基于MATLAB的_电机与拖动_仿真实验_直流电动机调速实验

[收稿日期]　2002-01-03
[作者简介]　刘桂英(1961-),女,江西南昌人,副教授,工学硕士,研究方向为电机控制。

　2002年3月
　第16卷　第1期南昌航空工业学院学报(自然科学版)Journal of Nanchang Institute of Aeronautical T echnology (Natural Science )Mar.,2002　V ol.16　N o.1　
基于MAT LAB 的《电机与拖动》仿真实验
———直流电动机调速实验
刘桂英1,伍家驹1,张立生1,袁运科2
(1.南昌航空工业学院测控系,江西南昌　330034;2.广西电力工业勘探设计研究院,广西南宁　530023)
[关键词]　电机与拖动;直流电动机调速;仿真实验
[摘　要]　本文详细介绍了用M AT LAB 语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立,其仿真结果与理论分析一致,表明仿真是可信的,不仅可以替代部分实物实验,而且还可促使学生加深对概念的理
解,提高课堂教学效果。

[中图分类号]　TP391.9 [文献标识码]　B [文章编号]　1001—4926(2002)01—0047—04Simulation experiment of electrical notor drive based on MAT LAB
———Speed Regulating Experiment of DC motor
LI U G ui 2ying 1,W U Jia 2ju 1,ZH ANGLi 2sheng 1,Y UAN Y un 2ke 2
(1.Dept .o f Measuring and Control Engineering ,Nancahng Institute o f Aeronautical Technology ,Nanchang ,PR .China .330034;2.Guangxi Electric Power In 2dustry Designing and Investigation Institute )
K ey Words :M otor and drive ;DC m otor speed regulating ;S imulation experiments
Abstract :This paper introduces the method of the simulation and m odeling of DC m otor speed regulating in electrical m otor drive.S imulation is consistent with the 2ory analysis ,which can not only take the place of the parts of real objects experiments but can als o urge the students ’understanding the of concepts.Thus ,the teaching effect can be greatly im proved.
电机与拖动是电气工程及其自动化、自动化专业的一门重要专业基础课程,也是该专业后续课程《电力拖动控制系统》、《现代交流调速》学习的基础。

它涉及电磁学、动力学及数学等多门学科,概念多、理论性强和工程实践联系密切。

知识面广,内容多,尤其是工程实际知识多,用传统的课堂讲授方式来讲授这门课的最大问题在于:很难用大量的图片来介绍各种旋转电机、变压器的结构,也难以用清晰、清洁的各种波形、图形来讲授诸如旋转磁场、绕组结构和电动机过渡过程等问题。

目前,虽然有很多的实验装置可以对电机及其拖动系统的稳态运行进行较好地测试与观察。

但是,对于电机及其拖动系统的动态过程的观察和测试却不甚理想。

这是因为电机动态过渡过程,时间短、且含有很多非线性因素,常规的仪表和示波器难以满足要求,例如,长余辉示波器虽然能观察到部分动态过程,但不能记录;数字存储示波器虽然能很好得观察和记录系统的过渡过程,但其价格昂贵,投资较大,在本科教学中难以实现。

故只能从理论上定性说明,致使学生远远脱离生产实际,影响了他们对该课程的理论学习。

本文介绍一种采用M AT LAB 语言中的工具箱对直流电动机调速实验进行仿真,利用SC OPE 模型可以非常方便地观察直流电动机调速过程变化情况及稳态数据,促使学生加深对直流电动机调速概念的理解。

1　MAT LAB ΠSIMU LINK 和POWER 工具箱简介
M AT LAB 是美国M ATHW ORK S 公司自80年代推出的一套高性能的数值计算和可视化软件,经过不断完善,它已发展成为适合于多学科,多种工作平台的功能强大的大型软件。

在欧美等高校,M AT LAB 已经成为线性代数、电路和电子技术、自动控制、电力电子技术、图象处理、数值计算、数理统计、数字信号处理、动态系统仿真等课程的教学基本工具;成为攻读学位的大学生、硕士生和博士生必须掌握的基本技能,在设计研究
单位和工业部门,M AT LAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。

