毕业设计（论文）-基于modelica语言的直流脉宽调速系统仿真.doc

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于modelica语言的直流脉宽调速系统仿真 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 112012103 学生： 武昊 指导教师： 李烨 （讲师） 1课题意义及目标应用多领域建模语言Modelica，对机电传动系统中典型的脉宽调制电路进行建模和仿真。1、 熟悉Modelica语言及其建模环境2、 分析典型的直流脉宽调速系统3、 建立相应的模型，对系统进行分析论证2主要内容(1)认真阅读任务书，通过查阅相关文献资料，在了解课题研究目的意义及现状等基础上，构建设计方案并进行充分论证，并撰写开题报告；(2)建立相关模型，熟悉相关软件；(3)完成直流脉宽调制系统的分析；(4)毕业设计说明书；3主要参考文献 1邓星钟，周祖德，邓坚等.机电传动控制M.华中科技大学大学出版社,2007.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1阅读任务书，通过查阅资料，撰写开题报告并进行开题答辩；2014.11.-2014.12.312建立相关模型，熟悉相关软件；2015.1-2015.33中期答辩；2015.4-2015.54完成模拟，建立模型并分析；2015.5-2015.65撰写设计说明书，准备毕业答辩。2015.6-审核人： 年 月 日基于Modelica语言的直流脉宽调速系统仿真摘要：本文是对直流脉宽调速系统的仿真。首先简单介绍了Modelica语言，并引入了以Modelica语言为基础的多领域系统建模软件OpenModelica，重点描述了该软件的建模和仿真过程。在OpenModelica平台上利用Modelica语言建立了直流电机、晶体管、二极管等元件模型和PWM电路模型，最后用所建立的模型对脉宽调制的原理电路进行了仿真和分析。仿真结果表明脉宽调速电路可以实现电动机的调速。关键字：直流调速系统，脉宽调制，仿真，Modelica Simulation of DC PWM Speed System Based on ModelicaAbstract：This article is a simulation of DC PWM speed control system. Firstly, there is a brief introduction of the Modelica language and introduced to the Modelica language-based multi-domain system modeling software OpenModelica, focused on the modeling and simulation process. Take advantage of Modelica language to build a DC motor, transistors, diodes and other components of the model and the PWM circuit model on OpenModelica, and finally simulate and analysis the model PWM circuit. Simulation results show that the PWM circuit can change the motor speed.Key Words: DC Speed System; PWM; Simulation; Modelica目 录1、 绪论11.1 Modelica语言的发展11.2 Modelica应用情况11.3 直流脉宽调速系统的介绍21.4直流脉宽调速系统研究背景22、OpenModelica的介绍与建模42.1 OpenModelica操作界面介绍42.2 Modelica语言建模82.3 具体建模过程92.4小结163、直流脉宽调速系统的分析173.1 脉宽调速的原理分析173.1.1不可逆PWM变换器183.1.2可逆PWM变换器213.2脉宽调速系统的组成223.3小结244、直流脉宽调速系统的模拟仿真254.1 直流脉宽调速系统电路的建模254.1.1 在模型库中查找所需组件254.1.2直流电动机建模274.2直流脉宽调速系统电路的仿真314.2.1连接电路图314.2.2仿真分析345、结论41参考文献42致谢43太原工业学院毕业设计1、 绪论1.1 Modelica语言的发展为了解决多领域物理系统的统一建模和协同仿真问题，德法瑞典等六国专家在欧洲仿真协会EUROSIM的协调下，对多领域物理系统统一建模技术开展研究。