电动机的建模与仿真毕业论文

湖 北 文 理 学 院毕 业 设 计 （ 论 文 ）论文（设计）题目 电动机的建模与仿真 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2015 年 5 月 27 日I电动机的建模与仿真研究摘要：在全球能源危机和环境日益污染的大背景下，国家大力发展新能源产业，而电动汽车就是其中重要的一环，电动汽车的研究和开发成为实现绿色可持续发展的一个重要方向。电动汽车的发展有很多制约因素，其中电机驱动系统的低速发展是其中的一个重要因素，因此，研究开发一种高效电机是一种必然的趋势, 高效节能电机成为全球电机产业发展的共识。本文以直流电机作为研究对象，研究用于电动汽车的驱动电机。针对电动车的起动特性，将 MATLAB/SIMULINK 应用于电动机的起动仿真。本文介绍了电动机的概念及分类特点，并详细介绍了直流电机的结构及工作原理，还简单介绍了计算机仿真与 MATLAB/SIMULINK。为了研究电动汽车的起动特性，通过对直流电机的数学建模和基于 MATLAB/SIMULINK 的建模仿真，对电机的起动及改变参数后的仿真结果进行分析，从而来学习一种设计、分析的思维方式。关键字：电动汽车；直流电机；MATLAB/SIMULINK；电机起动分析；软起动IIThe modeling and simulation research of motor Abstract：In the background of an increasingly global energy crisis and environmental pollution, the National Development and Reform Commission commits to the development of new energy industry and the development of electric vehicle is one of the most important part of it. At the same time, the research and development of electric vehicle has become an important direction to achieve sustainable development. There are lots of constraints to develop electric vehicle, which an important factor is the low-speed developing of motor drive system. Therefore, researching and developing a highly efficient motor is an inevitable trend，to find a efficient motor has become the consensus of the words motor industry.In this article, we study the DC motor, and to research and develop a motor to drive electric vehicle. For the start of electric vehicles, we study the characters of the motor start by simulation based on MATLAB/SIMULINK.This article introduces the concept、classification and characteristics of the motor, besides, it introduces the structure and working principle of DC motor in details, but also a brief introduction to computer simulation with MATLAB/SIMULINK. By the mathematical modeling and simulation based on MATLAB/SIMULINK of a DC motor, to research the result of the motor start to learn a way of design and analysis thinking. Keywords: electric vehicle; DC motor; MATLAB/SIMULINK; analysis of the motor start；soft startIII目 录摘要 .IAbstract.II1绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究概况 .21.3 现实意义 .22电动机的概念及分类特点 .32.1 电动机的概念 .32.2 电动汽车对驱动电机系统的基本要求 .32.3 电动汽车驱动电机的分类及特点 19.43直流电动机 .63.1 直流电动机工作原理 .63.1.1 直流电动机的模型结构 .63.1.2 直流电动机的工作原理 .73.2 直流电动机的基本结构 .84计算机仿真与 MATLAB简介 .124.1 计算机仿真概述 .124.1.1 建模仿真的基本要求 .134.1.2 仿真三要素 .134.2 MATLAB 简介 .144.2.1 MATLAB 语言 .144.2.1 SIMULINK 仿真 .155直流电动机的数学建模 .175.1 直流电动机数学模型 .176直流电动机 MATLAB仿真模型的建立 .196.1 直流电动机直接启动分析 .196.1.1 SIMULINK 模块下建模、电动机起动仿真 .196.1.2 给定参数验证 .196.1.3 仿真结果分析 .226.2 直流电机软起动 .236.2.1 直流电机直接起动与软起动 SIMULINK 仿真模型 .236.2.2 仿真结果分析与比较 .25总结与展望 .27参考文献 .29致谢 .3011绪论1.1课题背景在全球降低能耗的背景下，高效节能电机成为全球电机产业发展的共识。在电机系统节能方面，中国相继出台了一些指导政策，特别是 2008 年以后，加快了淘汰低效电机及拖动设备的速度，加强了高效节能电机推广力度；2009 年，财政部和国家发改委将高效、超高效电机应用列入惠民工程；2009 年和 2012年工业和信息化部也先后发布了两批高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录。