直流電機啟動系統(tǒng)的設計與仿真 畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計 (論 文)</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 09電氣(2)班 </p><p>　　學生姓名 </p>&

2、lt;p>　　學 號 </p><p>　　課 題 直流電機啟動系統(tǒng)的設計與仿真 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2013 年6月14 日</p><p>&l

3、t;b>　　摘要</b></p><p>　　他勵直流電動機電樞串電阻啟動過程各參數(shù)的變化情況一直是運行部門十分關心的問題,但在設計過程中無法進行相關的試驗。本論文中建立他勵直流電動機分級啟動的數(shù)學模型，并建立起連續(xù)的仿真模型，利用MATLAB中的SIMULINK工具，對系統(tǒng)進行仿真，并得出實驗結果。從而更清楚的了解了其動態(tài)過程,為設計人員提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。為以后的虛擬實驗的建立發(fā)展積累了許

4、多寶貴的經(jīng)驗。</p><p>　　關鍵詞：他勵直流電動機；分級起動；仿真 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The various parameters' change in the procedure of Excited DC motor’s armature series resista

5、nce’s startup has been the department’s very issue of concern, but in the design process it can not carry out the related test. In this paper,it’s to establish the excited DC motor’s mathematical model of step-starting,

6、and to establish a continuous simulation model,and to use the MATLAB’s SIMULINK tools to simulate the system and obtain the experimental results. So its dynamic process is understanded cl</p><p>　　Keywords:

7、Excited DC Motor; Step-starting; MATLAB, SIMULINK</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第一章 直流電機的工作原理及特性1</

8、p><p>　　1.1 直流電機的基本結構1</p><p>　　1.2 直流電動機的工作原理3</p><p>　　1.3 直流電動機的工作特性4</p><p>　　第二章 他勵直流電動機的機械特性7</p><p>　　2.1 機械特性方程式7</p><p>　　2.2固有機械特

9、性與認為機械特性8</p><p>　　第三章　他勵直流電動機的起動10</p><p>　　3.1 降電壓起動10</p><p>　　3.2 電樞回路串電阻起動10</p><p>　　3.3 原始數(shù)據(jù)11</p><p>　　3.4 分級起動電阻的計算11</p><p>

10、　　第四章 MATLAB及其仿真集成環(huán)境SIMULINK16</p><p>　　4.1 MATLAB簡介16</p><p>　　4.2 仿真工具SIMULINK簡介18</p><p>　　4.3 用SIMULINK建立系統(tǒng)模型19</p><p>　　第五章 他勵直流電動機分五級起動過程模擬21</p><

11、;p>　　5.1繪制仿真線路21</p><p>　　5.2設置仿真參數(shù)和模塊參數(shù)22</p><p>　　5.3 仿真結果分析23</p><p><b>　　總結26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b&g

12、t;　　致 謝27</b></p><p>　　附錄：外文科技文獻及翻譯28</p><p>　　第一章 直流電機的工作原理及特性</p><p>　　直流電動機是將電能轉換為機械能的裝置。電機分為直流電動機和交流電動機，直流電動機的調(diào)速性能很好，起動轉矩較大，特別是調(diào)速性能為交流電動機所不及。因此，在對電動機的調(diào)速性能和起動性能要求較高的生產(chǎn)機械

13、上，大都使用直流電動機進行拖動。但是，直流電動機的制造工藝復雜，生產(chǎn)成本較高，維護較困難，可靠性較差，所以，在現(xiàn)代工業(yè)的拖動系統(tǒng)中，直流電動機與交流電動機“各得其所”。</p><p>　　1.1 直流電機的基本結構</p><p>　　直流電動機的基本結構如下圖:</p><p>　　圖1.1 直流電動機基本結構</p><p><b

14、>　　一．定子</b></p><p>　　定子是直流電動機的靜止部分。它包括主磁極、換向磁極、機座、端蓋和電刷裝置等部件。</p><p>　　1．主磁極 在一般的大中型直流電機中，主磁極是一種電磁鐵。主磁極的鐵心用厚的鋼板沖片疊壓緊固而成永磁電機的主磁極直接由不同極性的永久磁體組成。勵磁電機的主磁極則由主磁極鐵心和主磁極繞組兩部分組成。</p><

15、;p>　　2．換向極 換向極又稱附加極或間極，裝在兩主磁之間。它是由鐵心和繞組構成的，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。其作用是產(chǎn)生附加磁場，以改善電動的換向條件，減小換向器上的火花。換向磁極由換向磁極鐵心和換向磁極繞組兩部分組成。位于兩主磁極之間，是比較小的磁極。</p><p>　　3．機座 其作用一方面是作為電動機的磁路，另一方面是用來固定主磁極和換向極以及端蓋。用來在其上安裝主磁極、換向磁極，同時也作為

16、電動機的外殼。機座一般由鑄鋼件制成，小功率的直流電動機機座也可用無縫鋼管加工而成。</p><p>　　4．端蓋 在機座的兩邊各有一個端蓋，端蓋的中心處裝有軸承，用來支持轉子的轉軸，端蓋上還固定有電刷架。</p><p>　　5．電刷裝置 電刷裝置是把直流電壓、直流電流引人或引出的裝置。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿座和銅絲辮組成。通過電刷與換向器表面之間的滑動接觸，把電樞繞組中的電流引入

