直流電動機建模與仿真試驗

1、.word可編輯.直流電動機建模及仿真實驗一實驗報告*院（系） 姓名 學號 任課教師 王衛(wèi)紅專業(yè).專注.word可編輯.2013年11月6日直流電動機建模及仿真實驗1實驗目的了解直流電動機的工作原理；了解直流電動機的技術(shù)指標；掌握直流電動機的建模及分析方法；學習計算直流電動機頻率特性及時域響應的方法。2實驗設備(1)硬件：PC機。(2)工具軟件：操作系統(tǒng)：Windows系歹U;軟件工具：MATLAB simulink 。3實驗原理原理框圖：直流電機電樞回路的電路方程是：Ua - E =iRa L 業(yè)dt其中，Ua是加到電機兩端的電壓，E是電機反電勢，i是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻L是電樞回

2、路總電感，工=空稱為電樞回路電磁時間常數(shù)。并且反電動勢E與電機角速度Ra8 m成正比：專業(yè).專注.word可編輯.E =ke，m -ke-m其中ke稱為反電勢系數(shù),8 m為電機軸的轉(zhuǎn)角。對于電機而言，其轉(zhuǎn)動軸上的力矩方程為:kmi Ml =Jm；.-：m =Jmm其中km是電機的力矩系數(shù)，M l是負載力矩，J是電機電樞的轉(zhuǎn)動慣量。進行拉式變換得到:Ua(s) -E(s) =Ra(I(s) TI(s)s)E(s) =ke0(s)kmI(s) -Ml =JmUm(s)s由此方程組可以得到相應的電動機數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)框圖:圖4.1直流電動機數(shù)學模型結(jié)構(gòu)框圖實驗要求：(1)根據(jù)電機的工作原理 (電壓平衡

3、方程、力矩平衡方程)建立從電樞電壓ua到轉(zhuǎn)速Em的傳遞函數(shù)模型，并根據(jù)表1所給電機參數(shù)求其頻率特性。表1共給出了兩個電機的參數(shù)，其中A為大功率電機，B為小電機。(2)編制MATLAB simulink程序求電機的調(diào)速特性，即不同負載力矩情況下電壓和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，將數(shù)據(jù)填入表 2和表3。(提示：由于調(diào)速特性是電機的靜態(tài)特性，故可先推導出考慮負載力矩情況下電樞電壓Ua與轉(zhuǎn)速6m之間的靜態(tài)模型，然后再仿真。)(3)編制MATLAB simulink程序求電機的機械特性，即不同電壓情況下負載力矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。(提示：在仿真時可將電樞電壓固定，改變負載力矩的值，即可求出M與轉(zhuǎn)速日；之間的關(guān)系。)專

4、業(yè).專注.word可編輯.(4)編制MATLAB simulink程序求電機轉(zhuǎn)速的階躍響應，并根據(jù)階躍響應求出其機電時間常數(shù)。(提示：由于電機的電磁時間常數(shù)較小，故可將電壓Ua與轉(zhuǎn)速Sm之間的動態(tài)響應看作非周期環(huán)節(jié)，所以能夠從其階躍響應求出機電時間常數(shù)。)表1電機參數(shù)表參數(shù)電機A電機B備注電樞電阻Ra4.80 Q13.5 Q電樞電感La21mH21.5mH力矩系數(shù)km46.32N.m/A0.27 N.m/A反電勢系數(shù)ke55.3V/(rad/s)0.42 V/(rad/s)電機轉(zhuǎn)動慣量J一一一20.5Kg. m 20.0005 Kg . m電樞部分4實驗步驟(1) 根據(jù)圖4.1可求得傳遞函數(shù)k

5、mRa TlS 1 JmSkekmUaRa TiS 1Ra TS 1 JmS kekmMl假定干擾為0,可求得輸入輸出傳遞函數(shù)Wm SUa SRa TiS 1 JmS kekm帶入數(shù)據(jù)可求得T =y=0.004375定0在后邊建模模型的時候可以將其取0Ra帶入A電機數(shù)據(jù)求得Ga (S尸46.32一_2_ 一一0.0105s2.4s 2561.496帶入B電機數(shù)據(jù)可求得 GB(S )=0.27一 一工 2_ 3_1.05 10 s 6.75 10 s 0.1134用matlab的bode指令可以得到兩電機的頻率響應專業(yè).專注.word可編輯.A電機的頻率響應波特圖 -20 -30 -40B -5

6、0 d -60 nM -70-80-90-100 0-45-90-135-180101102103Frequency (rad/sec)20-600B電機的頻率響應波特圖0-20-40e-45e -90P-135-180011010310Frequency (rad/sec)B電機的頻率響應圖(2)在simulink中搭建系統(tǒng)的框圖如下專業(yè).專注A電機的頻率響應圖.word可編輯.A電機系統(tǒng)simulink仿真圖可求得表2電機A調(diào)速特性表序號電壓（V）轉(zhuǎn)速 r rad/s ）E）轉(zhuǎn)速 r rad/s ）（負載力矩M =500Nm轉(zhuǎn)速（rad/s ）（負載力矩 M = 1000Nm）100-0.

7、9370-1.87392100.1808-0.7561-1.69313300.5425-0.3945-1.33144601.08500.1480-0.78895901.62750.6905-0.246461202.17001.23300.296171502.71251.77550.838681803.25502.31801.381192003.61662.67971.7427102203.97833.04132.1044同理可得到B電機的調(diào)速特性表3電機B調(diào)速特性表序號電壓（V）轉(zhuǎn)速（rad/s ）備注專業(yè).專注.word可編輯.100空載224.7619空載3511.9048空載4716.6

8、667空載51023.8095空載61228.5714空載71535.7143空載81842.8571空載92252.3810空載102457.1429空載(3)對于電機B測得固定電壓，改變負載得到如下數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速表)00.10.20.30.40.500-11.9048-23.8095-35.7143-47.6190-59.52381023.809511.90480.0000-11.9047-23.8095-35.71432047.619035.714323.809511.90480.0000-11.9047將其畫到圖標中可得電機B的機械特性圖專業(yè).專注.word可編輯.400-2000輸入電壓

9、0輸入電壓100V輸入電壓150V _1 1000.20.40.60.811.21.41.6用同樣的方法和原理可以求得大電機A的機械特性，測得數(shù)據(jù)表如下。uaxjM,00.20.40.81.21.600-23.8-47.6-95.2-142.9-190.5100238.1214.3190.5142.995.247.6150357.2333.4309.5261.9214.3166.7可得其機械特性圖如下(4)根據(jù)階躍響應求出電機的時間常數(shù)a.同理對于電機A,其階躍響應圖像如下圖速 轉(zhuǎn)時間t專業(yè).專注.word可編輯.L。3由圖可見，階躍響應波動較大， 其電磁時間常數(shù) T =4.375父10學士0很小，將其忽Ra略，求得時間常數(shù) T= 0.0094s 。b.對于電機B,其階躍響應圖像如下圖L。3一 一由于電機的電磁時間常數(shù)Tl =1.6父10定0可以忽略，所以可以將該系統(tǒng)看Ra做一個一階環(huán)節(jié)。所以取穩(wěn)態(tài)值的0.632對應的t作為時間常數(shù)，通過 matlab易求得T =0.0590s6實驗結(jié)