【正文】 ................................. 30 電動勢反向反接制動 —— 下方重物 ............................................................................ 32 回饋制動 ............................................................................................................................ 33 正向回饋制動 ........................................................................................................... 33 反向回饋制動 —— 下放重物 ..................................................................................... 34 仿真驗證 ............................................................................................................................. 36 第 4 章 總結(jié) .................................................................................................................................... 41 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 42 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 2 第 1 章：緒論 前言 電能是能量的一種形式，在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)中，電能已經(jīng)成為使用廣泛的一種能源，而電動機(jī)則是產(chǎn)生這種能源的轉(zhuǎn)換裝置，它可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為各種機(jī)械提供動力，因此應(yīng)用范圍廣泛。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防，航空航天，日常生活的家用電器也有應(yīng)用。根據(jù) 相關(guān)的資料顯示，電動機(jī)已占動力資源的的很大一部分，它與人類的生活密不可分。在電氣的時代，簡單控制方法讓我們更加有效率地運(yùn)用電動機(jī)，其中啟動，制動方式以各同的方式存在著，由于不同啟動和制動的方式對電動機(jī)有著不同的作用效果，從而對電動機(jī)所帶來的經(jīng)濟(jì)性和效率性也有著不同的影響。 他勵直流電動機(jī) 直流電動機(jī)的分類 根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為以下幾種類型 [1]： （ 1） 機(jī) 他 勵直流電 勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，接線如圖 1（ a） 所示。圖中 M 表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用 G 表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。 （ 2）串勵直流電機(jī) 串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖 1（ c） 所示。這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。 （ 3） 并勵直流電機(jī) 并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖 1（ b） 所示。作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機(jī)相同。 （ 4）復(fù)勵直流電機(jī) 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 3 復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖 1（ d） 所示。不同勵磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式。 直流電動機(jī)概述 直流電動機(jī)是直流電動機(jī)的一種類型，就是在工作狀態(tài)時通過消耗直流電產(chǎn)生的機(jī)械能的一種轉(zhuǎn)換裝置。因為直流電動機(jī)在工作時具有非常好的調(diào)速性能，所以在現(xiàn)代的電力拖動中得到了很廣泛的應(yīng)用，它按照工作方式的不同，即按照勵磁方式不同分為永磁直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和自勵直流電動機(jī)三類，其中自勵直流電動機(jī)又分為并勵直流電動機(jī)、串勵直流電動機(jī)、復(fù)勵直流電動機(jī)三 種。 圖 1 直流電動機(jī)的分類 圖 2 直流電動機(jī)工作原理圖 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 4 直流電動機(jī)的工作原理圖見圖 2 所示，圖中的 N 極和 S 極是一對固定著不動的磁極，這對磁極用來產(chǎn)生所需要的磁場。容量很小的電機(jī)一直用永磁磁鐵做成磁極，而容量較大的電機(jī)，磁場是由直流勵磁電流通過繞在磁極鐵芯上的勵磁繞組產(chǎn)生 (圖中只畫出了磁極的鐵芯，未畫出繞組 )。在 N 極與 S 極之間有一個可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機(jī)的這一部分是電樞。實際點(diǎn)集中的電樞繞組嵌放在鐵芯槽內(nèi)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流，圖中只畫出一個線圈 來代表電樞繞組，并沒畫出電樞鐵芯。線圈的兩端分別與兩個彼此絕緣并且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的圖片銜接，整體上有個被壓著固定不動的電樞。如圖 2 中若將電樞繞組通過電刷連接到直流電源上時，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械的負(fù)載相連接，這時的電流從電源的正極流出，經(jīng)過電刷流入電樞繞組，然后經(jīng)過電刷 B 流回電源的負(fù)極。在圖 2 所示的位置，線圈的 ab 邊在 N 極的作用下， cd 在 S 極下，電樞繞組中的電流沿著 abcd 的方向流動。電樞電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 F,方向用左手定則來判斷。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞繞組的 ab 邊轉(zhuǎn)到了 S 極下， cd 邊轉(zhuǎn)到了 N 極下，如果線圈中電流方向依然不變，那么作用在這個線圈邊上的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向就會與原來的方向相反，電機(jī)則就會無法旋轉(zhuǎn)。因此，必須改變電樞繞組中的電流方向。這一任務(wù)由連接在線圈兩邊的銅片和電刷來完成。從圖可以看到，由于原來與電刷A 接觸的線圈 a 端的銅片現(xiàn)在改成與電刷 B 接觸，而原來與電刷 B 接觸的線圈 d 端的銅片現(xiàn)在改成與電刷 A 接觸，因此電樞繞組中的電流方向改變，變成 dcba 的電流方向流動。