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16.4安装直流电动机模型（考点解读）（解析版）1、安装直流电动机模型知识点的认识：（1）直流电机的结构应由定子、转子和换向器组成；（2）直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成；定子（即主磁极）被固定在风扇支架上，是电机的非旋转部分；（3）运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成；转子中有两组以上的线圈，由漆包线绕制而成，称之为绕组，当绕组中有电流通过时产生磁场，该磁场与定子的磁场产生力的作用，由于定子是固定不动的，因此转子在力的作用下转动。
（4）换向器是直流电动机的一种特殊装置，由许多换向片组成，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，使转动的电枢绕组得以同外电路连接；当转子转过一定角度后，换向器将供电电压接入另一对绕组，并在该绕组中继续产生磁场，可见，由于换向器的存在，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢得以旋转。
2、解题方法点拨：（1）电动机是我们生活中常见的一种电气化设备，电动机将电能转化为机械能，从而带动各种生产机械和生活用电器的运转，电动机的应用很广，种类也很多，但它们工作的原理都是一样的；（2）电动机指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机，一些功率大点的家用电器一般都是交流电动机，如：电扇、洗衣机等；而一些功率小的电器一般使用直流电动机，如：电动玩具、录音机等，电动机的基本构造：转子和定子。
3、命题方向：（1）电动机的作用：把电能转化为机械能；（2）换向器的作用：改变线圈的电流方向，使线圈得以持续转动；（3）通电导体所受力的方向跟电流方向、磁场方向有关。
【典例1-1】（2023春•思明区校级期中）如图所示，属于电动机的是（）A．B．C．D．【答案】B【分析】首先明确电动机的工作原理，然后根据四个选择找出符合要求的选项。
实验十二直流电机转速控制模型一. 实验目的综合运用所学控制知识设计控制器，对直流电机转速控制模型进行控制，达到快速调整直流电机转速的目的。
图1 数控机床用直流电机二. 实验内容直流电机转速控制模型是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型简单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点。
其力学模型如图2所示。
图2直流电机运动模型直流电机的模型参数如下：转动惯量(J) = 0.01 kg.m^2/s^2机械阻尼(b) = 0.1 Nms电磁力常数(K) = 0.01 Nm/Amp电阻(R) = 1 ohm电感(L) = 0.5 H输入电压(V)输出转轴位置(θ)电机转矩T与电流i成正比，感应电动势e与电机转速成正比，由牛顿力学定律和电磁学理论，有下面公式：θθθ&&&&K V Ri dtdi L Ki b J −=+=+ 对上式取拉氏变换，得控制模型：)()()()()()(2s Ks V s I R Ls s KI s bs Js Θ−=+=Θ+消去电流I(s)，有直流电机控制方程： 2))(()()(K R Ls b js K s V s +++=Θ 给电机输入一个阶跃电压控制号，得系统的开环转速响应信号如下：图3系统的开环响应电机转速上升速度过慢，上升时间过长。
要求根据所学的控制理论知识，设计出一个直流电机转速控制器，使其阶跃响应满足：上升时间 < 1秒、过冲量< 10%、稳态误差 <2%。
图4直流电机转速控制模型三. 实验仪器和设备1. 计算机 1台2. DRLink 计算机控制平台 1套3. 打印机 1台1 rad/sec 控制器 ? vθ&四. 实验步骤1.运行DRLink主程序，点击DRLink快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。
2.在DRLink软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，如“http://服务器IP地址/ControlLAB/index.htm”，在实验目录中选择“直流电机转速控制模型”，建立实验环境，如下图所示。
现代控制理论：直流电机模型⽬录1.直流电机 (3)2.状态空间表达式 (6)3.对⾓标准型及相关分析 (7)4.系统状态空间表达式求解 (8)5.系统能控性和能观性 (8)6.系统输⼊输出传递函数 (9)7.两种⽅法判断开环稳定性 (9)8.闭环极点配置 (10)9.全维状态观测器设计 (13)10.带状态观测器的状态反馈控制系统的相关跟踪图 (17)10.带状态观测器的闭环状态反馈系统相关分析 (21)11.结束语 (22)现代控制理论基础结课作业选题：直流电机模型姓名：班级：测控1003学号：201002030313第 I 条1直流电动机的介绍节1.011.1研究的意义直流电机是现今⼯业上应⽤最⼴的电机之⼀，直流电机具有良好的调速特性、较⼤的启动转矩、功率⼤及响应快等优点。
