汽车同步发电机系统建模与仿真_刘烨

汽车同步发电机系统建模与仿真_刘烨 第29卷第5期 计算机仿真 2012年5月 文章编号:1006,9348(2012)05,0329,04 汽车同步发电机系统建模与仿真 刘 烨，秦贵和 (吉林大学计算机科学与技术学院，吉林长春130012) 摘要:研究汽车供电平衡问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，针对汽车高输出功率，变速、变负载的特性，为了检测汽车在不同速度、负载及其临界条件下的供电平衡状况，提出了一种AMESim的汽车同步发电机系统建模仿真的方法。利用AMESim仿真软件建立了系统主要元件子模型，给出了完整的汽车同步发电机系统模型及模型中的主要参数，在变速变负载的条件下实现了汽车同步发电机系统动态仿真，得到它的电压和电流的变化曲线，和实际汽车同步发电机运行数据一致。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，仿真模型可以有效地对汽车同步发电机系统供电平衡优化，并取得了较好的实验结果，为汽车供电平衡系统的进一步深入研究奠定坚实的基础。关键词:汽车发电系统;同步发电机;建模;仿真中图分类号:TP391(9 文献标识码:A ——————————————————————————————————————————————— ModelingandSimulationforAutomotiveSynchronousGeneratorSystem LIUYe，QINGui,he (CollegeofComputerScienceandTechnology，JilinUniversity， ChangchunJilin130012，China) ABSTRACT:Intheresearchofautomotivepowerbalance，forautomotive’ highoutputpower，variablespeedsandvariableloads， inordertodetecttheautomotive’ powerbalanceatdifferentspeedsanddifferentloadsconditions， ModelingandSimulationforAutomotivesynchronousgeneratorSystembasedonAMESimwasproposed(Thesub, smaincomponentswerebuiltbytheAMESimsimulationsoftware， andthecompleteautomotivemodelsofthesystem’ synchronousgeneratorsystemmodelwasestablished(Thenthemainpara metersofthemodelwereset(Thedynamicsimulationofthemaingeneratorsystemwasachievedduringvaryingspeedanddifferentload(Itsvoltageandc urrentcurveswereacquired， anditisconsistedwiththeactualautomotivesynchronousgeneratorsystem(Thesimulationre-sultsshowthatitisvailabletosimulatetheautomotivesynchronousgeneratorsystemthroughAMESim， anditisquiteeffective(Thismethodhasestablishedasolidbasisforfurtherdeep,goingstudyofautomotivepowerbalancesys-tem( ——————————————————————————————————————————————— KEYWORDS:Automotivegenerationsystem;Synchronousgenerator;Modeli ng;Simulation 1引言 随着科学技术的进步，汽车电控技术不断提高和智能化 节发电机转速，负载量，本文提出了基于AMESim的汽车同步发电机系统建模仿真，该系统能够真实模拟实车运行过程中速度、负载的变化，并对其进行动态仿真分析，适用于汽车供电平衡状态的研究。 本文详细分析了汽车同步发电机的工作特性，在确保精度和计算简便的情况下，采用模块化建模思想，首次采用AMESim高级建模和仿真平台建立汽车同步发电机系统模通过控制信号调节速度和负载的变化，对其动态性能进型， 行了仿真分析。