17、或引出。</p><p><b>　　二．轉子</b></p><p>　　直流電動機的轉子又稱為電樞，是電動機的旋轉部分。由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等部分組成。</p><p>　　1．電樞鐵心 電樞鐵心由硅鋼片疊壓而成，其表面有許多均勻分布的槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心有兩個作用一個是作為主磁路的主要部分，二是嵌放電樞繞組

18、。由于點蘇鐵心和主磁場之間的相對運動將導致鐵耗，因此為了減少鐵耗，電樞鐵心通常用0.5mm的厚硅鋼片的沖片疊壓而成，固定在轉子支架或轉軸上。</p><p>　　2．電樞繞組 由許多相同的線圈組成，按一定規(guī)律嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)，并與換向器相連。它是直流電機的主要電路部分，是通過電流和感應電動勢以實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部分。其作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩。</p><p>　　3．換向

19、器 它是直流電機的重要部分，換向器由許多銅制換向片組成，外形呈圓柱形，片與片之間用云母絕緣。其作用是把外界供給的直流電流轉變?yōu)槔@組中的交變電流以使電動機旋轉。在直流發(fā)電機中，它將繞組內(nèi)的交變電動勢轉換為電刷墻上的直流電動勢。</p><p>　　4．轉軸 一般用合金鋼鍛壓加工而成，其作用是用來傳遞轉矩。</p><p>　　風扇 用來降低電動機在運行中的溫升。</p>

20、<p>　　1.2 直流電動機的工作原理</p><p>　　直流電動機的工作原理是基于安培定律上的，在磁場中的導體做切割磁感線運動產(chǎn)生電動勢。在磁場中導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋

21、轉起來。</p><p>　　圖1.2 直流電動機的原理模型</p><p>　　當電樞轉了180°后，導體 cd轉到 N極下，導體ab轉到S極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流入，經(jīng)導體cd 、ab 后，從電刷B流出。這時導體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，導體ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向。</p><p>

22、　　因此，電樞一經(jīng)轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導體 ab和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷A 流入的方向，而在S 極下時，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉矩，使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電動機的工作原理。</p><p>　　1.3 直流電動機的工作特性</p>&l

23、t;p>　　直流電動機的工作特性是選用直流電動機的一個重要依據(jù)。直流電動機的工作特性是指其端電壓(額定電壓)、電樞回路中無外加電阻、勵磁電流（額定勵磁電流）時，電動機的轉速n、電磁轉矩和效率三者與輸出功率之間的關系。如用函數(shù)形式表示，即、、在實際運行中，電樞電流可直接測量，并且隨的增大而增大，兩者增大的趨勢相差不多，所以往往將工作特性表示為、、。由于直流電機的勵磁方式有多種，直流電動機的工作特性因勵磁方式不同，差別很大，所以討論工

24、作特性時，既要應用綜合電磁過程的所有方程式，又要注意到各種勵磁方式的特點。</p><p>　　一.直流電動機通常按勵磁方式分為四種：</p><p><b>　　1．他勵直流電機</b></p><p>　　勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。</p&

25、gt;<p><b>　　2．并勵直流電機</b></p><p>　　并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。</p><p><b>　　3．串勵直流電機</b></p><p>　　串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直

26、流電機的勵磁電流就是電樞電流。</p><p><b>　　4．復勵直流電機</b></p><p>　　復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式。</p><

27、;p>　　二、他勵和并勵電動機的機械特性</p><p>　　他勵和并勵電動機的勵磁電流是不受負載影響的，即：當外加電壓一定時</p><p>　　Φ為一常數(shù)。這時由/CEΦ= / CEΦ-Ra/CECTΦ2T可得：轉速n可改寫為n=n0-CT。式中：n0=/ CE Φ稱為理想空載（T=0）轉速 C= Ra/CECTΦ2是一個很小的常數(shù)，他代表電動機隨負載增加而轉速下降的斜率。故

28、他勵和并勵電動機的機械特性曲線是一條稍微向下傾斜的直線。</p><p>　　因此，他勵和并勵電動機常用于轉速不受負載影響又便于在大范圍內(nèi)調(diào)速的生產(chǎn)機械。如大型車床、龍門刨床。</p><p>　　圖1.3 并勵電動機的機械特性曲線</p><p>　　三、串勵電動機的機械特性</p><p>　　串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，因此勵磁

29、電流等于電樞電流。</p><p>　　Φ=CΦIa CΦ:比例常數(shù)代入T=CTΦIa=CT/CΦΦ2代入n表達式中得 n=A/√T-B 式中：A=U/CR√CT/CΦ,B=Ra/CE CΦ 是常數(shù)</p><p>　　圖1.4 串勵電動機的機械特性</p><p>　　由此可繪出曲線（最下面一根）</p><p>　　由此可見，

30、隨著轉矩T的增大，轉速n下降十分明顯。常用于電車、電氣機車、起重機等場合。例：當起重機提升重量輕的貨物時，速度較高，而提升很重的貨物時，速度較低，以保證安全。</p><p>　　串勵電動機不允許在空載或輕載的情況下運行，因其理想空載轉速無限大，易損壞電機。為防止出現(xiàn)空載飛車，串勵電動機與負載不允許采用皮帶傳動等中間環(huán)節(jié)傳動，而采用固定連接。</p><p>　　四、復勵電動機的機械特性&

