1、本科毕业设计（20届）直流电机特性及调速分析所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【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
2、；特性；仿真；GUI。ABSTRACT【ABSTRACT】DCMOTORHAVEAGREATSTARTINGANDEXCELLENTSPEEDPERFORMANCE,THEPERFORMANCEREQUIREMENTSOFSTARTINGANDHIGHSPEEDESPECIALLYPLAYSANIRREPLACEABLEROLEINTHEPRODUCTIONANDMACHINERYFIELD,ITIMPLEMENTSTHEDCENERGYANDMECHANICALENERGYCONVERSIONBETWEENEACHOTHERINTHISPAPER,MATLABSIMULINKSIMULATI
3、ONSOFTWAREWITHDCMOTOROFSTARTINGCHARACTERISTICS,MECHANICALCHARACTERISTICS,SPEEDCONTROLANDTHEBRAKINGCHARACTERISTICSOFTHESIMULATIONANDANALYSISTHISPAPERAIMTOANALYZETHEDCMOTORUSINGMATLABTOSOLVEPROBLEMS,THEMAINUSEOFSIMULINKTOIMPLEMENTAVARIETYOFSIMULATIONMODELSMATLABISALSOCOMBINEDWITHTHEGUIGRAPHICALUSERINT
4、ERFACE,DIRECTLYCALLTHEVARIOUSSIMULATIONMODELS【KEYWORDS】DCMOTOR；MATLABSIMULINK；PROPERTIES；SIMULATION；GUI。II目录1引言111选题背景与意义112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
5、电机降低电枢电压调速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3511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
6、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。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
7、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。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。22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
8、它具有编程效率高、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
9、和一种标准的输入输出语句，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
10、相应的模块元件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
11、模式也将改变，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“R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3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
12、散连续混合系统的仿真、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
13、库POWERSYSTEMBLOCKSET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
14、文本窗口中进行的，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1DCMACHINE模块直流电机模型如图21所示，图中A和A是直流
15、电机电枢绕组的连接端，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。4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
16、摩擦转矩TFNM初始速度WRAD/S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。5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
17、动惯量；B是粘滞摩擦系数；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。2UNIVERSALBRIDGE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）。3SYNCHRONIZED6PLUSEGENERATOR（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。ALPHA
18、_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。6图25SYNCHRONIZED6PLUSEGENERATOR（同步6脉冲发生器）模块4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模块可以显示系统
