基于交互技術(shù)的無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

郭一飛，張 岳

(遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 遼寧 本溪 117004)

無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種新型交流電機(jī)，它的定子鐵心上有兩套不同極數(shù)的三相繞組，分別為功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子為無(wú)刷結(jié)構(gòu)部，通過(guò)轉(zhuǎn)子對(duì)定子兩套繞組電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。在電動(dòng)運(yùn)行方式下，可異步運(yùn)行和同步運(yùn)行，并可通過(guò)改變控制繞組電流頻率、幅值和相位，實(shí)現(xiàn)低于和高于同步速的雙饋調(diào)速運(yùn)行。在發(fā)電運(yùn)行方式下，則可通過(guò)調(diào)節(jié)控制繞組的交流勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。由于控制繞組所需要的變流器功率較小和控制系統(tǒng)成本較低，無(wú)刷雙饋電機(jī)在大中型交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景〔1-4〕。

MATLAB擁有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，若與GUIDE可視化編程聯(lián)合應(yīng)用，則能更加直觀(guān)清晰地操控仿真模型參數(shù)并顯示仿真結(jié)果。一個(gè)好的GUIDE既可以保留MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值處理功能，又可以提供良好的人機(jī)對(duì)話(huà)窗口，給科研、教學(xué)帶來(lái)極大的靈活性〔5〕。

本文基于MATLAB/simulink仿真軟件構(gòu)建了不同運(yùn)行狀況下的無(wú)刷雙饋電機(jī)仿真模型，并利用GUI技術(shù)設(shè)計(jì)了人機(jī)友好對(duì)話(huà)界面的仿真平臺(tái)，通過(guò)該仿真平臺(tái)分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)的特性。

1 仿真平臺(tái)的GUI界面設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)GUIDE技術(shù)建立一個(gè)窗口，列出無(wú)刷雙饋電機(jī)各種運(yùn)行特性以供操作者選擇。選中其中的運(yùn)行特性后，進(jìn)入相應(yīng)運(yùn)行特性界面，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真模型的運(yùn)行，通過(guò)上一頁(yè)按鈕來(lái)關(guān)閉用戶(hù)界面返回主界面。

1.2 主界面的設(shè)計(jì)

圖1 控件屬性

根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)兩個(gè)figure，一個(gè)為主界面，另一個(gè)為主菜單界面。以主菜單界面為例，詳細(xì)闡述實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在MATLAB 7.1仿真環(huán)境下，新建一個(gè)figure窗口，命名為u1.fig。該界面包括一個(gè)static text 控件和4個(gè)pushbutton控件，雙擊相應(yīng)的控件，打開(kāi)property inspector對(duì)話(huà)框，按設(shè)計(jì)要求完成控件屬性修改，如其中一個(gè)pushbutton控件的“string”修改為“無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行”、“font size”修改為26、“callback”修改為y2，其中y2為無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行GUIDE界面，控件屬性修改如圖1所示〔6-13〕。

其余的pushbutton控件的“string”分別修改為“無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋運(yùn)行”、“無(wú)刷雙饋電機(jī)變速恒頻運(yùn)行”、“font size”修改為26、“callback”修改為y3和y4，其中y3和y4分別為無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋和變速恒頻運(yùn)行GUIDE界面。

完成相應(yīng)控件屬性參數(shù)修改后的主菜單運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 主菜單界面

1.3 運(yùn)行界面的設(shè)計(jì)

以該仿真平臺(tái)的無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行界面為例，闡述GUIDE設(shè)計(jì)過(guò)程。該界面如圖3所示。

圖3 異步運(yùn)行GUIDE設(shè)計(jì)界面

包含3個(gè)axes控件、3個(gè)static text控件以及2個(gè)pushbutton控件。通過(guò)該界面的M-文件編輯器編寫(xiě)程序代碼，讀函數(shù)圖片顯示在Tag為“axes1”、“axes2”的坐標(biāo)軸上面，實(shí)現(xiàn)程序代碼的M-文件如下〔5〕：

I=imread('y2-1.bmp','bmp');

axes(handles.axes1);

image(I);

axis off

I1=imread('y2-2.bmp','bmp');

axes(handles.axes2);

image(I1);

axis off

其中：“′y2-1.bmp”為無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行仿真模型圖片。如圖4所示，“y2-2.bmp”為無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行實(shí)驗(yàn)圖片。

圖4 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行仿真模型圖

無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行仿真結(jié)果顯示在Tag為“axes3”的坐標(biāo)軸上，為無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，其中一個(gè)pushbutton控件的“string”屬性修改為“仿真”，該pushbutton控件的功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)異步仿真運(yùn)行，其實(shí)現(xiàn)的M-文件程序代碼如下：

options=simset('SrcWorkspace','current');

sim('model_yibu_hege',[],options);

axes(handles.axes3);

t1=a1.time;

y1=a1.signals.values;

plot(t1,y1)

axis([0 15 740 760])

另一個(gè)pushbutton控件的“string”屬性修改為“上一頁(yè)”，該pushbutton控件的功能是返回上一層菜單，通過(guò)編輯控件的call back 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 pushbutton控件功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)異步仿真運(yùn)行的GUIDE設(shè)計(jì)，其運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 無(wú)刷雙饋電機(jī)異步仿真運(yùn)行的GUI

從圖6中可以看出，無(wú)刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速公式為〔1-3〕：

(1)

其中：pp和fp為無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組的極對(duì)數(shù)和電源頻率，pc為無(wú)刷雙饋電機(jī)控制繞組的極對(duì)數(shù)。

本文的無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組和控制繞組的極對(duì)數(shù)分別為3和1，功率繞組的供電源的頻率為50 Hz，按照式(1)無(wú)刷雙饋電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為750r/min，從圖6 中可以看到仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

同理，無(wú)刷雙饋電機(jī)的雙饋運(yùn)行、變速恒頻運(yùn)行的GUIDE設(shè)計(jì)步驟與無(wú)刷雙饋電機(jī)的異步的GUIDE設(shè)計(jì)步驟類(lèi)似，它們的GUIDE運(yùn)行情況如圖7和圖8所示。

圖7 無(wú)刷雙饋電機(jī)雙饋仿真運(yùn)行的GUI

圖8 無(wú)刷雙饋電機(jī)變速恒頻發(fā)電仿真運(yùn)行的GUI

3 結(jié)論

本文介紹了基于MATLAB/SIMULINK和圖形用戶(hù)界面GUIDE的無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)本仿真平臺(tái)，可以對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的各種運(yùn)行狀況有所了解，并直觀(guān)地觀(guān)察到仿真結(jié)果，有助于學(xué)生理解無(wú)刷雙饋電機(jī)的性能，使該仿真教學(xué)平臺(tái)具備較強(qiáng)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和工程研究?jī)r(jià)值。