2011 年新能源汽车保有量增速为 59.58，在节能与新能源汽车产业发展规划（20122020 年）等政策刺激下，中国新能源汽车产业市场预期良好，2020 年新能源汽车保有量将达 50 万辆，带动驱动电机市场规模迅速增长。电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过 40 多年的发展，特别是改革开放 20 多年以来的快速发展，取得了长足进步。电机作为机械装备上不可或缺的组件之一，目前，我国电机产业经过 40 多年的发展，特别是改革开放 20 多年以来的快速发展，取得了长足进步。 电 动 汽 车 (Electric Vehicle, EV)釆 用 电 动 机 为 牵 引 装 置 ， 并 应 用 化学 蓄 电 池 组 、 燃 料 电 池 组 、 超 级 电 容 组 和 /或 飞 轮 组 为 其 相 应 的 能 源 。 与传 统 内 燃 机 车 辆 相 比 ， 电 动 汽 车 具 有 许 多 优 点 ， 例 如 零 排 放 、 能 源 的 利 用效 率 高 、 与 石 油 无 关 以 及 安 静 、 平 稳 地 运 行 。 无 疑 ， 电 动 汽 车 的 发 展 能 有效 解 决 石 油 危 机 和 环 境 污 染 问 题 ， 已 得 到 全 球 范 围 内 的 高 度 重 视 ， 各 国 各地 纷 纷 制 定 电 动 汽 车 的 研 究 计 划 和 相 关 法 规 。大力发展电动汽车，鼓励科研机构研制电动汽车，对我国是刻不容缓的重要事情，具有十分重要的意义。内燃机车辆排放是造成环境污染的重要原因，而且情况日益恶化，严影响人们的生活质暈；中国石油拥有量少，基本上成为纯石油进口国；我国在内燃机车辆的发展上落后于发达国家，但在电动汽车的研发上几乎与发 达国家在同 一起点，加速电动汽车的发展有利于缩短我国在汽车技术研发上与先进国家的差距，所以，电动汽车的开发和应用得到了政府和科研部门机构等的高度重视和支持。电动汽车要被人们广泛接受需要解决一 次充电的续驶里程和汽车价格问题，2当前，蓄电池技术还没能取得突破性进展，需要在能量消耗和能量回收上寻找问题的解决途径，即研发优质高效的电动汽车驱动电机是解决这一问题的有效途径。故要求电动汽车驱动电机必须是转矩密度高、转矩控制能力好、能可靠安全运行和具有高效率。1.2国内外研究概况应用于电动汽车中的电机类型主要有四种：直流电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机。我国从 20 世纪 50 年代开始研制涡轮增压器，据不完全资料统计，目前共有专业生产车间和生产厂 40 多家，大部分以引进国外技术仿制为主，只有极少数内燃机研究所和部分高校从事增压器的开发和研究工作。经过近 50 年的开发，逐渐形成一定规模的产量。四种电机都具有明显的优缺点，随着近十年来，电能转换技术、控制技术的发展进步，交流电机及其控制技术有了很大的发展，比直流电机及其驱动系统更小型轻量且效率更高，调速范围广，少维护，总体性能比直流电机优越，因此它们在电动汽车中的应用更具优势。1.3现实意义电机及其驱动系统是电动汽车的心脏，是研究电动汽车必须解决的重要问题之一 ，而对电机类型的比较与选择是驱动系统设计毒的难点之一。研究与选择适合的电机对电动汽车的发展具有重要的意义，解决了电机问题或许会使电动汽车代替传统汽车从而从很大程度上解决能源缺乏和环境污染等问题。32电动机的概念及分类特点2.1电动机的概念是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达） ，在电路中用字母“M” （旧标准用“D” ）表示 18。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电动汽车的动力源。2.2电动汽车对驱动电机系统的基本要求汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下 10 个方面 19:(1) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由 THS 的274 V 提高到 THS B 的 500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由 33 kW 提高到50 kW,最大转矩由 350 N“m 提高到 400ON“m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。(2)转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到 8 000 一 12 000 r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。(3)质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高的比功率(电动机单位质量的输出功率)和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。(4)电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速4踏板同样的控制响应。(5)电动汽车驱动电动机需要有 4 一 5 倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有 2 倍的过载就可以了。(6)电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。(7)电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。(8)电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到 300 V 以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。(9)能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。(10)结构简单.适合大批量生产，使用维修方便.价格便宜等。2.3电动汽车驱动电机的分类及特点 19（1）直流电机驱动系统直流电机驱动系统具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等邮电。其缺点是有换向器和电刷，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，电刷磨损加快，所以电机的运转速度不能太高。由于直流电机的换向器和电刷需保养，又不适合高速运转，一般不适用于高速电动汽