1997年在归纳了多种建模语言特征之后，他们提出了Modelica语言1。这年9月推出1.0版本，随后又增加了多个版本。2000年在瑞典成立了国际仿真组织Modelica协会。该协会频繁地召集专家进行设计会议和学术会议，大大加快了Modelica语言相关理论，相关系统及模型库的发展2。Modelica语言近几年发展飞快。它是一种基于方程的陈述式建模语言，模型的数学描述是微分方程、代数方程和离散方程，用方程描述不同领域的物理现象和规律。根据系统的拓扑结构，基于语言内在的连接机制，实现模型的构成；相关软件能通过自动求解方程实现仿真，无需手工处理3。尤其是对超过十万个方程的大规模模型，可使用专门算法进行处理。Modelica是一种面向对象的语言，适用于大规模多领域物理系统的建模。经过这些年的努力，相关模型库增长飞快。目前该协会已建立了十几个共享模型库和专业领域模型库，涵盖了系统动力学、汽车动力学、热动力、模糊控制等领域，可以满足多个领域的建模要求，如包含了机械、电子、液压和控制子系统的汽车领域和航空应用及机器人领域4。因为协会是非营利的，所以网站提供免费的模型库，任何研究人员都能够在Modelica协会网站上下载大量共享资源，并利用模型库构建所需的仿真应用。1.2 Modelica应用情况目前在欧美，东亚等地区的市场上出现了一些成熟的仿真软件，如Dymola和国内的Mworks。这些软件为复杂机电产品的设计和分析提供了很大便利。这也使得基于Modelica语言的仿真技术在动力、电力、污水处理等行业中大量应用，尤其是Toyota、Ford、BMW、德国航空航天中心的使用，大大地带动了Modelica语言的发展5。欧洲仿真协会和达索联合组织了Mercedes-Benz、BMM、Siemens、ABB等国际厂商，推动了欧洲资源库地建设。这些技术也开始在航空航天、汽车、能源等行业应用推广，国内目前已在大飞机项目、汽车整车建模与分析等应用中取得了良好的效果。1.3 直流脉宽调速系统的介绍直流电动机出现较早，相对于交流电动机来说，它实现调速更早。在调速方面，它具有以下优点：适合在较大范围内调速，起、制动性能良好，且控制简单效率高。直流调速是指在特定负载下，通过改变直流电动机的参数或外加电压的方法，使机械特性曲线改变，来满足工作的要求。脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的脉冲电压，并通过控制脉冲的宽度，实现直流电机电压的调节。直流脉宽调速系统即直流PWM调速系统，利用电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，将恒定的直流电压调制成可变极性和大小的直流电压，使电动机电枢端的电压，能够平滑调速7。PWM调速系统近些年发展成熟，与传统的直流调速器相比，优势如下:(1) 控制电路线路简单，需要使用的功率元器件少； (2) 开关频率高，电流连续，谐波少，电机损耗较小；(3) 低速时的稳速精度较高，调速范围较广； (4) 系统频带宽，动态响应较快，动态抗扰能力强； (5) 当功率开关器件在开关状态工作时，导通损耗小；(6) 当直流电源不可控整流时，功率因数较高8。1.4直流脉宽调速系统研究背景直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本设计建立了基于Modelica语言的数学模型，并分析了系统的基本原理，对直流脉宽调速系统进行计算机仿真,以此验证设计的调速系统是否可行。随着社会的进步，国内的工业化脚步越来越快，直流电动机的调速系统已经成为自动控制生产中应用最广泛的系统。尤其是身处计算机快速发展的时代，许多工业领域已经实现自动化，智能化控制。在机电传动与控制领域，我们更应该利用计算机，使用先进的电子元器件，发展传统工业的调速系统。以此来提高我们的生产效率，保证生产过程的安全性和可靠性。02、OpenModelica的介绍与建模2.1 OpenModelica操作界面介绍打开OpenModelica，操作界面如下图。 图2.1.1 OpenModelica操作界面操作界面的上部分别是标题栏、菜栏单和工具栏；左侧是模型库，右侧是主要工作区域，包含绘图、建模和仿真窗口，是模型编辑仿真区域。介绍模型库。OpenModelica自带的模型库是Modelica协会提供的，模型库中包含大量的有用组件，涵盖多个领域常用的模型，单位及常用数学函数和计算工具。下图是OpenModelica的模型库。