克服了传统仿真方法的不足，根据不同仿真时刻的特点动态地调整积分步长和积分算法以提高仿真精度、缩短仿真时间。具有模型准确，模拟实际系统逼真，图形显示方便，参数调节简单等优点，能有效地解决发电机系统的动态性能分析问题。将本模型应用于供电平衡系统的设计和研究中，可以减少系统设计的实验费用，降低成本，缩短 的发展趋势，使得汽车电子设备所占的比例和相应的耗电量大幅度提升，汽车电源系统的结构和控制越来越复杂。因此如何提供足够稳定的电力以保证汽车供电系统维持在平衡状态，已经成为新一代汽车电源发展和设计的主要方向。发电机是汽车主要供电源，许多学者——————————————————————————————————————————————— 使用了不同的工具对汽车 ,1,,2, 发电机仿真，如Ansoft，MATLAB/SIMULINK，MAT- LAB,3,4,。由于汽车运行的动态过程中，运行速度，负载都不断变化，传统仿真方法中参数调节困难，建立的模型可读性、可扩展性、可修改性较差。不便应用于汽车在不同速度、负载及其临界条件下的供电平衡状况检测。因此为了灵活调 收稿日期:2011,06,11修回日期:2011,08,16 研发时间。 —329— 2汽车同步发电机工作原理 汽车同步发电机仿真系统主要由发电机、整流器、蓄电 A，B，C的电流;Msf为定子绕组与转子绕组之间的互感;Ifl为转子输入电流;θe为电角度。 转子磁链方程 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: Msf?cos(θe,ψfl=(Msf?cos(θe)， Msf?cos(θe+ 2π ))3 2π，3 (2) 池、电压调节器、负载等组成，其构造如图1所示。图中ω为ia，——————————————————————————————————————————————— ib，ic为定子a，b，c相电流，Eb为蓄电池电压，if转子转速， 为励磁电流。发动机带动发电机转子以转速ω旋转，励磁绕组中通以电流if，形成旋转磁场，引起定子绕组中磁通的变ib，ic在整流器的作用化，定子绕组中产生三相交变电流ia，下变为直流，向汽车负载供电。汽车刚启动时，蓄电池向发 ,6,7, ;当大于蓄电池电压时，电机提供励磁电流if，他激发电 发电机提供励磁电流，为负载供电，同时向蓄电池充电，自励发电。在汽车的运行过程中，车速不断变化，进而发动机提供给发电机的转速随之变化。与此同时，汽车负载不断变化，例如汽车空调、音响等用电器的开启关闭，本文通过两个阶跃信号调节发动机转速和负载值，电压调节器在变速变负载的条件下通过控制励磁电流以保证发电机电压稳定 。 [] IsC IsA IsB+Lf?Ifl 式中:ψfl为转子绕组的磁链;Lf为转子自感系数。 磁链方程中电角度通过EMDSMSE模块端口4输入转速wrot和端口8输入参考转速wstat计算得来，其计算公式为: dθe ——————————————————————————————————————————————— =p?(wstat+wrot)dt (3) 在静止的abc坐标下观察同步电机的电磁现象，由于转子的旋转和凸极效应，造成相应同步电机方程中存在大量变化参数，通过派克变换，将三相静止abc坐标系变换到二相同步旋转dq坐标系，其变换式为: ? ???2cos(θ,) fq?=??3???fo??2π ?cos(θ+3) fd 图1 系统构成示意图 cosθ 2,sin(θ,) 3 ?fa??????fb??2π??fc?,sin(θ+?3 ,sinθ (4) q坐三相坐标系下磁通方程通过派克变换，转化成在d，标系下的磁通，分别用ψsd，ψsq表示。通过磁通计算电压和电 流。 ——————————————————————————————————————————————— 定子三相绕组和转子励磁绕组的电压方程为: dsd ?Usd=Rs?Isd+dt,ωe?ψsq??dψsq ?Usq=Rs?Isq+dt,ωe?ψsd??dψfl Ufl=Rf?Ifl+?dt 定子三相绕组和转子励磁绕组的电流方程为: 3Msf2?dIsd=(Usd,Rs?Isd,?Pi+Lsq?ωe?Isq)/(Lsd,22Lf?dt ?dIsqMsf?ωe?Ifl)/Lsq?dt=(Usq,Rs?Isq,Lsd?ωe?Isd, 2 ??dIfldIsd Msf/Lf?dt=Pi,2dt 3 3(1 系统数学模型的建立及仿真分析过程 发电机模型 同步发电机采用AMESim软件中电机及驱动库中 EMDSMSE模块构成，该模块可以模拟三相坐标系及两相坐标系下的同步发电机。在发电机运转后磁链方程通过电流和电角度表示。 