在伺服系统中应⽤的直流电机称为直流伺服电机，⼩功率的直流伺服电机往往应⽤在磁盘驱动器的驱动及打印机等计算机相关的设备中，⼤功率的伺服电机则往往应⽤在⼯业机器⼈系统和CNC铣床等⼤型⼯具上。
[1]节 1.021.2直流电动机的基本结构直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以⽅便地在宽范围内实现⽆级调速，故多采⽤在对电动机的调速性能要求较⾼的⽣产设备中。
直流伺服电机的电枢控制：直流伺服电机⼀般包含3个组成部分：-图1.1①磁极：电机的定⼦部分，由磁极N—S级组成，可以是永久磁铁（此类称为永磁式直流伺服电机），也可以是绕在磁极上的激励线圈构成。
②电枢：电机的转⼦部分，为表⾯上绕有线圈的圆形铁芯，线圈与换向⽚焊接在⼀起。
③电刷：电机定⼦的⼀部分，当电枢转动时，电刷交替地与换向⽚接触在⼀起。
直流电动机的启动电动机从静⽌状态过渡到稳速的过程叫启动过程。
电机的启动性能有以下⼏点要求：1）启动时电磁转矩要⼤，以利于克服启动时的阻转矩。
2）启动时电枢电流要尽可能的⼩。
3）电动机有较⼩的转动惯量和在加速过程中保持⾜够⼤的电磁转矩，以利于缩短启动时间。
直流电机工作原理图解一.直流电机的物理模型图解释。
这是分析直流电机的物理模型图。
其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
二.直流发电机的工作原理直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。
如何转换？分以下步骤说明：设原动机拖动转子以每分转n转转动；电机内部的固定部分要有磁场。
这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。
其中 If 称之为励磁电流。
这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。
这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。
在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。
但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。
而经电刷输出的电动势确是直流电了。
这便是直流发电机的工作原理。
如下动画演示：三.直流电动机的工作原理直流电动机的原理图对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
直流电机的模型建立与参数辨识直流电机是一种常见的电动机，广泛应用于各个领域，如工业生产、交通运输和家用电器等。
为了控制和优化直流电机的性能，我们需要建立一个准确的数学模型，并确定模型的参数。
本文将详细介绍直流电机的模型建立与参数辨识方法。
1. 直流电机模型直流电机可以简化为一种旋转的能量转换装置，它将直流电能转换为机械能。
直流电机模型通常分为两种：简化模型和详细模型。
简化模型是基于电机的基本原理和假设，通过几个关键参数来近似描述电机的行为。
其中最常用的模型是电力模型和电流模型。
电力模型假设电机转速保持恒定，可以通过电源电压和电机电流来估算电机输出的功率。
电流模型假设电机的电压保持恒定，可以通过电流和转矩关系来估算电机的转速。
详细模型则更加精确，考虑了电机的动态响应，包括电枢电压、反电动势、电感和电阻等因素。
详细模型可以通过Kirchhoff电路定律和电机的物理特性方程来建立。
其中最常用的是Laplace域模型和状态空间模型。
2. 直流电机参数辨识方法直流电机的参数辨识是指通过实验数据来确定模型的参数，以准确描述电机的动态行为。
常用的参数辨识方法有试验法和辨识法。
试验法是通过对电机进行一系列实验观测，采集电机的输入输出数据，并应用数学统计方法来估计参数值。
试验法需要在实际工作条件下进行，确保测试环境的准确性和稳定性。
辨识法是一种基于最优化理论的方法，通过对已知输入输出数据进行数学建模，并利用最小二乘法或其它最优化算法来求解最优参数。
辨识法可以基于频域或时域数据进行辨识，常用的方法有傅里叶变换法、极小二乘法和卡尔曼滤波法等。
辨识方法的选择应根据实际需求和可用数据的特点来确定。
试验法较为简单，适用于实验室环境下的实际测试；辨识法更加精确，适用于手头有大量数据并希望得到相对准确的参数估计的情况。
3. 直流电机参数辨识的挑战直流电机参数辨识虽然在理论上可行，但实际上会面临一些挑战。
首先，直流电机的参数具有不确定性和非线性，由于摩擦力、磁阻力和电机内部热量等因素的影响，电机的参数在不同操作条件下会有所变化。