图2.1.2 OpenModelica模型库其中有用户指南（UsersGuide），块（Blocks），复杂块(ComplexBlocks)，电类(Electrical)，电磁学(Magnetic)，机械(Mechanics)，流体(Fluid)，数学(Math)，媒介（Media），热力学(Thermal)，函数库(Utilities)，常量(Constants)，图标(Icons)，国际单位制(SIunits)等重要内容。下面介绍工作区域。我们从模型库中打开Modelica类，找到Ground模型，点击打开。如图所示：图2.1.3 Ground模型工作区域顶部有一栏，显示打开的内容，视图类型，路径等。切换视图，有下图：图2.1.4理想电阻图标视图图标视图，显示模型的图标，可根据需要修改图标，并命名。图2.1.5理想电阻组件视图组件视图，可修改组件的参数。双击组件，即可弹出组件参数对话框，如下：图2.1.6理想电阻参数对话框可在参数对话框中修改参数，添加新附加变型。图2.1.7理想电阻文档视图文档视图，显示组件的程序，其中定义了组件的重要参数，组件类型等内容。可在文档视图中输入程序，编辑组件。2.2 Modelica语言建模Modelica语言是面向对象的模型语言，而模型语言与编程语言的本质区别是，模型语言的对象只与模型本身有关；编程语言则是对状态的操作。面向对象的模型一般有以下几个基本属性：对象，数学模型对象是指变量、方程、函数以及其它抽象定义的集合。面向对象的数学模型支持共享状态变量。 类，是创建模型对象或子类的模板。 继承，它允许方程、函数以及定义的类被重复使用，子类能够继承父类的定义，并增加方程、函数、实例引用变量以及其它的定义。分层，也是面向对象模型语言的特征之一。Modelica语言的本质是用数学方程对模型进行描述。方程是Modelica语言的核心。下面以一个微分方程的建模为例。我们对微分方程：x = -a*x 初始条件：x(0) = 1建模：Class DEexample A simple differential equation Real x(start=1); parameter Real a = 2; equation der(x)= -a*x; end DEexample;第一部分，定义一个类DEexample，即一个微分方程示例；引号内是对示例的描述，是个注释；然后是对微分方程的描述，初始值是1，参数a = 2。第二部分是方程本身；最后结束类。这样我们就完成一个简单微分方程的建模与仿真。下图是该微分方程仿真1秒后x的曲线：图2.2.1微分方程仿真曲线2.3 具体建模过程本节介绍利用OpenModelica创建一个模型的基本流程。建模过程中涉及到的操作在此简单介绍。概括地讲，创建一个模型一般需要以下步骤：（1）启动建模软件OpenModelica。（2）创建一个模型包用于管理创建的模型。（3）创建具体的模型。（4）设置模型参数。（5）检查模型语法及语义的正确性。（6）编译模型，生成对应的求解器，为求解模型做准备。（7）调用求解器进行模型仿真。首先创建一个模型包，为方便以后我们的操作。Modelica提供的“包（package）”用于管理模型库，包是一种受限类。通过包有效地组织模型层次，便于查找。 通过包提供一种系统、安全的方式消除名字冲突。包是类、函数、常量以及其它元素等名字的命名空间建议模型开发者将开发的模型置于独立的包中集中管理。下面将建立一个名为Circuitdemo 的包。选择“文件新建Modelica类”菜单，在弹出“创建新Modelica类”对话框，特殊化选择 package，下图是对话框：图2.3.1新建类对话框单击“确定”按钮，则创建了一个模型包Circuitdemo。创建电路中的模型，或利用模型库中模型。OpenModelica支持层次化建模，即可以将单个的模型作为组件插入到其他模型，以此构建更加复杂的模型。在左边的模型库中选中新建的模型包Circuitdemo，右击新建Modelica类。新建步骤同上，将新建Circuit类插入到Circuitdemo包中。开始建立简单电路。依次打开ModelicaElectricalAnalogBasic，将Basic包中的Ground、Resistor、Capacitor、Inductor等组件拖动到组件视图下的工作窗口；同样将ModelicaElectricalAnalogSources中的SineVoltage拖动到工作窗口。下图是完成拖动的工作窗口。图2.3.2简单电路拖动图上图有两个电阻组件，是通过复制而来。逐个编辑组件，调整位置并作旋转，点击工具栏上的连接按钮，将组件连接起来，初步完成简单电路的编辑。如图是连接好的电路：图2.3.3简单电路连接图下面需要编辑每个组件，设置参数。电源参数是V = 220, freqHz= 50，参数对话框如下：图2.3.4电源参数对话框其他参数分别是R1=10，R2=100；C = 1.e-002；L = 0.1。