直流电动机电磁特性曲线Matlab仿真
直流电动机仿真研究报告
直流电动机仿真研究报告1 引言1.1 研究背景与意义直流电动机作为最早被广泛应用的电动机类型，以其优良的启动、制动性能，调速范围宽等优势，在工业生产、交通运输等领域发挥着重要作用。
然而，随着电力电子技术和控制理论的不断发展，对直流电动机的性能要求也越来越高。
因此，研究直流电动机的仿真技术，不仅有助于深入理解其工作原理，而且对优化电动机性能、提高系统效率具有重要意义。
当前，仿真技术已成为科研和工程领域的重要手段，通过对直流电动机的仿真研究，可以有效降低实验成本，缩短研发周期，为直流电动机的设计和应用提供理论指导。
1.2 研究目的与任务本研究的目的是通过建立准确的数学模型和仿真模型，对直流电动机进行深入分析，探讨其性能优化方法。
研究任务主要包括：推导和建立直流电动机的数学模型和仿真模型；对仿真模型进行参数设置和验证；分析仿真结果，探讨性能优化策略。
1.3 研究方法与内容本研究采用理论分析和仿真验证相结合的方法，主要研究内容包括：直流电动机的基本原理、仿真模型的建立、仿真分析、性能优化以及实验验证。
首先，通过分析直流电动机的结构和工作原理，推导出其数学模型；然后，利用仿真软件搭建仿真模型，进行参数设置和验证；接着，对仿真结果进行分析，提出性能优化方法；最后，通过实验验证仿真模型的正确性和性能优化方法的有效性。
2 直流电动机的基本原理2.1 直流电动机的结构与分类直流电动机作为最早被广泛应用的电动机之一，具有结构简单、控制方便、运行可靠等优点。
其基本结构主要由电枢、永磁体、电刷、换向器、轴承和端盖等部分组成。
结构组成电枢是直流电动机的核心部分，由绕组、铁心和换向器组成。
绕组通常由多个线圈串联而成，铁心则用于集中磁场。
永磁体提供磁场，其材料通常为铁氧体或稀土永磁材料。
电刷与换向器配合，实现电流方向的改变，从而使电枢持续旋转。
分类直流电动机根据励磁方式的不同，可以分为以下几类： 1. 永磁直流电动机：以永磁体作为磁场源，无需励磁电流，效率高，体积小。
基于Matlab的直流电机弱磁调速系统仿真
毕业设计 (论文)课题：基于Matlab的直流电机弱磁调速系统仿真学院：机械与电气工程学院学生姓名：XXXXXXXXX 学号：XXXXXXXXXXXX 专业班级：XXXXXXXXXXXXXXX 指导老师： XXXXXXXXX 完成时间：XXXXXXXXX摘要直流电动机的调速性能好，启动转矩大，特别是调速性能为交流电机所不及。
因此，在对电动机的调速性能和启动性能要求比较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。
而通过减小直流电动机励磁磁通的方法对直流电动机调速，不仅调速过程平滑，可控制性高，而且能量损耗小，成本低，被广泛应用于恒功率调速场合。
Matlab是一种科学计算软件，利用其Simulink仿真环境可以很方便的对各类系统进行仿真。
利用matlab进行电机仿真有很多优点。
第一、能够大大提高实验过程当中的安全性；第二、搭建仿真模型操作简单，修改各参数方便快捷，在今后电动机的改良及系统的设计中可以大大缩短设计开发周期，有利于选择最佳参数和设计最合理的系统方案；第三、仿真结果通过Simulink模块当中示波器显示其曲线变化，这样可以更为直观的观察到各参数对电动机性能的影响，对电动机的研究带来了极大的方便。
本文使用Simulink仿真环境中的各类模块，组成直流电动机弱磁调速控制系统。
通过改变励磁磁通量，可以得到电机在不同条件下的运行参数。
经过对仿真结果进行分析，对弱磁调速特点进行了验证。
关键词：直流电机；弱磁调速；Matlab仿真；SimulinkAbstractDC motor‘s speed performance and starting torque is higher than AC motor。
Therefore DC motor has been widely applied in the in many demanding occasions.The design is electric machinery simulation experiment based on MATLAB. Firstly, we sh ould learn to study the internal structure and principle of operation of the electric machiner y. Secondly, it is the learning of the MATLAB software. To build up a simulation model we need to use the Simulink module to build up different type and capacity motors’ starting, s peed regulation and braking module by Simulink module, then simulate the curves of the p arameters.The simulation of the motor plays an important role in studying the electric machinery. By buildi ng up the models to simulate the variety of the motors’starting,speed regulation and braking curves. Firstly, we can greatly improve the safety during the process of the experiment. Secondly, it is easy to build up a simulation model and convenient to modify the parameters, so we can greatly shorten the design cycle in the future motor improvement and system design and it is propitious to select optimum parameters and design the most