1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化直流电机的特性和调速分析一、选题的背景与意义直流电机以其优良的动性能和调速性能，在对起动及调速性能要求较高的生产机械领域有着它不可替代的作用，它实现了直流电能和机械能互相转换。直流电机是指把直流电能转化机械能的电机成为直流电机。直流电机主要被用于调速要求较高的生产机械上。具有调速范围广易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大可靠性高的优点。常规的直流电机就是有刷的直流电机，简称直流电机，是指直流电机的电枢供电电源是直流电，而在电枢绕组中流过的电流却是交流的。它是利用换向器和电刷将直流电源的电流引入电枢绕组，并实现换向。直流电机是最早出现的电动机，在所有的执行电动机
2、中，直流电机的工作特性最好，与其他各类电动机相比，直流电机的体积小、效率高、功率大、启动转矩大、过载能力强、动态特性好、容易控制、灵活方便，因此广泛应用在要求较高的调速控制系统中。MATLAB是一种科学计算软件，其是MATRIXLABORATORY矩阵实验室的缩写。这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。在工业生产现场，对直流电机的运动和稳定
3、性能的要求比较高，通过MATLAB仿真软件，可以建立直流电机调速控制系统的模型，便于观察和研究直流电机控制系统在不同的给定参数运行状态下的特性曲线，并且可以通过修改仿真模型中的直流电机的各个模块的数学参数表达式，以达到优化直流电机控制系统性能的目的。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题2直流电机研究的基本内容利用MATLAB仿真软件，建立直流电机控制系统的仿真模型，对直流电机的静态特性，启动特性以及调速系统进行分析和仿真，验证数学模型的有效性及控制系统的合理性；同时改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动态和静态特性。需要解决的主要问题理解直流电机的结构
4、组成和运动工作原理。分析和设计直流电机运动控制系统的数学模型。掌握MATLAB虚拟仿真软件MFILE编程和图形用户界面（GUI）使用。利用MATLAB仿真软件建立直流电机的控制系统的仿真模型。三、研究的方法与技术路线1、直流电机的结构特点与工作原理2、直流电机数学模型的分析和设计3、MATLABMFILE和GUI图形用户界面设计4、利用MATLABSIMULINK仿真功能建立直流电机的静态特性、启动特性、调速系统进行建模和仿真。四、研究的总体安排与进度201011201012完成毕业设计论文的外文翻译，文献综述，开题。2011120102熟悉掌握MATLAB的软件应用和直流电机的原理。2011
5、220113完成直流电机的建模，参数设计计算以及模型仿真。2011320105完善毕业设计的具体内容，完成毕业论文。2011520106准备答辩五、主要参考文献1王季铁，曲家骐执行电动机M北京电子工业出版社，19972邓兵，潘俊民无刷直流电机控制系统计算机仿真J计算机仿真，2002年05期3张琛直流无刷电动机原理及应用M机械工业出版社，19964谭浩强C语言程序设计（第二版）清华大学出版社，20055徐江红解析无刷直流电机的工作原理J黑龙江科技信息，2009年31期6张相军，陈伯时无刷直流电机换相转矩脉动的分析及其补偿方法J电工技术杂志，200037黄中霖控制系统MATLAB计算及仿真M国防工
6、业出版社，20018潘晓晟，郝世勇MATLAB电机仿真精华50例M电子工业出版社，20079林瑞光电机与拖动基础M杭州浙江大学出版社，2002810尚静基于MATLAB的异步电动机仿真模型分析J电机技术2002（2）11陈国呈PWM变频调速技术M北京机械工业出版社，199812徐邦荃，李浚源，詹琼华直流调速系统与交流调速系统M武汉华中科技大学出版社，200013胡寿松自动控制原理第三版M北京国防工业出版社，199614陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京机械工业出版社，200815常巍，谢光军MATLABR2007基础与提高北京电子工业出版社，200716李维波MATLAB在电气工程中
7、的应用北京中国电力出版社，200717JIMMIEJCATHEY电机原理与设计的MATLAB分析北京电子工业出版社2006718SAFFETAYASUNDCMOTORSPEEDCONTROLMETHODSUSINGMATLAB/SIMULINKANDTHEIRINTEGRATIONINTOUNDERGRATIONELECTRICMACHINERYCOURSESJ200719JUNYONGLU,DELIANGLIANGSIMULATIONOFLINEARBRUSHLESSDCMOTORSPEEDCONTROLLEDSYSTEMBASEDONMATLAB/SIMULINKJ20004毕业设计文献综