电机动力学的数学模型与控制电机是现代工业中不可或缺的重要设备，它们广泛应用于各个领域，如工厂生产线、交通工具以及家用电器等。
为了更好地控制电机的运行，研究人员开发了电机动力学的数学模型与控制方法。
本文将探讨电机动力学的数学模型以及控制方法，并介绍其在实际应用中的重要性。
一、电机动力学的数学模型电机动力学的数学模型是描述电机运行特性的数学方程。
它基于物理原理和电机结构，通过建立电机的数学模型，可以预测电机的运行状态和性能。
常见的电机动力学数学模型有直流电机模型、交流电机模型以及步进电机模型等。
直流电机模型是最简单的电机模型之一。
它基于电流和电压之间的关系来描述电机的运行状态。
直流电机模型通常包括电机的电感、电阻以及转子惯量等参数。
通过建立直流电机模型，可以计算电机的速度、转矩以及电流等关键参数。
交流电机模型是更为复杂的电机模型。
它考虑了交流电机的特性，如电磁感应等。
交流电机模型通常包括电机的电感、电阻、转子惯量以及转子位置等参数。
通过建立交流电机模型，可以更准确地预测电机的运行状态和性能。
步进电机模型是用于描述步进电机运行特性的数学模型。
步进电机是一种特殊的电机，它通过控制电流的方向和大小来控制转子的位置。
步进电机模型通常包括步进电机的步距角、步进角速度以及电流等参数。
通过建立步进电机模型，可以精确地控制步进电机的运行。
二、电机动力学的控制方法电机动力学的控制方法是基于电机动力学模型，通过控制电机的输入信号来实现对电机运行状态的控制。
常见的电机控制方法有开环控制和闭环控制。
开环控制是最简单的电机控制方法之一。
它通过设定电机的输入信号，如电压或电流，来控制电机的运行状态。
开环控制没有反馈机制，无法实时调整电机的运行状态，因此对于一些要求较高的应用场景，开环控制的精度和稳定性有限。
闭环控制是一种更为高级的电机控制方法。
它通过传感器实时监测电机的运行状态，并将反馈信号与设定值进行比较，根据比较结果调整电机的输入信号。
电机数学模型以二相导通星形三相六状态为例，分析BLDC 的数学模型及电磁转矩等特性。
为了便于分析，假定：a)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； b)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； c)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； d)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。
则三相绕组的电压平衡方程可表示为：(1)式中：为定子相绕组电压(V)；为定子相绕组电流(A)；为定子相绕组电动势(V)；L 为每相绕组的自感(H)；M 为每相绕组间的互感(H)；p 为微分算子p=d/dt 。
三相绕组为星形连接，且没有中线，则有(2) (3)得到最终电压方程：(4)ce c图.无刷直流电机的等效电路无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比(5)所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制BLDC 电机的转矩。
为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120°电角度，两者应严格同步。
由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为：(6)电磁转矩又可表示为：(7)无刷直流电机的运动方程为：(8)其中为电磁转矩；为负载转矩；B 为阻尼系数；为电机机械转速；J 为电机的转动惯量。
传递函数：无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如图所示：图2.无刷直流电机动态结构图由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为:式中：K1为电动势传递系数，，Ce 为电动势系数；K2为转矩传递函数，，R 为电动机内阻，Ct 为转矩系数；T m为电机时间常数，，G 为转子重量，D 为转子直径。
基于MATLAB的BLDC系统模型的建立在Matlab中进行BLDC建模仿真方法的研究已受到广泛关注，已有提出采用节点电流法对电机控制系统进行分析，通过列写m文件，建立BLDC仿真模型，这种方法实质上是一种整体分析法，因而这一模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环就显得很不方便；为了克服这一不足，提出在Matlab/Simulink中构造独立的功能模块，通过模块组合进行BLDC建模，这一方法可观性好，在原有建模的基础上添加、删除闭环或改变控制策略都十分便捷，但该方法采用快速傅立叶变换(FFT)方法求取反电动势，使得仿真速度受限制。
