毕业设计（论文）-S7-200直流电动机能耗制动及MATLAB仿真.doc

目录 摘 要i abstract .ii 1 引言1 1.1 引言.1 2 直流电动机概述1 2.1 简介.1 2.2 结构及特点.3 2.3 能耗制动概述.6 2.4 电动绞盘概述.7 2.5 系统仿真技术概述.9 2.6 仿真软件的发展状况与应用.9 2.7 matlab 概述.10 2.8 simulink 概述.11 3 电动绞盘的电机技术与接线12 3.1 电动绞盘中电机的选择.12 3.2 电动绞盘中电机的接线.14 4 仿真系统总体设计16 4.1 系统对象.16 4.2 系统仿真运行.17 参考文献.20 致谢.21 i 摘 要 本课题利用直流电动机制动方式中的能耗制动原理，借助其制动平稳，准确，能 量消耗小等特点，比较完善的应用于电动绞盘。 本文针对电流电动机能耗制动的特点，在忽略了一部分对误差影响较小而使算法 复杂度大大增加的因素，对电动机制动前后的内部电压、电流、及转速进行对比研究 分析，再使用 matlab 中用于仿真模拟系统的 simulink 对系统的各个部分进行封装及 连接，并为其设计了专用的模块，同时对其中的一系列参数进行了配置。系统启动仿 真后，各项参数都平稳地达到零。通过系统模拟实验表明：该系统设计合理，自动化 程度高，实验过程时间短，工作稳定可靠，基本满足了设计的相关要求。 关键词：直流电机；能耗制动；电动绞盘；matlab；simulink ii abstract this topic using dc machines of braking braking energy principle, with its smooth braking, accurate, little energy consumption characteristics, comparatively perfect used in electric winch. aiming at the characteristics of current motor braking energy,part of the error in ignore less influence and make algorithm complexity greatly increase the factors of the motor braking before and after the internal voltage, current, and rotational comparative study analysis, then use matlab used in the simulation system of simulink for parts of the system encapsulate and connection and for its design the dedicated module, and in which a series of parameters for the configuration. system startup simulation, the parameters are poised to achieve zero. through the system simulation experiment shows that the system design is reasonable, a high degree of automation, experimental process time is short, stable and reliable, basic to satisfy the design requirements. keywords: dc motor, braking energy, electric winch, matlab, simulink 1 1 引言 1.1 引言 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（如电冰箱，空调， dvd 等）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，百 分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。 电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，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。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反 转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有 一类控制叫复杂控制，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。 2 直流电动机概述 2.1 简介 直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。 直流电机的励磁方式是指 对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。 根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 2.1.1 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供 电的直流电机称为他励直流电机 。永磁直流电机 也可看作他励直流电机。 2 2.1.2 并励直流电机 并励直流电机的励磁 绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本 身发出来的端 电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同 一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 2.1.3 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机 的励磁电流就是电枢电流。 2.1.4 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励 绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方 式是并励式、串励式和复励式， 直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和 复励式。 直流电动机 四种励磁方式接线：他励和自励（串励、并励和复励） 3 2.2 结构及特点 直流电机分为两部分： 定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的， 注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。 定子包括：主 磁极，机座，换向极， 电刷装置等。 转子包括：电枢铁芯，电枢绕组， 换向器，轴和风扇等。 特点有：(一)调速性能好。所谓 “调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根 据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、 平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 (二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动 或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等， 都用直流电动机拖动。 直流电机的结构 2.2.1 机械特性 电动机的转速 n 随转矩 t 而变化的特性 【n=f(t)】称为机械特性。它是选用 电动机的一个重要依据。