带变速箱的DC电机模拟

包头师范学院

本科毕业论文论文题目：带变速箱的DC电机模拟院系：物理科学与技术学院专业： 应用物理学班级：07应用物理学姓 名： 许晓波学 号： 0709810014指导教师： 吴鸿业二零——年五月带变速箱的DC电机模拟

摘要基于统一仿真语言Modelica进行仿真建模的多领域物理系统建模仿真技术有着广阔的发展空间和应用前景。多领域物理系统建模平台的开发是进行多领域物理系统仿真的基础。Modelica作为新一代多领域统一建模语言，代表着系统仿真建模和仿真技术发展的新方向。简单介绍Modelica语言及其主要特点，总结了采用Modelica语言进行多领域统一建模的优势。最后系统地阐述了Modelica语言对DC电机的模拟的方法。建立了带变速箱的DC电机电路图、定义元件属性及参数、添加探针到相应位置，然后运行仿真得出仿真图。观察图像找出合理的参数值。关键词： 变速箱;DC电机;MapleSimAbstractThemulti-domainsimulationtechnologyofphysicalsystemmodelinghasabroadspacefordevelopmentandapplicationprospects,whichmakessimulationsandbuildsmodelsthroughunifiedsimulationlanguage---Modelica.ThedevelopmentofthemodelingplatformofMulti-domainphysicalsystemsisthebasisforthemulti-domainsimulation.Asanewgenerationofmulti-domainmodelinglanguage,Modelicarepresentsaneworientationofthedevelopmentofsystemsimulationmodelingandsimulation.Here,firstly,givingabriefintroductiontoModelicalanguageanditsmainfeatures,summarizingtheadvantageofmulti-domainunifiedmodelingthroughModelicalanguage.ThenelaboratingthesimulationmethodthroughModelicalanguageforDCmotorbriefly,EstablishingcircuitdiagramsforDCmotorwithspeedchangebox,definingcomponentpropertiesandparameters,addingtheprobestotheirappropriatelocations,andruningit,asaresult,obtainingsimulationmap.Finally,findingreasonableparametervaluesthroughobservingtheimage.Keywords:speedchangebox;DCmotor;MapleSim.TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 Modelica和MapleSim简介 5\o"CurrentDocument"二、 国内的发展 6\o"CurrentDocument"三、 模型建立 61、 建立1-DMechanical模型 6\o"CurrentDocument"1.1构建一个RLC电路模型 6\o"CurrentDocument"1.2定义元件的属性 9\o"CurrentDocument"1.3创建一个简单的直流电机模型 9\o"CurrentDocument"1.4直流电机模型仿真 10\o"CurrentDocument"2、 添加变速箱到DC电机模型 10\o"CurrentDocument"3、 带变速箱的DC电机模型仿真 11\o"CurrentDocument"4、 组合DC电机元件到一个子系统中 12\o"CurrentDocument"5、 给模型分配全局参数 12\o"CurrentDocument"6、 改变输入和输出值 13\o"CurrentDocument"结论 15参考文献 16致谢 17引言随着用户需求的提升和科技的发展，诸多单一的机械产品已向机械、电子、液压、控制集成的复杂产品发展，多领域物理系统混合建模与仿真成为此类复杂产品数字化功能样机的关键技术之一。而且现代产品日趋复杂，通常是由多个领域的多个子系统组成，这些不同领域的子系统表现出紧耦合的特性，要求对多领域统一建模、一致仿真。为优化复杂产品的设计，得到复杂产品整体性能的准确仿真结果，工业界迫切需要有一种能够跨越不同领域、不同学科的多领域仿真理论与方法。通过学习使用Modelica对带变箱的DC电机建模和仿真，在建模过程中对其进行完整描述。通过MapleSim建模软件生成系统方程，然后仿真阶跃输入的响应，再显示在图形中。对其进行定性分析，修改数据并重新建模，验证物理建模的逻辑性与合理性。分析数据原因。一、Modelica和MapleSim简介Modelica基于非因果建模思想，采用数学方程（组）和面向对象结构来促进模型知识的重用，是一种面向对象的结构化数学建模语言，支持类、继承、方程、组件、连接器和连接。它采用基于广义基尔霍夫原理的连接机制进行统一建模，Modelica模型的数学描述是微分、代数和离散方程（组），相关的Modelica工具能够决定如何自动求解方程变量，因而无需手工处理。