具体步骤同上。完成设置后，检查这个模型，弹出对话框：图2.3.5模型检查对话框弹出的对话框中显示，Circuit建立成功，其中有39个等式和39个变量。下面进行仿真。点击工具栏上的仿真按钮，开始进行编译，编译成功。出现变量浏览器窗口和仿真结果显示窗口。在变量浏览器中进行设置，使显示需要的结果。见下：图2.3.6变量浏览器勾选两个电阻的电流和电压，使曲线显示在左边的窗口。如图所示：图2.3.7仿真结果横坐标轴是时间轴，纵坐标轴分别是电流值和电压值。仿真时间10秒，绘制出电压和电流曲线。打开刚刚建立的简单电路的文档视图，以下是程序主要部分，不含注释部分。model CircuitModelica.Electrical.Analog.Basic.Resistor resistor1(R = 10);Modelica.Electrical.Analog.Basic.Inductor inductor1(L = 0.1);Modelica.Electrical.Analog.Basic.Capacitor capacitor1(C = 1.e-002);Modelica.Electrical.Analog.Sources.SineVoltage sinevoltage1(V = 220, freqHz = 50);Modelica.Electrical.Analog.Basic.Ground ground1;Modelica.Electrical.Analog.Basic.Resistor resistor2(R = 100);equationconnect(resistor2.n, inductor1.p);connect(resistor1.p, resistor2.p);connect(ground1.p, sinevoltage1.n);connect(resistor1.p, sinevoltage1.p);connect(capacitor1.n, sinevoltage1.n);connect(capacitor1.p, resistor1.n);connect(inductor1.n, capacitor1.n);end Circuit;程序上半部分是组件的定义和参数，下半部分是电路的连接。Connect是Modelica语言中的特殊类，用来描述组件之间的连接或模型和外界之间的通信接口。连接表示了组件之间的联系。在以后的电路建模中，Connect会起到重要作用。当两个组件连接在一起时，就会自动生成一个connect语句，非常方便。2.4小结本章从OpenModelica的开始，逐一介绍了软件的操作界面和主要功能；并以一个简单的微分方程为例，使用Modelica语言建立了模型并仿真，介绍了Modelica语言建模的过程；在OpenModelica的平台上建立了一个简单电路的模型，通过详细地介绍，为以后直流脉宽调速电路的建立作基础。3、直流脉宽调速系统的分析3.1 脉宽调速的原理分析脉宽调制简称PWM技术，它实际上是给某些相同电路提供不同的控制信号，产生不同的占空比，为了产生PWM的控制信号，目前已有许多专用芯片，只要加上少量外围元件即能满足要求，这不仅简化了设计，而且可靠性增加，成本降低，应用越来越广9。PWM技术的原理如图所示：图3.1脉宽调速电路及电压曲线图中VT为功率晶体管，VD为续流二极管，Us为直流电压。Ub是给晶体管基极加上的脉冲电压。在一个开关周期内，时，晶体管导通，使电流流过电动机；当时，晶体管截止，电动机通过二极管续流。则电动机上获得的平均电压 (3-1)式中，为占空比。改变即可改变电压Ub的脉冲宽度，就可以在电动机两端获得不同大小的平均电压Ud，从而达到调速的目的。而整个电路的输出电压与负载电流的大小及方向无关。这种简单的PWM电路电流不能反向，只能工作在第一象限。但因其功率元件少，脉动电流小，控制简单等优点而备受关注。改变占空比，即可改变输出电压，这就是脉宽调制的本质。根据输出电压的不同，我们把它分为三种类型。双极性PWM，输出电压大小和极性可变；单极性PWM，输出电压大小可变；正弦型PWM，输出电压近似为正弦波10。3.1.1不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器本质就是直流斩波器，电路采用了晶体管，来代替晶闸管。晶体管的开关频率可达14kHz，比晶闸管高了许多。电源电压一般由不可控整流电路提供，采用电容器滤波，二极管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供电感储能11。图3.1.1不可逆PWM电路电路有四个电子元器件，晶体管、二极管、电容器和电动机。