1、 湖北文理学院 毕业设计（论文） 论文（设计）题目 电动机的建模与仿真 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2015 年 5 月 27 日 I 电动机的建模与仿真研究 摘要： 在全球能源危机和环境日益污染的大背景下，国家大力发展新能源产业，而电动 汽车就是其中重要的一环，电动汽车的研究和开发成为实现绿色可持续发展的一个重要方向。电动汽车的发展有很多制约因素，其中电机驱动系统的低速发展是其中的一个重要因素，因此，研究开发一种高效电机是一种必然的趋势 , 高效节能电机成为全球电机产业发展的共识 。 本文以直流电机作为研究对象，研究用于电动汽车的驱动电机。针对电动车的起动特性，将 MA
2、TLAB/SIMULINK 应用于电动机的起动仿真。 本文介绍了电动机的概念及分类特点，并详细介绍了直流电机的结构及工作原理，还简单介绍了计算机仿真与 MATLAB/SIMULINK。 为了研究电动汽车的起动特性，通过对直流电机的数学建模和基于 MATLAB/SIMULINK 的建模仿真，对电机的起动及改变参数后的仿真结果进行分析，从而来学习一种设计、分析的思维方式。 关键字： 电动汽车；直流电机； MATLAB/SIMULINK；电机起动分析；软起动II The modeling and simulation research of motor Abstract ： In the backg
3、round of an increasingly global energy crisis and environmental pollution, the National Development and Reform Commission commits to the development of new energy industry and the development of electric vehicle is one of the most important part of it. At the same time, the research and development
4、of electric vehicle has become an important direction to achieve sustainable development. There are lots of constraints to develop electric vehicle, which an important factor is the low-speed developing of motor drive system. Therefore, researching and developing a highly efficient motor is an inevi
5、table trend，to find a efficient motor has become the consensus of the words motor industry. In this article, we study the DC motor, and to research and develop a motor to drive electric vehicle. For the start of electric vehicles, we study the characters of the motor start by simulation based on MAT
6、LAB/SIMULINK. This article introduces the concept、 classification and characteristics of the motor, besides, it introduces the structure and working principle of DC motor in details, but also a brief introduction to computer simulation with MATLAB/SIMULINK. By the mathematical modeling and simulatio
7、n based on MATLAB/SIMULINK of a DC motor, to research the result of the motor start to learn a way of design and analysis thinking. Keywords: electric vehicle; DC motor; MATLAB/SIMULINK; analysis of the motor start； soft start III 目 录 摘要 . 错误 !未定义书签。 Abstract. 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内
8、外研究概况 . 2 1.3 现实意义 . 2 2 电动机的概念及分类特点 . 3 2.1 电动机的概念 . 3 2.2 电动汽车对驱动电机系统的基本要求 . 3 2.3 电动汽车驱动电机的分类及特点 19 . 4 3 直流电动机 . 6 3.1 直流电动机工作原理 . 6 3.1.1 直流电动机的模型结构 . 6 3.1.2 直流电动机的工作原理 . 7 3.2 直流电动机的基本结构 . 8 4 计算机仿真与 MATLAB 简介 . 12 4.1 计算机仿真概述 . 12 4.1.1 建模仿真的基本要求 . 13 4.1.2 仿真三要素 . 13 4.2 MATLAB 简介 . 14 4.2.
