1、1、 緒論1、 本課題研究意義直流電動機具有良好的啟動、制動性能，宜于在較大范圍內平滑調速。長期以來，在電動機調速領域中，直流調速方法一直占主要地位。與交流電動機相比，直流電動機有良好的調速性能，它的調速范圍較廣；調速連續平滑；經濟性好，設備投資較少，調速損耗較小，經濟指標高;調速方法簡便，工作可靠。在許多工業部門，例如大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車、電纜設備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統中，直流電機還有其它的用

2、途，例如測速電機、伺服電機等。Matlab語言是一種面向科學工程計算的高級語言，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理等功能于一體，是一種高級的數學分析與運算軟件，可用作動態系統的建模和仿真。目前，電機控制系統越來越復雜，不斷有新的控制算法被采用。仿真是對其進行研究的一個重要的不可缺少的手段。Matlab的仿真研究功能被成功方便地應用到各種科研過程中。直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機，通過這次課程設計使我學會用MATLAB進行基本仿真，通過課程設計實踐，樹立正確的設計思想，培養綜合運用MATLAB進行仿真，提高對直流電機知識的理解能力，解決實際問題的能力。學習使用MAT

3、LAB的一般方法、步驟，掌握Simulink的使用方法，以及其強大的仿真功能。學會用MATLAB仿真軟件仿真直流電動機的機械特性，直流電動機的起動和制動 ，直流電動機調速仿真，其中包括直流電動機的直接起動仿真，直流電動機電樞串聯電阻起動仿真，直流電動機的能耗制動仿真，直流電動機反接制動仿真，直流電動機改變電樞電壓調速仿真和直流電動機改變勵磁電流調速仿真。通過此次設計，增強了我的自我動手能力，了解直流電動機的各種人為改變參數的操作特性，理論聯系實際，在實際的工作過程中積極地去發現問題、解決問題。2 / 272、課題的主要內容了解直流電機工作原理、結構、基本電磁關系的基礎上，對直流電動機的人為機械

4、特性進行繪制，并且通過運用不同的起動和制動、調速方法對直流電動機的暫態過程進行仿真研究。而更好的理解直流電動機的的控制特性、控制規律、和工作特性。1.學習并掌握直流電機的基本理論，理解直流電動機的基本工作原理與工作特性。2.通過改變電樞電壓、電樞電阻、改變磁通等方法獲得各種人為機械特性，并通過仿真得出結果。3.直流電動機的起動運用直接起動或減壓起動、電樞串電阻起動等方式，制動運用回饋制動、反接制動、能耗制動等方式對直流電動機的起動和制動進行仿真分析，建立仿真模型同時給出仿真結果。4.調速分析主要是通過串聯電阻、改變電樞電壓或改變勵磁電流調速方式來實現。建立仿真模型。5.熟練掌握Matlab的s

5、imulink和Power system工具箱，以調速系統的電氣原理結構圖為基礎，弄清楚系統的構成，并在模塊庫中找出相應的模塊，完成對各個組成環節的元件參數配置，對系統進行仿真，并給出結論。3、程序實現思路一直流電動機的機械特性仿真：1.直流電動機的人為機械特性主要有改變電樞電壓,改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據已知的直流電動機的參數，使用MATLAB編制M文件，通過計算可以畫出直流電動機的人為機械特性曲線。他勵直流電動機和串勵直流電動機的工作特性不同，通過仿真計算可以獲得這些特性曲線。 二直流電動機的起動和制動仿真: (1) 直流電動機的直接起動仿真，直流電動機直接起動時，起動電流很大，

6、可達額定電流的10-20倍，由此產生很大的沖擊轉矩。在實際運行時不允許直流電動機直接起動。要求使用Simulink對直流電動機的直接啟動過程建立仿真模型，通過仿真獲得直流電動機的直接啟動電流和電磁轉矩的變化過程。 （2）直流電動機電樞串聯電阻起動仿真:建立他勵直流電動機電樞串聯三級電阻起動的仿真模型，仿真分析其串聯電阻起動過程，獲得起動過程的電樞電流，轉速和電磁轉矩的變化曲線。 （3）直流電動機的能耗制動仿真要求使用Simulink建立直流電動機的能耗制動的仿真模型，仿真分析獲得轉速，電樞電流和電磁轉矩的暫態過程曲線。 （4）直流電動機反接制動仿真要求使用Simulink建立直流電動機的電壓反