19、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。5SIMULINK仿真模型使用到的模型元件表22SIMULINK仿真模型元件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/CUR
20、RENTMEASYREMENT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脉冲发生器
21、SIMPOWERSYSTEM/EXTRALIBRARY/SYNCHRONIZED6PULSEGENERATOR交流电压源SIMPOWERSYSTEM/ACVOLTAGESOURCE全控桥电路SIMPOWERSYSTEM/UNIVERSALBRIDGE73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机械特
22、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3930AR，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8图32改变电枢电压时的人工机械特性图33
23、弱磁调速时的人工机械特性932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、电压测量模块
24、、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仿真波形有一定的区别。他励
25、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。10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图36并励直流电机的起动仿真模型11图37并励直流电机的起动仿真波形图38串励直流电机仿真模型图
26、39串励直流电机仿真波形12322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，其他参数默认
27、。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。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13图312他励直流电机分级起动仿真的波形图图313并励直流电机分级起动仿真模型图314并励直
28、流电机分级起动仿真的波形图14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，设置模块参数直流电源电压为24
29、0V。15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。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。16建立直流
30、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，励磁电流额定。电枢回路连接不同电阻，改变电枢电路的总电阻，改变其机械特性实现调速。当串入
31、的电阻越小，转17速的降低幅度就小，越接近额定转速。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。在仿真模型窗口的菜单栏上调出模型库浏览器，按照电路图提取相应模块放到仿真平台上，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、阻抗支路、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。直流电机电枢串电阻调速仿真模型如图321，仿真曲线如图322，015秒为直流电动机的起动过程，当时间到达15秒时，阶跃模块输出阶跃信号，直流电机的电
32、枢回路中被串入调速电阻，转速开始下降。图321直流电机电枢串电阻调速仿真模型18图322直流电机电枢串电阻调速仿真波形34直流调速控制系统仿真与分析根据不同的系统结构形式，直流电机控制系统可分为开环直流调速控制系统和闭环直流调速控制系统，下面分别对以上二种控制系统进行仿真与分析。341开环直流调速控制系统仿真与分析开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具有修正偏差的能力。直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压的方法，在20世纪60年代，随着晶闸管整流器的出现和应用，由晶闸管和电动机系
33、统实现开环控制调速系统，晶闸管整流器可以提供调节直流电动机电枢电压实现直流电动机转速输出，而控制系统没有反馈环节，因此只能实现开环调速控制。现建立开环直流电机调速控制系统在无负载扰动下的仿真模型如图323，系统的仿真波形如图324所示。为了研究由负载转矩LT的变化对系统性能的影响，需要将代表LT的模块由原来“CONSTANT”模块变换为“STEP”模块。LT从80到120。仿真时间设置为3秒，在15秒时刻产生负载扰动。运行仿真后得到W、IA、TE曲线如图325。从仿真结果曲线图中可以直观地看到W、IA、TE由于负载扰动所产生的变化，由于负载的增加，使直流电机的转速降低，在系统稳定之后转速没有恢
