直流电动机仿真研究

1、 绪论1、 本课题研究意义直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在较大范围内平滑调速。长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位。与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高;调速方法简便，工作可靠。在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。Matlab语言是一种面向科学工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等功能于一体，是一种高级的数学分析与运算软件，可用作动态系统的建模和仿真。目前，电机控制系统越来越复杂，不断有新的控制算法被采用。仿真是对其进行研究的一个重要的不可缺少的手段。Matlab的仿真研究功能被成功方便地应用到各种科研过程中。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，通过这次课程设计使我学会用MATLAB进行基本仿真，通过课程设计实践，树立正确的设计思想，培养综合运用MATLAB进行仿真，提高对直流电机知识的理解能力，解决实际问题的能力。学习使用MATLAB的一般方法、步骤，掌握Simulink的使用方法，以及其强大的仿真功能。学会用MATLAB仿真软件仿真直流电动机的机械特性，直流电动机的起动和制动 ，直流电动机调速仿真，其中包括直流电动机的直接起动仿真，直流电动机电枢串联电阻起动仿真，直流电动机的能耗制动仿真，直流电动机反接制动仿真，直流电动机改变电枢电压调速仿真和直流电动机改变励磁电流调速仿真。通过此次设计，增强了我的自我动手能力，了解直流电动机的各种人为改变参数的操作特性，理论联系实际，在实际的工作过程中积极地去发现问题、解决问题。2、课题的主要内容了解直流电机工作原理、结构、基本电磁关系的基础上，对直流电动机的人为机械特性进行绘制，并且通过运用不同的起动和制动、调速方法对直流电动机的暂态过程进行仿真研究。而更好的理解直流电动机的的控制特性、控制规律、和工作特性。1.学习并掌握直流电机的基本理论，理解直流电动机的基本工作原理与工作特性。2.通过改变电枢电压、电枢电阻、改变磁通等方法获得各种人为机械特性，并通过仿真得出结果。3.直流电动机的起动运用直接起动或减压起动、电枢串电阻起动等方式，制动运用回馈制动、反接制动、能耗制动等方式对直流电动机的起动和制动进行仿真分析，建立仿真模型同时给出仿真结果。4.调速分析主要是通过串联电阻、改变电枢电压或改变励磁电流调速方式来实现。建立仿真模型。5.熟练掌握Matlab的simulink和Power system工具箱，以调速系统的电气原理结构图为基础，弄清楚系统的构成，并在模块库中找出相应的模块，完成对各个组成环节的元件参数配置，对系统进行仿真，并给出结论。3、程序实现思路一直流电动机的机械特性仿真：1.直流电动机的人为机械特性主要有改变电枢电压,改变电枢电阻和改变磁通三种情况。根据已知的直流电动机的参数，使用MATLAB编制M文件，通过计算可以画出直流电动机的人为机械特性曲线。他励直流电动机和串励直流电动机的工作特性不同，通过仿真计算可以获得这些特性曲线。 二直流电动机的起动和制动仿真: (1) 直流电动机的直接起动仿真，直流电动机直接起动时，起动电流很大，可达额定电流的10-20倍，由此产生很大的冲击转矩。在实际运行时不允许直流电动机直接起动。要求使用Simulink对直流电动机的直接启动过程建立仿真模型，通过仿真获得直流电动机的直接启动电流和电磁转矩的变化过程。 （2）直流电动机电枢串联电阻起动仿真:建立他励直流电动机电枢串联三级电阻起动的仿真模型，仿真分析其串联电阻起动过程，获得起动过程的电枢电流，转速和电磁转矩的变化曲线。 （3）直流电动机的能耗制动仿真要求使用Simulink建立直流电动机的能耗制动的仿真模型，仿真分析获得转速，电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。 （4）直流电动机反接制动仿真要求使用Simulink建立直流电动机的电压反向反接制动的模型，仿真分析获得转速，电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。 三直流电动机调速仿真：他励直流电动机的调速方法有三种，即电枢回路串电阻调速，改变电枢电压调速和改变励磁电流（减弱磁通）调速。（1）直流电动机改变电枢电压调速仿真要求实用Simulink建立他励直流电动机的改变电枢电压的仿真模型，仿真分析获得转速，电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。（2）直流电动机改变励磁电流调速仿真要求使用Simulink建立他励直流电动机改变励磁电流的仿真模型，仿真分析获得转速，电枢电流和电磁转矩的暂态过程曲线。2、 直流电动机的机械特性仿真直流电动机的机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：n=f(Tem)。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通都是可以根据实际需要进行调节的，每调节一个参数可以对应得到一条机械特性，所以可以得到许多条机械特性。其中，电动机自身所固有的，反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性，称为电动机的固有（自然）机械特性；调节U、R、等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。 直流电动机的人为机械特性主要有改变电枢电压改变电枢电阻和改变磁通三种情况。根据已知条件，使用Matlab编写M文件，通过计算机可以画出直流电动机的人为机械特性曲线。某直流电动机，已知额定值为U=220V，P=22W，I=115A，Nn=1500r/min;某电枢电阻R=0.18；励磁电阻R=628。求出，并分别划出固有机械特性曲线和改变电枢电压、改变电枢电阻、改变励磁同时的人为机械特性曲线。