其中晶体管VT的基极由脉冲信号电压驱动，所以晶体管在一个周期内有开关两种状态，那么电路的运行状态也有两个阶段。图3.1.2电压电流波形图在一个开关周期内，当时，为正，VT饱和导通，电源电压通过晶体管加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢两端没有电压，二极管VD开始续流。由波形图可知，通过电动机的电流随着脉冲信号的变化有规律地变化12。图3.1.3不可逆PWM变换器电路及波形VT1和VT2的驱动电压大小相等，方向相反，即。当电动机在电动状态下运行时，平均电流应为正值，一个周期内分两段变化。在期间（为VT1导通时间），为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电枢两端，电流沿图中的1回路流通。在期间，和都变换极性，VT1截止，但VT2却不能导通，因为沿回路2经二极管VD2续流，在两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。因此，实际上是VT1、VD2交替导通，而VT2始终不通13。3.1.2可逆PWM变换器直流电动机的可逆PWM控制，基本电路的结构包括H型、T型等类。其中H型电路被广泛采用。H型电路包含4个晶体管和4个二极管。H型在受控方式上又分为双极性、单极性、单极性倍频、受限单极性和受限单极性可逆等五种。下面以双极性可逆PWM电路为例进行分析。图3.1.4 双极式H型电路上图是双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图。双极性可逆的极性不是指PWM信号的双极性，而是指在一个开关周期内，作用到电枢两端的电压极性是正负交替的。4个晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压；VT2和VT3同时动作，其驱动电压。该电路可通过调节PWM的占空比来实现电动机的双向运行。当VT1和VT4的信号为高电平时，VT1和VT4饱和导通而VT2和VT3关断。电枢电流上升，电动机正方向运转；当VT1和VT4的信号为低电平时，VT1和VT4关断而VT2和VT3导通，电枢电流的方向不能立即改变，电动机的自感电动势克服反电动势通过二极管VD2和VD3续流，电动机消耗存储在电感中的能量，电流衰减，电动机正方向运转，处在续流状态。当电动机续流结束，VT1和VT4依然关断而VT2和VT3依然导通，此时在电动机反向电压的作用下，产生一个反方向的电流回路；当VT1和VT4的信号为高电平时，电枢两端电压恢复到最初值，电枢电流方向不能立即改变，反向电流将经二极管VD1和VD4向电源充电并逐渐减小。这两种状态一般不会发生。3.2脉宽调速系统的组成PWM控制器型号很多，在使用时还要考虑实际情况。以SG3525为例，对PWM控制器进行说明。图3.21 SG3525原理图图中有基准电源、振荡器、误差放大器、锁存器、触发器、欠电压锁定等部分，还有16个接口。基准电源是一个典型的三端稳压器，采用温度补偿，供内部电源使用，15脚和12脚是基准电源的接口；振荡器内部由一个双门限比较器，一个恒流源及电容充放电电路组成；误差放大器是一个两级差分放大器。根据逻辑需要电流调节器的输出电压和基准电压分别接1脚和2脚；触发器借助脉冲和两个门电路完成分相功能，分组后的信号分别由11脚和14脚输出，13脚接电源正极；欠电压锁定部分用于保护整个电路，一旦工作电压降到8V以下，它就会封锁PWM信号14。直流脉宽PWM原理电路是脉宽调速系统的主电路，是对已有的PWM波形的电压信号Ub1Ub4进行功放，并不改变信号的性质。而PWM电压波形的产生、分配则是PWM变换器控制电路的功能。为此，由GTR构成的脉宽调速系统还必须具备相应的控制电路。图3.22双闭环脉宽调速系统的框图以上有脉宽调制器UPW、调制波发生器GM、晶体管的基极驱动器GD以及逻辑延时环节DLD和限流保护环节FA。双极性PWM电路中，两组晶体管不能同时导通，否则会造成短路。由于晶体管的关断需要时间，如果在这段时间内另一个晶体管已导通，将造成上下两个晶体管的直接导通，使电源短路。逻辑延时环节的存在保证了发出关闭脉冲信号后，推后一个时间段再发出打开脉冲信号，避免了两个晶体管同时导通15。限流保护环节，在逻辑延时环节中引入保护环节后，能够保护电路中的晶体管。脉冲分配电路，它根据晶体管PWM的导通顺序，对脉宽调制信号进行逻辑变换，分配给基极驱动电路，以满足功率转换电路工作所要求的“通”“断”时序的脉冲电压，使晶体管能按照指定的顺序“通”“断”，保证系统正常工作16。