各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。 几种直流电动机的机械特性见图 2。 调速 从直流电动机的电枢回路看 ,电源电压 u 与电动机的反电动势 e 和电枢 电流 z 在电枢回路电阻 r 上的电压降必须平衡。即 u=ed+idrd 反电动势又与电动机的转速 n 和磁通 有关，电枢电流又与机械转矩 m 和磁 通 有关。即 z4 系列直流电动机 ed=cn 4 m=cid 式中 c 为常数。由此可得 式中 n0 为空载转速 ,k 为 r/c2。以上是未考虑铁心饱和 等因素时的理想关系，但对实际直流电动机的分析也有指导意义。 由上可见直流 电动机有 3 种调速方法:调节励磁电流、调节电枢端电压和调节串入电枢回路的电 阻。调节电枢回路串联电阻的办法比较简便，但能耗较大； 且在轻负载时，由于 负载电流小，串联电阻上电压降小，故转速调节很不灵敏。调节电枢端电压并适当 调节励磁电流，可以使直流电动机在宽范围内平滑地调速。端电压加大使转速升高， 励磁电流加大使转速降低，二者配合得当，可使电机在不同转速下运行。调速中应 注意高速运行时，换向条件恶化，低速运行时冷却条件变坏，从而限制了电动机的 功率。串励直流电动机由于它的机械特性 (图 2)接近恒功率特性 ,低速时转矩大， 故广泛用于电动车辆牵引，在电车中常用两台或两台以上既有串励又有并励的复励 直流电动机共同驱动。利用串、并联改接的方法使电机端电压成倍地变化（串联时 电动机端电压只有并联时的一半），从而可经济地获得更大范围的调速和减少起动 时的电能消耗。 2.2.2 直流电动机控制的发展历史 常用的控制直流电动机有以下几种: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，可获得优良的调速性 能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、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 的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。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。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 5 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。14 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。 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 制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气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 simoreg k 6ra24、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，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，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电动控制技术在近 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。 17 在那些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 6 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。 2.3 能耗制动概述 2.3.1 概念 所谓能耗制动，即在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压， 即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用已达到制动的目的。又分为直 流电机的能耗制动和交流电机的能耗制动。 直流电机的能耗制动： 电动机在电动状态运行时若把外施电枢电压 u 突然降为零，而将电枢串接一个附 加电阻 r，即将电枢两端从电网断开，并迅速接到一个适当的电阻上。电动机处于发 电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻上。随着动能的消耗，转速 下降，制动转矩也越来越小，因此这种制动方法在转速还比较高时制动作用比较大， 随着转速的下降，制动作用也随着减小。 交流电机的能耗制动： 电机在正常运行中，为了迅速停车，不仅断开三相交流电源，还要在定子线圈中接 入直流电源，在定子线圈中通入直流电流，形成磁场，转子由于惯性继续旋转切割磁 场，而在转子中形成感应电动势和电流，产生的转矩方向与电机的旋转方向相反，产 生制动作用，最终使电机停止。 在电机的转子中穿入不同的电阻和在电机的定子中接入不同的直流电流，可以产生不 同的制动转矩。 特点：当电机的转速下降为零时，制动转矩也将为零，所以能耗制动能使电机准确停 车。 2.3.2 原理 根据左手定则确定出转子电流和恒定磁场作用所产生的转矩方向与转子转速方 向相反，故为制动转矩，此时电机把原来储存的动能或重物的位能吸收后变成电能 消耗在转子电路中。能耗制动就是将运行中的电动机，从交流电源上切除并立即接 通直流电源，在定子绕组接通直流电源时，直流电流会在定子内产生一个静止的直 流磁场，转子因惯性在磁场内旋转，并在转子导体中产生感应电势有感应电流流过， 7 并与恒定磁场相互作用消耗电动机转子惯性能量产生制动力矩，使电动机迅速减速， 最后停止转动。 直流电动机能耗制动电路图 2.4 电动绞盘概述 当今工业发展迅速，汽车轮船等重工业产品日新月异，愈来愈多。绞盘（winch， 包括手动绞盘、电动绞盘、液压绞盘、气动绞盘和机械绞盘）主要用于越野汽车、农 用汽车、atv 运动车、游艇、以及其它特别车辆。是车辆、船只的自我保护及牵引装 置，可在雪地、沼泽、沙漠、海滩、泥泞山路等恶劣环境中进行车辆自救，并可能在 其它条件下，进行清障、拖拉物品、安装设施等作业，是军警、石油、水文、环保、 林业、交通、公安、边防、消防及其它野外运动不可缺少的安全装置。 电动绞盘需要用电，依靠车辆自身的电力系统驱动绞盘，优点：可以在车辆死火的情 况下基本正常使用(这是它最大优点是其他绞盘无法比拟的） ，尤其对于水多的地区有 很大优势，安装简单可以实现多位置安装及迅速移位。 电动绞盘的驱动装置是电机，电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电 磁装置。为在微型电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。 一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供 给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和减速电机；另一种是由永磁体来产生 磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁直流电机。永磁直流电机由电 动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。永磁直流电机的发展同永磁 材料的发展密切相关，从天然磁石（fe3o4）到稀土永磁，磁性能有了很大提高，各种 8 永磁直流电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中 得到广泛应用，产量急剧增加。永磁直流电机制成后不需外界能量即可维持其磁场， 但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压 和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁直 流电机的应用范围受到了限制。