31、lt;/p><p>　　復勵電動機兼有并勵和串勵兩方面的特性，機械特性曲線也介于兩者之間。（中間一根）復勵電動機既具有串勵電動機的特點，適用于負載轉矩變化大需要比較軟的機械特性的生產(chǎn)設備中，又可象并勵電動機那樣在空載或輕載的情況下運行。常用于輪船、無軌電車、起重采礦設備中。</p><p>　　第二章 他勵直流電動機的機械特性</p><p>　　由于直流電動機的種類

32、很多，我們在此選用他勵直流電動機作為研究直流電機啟動系統(tǒng)的設計與仿真的直流電機。電動機的機械特性是指電動機的轉速與轉矩的關系.機械特性是電動機力學性能的主要表現(xiàn)，它與運動方程式相聯(lián)系，將決定拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及過渡過程的工作情況。必須指出，機械特性中的轉矩是電磁轉矩，它與電動機軸上的輸出轉矩是不同的，其間差一個空載轉矩，當電動機工作在電動狀態(tài)是。在運動方程式中。已將作為負載轉矩，則該式中的應為軸上拖動轉矩，即相當于上式中的，它與機械特性

33、上的負載轉矩不同，比后者小。如果在運動方程式中將視作為電磁轉矩，則該式中的將為負載轉矩與空載轉矩之和。由于在一般情況下，空載轉矩占轉矩或之比例較小，在一般工程計算中可略去，而粗略的認為電磁轉矩與軸上的輸出轉矩相等。</p><p>　　2.1 機械特性方程式</p><p>　　他勵直流電動機的電路原理圖以及機械特性圖如圖所示</p><p>　　圖2.1他勵直流電

34、機原理圖和機械特性圖</p><p>　　電動機的轉速特性，式中Ｒ為電樞電路總電阻，包括及電樞串聯(lián)電阻，為電動勢常數(shù)，為轉矩常數(shù)。由上列兩式可導出和的關系為。在機械特性方程式中，當、、為常數(shù)是，可畫出一條向下傾斜的直線，就是上圖的機械特性圖線。這根直線就是他勵直流電動機的機械特性。由特性可見，轉速隨轉矩的增大而降低，這說明電動機一加負載轉速會有一些降落。</p><p>　　2.2固有機械

35、特性與人為機械特性</p><p>　　當他勵電動機電壓及磁通均為額定值及，電樞，沒有串聯(lián)電阻時的機械特性稱為固有機械特性，其方程式為，人為機械特性可用改變電動機參數(shù)的方法獲得，他勵直流電動機一般可得下列三種人為機械特性。</p><p>　　1. 電樞串聯(lián)電阻時的人為機械特性</p><p>　　此時，，，電樞串聯(lián)電阻時，人為機械特性的方程式為，由于電動機的電壓及

36、磁通保持額定值不變，人為機械特性具有與固有機械特性相同的理想空載轉速，而其斜率的絕對值則隨串聯(lián)電阻增大而加大，人為機械特性的硬度降低。在一定的負載轉矩下，轉速隨串聯(lián)電阻的加大而增加。人為機械特性有交縱坐標軸于一點但具有不同斜率的射線族組成</p><p>　　2. 改變電壓是的人為機械特性</p><p>　　此時電樞不串聯(lián)電阻（），，改變電壓時的人為機械特性方程式為，改變電壓是，隨電壓的

37、降低而降低，特性的斜率則保持不變，他們低于固有機械特性１，又與固有機械特性相平行，由于電樞電路沒有串聯(lián)電阻，因此其特性較串聯(lián)電阻是硬。</p><p>　　3. 減弱電動機磁通是的人為機械特性</p><p>　　一般他勵直流電動機在額定磁通下運行時，電機已接近飽和。改變磁通實際上是減弱勵磁。在勵磁回路內(nèi)串聯(lián)電阻，并變化其值，即能使磁通減弱，并在低于額定磁通時調(diào)節(jié)的大笑，此時，電樞不串聯(lián)電

38、阻，減弱磁通時人為機械特性的方程式為,，特性方程式為。有上述兩式可見，當減弱時，理想空載轉速加大，短路電流為常值，而短路轉矩將隨之減弱而降低。</p><p>　　第三章　他勵直流電動機的起動</p><p>　　直流電動機接通電源以后，電動機的轉速從零達到穩(wěn)態(tài)轉速的過程稱為起動過程。對于電動機來講，我們總希望它的起動轉矩大，起動電流小，起動設備簡單、經(jīng)濟、可靠。直流電動機開始起動時，轉速

39、，此時直流電動機的反電動勢()還沒有建立起來，由于電樞電阻較小，。，所以此時電樞電流最大。另外，根據(jù)轉矩公式可知，由于電樞電流非常大，此時的起動轉矩也非常大。這樣大的起動電流和起動轉矩，分別將對供電電源和機械裝置形成強大的沖擊。通常采用保證足夠的起動轉矩下盡量減少起動電流的辦法，使電動機起動。直流電動機經(jīng)常使用的起動方法有降電壓起動和電樞回路串電阻起動兩種。</p><p><b>　　3.1 降電壓起

