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扬州大学专业软件应用综合设计报告 水能 学院 11 级 电气 专业题目 异步电动机综合仿真设计二 学生 王青东 学号 111704229 指导教师 张建华 2013年 12月 28日28直流电动机综合仿真设计二摘要：本文主要介绍了并励直流电动机在恒定负载、风机性负载、恒功率负载运行下的启动调速仿真，调速中主要运用四级串阻调速的方式，通过对转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩波形的观察，进一步分析并励直流电机的运行规律；同时，还附带的讲解了一些有关MATLAB中SIMULINK模块的使用与连接，还有异步电机参数的设置、变压器参数设定和理想开关开断时间的设定，本文都将一一解释。关键字：并励直流电机；串阻调速;负载；负载；MATLAB;1 引言 直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速，其调速控制系统历来在工业控制具有及其重要的地位。直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速、电流双闭环调速系统。在当今社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，掌握SIMULINK仿真环境常用模块库和电力系统模块库，对直流电动机调速进行仿真设计就成为我们今天急需探讨的课题。计算机仿真技术是应用电子计算机对研究对象的数学模型进行计算和分析的方法。对于从事控制系统研究与设计的技术人员而言，MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。这不仅是因为它能解决控制论中大量存在的矩阵运算问题，更因为它提供了强有力的工具箱支持。与控制系统直接相关的工具箱有控制系统、系统辨识、信息处理、优化等。还有一些先进和流行的控制策略工具箱，如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法，几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱。 同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。 将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。本文以此为基础，运用模糊逻辑控制，建立了电机控制系统的仿真模型，并通过了可靠的仿真实验。 本实验的目的是通过MATLAB的仿真实验,对并励直流电动机在恒定负载、风机性负载、恒功率负载运行下的启动调速仿真，调速中主要运用四级串阻调速的方式，通过对转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩波形的观察，进一步分析并励直流电机的运行规律。2 设计依据及框图2.1 设计平台 1.仿真技术的背景仿真技术作为一门综合性的科学已有四十多年的发展历史,其间经历了物理模型仿真,模拟计算机仿真和数字计算机仿真。早期,人们采用计算机高级程序语言对系统进行仿真,如BASIC、FORTRAN、PASCAL等。近些年,C语言用得最为普遍。用计算机高级程序语言编制的系统仿真程序,不但要详尽描述各类事件的发生和处理情况,还要规定各类事件的处理顺序。这样,即便是一个很简单的系统,程序也会很长,难于调试。同时,为了设计出优良的人机界面,对数据输入方式和仿真结果的数据打印格式或图形表达形式要大费心思。2. Matlab和Simulink简介电子计算机的出现和发展是现代科学技术的巨大成就之一。它对科学计术的几乎一切领域，特别对数值计算，数据处理，统计分析，人工智能以及自动控制等方面产生了极其深远的影响。熟练掌握利用计算机进行科学研究和工程应用的技术，已经成为广大科研设技人员必须具备的基本能力之一。大部分从事科学研究和工程应用的读者朋友可能都已经注意到并为之所困扰的是，当我们的计算涉及矩阵运算或画图时，利用FORTRAN和C语言等计算机语言进行程序设计是一项很麻烦的工作。Matlab正是为了免除无数类似上述的尴尬局面而产生的。在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。为了准确的把一个控制系统的复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步的分析与仿真，1990年MathWorks软件公司为Matlab提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为Simulnk，该工具很快在控制界得到了广泛的应用。但因其名字与著名的软件Simula类似，所以在1992年正式改名为Simulink。此软件有两个明显的功能：仿真与连接，亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需要的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显，这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。