步骤及方法 ............................................................................................................ 5
2.2 专题讨论 ...................................................................................................................... 10
2.3 本章小结 ...................................................................................................................... 13
3 异步电机系统仿真探讨 ............................................................................................... 14
3.1 异步电机变压变频启动 .............................................................................................. 14
3.2 异步电机矢量控制 ...................................................................................................... 19
3.3 直接转矩控制 .............................................................................................................. 23
3.4 本章小结 ...................................................................................................................... 30
4 永磁同步电机系统仿真研究 ....................................................................................... 31
4.1 PMSM 数学模型 .......................................................................................................... 31
4.2 空间矢量控制 .............................................................................................................. 32
4.3 直接转矩控制 .............................................................................................................. 37
4.4 本章小结 ...................................................................................................................... 39
5 无刷直流电机系统仿真研究 ....................................................................................... 40
5.1 BLDCM 数学模型 ....................................................................................................... 40
5.2 双闭环控制 .................................................................................................................. 41
5.3 直接转矩控制 .............................................................................................................. 46
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IV
5.4 本章小结 ...................................................................................................................... 49
6 Simulink 工具箱拓展 ................................................................................................... 50
6.1 仿真工具箱的拓展 ...................................................................................................... 50
6.2 建立自定义模型库 ...................................................................................................... 54
6.3 本章小节 ...................................................................................................................... 55
7 总结与展望 ................................................................................................................... 56
致 谢 .................................................................................................................................. 58
参考文献 .............................................................................................................................. 59
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
电机是依据电磁感应定律和电磁力定律进行机电能量转换、信号传递与转换的装
置。其起源可追溯到 19 世纪初,1831 年法拉第(Faraday)发现了电磁感应定律,1832
年皮克西(Pixii)制作出第一台原始型旋转磁极式直流发电机。19 世纪 80 年代人们的注
意力逐渐向交流电机转移,1885 年费拉里斯(Ferraris)和特斯拉(Tesla)分别独立发明了
两相感应电动机,在此基础上,多利夫-多布罗夫斯基(Doliv-Dobrovsky)于 1889 年设
计和制造了第一台三相感应电动机。作为电能生产、传输、使用和特性变换的核心设
备,电机在工业生产和日常生活中扮演着越来越重要的角色,到了 20 世纪,工业的
高速发展不断对电机提出更高、更新的要求,为满足自动化的特殊需要不同的电机控
制方法和新型、特种电机逐渐被提出。
随着计算机技术日新月异的发展,越来越多的新理论、新方法应用于电机设计,
特种电机成为电机未来重要的发展趋势之一。永磁同步电机因结构简单、体积小、效
率高、转矩电流比高、易维护,在数控机床、航天航空、机器人等高精度伺服控制系
统中得到广泛的应用;轴向叠片各向异性转子磁阻同步电机因其高凸极比(L
d
/L
q
)而具
有高转矩密度、快速动态响应、低转矩脉动、低损耗等优点,在变速传动领域具有广
阔的应用前景
[1]
;永磁直线同步电机具有推力大、速度快、高效率、牢固性高等特点,
因此在数控机床、工业机器人等场合得到广泛应用
[2]
;超声波电机是一种新型直接驱
动电机,具有控制精度高、低速大转矩、力矩密度大等传统电机无可比拟的优点,在
大转矩驱动领域有着广泛的应用前景
[3]
;ALA+SPM 组合转子电机兼有 ALA 转子电机
宽弱磁调速范围和永磁同步电机高效、高功率密度的双重优点
[4]
,具有很高的理论研
究和实际应用价值。
同时,随着电力电子技术的发展,不同的电机控制方法被提出,机电一体化的概
念逐渐深入人心。1971 年德国学者 F.Blaschke 等人提出交流电动机的矢量控制原理,
这种通过磁场定向构成的交流闭环控制系统在理论上可以获得与直流调速系统相媲
美的静、动态性能
[5]
,矢量控制首先应用于三相感应电动机,随后很快推广到三相永
磁同步电动机。1985 年德国鲁尔大学 M.Depenbrock 教授提出了基于六边形乃至
圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论
[6]
,同年,日本的 Takahashi 提出了圆形磁链运
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