40、動</b></p><p>　　對于因直接起動沖擊電流過大而無法承受的場合，通常采用降壓起動，此時，起動轉矩下降，起動電流也下降，只適合必須減小起動電流，又對起動轉矩要求不高的場合。降壓起動時，開始加在電動機電樞的端電壓很低，隨著轉速的上升，逐步增大電樞電壓，并使電樞電流限制在一定的范圍內(nèi)。為使勵磁不受電樞電壓的影響，電動機應采用他勵方式。    采用降壓起動時，需

41、要一套專用電源作為電動機的電源?，F(xiàn)在一般采用脈寬可調(diào)制的由大功率電子器件構成的開關直流電源。減壓起動的優(yōu)點是，起動電流小，起動過程平滑，能量損耗小。</p><p>　　3.2 電樞回路串電阻起動</p><p>　　電樞回路串接電阻，啟動電流為，負載轉矩TL可知，啟動過程中要求電動機的電磁轉矩必須大于負載轉矩，即TTL。根據(jù)要求，可確定串接電阻R的大小，這樣有了加速轉矩后才能使系統(tǒng)啟動，

42、而加速轉矩的大小又必須滿足生產(chǎn)工藝對加速度的要求。因此并勵直流電動機起動時，必須有足夠大的負載轉矩，又不使啟動電流過大，使電動機在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下安全起動，但隨著轉速的升高，應逐級切除電阻，否則電樞回路長期串接較大電阻，將引起較大的能量損耗。</p><p>　　額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內(nèi)串聯(lián)起動變阻器的方法起動。起動前先把起動變阻器調(diào)到最大值，加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變。再接通電

43、樞電源，電機開始起動。隨著轉速的升高，逐漸減小起動變阻器的電阻，直到全部切除。</p><p>　　額定功率較大的電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中既有比較大的起動轉矩，有使啟動電流不會超過允許值。</p><p>　　接入起動電阻后的起動電流為</p><p>　　可見選擇合適，能將起動電流限制在允許的范圍內(nèi)。有一點必須注意，對于他勵電動機，在起動電動機

44、之前，必須先將勵磁回路接通，并將勵磁電流調(diào)到額定值，使主磁場建立起來，然后再進行電動機的起動。</p><p><b>　　3.3 原始數(shù)據(jù)</b></p><p>　　所用他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：</p><p>　　額定電壓 =240V</p><p>　　額定電流 =16.2A&l

45、t;/p><p>　　額定轉速 =1220</p><p>　　額定轉矩 =27NM</p><p>　　電樞電阻 =0.6</p><p>　　3.4 分級起動電阻的計算</p><p>　　下面先對他勵直流電動機串電阻分五級起動的步驟和過程進行說明和分析。</p>

46、<p><b>　?。╝）電路圖</b></p><p><b>　　(b)特性圖</b></p><p>　　圖3.1 他勵直流電動機分五級起動的電路和特性</p><p>　　a)電路圖 b)特性圖</p><p><b>　　1．起動過程如下：</b>&l

47、t;/p><p>　　①串聯(lián)起動電阻、、、、和起動</p><p>　　起動前開關、、、和斷開，使得電樞電路中串入電阻、、、和，加上電樞電路自身電阻，電樞電路的總電阻為</p><p>　　加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，然后加上電樞電壓，這時電動機的機械特性如圖中的人為特性。由于起動轉矩遠大于負載轉矩，電動機拖動產(chǎn)生機械特性由向點移動。</p>

48、<p><b>　?、谇谐饎与娮?lt;/b></p><p>　　當工作點到達點，即電磁轉矩等于切換轉矩時，合上開關，切除起動電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦?，切除的瞬間，轉速來不及改變，工作點由點平移到點，使這時的電磁轉矩仍等于，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性點向點移動。</p><p>

49、<b>　　③切除起動電阻</b></p><p>　　當工作點到達點，即電磁轉矩等于切換轉矩時，再合上開關，切除起動電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦?，切除的瞬間，轉速來不及改變，工作點由點平移到點，使這時的電磁轉矩仍等于，電動機繼續(xù)加速，工作點由點向點移動。</p><p><b>　

50、?、芮谐饎与娮?lt;/b></p><p>　　當工作點到達點，即電磁轉矩等于切換轉矩時，再合上開關，切除起動電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦裕谐乃查g，轉速來不及改變，工作點由點平移到點，使這時的電磁轉矩仍等于，電動機繼續(xù)加速，工作點沿點向點移動。</p><p><b>　?、萸谐饎与娮?l

51、t;/b></p><p>　　當工作點到達點，即電磁轉矩等于切換轉矩時，再合上開關，切除起動電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)楣逃刑匦?。工作點由點平移到點，使這時的電磁轉矩仍等于，電動機繼續(xù)加速，工作點沿點經(jīng)點，</p><p><b>　　⑥切除起動電阻</b></p><p&