统一建模语言具有领域无关的通用模型描述能力，由于采用统一的模型描述形式，因此基于统一建模语言的方法能够实现复杂系统的不同领域子系统模型间的无缝集成。有关系统统一建模语言的研究最早源于Elmqvist博士论文，随后许多学者对此展开研究，结合面向对象设计思想，引入“类”的概念对物理系统“方程”进行封装与扩展，从而奠定了该领域面向对象统一建模思想的理论基础。MapleSim是一个多领域物理建模和仿真工具，在图形化的设计环境，用户通过简单和直观的方式完成各种系统的建模、分析和仿真。创建复杂的多领域模型，可以在MapleSim中使用不同工程领域的元件对系统建模，其内预置了多个工程领域的库，包括电子、机械、热、传感器和源、信号等模块。也可以用高级符号和数值计算技术快速创建基于数学公式的自定义元件，满足建模和仿真的需要。MapleSim基于Maple数学引擎，使用Maple中的高级符号和数值计算功能生成物理系统的数学模型。由于对系统的数学模型采用了高级符号简化技术，可以获得简洁和数值高效的模型。预置的分析工具和任务模板MapleSim提供了各种预定义的任务模板，在Maple工作表中查看模型方程和完成高级分析任务。MapleSim元件库中许多元件是使用Modelica物理建模语言描述的。多体元件库使用了不同的引擎，利用独特的高级数学技术确保数学模型尽可能的简洁和高效。模型中的每个元件都包含一组描述其行为的方程，这些系统方程可以是纯粹的代数方程或微分方程。可以定义任意数量的事情，在仿真过程中通过激活或取消系统方程的一部分，或者是改变状态值，来改变元件的行为。接下来收集所有的方程到一个大的系统，参数值也被代入。MapleSim仿真引擎需要处理一个可能很大的混合微分代数方程组。也就是说，系统表示为了一组含有代数约束或离散事件的微分方程组。一个名为“IndexReduction"的过程将尽可能地减少代数约束。其他的一些符号简化技术也会被用于减少方程和变量的数量。当所有这些预处理步骤完成后，数值求解过程开始。一个基于Rosenbrock求解器（适用于刚度系统），ck45求解器（半刚度系统），和基于rkf45求解器（适用于非刚度系统）的高级微分代数方程求解器被用于数值求解系统方程。在数值求解过程中，模型中的不等式条件被监视，当一个或多个条件变化时，事情就会被检测。在这个过程中遇到事件时，数值求解器就会停止，仿真引擎计算出一个新的基于事件条件的系统方程配置。在仿真过程中的最后，生成结果并通过图形显示所求的量，对于多体机械系统，还可以选择显示3-D可视化窗口。二、 国内的发展目前，国际上已经出现了基于Modelica的多领域建模与仿真系统，如Dynasim公司的Dymola，PELAB公司的MathModelica，Avant公司的Saber等。作为一种研究的原型，这些系统由于推出的时间不长，自身在功能、稳定性和用户界面上还存在缺陷，且还有许多地方不符合我国国家标准，成本较高，维护困难，因而在国内企业推广应用存在很大障碍。为此，国家成立“八六三”高技术研究发展规划引导项目，对多领域物理系统混合建模与仿真平台研发项目进行资助并启动，以期在系统研发取得突破，并在包括汽车在内的典型复杂产品的建模与仿真分析上得到实际应用，取得产业化成果。华中科技大学国家CAD支撑中心（苏州分中心）从2000年开始研究基于Modelica的多领域建模与仿真技术，经过长期的潜心研发，开发了拥有完全自主知识产权的基于Modelica复杂工程系统建模、仿真与优化一体化的计算平台MWorks，在国内和亚太地区处于领先地位。三、 模型建立在这个建模任务中，建立1-DMechanical，一个含线性弹簧和阻尼器的齿隙，以及一个惯性元件。在建立模型时，先建立一个RLC电路模型，在此基础上添加元件到模型工作空间，然后连接它们组成DC电机的模拟电路，建立模型。1.建立1-DMechanical模型1.1构建一个RLC电路模型在模型工作区左侧的Labraries选项卡中，点击Electrical旁边的三角标志展开面板。同样方式，展开Analog菜单，然后展开Passive子菜单。

图1从Electrical一Analog一Passive菜单，点击并拖动Ground图标到模型工作区。使用步骤1和2描述的方式，添加其余的电子元件到模型工作区：从Electrical一Analog一Passive—Resistors菜单，添加Resistor元件。从Electrical一Analog一Passive一Inductors菜单，添加Inductor元件。从Electrical一Analog一Passive一Capacitors菜单，添加Capacitor元件。从Electrical一Analog一Sources一Voltage菜单，添加SignalVoltage元件。为了放置建模元件在模型工作区中的位置，点击并拖动元件到如下图所示位■-VW-o为了顺时针方向旋转SignalVoltage元件，然后水平翻转它，右击模型工作区中的SignalVoltage图标，从弹出菜单中选择顺时旋转RotateClockwise。为了水平翻转，再次右击元件，从弹出菜单中选择水平翻转FlipHorizontal。确保正极（蓝色）端口在顶部。为了顺时针方向旋转Capacitor元件，右击模型工作区中的Capacitor图标并选择顺时针旋转RotateClockwise。将鼠标指针移到Ground元件端口的上方，端口将高亮显示为绿色。单击Ground输入端口开始连接线。将鼠标指针移到SignalVoltage元件的负极端口。