7、向反接制動的模型，仿真分析獲得轉速，電樞電流和電磁轉矩的暫態過程曲線。 三直流電動機調速仿真：他勵直流電動機的調速方法有三種，即電樞回路串電阻調速，改變電樞電壓調速和改變勵磁電流（減弱磁通）調速。（1）直流電動機改變電樞電壓調速仿真要求實用Simulink建立他勵直流電動機的改變電樞電壓的仿真模型，仿真分析獲得轉速，電樞電流和電磁轉矩的暫態過程曲線。（2）直流電動機改變勵磁電流調速仿真要求使用Simulink建立他勵直流電動機改變勵磁電流的仿真模型，仿真分析獲得轉速，電樞電流和電磁轉矩的暫態過程曲線。2、 直流電動機的機械特性仿真直流電動機的機械特性是指在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電

8、阻為恒值的條件下，即電動機處于穩態運行時，電動機的轉速n與電磁轉矩之間的關系：n=f(Tem)。由于轉速和轉矩都是機械量，所以把它稱為機械特性。電樞回路電阻R、端電壓U和勵磁磁通都是可以根據實際需要進行調節的，每調節一個參數可以對應得到一條機械特性，所以可以得到許多條機械特性。其中，電動機自身所固有的，反映電動機本來“面目”的機械特性是在電樞電壓、勵磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時的機械特性，稱為電動機的固有（自然）機械特性；調節U、R、等參數后得到的機械特性稱為人為機械特性。 直流電動機的人為機械特性主要有改變電樞電壓改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據已知條件，使用Matlab編寫M

9、文件，通過計算機可以畫出直流電動機的人為機械特性曲線。某直流電動機，已知額定值為U=220V，P=22W，I=115A，Nn=1500r/min;某電樞電阻R=0.18；勵磁電阻R=628。求出，并分別劃出固有機械特性曲線和改變電樞電壓、改變電樞電阻、改變勵磁同時的人為機械特性曲線。并勵直流電動機的機械特性仿真clear;U_N=220;P_N=22;I_N=115;n_N=1500;R_a=0.18;R_f=628;Ia_N=I_N-U_N/R_f;C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N;C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N;Ia=0;Ia_N;n=U_N/C_EPh

10、i_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia;Te=C_TPhi_N*Ia;P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f;T2_N=9550*P_N/n_N;figure(1);plot(Te,n,.-);xlabel(電磁轉矩Te/N.m);ylabel(轉矩n/rpm);ylim(0,1800);figure(2);plot(Te,n,rs);xlabel(電磁轉矩Te/N.m);ylabel(轉速n/rpm);hold on;R_c=0;for coef=1:-0.25;0.25; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*

11、Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(U=,num2str(U),V); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str);endfigure(3);n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,rs);xlabel(電磁轉矩Te/N.m);ylabel(轉矩n/rpm);hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=st

12、rcat(R=,num2str(R_c+R_a),Omega); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str);endylim(0,1700);figure(4);R_c=0;n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,rs);xlabel(電磁轉矩Te/N.m);ylabel(轉速n/rpm);hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0.5:0.25:1.3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi

13、_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(phi=,num2str(coef),*phi_N); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str);end 圖2.1并勵直流電機固有機械特性 圖2.2降低電樞電壓人為機械特性圖2.3增加電樞電阻人為機械特性 圖2.4改變磁通人為機械特性他勵直流電動機的機械特性仿真U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=0.18; Ia_N=I_N; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPh

14、i_N=9.55*C_EPhi_N; %假定Phi=Phi_N,U=U_N, Ia=0:Ia_N; n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia; Te=C_TPhi_N*Ia; P1=U_N*Ia; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,.-); xlabel(電磁轉矩Te/N.m);ylabel(轉速n/rpm); ylim(0,1800); %計算轉速和轉矩的關系，不同的條件下的機械特性 figure(2); plot(Te,n,rs); xlabel(電磁轉矩 Te/N.m); ylabel(轉速n/rpm);hold on

15、; R_c=0; For coef=1:-0.25:0.25; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(U=,num2str(U),V); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end %計算轉速和轉矩的關系，不同的條件下的機械特性 figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,rs); xlabel(電磁轉矩Te/N.m); ylabel(轉速

16、n/rpm); hold on; U=U_N;R_c=0.02; for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(R=,num2str(R_c+R_a),Omega); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str); end ylim(0,1700); %計算轉矩和轉速的關系，不同的條件下的機械特性 figure(4); R_c=0; n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te

17、; plot(Te,n,rs); xlabel(電磁轉矩Te/N.m); ylabel(轉速n/rpm); hold on; U=U_N;R_c=0; for coef=0.5:0.25:1.3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi-(R_a+R_c)/(C_EPhi*C_TPhi)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(phi=,num2str(coef),*phi_N); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str); end ylim(0,3500); 圖2.