基极驱动电路，基极驱动电路的作用是对脉冲分配电路提供的脉冲号进行功率放大，以驱动主电路的晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路17。为了确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，正确设计基极驱动电路是非常重要的。3.3小结本章是对直流脉宽调速系统的分析。在对PWM原理电路分析的基础上，就PWM主要类型的电路进行了详细分析，包括涉及电子元器件的分析，电路状态的分析，主要参数波形的分析等。对直流脉宽调速系统的组成进行了详细的介绍，针对主要环节进行了详细的说明。4、直流脉宽调速系统的模拟仿真4.1 直流脉宽调速系统电路的建模4.1.1 在模型库中查找所需组件由电路原理图，分析电路所需的电子元件。所连电路需要直流电动机、二极管、晶体管、电容器、电阻等组件。直流电动机是直流脉宽调速电路的核心电子元器件。直流电动机需要电压源、电阻、电感、惯性负载等电子元器件。首先新建一个Modelica类，命名为DCMotor，开始直流电动机的建模。打开组件视图，在模型库中查找所需组件。依次打开ModelicaElectricalAnalogBasic，将Basic包中的Ground、Resistor、Inductor、EMF等组件拖动到组件视图下的工作窗口；同样将ModelicaElectricalAnalogSources中的SignalVoltage拖动到工作窗口；打开ModelicaMechanicsRotationalComponents，将Inertia拖到工作窗口。下图是全部拖动到工作窗口的组件。图4.1.1电动机组件拖动EMF组件是本电路完成的关键部分。打开该组件的文档视图：model EMF Electromotoric force (electric/mechanic transformer)parameter Boolean useSupport = false;parameter SI.ElectricalTorqueConstant k(start = 1);SI.Voltage v;SI.Current i;SI.Angle phi;SI.AngularVelocity w;Interfaces.PositivePin p;Interfaces.NegativePin n;Modelica.Mechanics.Rotational.Interfaces.Flange_b flange;Mechanics.Rotational.Interfaces.Support support if useSupport;protectedMechanics.Rotational.Components.Fixed fixed if not useSupport;Mechanics.Rotational.Interfaces.InternalSupport internalSupport(tau = -flange.tau);equationv = p.v - n.v;0 = p.i + n.i;i = p.i;phi = flange.phi - internalSupport.phi;w = der(phi);k * w = v;flange.tau = -k * i;connect(internalSupport.flange, support);connect(internalSupport.flange, fixed.flange);end EMF;以上是对EMF的定义，方程是组件两端的电流和电压关系。可见多领域建模的关键在于组件转换器，组件EMF就是电路中连接电子元器件和机械构件的组件转换器。4.1.2直流电动机建模逐个编辑组件，调整位置并作旋转，为创建电动机电路作准备。下面开始创建连接。单击连接按钮连，将鼠标置于组件接口处，单击鼠标，从该接口上引出一个连接，开始移动鼠标，直到另一个组件接口并单击，则完成了两个组件的连接。以同样方式创建其他组件之间的连接。初步完成电动机电路的编辑。下图是连接好的电路：图4.1.2电动机电路连接图下面需要编辑每个组件，设置参数。将电感的参数设置为L=2,其他组件参数暂时不变。完成设置后，检查电动机电路模型，弹出对话框：图4.1.3模型检查对话框弹出的对话框中显示，电动机模型建立成功，其中有47个等式和47个变量。以上直流电动机模型中，用组件 resistor和inductor 来模拟电机转子线圈的电阻和电感，用组件 EMF将电机的电能转换为机械能，组件 inertial 模拟转子的惯量；组件SignalVoltage为外部电压源，用来驱动电动机，组件SignalVoltage一侧的蓝色三角，是信号电压输入接口。下面进行仿真。点击工具栏上的仿真按钮，软件自动开始进行编译，当编译完成后，出现变量浏览器窗口和仿真结果显示窗口。