8、述电气工程与自动化直流电机的特性及调速分析一、对课题的研究历史、研究现状等进行准确的分析与归纳并作出简要评述；电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中90以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有60用于电动机，电动机与人们的生活息息相关。就目前而言电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多，例如对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电
9、器、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制为复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。常用控制直流电动机有以下几种方式，第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机也称为旋转变流组，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可以获得良好的调速性能，如有较宽的调速范围、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动
10、机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它具有系统快速响应性是发电机、电动机系统不可比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点，维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶5闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
11、由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组放大倍数10高1000倍，比汞弧变流器放大倍数1000高10倍在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展
12、。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也不断向前发展。微机系统的应用使直流电机传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动领域的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳跟踪等控制；工业方
13、面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使6电动控
14、制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、通用计算机、FPGA/CPLD、DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处
15、理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载扰动变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。MATLAB的直流电机的建模与仿真课题，电气电子工程学科的科学研究者在直流电机结构建模分析和仿真领域进行过大量的研究。研究的内容主要涉及直
16、流电机的基本的工作特性，建立直流电机电压、转矩、启动、调速和制动运动方程的数学模型表达式，通过MATLABSIMULINK建立各个系统仿真功能模块。MATLAB自从问世以来，凭借其强大的数值计算能力、出色的数据图形可视化技术以及日益丰富的SIMULINK动态仿真模型库，迅速占领了工程技术领域各学科的仿真设计与教学，成为比较实用的计算机仿真实验平台。尤其在信息电气自动化领域，MATLAB成为教学、学术活动和工程设计的重要的仿真工具。随着直流电机的理论研究和实际应用的推广，为了更好的设计系统的控制性能和调速特性，当今的科研人员对基于MATLAB的直流电机进行了大量的实验仿真研究。其研究的领域主要集
