直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)matlab仿真與arduino驅(qū)動(dòng)實(shí)例

1、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)摘要：直流電動(dòng)機(jī)作為一種重要的電動(dòng)機(jī)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、船舶電力推進(jìn)中有重要應(yīng)用，研 究和學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的良好驅(qū)動(dòng)有重要意義。此次課程論文的要求是：簡(jiǎn)介直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本原理、列舉涉及的重要數(shù)學(xué)公式、搭建相關(guān)案例并說明模型參數(shù)意義。需要說明的是，“直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)”是指采用合適的電力電子器件和系統(tǒng)搭建方式實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的啟停、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速、換向等動(dòng)作要求。本文分別使用Matlab/Simulink 進(jìn)行軟件仿真和Arduino Uno （一種單片機(jī)開發(fā)板）搭建相關(guān)實(shí)際案例。另外，為了達(dá)到詳實(shí)可靠的要 求，本人已經(jīng)盡可能多的查閱了相關(guān)參考文獻(xiàn)，如有錯(cuò)誤，還請(qǐng)指正。此次課程論文寫

2、作， 是一次難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；Matlab/Simulink ; Arduino ;船舶電力系統(tǒng)仿真技術(shù)DC Machine DriveAbstract： This paper is a course paper for the ship power system simulation technology , the paper topic is DC motor drive. As an important motor, DC motor has important applications in the national economy and the electr

3、ic propulsion of ships. It is important to research and learn how to achieve the driving of the DC motor at good level. The requirements of this course are: Introducing the basic principles of DC motor drive briefly ,listing the important mathematical formulas , setting up the relevant cases and ill

4、ustrating the significance of the model parameters. It is necessary to explain that the DC motor drive means to use suitable power electronic devices to achieve the DC motor start and stop, smooth operation, speed-control ,commutating and other requirements. In this paper,using Matlab/Simulink to ma

5、ke software simulation and Arduino （a kind of micro-controller plate） to build the relevant actual case. In addition, in order to achieve accurate and reliable requirements for this paper, I have as much access to the relevant references, if there is any error, please correct it. The course paper wr

6、iting is a impressive academic practice, deepen my understanding of the ship power system simulation technology curriculum and DC motor drive . It is a good opportunity to learn knowledge.Key words： DC motor drive; Matlab/Simulink; Arduino; Ship power system simulation technology0引言按供電電源的性質(zhì)不同，電動(dòng)機(jī)可分為

7、直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)引起良好的調(diào)速特性、較高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力，曾一度在變速應(yīng)用場(chǎng)合下占據(jù)重要的地位。直流電動(dòng)機(jī)的主要問題是換向9。盡管如此，直流電動(dòng)機(jī)以及由其組成直流拖動(dòng)系統(tǒng)仍在許多應(yīng) 用場(chǎng)合如軋鋼系統(tǒng)、煤礦電機(jī)車、紡織機(jī)械等領(lǐng)域占有一席之地。研究直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)仍有重大意義。需要的說明的是，本文研究的不涉及某種類型的直流電動(dòng)機(jī)工作特性，受制于認(rèn)真所限，主要論述采用相關(guān)電子元器件驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的模型搭建案例。Matlab/Simulink軟件可以實(shí)現(xiàn)圖形化建模，具有很強(qiáng)的直觀性。其自帶有強(qiáng)大的元器件庫，是系統(tǒng)仿真領(lǐng)域應(yīng)用較多的軟件。Matlab/Simulink幫助文檔中S

8、imulate a DCMotorDrive （直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）有介紹與本次課程論文相關(guān)的具體仿真案例。本文將在翻 譯該文檔和參考其他相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，使用Matlab/Simulink軟件仿真相關(guān)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)案例15。Arduino Uno是一種基于ATmega328H片機(jī)的開發(fā)板，其提前設(shè)計(jì)好了單片機(jī)的外圍電路，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可車出8位PWM, 6路模擬輸入口， 一個(gè)16MHz 晶體振蕩器，一個(gè) USB口，一個(gè)電源才1座，一個(gè) ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。此開發(fā)板可 以使用Adobe公司出品的123d Circuit在線網(wǎng)頁進(jìn)行虛擬仿真。由于網(wǎng)絡(luò)問題，此網(wǎng)站

