电机的数学模型与仿真分析

普通的电刷装置
直流电枢绕组元件
2.1 直流电机的结构
单叠绕组的展开图
2.2 直流电机的励磁方式
直流电机各种励磁方式的接线图
2.3 直流电机的磁场
一台四极直流电机中的空载磁场分布
2.3 直流电机的磁场
电刷在几何中性线上时的电枢磁场
2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
感应电动势和电磁转矩
pNa E n C E n 60a
4、 PSPICE语言的主要特点
用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克 利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成， 主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实 用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少 为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件 进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同 时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在 SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为 流行的电子电路仿真软件。 ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模块，其中核心 模块是PSPICE A/D，其余功能模块分别是：Capture（电路原理 图设计模块）、Stimulus Editor（激励信号编辑模块）、Model Editor（模型参数提取模块）、PSPICE/Probe（模拟显示和分析 模块）和Optimizer（优化模块）。
1.3 MATLAB软件的使用
1） Matlab语言是由美国的Clever Moler博士于1980年
开发的设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的
矩阵运算问题取名MATLAB即Matrix Laboratory 矩阵实验室的意思。 2）它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业 性 、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的 相结合。 3） MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设
报告提纲
1、电气工程的仿真技术 2、直流电机的数学模型与仿真分析
3、电磁耦合系统
4、异步电机的数学模型与仿真分析
5、电机中常用的坐标系统
6、同步电机的数学模型与仿真分析
1. 电气工程的仿真技术
2. 直流电机的数学模型与仿真分析 3. 电磁耦合系统
4. 异步电机的数学模型与仿真分析
5. 电机中常用的坐标系统
2.6 直流电机的基本方程
E I a Ra P UI f 1 U (Ia If ) Ia Pem PCua PCuf Pem PCu
Pem P2 Pmec PFe Pad P2 P0
转矩平衡方程
并励直流电动机等效电路
Pem P2 P0
计语言容易
4、MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编 语言的关系一样 计算机语言的发展
管理、可视化
智能化
数值运算
解析运算
标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第 四代编程语言。
5、 MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集 科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富 的Windows图形界面设计方法 6、 MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言, 它以超 群的风格与性能风靡全世界, 成功地应用于各工程学科 的研究领域 7、MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语 言之一 (C, FORTRAN, ASSEMBLER, MATLAB) 8、近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用 于各学科研究部门和许多高等院校
5、 Saber2004仿真软件的主要特点