并励直流电动机的机械特性仿真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_EPhi_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(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转矩n/rpm);ylim(0,1800);figure(2);plot(Te,n,rs);xlabel(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速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)*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(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转矩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=strcat(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(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速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_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 图2.1并励直流电机固有机械特性 图2.2降低电枢电压人为机械特性图2.3增加电枢电阻人为机械特性 图2.4改变磁通人为机械特性他励直流电动机的机械特性仿真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_TPhi_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(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速n/rpm); ylim(0,1800); %计算转速和转矩的关系，不同的条件下的机械特性 figure(2); plot(Te,n,rs); xlabel(电磁转矩 Te/N.m); ylabel(转速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)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(U=,num2str(U),V); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end %计算转速和转矩的关系，不同的条件下的机械特性 figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,rs); xlabel(电磁转矩Te/N.m); ylabel(转速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); %计算转矩和转速的关系，不同的条件下的机械特性 figure(4); R_c=0; n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,rs); xlabel(电磁转矩Te/N.m); ylabel(转速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); 图2.5 固有机械特性曲线 图2.6改变电枢电压的人为机械特性曲线随着电压的降低，理想空载转速线性下降，但直线的斜率保持不变，也就是说，机械特性的硬度保持不变。图2.7串电阻的人为机械特性曲线电阻的增加直线的斜率增大。表面电机的转速下降增大，机械特性的硬度降低。但考虑到理想空载转速不变，因此。电枢回路串电阻时所有人工机械特性曲线都交于纵坐标的理想空载点。图2.8弱磁的人为机械特性曲线 由于励磁电流的减小使得磁通也 减小，对应于纵坐标轴上的两个极点（1）理想空载转速升高，（2）短路电流保持不变，但是相应的堵转转矩减小。三、直流电动机直接起动和制动仿真1、 直流电动机直接起动研究直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的1020倍，起动转矩也能达到额定转矩的1020倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。1.1 直流电动机直接起动仿真模型的建立直流电动机直接启动在MATLAB/SIMULINK中的仿真模型如图1所示。在图1中电动机励磁绕组和电枢绕组的输入端并联后再与直流电源电压Vd的正极端相连接，电动机励磁绕组和电枢的输出端通过T形接点并联后与直流电源Vd的负极端连接在一起，这时电动机的模型为并励形式，电动机参数设置为：PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/m，电枢电路总电阻Ra=0.08，励磁回路总电阻Rf=181.5，电动机转动惯量J=0.76kgm2。电动机的负载转矩由常数模块TL设定，后在电动机模块的m端接上示波器，用于观察电动机的各项波形，Demux分解模块用于输出转速、电枢电流、励磁电流和转矩四项参数。放大器(Gain)将rad/转换为r/min，变换系数为K=60/2=9.55。图3.1直流电动机直接启动仿真模型1.2 直接起动仿真结果及分析直流电动机直接起动仿真波形如图3.2所示，在图2的仿真波形中很容易看出电动机在直接启动时启动电流很大，最大可达到2500A，起动转矩最大可以达到1800Nm。电动机在启动0.4s后，转速达到3000r/min，电流下降为额定值89A左右。转矩也有相应变化，从图3.2仿真波形可以看出直流电动机直接起动造成大电流和大转矩，很容易损坏电机和负载，因此这是不允许的。图3.2直接启动模型仿真波形2 直流电动机串电阻起动研究由上所述，大型直流电动机不宜采用直接起动，因此本文采用串电阻起动。