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文檔簡介
1、<p><b> 目錄</b></p><p><b> 中文摘要1</b></p><p> ABSTRACT1</p><p><b> 一、緒論1</b></p><p><b> 1、引言1</b></p>
2、<p> 2、交流調(diào)速技術(shù)概況3</p><p> 3、完成的主要工作3</p><p> 二、矢量控制系統(tǒng)的介紹4</p><p> 1、異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型概述4</p><p> 2、矢量控制思想及原理6</p><p> (1)矢量控制技術(shù)思想6</p><
3、;p> (2)矢量控制的原理6</p><p><b> 3、坐標(biāo)變換8</b></p><p> (1)變換矩陣的確定原則8</p><p> (2)功率不變原則9</p><p> 4、3s/2r 變換9</p><p> (1)三相/兩相變換9</p>
4、;<p> (2)兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換10</p><p> 三、仿真模型的建立11</p><p> 1、MATLAB /SIMULINK簡介11</p><p> 2、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)框圖13</p><p> 3、各個子模塊模型13</p><p> (
5、1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模型13</p><p> (2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器模型14</p><p> (3)磁鏈調(diào)節(jié)器模型14</p><p> (4)轉(zhuǎn)矩觀測器模型15</p><p> (5)磁鏈觀測器模型15</p><p> (6)帶滯環(huán)脈沖發(fā)生器模型(CHBPWM)16</p><p
6、> (7)dq_to_abc(2r/3s)和abc_to_dq(3s/2r)模型16</p><p> 3、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型17</p><p> 四、 Simulink 仿真18</p><p><b> 1、參數(shù)設(shè)置18</b></p><p> (1)電動機(jī)參數(shù)
7、18</p><p> (2)各調(diào)節(jié)器參數(shù)18</p><p> (3)各給定參數(shù)19</p><p><b> 2、仿真結(jié)果20</b></p><p> (1)定子磁鏈軌跡20</p><p> (2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出20</p><p> (3)
8、輸出轉(zhuǎn)矩20</p><p> (4)轉(zhuǎn)速響應(yīng)21</p><p> (5)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出21</p><p> (6)經(jīng)2r/3s變換的三相電流給定波形22</p><p><b> (7)Uab22</b></p><p><b> 3、分析23</b&g
9、t;</p><p><b> 五、 結(jié)論23</b></p><p><b> 致謝24</b></p><p><b> 參考文獻(xiàn)24</b></p><p> 磁鏈閉環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)</p><p> 重慶工商大學(xué)
10、自動化專業(yè) 2008級 自動化1班 馬永祥</p><p><b> 指導(dǎo)教師:吳詩賢</b></p><p> 中文摘要:該文對帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行研究及仿真。利用MATLAB/SIMULINK工具,構(gòu)建了異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型以及對各個主要模塊的仿真模型,利用3/2變換計(jì)算出相電流。利用空間矢量的分析方法,在定子坐標(biāo)系下計(jì)算
11、和控制交流電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。通過磁鏈觀測器產(chǎn)生系統(tǒng)所需的磁鏈和φ。通過帶滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊為逆變器提供一個六路PWM信號來改變電動機(jī)的運(yùn)動狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)矢量的控制,基于仿真結(jié)果,分析了矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。</p><p> 關(guān)鍵詞:坐標(biāo)變換;矢量控制;異步電動機(jī);MATLAB仿真</p><p> ABSTRACT:In this paper the torque to the
12、 inner with magnetic chain, magnetic chain closed loop vector control system to conduct the research and simulation. Use of matlab/simulink tool, to construct the asynchronous motor vector control system of the simulatio
13、n model for each of the main modules and simulation model, using 3/2 transform three-phase calculated. Use of space vector analysis method, the stator frame in calculation and control ac motor of the flux and the torque.