reasonable system scheme. Thirdly, the simulation results is used by oscilloscope in Simulink modules to display theirs’ curves variety, in this way we can intuitionisticly observe the effects of parameters on the performance of the motors, it brings great convenience in motor research.KeyWords：DC motor; Matlab; Speed regulation with Field weakening；Simulink目录摘要 (2)Abstract (3)1 绪论 (5)1.1课题研究的目的和意义 (5)1.2论文的主要研究内容 (5)2 直流电动机 (6)2.1 直流电动机的基本工作原理 (6)2.2直流电机的励磁方式 (7)2.3直流电动机相关公式 (8)3 弱磁调速系统 (9)3.1他励直流电动机的机械特性 (9)3.1.1他励直流电动机的机械特性 (9)3.1.2固有机械特性 (10)3.1.3人为机械特性 (10)3.2他励直流电动机的调速 (13)3.2.1调速指标 (13)3.2.2 调速方法 (14)3.3 他励直流电动机弱磁调速系统概述 (16)4 Matlab概述 (17)4.1 Matlab简介 (17)4.2 Simulink的应用 (18)4.2.1 简介 (18)4.2.2 功能 (18)4.2.3 启动方法 (19)5 直流电机弱磁调速仿真 (19)5.1 设计思路及模块介绍 (19)5.1.1设计思路 (19)5.1.2模块介绍 (19)5.2 在simulink上建立仿真模型 (21)5.3仿真结果及分析 (25)5.3.1 仿真结果 (25)5.3.2 结果分析 (27)5.4 弱磁控制的直流调速系统 (27)6 总结 (29)致谢 (30)参考文献 (30)附录（中英文翻译） (31)外文资料 (31)中文翻译 (36)1 绪论1.1课题研究的目的和意义在国民经济生产中，电机工业是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的重要基础，电机可称为电气化的心脏。
直流电机的建模与仿真
转速n
电机双闭环调整系统的动态结构图
动态结构图
nc
kp
kd
PWM
u
电机
dn
n
电机系统的建模
一、电动机系统的数学模型
1、列些状态空间空间模型 选取参数分别为 L,R i , K R , J, Ki , K n
输入变量为U,状态变量为n、i 系统的状态空间模型为：
di ( Ri i K R n U) / L dt J dn K i K n 2 i n dt
电机系统的仿真
MATLAB仿真的源程序： function dj() dt=0.02/6; x=[0;0]; y=x; t=0; nc=1000; for i=1:2000 t=[t i*dt]; x=x+(dt*fx(x,nc))'; y=[y,x]; end figure plot(t,y,'LineWidth',2);
function [dx]=fx(x,nc) L=1.5; J=0.25; kr=0.4; Ri=0.2; ki=2.2; kn=0.00015; u=220; kp=4; kd=7; i=x(1); n=x(2);
x=[i,n]'; dn=(ki*i-kn*n^2)/J; du=kd*(kp*(nc-n)-dn); di=-(Ri*i+kr*n-du)/L; Uc=du; if(Uc>0) Uc=u; end if(Uc<0) Uc=0; end dx(1)=di; dx(2)=dn;
电机转速的动态仿真曲线
仿真曲线图
电机转速的动态特性总结
通过电机的状空间数学模型以及电机的MATLAB仿真图形， 我们可以知道： 电机启动时电流迅速增大，达到最大值后又下降，当转速上 升到给定的转速时，电流值趋于稳定，不再发生变化，同时电机的 转速也达到稳定。
直流电动机的特性曲线
(3)說明②：
由下式可知，當小負載時，
m 隨 Ia 成正比變化，故轉
矩 T 隨 Ia 的平方成正比，其 轉矩特性曲線為上升的拋物 線；而當負載增加到場磁通 達磁飽和的狀態時，轉矩 T 則隨 Ia 成正比，此時其轉矩 曲線為一上升直線。
轉矩特性曲線
T＝K''mIa＝K'Ia2（小負載時串激磁場未飽和）
2 n 2 1800
(3)
Tm＝
60Pm
2 n
＝ 60
2
8800≒46.7（牛頓-公尺） 1800
(4) PS＝Pm－Po＝8800－10×746＝1340（瓦特）
節目次
7-2 直流電動機啟動法
1.原理
直流電動機啟動的瞬間，轉速 nST≒0 轉／分，故電樞反電勢
Em(ST)＝KnSTm＝0 伏特，若代入公式 7-1，可得知電樞啟動
1.他激式直流電動機
(1)原理：
場繞組因由另一直流電源供給，故場磁通 m 等 於由場繞組所產生的磁通 f，且為定值，即不會
隨負載大小變化而改變，如圖中的虛線所示。
電路圖
轉速特性曲線
(2)說明①：
由公式 7-1 可推得下式，即轉速 n 會隨電樞電流
Ia（即負載電流 IL）的增加而些微下降，故實際
Km
Km
故影響直流電動機轉速的因素有下列幾點：
(1)外加電源電壓 Vt。
(2)主磁極的磁通量 m。
(3)電樞電路的電阻壓降 IaRa。
節目次
1.電樞電壓控速法
(1)複壓控速法：係改變電樞兩端的外加電源電壓大小來 控制轉速，當電樞端電壓愈大，轉速就愈快，最近大 多採用倍壓或降壓的電子電路來控速。 圖例
无刷直流电机仿真教程
基于MATLAB／SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真0引言无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。
为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。
本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。
1无刷直流电机仿真模型本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。