9、不能使用。本文將采用實(shí)物演示。希望未來能夠在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，添加反饋環(huán)節(jié)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)。1直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)基本原理直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)涉及到電源、電源轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)速控制等電力電子器件、直流電動(dòng)機(jī)三部分。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，直流電動(dòng)機(jī)的電源并不限于直流電源，交流電源可以通過整流器整流后，向直流電動(dòng)機(jī)供電。電動(dòng)機(jī)控制也根據(jù)輸入電源的交、直流性質(zhì)，采用不同的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電力電子器件。一類是用于交流電源的由晶閘管（可控硅）組成的相控變流器；一類是用于直流電源的由自控型電力電子器件（如功率三極管、IGBT、MOSFET）組成的直流斬波器（即 DC/DC變換器）。下面我們分別介紹兩個(gè)應(yīng)用相控變流器和應(yīng)

10、用自控型電 力電子器件的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)案例。2案例一：基于Simulink的直流電動(dòng)機(jī)相控變流器驅(qū)動(dòng)案例本案例的基本原理是采用由晶閘管組成的相控整流器，將交流電變?yōu)橹绷麟婒?qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)作。本仿真案例采用Simulink元件庫中的DC3驅(qū)動(dòng)模塊，設(shè)置交流電源相間有效電壓為 460V, 60Hz。重要的數(shù)學(xué)公式：（1）計(jì)算交流電源相間有效電壓。三相晶閘管整流橋平均輸出電壓Vout由以下條件給出：?3.2 Vl,rmsVout =cos.二冗其中V,rms代表三相電壓源相間電壓有效值，”是晶閘管觸發(fā)角。又整流橋的最大平均輸出電壓由這樣給出：c3- 2 Vl?l,rms cos”:out, max

11、一 min冗其中min是下觸發(fā)角限制。在我們的案例中，本文采用的Matlab/SimulinkDC3 模塊中下觸發(fā)角限制是 20度。在此角度下，為了產(chǎn)生最大平均輸出電壓 500V以驅(qū)動(dòng)1750 rpm , 200hp （1hp約等于745.7w ）直流 電動(dòng)機(jī)到其額定速度， 由上面公式得出需要的相間有效電壓是 370V。假設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊接入美國(guó)電網(wǎng)， 最相近 的標(biāo)準(zhǔn)電壓值是460V。由此設(shè)置為460V , 60Hz。依此設(shè)置電源模塊。（2）計(jì)算電源阻抗、電阻和電感。為了重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的三相電源，你必須選定正確的源電阻值R和電感值L。為了決定這些參數(shù)，一種方法是使用短路功率值Psc和給定的X /R之

12、比（其中 X = L，3是電壓源的角頻率），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，假設(shè)電壓源阻抗吸收的短路功率至少比驅(qū)動(dòng)模塊的額定功率大20倍，工廠的X /R之比通常接近于10。電源阻抗值Z由以下公式得出:Z . VSC一 P其中V代表電壓源的相間有效電壓值。又由X/R,電壓源阻抗R大約等于：R假設(shè)短路功率是額定驅(qū)動(dòng)模塊功率的25倍，會(huì)得出電源阻抗 Z為0.056 ?。假設(shè)X /R之比為10,得出電阻值為 0.0056 ?,電感值為 0.15 mH。依此再次設(shè)置電源模塊。額定轉(zhuǎn)速3 m,n和額定機(jī)械扭矩Tmec,n之間的比例關(guān)系 K。P-T.T 二 Nm，n_由公式好meC,n a，。 n 30,其中Pm,n=200