17、中在控制算法和调速系统模块数学模型的实现上，包括建立直流电机的基本数学模型，电压、电磁转矩等方面，还有直流电机控制7系统的调速方式。二、表达自己的观点与主张，阐述该课题的发展动向和趋势；利用MATLAB虚拟仿真软件GUI功能编程建立直流电机的特性与调速的模型与仿真，利用MATLAB虚拟仿真技术可以克服现有的实验设备和条件，通过GUI的图形用户界面设计，可以形象的模拟直流电动机控制系统的运行特性。在不同参数的给定下，分析静态特性、启动特性以及调速系统运行特性，提出更优的控制方案。对于直流电机的实际生产与应用有一个很好的导向作用。MATLAB虚拟仿真软件和直流电机的仿真能够更好发挥两者的优点，进行
18、相应的直流电机特性与调速性能的仿真，通过虚拟技术与电机理论实践相结合，直流电机的理论研究和现实生产都将会进一步的提升和推广。参考文献1王季铁，曲家骐执行电动机M北京电子工业出版社，19972邓兵，潘俊民无刷直流电机控制系统计算机仿真J计算机仿真，2002年05期3张琛直流无刷电动机原理及应用M机械工业出版社，19964谭浩强C语言程序设计（第二版）清华大学出版社，20055徐江红解析无刷直流电机的工作原理J黑龙江科技信息，2009年31期6张相军，陈伯时无刷直流电机换相转矩脉动的分析及其补偿方法J电工技术杂志，20007黄中霖控制系统MATLAB计算及仿真M国防工业出版社，20018潘晓晟，郝
19、世勇MATLAB电机仿真精华50例M电子工业出版社，20079林瑞光电机与拖动基础M杭州浙江大学出版社，2002810尚静基于MATLAB的异步电动机仿真模型分析J电机技术2002（2）11陈国呈PWM变频调速技术M北京机械工业出版社，199812徐邦荃，李浚源，詹琼华直流调速系统与交流调速系统M武汉华中科技大学出版社，200013胡寿松自动控制原理第三版M北京国防工业出版社，199614陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京机械工业出版社，200815常巍，谢光军MATLABR2007基础与提高北京电子工业出版社，200716李维波MATLAB在电气工程中的应用北京中国电力出版社，20
20、0717JIMMIEJCATHEY电机原理与设计的MATLAB分析北京电子工业出版社2006718张德丰MATLAB/SIMULINK建模与仿真实例精讲M北京机械工业出版社20101819SAFFETAYASUNDCMOTORSPEEDCONTROLMETHODSUSINGMATLAB/SIMULINKANDTHEIRINTEGRATIONINTOUNDERGRATIONELECTRICMACHINERYCOURSESJ200720JUNYONGLU,DELIANGLIANGSIMULATIONOFLINEARBRUSHLESSDCMOTORSPEEDCONTROLLEDSYSTEMBASED
21、ONMATLAB/SIMULINKJ20009本科毕业设计（20届）直流电机特性及调速分析摘要10【摘要】直流电机以其优良的起动性能和调速性能，在对起动及调速性能要求较高的生产机械领域有着不可替代的作用，它实现了直流电能和机械能之间的互相转换。本文采用MATLABSIMULINK仿真软件实现直流电机起动特性、机械特性、转速调速控制特性和制动特性的仿真分析及研究。论文借助MATLAB来分析直流电机的上述种种问题，主要利用SIMULINK来实现各种仿真模型。同时还结合MATLAB中的GUI（用户图形界面），直观地调用各种仿真模型。【关键词】直流电机MATLABSIMULINK；特性；仿真；GUI。
22、ABSTRACT【ABSTRACT】DCMOTORHAVEAGREATSTARTINGANDEXCELLENTSPEEDPERFORMANCE,THEPERFORMANCEREQUIREMENTSOFSTARTINGANDHIGHSPEEDESPECIALLYPLAYSANIRREPLACEABLEROLEINTHEPRODUCTIONANDMACHINERYFIELD,ITIMPLEMENTSTHEDCENERGYANDMECHANICALENERGYCONVERSIONBETWEENEACHOTHERINTHISPAPER,MATLABSIMULINKSIMULATIONSOFTWAREW
23、ITHDCMOTOROFSTARTINGCHARACTERISTICS,MECHANICALCHARACTERISTICS,SPEEDCONTROLANDTHEBRAKINGCHARACTERISTICSOFTHESIMULATIONANDANALYSISTHISPAPERAIMTOANALYZETHEDCMOTORUSINGMATLABTOSOLVEPROBLEMS,THEMAINUSEOFSIMULINKTOIMPLEMENTAVARIETYOFSIMULATIONMODELSMATLABISALSOCOMBINEDWITHTHEGUIGRAPHICALUSERINTERFACE,DIRE
