【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 紹一下 MATLAB 的主要特點(diǎn)。 1） 語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。 MATLAB 程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的 子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f，用 MATLAB 進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。 2） 運(yùn)算符豐富。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫， MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用 MATLAB 的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。 3） MATLAB 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如 for 循環(huán)， while 循環(huán)， break 語句和 if 語句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴? 4） 程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在 MATLAB 里，用戶無需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。 5） 程 序的可移植性很好，基本上不做修改就可以 在 各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 6） MATLAB 的圖形功能強(qiáng)大。在 FORTRAN 和 C 語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。 MATLAB 還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 7） MATLAB 的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于 MATLAB 的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序解釋執(zhí)行，所以速度較慢。 8） 功能強(qiáng)大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。 MATLAB 包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部 函數(shù)。其工具箱有分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如 control、 toolbox、 signl processing toolbox、 mumnication toolbox 等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域 學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高 、 精 、 尖的研究。 9） 源程序的開發(fā)性。開放性也許是 MATLAB 最受人們歡迎的 特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。 1990 年， Math Works 軟件公司命名為 SIMULAB,1992 年正式將該軟件更名為 SIMULINK，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段 SIMULINK 的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能： Simu(仿真 )和 Link(連接 )，即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。 MATLAB 語言及其 SIMULINK可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，使用 SIMULINK 可以迅速建立各種線形或非線性系統(tǒng)模型，用戶可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，而且仿真速度比使用 MATLAB 語言更快。 MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真環(huán)境，它能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的 環(huán)境集成，且可以根據(jù)設(shè)計(jì)及使用要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)工作的性能，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目的。在此環(huán)境下，用戶可以點(diǎn)擊拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對(duì)系統(tǒng)和電路的仿真。 SIMULINK與 MATLAB語言的主要區(qū)別在于使用戶把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。 SIMULINK 提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型（以 .mdl 文件進(jìn)行存取），進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 MATLAB 仿真工具箱簡(jiǎn)介 MATLAB/SIMULINK 是 MATHWORKS 公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的工具軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境 SIMULINK。SIMULINK 可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。用戶進(jìn)行仿真時(shí)很少需要程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究 。 下面就本論文工作中使用的仿真工具 作簡(jiǎn)單介紹。 SIMULINK仿真工具箱包括了專用于電力電子、電氣傳動(dòng)學(xué)科進(jìn)行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫（ SIMPOWER SYSTEM）。運(yùn)行 SIMULINK 以后，打開 SIMPOWER SYSTEM，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫的各個(gè)子模塊。也可以在 MATLAB 的命令窗口，直接鍵入 POWERLIB 以調(diào)用電氣系統(tǒng)仿真基本模塊。電氣系統(tǒng)模塊庫 主要 包括以下七個(gè)子模塊： 1） 電源模塊：包括直流電壓源、 交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等； 2） 基本元件庫：包括串聯(lián) RLC 負(fù)載、串聯(lián) RCL 支路、并聯(lián) RCL負(fù)載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、 N 相分布參數(shù)線路、單相 π相集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等； 3） 電力電子模塊庫：包括 二極管、晶閘管、 MOSFET、 GTO、理想開關(guān)和一個(gè)多功能橋等 。為滿足不同的仿真要求并提 高仿真速度還設(shè)有晶閘管簡(jiǎn)化模型； 4） 電機(jī)模塊庫：包括激磁裝置、 勵(lì)磁裝置、 水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、 異步電動(dòng)機(jī) 、同步電機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電機(jī) 等 ； 5） 連接模塊庫： 提供組織電力電子仿真線路的各連接件 ，包括地、中性線和母線（公共點(diǎn)）等； 6） 測(cè)量模塊庫： 包括電流測(cè)量和電壓測(cè)量和電抗的測(cè)量模塊等； 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 7） 附加電氣系統(tǒng)模塊庫：包括 均方根 測(cè)算 、 有功與無功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、 同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器 以及三相庫 等 ； 在以上模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝成常用的較復(fù)雜的模塊，添加到所需的模塊中去。 本文主要 任 務(wù) 本文立題 為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究?jī)?nèi)容： （ 1） 建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義； （ 2） 介紹永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程； （ 3） 介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)； （ 4） 建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型； （ 5） 對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 第二章 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)的概述 同步電機(jī)的基本工作原理 同步電動(dòng)機(jī)是一種交流電動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)是 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)定子電流頻率以及電動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。