励磁控制系统的仿真
MATLABSIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真
MATLABSIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真一、本文概述随着电机控制技术的快速发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）在工业、交通和能源等领域的应用越来越广泛。
矢量控制作为PMSM的一种高效控制策略，能够实现对电机转矩和磁链的精确控制，从而提高电机的动态性能和稳态性能。
然而，在实际应用中，矢量控制系统的设计和调试过程往往复杂且耗时。
因此，利用MATLAB/Simulink进行永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究，对于深入理解矢量控制原理、优化控制策略以及提高系统性能具有重要意义。
本文旨在通过MATLAB/Simulink平台，建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并对其进行仿真分析。
本文将对永磁同步电机的基本结构和数学模型进行介绍，为后续仿真模型的建立提供理论基础。
本文将详细阐述矢量控制策略的基本原理和实现方法，包括坐标变换、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等关键技术。
在此基础上，本文将利用MATLAB/Simulink中的电机控制库和自定义模块，搭建永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并对其进行仿真实验。
本文将根据仿真结果，对矢量控制系统的性能进行分析和评价，并提出优化建议。
通过本文的研究，读者可以全面了解永磁同步电机矢量控制系统的基本原理和仿真实现方法，为后续的实际应用提供有益的参考和指导。
本文的研究结果也为永磁同步电机控制技术的发展和应用提供了有益的探索和启示。
二、永磁同步电机数学模型永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种高性能的电机，广泛应用于各种工业领域。
为了有效地对其进行控制，我们需要建立其精确的数学模型。
PMSM的数学模型主要包括电气方程、机械方程和磁链方程。
PMSM的电气方程描述了电机的电压、电流和磁链之间的关系。
在dq旋转坐标系下，电气方程可以表示为：V_d &= R_i I_d + \frac{d\Phi_d}{dt} - \omega_e \Phi_q \ V_q &= R_i I_q + \frac{d\Phi_q}{dt} + \omega_e \Phi_d其中，(V_d) 和 (V_q) 分别是d轴和q轴的电压；(I_d) 和 (I_q) 分别是d轴和q轴的电流；(\Phi_d) 和 (\Phi_q) 分别是d轴和q轴的磁链；(R_i) 是定子电阻；(\omega_e) 是电角速度。
同步发电机励磁系统的仿真
从 式 中可以看 出 ， 要 减小 系统 的稳 态误 差 ， 必须 增大 系统
（ 一） 同步发 电机 的传递 函数 要 仔细 分析 同步发 电机 的传递 函数是 相 当复杂 的 ．但 如
果 只 研 究 发 电 机 空 载 时 励 磁 控 制 系 统 的 有 关 性 能 ， 则 可 对 发
调 节器 放大 倍数 Ｋ Ａ ． 而Ｋ Ａ 有 着临 界放大 系数 的限制 ， 若 超 出临
定 性 。 本 文 对 同 步发 电机 励 磁 系统 的 组 成 及 其 原 理 进 行 了 分析 ， 并 建 立 了其 相 应 的 数 学模 型 。 由 于 比 例 型 励 磁 调 节 器控 制 性 能 不
是很 好 ， 故设 计 了含有励磁 系统稳 定器的比例型励磁调 节器和 比例积 分型励磁调 节器。 设计的 结果符合预期 的要 求。
已知 同步发 电机和励 磁系统 的参数 如下 ：
控 制 系统 ， 它是 一个 典 型 的反馈 控 制系 统 ， 其 控制 原 理如 图 １
所示：
％ 暑毛 ｆ ‘ Ｉ ９ ｓ ， 蓦１ ， ｒ Ｉ 篇ｏ ． ６ 钿， 罩１ ． ０ ， ｆ Ｉ ． ＝Ｏ ． ０ ４ ｓ ，
＝１ ． ０ ，ｒ ＾＝ｏ ． ｏ ２ ｓ
