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电机系统建模与分析大作业

表1
不变
Ψf
Rq
Lq
B
J
增10%
减10%
增10%
减10%
增10%
减10%
增10%
减10%
增10%
减10%
iq上限
15.2
15.1
15.1
15.1
15.1
15.3
15.1
15.2
15.2
15.2
15.2
13.9
13.9
13.9
13.9
13.9
13.8
13.9
13.9
ω上限
(ωs=80)
87
88
86
87
88
87
87
87
88
88
87
ω下限
(ωs=80)
73
72
74
73
73
73
73
73
73
72
73
ω上限
(ωs=120)
123
123
122
123
123
123
123
122
124
123
123
ω下限
(ωs=120)
112
110
113
112
112
112
112
112
111
111
112
求解结果与原数据下计算结果相比,变化均小于2%,说明控制对参数不敏感,是robust的。
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ω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、
在Matlab环境下编写m文件实现上面的算法。
图9
3
将微分方程重写如下
从图5可以看到,当Ucd=200V,Ψf=1Wb,Rq=0.5Ω,Lq=0.05H,J=0.002kg/m3,B=0.1N/m时,iq的波动范围是13.9~15.2A,ω的波动范围是73~87rad/s(ωs=80rad/s),112~123(ωs=120rad/s)。
下面分别将Ψf,Rq,Lq,B,J增加或减少10%,计算并观察iq和ω的波动范围,结果如表1所示。

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(ωs)+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。

1
四阶龙格库塔法的精度是o(h5),取步长为0.005,此时计算结果(图6)与上面步长为0.00005已大不相同。
图6
2
定义flag=flag1*flag2,作出flag随时间的变化曲线如图7所示。
图7
图8
图8为图7的局部放大图,放大了功率管开关频率最快的时间段,此时fmax≈2kHz。功率管可以选用IRGI 4065(300V/28A),如图9所示,单只价格为¥2。
xlabel('t(s)');
ylabel('iq(A)/w(rad/s)');
axis([0 T -10 140]);
holdoff;

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73~87rad/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13.9~15.2A间波动(下面分析中的电流波动也是这种情况)。
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f=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0~0.2s是80rad/s,在0.2~0.4s是120rad/s,在0.4~0.6s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。
x=[iq;w];
xx=x;
cnt=1;
%用龙格库塔方法计算程序自己编!!!
while(t<T)
% Do
% It
% Yourself
end
%绘图
figure;
plot(tt,xx(1,:),'-r');
holdon;
plot(tt,xx(2,:),'-b');
gridon;
title('iq和w随时间变化曲线');
本科上机大作业报告
课程名称:
电机系统建模与分析
姓名:
许*
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
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。
图1
三、模型的
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
八、改进
1
将程序中Ih和Il分别设置为14.8和14.2,转速控制设置为ωs±1。计算结果如图10所示。
图10
电流波动在14.1~14.9之间,转速波动分别在75~86和115~122之间。经过调整,电流大小满足了设计要求,但是转速波动很大。此时功率管的开关频率为fmax=3.3kHz。
若转速控制设置为ωs±0,即不用滞环控制,则转速波动较小,如图11所示,此时fmax=3.3kHz。
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;
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iq<0的情况,原来iq<0时转速下降很快,图5显示实际情况转速下降的要慢一些。
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