定子磁链方程公式如下: (5) [][ ?LMM ——————————————————————————————————————————————— ψsB=?MLM+ ? ψsC?MML ψsA ] ?cos(2θe)? Lv?cos(2θe,2) 3? ?2π?cos(2θe+3) cos(2θe, 2π)3 cos(2θe+ 2cos(2θe+) 3cos(2θe) ????cos(2θe) ???2π?cos(2θe,)?3 2π)?3 (6) [] ??IsA2π?Msf?cos(θe,)? ?IflIsB+?3? ?IsC2π??Msf?cos(θe+3)? ——————————————————————————————————————————————— (1) Msf?cos(θe) 式(5)(6)中:Rs为定子绕组电阻;Rf为转子绕组电阻;Pi代表(Ufl,Rf*Ifl)/Lf;Usd，Usq为定子绕组经派克变换后q轴的电压;Isd，Isq为定子绕组经派克变换后在d，q轴在d， 的电流;Ufl为转子绕组输入电压;Ifl为转子绕组输入电流;3(2 整流器模型 本文建立的发电机系统，通过一个六个二极管组成的三相桥式全波整流电路将发出的交流电转变为直流电。整流器由AMESim软件ESC库中3个ESCRCTA组成。输入电流为正向时，电流流入上端二极管，当输入电流为反向时，电流流入 B，C的磁链;L为定子绕组式中:ψsA，ψsB，ψsC为定子绕组A， M为定子绕组互感系数;IsA，IsB，IsC为定子绕组自感系数， —330— 下端二极管。当二级管导通时，电阻值为Ron，当二极管截止时，电阻值为Roff。 每个ASCRCTA01元件中各端口输出电压电流可以表示为: 112 ?I1=3 R+R12? ?R1V1+R2V3+R1R2I2?V2=R1+R2? ?I=V1,V3+R2I2 ——————————————————————————————————————————————— 3?R1+R2 V,V+RI (7) R1，R2分别表示每个ASCRCTA元件中上端式(8)中， I1，V3，I3表示ASCRCTA元件二级管及下端二极管电阻;V1， I2表示ASCRCTA端口1、端口3的输入电压和输出电流;V2，元件端口2的输入电流和输出电压。3(3 PI调节器模型 电压调节器采用比例加积分(PI)调节器，此调节器具有限幅和抗饱和作用。将发电机的目标电压值和通过电压表测得的实际电压值进行比较，得到的差值经PI控制器处理，作为励磁绕组的输入信号，可建立汽车同步发电机的闭环PI调节器模型。当输出端数值小于模块最大值时，控制器PI输出，反之，饱和输出限幅值。 PID控制器的控制规律为: u(t)=Kp?e(t)+Ki? 比例系数;Ki为积分系数。3(4 建模及仿真过程分析 AMESim(AdvancedModelingEnvironmentforperformingSimulationsofeng ineeringsystems) 是1995年由法国 IMAG2INE公司开发的一个图形化的开发环境，用于 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系统的——————————————————————————————————————————————— 建模、仿真和动态性能分析。利用该软件，可实现在统一的平台上进行液压、机械、气动、热、电和磁等物理领域的多学科系统工程的建模，便于用户建立复杂系统及用户所需要的特定应用实例，方便修改模型和调整仿真参数，并具有稳态、动态、间断、连续以及批处理等多种仿真运行模式 构造该系统的模型时，按如下四个工作步骤进行:1)草图模式 在草图模式下，根据前文所述的汽车同步发电机系统的结构，利用AMESimRev9中信号库、机械库、电机及驱动库中元件建立汽车同步发电机系统的仿真结构，如图2所示。 2)子模型模式 当建立完系统的草图后，就进入到子模型模式，这时需要为每个元件选择合适的子模型，对于不同的元件，可能有多个子模型。大多数情况下，选用系统默认的数学模型，但对于某些比较复杂的元件，尤其对系统转换特性影响较大的元件，应选择参数数量较多、尽可能完整地反映出元件特性的子模型。 3)参数模式 为每个部件模型选择好子模型后，就可以进入到参 数 4)运行模式 在此模式下，设定仿真起始时间设置为0s，结束时间为10s，采样周期为0(01s。设置完仿真参数后，可进行初始化 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 仿真运行和批仿真运行并绘制结果图。反复进行3)、4)直到得到理想的仿真结果。 ——————————————————————————————————————————————— ,8, 图2汽车同步发电机系统仿真结构 模式，在此模式下，需要对每个部件设置参数。