图1 无刷直流电机控制原理框图以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。
整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。
图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图1.1电动机本体模块在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i a，i b，i c必须首先求得三相反电动势信号e a，e b，e c，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。
电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。
图3 电机本体模块1.反电势求取模块本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。
图4 反电势求取模块Lookup Table模块的实质是通过查表构造反电动势波形，只要把360°内的反电动势的单位波形预先输入至Lookup Table模块中，就能得到其单位理想波形，由前面的数学模型知道，反电势梯形波的幅值为：e=Ke*ω。
直流电动机串联电阻启动的matlab模型分析
直流电动机串联电阻启动的模型（计算+仿真）电动 参数如下：17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻0.087F R =Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m = 构建电路模型参数设置：1、0.087a R =Ω，0.0032a L H =2、0.087F R =Ω，励磁电感在恒定磁场控制时取0，即0F L H =3、互感af L ：首先电动势常数0.0708.min/N a N e NU R I C V r n -== 600.6762e e K C π== /0.676/1.210.56af e f L K I H ===(220/ 1.21f F I R A ==)4、20.76.J Kg m =采用ode45算法既可以得到仿真曲线从仿真图线上可以看出，直接启动时，启动电路达到2500A，这个值实在是太大了。
为了降低启动电流值，我们采用串联电阻的方式，而且，在这里要求启动过程中，电路要在100-200A之间变化。
1、启动时电路小于200A11 200NaUR R=-=Ω此时，我们在电路中先接入11 200NaUR R=-=Ω，看一下仿真曲线可以看到在3.5s的时候电流降到了100A，这时候转速达到了1500r/min2、这个时候需要降低电阻，降到多少呢，计算如下20.482200N e a U C n R R -=-=Ω。
这时候我们安排110.4820.518R =-=Ω，在0-3.5s 接入电路20.482R =Ω ，在0-10s 接入电路（暂定）可以看出大概在6s 的时候电路又来到了100A,转速2200r/min 计算： 30.32200N e a U C n R R -=-=Ω 这个时候我们安排110.4820.518R =-=Ω在0-3.5s 接入电路20.32R =Ω 在0-6s 接入电路30.4820.320.162R =-=Ω,在0-15s 接入电路大概在8s 的时候电流有到100A,转速2800r/min 这时候可以完全释放电阻了。
单闭环直流调速系统的仿真研究【基于MATLAB软件的仿真】《论文》
单闭环直流调速系统的仿真研究【基于MATLAB软件的仿真】《论文》1引言调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。
1.1直流调速系统的概述由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门，如海洋钻探、纺织、轧钢、矿山、采掘、金属加工、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
随着GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的问世，这些有自断能力的器件逐步取代了原来普通晶闸管系统所必须的换向电路，简化了电路的结构，提高了效率和工作频率，降低了噪声，缩小了电力电子装置的体积和重量。
谐波成分大、功率因素差的相控变流器逐步被斩波器或脉冲宽度调制器所代替，明显的扩大了电动机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因素。
PWM电源终将取代晶闸管相控式可控功率电源，成为电源的主流。
随着信息、控制与系统学科以及电力电子的发展，电力拖动系统获得了迅猛发展，从旋转交流机组到水银整流器静止交流装置、晶闸管整流装置，再到众多集成电力模块。
目前完全数字化的控制装置已成功应用于生产，以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正处在形成和不断完善之中。
1.2本章小结本章介绍了直流调速系统的研究前景及其优点。
使用Matlab仿真斩波器-直流电动机驱动系统
2.1 用simpowersystems 模块模拟直流电动机驱动
系统
利用 “ 手动切换” 模块， 选择不同的 可以 速度
(1一 ar + e一一 (， e一 r e一一 a)r
1 一e 一 r
△ 1=生
a R
这里 a 是(斩波器) 工作周期，r 是斩波器周期
与直流电机 电气时间常数之 比:
给定值， 也可以选择使用不同的电机轴端负载转矩， 这便于在使用恒定值或者阶跃函数之间进行选择。 我们先把速度给定值设定为 120 /5 的恒定值，负载 r 转矩也维持 SN m 不变。
这 f 是 磁绕组 电 的 感。 流电 里La 励 一 枢间 互 直 机
产生的转矩正比于电枢电流 几 :
m T =价 a
这里K 是电机转矩常 。 T 直流电机转矩常 等
58} 气 嗽20 第 嚷 建 o7年 7期
研 究 与开 发
于电压常数:
犬 凡 忏
晶闸管 Th 由脉宽调制( w M) 信号触发，以 l P
厂 生
T |
土 一 .