与其它计算机语言相比,具有简洁和智能化的特点,适应科研人员的思维方式和书写习惯,而且计算机仿真的结果可以数据或图形的形式显示出来,供用户分析。

尤其是M AT LAB5.2以上的版本软件中,新增的电气系统工具箱(POWER SY STE M BLOK S 2ET )内涵电路、电子、电机等方面的基本仿真部件和测量模块,解决了电子电路与电气传动控制系统设计所需的复杂算法和先进控制理论相结合的难题,为自动化专业研究人员提供了便利的工具。

作者借助于M AT LAB ΠSI M U LI NK 和POWER 工具箱中的模块,开发了一种电机拖动仿真实验软件,利用M AT LAB 中G UI (图形用户界面)功能,其仿真实验用交互式对话方式进行演示,并可对其参数进行修改,能对各种电机及其控制系统任意容量的起动、调速和制动进行仿真实验。

2　仿真模型及其结果
图1～图7所示的是直流电动机改变电源电压、电枢回路串接电阻和磁通等调速实验的仿真模型和波形。

图1　直流电机调压调速仿真实验模型
图2　直流电机调压调速仿真实验波形
图3　直流电机电枢回路串电阻调速仿真实验模型84南昌航空工业学院学报(自然科学版)2002年
图4　起动电阻器仿真模型
图5　直流电机电枢回路串电阻调速仿真实验波形
图6　直流电机弱磁调速仿真实验模型
图7　直流电机弱磁调速仿真实验波形94第1期刘桂英、伍家驹、张立生、袁运科:基于M AT LAB 的《电机与拖动》仿真实验
3　仿真实验说明
如图1所示,由Simulink工具箱中的Repeating Sequence模块产生一个数学信号的可变电源电压U
i
,经
C V模块转换成电气信号U a加在直流电动机DC-m otor模块的电枢绕组A+
-两端,励磁绕组F
+
F-两端外加
240V的的直流电压U f,通过Demux模块可把电动机的转速n、电枢电流I a和电磁转矩T e分解出来,分别接到Scope模块进行观测。

电动机参数可任意设定,本文采用系统默认参数,带恒转速负载,由Step模块产生加在负载输入端T
L。

运行仿真模型,即可得到图2所示的仿真实验波形。

图2提示:对恒转矩负载,在调压调速方法中,调速前后I
a和T e是不变的,但在改变电压瞬间I a和T e却是变化的;又因励磁电压不变,可认为磁通为恒定值,因而电磁磁转与电枢电流波形相似;电压增大、转速升高,电压减少、转速减低。

图2波形与理论分析一致,表明仿真实验是可信的。

用类似的方法,建立图3、图4和图6仿真实验模型。

同理图5和图7所示的仿真实验波形也与理论分析一致,限于篇幅,在此不一一说明。

4　仿真实验与实物实验对比
直流电动机起动仿真实验与实物实验对照表
实物实验仿真实验
所需器材直流电动机、直流发电机、负载电阻、起动器、变阻
器、直流电源、电流表、电压表、开关、导线若干根
PC机
M AT LAB软件
费用多少
时间多少
特点(1)能得到工程训练;(2)容量受限制(1)一种新的方法;(2)容量不受限制;(3)便于综合分析安全性有触电及机械损伤的危险好
5　结束语
作者认为,把M AT LAB语言应用于《电机与拖动》教学中,可以起到如下作用:
・一些工程实际问题用传统的教学方式不易讲深讲透,而借助于本项目研制的软件,就可在课堂上进行仿真分析,便于学生对概念的深入理解和掌握,提高教学效率。

・可以生动、形象地将对任何大容量的电机拖动系统的静态和动态性能显示出来,进行分析和调试,替代价格昂贵实验设备(如数字存储示波器),其实验结果可用来指导实际系统的设计,减少实物实验调试和耗材,加快研究进程。

・借助于本项目研制的软件,学生可先做仿真预演实验,再做实物实验,不仅可以缓和专业实验设备台套数少的矛盾,节省开支,而且还可减少实验事故。

・使学生掌握一种现代工程设计和实验方法———计算机仿真技术,提高学生工程应用和科研的水平。

[　参　考　文　献　]
[1]　韦榕等,电气传动系统仿真的新工具———M AT LAB5.2电气系统模块库[J],天津,电气传动,2001.1.
[2]　刘桂英等,矢量控制的无刷交流电动机调速系统仿真[J],南昌,南昌航空工业学院,2000.2.
[3]　刘桂英等,基于M AT LAB环境下直流调速系统动态性能分析[J],南昌,南昌大学学报,2000.3.
05南昌航空工业学院学报(自然科学版)2002年。