调 节 器 的 励 磁 系 统 的稳 定 性 不 好 ， 需要 进行 改进 。
骢 （ 懦 雠 二） 直流励 磁机 的数 学模 型
厂 ＿ 、 、 （ 二
＜
发电机
、
绪 论
随着 电力工 业 的迅速 发展 ．现代 电力 系统 的规模 越来 越
大， 保 证电力 系统运 行 的稳 定性 和 可靠性 ， 提 供优 质的 电能 对 国民经济 和人 民的生 活水平 的提 高有着 极为 重要 的作用 和 意
船用同步发电机可控相复励励磁系统的仿真
万方数据
船用同步发电机可控相复励励磁系统的仿真——武福愿，高海波，赵文科
励磁电流迅速下降；与此同时，端电压迅速升高。
之后，励磁电压和端电压都恢复到空载水平。上 述一系列变化均与理论和事实相符。
在实验输出的同步发电机的端电压波形图
上，取出端电压的最大稳定值Ｕ～、端电压的瞬态
最大值Ｕ。。和瞬态最小值‰。。，（发电机的额定
１）就定子与转子的相互影响而言，定子绕组
沿气隙是正弦分布的。
２）定子槽不会引起转子电感随转子位置而 变化。
３）忽略磁滞的影响。 ４）忽略磁饱和的影响。 前３点假设是合理的，已由实际的测量结果 所证实。第４点假设是为了分析方便而设定的。
忽略磁饱和时，只需处理线性耦合电路，并可用叠 加原理。
同步发电机采用５阶模型，做如下简化：
相复励装置的等效合成电势有效值Ｅ可以 表示为：
式中：【Ｅ刮卜同酽步＋（发Ｋ电１Ｉ机ｘ的）２端＋２电Ｕ压Ｋｌ；Ｉｘｓｉｎ∞ （３）
卜一同步发电机的负载电流；
ｚ广—功—率移相因电数抗角；；
Ｋ１－－－－９√２／７【。 将输入信号“的作用和合成电动势Ｅ的作 用叠加，可得到相复励装置的微分方程：
８３
万方数据
基于国内外同步发电机励磁装置的发展现状及趋势本文主要介绍了将can总线技术应用于励磁系统将调节器功率灭磁单元人机界面及对外接口等组成部分进行内部互联的技术方案目的是减少内部接线提高工艺水平提升励磁装置数字化智能化水平使其具有更强的市场竞争力和良好的性价比满足用户需求促进国产励磁装置总体技术水平的进步
试验总时间为１５ ｓ，第５ ｓ突加６０％额定电 流及功率因数为０．４的对称负载，第１０ ｓ人为设 置三相短路。为防止大负载启动时的电流冲击导 致保护装置的误动作，主空气开关的短路延时设 置为０．３ ｓ，整定电流为３Ｊ。。结果见图５。
《控制系统数字仿真与CAD 第4版》课件第3章 控制系统的数字仿真
传递函数如下：
Id (s) 1/ R Ud 0 (s) E(s) Tl s 1
（3-5）
电流与电动势间的传递函数为：
E(s)
R
Id (s) IdL (s) Tms
上述式（3-5）、（3-6）可用图的形式描述，如图3-2所示。
（3-6）
直流电动机与驱动电源的数学模型
Ud0 s
1/ R Tl s 1
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
一、 双闭环V-M调速系统的目的
双闭环V-M调速系统着重解决了如下两方面的问题： 1. 起动的快速性问题
借助于PI调节器的饱和非线性特性，使得系统在电动机允许的过载 能力下尽可能地快速起动。
理想的电动机起动特性为
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
从中可知 1）偏差使调节器输出电压U无限制地增加(正向或负向)。因此，输 出端加限制装置（即限幅Um)。 2）要使ASR退出饱和输出控制状态，一定要有超调产生。 3）若控制系统中（前向通道上）存在积分作用的环节，则在给定 作用下，系统输出一定会出现超调。
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
三、 关于ASR与ACR的工程设计问题
对上式取拉普拉斯变换，可得“频域”下的传递函数模型为：
Ud 0 (s) Uct (s)
K s eTs s
（3-7）
由于式（3-7）中含有指数函数 eTss，它使系统成为“非最小相位系统”；
为简化分析与设计，我们可将 eTss 按泰勒级数展开，则式（3-7）变成：
Ud 0 (s) Uct (s)
KseTss
n hTn 50.01834s 0.0917s
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
100MW汽轮机励磁控制系统设计.