24、CTLYCALLTHEVARIOUSSIMULATIONMODELS【KEYWORDS】DCMOTOR；MATLABSIMULINK；PROPERTIES；SIMULATION；GUI。11目录1引言1211选题背景与意义1212直流电机的发展113本课题主要研究的目标和课题12仿真软件MATLAB的概述221SIMULINK仿真模块介绍222MATLABSIMULINK软件的介绍323SIMULINK仿真模块介绍33直流电机的建模与仿真731直流电机的机械特性732直流电机的起动特性9321直流电机的直接起动9322直流电机的分级起动1233直流电机的调速分析14331直流电机降低电枢电压调
25、速14332直流电机弱磁调速15333直流电机电枢串电阻调速1634直流调速控制系统仿真与分析18341开环直流调速控制系统仿真与分析18342闭环直流调速控制系统仿真与分析203421有静差转速负反馈调速系统的仿真203422无静差转速负反馈调速系统的仿真2235直流电机制动仿真24351直流电机制动的意义24352直流电机的能耗制动24353直流电机的反接制动25354直流电机的反馈制动264基于GUI的直流电机控制系统设计2841GUI的基础知识2842GUI图形界面的设计285总结33参考文献34致谢35附录35121引言11选题背景与意义直流电机以其优良的动性能和调速性能，在对起动及
26、调速性能要求较高的生产机械领域有着它不可替代的作用，它实现了直流电能和机械能互相转换。直流电机是指把直流电能转化机械能的电机成为直流电机。直流电机主要被用于调速要求较高的生产机械上。具有调速范围广易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大可靠性高的优点。12直流电机的发展常规的直流电机就是有刷的直流电机，简称直流电机，是指直流电机的电枢供电电源是直流电，而在电枢绕组中流过的电流却是交流的。它是利用换向器和电刷将直流电源的电流引入电枢绕组，并实现换向。直流电机是最早出现的电动机，在所有的执行电动机中，直流电机的工作特性最好，与其他各类电动机相比，直流电机的体积小、效率高、功率大、启动转矩大、过载能力强
27、、动态特性好、容易控制、灵活方便，因此广泛应用在要求较高的调速控制系统中。13本课题主要研究的目标和内容本文采用MATLAB的SIMULINK仿真软件实现直流电机起动特性、机械特性、调速控制特性和制动特性的仿真及分析研究。论文借助MATLAB来分析直流电机的上述种种问题，主要利用SIMULINK来实现各种仿真模型。同时还结合MATLAB中的GUI（用户图形界面），直观地调用各种仿真模型。132仿真软件的基础知识21仿真软件MATLAB的概述MATLAB是MATRIXLABORATORY的简写，它是以矩阵为基础的编程语言。以前的MATLAB用于解决工程和科学领域的复杂数学问题。由于它具有编程效率
28、高、输入方便、运算高效、符合科技工程人员的操作方式，并且具有绘图功能，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外科研学术教学和科学研究的必备软件。MATHWORKS公司在1984年推出MATLAB，历经几代版本升级，现在MATLAB78版已经面世。早期的MATLAB是在DOS环境下运行，在1990年推出了WINDOWS版本，1993年MATHWORKS公司又推出了MATLAB的微机版本，并且充分支持在MICROSOFTWINDOWS界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界应用广泛，是各科学计算软件中使用次数较高的软件7。MATLAB只有一种数据类型和一种标准的输
29、入输出语句，它以解释方式工作，不需要编译，一般学者经过自学就可以掌握。还可以通过帮助HELP和演示DEMO功能项目来进行学习。MATLAB拥有大量的功能函数命令，这些MATLAB函数仅基本命令部分就有700多个，其中常用的有200300个，掌握和记忆起来都比较困难。1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK串接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以模块框图进行仿真和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它具有不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的方便。在SIMULINK仿真平台上，根据所需要的模型，将相应的模块元件
30、进行连接就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，其版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB40/SIMULINK10版到2001年的MATLAB61/SIMULINK41版，2002年6月又推出了MATLAB65/SIMULINK50版，在计算方法、图形功能、图形用户界面设计、编程手段和工具等方面都有重大改进。MATLABR系列是从2006年开始发布的，MATHWORKS公司在技术层面上实现了一次飞跃。产品发布模式也将改变，