34、复到扰动前的转速值。图323开环直流电机调速控制系统仿真模型19图324开环直流电机调速控制系统仿真波形图图325开环直流电机调速控制系统负载扰动的仿真波形图342闭环直流调速控制系统仿真与分析闭环控制系统是参考输入量控制输出量的顺向控制作用，又有输出量引回到输入端的反向控制作用，形成一个闭环控制系统。通常把输出量引回到输入端与参考输入量进行比较的过程称作反馈，所以闭环控制系统又称反馈控制系统。直流电机转速闭环控制调速系统反馈环节采用PID控制器，其调节方便、控制效果较好，在工业控制领域有着广泛的应用基础。连续PID控制器表达式DTTDEKDEKTEKTUDTIP0。纯比例P控制器属于有差调节
35、，比例控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统性能的影响主要反映在系统的稳态误差、20上升时间和稳定性上。增大比例系数可提高系统的开环增益，减少系统的稳态误差，加快系统的响应速度，但是增大比例系数会使超调量增大，同时降低系统的稳定性。根据PID控制理论，积分系数IK越小，积分速度越慢，系统响应速度越慢，上升时间和调节时间延长，同时系统的最大超调量减少，积分控制在稳态时误差为零。积分系数IK越，积分速度越快，系统响应速度越快，调节时间缩短，同时系统的最大超调量增大。微分控制的输出与控制系统偏差的变化率成比例，当微分系数增大时，闭环系统响应速度加快，系统的稳态性能变差。微分环节主要作用是加快系统
36、的响应速度，当系统偏差无变化时，微分控制器的输出为零。在直流闭环控制系统中根据引入反馈信号的类型与结构形式的不同，在实际应用中常见的系统有转速单闭环负反馈控制系统，电压负载控制系统，电压负反馈带电流补偿控制系统，以及双闭环控制系统，甚至多环控制系统。其中，最为常用的是转速单闭环负反馈控制系统和电流、转速双闭环直流调速控制系统。下面主要对转速单闭环负反馈有静差控制系统和转速单闭环负反馈无静差控制系统进行建模和仿真18。3421有静差转速负反馈调速系统的仿真系统给定的信号设置为150RAD/S，PID调节器P20，I0，D0。仿真时间设置为3秒，仿真算法选为ODE45。运行有静差转速负反馈调速仿真
37、模型见图326，得出转速、电流、电磁转矩曲线见图327。观察有静差系统的仿真结果，可以看出转速、电流、电磁转矩波形有一段振荡过程，转速经PID调节器的控制，经过一定时间后实现了有静差调速。单环有静差直流调速系统在调试时首先将比例系数P由小调大，同时观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。调试的关键在于响应曲和控制参数之间的关系。反复调节P直到实现满意的系统性能为止。为了研究由负载转矩LT的变化对系统性能的影响，需要将代表LT的模块由原来“CONSTANT”模块变换为“STEP”模块。LT从120到60。仿真时间设置为3秒，在15秒时刻产生负载扰动。运行仿真后得到W、IA、TE
38、曲线见图328。从仿真结果曲线图中可以直观地看到W、IA、TE由于负载扰动所产生的变化，经过一段时间P调节后，各曲线又趋于稳定状态。21图326有静差转速负反馈调速系统的仿真模型图327有静差转速负反馈调速系统的仿真波形22图328有静差转速负反馈调速系统的负载扰动仿真波形3422无静差转速负反馈调速系统的仿真系统给定的信号设置为150RAD/S，PI调节器P2，I10，D0。仿真时间设置为3秒，仿真算法选为ODE45。运行仿真模型图329，得出转速、电流、电磁转矩曲线波形如图330。观察无静差系统的仿真波形，运行起初电流峰值有一个突变，但随着转速的增加电流在逐渐减少并趋于稳定，转速经过PI调
39、节器的调节，在1秒后基本实现了无静差调速。单环转速无静差直流调速系统的调试时PI调节器按照先比例后积分的顺序进行。首先将比例系数P由小调大，同时观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。调节比例系数后如果系统的稳态误差不能满足要求，再调节积分环节。先置入一个较大的积分时间常数I，并将刚整定的比例系数缩小些，然后减少积分时间常数，以消除系统的稳态误差。调试的关键在于响应曲线和控制参数之间的关系。反复调节P和I直到实现满意的系统性能为止18。为了研究由负载转矩LT的变化对系统性能的影响，需要将代表LT的模块由原来的“CONSTANT”模块变换为“STEP”模块。LT从80到40。仿
40、真时间设置为3秒，在15秒时刻产生负载扰动。运行仿真后得到W、IA、TE曲线如图331。从仿真结果曲线图中可以直观地看到W、IA、TE由于负载扰动所产生的变化，经过PI调节后，各曲线又处于稳定状态。图329无静差转速负反馈调速系统的仿真模型23图330无静差转速负反馈调速系统的仿真波形图331无静差转速负反馈调速系统的负载扰动仿真波形35直流电机的制动仿真351直流电机制动的意义为了快速停机或限制电动机的转速使之不过分升速，需要对电动机进行制动。直流电动机中产生制动转矩有三种方法，即为能耗制动、反接制动和反馈制动。其中，能耗制动是利用电动机断电后电枢仍在继续运转的惯性进行制动的。其方法是电机电
41、枢断电后（励磁不能断电）立即在电枢回路中串入电阻，电机由于惯性，继续保持原运转方向运动，因而感应电动势存在并保持原方向，此时电动机成为发电状态，感应电流所产生的转矩起到了制动作用8。352直流电机的能耗制动为了快速停机或限制电动机的转速使之不过分升速，需要对电动机进行制动。能耗制动是利用电动机断电后电枢仍在继续运转的惯性进行制动的。其方法是电机电枢断电后（励磁不能断电）24立即在电枢回路中串入电阻，电机由于惯性，继续保持原运转方向运动，因而感应电动势存在并保持原方向，此时电动机成为发电状态，感应电流所产生的转矩起到了制动作用。图332为直流电机的能耗制动仿真模型，图333为仿真曲线波形，015