辽宁工业大学电力系统自动化课程设计（论文）题目：励磁机励磁控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气工程及其自动化学号： 080303109学生姓名：常佳宁指导教师：（签字）起止时间：2014.12.15—2014.12.26课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气工程学院Array注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要在电力系统运行中，同步发电机的励磁系统对于维持发电机端电压、分配并列运行机组之间的无功分配、提高电力系统稳定性等方面起着重要的作用。
并且，励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，在保证电能质量、无功功率合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用。
同步发电机励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，本文采用了PID控制系统设计了100MW汽轮机组励磁机励磁控制系统，该系统是一个典型的反馈控制系统，PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
本设计进行了模糊自调整PID 控制设计，克服了传统PID 控制非线性差、对模型要求高的缺点,并深入进行了基于免疫算法的模糊PID 控制设计,把生物学中的细胞免疫原理用于模糊PID 控制器中，加强了控制器的自我校正能力，自适应能力，提高了控制精度和速度。
关键词：最优控制理论；励磁系统；仿真目录第1章绪论 (1)1.1励磁自动控制系统概况 (1)1.2本文设计内容 (1)第2章发电机励磁系统设计 (3)2.1励磁控制系统功能 (3)2.2励磁控制系统总体设计方案 (3)2.3励磁控制系统测量比较单元电路设计 (4)2.3.1电压的测量 (5)2.3.2比较整定 (5)2.3.3比较整定电路的整定 (6)第3章系统传递函数的建立 (7)3.1他励直流励磁机的传递函数建立 (7)3.2励磁器各单元的传递函数 (8)3.2.1 电压测量比较单元 (8)3.2.2 综合放大单元 (8)3.2.3 功率放大单元 (9)3.3励磁控制系统的传递函数 (9)3.4同步发电机的传递函数 (10)第4章PID控制与系统的仿真分析 (11)4.1系统仿真模型的设计.......................... 错误！未定义书签。
同步发电机励磁系统智能PID控制仿真研究
于 提 高 系 统 的稳 定 性 ， 避 免 振 荡 ，但 却 降 低 了 响 应
的 速 度 。 因 此 ， 如 何 选 择 合 适 的 参 数 在 工 程 实 际 中
３ 模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控制器设计
模 糊 控 制 是 一 种 基 于 规 则 的 控 制 ，设 计 简 单 ．
有 一 定 难 度 。 在 传 统 的 Ｐ Ｄ 控 制 中 ， 确 定 参 数 的 方 Ｉ
变 量 众 多 ，难 以 建 立 一个 全 面 而 统 一 的 数 学 模 型 ， 若 仅 为 研 究 发 电机 励 磁 控 制 系 统 本 身 的调 节 行 为 ，
可 采 用 发 电 机 简 化 模 型 ， 其 简 化 模 型 的 传 递 函 数 为
（） ｓ 一 ＫＧ ，、 １
调 节 器 绝 大 多 数 应 用 的 都 是 Ｐ Ｄ 控 制 算 法 。 传 统 Ｉ
间常数 。
发 电机 励磁 系统 种类 繁多 ，既有 直 流 励 磁 机励
磁 系 统 ，又 有 交 流 励 磁 机 励 磁 系 统 ， 还 有 静 止 励 磁
优 ，找 到 合 适 的 Ｐ Ｄ 参 数 后 ，将 此 参 数 作 为 初 始 值 ， Ｉ
然 后 利 用 模 糊 控 制 对 初 始 参 数 进 行 一 定 程 度 的 自适 应 调 整 ．从 而 提 高 Ｐ Ｄ控 制 抗 干 扰 的 能 力 。 Ｉ