52、gt;　　當工作點到達點是，即電磁轉矩等于切換轉矩,此時再合上開關,切除起動電阻，電樞電路總電阻變?yōu)椤＿@是機械特性變?yōu)楣逃刑匦?。工作點由點移到點，最后穩(wěn)定在點，至此，整個起動過程結束。</p><p>　　2．他勵直流電機起動電阻的計算</p><p>　　應用解析法計算五級起動時的起動電阻值:</p><p><b>　　已知起動級數(shù)</b>

53、</p><p><b>　　選取 </b></p><p><b>　　起動電流比 </b></p><p>　　各級起動總電阻如下：</p><p><b>　　各分段電阻如下：</b></p><p>　　至此，起動電阻計算結束。

54、</p><p>　　第四章 MATLAB及其仿真集成環(huán)境SIMULINK</p><p>　　4.1 MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB 的名稱源自 Matrix Laboratory ，它是一種科學計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應用于科學計算、控制系

55、統(tǒng)、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作，而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開放式結構，可以非常容易地對 MATLAB 的功能進行擴充，從而在不斷深化對問題認識的同時，不斷完善 MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。 </p><p>　　目前 MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進行：數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程和科學繪圖、控制系統(tǒng)的設計與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、通訊系統(tǒng)設計與仿真、財務與金融工程。 &l

56、t;/p><p>　　MATLAB 是 MATLAB 產(chǎn)品家族的基礎，它提供了基本的數(shù)學算法，例如矩陣運算、數(shù)值分析算法， MATLAB 集成了 2D 和 3D 圖形功能，以完成相應數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級編程語言—— M 語言，利用 M 語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實現(xiàn)用戶自己的算法。 </p><p>　　MATLAB Compiler 是一種編譯工具，它能夠?qū)⒛切?/p>

57、利用 MATLAB 提供的編程語言—— M 語言編寫的函數(shù)文件編譯生成為函數(shù)庫、可執(zhí)行文件 COM 組件等等。這樣就可以擴展 MATLAB 功能，使 MATLAB 能夠同其他高級編程語言例如 C/C++ 語言進行混合應用，取長補短，以提高程序的運行效率，豐富程序開發(fā)的手段。利用 M 語言還開發(fā)了相應的 MATLAB 專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。這些工具箱應用的算法是開放的可擴展的，用戶不僅可以查看其中的算法，還可以針對一些算法進行修改

58、，甚至允許開發(fā)自己的算法擴充工具箱的功能。目前 MATLAB 產(chǎn)品的工具箱有四十多個，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、科學計算、控制系統(tǒng)設計與分析、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、金融財務分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領域。 </p><p>　　SIMULINK 是基于 MATLAB 的框圖設計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學系統(tǒng)、衛(wèi)

59、星控制制導系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船舶及汽車等等，其中了包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等等。 SIMULINK 提供了利用鼠標拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且SIMULINK 還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用 SIMULINK 幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。 </p><p>　　STATEFLOW 是一個交互式的設計工具，它基于有限狀態(tài)機的

60、理論，可以用來對復雜的事件驅(qū)動系統(tǒng)進行建模和仿真。STATEFLOW與 SIMULINK和 MATLAB 緊密集成，可以將 STATEFLOW創(chuàng)建的復雜控制邏輯有效地結合到SIMULINK的模型中。 </p><p>　　在MATLAB 產(chǎn)品族中，自動化的代碼生成工具主要有 Real-Time Workshop （ RTW ）和 STATEFLOW Coder ，這兩種代碼生成工具可以直接將 Simulink 的

61、模型框圖和 STATEFLOW 的狀態(tài)圖轉換成高效優(yōu)化的程序代碼。利用 RTW 生成的代碼簡潔、可靠、易讀。目前 RTW 支持生成標準的 C 語言代碼，并且具備了生成其他語言代碼的能力。整個代碼的生成、編譯以及相應的目標下載過程都是自動完成的，用戶需要做得僅僅使用鼠標點擊幾個按鈕即可。MATHWORKS 公司針對不同的實時或非實時操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)了相應的目標選項，配合不同的軟硬件系統(tǒng)，可以完成快速控制原型（ Rapid Control

62、 Prototype ）開發(fā)、硬件在回路的實時仿真（ Hardware-in-Loop ）、產(chǎn)品代碼生成等工作。 </p><p>　　另外， MATLAB 開放性的可擴充體系允許用戶開發(fā)自定義的系統(tǒng)目標，利用 Real-Time Workshop Embedded Coder 能夠直接將 SIMULINK的模型轉變成效率優(yōu)化的產(chǎn)品級代碼。代碼不僅可以是浮點的，還可以是定點的。 </p><p

63、>　　MATLAB 開放的產(chǎn)品體系使 MATLAB 成為了諸多領域的開發(fā)首選軟件，并且， MATLAB 還具有 300 余家第三方合作伙伴，分布在科學計算、機械動力、化工、計算機通訊、汽車、金融等領域。接口方式包括了聯(lián)合建模、數(shù)據(jù)共享、開發(fā)流程銜接等等。 </p><p>　　MATLAB 結合第三方軟硬件產(chǎn)品組成了在不同領域內(nèi)的完整解決方案，實現(xiàn)了從算法開發(fā)到實時仿真再到代碼生成與最終產(chǎn)品實現(xiàn)的完整過程。

