MATLAB在直流电动机设计中的应用
【摘要】通过具体的设计实例简要介绍了MATLAB软件在直流电动机设计中的应用，说明利用该软件求解电机设计问题非常方便，设计数据精确，效率高，有很大的优越性，在电机设计教学中可推广MATLAB软件。
【关键词】直流电动机设计；MATLAB
从1831年迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发明的第一台盘式直流电机开始，到19世纪70年代托马斯.爱迪生（Thomas Edison）以商业为目的研制直流发电机，以及目前电机大量运用于各类生活必需品和各种加工企业的生产设备，以及各种设备、机车和伺服机械之中，对电机的工作性能及工作效率的研究和设计也越发变得重要。
MATLAB软件是一个功能十分强大的工程计算及数值分析软件，利用MATLAB的优化工具箱，可以求解线性和非线性关系的问题，在电机的设计过程中引入MATLAB软件进行分析，可简化计算过程，降低分析计算强度，且保证足够的精度，以提高电机的运行性能。本文主要以直流电动机的设计为例简述直流电机的设计过程及MATLAB软件在电机设计中的具体应用。
直流电动机被广泛应用于变速驱动要求高的场合，如电动车辆的驱动、钢厂轧钢机等大功率驱动系统等。全美电气制造者协会（NEMA，National Electrical Manufacturers Association）的MG-1标准中对直流电机的标记、分类、额定值以及包装等做出了规定，这些规定又分为铭牌数据、工作环境、和机械尺寸三个栏目，直流电动机的设计也需符合此标准。直流电动机的设计主要包括最初的容量及尺寸的确定、电枢设计、磁极设计以及最后的设计调整等内容，具体设计步骤及其相互关系可参看直流电动机设计的逻辑流程图，如图1所示：
由直流电动机设计流程图可见一台电机的设计过程之繁锁，涉及到了电机各种参数的计算及电机各种特性的分析。采用传统的手工设计方法已无法达到精度和效率的要求，因MATLAB软件强大的功能，采用MATLAB软件编程的方法，将这一系列的计算过程输入计算机完成电机的设计，每次只需将不同的设计要求更改便可得到良好的设计结果，有效的解决了设计难的问题。由于直流电动机的MATLAB软件编程设计篇幅较长，这里仅以直流电动机主磁极设计过程中MALAB程序的应用为例。
一、设计举例
1.设计要求
直流并劢直流电动机，性能要求：500V、400hp、1750r/min、583AT机座、满载效率为94%、自通风冷却式。
实验一直流并励电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。 二.预习要点 1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 答：工作特性：当U = U N ， R f + r f = C时，η, n ,T分别随P 2 变； 机械特性：当U = U N ， R f + r f = C时， n 随 T 变； 2.直流电动机调速原理是什么？ 答：由n=(U-IR)/Ceφ可知，转速n和U、I有关，并且可控量只有这两个，我们可以通过调节这两个量来改变转速。即通过人为改变电动机的机械特性而使电动机与负载两条特性的交点随之改变，从而达到调速的目的。 三.实验项目 1.工作特性和机械特性 保持U=UN和If=IfN不变，测取n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性 (1)改变电枢电压调速 保持U=UN、If=IfN=常数，T2=常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速 保持U=UN，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(If)。 (3)观察能耗制动过程 四．实验设备及仪器 1．MEL-I系列电机教学实验台的主控制屏。 2．电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量（MEL-13）、编码器、转速表。 3．可调直流稳压电源（含直流电压、电流、毫安表） 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。
I S ：涡流测功机励磁电流调节，位于MEL-13。 （2）测取电动机电枢电流I a 、转速n和转矩T 2 ，共取数据7-8组填入表1-8中 表1-8U=U N=220V I f=I f N=K a=Ω 2．调 速 特 性 （1） 改变 电枢 端电 压的调速 f fN2 （2）改变励磁电流的调速 2= 一7接线 MEL-09） MEL-03中两只900Ω电阻 MEL-05） ．直流电动机起动前, 测功机加载旋钮调至零. 实验做完也要将测功机负载钮调到零，否则电机起动时，测功机会受到冲击。 2．负载转矩表和转速表调零.如有零误差，在实验过程中要除去零误差。 3．为安全起动, 将电枢回路电阻调至最大, 励磁回路电阻调至最小。 4．转矩表反应速度缓慢，在实验过程中调节负载要慢。 5．实验过程中按照实验要求, 随时调节电阻, 使有关的物理量保持常量, 保证实验数据的正确性。 七．实验数据及分析
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械 特性，及其工作特性与应用领域 一、他励直流电动机的机械特性，及其工作特性与应用领域 图中：n0为理想空载转速 n’0是实际空载转速。 他励电机的机械特性曲 线斜率小，机械硬度高。 他励直流电动机工作特性 1. 转速特性 2. 转矩特性 T T C C '=Φ 3. 效率特性 a a e e R U n I C C = + Φ Φ e T a T a T C I C I '==Φ2Fe mec Cuf a a a c 21a f 2Δ100%1() p p p I R I U P P U I I ??++++η= ?=- ?? +? ?
