同步电机模型的MATLAB仿真系统的设计
摘要 ：本文针对同步电机内部电流、电压、磁通、磁链及转矩关系进行了定量分析，建立了abc三相变量上的数学模型，转换成计算机控制的d/q坐标下的模型。再使用MATLAB中仿真模拟系统对各个部分进行封装及连接。系统启动仿真后，各输出相对于输出时间的响应较稳定。
关键词：同步电机 d/q模型 MATLAB SIMULINK 仿真。
引言
1.1 引言
世界工业进步的一个重要因素是过去几十年中工厂自动化的不断完善。在上个世纪70年代初叶，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究高效高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。经过十年左右的努力，到了80年代大见成效，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。从此以后，高性能交流电机的研究从未再停止过。
近十年来，我国电机生产企业经历了快速发展，积累了丰富的制造经验，也培养了很多专业人才，在新产品开发方面硕果累累，2002～2003年，电机企业的利润率高达30%，但近几年企业的利润率却不断下滑，维持在18%左右。原材料涨价对电机行业造成很大冲击，电机的主要材料是铜、硅钢片、钢板等，而这几类恰恰是近年来价格涨幅最大的，为了缓解涨价对生产造成的影响，除了适当调整电机产品价格之外，我国电机制造企业还应提升电机的技术性能和制造工艺，使其向小型化、精细化发展，减少材料使用量。同时，还应提升专业化水平和专业化布局，提高企业的资金利用率，提高零部件的专业化设计和制造水平，集中资源开发新产品和灵活经营。做到这一点需两大重要因素的配合：管理现代化和技术标准化。企业必须具备较强的管控能力，要具有很高的零部件通用化程度，目前，国内部份电机企业的目标仍将利润率保持在20%以上，在现有人员和装备水平的基础上，实现接单量快速增长，并开发适应市场需求的产品，随着科技的不断发展，很多领域都为电机制造业提供了新的发展机遇，如航空、航海对电机的需求不断增大。近年来迅猛发展的风力发电，也给电机企业带来了新的经济增长点。目前，国内外一些著名的电机厂商都在大力开发相关产品。在余热发电方面，水泥窑、钢铁厂的高炉风机容量越来越大，但这一市场基本被abb、西门子等知名企业所垄断。目前，上海电机厂正与陕西鼓风机厂、沈阳鼓风机厂等合作开发大容量高炉风机，力争快速进入这一领域，以上海电机厂为例，原来企业50%以上的产品用于火电领域，现在要调整产品结构，向船舶、航运等非电力系统发展。预计未来几年，上海电机厂应用于火电领域的产品比例将会下降至30%左右。
目前，国产电机主要应用于中国市场，而印度、巴西等新兴国家在工业化进程中又亟需大量电机产品，市场潜力不可小觑。以上海电机厂为例，其产品主要出口到东南亚市场，2007年的出口额突破了1亿元人民币，今年将会超过2亿元人民币。此外，该厂今年还有大批产品出口到美国和西班牙，欧美发达国家的电机市场同样极具发展前景。我国电机产品在质量上与外商区别不大，而价格却不到他们的一半，有较强的竞争优势。但欧美市场技术壁垒较多，大都需要产品认证，国内企业在这方面做得还比较少。我国电机企业应进一步努力向高端发展，建立自主品牌，拓展海外市场，保障产品质量和售后服务，向航空、航海、军工、核电以及特种电机等新领域发展。此外，还应与国内外重大客户建立合作伙伴关系，利用其渠道推广自己的产品。同时还要学习他们的管理经验，提高生产、研发和销售水平。
而且众所周知，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。但要从理论上研究一个非线性动力系统，一般比较困难，我们往往希望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，有两条途径：一是减少系统的维数；二是消除非线性[1]。
1.2 同步电机概述
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[2]。
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。
1.3 系统仿真技术概述
仿真模型:仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式。它可以是物理模型或数学模型。但并不是所有对象都能建立物理模型。例如为了研究飞行器的动力学特性，在地面上只能用计算机来仿真。为此首先要建立对象的数学模型，然后将它转换成适合计算机处理的形式，即仿真模型。具体地说，对于模拟计算机应将数学模型转换成。
仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。 仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。
系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。 参考文献
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D. W. Novotny and T. A. Lipo. Vector Control and Dynamics of AC Drives， Oxford Science Publication， 1996。
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薛定宇 陈阳泉. 系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社， 2002。
任兴权. 控制系统仿真与计算机辅助设计. 沈阳：东北大学出版社， 1986。
陈衍. 同步电机运行基本理论与计算机算法. 北京：水力电子出版社，1992。
李发海 王岩 电机与拖动基础（第2版）. 北京：清华大学出版社，1994。
Mohand mokhtari and Michel Marie. Matlab与Simulink工程应用. 北京：电子工业出版社，2002。
李海涛 邓樱. Matlab6.1基础与应用技巧 北京：国防工业出版社，2002。
目 录
第1章 引言 17
1.1 引言 17
1.2 同步电机概述 17
1.3 系统仿真技术概述 18
1.4 仿真软件的发展状况与应用 19
1.5 MATLAB概述 19
1.6 Simulink概述 22
1.7 小结 23
第2章 同步电机基本原理 25
2.1 理想同步电机 25
2.2 abc/dq模型的建立 26
第3章 仿真系统总体设计 30
3.1 系统对象 30
3.2 系统分块 30
3.3 控制反馈环节 31
第4章 仿真系统详细设计 33
4.1 总体设计 34
4.2 具体设计 34
4.3 控制反馈环节 37
第5章 系统仿真运行 37
5.1 输出结果稳定情况 37
5.2 小结 41
第6章 结论 42
第7章 毕业设计总结 43
参考文献 45