64、 </p><p>　　主要的典型應用包括：</p><p>　　4.2 仿真工具SIMULINK簡介</p><p>　　SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。

65、</p><p>　　所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型（以.MDL文件進行存?。?，進而進行仿真與分析</p><p>　　SIMULINLK是基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建

66、模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。SIMULINLK提供了利用鼠標拖放的方法來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用SIMULINLK幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。除此之外，SIMULINLK還

67、支持Stateflow，用來仿真事件驅(qū)動過程。</p><p>　　SIMULINLK是從底層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面，是模塊化了的編程工具，它把Matlab的許多功能都設計成一個個直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實現(xiàn)需要的仿真功能了。也可以根據(jù)自己的需要設計自己的功能模塊，SIMULINLK功能強大，界面友好，是一種很不錯的仿真工具。</p><p>　　SI

68、MULINLK仿真具有以下的特點：</p><p><b>　?。?）交互建模</b></p><p>　　SIMULINLK提供了大量的功能塊，方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型，建模時只需要使用鼠標拖放庫中的功能塊，并將它們連接起來。用戶可以通過將塊組成子系統(tǒng)建立多級模型。對塊和連接的數(shù)目沒有限制。</p><p><b>　　（2）

69、交互仿真</b></p><p>　　SIMULINLK框圖提供了交互性很強的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，或者用命令行進行批處理。仿真結果可以在運行的同時通過示波器或者圖形窗口顯示。</p><p>　　（3）能夠擴充和定制　SIMULINLK的開放式結構允許用戶擴充仿真環(huán)境的功能。</p><p>　?。?）與Matlab和工具箱集成

70、</p><p>　　由于SIMULINLK可以直接利用Matlab的數(shù)學、圖形和編程功能，用戶可以直接在SIMULINLK下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級設計和分析能力可以通過SIMULINLK的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行。</p><p><b>　?。?）專用模型庫</b></p><p>　　SIMULIN

71、LK的模型庫可以通過專用元件集進一步擴展。</p><p>　　4.3 用SIMULINK建立系統(tǒng)模型</p><p>　　使用SIMULINLK進行仿真一般分為兩步：用戶首先需要在仿真模型編輯窗種搭建好自己的仿真模型，設置好具體模型參數(shù)和仿真參數(shù)；然后，用戶就可以進行仿真，SIMULINLK將根據(jù)用戶搭建的模型，模擬系統(tǒng)在用戶設定條件下的具體行為。</p><p>

72、;　　下面先對SIMULINLK窗口環(huán)境介紹如下:</p><p>　　在桌面上雙擊MATLAB圖標,然后點擊MATLAB啟動界面工具欄上的</p><p>　　圖標，啟動的模塊庫瀏覽器。或者用命令方式啟動SIMULINLK。即在MATLAB的命令窗口中直接鍵入如下命令： </p><p>　　如下圖便是SIMULINLK的模塊庫瀏覽器：SIMULINK模塊庫瀏覽器

73、主要用于瀏覽及選擇模塊。</p><p>　　圖3.1 SIMULINLK的模塊庫瀏覽器</p><p>　　二．模型的搭建與仿真要在MATLAB提供的專用SIMULINLK模型編輯窗口中進行。</p><p>　　執(zhí)行模塊庫瀏覽器的菜單欄“File”/“New”/“Model”命令，或單擊工具欄上的“”圖標，或者采用快捷鍵Ctrl+N都可以打開模型編輯窗口。<

74、;/p><p>　　第五章 他勵直流電動機分五級起動過程模擬</p><p>　　在分析了直流電機的工作原理及特性的基礎上，建立了他的數(shù)學模型，以及對MATLAB及其仿真工具SIMULINLK的了解后，在這一章節(jié)中，我們將對他勵直流電動機分五級起動過程進行仿真和模擬。</p><p><b>　　5.1繪制仿真線路</b></p>&

75、lt;p>　　一．先打開SIMULINLK的模塊庫瀏覽器和模型編輯窗,默認情況下模型名為“Untitled”。然后將模塊庫瀏覽器中的SIMPOWERSYSTEMS節(jié)點展開，并且選中Electrical Sources模塊庫中的DC Voltage Source模塊，單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“Add to Untitled”菜單項，就可以把DC Voltage Source模塊添加到“Untitled”模型中去。也可以不

76、通過右鍵菜單，直接將DC Voltage Source模塊拖拽到模型編輯窗中，完成模塊的添加操作。</p><p>　　二．采用與第1步相同的方法將仿真線路所用的其他模塊一一添加到模型編輯窗中。</p><p>　　三．連接信號線。具體方法：將鼠標放到模塊的輸出端口，等光標變?yōu)槭謺r按住鼠標左鍵移動到另一個模塊的輸入端，釋放鼠標即可。如果信號線存在分路，按?。茫裕遥替I并同時將鼠標放到信號線

77、上，等光標變?yōu)槭旨纯梢龇种盘柧€。連線后系統(tǒng)如下圖。</p><p>　　圖5.1 仿真線路圖</p><p>　　其中 Starter模塊是封裝的子模塊，其內(nèi)部結構如下圖。</p><p>　　圖5.2 Starter封裝子模塊 </p><p>　　5.2設置仿真參數(shù)和模塊參數(shù)</p><p>　　構建好一

