張琪，雷良育，，劉國(guó)輝，胡峰，荊家寶，張強(qiáng)

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安，311300；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州，311232)

直流電機(jī)(DC motor)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能的最傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有良好的調(diào)速性能，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車和家用電器等領(lǐng)域。在直流電機(jī)的控制設(shè)計(jì)中，往往因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確預(yù)測(cè)電機(jī)機(jī)械特性和電樞電流的改變，而使得電機(jī)運(yùn)行的壽命大大減少。但是傳統(tǒng)的測(cè)試方法都是運(yùn)用大型測(cè)功機(jī)等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，成本高且測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，不利于試驗(yàn)快速便捷的操作和參數(shù)的快速識(shí)別，而且操作不當(dāng)時(shí)，容易導(dǎo)致電機(jī)的損壞甚至燒毀。因此，越快、越準(zhǔn)確的對(duì)直流電機(jī)相關(guān)運(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)試就顯得極其重要[1]。

在現(xiàn)代工業(yè)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，所以文中提出運(yùn)用MATLAB/Simulink中的電機(jī)相關(guān)仿真模塊搭建電機(jī)模型[2]，直觀、快速且較為準(zhǔn)確的模擬出直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速等運(yùn)行工況下電機(jī)的機(jī)械特性、電樞電流和電源電壓的變化，為電機(jī)控制的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

1 直流電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)的MATLAB/simulink仿真模型

圖1 直流電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型Fig.1 A simulation model of DC motor’s step-down start test system

圖2 直流電機(jī)參數(shù)Fig.2 The DC motor parameters

利用MATLAB/simulink中的相關(guān)仿真模塊，搭建出如圖1所示的直流電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型。使用到的仿真模塊主要有：直流電流源模塊、直流電機(jī)本體模塊、電壓測(cè)量模塊和波形顯示模塊等[3]。其中為了使仿真電壓源的電壓由小到大的變化，采用斜坡信號(hào)控制的受控電流源與電阻并聯(lián)組合成等效電壓源，電流源線性增大的過(guò)程就等于電壓源線性增大的過(guò)程。仿真用到的直流電機(jī)模型只需輸入相關(guān)參數(shù)即可完成電機(jī)模型的建立，電機(jī)模型參數(shù)為：電樞繞組電阻和電感、勵(lì)磁繞組電阻和電感、電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等[4]，這些參數(shù)在電機(jī)本體設(shè)計(jì)時(shí)就可以得到，具體設(shè)置如圖2所示。

從圖3可以看出直流電機(jī)在電源電壓線性增加的同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電樞電流也在平穩(wěn)的增加，可以很好的計(jì)算出使電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)所需啟動(dòng)電壓的設(shè)定形式[5]，并可以預(yù)測(cè)出電樞電流變化趨勢(shì)，用以防止在實(shí)際啟動(dòng)測(cè)試時(shí)電樞電流過(guò)大燒壞電機(jī)。由此可以說(shuō)明MATLAB/simulink在電機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)中可以得到很好的運(yùn)用。

圖3 直流電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)特性的變化曲線Fig.3 Variation curves of DC motor’s characteristics for step-down start-up motor

2 直流電機(jī)電樞回路電壓調(diào)速M(fèi)ATLAB/simulink仿真模型

圖4 直流電機(jī)電樞電壓調(diào)速的仿真模型Fig.4 A simulation model of armature voltage speed regulation of the DC motor

改變電樞回路電壓調(diào)速，就是在一定的負(fù)載條件下，通過(guò)改變電樞電壓的方式以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。在直流電機(jī)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電壓近似成正比。但是在調(diào)壓過(guò)程中電樞電流也會(huì)躍變式增高，當(dāng)超過(guò)電樞繞組所能承受的最大值時(shí)，將會(huì)給電機(jī)整體帶來(lái)不利的影響，所以在調(diào)速控制設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)電機(jī)特性變化做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)[6-7]。文中給出了直流電機(jī)電樞電壓調(diào)速的MATLAB/simulink仿真模型如圖4所示。其中此調(diào)速方案是用時(shí)間激勵(lì)模塊在不同時(shí)間點(diǎn)上施加不同電流值來(lái)改變電壓的，得到的電壓是躍變的[8-9]，并得到了準(zhǔn)確的直流電機(jī)的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨電壓變化的曲線，如圖5所示。由此可以得出該仿真模型能夠很好用于電機(jī)調(diào)速測(cè)試中。

圖5 直流電機(jī)電樞電壓調(diào)速的電機(jī)特性變化曲線Fig.5 Characteristic traces of armature voltage speed regulation of the DC motor

3 結(jié)論

文中針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)測(cè)試方法的弊端，給出了基于MATLAB/Simulink組建的電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速的仿真模型，結(jié)合電機(jī)實(shí)際電阻和電感損耗，能夠快速準(zhǔn)確的模擬預(yù)測(cè)出了電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速時(shí)的特性變化情況，驗(yàn)證了MATLAB/simulink在直流電機(jī)測(cè)試中的有效性，為后期電機(jī)控制方案的擬定提供數(shù)據(jù)參考。