14、 Through the magneti</p><p> Key Words: matrix converter, vector control, induction motor, MATLAB simulation.</p><p><b> 一、緒論</b></p><p><b> 1、引言</b></
15、p><p> 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防軍事以及日常生活中廣泛應(yīng)用著電機(jī)傳動,其中很多機(jī)械有調(diào)速要求,如車輛、電梯、機(jī)床及造紙機(jī)械等,而風(fēng)機(jī)、水泵等為了減少損耗,節(jié)約電能也需要調(diào)速。過去由于直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方法簡單、轉(zhuǎn)矩易于控制,比較容易得到良好的動態(tài)特性,因此高性能的傳動系統(tǒng)都采用直流電機(jī),直流調(diào)速系統(tǒng)在變速傳動領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。但是直流電機(jī)的機(jī)械接觸式換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花、需要經(jīng)常的維
16、護(hù)檢修,使得直流傳動系統(tǒng)的運(yùn)營成本很高,特別是由于換向問題的存在,直流電機(jī)無法做成高速大容量的機(jī)組,如目前3000轉(zhuǎn)/分左右的高速直流電機(jī)最大容量只有400千瓦左右,低速的也只能做到幾千千瓦,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)向高速大容量化發(fā)展的要求。</p><p> 交流電機(jī)特別是鼠籠異步電機(jī),由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉,而且堅(jiān)固耐用、慣量小、運(yùn)行可靠、很少需要維護(hù)、可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的
17、應(yīng)用。但是交流電機(jī)調(diào)速比較困難,早期的應(yīng)用主要是調(diào)壓調(diào)速,電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速,繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,30年代提出了繞線式異步電機(jī)串級調(diào)速的方法,這些方法都是在電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率,效率都很低。另一類調(diào)速方法是調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度,這是一種高效的調(diào)速方法,可以通過變極或變頻來實(shí)現(xiàn),其中變極調(diào)速只能是有極調(diào)速,應(yīng)用場合有限。 </p><p> 交流電機(jī)高效調(diào)速方法的典型
18、是變頻調(diào)速,它既適用于異步電機(jī),也適用于同步電機(jī)。交流電機(jī)采用變頻調(diào)速不但能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速,而且根據(jù)負(fù)載的特性不同,通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關(guān)系,可使電機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū),并保證良好的動態(tài)特性。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時和直流電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)相似,機(jī)械特性基本上平行上下移動,而轉(zhuǎn)差功率不變。同時交流電機(jī)采用變頻起動更能顯著改善交流電機(jī)的起動性能,大幅度降低電機(jī)的起動電流,增加起動轉(zhuǎn)矩,所以變頻調(diào)速是一種理想的交流電機(jī)調(diào)速方法。</
19、p><p> 變頻調(diào)速系統(tǒng)目前應(yīng)用最為廣泛的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng),也稱為恒控制,這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨福淇刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單,成本最低,適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。</p><p> 轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般的平滑調(diào)速要求,但是靜、動態(tài)性能都有限,要提高靜、動態(tài)性能,首先要用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。對此人們又提出了
20、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng),該方法根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的近似公式:,在轉(zhuǎn)差s很小的范圍內(nèi),只要能夠保持氣隙磁通Фm不變,異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差頻率ωs成正比,控制ωs就達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。但是轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的,因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來,它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合,而在要求電機(jī)轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中,電機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外,還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流,由于它的影響,電