在变量浏览器中进行设置，使显示需要的结果。见下：图4.1.4变量浏览器勾选inertial所模拟转子的弧度和角速度以及转矩，电感和电阻的电压等变量，使曲线显示在左边的窗口。如图：图4.1.5仿真结果横坐标轴是时间轴，纵坐标轴表示对应的数值。仿真时间1秒，绘制出电压、电流、弧度、角速度和转矩的曲线。4.2直流脉宽调速系统电路的仿真4.2.1连接电路图在前面的章节中，介绍了多个直流脉宽调速系统的典型电路。我们首先创建PWM的简单不可逆电路。选择“文件新建Modelica类”菜单，在弹出“创建新Modelica类”对话框，建立EPWM类。打开组件视图，开始创建电路。通过分析电路，依次打开ModelicaElectricalAnalogBasic，将Basic包中的Ground等组件拖动到组件视图下的工作窗口；同样将ModelicaElectricalAnalogSources中的SineVoltage和ConstantVoltage拖动到工作窗口；将ModelicaElectricalAnalogSemiconductors中的Diode和NPN拖到工作窗口；将脉宽信号从ModelicaBlocksSources中拖出，即Pulse组件；最后将之前创建的直流电动机拖到工作窗口。连接如下图：图4.2.1简单不可逆PWM电路将各组件放到合适的位置，尽可能使电路美观，完成了简单的不可逆PWM电路的连接。继续创建一个复杂的不可逆PWM电路。选择“文件新建Modelica类”菜单，在弹出“创建新Modelica类”对话框，建立PWM1类。打开组件视图，开始创建电路。分析电路后，我们在模型库中打开ModelicaElectricalAnalogBasic，将Basic包中的Ground、Resistor、Capacitor、Inductor等组件拖动到组件视图下的工作窗口；同样将ModelicaElectricalAnalogSources中的SineVoltage和ConstantVoltage拖动到工作窗口；继续将ModelicaElectricalAnalogSemiconductors中的Diode和NPN拖到工作窗口；将脉宽信号从ModelicaBlocksSources中拖出，即Pulse组件。电路如下图：图4.2.2复杂不可逆PWM电路本电路中用一个电阻和一个电感代替直流电动机，原理相同，但使电路更加简单明了。下面创建一个H型双极性可逆PWM电路。电路相对来说比较复杂，仔细分析后，准备使用以下组件。打开ModelicaElectricalAnalogBasic，将Basic包中的Ground等组件拖动到组件视图下的工作窗口；同样将ModelicaElectricalAnalogSources中的SineVoltage和ConstantVoltage拖动到工作窗口；继续将ModelicaElectricalAnalogSemiconductors中的Diode和NPN拖到工作窗口；将脉宽信号从ModelicaBlocksSources中拖出，即Pulse组件，最后将组件直流电动机拖到工作窗口。电路如下图：图4.2.3H型双极性可逆PWM电路本电路比较复杂，因为要使电路四个象限都可以工作，所以很多组件使用了四个，连接时务必耐心细心。观察到整个电路形似H，故得名H型双极性可逆PWM电路。至此，直流脉宽调速系统中的主要PWM电路建立完毕。4.2.2仿真分析下面对连接好的电路进行仿真。选择H型双极性可逆PWM电路进行仿真分析。打开电路图，逐个修改组件的参数。右击脉冲信号1，打开参数修改的对话框。弹出的对话框如下：图4.2.4参数修改对话框对话框中，amplitude(振幅)设为-2，width(脉冲宽度)设为50%，period(周期)设为0.1秒，offset(偏移)设为1，脉冲信号1参数设置完毕。脉冲信号4也同样设置。脉冲信号如图所示：图4.2.5脉冲信号1的波形图修改脉冲信号2的参数，使脉冲信号2和脉冲信号1波形相反。参数设置如下：图4.2.6 参数修改对话框对话框中，amplitude(振幅)设为2，width(脉冲宽度)设为50%，period(周期)设为0.1秒，offset(偏移)设为-1，脉冲信号2参数设置完毕。脉冲信号3也同样设置。脉冲信号2的波形图如下：图4.2.7脉冲信号2的波形图同样步骤，将直流电压设为1V，开始仿真。点击工具栏上的仿真按钮，软件自动开始进行编译，当编译完成后，出现变量浏览器窗口和仿真结果显示窗口。在变量浏览器中进行设置，使显示需要的结果。见下：图4.2.8变量浏览器图中显示出电路中各组件的常量和变量，勾选直流电动机两个端口所通过的电流，使曲线显示在左边的窗口。见下图：图4.2.9 PWM电路直流电动机