ｆｚｙ ｒａｏ ｉｇ ｈ ｕ ｚ ｅ ｓ ｎ ｎ ．Ｔ ｅ ＭＡ Ｌ Ｔ ＡＢ－ ａ ｅ ｉ ｌｔ ｎ ｓ ｏ ｈ ｔ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｓ ｍｏ ｅ ｓ ｂ ｔ ｒ ｔ ａ ｈ ｔ ｏ ｂ ｓ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｈ ｗｓ ｔ ａ ｈ ｏ ｔ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｆ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ｄ ｌ ｉ ｅ ｔ ｈ ｎ ｔ ａ ｆ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｌＰ Ｄ ｏ ｔｏ． ｏ ｖ ｎｉ ａ Ｉ ｃ ｎ ｒ １ ｏ Ｋｅ ｏ ｄ ： Ｉ ｏ ｔ ｌ Ｇｅ ｅ ｉ ｇ ｒ ｈ ｆ ｚ ｙｃ ｎ ｒ ｌ ＭＡ ＡＢ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｙ Ｗ ｒ ｓ Ｐ Ｄ ｃ ｎ ｒ ； ｎ ｔ Ａｌｏ ｔ ｍ； ｕ ｚ ｏ ｔ ； ｏ ｃ ｉ ｏ ＴＬ ｉ ｌｔ ｏ
同步发电机励磁系统的最优控制仿真
ｃｒｕｔ ａ ｌ ｏ ｉ ｌ ｋ ｓｆ ｒ ｌｔ ｒ ． Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ｒｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｗ ｘ ｉ ｔ ｎ ｃ ｎｒｌ ｉ ｉ ｆｕｔ ｎ Ｓｍｕｉ ｏｔ ｅ ｐａ ｏｍ ｃ ｎ ｗａ ｆ ｈ ｉ ｌｔ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ｔｔ ｏ ｅ ｃｔ ｉ ｏ ｔ ｏ ｓ ｈ ａｏ ｏ ｍｅｈ ｄ ａ ｒｖ ａ ｓｅ ｔ ｔｂｌ ｙｏ ｏ ｒｓ ｓｅ ，ｂ ｔｈ ｐｉ ｌｅ ｃｔｔ ｎ ｃ ｎｒｌ ａ ｅｔｒ ｔｏ ｓｃ ｎｉ ｏ ｅｔ ｎ ｉｎ ａ ｉｔ ｆ ｗｅ ｙ ｔｍ ｍｐ ｒ ｓ ｉ ｐ ｕ ｅｏ ｔ ｔ ｍａ ｘ ｉ ｉ ｏ ｔ ｓｂ ｔ ａ ｏ ｏｈ ｅ
同步 发 电机 励 磁 系统 的最 优 控 制 仿 真
程启 明 ， 晓青 ， 胡 周卉云 ， 映斐 王
（ 上海 电力学 院 电力与 自动化工程学 院 ， 上海 ２ ０９ ） ０ ０ ０
摘
要 ：在 Ｓ ｕ ｎ 软件平台上 ， ｉ ￣ｋ ｍ 以单机一 穷大 电力 系统 为模型 ， 系统发生 阶跃 干扰 和短路 故障两种情 况 无 在
第２ ７卷 第 ３期 ２ １ 年 ６月 ０１
上
海
电 力 学
院
学
报
Ｖｏ． ７．Ｎｏ ３ １２ ．
Ｊｕｎ ｌ ｏ Ｓ ａ ｇｌ Ｕ ｉｅｓｙ ｏ Ｅｅｔｃ Ｐ ｗｅ ｏ ｒａ ｆ ｈｎ Ｉｉ ｎｖ ｒｔ ｆ ｌｃ ｉ ａ ｉ ｒ ｏ ｒ
Ｊ ｎ ２０ ｌ ｕｅ １
文 章 编 号 ：１０ ４ ２ （ ０ １ ０ ０ ７ ０ ０６— ７ ９ ２ １ ） ３— ２ ５— ５
Ｓ ｍｕ ａ ｏ ｆＯｐ ｍ ａ ｎ ｒ ｌｏ ｃｔ ｔｏ ｙ ｔｍ ｆ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｔ ｉ ｉ ｌＣｏ ｔ ｏ ｎ Ｅｘ ｉａ ｉ ｎ Ｓ ｓｅ ｏ
可控相复励无刷励磁系统仿真
可控相复励无刷励磁系统仿真袁鹏;李红江;甄洪斌【摘要】相复励无刷励磁系统是船舶等移动电站中应用较为广泛的一种励磁装置,用于为同步发电机提供励磁功率、调节输出电压和控制无功分配.本文结合实际相复励无刷励磁系统,通过分析各个部分数学模型得出系统传递函数.针对不同工况下的仿真结果表明,所建立的模型能够较为准确地反映同步发电机的动态特性.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2010(030)003【总页数】5页(P22-26)【关键词】船舶电站;相复励;无刷励磁;仿真【作者】袁鹏;李红江;甄洪斌【作者单位】海军工程大学电气与信息工程学院,武汉,430033;海军工程大学电气与信息工程学院,武汉,430033;海军工程大学电气与信息工程学院,武汉,430033【正文语种】中文【中图分类】TM301.44励磁系统是同步发电机核心控制系统之一，用于提供励磁功率、调节输出电压、控制无功分配，对发电机动态行为具有很大的影响。
相复励无刷励磁系统是船舶等移动电站中应用较为广泛的一种励磁装置，但是 IEEE和中国励磁系统数学模型专家组发布的电力系统稳定计算励磁模型中并没有相应的建模[1,2]，本文参照其交流励磁模型，从各部件的工作原理出发，建立了系统传递函数。