Simulink的出现，更使得Matlab为控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。目前的Matlab已经成为国际上最为流行的软件之一，它除了传统的交互式编程外，还提供了丰富可的矩阵运算，图形绘制，数据处理，图像处理，方便的Windows编程等便利工具，由各个领域的专家学者相继推出了以Matlab为基础的实用工具箱工具箱,其中主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波、样条等工具箱,而且工具箱还在不断增加。借助其强大的功能，Matlab广泛应用于自动控制、图像信号处理，生物医学工程，语音处理，雷达工程，信号分析，振动理论，时序分析与建模，化学统计学，优化设计等领域，并表现出一般高级语言难以比拟的优势。3. Matlab建模与仿真长期以来，仿真领域的研究重点在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，要设计一种算法以使系统模型等为计算机所接受，然后再将其编制成程序在计算机上运行，因此，建模通常需要很长一段时间，同时仿真结果的分析必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导。Matlab 提供的动态系统仿真工具 Simulink 可有效解决上述仿真技术问题。 在 Simulink 中，建立系统模型，可以随意改变仿真参数，即时得到修改后的仿真结果。 Matlab中的分析与可视化工具多种多样且易于操作。利用 Simulink 对动态系统做适当仿真和分析，可以在实际做出系统之前进行，以便对不符合要求的系统进行适时校正，增强系统性能，减少系统反复修改的时间，实现高效开发系统的目标。 动态仿真结果用图形方式显示在示波器的窗口或将数据以数字方式显示出来。 常用的 3 种示波器为Scope，XY Graph和Display。4. Simulink仿真工具为了准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机,然后对之进行进一步的分析与仿真,MathWorks公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具,并定名为Simulink。MATLAB软件的Toolbox工具箱与Simulink仿真工具，为控制系统的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使控制系统的计算与仿真的传统方式发生了革命性的变化。MATLAB已经成为国际、国内控制领域内最流行的计算与仿真软件。Simulink有两个明显的功能:仿真与连接,亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统模型,然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显,这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。Simulink的出现,更使得Matlab为控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,不仅界面友好且支持更灵活的模型描述手段。用户既可直接用方块图来输入仿真模型,也可用Matlab语言编写M-文件来输入。既可以纯图形方式输入,也可以纯文本方式来输入。还可将上述两种方法交叉混合使用。既可对连续系统也可对离散系统进行仿真,还适合于采样保持系统。同时,它也具有能在仿真进行的过程中动态改变仿真参数的功能。因此可以不难理解它自推出以后,就一直受到欧美和日本等国家或地区的控制界学者的青睐。Simulink为用户提供了方框图进行建模的图形接口,采用这种结构画模型就像你用笔和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包用微分和差分方程建模相比,具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink包含有Sinks(输出方式)、Source(输入源)、Linear(线性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connections(连接与接口)和Extra (其它环节)子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自已的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构,因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型以后,用户可以通过Simulink的菜单或Matlab命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便,而命令行方式对于运行一类仿真非常有用。采用Scope模块和其它的画图模块,在仿真进行的同时,就可观看到仿真结果。除此之外,用户还可以在改变参数后能迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到Matlab的Workspace(工作空间)里做事后处理。