普通同步電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動(dòng)機(jī)定子有定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種結(jié)構(gòu)形式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形且其氣息均勻，而凸極式轉(zhuǎn)子的磁激明顯凸出且氣息不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。一般而言，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組套在轉(zhuǎn)子磁極鐵芯上 ，而經(jīng)由電刷和集電環(huán)引入的勵(lì)磁電流應(yīng)能使轉(zhuǎn)子磁激的記性呈現(xiàn) N， S 極交替排列。 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 ，就是電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁場(chǎng)拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組介入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接入直流而形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： Pf60nn nss ?? ，式中 fs 為電源頻率； Pn 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)； ns 為同步轉(zhuǎn)速。 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其分類 （一） 基本結(jié)構(gòu) ： 與傳統(tǒng)電機(jī)一致，永磁同步電 機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y 型連接的對(duì)稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 如果在三相空間對(duì)稱的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在空間旋遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁 轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為 Pf60nn nss ?? ，式中 fs 為電源頻率； Pn 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì) 數(shù)； ns 為同步轉(zhuǎn)速。 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。日前，永磁同步電機(jī)常用的永磁材料是釹鐵硼合金 （ Nd Fe B） 和釤鈷合金（ SmCo5，SmCo17）。從永磁體安裝方式上，轉(zhuǎn)子分為表面粘貼式、表面插入式和內(nèi)置式，如圖 21 所示。 圖 21 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 其中圖 21(a)為表面粘貼式，圖 21(b)為表面插入式，圖 21(c)為內(nèi)置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導(dǎo)率近似等于真空磁導(dǎo)率，對(duì)于圖 21(a)所 示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交 軸 、直軸電感相等， 即 Ld =Lq ,表現(xiàn)出隱極性質(zhì)。而對(duì)其他結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此 Ld Lq ，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。前兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常呈現(xiàn)瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉(zhuǎn)子直徑，從而降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可以獲得低電感，有利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改 善。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常為條狀，位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，提供的磁通方向與轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合。 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁 對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢(shì)，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。通過合理的設(shè)計(jì)，表面式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦波反電勢(shì)。 （二） 分 類： 永磁同步電機(jī)的分類方法很多。按轉(zhuǎn)子上有無起動(dòng)繞組，可分為異步起動(dòng) 永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)（無起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)）；根據(jù)永磁鐵的形狀的不同，可分為表面式和嵌入式；根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的不同，將永磁同步電機(jī)氛圍正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，正弦波永磁同步電機(jī)稱為永磁同步電機(jī) ；按工作磁場(chǎng)方向不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式；按電驅(qū)繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；根據(jù)極對(duì)數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機(jī)和多機(jī)永磁同步電機(jī)；因?yàn)樵诳刂粕细咏谥绷麟姍C(jī)的控制，梯形波永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。 由于永磁同步電機(jī)中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以 電機(jī)效率會(huì)增加。永磁同步電動(dòng)機(jī)不存在相間換流時(shí)的沖擊電流，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)低于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用 現(xiàn)在 永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī) 功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。在永磁同步電機(jī)中，用于勵(lì)磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁繞組，從而勵(lì)磁銅耗得以消除，轉(zhuǎn)子慣性也相應(yīng)的降低，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增 大氣隙磁密，電機(jī)轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。這些原因使其具有了普通電機(jī)所不具備的顯著特點(diǎn)，即：輕型化、小尺寸、高性能化和高效節(jié)能。雖然永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有如下共同的特點(diǎn)： (1)體積小、質(zhì)量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大的提高，與同容量的異步電機(jī)相比，體積和質(zhì)量都有遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁 明顯的減小，使其適合應(yīng)用在許多特殊場(chǎng)合。 (2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù) ，減小定子銅耗。而且永磁同步電機(jī)在25%120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。 (3)磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。 (4)可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)械和電氣損耗，而且還不會(huì)產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、運(yùn)行可靠。 (5)具有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速同步性和比較寬的調(diào)速范圍。對(duì)于要求多臺(tái)電 動(dòng)機(jī)同步 運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，變頻電源可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，且調(diào)速控制方便，并在所有頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。 (6)永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是失去了勵(lì)磁調(diào)節(jié)的靈活性；可能會(huì)出現(xiàn)退磁效應(yīng)；釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)較高，造成其磁性能和熱穩(wěn)定性較差；由于材料中含有大量的釹和鐵，容易銹蝕等