31、将在每年的3月和9月进行两次产品发布，版本的命令方式为“R14年份代码”，对应上下半年的代码分别为A和B。每一次发布都会包含所有新的产品模块，如产品的NEWFEATURE、BUGFIXES和新产品模块的推出。目前毕业设计所使用的是MATHWORKS公司在2009年3月份推出的MATLABR2009A产品18。MATLAB不再是单一的“矩阵实验室“，它已经成为高级的数学计算和仿真平台，SIMULINK仿真工具箱起初是为控制系统的仿真而建立的，由于它在使用中可以处理MATLAB不容易解决的变系数、非线性等问题。MATLAB可以仿真较复杂的系统，例如它能够进行连续系统和离散系统的仿真、离散连续混合系
32、统的仿真、线性和非线性系统的仿真、多种采样频率系统的仿真。因此，各科学应用领域可以根据仿真模型的需要，以MATLAB为基础来开发相应的仿真模块程序，并将这些程序以模块的形式导入到SIMULINK中形成模块库。SIMULINK的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在SIMULINK模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了SIMULINK最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具模块、通信系统工具模块等也并行列入模块库的目录中，逐级打开模块库浏览器SIMULINKLIBRARYBROWSER的目录，就可以看到相应的模块。电力系统模块库POWER
33、SYSTEMBLOCKSET是从SIMULINK41版开始，该模块库主要由加拿大HYDROQUEBEC和TECSIM公司共同研究开发。在SIMULINK环境下用电力系统模块库的模块，可以进行电力电子电路、RLC电路、电机控制系统和电力系统的仿真。在介绍SIMULINK之前，首先介绍MATLAB的一些基本命令和函数，尤其是MATLAB的绘图功能，是在直流电机特性及仿真分析中经常使用的。22MATLAB/SIMULINK软件的介绍MATLAB的SIMULINK是一款很有特色的仿真软件，在此环境中，可以用鼠标操作来架构系统的仿真模型，并完成对模型系统的仿真。原来的仿真编程是在MATLAB文本窗口中进
34、行的，程序是代码命令和相应的MATLAB命令函数，这样与实际的物理系统和电路很难建立形象的联系。在SIMULINK仿真环境中，系统的函数和常用电路元器件的模型都用框图表示，框图之间的连线则表明了信号流动的方向。对于使用者而言，只要学习使用图形界面的方法和熟悉仿真模块的内容，就可以很方便地进行系统和电路的仿真，而不必去记系统复杂的函数，这无疑备受用户的欢迎。本论文设计中涉及到相应的SIMULINK工作环境和系统仿真（SIMULINK和电力系统（POWERSYSTEMBLOCK两个模型库。23SIMULINK仿真模块介绍15二、DCMACHINE模块直流电机模型如图21所示，图中A和A是直流电机电
35、枢绕组的连接端，F和F是直流电机励磁绕组的连接端，TL是直流电机负载转矩的输入端。M端用于输出直流电机的W、IA、TE、IF变量，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项波形和参数。图21直流电机模型直流电机模型是以他励直流电机为基础，通过电枢和励磁绕组的并联和串联方式组成并励和串励电机。直流电机模型是工作在电动机状态还是发电机状态，则是由电机的转矩方向来决定的。直流电机模型参数见表21。直流电机模型如图22。表21直流电机模型参数参数单位电枢电阻RA和电感LAOHMS和H励磁电阻RF和电感LFOHMS和H励磁和电枢互感LAFH转动惯量JKGM2粘滞摩擦系数BMNMS干摩擦转矩
36、TFNM初始速度WRAD/S16图22直流电机结构模型励磁回路电压方程为DTDILIRUFFFFF，式中，FU、FI为直流电机励磁电压和电流，FR、FL为励磁回路电阻和电感。电枢回路电压方程为EDTDILIRUAAAAA，WKEE或NKEE602（其中NW602），FAFEILK。表达式中AU、AI为直流电机电枢电压和电流，AR、AL为电枢回路电阻和电感，E电枢感应电动势，W为电机转子机械角速度（RAD/S），N为转子转速（R/MIN），EK为电动势常数，AFL为磁场和电枢绕组间互感16。图23直流电机机械部分结构模型图电机转矩方程为BWDTDWJTTTFLE，ATEIKT。式中，J是转动惯量