21、機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。因此如何在動態(tài)過程中控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵,人們經(jīng)過深入的研究,提出了對異步電機(jī)更有效的控制策略。</p><p> 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),對其最有效的控制首推70年代提出的矢量控制技術(shù)。1971年德國西門子公司的F. Blaschke等提出的“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”和美國的P. C. Custman和A
22、. A. Clark申請的專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”,經(jīng)過不斷的實(shí)踐和改進(jìn),形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制技術(shù)的提出,使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善,這無疑是交流傳動控制理論上的一個質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法還存在不少問題,矢量控制要以轉(zhuǎn)子磁鏈定向,然后才能把定子電流分解為磁化分量和轉(zhuǎn)矩分量,使兩者互相垂直,處于解耦狀態(tài),因此要先求得轉(zhuǎn)子磁鏈的相位,才能進(jìn)行坐標(biāo)變換。但是異步電機(jī),特別
23、使鼠籠式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)菬o法直接測量的,只有實(shí)測電機(jī)氣隙磁鏈后再經(jīng)過計(jì)算才能求得,而且氣隙磁場本身也常由于齒諧波磁場的影響而難以準(zhǔn)確測量,這就影響了以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)的可靠性。對于這些問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,取得了很多實(shí)際成果。</p><p> 2、交流調(diào)速技術(shù)概況</p><p> 據(jù)統(tǒng)計(jì),電機(jī)類的耗電量占企業(yè)總用電量的70%以上,因此電機(jī)節(jié)能
24、對國家經(jīng)濟(jì)具有重要的意義,電氣傳動及其自動化技術(shù)是電氣技術(shù)的重要組成,電力傳動的技術(shù)發(fā)展水平也是體現(xiàn)國家科技水平的重要方面。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造,可以有效地節(jié)電量,取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)60年代以前的調(diào)速系統(tǒng)以直流機(jī)組及晶閘管構(gòu)成的直流V-M系統(tǒng)為主。隨著80年代IGBT等新型電力電子器件及微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,及以矢量控制為代表的各種交流調(diào)速理論的發(fā)展,也伴隨著人們?yōu)榻鉀Q能源危機(jī)的巨大科研投入,交流調(diào)速技術(shù)得到迅
25、速發(fā)展。交流傳動系統(tǒng)在性能上也已取得了長足發(fā)展,具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能,其動、靜態(tài)特性可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美。交流調(diào)速系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)簡單、功率大、堅(jiān)固耐用、慣量小、矢量控制等高性能控制動態(tài)響應(yīng)好、效率高、性價比高、高精度等特點(diǎn),是目前運(yùn)用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式,在傳動系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位,在工業(yè)應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用,并有逐漸取代直流調(diào)速的趨勢。</p>
26、<p> 3、完成的主要工作 </p><p> 基于MATLAB/SIMULINK軟件包構(gòu)建異步電機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型并且實(shí)現(xiàn)仿真。</p><p> 下面對完成的工作進(jìn)行概要總結(jié):</p><p> 1)較為詳細(xì)地分析了異步電機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。</p><p>
27、2)構(gòu)建了異步電動機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)各模塊的仿真模型。</p><p> 3)在完成了任務(wù)2的基礎(chǔ)上完成前饋控制系統(tǒng)的仿真析前饋控制和反饋控制,構(gòu)建了磁鏈閉環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的整體仿真模型。</p><p><b> 4)完成仿真。</b></p><p> 5)以仿真結(jié)果為基礎(chǔ),對磁鏈閉環(huán)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、特點(diǎn)及
28、適用場合進(jìn)行了分析。</p><p> 二、矢量控制系統(tǒng)的介紹</p><p> 1、異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型概述 </p><p> 異步電動機(jī)的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成,其中磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程,電力方程和運(yùn)動方程是微分方程。</p><
29、;p><b> 、磁鏈方程</b></p><p> 異步電動機(jī)每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和,因此,六個繞組的磁鏈可用下式表示:</p><p> = (1-1)</p><p> 式中;、、、、、—各相定子、轉(zhuǎn)子自感,電磁矩陣中其他元素為定子、轉(zhuǎn)子或定轉(zhuǎn)
30、子間的互感。</p><p><b> ?、凇㈦妷悍匠?lt;/b></p><p> =+ (1-2)</p><p> 式中;、、、、、——定子、轉(zhuǎn)子相電壓;</p><p> 、、、、、——定子、轉(zhuǎn)子相電流;</p><p> 、、、、、——定子