9、1 MATLAB 语言 . 14 4.2.1 SIMULINK 仿真 . 15 5 直流电动机的数学建模 . 17 5.1 直流电动机数学模 型 . 17 6 直流电动机 MATLAB 仿真模型的建立 . 19 6.1 直流电动机直接启动分析 . 19 6.1.1 SIMULINK 模块下建模、电动机起动仿真 . 19 6.1.2 给定参数验证 . 19 6.1.3 仿真结果分析 . 22 6.2 直流电机软起动 . 23 6.2.1 直流电机直接起动与软起动 SIMULINK 仿真模型 . 23 6.2.2 仿真结果分析与比较 . 25 总结与展望 . 27 参考文献 . 29 致谢 . 3
10、0 1 1 绪论 1.1 课题背景 在全球降低能耗的背景下，高效节能电机成为全球电机产业发展的共识。在电机系统节能方面，中国相继出台了一些指导政策，特别是 2008 年以后，加快了淘汰低效电机及拖动设备的速度，加强了高效节能电机推广力度； 2009 年，财政部和国家发改委将高效、超高效电机应用列入惠民工程； 2009 年和 2012 年工业和信息化部也先后发布了两批高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录。 2011年新能源汽车保有量增速为 59.58，在节能与新能源汽车产业发展规划（ 20122020 年） 等政策刺激下，中国新能源汽车产业市场预期良好， 2020 年新能源汽车保有量将达 50 万
11、辆，带动驱动电机市场规模迅速增长。 电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过 40 多年的发展，特别是改革开放 20 多年以来的快速发展，取得了长足进步。电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过 40 多年的发展，特别是改革开放 20 多年以来的快速发展，取得了长足进步。 电动汽车 (Electric Vehicle, EV)釆用电动机为牵引装置，并应用化学蓄电池组、燃料 电 池组、超级 电 容组和 /或飞轮组为其相应的能源 。 与传统内燃机 车 辆相比， 电 动汽车具有许多优点，例如 零 排放、能源的利用效率高、与石油无关以及安静、平稳地运行。无疑，
12、电 动汽 车 的发展能有效解决石油危机和环境污染问题，已得到全球范围内的高度 重 视，各国各地纷纷制定 电 动汽 车 的研究计划和相关法规。 大力发展 电 动汽车，鼓励科研机构研制 电 动汽车 ， 对我国是刻不容缓的 重 要事情， 具有十分重要的意义 。内燃机车辆排放是造成环境 污染的重要 原因 ， 而且情况 日益恶化 ，严影响人们的生活质暈；中国石油拥有 量 少 ， 基本上成为纯石油进口国 ；我国在内燃机 车 辆的发展上落后于发达国家 ，但在 电 动汽 车 的研发上几乎与发 达国家在同 一 起点 ， 加速 电 动汽 车 的发展有利于缩短我国在汽 车 技术研发上与先进国家 的差距 ，所以 ，电
13、 动汽 车 的开发和应用得到了政府和科研部门机构等的 高度重视和支持 。 电动汽车要被人们广泛接受需要解决 一 次充电的续驶里程和汽车价格问题，2 当前，蓄电池技术还没能取得突破性进展，需要在能量消耗和能量回收上寻找问题的解决途径，即研发优质高效的电动汽车驱动电机是解决这一问题的有效途径。故要求电动汽车驱动电机必须是转矩密度高、转矩控制能力好、能可靠安全运行和具有高效率。 1.2 国内外研究概况 应用于 电 动汽车中的 电 机类型主要有四种：直流 电 动机、 交流异步电 动机、永磁同步电 动机和开关磁阻 电 动机 。 我国从 20世纪 50 年代开始研制涡轮增压器，据不完全资料统计，目前共有专
14、业生产车间和生产厂 40 多家，大部分以引进国外技术仿制为主，只有极少数内燃机研究所和部分高校从事增压器的开发和研究工作。经过近 50 年的开发，逐渐形成一定规模的产量。 四种电机都具有明显的优缺点，随着近十年来，电能转换技术、控制技术的发展进步，交流电机及其控制技术有了很大的发展，比直流电机及其驱动系统更小型轻量且效率更高，调速范围广，少维护，总体性能比直 流电机优越，因此它们在电动汽车中的应用更具优势。 1.3 现实意义 电 机及其驱动系统是 电 动汽 车 的心脏 ， 是研究 电 动汽 车 必须解决的 重 要问题之 一 ， 而对 电 机类型的比较与选择是驱动系统设计 毒 的难点之 一。研究
15、与选择适合的电机对电动汽车的发展具有重要的意义，解决了电机问题或许会使电动汽车代替传统汽车从而从很大程度上解决能源缺乏和环境污染等问题。3 2 电动机的概念及分类特点 2.1 电动机的概念 是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 电动机 也称（俗称马达），在电路中用字母 “M” （旧标准用 “D” ）表示 18。它 的主要作用是产生驱动转矩，作为用电动汽车的动力源。 2.2 电动汽车对驱动电机系统的基本要求 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高
16、的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下 10个方面 19: (1) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由 THS 的 274 V提高到 THS B 的 500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由 33 kW 提高到 50 kW,最大转矩由 350 N“m 提高到 400ON“m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。 (2)转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到 8 000 一 12 000 r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。
