直流电动机建模与仿真实验

1、.word可编辑.专业.专注直流电动机建模及仿真实验一实验报告*院（系） 姓名 学号 任课教师 王卫红2013年11月6日直流电动机建模及仿真实验1实验目的了解直流电动机的工作原理；了解直流电动机的技术指标；掌握直流电动机的建模及分析方法；学习计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。2实验设备(1)硬件：PC机。(2)工具软件：操作系统：Windows系歹U;软件工具：MATLAB simulink 。3实验原理原理框图：直流电机电枢回路的电路方程是：Ua - E =iRa L 业dt其中，Ua是加到电机两端的电压，E是电机反电势，i是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻L是电枢回路总电感，工=空称

2、为电枢回路电磁时间常数。并且反电动势E与电机角速度Ra8 m成正比：E =ke，m 二kelm其中ke称为反电势系数,8 m为电机轴的转角。对于电机而言，其转动轴上的力矩方程为:kmi Ml = J m ；.-? m = Jm'T'm其中km是电机的力矩系数，M l是负载力矩，J是电机电枢的转动惯量。进行拉式变换得到:Ua(s) -E(s) =Ra(I(s) TiI(s)s)E(s) =ke0(s)kml(s) -Ml =JmUm(S)S由此方程组可以得到相应的电动机数学模型的结构框图:图4.1直流电动机数学模型结构框图实验要求：(1)根据电机的工作原理 (电压平衡方程、力矩平

3、衡方程)建立从电枢电压ua到转速e：的传递函数模型，并根据表1所给电机参数求其频率特性。表 1共给出了两个电机的参数，其中A为大功率电机，B为小电机。(2)编制MATLAB simulink程序求电机的调速特性，即不同负载力矩情况下电压和转速之间的关系，将数据填入表 2和表3。(提示：由于调速特性是电机的静态特性，故可先推导出考虑负载力矩情况下电枢电压Ua与转速6m之间的静态模型，然后再仿真。)(3)编制MATLAB simulink程序求电机的机械特性，即不同电压情况下负载力矩和转速之间的关系。(提示：在仿真时可将电枢电压固定，改变负载力矩的值，即可求出M与转速日；之间的关系。)(4)编制M

4、ATLA械simulink程序求电机转速的阶跃响应，并根据阶跃响应求出其机电时间常数。(提示：由于电机的电磁时间常数较小，故可将电压Ua与转速Sm之间的动态响应看作非周期环节，所以能够从其阶跃响应求出机电时间常数。)表1电机参数表参数电机A电机B备注电枢电阻Ra4.80 Q13.5 Q电枢电感La21mH21.5mH力矩系数km46.32N.m/A0.27 N.m/A反电势系数ke55.3V/(rad/s)0.42 V/(rad/s)电机转动惯量J一一一20.5Kg. m 20.0005 Kg . m电枢部分4实验步骤(1) 根据图4.1可求得传递函数kmRa * 1 Jmske'Ua

5、Ra TlS 1Ra TiS 1 JmS kekmMl假定干扰为0,可求得输入输出传递函数Wm sUa sRa TiS 1 Jms kekm带入数据可求得Ti = La =0.004375定0在后边建模模型的时候可以将其取0Ra带入A电机数据求得Ga (S尸46.32一_2_ 一一0.0105s2.4s 2561.496带入B电机数据可求得 GB(S )=0.27一 一工 2_ 3_1.05 10 s 6.75 10 s 0.1134用matlab的bode指令可以得到两电机的频率响应A电机的频率响应波特图20-600B电机的频率响应波特图0-20-40e-45e-90P-135-180011

6、010310-20-30-40B -50 d -60 nM -70-80-90-100 0-45-90-135-180101102103Frequency (rad/sec)A电机的频率响应图Frequency (rad/sec)B电机的频率响应图(2)在simulink中搭建系统的框图如下A电机系统simulink仿真图可求得表2电机A调速特性表序号电压（V）转速（rad/s ）E）转速（rad/s ）（负载力矩M =500Nnm转速（rad/s ）（负载力矩 M = 1000Nm）100-0.9370-1.87392100.1808-0.7561-1.69313300.5425-0.394

7、5-1.33144601.08500.1480-0.78895901.62750.6905-0.246461202.17001.23300.296171502.71251.77550.838681803.25502.31801.381192003.61662.67971.7427102203.97833.04132.1044同理可得到B电机的调速特性表3电机B调速特性表序号电压（V）转速（rad/s ）备注100空载224.7619空载3511.9048空载4716.6667空载51023.8095空载61228.5714空载71535.7143,、,+1、 空载81842.8571,、,+1

8、、 空载92252.3810,、,+1、 空载102457.1429,、,+1、 空载(3)对于电机B测得固定电压，改变负载得到如下数据(转速表)U弋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将其画到图标中可得电机B的机械特性图用同样的方法和原理可以求得大电机A的机械特性，测得数据表如下。uaxjM,00.20.40.81.21.600-23.

9、8-47.6-95.2-142.9-190.5100238.1214.3190.5142.995.247.6150357.2333.4309.5261.9214.3166.7400-2000输入电压0输入电压100V输入电压150V _1 1000.20.40.60.811.21.41.6可得其机械特性图如下(4)根据阶跃响应求出电机的时间常数a.同理对于电机A,其阶跃响应图像如下图速 转时间tL。3由图可见，阶跃响应波动较大， 其电磁时间常数Tl =4.375父10学士0很小，将其忽Ra略，求得时间常数 T= 0.0094s 。b.对于电机B,其阶跃响应图像如下图L。3一 一由于电机的电磁时间常数 Tl =1.6父104 ft：0可以忽略，所以可以将该系统看 Ra做一个一阶环节。所以取稳态值的 0.632对应的t作为时间常数，通过 matlab易求得T =0.0590s6实