78、個系統(tǒng)的模型之后，接下來的事情就是運行模型，得出仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數(shù)，啟動仿真和仿真結果分析。</p><p>　　一．首先對仿真參數(shù)進行配置：</p><p>　　在SIMULINLK模型編輯窗中執(zhí)行“Simulation”/“Simulation Parameters”菜單命令，或者按下快捷鍵Ctrl+E，打開SIMULINLK仿真參數(shù)配置對話框，

79、它主要用三個頁面來管理仿真的參數(shù)：</p><p>　　1．Solver頁，它允許用戶設置仿真的開始和結束時間，選擇解法器，說明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項。</p><p>　　2．Workspace I/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。</p><p>　　3．Diagnostics頁，允許用戶選擇SIMULINLK在仿真中顯示的警

80、告信息的等級。</p><p>　　二．然后對模型中各個模塊的參數(shù)進行設置。查看和修改一個模塊的參數(shù)和屬性的方法是：</p><p>　　在模塊庫瀏覽器中找到該模塊，選中該模塊后點擊鼠標，把它加入到一個模型窗口中。然后選中模塊，右擊鼠標，在彈出的快捷菜單中單擊Block parameters 選項，即可打開該模塊的參數(shù)設置對話框。</p><p>　　三．最后根據(jù)以

81、上描述和仿真要求對仿真參數(shù)和模型中各個模塊參數(shù)進行設置。</p><p>　　5.3 仿真結果分析</p><p>　　仿真線路繪制正確以及仿真參數(shù)與模塊參數(shù)配置正確后，點擊模型編輯窗工具欄上的“”運行仿真模型。示波器輸出串電阻啟動的轉速、轉矩、電流仿真結果。</p><p>　　一．電流與轉速關系仿真結果：</p><p>　　圖5.3電流

82、與轉速關系仿真結果圖</p><p>　　由電流與轉速關系仿真結果可看出電流Ia與轉速w成線性關系變化，當電流Ia增大時，會促使反電動勢增加，因此轉速w隨之增大，起動后達到穩(wěn)定。</p><p><b>　　二．轉速仿真結果：</b></p><p>　　圖5.4轉速仿真結果圖</p><p>　　由轉速的仿真結果可看出

83、轉速n 變化的連續(xù)性，這是由于機械慣性的作用，換接瞬間速度不變。但是由于時間常數(shù)不同，導致每次啟動的時間不同，所串電阻越大，啟動時間越長。但可通過改變轉動慣量和負載轉矩來調(diào)整啟動時間。此外由于啟動級數(shù)較多，轉速上升較為平穩(wěn)。</p><p><b>　　三．電流仿真結果：</b></p><p>　　圖5.5 電流仿真結果</p><p>　　

84、由電流的仿真結果可看出，啟動電流被限制在允許的范圍內(nèi)。這是因為啟動時n = 0，端電壓基本上由電阻壓降平衡。而其他時刻轉子已處于加速旋轉狀態(tài)，反電勢動態(tài)增加，與穩(wěn)態(tài)計算的Imax相差較大。這說明了本方法的有效性。但值得注意的是，以上外串電阻的阻值是在勵磁電流穩(wěn)定的情況下算出的，當勵磁電流未穩(wěn)定時，進行電樞回路串電阻啟動，啟動電流降超過允許范圍。</p><p><b>　　四．轉矩仿真結果：</b

85、></p><p>　　圖5.6轉矩仿真結果</p><p>　　由轉矩的仿真結果可看出每次換接轉矩變化范圍相同，在每條特性上隨轉速增加而減小，其特性可通過改變分級級數(shù)來控制。</p><p><b>　　五．電壓仿真結果：</b></p><p>　　圖5.7電壓仿真結果圖</p><p>

86、;　　由電壓仿真結果可看出每次起動電流發(fā)生突發(fā)時，其對應的時間點的電壓會發(fā)生一次跳變，最后起動結束，達到額定電壓運行。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　本篇論文主要討論了基于MATLAB的直流電機分級起動過程模擬。首先需要了解的就是直流電機的原理及其起動過程與要求，還要了解MATLAB軟件的相關知識，由于關于直流電機和MATLAB仿真工具

87、的知識我接觸的比較少，所以我用了大量的時間來做這些準備工作。在結束準備工作之后，接著便是設計過程，首先要對分級起動電阻進行設計計算，然后是用MATLAB仿真工具SIMULINK進行模擬仿真，最后輸出結果。期間還包括開題報告、任務書、審批表等的填寫和提交，還有對外文相關文獻的翻譯，主要是鍛煉我們對專業(yè)英語的應用能力。最后是對整個設計論文的修改與整理。</p><p>　　與此同時，我也充分認識到自身的許多不足：基礎

88、知識學得不夠扎實，缺乏綜合運用及理論聯(lián)系實際的能力等。所以這次畢業(yè)設計鍛煉了我將大學四年來所學到的知識能夠融會貫通、熟練應用的能力，并做到了理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)了我的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 顧繩谷編著. 電機及拖動基礎. 機械工業(yè)出版社. 第四版. 2007，5. &