图4
决 份 | 告
斩波器供电的直流电机驱动系统模型
V f ZJ {〕 V
2。 第 气 术5 。 7期电 披 19 7年
研 究 与开 发
用“ 直流电机” 模块所模拟的直流电机包括两个 独立的部分: 电气部分和机械部分。 点击直流电机模
GTO 晶闸管所需的触发信号由滞后电流控制
器产生，后者保持电机电流与参考量的差在+h=2
研 究 与开发
使用 Ma l b 仿真斩波器一 t a 直流
电动机 驱 动系统
李英锋
( 河南神马尼龙化工有限责任公司，河南 平顶山 4 70 3 ) 6 1
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直流电动机电磁特性曲线Matlab仿真
1. 简介
本文档主要描述了利用Matlab软件对直流电动机电磁特性曲
线进行仿真的过程。
直流电动机作为一种广泛应用于各个领域的电
动机，对其电磁特性进行研究具有重要的意义。
通过Matlab仿真，可以直观地展示直流电动机的电磁特性，为电动机的设计和优化提
供依据。
2. 理论基础
2.1 直流电动机的工作原理
直流电动机是利用直流电源提供的电磁场与电动机内部的磁场
相互作用，产生转矩，从而实现电能到机械能的转换。
直流电动机
的电磁特性主要与以下几个参数有关：磁通量、电流、电压、转矩
和转速。
2.2 电磁特性曲线
电磁特性曲线是描述直流电动机在不同的负载条件下，电动机
的转速、转矩与电流之间的关系。
通常包括以下几种曲线：
- 磁通量曲线：描述磁通量与电流之间的关系。
- 转矩曲线：描述转矩与电流之间的关系。
- 转速曲线：描述转速与负载电流之间的关系。
3. Matlab仿真过程
3.1 建立仿真模型
在Matlab中，使用Simulink工具建立直流电动机电磁特性曲
线的仿真模型。
模型主要包括以下几个部分：电源、电动机、负载
和测量设备。
3.2 设置参数
根据实际电动机的参数，设置仿真模型中的各项参数，如电阻、电感、电容、转速等。
3.3 编写仿真程序
使用Matlab编写仿真程序，主要包括以下几个步骤：
1. 初始化变量：设置初始电流、电压、转速等参数。
2. 仿真循环：根据电流、电压等参数，计算电动机的电磁特性，更新转速、转矩等参数。
3. 数据采集：在仿真过程中，实时测量并记录电动机的转速、
转矩、电流等数据。
4. 绘图显示：将采集到的数据绘制在相应的图表中，展示电动
机的电磁特性曲线。
4. 结果分析
通过Matlab仿真，可以得到直流电动机的电磁特性曲线。
分
析这些曲线，可以了解电动机的性能特点，如起动转矩、最大转矩、空载转速等。
此外，还可以根据仿真结果对电动机的设计和优化提
出建议。
5. 结论
本文通过Matlab仿真详细介绍了直流电动机电磁特性曲线的仿真过程。
仿真结果可以直观地展示电动机的性能特点，为电动机的设计和优化提供依据。
在实际工程应用中，可以根据需要进一步优化仿真模型和程序，提高仿真精度。