Saber 软件简介 Saber 软件主要用于外围电路的仿真模拟，包括 SaberSketch 和SaberDesigner 两部分。SaberSketch用于绘制电路图，而SaberDesigner用于对电路仿真模拟， 模拟结果可在 SaberScope和DesignProbe 中查看。Saber 的特点归纳有以下几 条： 1． 集成度高：从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用 四处切换工作环境。 2 ． 完整的图形查看功能： Saber 提供了 SaberScope 和DesignProbe 来查看仿 真结果，而SaberScope功能更加强大。 3． 各种完整的高级仿真：可进行偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分 析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力 分析、失真分析等。 4．模块化和层次化：可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设 计，并可对子电路和整体电路仿真模拟。 5． 模拟行为模型：对电路在实际应用中的可能遇到的情况，如温度变化及 各部件参数漂移等，进行仿真模拟。
6. 同步电机的数学模型与仿真分析
1、电气工程的仿真技术
1.1 电气工程仿真的特点 1.2 Psim6.0仿真软件的使用 1.3 MATLAB软件的使用 1.4 电机及控制技术的最新发展
1.1 电气工程仿真的特点
1、仿真的作用：模拟实际系统，进行最优设计， 用来学习知识等。
2、仿真的过程：建模和实验，两种方法包括模拟 仿真和数字仿真。
1.2 Psim6.0仿真软件的使用
1） Psim是一家加拿大的公司编写的专门适合于电力电子
的仿真软件。采用特殊的算法保证实际系统的收敛性，
现在我们看到的版本是Psim6.0。这个版本可以在XP 下运行的。以前的版本不能在XP下运行的。而且这个 软件是一个绿色软件。里面有很多的帮助。 2） psim的特点：软件小，算法单一，非线性问题有专门 算法，属于电气工程的专门软件。 3）通过一个简单的例子进行讲解。
时域分析的一般顺序和方法
电路图绘制
图形数据化
电连接网表
数学建模
系统状态方程
拓扑方程 拓扑法 改进节点法 数值积分法: 欧拉法 龙格库塔法 吉尔－2法 牛顿－拉夫逊法
离散化
非线性代数方程组
线性化
线性代数方程组
求解
求解
1.1 电气工程仿真的特点
3、仿真工具：
主要有三种：一种是从通用的仿真软件发展而来， pspice，saber等，一种是从专用软件中发展而来， 如matlab，emtp；另一种是电力电子的专门软件： 如simplis，MATLAB， Psim， Pspice，Saber， EMTP，SIMPLIS，SCAT，Simplorer。
交流电机控制系统仍在不断的发展和完善，目 前主要的发展有如下一些动向：
1 新材料、新结构和专用调速型电机 2 新型变流装置和变流技术 3 新的控制策略 4 无速度（位置）检测器的检测技术 5 全数字化控制及集成化技术 6 能量回馈的实现
1. 电气工程的仿真技术
2. 直流电机的数学模型与仿真分析 3. 电磁耦合系统
dt
2 n (rad / s) 60
两式中的 三项都是 有方向的
工程上，习惯使用工程单位：转速为n(r/min)，转动惯量用飞轮矩GD2(Nm2)。
2 G D GD J m 2 ( )2 ( kgm2 ) g 2 4g
Tem T2 T0
2.7 直流电机的数学模型
Tem
dΩ T2 T0 J T2 T0 T dt
Ra L ia a d i f 0 dt k af if J
0 Rf Lf
0
k af if 1 L La ia a 0 if 0 0 0
4. 异步电机的数学模型与仿真分析
5. 电机中常用的坐标系统
6. 同步电机的数学模型与仿真分析
2、直流电机的数学模型与仿真分析
2.1 直流电机的结构
2.2 直流电机的励磁方式
2.3 直流电机的磁场
2.4 直流电机的感应电动势和电磁转矩
2.5 直流电机的能量转化关系
2.6 直流电机的基本方程
2.7 直流电机的数学模型
0 1 Lf 0
0 U a 0 U f TL 1 J
2.8 直流电机的电气传动
并励直流电动机等效电路
并励电动机的机械特性
2.8 直流电机的电气传动
dV 对直线运动，运动方程为 F F m dt d 对旋转运动，运动方程为 J
2.6 直流电机的基本方程
稳态 运行 时
U E I a Ra
I Ia If
La d ia dt Ra ia k af if U
动 态 情 况 并励直流电动机等效电路
kaf if CT n E 或kaf if CT
Lf di f dt Rf if U
9、MATLAB语言不受计算机硬件的影响，286以上的计算 机都可以使用。
9、 Matlab的应用领域 工业研究与开发 数学教学，特别是线性代数 数值分析和科学计算方面的教学与研究 电子学、控制理论和物理学等工程和科学 学科方面的教学与研究
经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中 的教学与研究
1.4 电机及控制技术的最新发展 1 新材料、新结构和专用调速型电机 2 新型变流装置和变流技术 3 新的控制策略 4 无速度（位置）检测器的检测技术 5 全数字化控制及集成化技术 6 能量回馈的实现
电机控制系统的发展极为迅速：
20世纪60年代以前，调速系统是以Байду номын сангаас流机组为主， 20世纪60年代， 开始有晶闸管构成的直流V-M系统。 20世纪70年代开始，研究交流调速系统。 20世纪80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。
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