由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用户可以在这两种环境下对自已的模型进行仿真、分析和修改。5.控制系统计算机仿真的过程控制系统仿真，就是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。通常控制系统仿真的过程按以下步骤进行：第一步，建立自控系统的数学模型。系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。描述系统诸变量间静态关系的数学表达式，称为静态模型；描述自控系统诸变量间动态关系的数学表达式，称为动态模型。常用最基本的数学模型是微分方程与差分方程，根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律，例如牛顿定律、克希霍夫定律、运动动力学定律、焦耳楞次定律等来列写出变量间的数学模型。这是解析法建立数学模型。对于很多复杂的系统，则必须通过实验方法并利用系统辨识技术，考虑计算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能准确地反映系统的动态本质，又能简化分析计算的工作。这是实验法建立数学模型。控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。第二步，建立自控系统的仿真模型。原始的自控系统的数学模型比如微分方程，并不能用来直接对系统进行仿真。还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。对于连续控制系统而言，有像微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得自控系统传递函数数学模型。以传递函数模型为基础，等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是自控系统的仿真模型。对于离散控制系统而言，有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型，这些模型都可以对离散系统直接进行仿真。第三步，编制自控系统仿真程序。对于非实时系统的仿真，可以用一般的高级语言，例如Basic、Fortran或C等语言编制仿真程序。对于快速的实时系统的仿真，往往用汇编语言编制仿真程序。当然也可以直接利用仿真语言。如果应用MATLAB的Toolbox工具箱及其Simulink仿真集成环境作仿真工具，这就是MATLAB仿真。控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。第四步，进行仿真实验并输出仿真结果。进行仿真实验，通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。 2.2 设计思想1、并励直流电动机额定运行时，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩；2、并励直流电动机三级串阻起动调速，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化规律；3、直流电机串阻调速时，伴随着机械和电气过渡过程，其理论分析十分复杂，常采用稳定运行分析调速，通过仿真方法可以分析过渡过程和稳定运行状态。4、串调速属恒转矩调速方式，常用于恒转矩负载，对于恒功率负载和风机性常不采用。5、并励直流电动机额定运行时，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩。6、在额定负载时，并励直流电动机四级串阻起动调速，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化规律。7、在恒功率负载时，并励直流电动机四级串阻起动调速，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化规律。8、在风机性负载时，并励直流电动机四级串阻起动调速，观察转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩变化规律。2.3 设计结构框图或流程图直流电动机综合仿真设计并励直流电动机额定运行并励直流电动机额定运行时四级串阻起动调速并励直流电动机恒功率负载运行时四级串阻起动调速并励直流电动机风机性负载运行时四级串阻起2.4各模块功能简介（1）、在新建的simulink仿真窗口中，拖入直流电机、直流电压源、常数、增益、分解、示波器等模块，然后按照下图进行连接，建立仿真模型如图1所示。图1（2）、串阻调速SIMULINK仿真模型如图2所示图2（3）、观察对恒功率负载和风机性负载采用串阻调速时的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩，恒功率负载SIMULINK模型如图3所示，风机性负载SIMULINK模型如图4所示：图3图4（4）、各器件功能简介DC Voltage Source提供一个直流电压源Series RLC Branch串联RLC支路Constant常量模块Demux分离器DC Machine直流电机Gain放大增益Powergui电力分析模块Scope示波器Step输出阶跃信号 DC Voltage Source：直流电压源在电力系统中可以用来实现实现一个滞留的电压源，如操作电源等。