13、hp, N m,n=1750rPm。得出品=814N刖。得到K=4.44 o由此可以構(gòu)建“線性負(fù)載扭矩子系統(tǒng)”(詳見模型文件)。建模過程：先根據(jù)上面“重要公式”中的性負(fù)載扭矩”子系統(tǒng)。接下來用“(1)、(2)計(jì)算電源參數(shù)。然后調(diào)出 DC3模塊，由公式(3)建立“線Constant w模塊如圖連接DC3模塊，按照手冊(cè)建立“信號(hào)選擇器”子系統(tǒng)模塊。最后添加示波器、萬用表、Powergui模塊。最后按照手冊(cè)進(jìn)行其他設(shè)置，注意加載DC3_dc_200Hp_motor mat數(shù)據(jù)文件。仿真結(jié)果如圖 2所示。DC3模塊能夠?qū)χ绷麟妱?dòng)機(jī)進(jìn)行速度和電流調(diào)節(jié)。本案例中，采用速度調(diào)節(jié)模式，該速度調(diào)節(jié)模式含有PI環(huán)

14、節(jié)，圖2的仿真結(jié)果中比例環(huán)節(jié)參數(shù)為80和積分環(huán)節(jié)參數(shù)為200,其速度的整定表現(xiàn)較好。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)Simulink仿真框序圖2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)Simulink仿真結(jié)果（其中4-轉(zhuǎn)速與其參考值，3-電樞電流與其參考值）3案例二：基于 Arduino UNO和LM298n模塊的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)該案例應(yīng)用PWM調(diào)速原理，Arduino開發(fā)板產(chǎn)生分辨率為 256的8位PWM波，其PWM波參數(shù)值 在0255之間，作為控制信號(hào)輸入到 LM298n模塊的使能端。具體參數(shù)說明可參閱附錄中源碼的注釋。本 案例中使用的LM298n模塊，幫助實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作和速度控制，Arduino開發(fā)板的四個(gè)數(shù)字端口向直流電

15、動(dòng)機(jī)供電，通過相關(guān)語句調(diào)換其端口的高低電平實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作，另外在提供2個(gè)PWM波數(shù)字端口連接LM298n模塊的控制端口（使能端口），LM298n模塊按照PWM波波形來控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具體實(shí)現(xiàn)過程主要是將附錄的源代碼使用Arduino IDE燒錄進(jìn)去，結(jié)合LM298n模塊說明，連接相關(guān)端口，然后直流電動(dòng)就會(huì)按照源代碼進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)然，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，可以控制調(diào)節(jié)Arduino開發(fā)板 PWM 波端口輸出電壓的大小，比如 analogWrite（pinPWM,SpeedValue） 中將 SpeedValue 設(shè)為 128,其輸出電壓可以認(rèn)為為 2.5V。但是這樣不易于實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)

16、正反轉(zhuǎn)動(dòng)作和速度的同時(shí)控制。顯而 易見，使用LM298n模塊的好處是可以幫助 Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的同時(shí)，也能調(diào)節(jié)直流 電動(dòng)機(jī)的速度。圖3基于Arduino開發(fā)板和LM298n模塊直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)案例實(shí)物圖4結(jié)論本文列舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子，第一個(gè)案例是按照matlab幫助手冊(cè)的介紹搭建的，是一個(gè)采用相控變流器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)4,此系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)只能正轉(zhuǎn)，以后可以按照這個(gè)示例進(jìn)行其他電力電子原 件驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的仿真，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)在其他象限運(yùn)行；第二個(gè)案例使用Arduino開發(fā)板和LM298N模塊制作的實(shí)際直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)采用PWM波和雙H型主電路實(shí)現(xiàn)電

17、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。實(shí)際生活中常見的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)案例主要有電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等。第二個(gè)案例還有待 完善，可以通過添加反饋環(huán)節(jié)電子器件，實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)控制。本課程論文接近尾聲，這次論文寫作給了我深刻印象。它加深了我對(duì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、負(fù)反饋和自動(dòng) 控制等概念的理解。同時(shí)當(dāng)時(shí)看到Matlab幫助里的相關(guān)案例介紹，以為會(huì)簡(jiǎn)單些。其實(shí)由于自己學(xué)識(shí)的欠缺，又不得不將其翻譯成中文來理解，同時(shí)還大量查閱了其他資料，事倍功半。Matlab幫助文件中并未直接提供案例文件，搭建模型調(diào)試了數(shù)次，才成功。這次經(jīng)歷警醒自己以后要認(rèn)真學(xué)習(xí)，多多動(dòng)手實(shí)踐，避 免“書到用時(shí)方恨少”。參考文獻(xiàn)（主要使用了 1、4、9、1

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