17、(3)质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高的比功率 (电动机单位质量的输出功率 )和 在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程 ;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。 (4)电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。 (5)电动汽车驱动
18、电动机需要有 4 一 5 倍的过载，以满足短时加速行驶与最4 大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有 2倍的过载就可以了。 (6)电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。 (7)电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 (8)电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到 300 V 以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。 (9)能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶
19、劣的环境下长期工作。 (10)结构简单 .适合大批量生产，使用维修方便 .价格便宜等。 2.3 电动汽车驱动电机的分类及特点 19 （ 1）直流电机驱动系统 直流电机驱动系统具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等邮电。其缺点是有换向器和电刷，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，电刷磨损加快，所以电机的运转速度不能太高。由于直流电机的换向器和电刷需保养，又不适合高速运转，一般不适用于高速电动汽车，但是直流电机 驱动 系统的低成本及控制简单的特点特别适合低速电动汽车，故目前滞留电机驱动系统仍是低速电动汽车的首选驱动系统。但是通过合理设计电机结构、改进控制技术，这些缺点可得以大大改善，其产
20、品性能基本满足整车需求。 （ 2） 交流异步电机 驱动 系统 交流异步电机的特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动、低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。目前交流电机的矢量 控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，目前仍然是高速电动汽车驱动系统的主流产品，尤其在美国。但已有被其它新型永磁同步牵引电机驱动系统逐步取代的趋势。最大缺点是驱动电路复杂、成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和 功率 密度偏低。 （ 3）永磁同步电动机 驱动 系统 5 永磁同步电机具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电视车辆牵引电机中是强有力的竞争者，特别
21、是内置式永磁同步电机，在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，提高了电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大了恒功率运行范围，适合用作电动汽车的牵引驱动。永磁同步电机区队系统低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制。 （ 4）新一代 SRD 开关磁阻电机驱动系统 SRD 开关磁阻电机 驱动 系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制，这些特点都很适合在 电动车 辆的各种工况下运行，是电动车辆中具有潜力的机种。 SRD 的最大缺点是转矩脉动大，噪声大，此外，相对永磁电机而言， 功率 密度和效率偏
22、低。 驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。 驱动 电机主要包括直流电机和交流电机，目前低速电动汽车主要采用直流换向器电机，高速电动汽车广泛使用的电机主要包括：异步电机、开关磁阻电机和永磁 电机。 6 3 直流电动机 3.1 直流电动机工作原理 直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机 18，是电动机的主要类型之一，具有机构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车中得到了广泛的应用，特别是场地用电动车和专用电动车上应用更为普遍。 3.1.1 直流电动机的模型结构 图 3.1 所示为一台直流电机简单模型图。 N、 S 为定子上固定不动的两个主磁极，主磁极可以采用永久磁铁，也可以采用电磁铁，在电磁铁的励磁线圈上通以方向不变的直流电流，便形成一定极性的磁极。 图 3.1 直流发电机工作原理 在两个主磁 极 N、 S 之间装有一个可以转动的、由铁磁材料制成的圆柱体，圆柱体表面嵌有一线圈（称为电枢绕组），线圈首末两端分别连接到两个弧形钢片（称为换向片）上。换向片之间用绝缘材料构成一整体，称为换向器，它固定在转轴上（但与转轴绝缘），随转轴一起转动，整个转动部分称为电枢。为了接通电枢内电路和外电路，在定子上装有两个固定不动的电刷 A和 B，并压在换向器上，与其滑动接触。