但是，随着 mosfet、igbt 等电力电子器件和控制技 术的迅猛发展，大多数永磁直流电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢 控制。设计时需要把稀土永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来， 使永磁直流电机在崭新的工况下运行。 9 电动绞盘 2.5 系统仿真技术概述 系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特 定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系 统分为工程系统和非工程系统。 工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如 电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成 电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。 非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互 制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。 如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来， 构造出系统的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发 展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。 系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的 各个量的关系，是分析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来 分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为 10 线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真 是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机 去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机 程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。 2.6 仿真软件的发展状况与应用 早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20 世纪 40 年代模拟计算机仿真；50 年代初数字仿真；60 年代早期仿真语言的出现等。80 年代出现的面向对象仿真技术为 系统仿真方法注入了活力。我国早在 50 年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国 防领域，以模拟计算机的仿真为主。70 年代初开始应用数字计算机进行仿真4。随着 数字计算机的普及，近 20 年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的 仿真语言与工具，如 csmp，acsl， simnom， matlab/simulink， matrix/system build， csmp-c 等。 2.7 matlab 概述 matlab 是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是 mathwork 公司 于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具” 。8 matlab 是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算，可视化和编程结合 在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典 型的使用包括: .数学计算 .运算法则的推导 .模型仿真和还原 .数据分析，采集及可视化 .科技和工程制图 .开发软件，包括图形用户界面的建立 matlab 是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。 11 通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还 能写入非交互式语言如 c 和 fortran 等。 matlab 的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由 linpack 和 eispak 开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。 matlab 在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。在大学环境中，它作为 介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。在工业上它是用于 高生产力研究，开发，分析的工具之一。 matlab 的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes） 。作为用户不可 缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着 m-file 集，它使 matlab 可延展至解决特殊类的问题。在工具箱的范围内可以解决单个过程，控制系 统，神经网络，模糊逻辑，小波，仿真及其他很多问题。 经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。在美国， matlab 是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验室都安装有 matlab，供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一 体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的 simulink 是用于在 matlab 下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种 模块来搭建所构想的试验平台，同时 simulink 还提供时域和频域分析工具，能够直接 绘制系统的 bode 图和 nyquist 图。3 matlab 系统可分为五个部分: matlab 语言。 这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构， 输入输出及面向对象编程的特性。它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可 弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。 matlab的工作环境。 这是一套工具和设备方便用户和编程者使用matlab。它包 含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发，管 理，调试，( profiling m-files， matlabs applications。)的系列工具。 图形操作。 这是 matlab 的图形系统。它包含有系列高级命令，其内容包括二维及 三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也提供低级命令便于 用户完全定制图形界面并在你的 matlab 软件中建立完整的用户图形界面。 matlab 数据功能库。 