89、lt;/p><p>　　2 董霖編著. MATLAB使用詳解. 電子工業(yè)出版社. 2008，4.</p><p>　　3薛定宇編著. 基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用. 清華大學出</p><p>　　版社. 2002，5. </p><p>　　4 劉慧穎編著． Matlab R2007基礎教程． 清華大學出版社

90、. 2008，7.</p><p>　　5 賈秋玲等編著． 基于MATLAB7.X/Simulink、Stateflow系統(tǒng)仿真、分析及設計. 西北工業(yè)大學出版社. 2006，1.</p><p>　　6 張森，張正亮等編著. MATLAB仿真技術與實例應用教程. 機械工業(yè)出版社.</p><p><b>　　2004,1.</b>&

91、lt;/p><p>　　7 鐘麟，王峰編著. MATLAB仿真技術與應用教程. 國防工業(yè)出版社. 2004,1.</p><p>　　8 李發(fā)海，王巖編著。電機與拖動基礎。第3版。北京：清華大學出版社，2005</p><p>　　9陳伯時編.電力拖動自動控制系統(tǒng).第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　10 胡崇岳編.現(xiàn)代交

92、流調(diào)速技術.北京：機械工業(yè)出版社，1998</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先，感謝我的學校。大學四年，我學到了很多新的知識，同時我也改變了很多進步了很多。而這些應該歸功于我的學校。 其次，感謝所有授過我課的老師，無論是基礎課老師還是專業(yè)課老師。對基礎課的學習為我在以后的學習打下了良好的基礎－－通過學習英語知識，我基本掌握了外

93、文閱讀和翻譯的能力；通過學習計算機知識，我能夠熟練使用多種基本軟件和專業(yè)軟件的使用方法，包括基本辦公軟件word,excell,powerpoint，微軟的項目管理軟件project,繪圖工具軟件auto cad,以及自己查詢到并自學的一些專業(yè)軟件。 最后，特別感謝我的指導老師**老師。在*老師的悉心指導下，我對畢業(yè)設計的認識從一團糟到有了初步的認識到明確了任務目標，再到基本工作的組織和完成以及對工作任務的檢查和整理。通過這樣一

94、個過程，使我更深一步地了解了電機工作原理及特性和MATLAB的仿真應用。 最后，再次感謝所有幫助過我的同學和老師。</p><p>　　附錄：外文科技文獻及翻譯</p><p><b>　　DC Motors</b></p><p>　　At the most basic level, electric motors exist to

95、convert electrical energy into mechanical energy. This is done by way of two interacting magnetic fields -- one stationary, and another attached to a part that can move. A number of types of electric motors exist, but mo

96、st beam bots use DC motors in some form or another DC motors have the potential for very high torque capabilities (although this is generally a function of the physical size of the motor), are easy to miniaturize, and ca

97、n be "thro</p><p>　　Brushed DC motors </p><p>　　The classic DC motor design generates an oscillating current in a wound rotor, or armature, with a split ring commutator, and either a wound

98、or permanent magnet stator. A rotor consists of one or more coils of wire wound around a core on a shaft; an electrical power source is connected to the rotor coil through the commutator and its brushes, causing current

99、 to flow in it, producing electromagnetism. The commutator causes the current in the coils to be switched as the rotor turns, keeping the </p><p>　　Many of the limitations of the classic commutator DC motor

100、 are due to the need for brushes to press against the commutator. This creates friction. Sparks are created by the brushes making and breaking circuits through the rotor coils as the brushes cross the insulating gaps bet

101、ween commutator sections. Depending on the commutator design, this may include the brushes shorting together adjacent sections—and hence coil ends—momentarily while crossing the gaps. Furthermore, the inductance of the r

102、ot</p><p>　　Large brushes are desired for a larger brush contact area to maximize motor output, but small brushes are desired for low mass to maximize the speed at which the motor can run without the brushes

103、 excessively bouncing and sparking (comparable to the problem of " valve float " in internal combustion engines).Small brushes are also desirable for lower cost. Stiffer brush springs can also be used to make b

104、rushes of a given mass work at a higher speed, but at the cost of greater friction losses (lowe</p><p>　　Brushless DC motors </p><p>　　Some of the problems of the brushed DC motor are eliminated

105、 in the brushless design. In this motor, the mechanical "rotating switch" or commutator/brush gear assembly is replaced by an external electronic switch synchronised to the rotor's position. Brushless motor

106、s are typically 85-90% efficient or more, whereas DC motors with brush gear are typically 75-80% efficient. </p><p>　　Midway between ordinary DC motors and stepper motors lies the realm of the brushless DC m

107、otor. Built in a fashion very similar to stepper motors, these often use a permanent magnet external rotor, three phases of driving coils, one or more Hall effect sensors to sense the position of the rotor, and the assoc

108、iated drive electronics. The coils are activated, one phase after the other, by the drive electronics as cued by the signals from either Hall effect sensors or from the back EMF ( electromoti</p><p>　　Brushl

109、ess DC motors are commonly used where precise speed control is necessary, as in computer disk drives or in video cassette recorders, the spindles within CD, CD-ROM (etc.) drives, and mechanisms within office products suc