应用领域 他励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。 二、串励直流电动机的机械特性， 串励电动机的机械特性为双曲线， 转速随转矩的增加而下降速率很快，称为软特性 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 工作特性
电动势平衡方程式 电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式 （其中，R fc 为串励绕组电阻） 应用领域 串励电机因转速可调范围广，启动扭矩大的特点被广泛的应用于电动工具，厨房用品，地板护理产品领域。 a e a a E C n C I n '==Φe 20 T T T =+2e T a T a T C I C I '==Φa e f C C K '=T T f C C K '=2e 200 602πP T T T T n =+=+?
三、并励直流电动机的机械特性 n0为理想空载转速,与端电压有关， 直线斜率k<0,表明n是T的减函数， 其下降速率与调节电阻Rj大小有关。 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 Rj=0时，特征曲线接近于水平线，表示硬特性。即硬度高。工作特性
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
实验一直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性 一、实验目的 测定他励直流电动机的自然机械特性及各种电气参数变化时的人为机械特性。 通过试验掌握直流电动机在各种运行状态时的特点和能量转换的规律。 二、预习要点 1、改变他励直流电动机机械特性有哪些方法？ 2、他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？ 3、他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。 三、实验项目 1、电动及回馈制动状态下的机械特性 2、电动及反接制动状态下的机械特性 3、能耗制动状态下的机械特性 四、实验设备及挂件排列顺序 1、实验设备 序 型号名称数量 号 1 DD01 电源控制屏1台 2 DD0 3 不锈钢电机导轨、测速系统及数显转速表1件 3 DJ15 直流并励电动机1台 4 DJ23 校正直流测功机1台 5 D51 波形测试及开关板1件 2、屏上挂件排列顺序D51 五、实验方法及步骤
按图1-1接线，图中M用编号为DJ15的直流并励电动机(接成他励方式)，MG用编号为DJ23的校正直流测功机，直流电压表V1的量程为500V，直流电流表A2、A4的量程为200mA，A1、A3的量程为5A。R2 、R4选用R1、R3上的900Ω电阻分压接法，R1选用R2、R4上4个90Ω串联，R3选用R5上的900Ω并联加上R6上的90Ω串联和实验台面上两个1300Ω并联。开关S1、S2选用D51上的双刀双掷开关。 直流电动机运行于电动及回馈制动状态下的自然机械特性 (一)试验概述： (1)测定被试直流电动机M运行于电动状态的机械特性时，在其轴上可加负载的形式是多种多样的，然而要获得反接、回馈及能耗制动等状态时的机械特性，其最可行的方法是采用一台直流电机来做负载，利用负载机MG工作在不同的运行状态，来测出受试电动机M于不同运转状态的机械特性。 (2)本实验的自然机械特性从额定运行点开始，向空载、回馈发电方向进行，测取被试机M的n、I a然后计算它的转矩T，求得n=f(T )机械特性（由于直流电机T=C TφI，在φ保持不变时则T=I）。 (3)当被试机M运行于电动状态时(即第一象限运行)，其负载机MG处于制动运行状态（可以是发电制动状态也可以是电枢反接、转速反向的制动状态）。本实验建议采用电枢反接、转速反向的制动状态运行，使MG服从于M的转向，因此负载机MG合闸时电枢串联的电阻R3应足够大，以免负载转矩太大，引起电枢电流太大，我们可以通过调节MG的电枢串联电阻R3的大小，而调节被试机M的负载的大小。 (4)当被试机M运行于回馈发电状态时(即第二象限运行)，这时它需要负载机MG为原动机来拖动。因此负载机MG应处于正向高转速下的电动运行，这可以通过减小R3的阻值；或减小I4值而得到实现。 （二）原理和步骤 A）原理： (1)实验线路如图1-1，直流电动机的自然机械特性试验的条件是U=U N；I f=I fN；R1 = 0 求n=f(T)，因此实验 过程中应注意保持试验条件不变。 (2)当被试机M正向电动时(即运行于第一象限)： M：电枢正接，起动后R1 = 0 。 MG：电枢反接，(在R3于阻值最大时接通电源) 使负载机MG 处于反接制动运行，改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个 不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交 平衡，从而调节被试机M的负载，其运行图如图1-2所示的虚 线a、b、c、d、e点。 (3)当被试机M回馈制动运行时(即运行于第Ⅱ象限)： M：电枢正接，（被负载机MG正拖到转速大于理想空载转速）。 MG：电枢正接，通过改变磁场电阻R4使负载机的理想空载转速大于被试机的理想空载转速。然后改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交平衡，从而调
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)