31、、轉(zhuǎn)子繞組的全磁鏈;</p><p><b> ——微分算子。</b></p><p><b> 、轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p> 由能量守恒定律推出電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,在多繞組電機(jī)中,其磁場儲能為:</p><p> =
32、 (1-3)</p><p> 式中;= </p><p> = </p><p> 根據(jù)能量守恒原理,在異步電機(jī)運(yùn)行時,其電磁力矩等于電流不變時磁場儲能對機(jī)械角位移的偏導(dǎo)數(shù)。</p><p&g
33、t;<b> =</b></p><p> 式中;—電機(jī)磁極對數(shù)</p><p><b> —電角位移,=</b></p><p> = (1-4)</p><p><b> =-</b></p>
34、<p><b> + </b></p><p> + </p><p> 式中;—定轉(zhuǎn)子間的互感。</p><p> 由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感是定、轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù),使得交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為一組非線性的微分方程式。為了解除定、轉(zhuǎn)子間這種非線性的耦合關(guān)系需要對其進(jìn)行
35、變量的坐標(biāo)變換,建立參考坐標(biāo)系內(nèi)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。即將三相靜止繞組A、B、C變換為兩相靜止繞組、之間的變換,這稱為三相靜止坐標(biāo)系和二相靜止坐標(biāo)系間的變換,簡稱3/2變換。</p><p> 2、矢量控制思想及原理</p><p> (1)矢量控制技術(shù)思想 </p><p> 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),通過坐標(biāo)變換,可以使之降
36、階并化簡,但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠理想,調(diào)節(jié)器參數(shù)很難設(shè)計(jì),關(guān)鍵就是在于只是近似成線性單變量控制系統(tǒng)而忽略了非線性、多變量的性質(zhì)。許多專家學(xué)者對此進(jìn)行過潛心的研究,終于獲得了成功。20 世紀(jì) 70 年代由德國工程師創(chuàng)立的嶄新的矢量控制控制理論,從而實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)的具有與直流同樣好的調(diào)速效果。矢量控制是一種高性能異步電動機(jī)控制方式,它基于電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,通過坐標(biāo)變換,將交流電機(jī)模型轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)
37、模型。根據(jù)異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式,它具有和直流電動機(jī)的動態(tài)方程式相同的形式,因而如果選擇合適的控制策略,異步電動機(jī)應(yīng)有和直流電動機(jī)相類似的控制性能,這就是矢量控制的思想。因?yàn)檫M(jìn)行變換的是電流的空間矢量,所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng),或稱矢量控制系統(tǒng)。簡單的說,矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦,有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器,以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器
38、矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制</p><p> (2)矢量控制的原理</p><p> 矢量控制的思想也就是把異步機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換等效成直流機(jī),然后仿照直流機(jī)的控制方法,求得直流電動機(jī)的控制;再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換,就可以控制交流機(jī)了。它是以旋轉(zhuǎn)磁場不變?yōu)闇?zhǔn)則,進(jìn)行坐標(biāo)變換。首先是把三相靜止坐標(biāo)系下得定子交流電流、、,通過三相/ 兩相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)下得交流電流、
39、。然后,再把兩相靜止電流、,通過轉(zhuǎn)子磁場定向得旋轉(zhuǎn)變換VR,等效成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得電流、。此時如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn),他所看到得就是一臺直流電機(jī),原交流電機(jī)的總磁通就是等效直流電機(jī)的磁通,相當(dāng)于直流電機(jī)的勵磁電流,相當(dāng)于直流機(jī)的電樞電流。這樣從外部看,他是一臺交流電機(jī);從內(nèi)部看,他是一臺經(jīng)過變換的直流電機(jī)??梢钥吹皆谑噶靠刂浦校ㄗ与娏鞅环纸鉃榛ハ啻怪钡膬蓚€分量、,其中用以控制轉(zhuǎn)子磁鏈,稱為磁鏈分量,用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,稱
40、為轉(zhuǎn)矩分量。因此,矢量控制的最終結(jié)果就是實(shí)現(xiàn)了定子電流分解,分別進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解藕控制。</p><p> 參考直流電機(jī)中的解耦控制,如果能夠把異步電機(jī)的定子電流也分解為互相正交的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量,(這里的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量分別對應(yīng)于直流電機(jī)的勵磁電流If及電樞電流Ia),就可以得到異步電機(jī)另一種電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,即TC =K</p><p> 顯然,如果以定子電流作為控制對