再次里用左手定則判斷出：電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然讓電動機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。 直流電動機(jī)的電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 電動勢 電動勢的產(chǎn)生是因為磁感線被電樞繞組切割而出來的，由電磁感定律可以得出，電樞繞組上的每一根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動勢為： Blve? lB ??? （ 11） 602 npv ?? 中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 5 602 npe ?? （ 12） 將 eazEa 2? 代入（ 12）直流電動機(jī)的電動勢方程可得出 : nCE e?? (13) 磁通 ? 的單位為 Wb ，轉(zhuǎn)速 n 的單位為 min/r ,則感應(yīng)電動勢 E 的單位為 V ， p 為極對數(shù)，式中的 apzCe 60? 為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù) [2]。 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的 方向決定了電動勢的方向，電動勢的方向隨著其中一個的改變而改變。直流電動機(jī)中的電動勢方向和電樞電流方向相反的。 電磁轉(zhuǎn)矩 在直流電動機(jī)中 [3]，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是有電樞電流和磁場之間相互作用產(chǎn)生的電磁力形成的。由物理學(xué)中電磁力的公式方程可知，電樞繞組中不管那一根導(dǎo)體所受的平均電磁力均為： BliF? (14) 上式中， i 表示的是每一根導(dǎo)體上流過的電流；而 B 則表示每一個磁極想的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，每極的磁通除以每極的面積就是它的值，即 : lB ??? （ 15） 上式中， ? 是極距； l 是長度，是圓邊的有效長度。如果電樞半徑為 R,那么由每根導(dǎo)線上的電磁力所產(chǎn)生的電磁力矩為 FR 。由電樞的直徑 D為 ??p2 ，所以 ??PR? ,得到電磁轉(zhuǎn)矩為 2FDT? 由于電樞電流 aa aiI 2? ，所以 : aDIBLzT a4? （ 16） 將 lB ??? 代入式子（ 16），得直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為 : 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 6 ?T at IC? （ 17） 式子當(dāng)中 ?apzCt 2? ，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 電樞電流與磁場的方向決定了電磁轉(zhuǎn)矩的方向，并且電磁轉(zhuǎn)矩的方向隨著其中一個的改變而改變。直流電動機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向是一樣的。 直流電動機(jī)的功率 電動機(jī)工作時是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，所以電動機(jī)的功率問題在電動機(jī)中是十分重 要的。當(dāng)機(jī)器在運(yùn)行時包含輸入功率、輸出功率以及運(yùn)行時各種零件之間產(chǎn)生的摩擦損耗，總的這些標(biāo)量間的大小滿足能量守恒。電動機(jī)工作時必然產(chǎn)生損耗能量，耗損的能量主要包括以下形式： （ 1） 銅耗 CMP :銅的消耗主要是由電樞、勵磁、換向極以及補(bǔ)償?shù)壤@組的銅的消耗再加上電刷和換向器連接在一起時電阻產(chǎn)生的損失。銅的消耗量的多少主要是因為電流、繞組的總電阻和電刷之間的接觸電阻大小有關(guān)。 （ 2） 鐵耗 FeP ：鐵的消耗是由于旋轉(zhuǎn)著的電樞在磁場中運(yùn)動時，硅鋼片中的磁滯和渦流之間所產(chǎn)生的鐵的損耗量，這個稱之為不變損耗。 （ 3） 機(jī)械損耗 mP :機(jī)械的損耗主要包括各運(yùn)動器件之間的摩擦作用所產(chǎn)生的阻尼損耗，如果軸承內(nèi)圈和滾動體之間，外圈和滾動體之間所產(chǎn)生的摩擦，電刷之間的摩擦，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時與空氣的摩擦以及電風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時所小號的功率。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，機(jī)械損耗可以被看做常數(shù)因子，可以看成不變的損耗。 （ 4） 附加損耗 adP :由于齒輪與齒槽之間存在泄露的磁感線所引起的損耗。 FeP 、 adP和 mP 在電機(jī)沒有外加載荷時所產(chǎn)生的損耗，因此叫做空載損耗 0P ，即空載損耗 0P 等于這三者的和。 他勵直流電動機(jī)的原理 他勵直流電動機(jī)的工作電路圖見圖 3 所 示。其中勵磁繞組和電樞繞組兩個繞組都有其專門的直流電源供電，在勵磁電壓 fU 的影響下，勵磁電流 fI 通過勵磁繞組并產(chǎn)生磁極磁通，若在電樞電壓 aU 的作用下，電樞電流 aI 通過電樞繞組。電樞電流在磁場中運(yùn)動并產(chǎn)中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 7 生電磁轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩 T 驅(qū)動某個機(jī)械器件，使其以某一速度來運(yùn)轉(zhuǎn)，而通有電流的電樞繞組在磁場中做切割磁感線的運(yùn)動并產(chǎn)生電動勢 E 。其中電動勢 E 的方向和電樞中電流的方向相反。 MATLAB MATLAB 基本知識 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它用于圖形處理計算系統(tǒng)環(huán)境和數(shù)值計算，除了出色的數(shù)值計算的高級技術(shù)外，還可以提供專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模個實時控制等功能。 MATLAB 是矩陣實（ Matrix Laboratory）的簡稱，因此它可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建 用戶界面、連接其他編程語言的程序等功能，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完相同的事情簡捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件 [4]。 概括的來講，整個 MATLAB 系統(tǒng) 由兩部分組成，即 MATLAB 的輔助工具箱，兩者的調(diào)用構(gòu)成了 MATLAB 的強(qiáng)大功能。 MATLAB 以數(shù)組為基本單位，包括控制流程語句，函 圖 3 他勵直流電動機(jī)的工作原理圖 他勵直流電動機(jī)的啟動與制動的仿真 8 數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級用語言，它具有以下特點(diǎn) [5]： （ 1） 運(yùn)算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高， MATLAB 除了提供和 C 語言一樣的運(yùn)算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符。利用其運(yùn)算符號和庫函數(shù)可使其程序相當(dāng)簡短，兩三行語句就可實現(xiàn)幾十行甚至幾百行 C 或 FORTRAN