MATLAB软件提供的直流电源为理想的直流电压源。 双击Series RLC Branch（串联RLC分支）元件，将得出对话框，在对话框中适当地输入电阻、电容和电感的参数即可。填写参数时应该注意其单位。遗憾的是这里不包含单个的电阻、电容和电感元件，可以从串、并联的分支来定义单独的电路。具体情况见下表。 元件串联RLC分支并联RLC分支类型电阻数值电感数值电容数值电阻数值电感数值电容数值单个电阻R0 infRinf0 单个电感0 L infinfL 0 单个电容0 0 C infinfC Demux多路分配器模块提取输入信号的部件和组件作为单独的信号输出。责令从上到下输出端口的输出信号。各种块方向的端口顺序的描述，请参阅See How to Rotate a Block。为了避免加入杂乱模型，当您复制从Simulink库模型，Simulink中隐藏Demux块的名称。有关创建和分解矢量的信息，请参阅Mux Signals。 Number of outputs参数允许你指定的数量，选择性地，每个输出端口的维数。如果你不指 定输出的维数，模块判断为您的输出的维数。 多路分配器模块操作，无论是矢量模式或总线选择的模式，取决于你是否选择了Bus selection mode参数。这两种模式他们接受的信号类型不同。矢量模式接受只是一个矢量信号，那就是一个标量（一个元素的数组），或载体（1-D数组），或一列或行向量（2-D数组一行或一列）。总线选择模式只接受一个总线信号。Number of outputs 参数决定了模块输出的数量和维，这取决于在该模块的工作模式。 DC Machine：六个端口分别为：F+，F-：这两个端口是接电机的励磁电源的，分别接正负极A+，A-：这个就是通常意义上的电源了，同样是正负极TL：负载输入端，给电机加负载就往这儿加m：测量端口，这里输出了电机的各项参数，如电流，转速等示波器可以接受多个输入信号，每个端口的输入信号都将在一个坐标轴中显示出来，并以不同的颜色加以区分。若为离散信号，则显示信号的阶梯图。 示波器工具栏介绍：依次为Print 打印Scope Parameters 示波器参数Zoom in x and y directions 区域放大Zoom in x directionx z轴放大 Zoom in y direction y轴放大autoscale自动尺寸（复原）save axes settings保存轴的设定 restore axes settings 恢复轴的设定floating scope 浮动示波器Unlock axis selection解锁Signal Selection信号选择 坐标轴的范围调整：在坐标框内单击鼠标右键Axes properties 示波器参数设置点击“示波器参数”按键，弹出示波器参数对话框，该对话框包含两个标签页，分别是“常规(General)”和“数据(Data history)”标签页，常规“General”标签页坐标个数Number of axes文本框：用于设定示波器轴的个数，即示波器的输入信号端口的个数，默认值为1， 即该示波器用以观察一路信号。若将其设为2，则可以同时 观察两路信号，示波器的图标也自动变为两个输入端口。 依此类推，一个示波器可设置为同时观察多路信号。即示波器可以实现多个输入信号的显示Time range：用于设定X轴（时间轴）的显示范围用于设定示波器时间 轴的最大值，一般可选“自动”(auto)，这样x轴可以自动以系统的仿真起始和终止时间作为示波器的时间显示范围。 “采样”(Sampling）下拉列表：用于选择数据取样方式， 包括“抽取”(decimation)和“采样时间”(sample time)两种方式。 “抽取”方式表示当采样下拉框右侧文本框输入数据N时，从 每N个输入数据中抽取一个用来显示。可见，设定的数字N 越大，显示的波形就越粗糙，但数据存储的空间可以减少， 一般该文本框保持默认值1，表示所有输入数据均显示。若 采用“采样时间”方式，则需要在采样下拉框右侧文本框中输 入采样的时间间隔，并按采样间隔提取数据显示。decimation可设置显示频度，若设为n，则每隔n-1个数据点都给予显示sample time若为0，显示连续信号，-1显示方式取决于输入信号，任何大于0的数据表示显示离散信号的时间间隔Floating scope：游离示波器“Data history”标签页“仅显示最新的数据”(Limit data points to last)复选框： 用于数据点数设置。选中后，其后的文本框被激活，默认值 为5000，表示示波器显示5000个数据，若超过5000个数据，也仅显示最后的5000个数据。若不选该项，所有数据都显 示，但对计算机内存要求较高。“保存数据至工作间”(Save data to workspace)复选框：数据在显示的同时被保存到MATLAB工作空间中。 若选中该项，将激活该复选框下的另两个参数设置项： “变量名”文本框用于设置保存数据的名称，以便在 MATLAB工作空间中识别和调用该数据；“格式” 文本框用于设置数据的保存格式。数据的保存格式有三种：“数组”(Array)格式， 用于只有一个输入变量的数据保存格式；“带时间变量 的结构”(Structure with time)格式，用于同时保存波形数据和时间；“结构”(Structure)格式，用于仅保存波形数据。图形缩放工具栏提供了四个工具按键用以图形缩放操作。 (1) 区域放大按键：首先在工具栏中点击区域放大按键 然后在窗口中需要放大的区域上按住鼠标左键并拖曳一个 矩形框，用矩形框框住需要放大的图形区域，松开鼠标左 键，该区域被放大显示。(2) x轴放大按键：首先在工具栏中点击x轴放大按键， 然后在窗口中需要放大的区域按住鼠标左键，并沿x轴 方向拖拉即可。(3) y轴放大按键：首先在工具栏中点击y轴放大按键， 然后在窗口中需要放大的区域上按住鼠标左键，并沿y 轴方向拖拉即可。(4) 自动尺寸按键：使用放大按键后复原。坐标轴范围示波器的x轴和y轴的最大取值范围一般是自动设定的，利用图形缩放中的放大镜功能可以在x轴和y轴的范围内 选取其中一部分显示。当需要进一步放大y轴的范围或更 精确地标定y轴的坐标范围时，可以利用轴参数设置页进 行设置。在示波器窗口的图形区域内单击鼠标右键，在弹出的快捷 菜单中选择“Axes parameters”选项，出现一个名为“scope properties:axis1”的轴属性对话框，如图下所示。其中的 Y-min与Y-max用来设置纵轴显示数值范围；Title项用来 给显示信号命名。Step：下面4行为参数设置行，分别为Step time 阶跃信号开始时间Initial value初始赋值大小 Final time 终止幅值大小Sample time采样间隔时间。3 软件调试分析3.1并励直流电动机额定运行:1.参数设置 电机参数及基本计算：并励直流电动机，PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/min，电枢回路总电阻Ra=0.087，电枢回路电感La=0.0032H，励磁回路总电阻Rf=181.5，磁场和电枢绕组互感Laf=0.56H，电动机转动惯量J=0.76kgm2。励磁电流为If=Uf/Rf=220/181.5,励磁电感为Lf=0电枢回路电压平衡方程：UN=EaN+RaIaN额定电枢电动势：EaN=CeNnN额定电磁转矩：TN=9.55CeNIaN，TN=60.1Nm模型中DC Machine的参数设置如下图所示模型中Gain的参数设置如下图所示模型中DC Voltage Source的参数设置如下图所示2.实验步骤 1.连接好仿真模型并设置好各模块的参数，以及仿真时间； 2.点击仿真开始按钮，观察仿真波形，调节时间获取最好的波形；3.仿真波形 4.图形分析1.起动一段时后转速由0 rad/min达到额定3000 rad/min。2.起动电流很大，随着电动机的起动迅速降低，直至达到额定电流。3.励磁电流If为恒定值，If=Uf/Rf=220/181.5。3.转矩与电枢电流成正比关系。3.由仿真结果可看出直流电机直接起动时电流过大，必须采取措施降低起动电流,以保护电机及其相关设备。3.2并励直流电机串电阻调速1.基本原理电枢电路中串入可变电阻ra后，电枢电流经ra后有电压降，使电机电枢绕组的实际电压降低，因而也可以达到降低转速的目的从机械特性上看，电机端电压和每极磁通不变，想空载转速也不变，而电枢回路的电阻（ra+Ra），ra增加，则机械特性的斜率增加。若所带负载是恒转矩负载，电枢回路中所串电阻越大，电机转速越低。2.串入电阻理论值计算并励直流电机的转速公式：n= 绕组感应电势 Ea=U-Ia*Ra电枢电流 励磁电流 3.分析计算额定运行时，转速n=3000r/min 励磁电流=220/181.5=1.212A 电枢电流=88.9+1.212=90.112A绕组感应电势Ea=U-Ia*Ra=212.2V =0.0707（1）要求n将至2500r/min时，带入转速公式n= (忽略电刷接触电压降)。Ra+ra=U-n1*Ce =0.48 ra1=0.48-0.087=0.392（2）要求n将至2000r/min时，带入转速公式，计算得Ra+ra2= U-n2*Ce =0.872ra2=0.872-0.48=0.393（3）要求n将至1500r/min时，带入转速公式，计算得Ra+ra3= U-n3*Ce =1.265ra3=1.265-0872=0.393（4）要求n将至1000r/min时带入转速公式，计算得Ra+ra4= U-n4*Ce =1.657ra4=1.657-1.2650.3924.实验结果转速波形电枢电流励磁电流电磁转矩调速电阻ra1ra2ra3ra4电阻值（）0.40.40.420.425.结果分析（1）调速后稳定运行时电枢电流保持不变并励电机的转矩特性：端电压保持不变时，Rf不变，励磁电流If也就不变，当负载电流很小时，电枢反应去磁作用也很小，可认为=常数，根据T=，故电磁转矩和电枢电流成正比，T=是通过坐标原点的直线，当负载电流比较大时（本实验电枢电流Ia=90.122A），由于电枢反应的去磁作用增大（近似可看成与负载电流成正比），是每极磁通减少，这是电磁转矩略有减小，这时电磁转矩略有减小，如图中实线所示。机械特性转矩特性串电阻调速时，因为负载为恒转矩负载，电枢回路串电阻降低转速后，电机电磁转矩T=亦不变，流入电机的电流、电压和输入功率保持不变，则输出功率随之按正比例降低。6.串电阻调速法优缺点（1） 由于电阻智能分段调节，因此调速的平滑性比较差。 （2） 低速时，调速电阻上有较大电流，损耗大，电机效率低。（3） 轻载时调速范围比较小。 （4） 串入电阻阻值越大，机械特性越软，稳定越差。3.4、风机性负载软件调试分析1.仿真结果图：转速波形：电枢电流：励磁电流：电磁转矩：10r120rl30rl40rl0.61.65.516K=0.0023 T=K/W2.图形分析