41、象,想辦法得到相互解耦的和,則對定子電流的控制就可轉(zhuǎn)化為對和的控制,而和又是解耦的,對和分別控制就可以像直流電機(jī)一樣方便地控制電磁轉(zhuǎn)矩,這就是矢量控制,下面分析整個解耦過程。</p><p> 根據(jù)磁場完全等效的原則,將靜止坐標(biāo)系下的三相定子電流(、、)轉(zhuǎn)化為與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相正交電流和 (abc到dq0坐標(biāo)系變換)。</p><p> 三相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)
42、系下的轉(zhuǎn)換矩陣VR,即</p><p><b> 其反變換矩陣為:</b></p><p> 通過上述變換,可將靜止坐標(biāo)系下的三相電流、、等效地變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下(與磁場同步旋轉(zhuǎn))的兩相正交的電流和 (在三相對稱情況下為0),而和是互相解耦的,最終可以實(shí)現(xiàn)類似于直流電機(jī)的解耦控制。</p><p> 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)dq0下,可以得到電機(jī)的狀態(tài)方
43、程及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。設(shè)有同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩組正交繞組,它們分別用來等效實(shí)際電機(jī)的三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組。其中ds-qs為定子兩相正交繞組的軸線位置,dr-qr為轉(zhuǎn)子兩相正交繞組的軸線位置,</p><p> 而且ds-qs和dr-qr在空間的位置始終是重合的??梢詫上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的磁鏈表達(dá)式、電壓方程式及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動方程寫為:</p><p><b> 磁鏈
44、方程:</b></p><p> = </p><p><b> 電壓方程:</b></p><p> 轉(zhuǎn)矩方程: </p><p> 運(yùn)動方程與坐標(biāo)變換無關(guān),仍為</p><p> 以上關(guān)系說明
45、,選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的空間矢量方向?yàn)镸軸方向進(jìn)行定向,并控制Ψm2的幅值不變,可實(shí)現(xiàn)磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量之間的解耦。這樣控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流,就能達(dá)到控制T的目的。以磁場進(jìn)行定向的M軸與定子繞組a軸間的夾角Ф可看做是從定子側(cè)面觀測到的轉(zhuǎn)子磁通位置,它是一個空間變量,需要通過磁通監(jiān)測器或磁通運(yùn)算回路監(jiān)測出來。</p><p><b> 3、坐標(biāo)變換</b></p><p>
46、; 感應(yīng)電機(jī)的控制可以通過矢量的坐標(biāo)變換來把感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制等效為直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。所以,矢量的坐標(biāo)變換是電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中非常重要的步驟。</p><p> 矢量的坐標(biāo)變換主要依據(jù)以下原則:</p><p> (1)變換矩陣的確定原則</p><p> 在確定電機(jī)的電流變換矩陣時,應(yīng)該使得變換前后的旋轉(zhuǎn)磁場等效,即變換前后的電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場相同。&l
47、t;/p><p><b> (2)功率不變原則</b></p><p> 功率不變原則所體現(xiàn)的是在確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時應(yīng)該遵守變換前后電機(jī)的功率不變的原則。</p><p> 如果能將交流電機(jī)的物理模型等效成直流電機(jī)的形式,然后再利用直流電機(jī)的控制方式,則可以使問題簡化。坐標(biāo)變換正是按照這一思路進(jìn)行的,在這里不同電機(jī)模型等效的原則
48、是:在不同的坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁動勢相同。三相平衡的正弦電流iA,iB,ic通到交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組A、B、C會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F,在空間呈正弦分布,并以同步轉(zhuǎn)速ω1繞A---B---C---A相序旋轉(zhuǎn)。它的物理模型如圖 a)所示。然而任意相平衡電流通入相應(yīng)相的對稱繞組均可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢,其中以兩相繞組最為簡單,兩相靜止繞組α和β,它們在空間相差90°,通以時間上相差90°的兩相平衡電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F,當(dāng)a)和
49、 b)產(chǎn)生的磁動勢相等時,認(rèn)為圖a)中的三相繞組和b)的兩相繞組等效。c)中的兩個匝數(shù)相同的繞組d和q互相垂直.它們分別被通以直流電流id和iq,產(chǎn)生合成磁動勢F,令整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn),則磁動勢F成為旋轉(zhuǎn)磁動勢,如果將其大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖a)和 b)的旋轉(zhuǎn)磁動勢相同,則這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組就和前面兩套交流繞組等效。當(dāng)觀察者也站在鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時,在他看來,繞組d和q是兩個通以直流電而相互垂直的靜止繞組,如</p&g
50、t;<p> b) c)</p><p> 圖(a)三相交流繞組 圖(b)兩相交流繞組 圖(c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組</p><p> 圖2.1等效的交流電動機(jī)繞組和直流電動機(jī)繞組物理模型</p><p> 4、3s/2r 變換</p><p> (1)三相/兩相變換