根据实际发电机励磁调整步骤[3]，逐步整定模型参数。
最后通过突加突卸负载动态过程的仿真，验证了模型的准确性。
1 同步电机无刷励磁系统现代船舶电站同步发电机采用的相复励无刷励磁系统如图1所示。
发电机励磁绕组由励磁机旋转电枢经旋转整流器供给直流励磁电流；电压经复励阻抗jx移相后与电流互感器CT电流经相复励变压器 ZL电磁迭加，整流后送至励磁机的定子励磁绕组。
发电机端电压调整由AVR通过控制直流侧分流晶闸管的导通角实现。
无刷励磁系统最大的特点是采用转场式主发电机与转枢式励磁机相互配合，省去了电刷滑环。
相复励装置是目前广泛应用的按扰动补偿设计的励磁装置，其特点是励磁电流能随负载电流的大小和功率因数的变化作相应调节，抵消发电机电枢反应作用，维持端电压不变。
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电力系统自动化仿真实验报告
实验一：励磁自动控制系统仿真
（一）普通励磁自动控制系统仿真
励磁控制系统主要由励磁机、发电机、电压测量比较单元、综合放大单元、功率放大单元等组成。
励磁控制系统框图：
以上的放大单元分别取值为10、30、60，得到的曲线依次为： （1）放大单元值为10时
0246810
0.20.40.60.811.21.4
（2）放大单元值为30时
0246810
0.20.40.60.811.21.4
（3）放大单元值为60时
0246810
0.20.40.60.811.21.4
1.6
综以上图形，随着放大系数的增大，发电机电压与给定电压之间的误差在逐渐减小，但随着放大系数的增大系统的动态系能会变差，出现一定的振荡。
（二）加入PID 励磁自动控制系统仿真 励磁控制系统框图：
（1）放大单元值为10
时
0246810
0.20.40.60.811.21.4
（2）放大单元值为30时
0246810
0.20.40.60.811.2
1.4
（3）放大单元值为60时
0246810
0.20.40.60.811.2
1.4
以上PID 模块的控制参数分别设置为：Kp ，Ki ，Kd 分别设置为1，0.1，0.15。
经过PID 校正后，由以上两种情况的图形对比知，调节时间与振荡次数较未校正前都有所减少。
所以增设PID 校正后提高了系统的快速性和平稳性，提高了系统的性能。
二、三相桥式整流电路仿真 带阻感性负载的仿真
根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制加入同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型如下图所示。
Continuous powergui
i +-
ia2
i +-ia1
i +-
ia
i +-
i
v +-
Vca
Vc
v
+
-Vbc
Vb v
+-Vab
Va v +-V
g A B C
+
-Universal Bridge
alpha_deg
AB BC CA Block
pulses
Synchronized 6-Pulse Generator
Scope
RL
90Constant1
0Constant
交流电压源的参数设置, 三相电源的相位互差120，设置交流峰值电压为220V ，频率为50HZ 。
负载参数的设置,R=10欧姆，L=10mh, C=inf.常数模块, 该模块只有一个输出端，所以只要改变参数对话框的数值的大小，即可改变触发信号的控制角。
仿真/参数窗口中，选择ODE23S 仿真算法，仿真时间为0~0.05S ，将相误差设置为1e-3(1*10-3)，开始仿真时间为0，停止时间为0.02。
其它参数为默认值。
当移相控制角从0~120°变化时整流器输入 的ｉa & i b & i c,负载电压，负载电流，同步脉冲触发器输出的脉冲.
仿真波形结果如下图所示:
(1) a=0°时的输出波形
-5000500
-50050
00.51
0200
400
00.010.020.030.040.05
2040
(2) a=30°时的输出波形
-5000500
-50050
00.51
0200
400
00.010.020.030.040.05
2040
(3) a=60°时的输出波形
-5000500
-50050
00.51
0200
400
00.010.020.030.040.05
2040
(3) a=90°时的输出波形
-5000500
-50050
00.51
0200
400
00.010.020.030.040.05
2040。