在整个仿真过程中，不仅搭建模型的数学模型对结果起着决定性的作用，子模型的参数设置也至关重要。本系统的仿真中，发电机内部参数主要根据实际的物理模型尺寸以及大量实验的经验数据设定，主要参数设置如表1。Rs，Rf为定子、转子电Lf为定子、阻;Ls，转子自感系数;M为定子转子互感系数。PI参数在仿真过程中需要不断调整，经过多次调整，等到一组比较理想的控制参数，如表2所示。 ? ttstart e(t)?dt(8) 参数 RsRfLsLfLm 表1发电机参数 数值0(350(200(1690(0070(35 其中u(t)为控制器的输出;e(t)为控制器的输入;Kp为 表2 参数控制类型极限输出Kp Ki最小值最大值 PI控制参数 数值PIyes50105150 ——————————————————————————————————————————————— 。 4仿真结果及其分析 完成系统模型参数设置后，仿真运行，利用AMESim软 件在动态仿真方面的优势，对汽车同步发电机的工作过程，及其在加负载，减负载及变速的工作过程进行仿真分析，得 —331— 到其动态响应曲线。仿真研究结果如图3和图4所示 。 图6 图3 定子绕组A相 电压 实车A相电流 5结论 使用AMESim工具软件建立了汽车同步发电机系统的 仿真模型，完成了对汽车同步发电机系统的仿真研究，分析了在变速变负载的条件下发电机电压电流曲线。仿真结果表明，汽车运行过程中，在发电机转速以及汽车负载发生变化的情况下，发电机能够提供稳定的电压，将电压值控制在0(25到14V之间，为汽车用电设备提供持续稳定的电流。本文建立的汽车同步发电机系统模型稳定有效，并可以方便地调节发电机转速负载值，为进一步建立汽车供电平衡系统 ——————————————————————————————————————————————— 图4 定子绕组A相电流 AMESim提供了与其它各种软件的提供有力的参考。此外， simulink等，如Matlab、可以方便的与其它软件相结合，接口， 这为进一步的研究分析提供了前提条件。参考文献: ,1,朱少林，王群京(基于Ansoft的永磁同步发电机建模与仿真 ,J,(电机技术，2008，(4):1,4( ,2,谭峙，卢子广，孙述宽(42伏汽车异步发电机矢量控制系统的 J,(系统仿真学报，2008，20(16):4485,4489(建模与仿真, ,3,孙建忠，白凤仙(无刷励磁同步发电机系统仿真研究,J,(电 2010,5:5,7(机技术， ,4,胡晓清，尚修香(一种带有PWM变换器的汽车感应发电机系 (电力电子学报，2010，44(10):9,11(统,J, ,5,李阔，郭迎清(AMESim仿真技术在航空动力控制系统中的应 (计算机仿真，2009，26(1):107,110(用,J, ,6,邢艳云，M,(北京:科学出版社，2009(等(汽车电器,,7,倪以信，陈寿孙，张宝霖(动态电力系统的理论和分析,M,( 2002(北京:清华大学出版社， ——————————————————————————————————————————————— ,8,付永领(AMESIM系统建模和仿真———从入门到精通,M,( 2006(北京:北京航空航天大学出版社， 图3、图4是汽车同步发电机系统在系统稳态和加负载、减负载、变速系统动态运行时发电机定子a相电压及电流响应曲线。在t=2(5s时刻，发动机提供给转子的转速由1500rad/min变为2000rad/min。在t=2(5s、5s、7(5s时刻，负载突加突减变化。图3为汽车交流发电机定子a相电压的动态响应曲线，可以看出:仿真开始时刻，蓄电池他励发电，电压升高，经过1(0s时间，发电机自励发电，系统进入稳定状态，在电压调节器的作用下，即使转速变化以及负载变化，发电机电压稳定，始终保持在14V左右。图4中，当负载变化时，电流随负载变化，始终保持输出正弦曲线。图5，图6为在某车以相同速度负载条件下采集的实车运行特性数据。仿真结果和实车数据相一致 。 ,作者简介, 刘 图5 实车A相电压 电子; 烨(1986,)，女(汉族)，吉林省白山市人，硕 士研究生，主要研究领域为实时与嵌入式系统，汽车 从仿真结果看出:当负载变化以及发电机转速变化时，发电机电——————————————————————————————————————————————— 压始终保持在14V左右，电流随负载变化，并且变化前后均保持正弦曲线，可见系统稳定;并且系统进入稳态状态的时间较短，响应较快 。 秦贵和(1962,)，男(汉族)，山东省高密人，教授， 博士生导师，主要研究领域为嵌入式系统、汽车电 智能控制等。子、 —332— ———————————————————————————————————————————————