37、；B是粘17滞摩擦系数；TK为转矩系数；ETKK。当ET0时，电机工作在电动机模式；ET0时，电机工作在发电机模式。三、UNIVERSALBRIDGE模块图24UNIVERSALBRIDGE模块该模块既可以作晶闸管整流桥，又可以作二极管整流桥，还可以作为GTO、IGBT、MOSFET、IDEALSWITCHES等整流桥使用，因此名为UNIVERSALBRIDGE（万用桥路）。四、SYNCHRONIZED6PLUSEGENERATOR（同步6脉冲发生器）模块模块符号如图25所示。该模块可用来产生触发三相全控整流桥路中的晶闸管所需要的6个触发脉冲信号，也可以设置模块参数产生6个双脉冲信号。ALPH
38、A_DEG端为晶闸管的控制相位角输入端；AB、BC和CA端为三相交流电源的线电压输入端；BLOCK端为触发器开关端，当输入信号为“0”时，使能脉冲发生器；为“1”时，封锁脉冲发生器；PULSES是触发脉冲输出端。图25SYNCHRONIZED6PLUSEGENERATOR（同步6脉冲发生器）模块五、图形读者界面之POWERGUI模块功能简介POWERGUI模块即POWERGRAPHICALUSERINTERFACE（电力图形用户界面），其是一种用于电路和系统分析的图形读者界面。利用SIMULINK功能连接不同的电气元件，是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具。POWERGUI模块可以显示系
39、统稳定状态的电流和电压以及电路所有的状态变量值，可以对电路初始状态值进行初始化设置等18。六、SIMULINK仿真模型使用到的模型元件表22SIMULINK仿真模型元件18元器件名称元器件提取路径直流电动机DCMOTORPOWERSYSTEM/MACHINES直流电源电压DCPOWERSYSTEM/ELECTRICALSOURCE理想开关模块SIMPOWERSYSTEM/POWERELECTRONICS/IDEALSWITCH电压测量单元SIMPOWERSYSTEM/MEASUREMENTS/VOLTAGEMEASYREMENT电流测量单元SIMPOWERSYSTEM/MEASUREMENTS
40、/CURRENTMEASYREMENT信号分解DEMUXSIMULINK/SIGNALSROUTING/DEMUX信号合成MUXSIMULINK/SIGNALSROUTING/MUX运算放大器SIMULINK/MATHOPERATION/GAIN阶跃信号SIMULINK/SOURCE/STEPRLC串联电阻POWERSYSTEMBLOCKSET/ELEMENTS/SERIESRLCBRANCH万用表MULTIMETERSIMPOWERSYSTEM/MEASUREMENTS/MULTIMETER限幅SATURATIONSIMULINK/DISCONTINUITIES/SATURATION同步6脉
41、冲发生器SIMPOWERSYSTEM/EXTRALIBRARY/SYNCHRONIZED6PULSEGENERATOR交流电压源SIMPOWERSYSTEM/ACVOLTAGESOURCE全控桥电路SIMPOWERSYSTEM/UNIVERSALBRIDGE3直流电机的建模与仿真31直流电机的机械特性电动机在NUU1，NIFIF且电枢回路未串入任何电阻的情况下，转子转速和电磁转矩之间的关系曲线称为机械特性，它反映了在不同转速下电动机所能提供的功率情况。在额定电压、额定励磁且电枢回路未串联任何电阻的情况下，各控制量及参数均取自电机的固有量，因此称为固有机械特性。而通过人工改变控制量或参数所获得的
42、机械特性称为人工机械特性。根据所改变控制量和参数不同，他励直流电动机的人工机械特性可以分为三种类型电枢回路串电阻的人工机械特性；改变电枢电压的人工机械特性；减弱磁通的人工机械特性。现分别对他励直流电机的三种人工机械特性进行仿真，电动机的额定数据为KWPN10，VUN220，AIN253，MIN/1000RNN，包括电刷接触电阻在内电枢回路总电阻193930AR，串入的电阻51OR。通过编程实现如下图所示的机械特性曲线。图31电枢回路外串电阻的人工机械特性，图32改变电枢电压时的人工机械特性，图33弱磁调速时的人工机械特性17。图31电枢回路外串电阻的人工机械特性20图32改变电枢电压时的人工机
43、械特性图33弱磁调速时的人工机械特性2132直流电机的起动321直流电机的直接起动直流电动机起动是指额定工作电压直接加到电动机电枢绕组两端后电动机的起动方式。根据电机学的知识可知，这种起动方法起动设备简单，起动转矩大、速度快，但起动电流较大，因此适应于小负载起动。另外，起动过程属于电机的动态过程之一，下面通过建立SIMULINK仿真模型来研究直接起动过程的特性。首先建立一个仿真模型新文件，在MATLAB的菜单栏上点击FILE,选择NEW，在弹出菜单中选择MODEL，此时出现一个空白的仿真平台，绘制电路的仿真模型。组成本仿真模型的基本元器件，主要使用到的仿真模块有直流电压源、直流电动机、常数模块