51、</p><p> 三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組之間的變換,稱為三相靜止坐標(biāo)系和二相靜止坐標(biāo)系α和β間的變換,簡稱3/2變換。</p><p> 二相靜止繞組α和β和三相靜止繞組A、B、C間的變換,稱為兩相靜止坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系之間的變換,簡稱2/3變換。</p><p> 設(shè)三相繞組(A、B、C)與二相繞組軸線設(shè)定如圖2.2所示,α相繞組軸線與β
52、相繞組軸線重合,都是靜止坐標(biāo),分別對應(yīng)的交流電流為、、和、。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢應(yīng)該相等。</p><p> 圖2.2 三相繞組與兩相繞組的軸線設(shè)定</p><p> 通過計(jì)算可得到三相系到兩相系的變換矩陣如下:</p><p><b> ?。?-1)</b></p&g
53、t;<p> 通過計(jì)算可以得到兩相系到三相系的變換矩陣如下:</p><p><b> (2-2)</b></p><p> 此變換法以電機(jī)各物理量的瞬時值作為對象,不但適用于穩(wěn)態(tài),也可用于動態(tài)變換。對于各相繞組的電壓和磁鏈,也有同樣的變換,且變換矩陣與電流變換矩陣完全相同。</p><p> (2)兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換&l
54、t;/p><p> 從兩相靜止坐標(biāo)系α和β到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M,T的變換稱為兩相/兩相旋轉(zhuǎn)變換,簡稱2s/2r變換,其中s表示靜止,r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個坐標(biāo)系畫在一起,得圖2.3。按照磁動勢等效原則,圖中兩相交流電流、,和兩個直流電流,,應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢F。</p><p> 圖2.3 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換</p><p> 兩相/兩相旋
55、轉(zhuǎn)及其逆變公式如下</p><p><b> (2-3)</b></p><p><b> ?。?-4)</b></p><p> 同樣,電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流(磁動勢)旋轉(zhuǎn)變換陣相同。</p><p><b> 三、仿真模型的建立</b></p>
56、<p> 1、MATLAB /SIMULINK簡介</p><p> MATLAB (Matrix Laboratory)為美國Mathworks公司1983年首次推出的一 套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件,其功能不斷擴(kuò)充,版本不斷升級,1992年推出劃時代的4.0版,1993年推出了可以配合Microsoft Windous使用的微機(jī)版,95年4.2版,97年5.0版,99年5.3版,5.X版無論是界
57、面還是內(nèi)容都有長足的進(jìn)展,其幫助信息采用超文本格式和PDF格式,可以方便的瀏覽。至2001年6月推出6.1版,2002年6月推出6.5版,繼而推出6.5.1版, 2004年7月MATLAB7和Simulink6.0被推出,目前的最新版本為7.1版。</p><p> MATLAB將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起,為用戶提供了一個強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問題的分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)工具,它還提供了專業(yè)水平
58、的符號計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時控制等功能,是具有全部語言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺。</p><p> MATLAB可以完成以下工作:</p><p><b> 1)數(shù)值分析</b></p><p><b> 2)數(shù)值和符號計(jì)算</b></p><p><b> 3
59、)工程與科學(xué)繪圖</b></p><p> 4)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真</p><p> 5)數(shù)字圖像處理技術(shù)</p><p> 6)數(shù)字信號處理技術(shù)</p><p> 7)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p><b> 8)財(cái)務(wù)與金融工程</b></p><
60、p> SIMULINK是MATLAB中的一種可視化仿真工具,是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包,被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。SIMULINK可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型,SIMULINK提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(
61、GUI),這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成,它提供了一種更快捷、直接明了的方式,而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p> SIMULINK模塊庫內(nèi)資源相當(dāng)豐富,基本模塊庫包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)非線性系統(tǒng)、信號與函數(shù)、輸入模塊、接收模塊等等,使用方便。由基本模塊又形成了其它的一些專用庫,MATLAB中提到的工具箱,很多在SIMULINK中都形成了專用模塊庫,仿真起來簡單快捷,尤其是其中的電
62、氣系統(tǒng)模塊庫(Power System Blockset),為電氣系統(tǒng)仿真省去了復(fù)雜的電機(jī)建模過程,它提供了極為有用的電力電子器件模塊,使仿真變得便捷。</p><p> 電氣系統(tǒng)模塊以SIMULINK為運(yùn)算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型。運(yùn)行SIMULINK以后,打開Blockset&Toolboxes,就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫Powerlib。
63、可以在MATLAB的命令窗口直接鍵入Powerlib。它由以下6個子模塊庫組成:</p><p> 1)、電源模塊庫: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;</p><p> 2)、基本元件模塊庫:包括串聯(lián)RCL負(fù)載/支路、并聯(lián)RCL負(fù)載/支路、線性變壓器、飽和變壓器、互感、斷路器、N相分布參數(shù)線路和浪涌放電等;</p><p>
64、3)、電力電子模塊庫:包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT和理想開關(guān)等;</p><p> 4)、電機(jī)模塊庫:包括勵磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)及其簡化模型和永磁同步電動機(jī)等;</p><p> 5)、連接模塊庫:包括地、中性點(diǎn)和母線(公共點(diǎn));</p><p> 6)、測量模塊庫:包括電流和電壓測量。</p>
65、<p> 2、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)框圖</p><p> 在圖3.1中,主電路采用了電流滯環(huán)控制型逆變器。在控制電路中,在轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的給定Te*,而轉(zhuǎn)矩反饋信號Te是由轉(zhuǎn)矩觀測器給定。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器AR用于對電機(jī)定子磁鏈的控制,并設(shè)置了磁鏈觀測環(huán)節(jié)。ATR和AR的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量。和經(jīng)過2r/2
66、s、2/3變換后得到三相定子電流的給定值、、,并通過電流滯環(huán)控制PWM逆變器控制電動機(jī)定子的三相電流。</p><p> 圖3.1帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)框圖</p><p><b> 3、各個子模塊模型</b></p><p> (1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模型</p><p> 圖3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模
67、型</p><p> 該模塊采用了PI調(diào)節(jié)器。其中*和分別是給定值和實(shí)測值, Kp和Ki分別為比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù).Satuiation用于對輸出轉(zhuǎn)矩限幅。</p><p> (2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器模型</p><p> 圖3.3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器模型</p><p> 該模塊采用了PI調(diào)節(jié)器。其中和分別是給定值和實(shí)測值, Kp和Ki分
68、別為比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù).Satuiation用于對輸出轉(zhuǎn)矩限幅。得到mt坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)矩分量。 </p><p> (3)磁鏈調(diào)節(jié)器模型</p><p> 圖3.4 磁鏈調(diào)節(jié)器模型</p><p> 是給定值。是實(shí)測值,Satuiation用于對輸出轉(zhuǎn)矩限幅。得到mt坐標(biāo)系中的勵磁分量</p><p> (4)轉(zhuǎn)矩觀測器模
69、型</p><p><b> 由公式</b></p><p><b> (3-1)</b></p><p> 可建立轉(zhuǎn)矩觀測器的模型,如下圖:</p><p> 圖3.5轉(zhuǎn)矩觀測器模型</p><p> (5)磁鏈觀測器模型</p><p>
70、<b> 由式</b></p><p><b> (3-2)</b></p><p><b> (3-3)</b></p><p> 建立磁鏈觀測器模型,如下圖:</p><p> 圖3.6 磁鏈觀測器模型</p><p> 0.09s是轉(zhuǎn)子
71、時間常數(shù)Tr。</p><p> (6)帶滯環(huán)脈沖發(fā)生器模型(CHBPWM)</p><p> 滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊是為了給逆變器提供一個六路PWM信號,</p><p><b> 模型如下圖:</b></p><p> 圖3.7 帶滯環(huán)脈沖發(fā)生器模型</p><p> (7)dq_to
72、_abc(2r/3s)和abc_to_dq(3s/2r)模型</p><p> (a)dq_to_abc (b)abc_to_dq</p><p> 圖3.8 dq_to_abc(2r/3s)和abc_to_dq(3s/2r)模型</p><p> 圖3.8a模塊是2r/3s的變換,首先在轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中計(jì)算定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)
73、矩分量和和,經(jīng)過飯旋轉(zhuǎn)變換2r/2s得到和,在經(jīng)過2/3變換得到、、,圖3.8b模塊反之。</p><p> 3、帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型</p><p><b> 如圖:</b></p><p> 圖3.9 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型</p><p> 其中,直流電源D
74、C、逆變器inverter、電動機(jī)ACmotor和電動機(jī)測量模塊組成了模型的主電路,逆變器的驅(qū)動信號由滯環(huán)脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生。三個調(diào)節(jié)器ASR、ATR和ApsiR均是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器使用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型,轉(zhuǎn)矩觀測器,dq0_to_abc模塊用于2r/3s的坐標(biāo)變換。</p><p> 四、 Simulink 仿真</p><p><b>