它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦， 余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值， bessel 功能和快速傅立叶变换。 matlab 应用程序编程界面。 这是一个允许你在 matlab 界面下编写 c 和 fortran 程序的库。它方便从 matlab 中调用例程(即动态链接)，使 matlab 成为一个 计算器，用于读写 mat-files。 12 2.8 simulink 概述 simulink 是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系 统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也 就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。 simulink 提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。 在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表 明不同的方程式而言有了极大的进步。simulink 拥有全面的库，如接收器，信号源， 线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分， 因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然 后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间 的相互作用。 在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用simulink的菜 单或matlab命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于 运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结 果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到 matlab工作空间来做后处理和可视化。 模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从matlab命令行直接访 问，同时还有很多matlab的toolboxes中的工具。因为matlab和simulink是一体的， 所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。 3 电动绞盘的电机技术与接线 3.1 电动绞盘中电机的选择 为在微型电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。 一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供 给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和减速电机；另一种是由永磁体来产生 磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁直流电机。 13 永磁直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。永磁 直流电机的发展同永磁材料的发展密切相关，从天然磁石（fe3o4）到稀土永磁，磁性 能有了很大提高，各种永磁直流电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工 农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。 永磁直流电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制 其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动 机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。这些使永磁直流电机的应用范围受到了限 制。但是，随着 mosfet、igbt 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁直 流电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需要把稀土永磁 材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁直流电机在崭新的工况 下运行。永永磁直流电机与串激直流电机比较： (1)串激直流电机的电感和电阻都比永磁直流电机大；因此串激直流电机的第一阶段的 起动过渡过程的滞后时间较大，损耗相应较大； (2)永磁直流电机的磁通 n 几乎等于常数，而串激直流电机的磁通 是随电流 ia 的变化而逐渐增大；因此在合闸初瞬，永磁直流电机的电磁转矩比串激直流电机大； (3)在相同的电压作用下，永磁直流电机的制动电流大于串激直流电动机；在制动 状态时，永磁直流电机的磁通 n 是常数，而串激直流电机的磁通 是随制动电流增 大的；因此起动瞬间处于制动状态 n=0，导致永磁直流电机制动转矩大于串激直流电 机； (4)起动过程中，串激直流电机的转矩还没有达到最大值(即电枢电流还没有达到最 大值)，就迅速衰减。而永磁直流电机无磁通随起动电流衰减之虑，因而达到最大电磁 转矩较快； (5)最大电磁转矩是标志汽车起动电机的输出功率；因此在相同体积的电动机中， 永磁直流电机的输出功率大于串激直流电机。 通过电机学技术分析，同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的起动转矩，常 用于起动较为困难的场合；串励电动机转矩增大时转速在减少，功率增加缓慢，故转 矩过载能力较强；串励电动机不允许空载起动和运行。 14 串励直流电动机 永磁直流电动机 15 3.2 电动绞盘中电机的接线 永磁直流电机的电池连接方式：永磁直流电机制成后不需外界能量即可维持其磁 场，因此只需要将电池正负极直接接入电机两个电源端子就可以了。功率比较大的永 磁直流电动绞盘开始配上继电器控制总成（控制盒），在电池正负极通过控制盒后， 仍旧是两条线直接连接电机的两个输入端子。 串励直流电机的电池连结方式：为了给电机的电磁结构提供励磁电流，需要对励磁绕 组与电枢回路同时供电，因此，我们常用下面的连线示意图来指导下面的电池连接。 串励（激）直流电动绞盘控制器电源连结示意图 16 由控制总成导出的线端分别连结 a、f1 和 f2，这三个端子通常在绞盘的后面。 17 接地线端子，通常在绞盘的底面，并需要同时与来自控制器的接线端子（特细黑线） 连接。 4 仿真系统总体设计 4.1 系统对象 本次研究对象为 5hp/240v 直流电动机，直流电源电压为 280v，电机负荷扭矩常量设为 10。 系统分块 电源 直流电机电源电压选择 280v 直流电源。 电机 电动机的转速 n 随转矩t而变化的特性 【n=f(t)】称为机械特性。它是选用 电动机的一个重要依据。各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。 几种直流电动机的机械特性见图 2。 18 调速 从直流电动机的电枢回路看 ,电源电压u与电动机的反电动势e 和电 枢电流z 在电枢回路电阻r 上的电压降必须平衡。即 u=ed+idrd 反电动势又与电动机的转速n和磁通有关，电枢电流又与机械转矩m和磁 通有关。即： ed=cn m=cid 式中c 为常数。由此可得 式中n0 为空载转速 ,k 为r/c2。以上 是未考虑铁心饱和等因素时的理想关系，但对实际直流电动机的分析也有指导意义。 分离模块 使用 demux 分离器，将 ir 和 te 接终止器 wm 和 ia 输入示波器。 制动 制动环节时在电路中串入一阻值为1k 的电阻，达到能耗制动效果。 显示 选择一个示波器， 输入端分别接电