44、、电压测量模块、运放、信号分解模块、理想开关模块、阶跃信号模块和示波器等。设置模块参数基本模块搭建完毕，同样需要对各模块进行参数设置，以下为直流电动机模块参数设置。设置理想开关IDEALSWITCH是先将直流电机上的励磁通电工作，再在电机电枢端加上直流电压起动。实验结果仿真时间设为3秒。当T1S时，阶跃信号触发理想开关模块闭合，电枢回路闭合，直流电机开始工作。在起动的瞬间，电机的转速、电枢电流和电磁转矩波形均会出现一定的波动。之后进入稳定运行状态。下图所示为他励、并励和串励直流电机的起动仿真模型和仿真波形图。在参数设置相同的情况下，直流电机运动在不同励磁方式下，W、TE、IA和IF仿真波形有一
45、定的区别。他励直流电机起动运行后，进入稳定运行状态的时间比较快。并励和串励需经过一段时间才进入稳定运行状态。从仿真波形图中可以看出电机电枢电流IA和电磁转矩TE的数值和波动均比较大，电机的绕组线圈会产生过热和击穿，对于电机本体和起动过程不利，在实际的工作和运行中利用串级调速和变频调速等来实现。他励直流电机的起动仿真模型和波形如图34和35所示，并励直流电机的起动仿真模型和波形如图36和37所示，串励直流电机的起动仿真模型和波形如图38和39所示。22图34他励直流电机的起动仿真模型图35他励直流电机的起动仿真波形23图36并励直流电机的起动仿真模型图37并励直流电机的起动仿真波形图38串励直流
46、电机仿真模型24图39串励直流电机仿真波形322直流电机的分级起动仿真由于直接起动电流过大，为了限制起动电流过大，通常在电源和电动机之间加上起动变阻箱。起动过程通过起动电阻的变化达到限制电流及保证起动转矩的目的。起动变阻箱由三个电阻组成，在每个电阻两端并联一个理想开关，通过设置开关不同的导通时间，来切换电阻。起动瞬间，三个开关全部断开，则此时电阻值最大。达到一定时间后，第一个开关导通，第一个电阻被切除。以此类推，达到限制电流和保证足够转速的目的。直流电机分级起动仿真模块如下表所列直流变阻箱的参数如下图310所示，主电路中STEP的时间为05秒，运放GAIN放大倍数为02，直流电压源电压240V
47、，其他参数默认。仿真时间设为8S，T1S电机启动，T28S时第一电阻切除，T48S时第二电阻切除，T68S时第三电阻切除。由不同励磁方式组成的直流电机分级起动，W、IA、IF、TE的仿真波形也不相同，串励直流电机分级起动仿真的各个参数波形运行比较平稳，起动效果比较好。他励直流电机分级起动的仿真模型和波形分别如图311和312所示，并励直流电机分级起动的仿真模型和波形分别如图313和314所示，串励直流电机分级起动的仿真模型和波形分别如图315和316所示。25图310直流起动变阻箱图311他励直流电机分级起动的仿真模型图312他励直流电机分级起动仿真的波形图26图313并励直流电机分级起动仿真
48、模型图314并励直流电机分级起动仿真的波形图27图315串励直流电机分级起动仿真模型图316串励直流电机分级起动仿真的波形图33直流电机的调速分析直流电机的降速方法有多种，主要有电枢回路串电阻调速、改变电枢电压和弱磁调速、闭环转速控制等。331直流电机降低电枢电压调速改变电枢电压调速可以利用可调电压电源供电，可以实现变压调速，但受电动机绝缘耐压的限制，只能降低额定电压降压调速。变压调速的机械特性硬度不变，但是随着电压降低静差率增大，励磁电流额定时，可实现恒转矩调速。转速只能低于额定转速，但在允许的静差率范围内可获得比串电阻调速更宽的调速范围。建立仿真模型，根据调速要求建立仿真模型，设置模块参数
49、直流电源电压为240V。仿真结果直流电动机在02秒时，在额定电压下运行，2秒时阶跃模块触发转换模块将240V电压切除掉，同时将150V电源接入电路中。降速到14425R/MIN时的电源电压为200V。直流电机降低电枢电压调速仿真模型和波形分别如图317和318所示。28图317直流电机降低电枢电压调速仿真模型图318直流电机降低电枢电压调速仿真波形332直流电机弱磁调速在电动机额定运行时，励磁电流已经使得磁路接近饱和状态，因此励磁调速只能小于额定励磁往下调，故称弱磁调速。在端电压和电枢电流为额定的条件下减少励磁调速，电动机转速将高于额定转速，电磁转矩低于额定转矩，但电磁功率恒定，因此属于恒功率调速。建立直流电机弱磁调速模型，并提取相应的模块，主要涉及到的模块有直流电机、直流电压源、常数模块、运放、信号分解模块，设置仿真参数和模块参数将端电压和励磁电29压都设定为额定值，观察仿真图形，然后将励磁电压设定为120V左右，再观察仿真结果。电机运行至2秒钟的时改变励磁电压，转速W的值增大，仿真结果跟理论接近。直流电机弱磁调速仿真模型和波形分别如图319和320所示。图319直流电机弱磁调速仿真模型图320直流电机弱磁调速仿真波形333直流电机电枢串电阻调速电枢回路串电阻调速在他励直流电动机拖动生产机械时，保持端电压额定