75、1、參數(shù)設(shè)置</b></p><p><b> (1)電動機(jī)參數(shù)</b></p><p> 表4-1 電動機(jī)參數(shù)</p><p> 圖4.1 電動機(jī)模塊設(shè)置</p><p><b> (2)各調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p> 表4-2 各個
76、調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p> 圖4.2 磁鏈調(diào)節(jié)器輸出限幅設(shè)置</p><p><b> (3)各給定參數(shù)</b></p><p> 表4-3 各給定參數(shù)</p><p><b> 2、仿真結(jié)果</b></p><p><b> (1)定子磁鏈軌跡&l
77、t;/b></p><p> 圖4.3 定子磁鏈軌跡 </p><p> (2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出</p><p> 圖4.4 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出波形圖</p><p><b> (3)輸出轉(zhuǎn)矩</b></p><p> 圖4.5 輸出轉(zhuǎn)矩波形圖</p><p>
78、;<b> (4)轉(zhuǎn)速響應(yīng)</b></p><p> 圖4.6 轉(zhuǎn)速波形圖</p><p> (5)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出</p><p> 圖4.7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出波形圖</p><p> (6)經(jīng)2r/3s變換的三相電流給定波形</p><p> 圖4.8 經(jīng)2r/3s變換的三相電流
79、給定波形</p><p><b> (7)Uab</b></p><p> 圖4.9 Uab波形圖</p><p><b> 3、分析</b></p><p> 在給定轉(zhuǎn)速為1000r/min,空載起動,在0.6s時加載60N·m,系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖所示。在波形圖4.6中可以看到,
80、在矢量控制下轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn),0.6秒加載后略有下降但隨即恢復(fù)。圖4.9在0.6秒加載后對電壓,轉(zhuǎn)矩都有相應(yīng)的影響。由于ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調(diào)節(jié)器,在起動中兩個調(diào)節(jié)器都處于飽和限幅狀態(tài),因此定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量都保持不變,定子電流的給定值也不變,所以在起動過程中定子電流基本保持不變,實(shí)現(xiàn)了恒流起動。</p><p> 比較圖4.3和圖4.4中的磁鏈軌跡,帶磁鏈調(diào)節(jié)器后,在起動階段,磁場的建立過程比
81、較平滑,磁鏈呈螺旋形增加,同時電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也不斷上升;而不帶磁鏈調(diào)節(jié)器(見圖4.4)時,起動出氣磁鏈軌跡波動較大,也引起了轉(zhuǎn)矩的大幅度波動(見圖4.5)。</p><p><b> 五、 結(jié)論</b></p><p> 本文較詳細(xì)的介紹了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的基本原理,在對異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型以及坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上,利用MATLAB語言中的SIMULINK模塊和電力系統(tǒng)
82、模塊庫(Power System Blockset)建立了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)磁鏈、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。</p><p> 1)簡要探討了異步電機(jī)的調(diào)速情況,以及矢量控制的研究現(xiàn)狀,對于基于矢量控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有了一個總體的了解;</p><p> 2)在磁場定向控制下,建立了異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型;</p><p> 3)通過矢量控制,設(shè)計(jì)并
83、建立了用于仿真的一空間矢量脈寬調(diào)制模塊,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輸出結(jié)果和理論推導(dǎo)的一致性;</p><p> 最后,本文也通過仿真,很好的驗(yàn)證了切換磁鏈模型的正確性,該矢量控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性能。</p><p> 4)通過仿真實(shí)驗(yàn)獲得的仿真曲線,充分驗(yàn)證了在異步電動機(jī)矢量控制變換數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立仿真模型的正確性。采用SIMULINK進(jìn)行帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)磁鏈、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真,
84、無需編程、直觀、靈活,對于開發(fā)和研究調(diào)速系統(tǒng)有著重要的意義</p><p><b> 致謝</b></p><p> 本畢業(yè)論文在選題及設(shè)計(jì)過程中得到xx老師的悉心指導(dǎo),對論文中遇到的問題耐心的予以解答和指點(diǎn)。xx老師多次詢問設(shè)計(jì)進(jìn)程,并為我指點(diǎn)迷津,幫助我開拓研究思路,精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,課題組的各位同學(xué)在我遇到困難是悉心的找到,幫助我解決
85、了很多問題,在此也向小組成員表示感謝。 </p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1]沈輝.精通SIMULINK系統(tǒng)仿真與控制.北京大學(xué)出版社,2003.</p><p> [2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)--運(yùn)動控制系統(tǒng)(第四版).機(jī)械工業(yè)出版社,2004.</p><p> [3]洪
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