42、秒为直流电动机的起动过程，当时间到达15秒时，阶跃信号模块输出阶跃信号，直流电机的电枢回路中被串入调速电阻，转速开始下降。图332直流电机的能耗制动仿真模型图333直流电机的能耗制动仿真波形353直流电机的反接制动反接制动多用于快速停机并反转。需要快速停机时，可将电动机电枢电压的极性改变，这时电动机的转矩立即成为制动转矩，可使电动机快速停机，迅速反转。为了限制电枢电压极性改变瞬间25使电流过大，通常反接制动时应在反接后的电枢电路内串入限流电阻。直流电机的反接制动仿真模型见图334，仿真波形图见335。图334直流电机的反接制动仿真模型图335直流电机的反接制动仿真波形354直流电机的反馈制动反
43、馈制动用于限制电机转速过分升高。例如，起吊重物下降时需要限制电动机的转速，重物下降时，由于重力作用可能使电动机转速升高，当电动机的转速超过它的理想空载转速后，电动机电枢绕组内的感应电动势高于电枢电压，电动机变成发电状态运行，电枢电流改变方向，转矩也改变方向成为阻力转矩，从而限制电机转速过分升高。在仿真反馈制动时，可以将电机的负载转矩设为负的数值，这就相当于电动机变成发电状态运26行，其余的模块与电动机起动相同。直流电机的反馈制动仿真模型见图336，仿真波形见图337。图336直流电机的反馈制动仿真模型运行上面的模型即可以通过示波器观察电枢电流、电磁转矩以及电机转速的变化规律，下面给出仿真波形。
44、直流电机运行至1秒时。电磁转矩和电枢电流均反向，达到了反馈制动的作用。图337直流电机的反馈制动仿真波形274基于GUI的直流电机控制系统设计41GUI的基础知识随着计算机科学技术的发展及应用，人与计算机之间的信息交互发生了巨大的变化。从传统的命令输入发展为图形用户的交互方式。在图形用户界面（GRAPHICALUSERINTERFACE,GUI）下，用户无须记忆大量编程的命令，而只须通过鼠标等便捷的方式与计算机交互信息，选择想要运行的模型，控制程序的执行，实时显示图形信息。目前，很多的软件和应用程序都是在GUI下运行的。GUI是由图形对象构建的用户界面，它包含了各种图形控制对象，如图形窗口、菜
45、单、对话框、控件和文字说明等，利用图形界面，用户可以很方便地和计算机进行信息交流。MATLAB作为最强大的科学计算软件，同样具有GUI的功能。随着MATLAB产品的发展，GUI的功能也得到了相当大的增强和改进。MATLAB的GUI对象通常包含3类控件用户界面控件、固定菜单和现场菜单。其中，用户界面控件能够创建按钮、列表框、编辑框等各种常见的控件，固定菜单（下拉式菜单）对象能够创建各种菜单和子菜单，现场菜单对象能够创建弹出式菜单等。根据MATLAB提供的图形对象模块，用户可以设计出功能完善的GUI控制界面，以显示各种计算信息、图形、声28音等，提示用户在计算过程中所需输入的各种参数15。MATL
46、AB为用户开发图形界面提供了一个方便、高效的软件环境，即为图形用户界面开发环境（GUIDE。它将所有GUI支持的用户控件都集成在一起，并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置。GUIDE将用户设计好的GUI界面保存在一个FIG文件中，同时还能够生成包含GUI初始化和组件界面布局控制代码M文件。GUIDE不但能够交互式地进行组件界面布局，而且能够生成两个用来保存和发布的GUI文件。42GUI图形界面的设计MATLAB提供了一套可视化的创建图形窗口工具，使用用户界面开发环境可以方便地创建GUI应用程序，它可以根据用户设计的GUI界面布局，系统自动生成M文件的框架，用户可以编写相应的程序代码。GUI
47、设计向导控制面板可以创建新的GUI，或者是打开已存在的GUI进行编辑，通过该界面可以让用户进行交互式设计。图41GUI设计快速起动控制界面29图42图形用户界面设计面板图52中所示的用户界面设计面板中，MATLAB提供了一套可视化的创建图形用户窗口的工具，包括几何排列对象（ALIGNOBJECTS）调整各对象相互之间的几何关系和位置；网格和尺寸（GRIDANDRULERS）设置界面的网格的尺寸大小；菜单编辑器（MENUEDITOR）建立窗口菜单条的菜单和任何构成布局的弹出菜单；工具条编辑器（TOOLBAREDITOR）增加建立相应的工具编辑器；属性编辑器（PROPERTYINSPECTOR）查
48、询并且设置属性值；对象浏览器（OBJECTBROWSER）用于获得当前MATLAB的图形用户界面程序中所有对象信息和类型，同时显示控件的名称和标识，在控件上双击鼠标可以打开控件的属性编辑器。选择LISTBOX、STATICTEXT、PUSHBUTTON等控件，在LISTBOXSTRING中编辑显示内容，如图53、54所示。STATICTEXT中输入直流电机特性与调速分析，双击STATICTEXT按钮，修改字体字号等，PUSHBUTTON按钮中的字体大小修改也相似。设计好的GUIDCMOTOR的GUI界面如图55。运行后得到如图56所示的图形界面。进行M文件的编程既可以实现对仿真模型运行的控制，
49、便于用户使用。直流电机特性与调速分析的GUI设计的详细程序见附页15。30图43LISTBOX属性的编辑图44LISTBOXSTRING内容的编辑31图45GUIDCMOTOR的GUI设计界面图46GUIDCMOTOR的GUI运行界面325总结论文采用MATLAB的M编程语言和SIMULINK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及分析研究。通过M函数的编程实现直流电机机械特性的仿真，建立直流电机SIMULINK仿真模型图，对直流电机起动、调速、制动仿真运行的W、IA、IF、TE的参数和仿真波形进行分析，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。33参考文献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，郝世勇MATLAB电机仿真精华5