18、5 固有機械特性曲線 圖2.6改變電樞電壓的人為機械特性曲線隨著電壓的降低，理想空載轉速線性下降，但直線的斜率保持不變，也就是說，機械特性的硬度保持不變。圖2.7串電阻的人為機械特性曲線電阻的增加直線的斜率增大。表面電機的轉速下降增大，機械特性的硬度降低。但考慮到理想空載轉速不變，因此。電樞回路串電阻時所有人工機械特性曲線都交于縱坐標的理想空載點。圖2.8弱磁的人為機械特性曲線 由于勵磁電流的減小使得磁通也 減小，對應于縱坐標軸上的兩個極點（1）理想空載轉速升高，（2）短路電流保持不變，但是相應的堵轉轉矩減小。三、直流電動機直接起動和制動仿真1、 直流電動機直接起動研究直流電動機剛與電源接通的

19、瞬間，轉子尚未轉動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流以及并勵和復勵電動機的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉矩稱為起動轉矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動時，起動電流可達電樞電流額定值的1020倍，起動轉矩也能達到額定轉矩的1020倍，這樣的起動電流是換向所不允許的，而且過大的起動轉矩會使電動機和它所拖動的生產機械遭受突然的巨大沖擊，以致損壞傳動機械和生產機械。由此可見，除了額定功率在數百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導線細、電樞電阻大以及轉動慣量又比較小，可以直接起動以外，一般的直流電動機是不允許采用直接起動的。1.1 直流電動機直接起動仿真模型的建立直流電動機直接啟動在MATLAB/

20、SIMULINK中的仿真模型如圖1所示。在圖1中電動機勵磁繞組和電樞繞組的輸入端并聯后再與直流電源電壓Vd的正極端相連接，電動機勵磁繞組和電樞的輸出端通過T形接點并聯后與直流電源Vd的負極端連接在一起，這時電動機的模型為并勵形式，電動機參數設置為：PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/m，電樞電路總電阻Ra=0.08，勵磁回路總電阻Rf=181.5，電動機轉動慣量J=0.76kgm2。電動機的負載轉矩由常數模塊TL設定，后在電動機模塊的m端接上示波器，用于觀察電動機的各項波形，Demux分解模塊用于輸出轉速、電樞電流、勵磁電流和轉矩四項參數。放大器(Gain)將r

21、ad/轉換為r/min，變換系數為K=60/2=9.55。圖3.1直流電動機直接啟動仿真模型1.2 直接起動仿真結果及分析直流電動機直接起動仿真波形如圖3.2所示，在圖2的仿真波形中很容易看出電動機在直接啟動時啟動電流很大，最大可達到2500A，起動轉矩最大可以達到1800Nm。電動機在啟動0.4s后，轉速達到3000r/min，電流下降為額定值89A左右。轉矩也有相應變化，從圖3.2仿真波形可以看出直流電動機直接起動造成大電流和大轉矩，很容易損壞電機和負載，因此這是不允許的。圖3.2直接啟動模型仿真波形2 直流電動機串電阻起動研究由上所述，大型直流電動機不宜采用直接起動，因此本文采用串電阻起

22、動。具體實現方法是基于圖3.1所示的直接起動模型基礎上，采用三級串電阻方法限制啟動電流，控制啟動電流在200100A之間，通過仿真設計選擇啟動電阻和切換時間。2.1 直流電動機串電阻起動仿真模型的建立直流電動機串電阻起動仿真模型如圖3.3 所示，該模型在圖1所示直接起動模型的基礎上，在電樞回路中串聯一個由三級電阻組成的啟動器。在每個電阻(R1、R2、R3)上并聯一個理想開關，用于切除電阻，開關受Step模塊控制。(注：在Step模塊對話框中設定單位階躍信號發生時刻，即可控制開關的閉合，從而短接該電阻)。模型檢測將轉速n、電樞電流I等送入示波器。 圖3.3直流電動機串電阻啟動仿真模型2.2 直流

23、電動機串電阻起動時電阻值計算以及仿真結果分析為了實現直流電動機串電阻起動，對于電樞繞組串入電阻值的計算非常重要，需要計算精確，本文為了盡可能地降低起動電流和起動轉矩，采用三級串電阻計算方法。具體實現步驟如下（1）將step模塊2和3的階躍信號發生時間設為“0”，step1設為20s，R1接入電樞回路，并初選R1的阻值。在模型中設R1=R1=1，得到仿真圖形如圖3.4所示圖3.4 串一級電阻啟動時的轉速和電流波形由圖3.4可知，串聯電阻后最大啟動電流為200A，在3.5s時電流下降到100A，對應的轉速為1500r/min，相對于直流電機直接起動，起動電流從2500A變為200A，顯著地減低了，