具体实现方法是基于图3.1所示的直接起动模型基础上，采用三级串电阻方法限制启动电流，控制启动电流在200100A之间，通过仿真设计选择启动电阻和切换时间。2.1 直流电动机串电阻起动仿真模型的建立直流电动机串电阻起动仿真模型如图3.3 所示，该模型在图1所示直接起动模型的基础上，在电枢回路中串联一个由三级电阻组成的启动器。在每个电阻(R1、R2、R3)上并联一个理想开关，用于切除电阻，开关受Step模块控制。(注：在Step模块对话框中设定单位阶跃信号发生时刻，即可控制开关的闭合，从而短接该电阻)。模型检测将转速n、电枢电流I等送入示波器。 图3.3直流电动机串电阻启动仿真模型2.2 直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析为了实现直流电动机串电阻起动，对于电枢绕组串入电阻值的计算非常重要，需要计算精确，本文为了尽可能地降低起动电流和起动转矩，采用三级串电阻计算方法。具体实现步骤如下（1）将step模块2和3的阶跃信号发生时间设为“0”，step1设为20s，R1接入电枢回路，并初选R1的阻值。在模型中设R1=R1=1，得到仿真图形如图3.4所示图3.4 串一级电阻启动时的转速和电流波形由图3.4可知，串联电阻后最大启动电流为200A，在3.5s时电流下降到100A，对应的转速为1500r/min，相对于直流电机直接起动，起动电流从2500A变为200A，显著地减低了，起到了保护电机的作用。为了进一步减少起动电流，需要减小启动电阻，计算R1的阻值和预选R2阻值。（2）重新设定R1和R2(R2=R2)并设step1的信号发生时间为3.5s，设step2信号发生时间为20s得到仿真图形如图3.5所示。图3.5 串二级电阻启动时的转速和电流波形从图5中可知，在启动6s后电流再次下降到100A，此时的转速为2200r/min。为了进一步减少起动电流，需要再次减小启动电阻。根据式(4)和(5)可以计算R2和R3阻值。（3）：重新设定R2和R3，并设step2的信号发生时间为6s，设step3的信号发生时间为20s得到仿真图形如图3.6所示。图3.6 串三级电阻启动时的转速和电流波形从图3.6可知在启动8s后起动电流再次下降到100A，此时的转速为2800r/min，需要再次切除R3，因此设step3的信号发生时间为8s，再次仿真，得到图形如3.7所示。图3.7 切除R3启动时的转速和电流波形由图3.7可知：在切除R3后，转速升到3000r/min，在整个启动过程中电流限制在规定的范围内，满足设计要求。3、直流电动机制动仿真直流电动机有4种制动方式,分别为能耗制动、反接制动、倒拉反转和回馈制动。设定在制动状态下,负载折合到电动机轴上的阻力矩为3844.0 N/m,折合到电动机轴上的角速度为38 rad/s依据这些参数分别对电动机的能耗制动和反接制动状态进行仿真。选择powerlib中的模块拖放到Simulink仿真环境中,构成能耗制动仿真配置如图3.8所示,预先设定负载扭矩的大小。开关1,2受定时器的控制,电机启动时开关1闭合,2断开,此时电机带动负载运行,然后同时断开开关1,闭合2,将一个电阻串入电动机的电枢电路,电动机进入能耗制动状态。改变串入阻值的大小,可以得到不同的仿真结果,当阻值为48时,仿真结果如图3.9所示。电动机稳定运行于第四象限的A点,扭矩接近3800.0 N/m,转速接近-38rad/s(此刻电机为反转),可见串入的电阻可以满足实际要求。反接制动仿真配置如图3.10所示,电机启动时开关1闭合,2断开,此时电机带动负载运行,然后同时断开开关1,闭合2,将一个反接电源和一个电阻串入电动机的电枢电路,电动机进入反接制动状态.改变反接电源和串入阻值的大小,可以得到不同的仿真结果,当反接电源为260V,阻值为38时,得到仿真结果如图3.11所示。电动机稳定运行于第四象限的A点,扭矩接近3800.0 N/m,转速接近-38rad/s,可见串入的反接电源和电阻可以满足要求。图3.8 能耗制动仿真配置图3.9 能耗制动仿真结果图3.10 反接制动仿真配置图3.11 反接制动仿真结果四、直流电动机调速研究现代工业生产中，生产机械为适应其工艺过程要求，在不同的场合下必须具有不同的转速来进行工作，以保证生产机械的合理运行，并提高产品质量。直流调速即直流电动机速度控制，是指在直流传动系统中人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求如金属切削机械在进行精加工时，为提高工件的表面光洁度而需要提高切削速度。由此可见，调速在生产机械的运行中，具有重要的意义。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法，改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度以他励直流电动机为例，直流电动机有三种基本调速方法：(1)他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速；(2) 他励直流电动机的降低电源电压调速；(3)他励直流电动机的减弱磁通调速。以下分别进行讨论1 他励直流电动机的电枢回路串入电阻调速电枢回路串入电阻调速要求，仅通过改变电枢回路的电阻来调节速度。此时，他励直流电动机的理想空载转速不变，额定转速降变大，特性变软。如4.1所示，设他励直流电动机工作在固有机械特性曲线的点上，以转速稳定运行。为了调节速度，将接触器 KM 的常开触头断开，串入电阻，此时，他励直流电动机的工作点从固有特性曲线移到人为特性曲线上运行，他励直流电动机所对应的稳态速为 nc串入不同的电阻，可获得不同的稳态转速。用电枢回路串联电阻的方法调速时，虽然设备简单!操作方便，但因电动机的机械特性变软，系统转速受负载影响大，此时轻载时达不到调速的目的，重载时还会产生堵转现象，而且在串联电阻中流过的是电枢电流，长期运行时损耗也大，经济性差，因此这种调速方法在使用上有一定局限性。4.1串入电阻接线2 他励直流电动机的降低电源电压调速不同的人为机械特性对应不同的稳定转速，如图4.2中的 a!b!c 点所示。如将电源电压由 UN调至U1，则他励直流电动机的工作点将由 a 点经 v 点过渡到 c 点，其特性曲线是一簇以 U 为参数的平行直线。在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化