24、起到了保護電機的作用。為了進一步減少起動電流，需要減小啟動電阻，計算R1的阻值和預選R2阻值。（2）重新設定R1和R2(R2=R2)并設step1的信號發生時間為3.5s，設step2信號發生時間為20s得到仿真圖形如圖3.5所示。圖3.5 串二級電阻啟動時的轉速和電流波形從圖5中可知，在啟動6s后電流再次下降到100A，此時的轉速為2200r/min。為了進一步減少起動電流，需要再次減小啟動電阻。根據式(4)和(5)可以計算R2和R3阻值。（3）：重新設定R2和R3，并設step2的信號發生時間為6s，設step3的信號發生時間為20s得到仿真圖形如圖3.6所示。圖3.6 串三級電阻啟動時的

25、轉速和電流波形從圖3.6可知在啟動8s后起動電流再次下降到100A，此時的轉速為2800r/min，需要再次切除R3，因此設step3的信號發生時間為8s，再次仿真，得到圖形如3.7所示。圖3.7 切除R3啟動時的轉速和電流波形由圖3.7可知：在切除R3后，轉速升到3000r/min，在整個啟動過程中電流限制在規定的范圍內，滿足設計要求。3、直流電動機制動仿真直流電動機有4種制動方式,分別為能耗制動、反接制動、倒拉反轉和回饋制動。設定在制動狀態下,負載折合到電動機軸上的阻力矩為3844.0 N/m,折合到電動機軸上的角速度為38 rad/s依據這些參數分別對電動機的能耗制動和反接制動狀態進行仿

26、真。選擇powerlib中的模塊拖放到Simulink仿真環境中,構成能耗制動仿真配置如圖3.8所示,預先設定負載扭矩的大小。開關1,2受定時器的控制,電機啟動時開關1閉合,2斷開,此時電機帶動負載運行,然后同時斷開開關1,閉合2,將一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入能耗制動狀態。改變串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結果,當阻值為48時,仿真結果如圖3.9所示。電動機穩定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉速接近-38rad/s(此刻電機為反轉),可見串入的電阻可以滿足實際要求。反接制動仿真配置如圖3.10所示,電機啟動時開關1閉合,2斷開,此時電機帶動負載運行,然后

27、同時斷開開關1,閉合2,將一個反接電源和一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入反接制動狀態.改變反接電源和串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結果,當反接電源為260V,阻值為38時,得到仿真結果如圖3.11所示。電動機穩定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉速接近-38rad/s,可見串入的反接電源和電阻可以滿足要求。圖3.8 能耗制動仿真配置圖3.9 能耗制動仿真結果圖3.10 反接制動仿真配置圖3.11 反接制動仿真結果四、直流電動機調速研究現代工業生產中，生產機械為適應其工藝過程要求，在不同的場合下必須具有不同的轉速來進行工作，以保證生產機械的合理運行，并提高產品質量

28、。直流調速即直流電動機速度控制，是指在直流傳動系統中人為地或自動地改變直流電動機的轉速，以滿足工作機械對不同轉速的要求如金屬切削機械在進行精加工時，為提高工件的表面光潔度而需要提高切削速度。由此可見，調速在生產機械的運行中，具有重要的意義。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數或外加電壓等方法，改變電動機的機械特性，從而改變它與工作機械特性的交點，改變電動機的穩定運轉速度以他勵直流電動機為例，直流電動機有三種基本調速方法：(1)他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調速；(2) 他勵直流電動機的降低電源電壓調速；(3)他勵直流電動機的減弱磁通調速。以下分別進行討論1 他勵直流電動機的電樞回路串入電

29、阻調速電樞回路串入電阻調速要求，僅通過改變電樞回路的電阻來調節速度。此時，他勵直流電動機的理想空載轉速不變，額定轉速降變大，特性變軟。如4.1所示，設他勵直流電動機工作在固有機械特性曲線的點上，以轉速穩定運行。為了調節速度，將接觸器 KM 的常開觸頭斷開，串入電阻，此時，他勵直流電動機的工作點從固有特性曲線移到人為特性曲線上運行，他勵直流電動機所對應的穩態速為 nc串入不同的電阻，可獲得不同的穩態轉速。用電樞回路串聯電阻的方法調速時，雖然設備簡單!操作方便，但因電動機的機械特性變軟，系統轉速受負載影響大，此時輕載時達不到調速的目的，重載時還會產生堵轉現象，而且在串聯電阻中流過的是電樞電流，長期運行時損耗也大，經濟性差，因此這種調速方法在使用上有一定局限性。4.1串入電阻接線2 他勵直流電動機的降低電源電壓調速不同的人為機械特性對應不同的穩定轉速，如圖4.2中的 a!b!c 點所示。如將電源電壓由 UN調至U1，則他勵直流電動機的工作點將由 a 點經 v 點過渡到 c 點，其特性曲線是一簇以 U 為參數的平行直線。在整個調速范圍內均有較大的硬度，在允許的轉速變