点击信号电压SignalVoltage输入端口。接地Ground元件被连接到信号电压SignalVoltage元件。按照下图所示连接其余元件。二图二图3展开信号块SignalBlocks面板。展开源Sources菜单，然后展开Real子菜单。在模型工作区中从面板点击并拖动Step源到信号电压SignalVoltage元件的左侧。阶跃电压是一个特别的信号流，通过连接箭头表示。这个信号流引起电路对输入信号做出响应。连接Step源到信号电压SignalVoltage元件。完整的RLC电路模型显示在下图中。图41.2定义元件的属性点击模型工作区中的电阻器Resistor元件，参数面板出现在屏幕的右侧，显示电阻器的名称和参数值。在R区域，输入24，并按下回车键。电阻改变为24。。使用步骤1和2的方式，定义其他元件的下列参数值：定义Inductor的感应系数为160•10-3H.定义Capacitor的电容为200•10-6F.定义阶跃源Step中t°的值为0.1s.1.3创建一个简单的直流电机模型在Labraries选项卡内，在面板顶部的搜索Search区域，键入EMF，弹出的下拉菜单显示你的搜索结果：从下拉菜单中选择RotationalEMF，RotationalEMF元件显示在搜索区域旁边的方框区域中。图5从搜索区域中的方框区域，将RotationalEMF元件拖入到模型工作区，放置它到电容器Capacitor的右侧。在搜索区域中，搜索Inertia。添加惯量Inertia元件到模型工作区，放置在RotationalEMF元件的右侧。连接各个元件。图6为了连接电动势元件的正极（蓝色）端口，点击一下端口，拖动鼠标指针到连接电容器和电感器之间的连线，并点击连线。在模型工作区，点击RotationalEMF元件。在Inspector选项卡，修改转换系数的值k为10点击阶跃元件Step，修改参数值t为1。01.4直流电机模型仿真在模型工作区，删除探针Probel。从模型工作区工具栏上，点击探针按钮/、、）。移动你的鼠标指针到RotationalEMF和Inertia元件之间的连线上方。鼠标左键点击一下连线，然后再点击一下，定位探针的位置。选择探针。在Inspector选项卡内，选择速度Speed和扭矩Torque复选框。探针添加到模型中，箭头指示守恒量的方向。点击模型工作空间的空白区域。在Inspector选项卡内，设置仿真结束时间（,）为5秒。使用文件名为DC_Motor1.msim保存模型。2、添加变速箱到DC电机模型2.1打开上面所保存的DC_Motor1.msim文件，如下图7所示。图7从1-DMechanical一Rotational一BearingsandGears菜单，添加一个IdealGear元件到模型工作区，并放置在Inertia元件的右侧。从1-DMechanical一Rotational—SpringsandDampers菜单，添^口一个ElastoBacklash元件到模型工作区，并放置在IdealGear元件的右侧。从1-DMechanical一Rotational一Common菜单，添加另一个Inertia元件到模型工作区，并放置在ElastoBacklash元件的右侧。2.3如下图连接元件。图82.4在模型工作区中，点击IdealGear元件。2.5在右侧的Parameters面板，改变两个法兰之间的传动比，在r区域，输入10后按回车键。2.6对其他元件定义下面的参数值：对Elasto-Backlash元件，在b区域，定义总的间隙为0.3rad。在d区域，定义阻尼常量为104旦^… . rad― 对第一个Inertia元件（i2），在J区域，定义转动惯量（惯性矩）为10kg.m2对Step源，在height区域，定义高度为100。3、带变速箱的DC电机模型仿真3.1从模型工作区中删除Probe1。3.2从工具栏点击探针图标（E!）3.3移动你的鼠标指针到连接ElastoBacklash元件和第二个Inertia元件（i） 的线上，此时这条连接线将高亮显示。33.4点击一下连接线，然后点击探针放置它。3.5选择模型工作区中的探针。3.6为了在仿真图形中显示角度"），速度（w），加速度（a），和力矩（T）的值，选择Angle，Speed，Acceleration，和Torqueo3.7点击模型工作区中的空白区域。3.8在Inspector选项卡内，设置参数t的值为10秒，并按回车键。3.9点击工具栏上的仿真按钮。仿真运行结束后，下面的图形将显示出来。图94、 组合DC电机元件到一个子系统中使用选择工具（牛），在电子元件和第一个旋转惯性元件周围拖出一个方框。从Edit菜单，选择CreateSubsystem。在CreateSubsystem对话框中输入DCmotor。4.3点击OK。一个代表直流电机的白色方块显示在模型工作区内。5、 给模型分配全局参数5.1点击导航工具栏上的Main按钮浏览顶层模型。5.2点击导航工具栏上的按钮，切换到参数编辑器窗口。5.3在Mainsubsystemdefaultsettings表格的第一行，定义参数R并按回车键。5.4定义默认值为24，输入Globalresistancevariable作为描述语句。5.5在表格的第二行，定义一个名为J的参数，并按回车键。5.6定义默认值为10，输入Globalmomentofinertiavalue作为描述语句。5.7点击导航工具栏上的国按钮，切换到模型视图。新的参数R和J将显示在Inspector选项卡中的max.steps的下方区域。compilertrueR 24J 10图105.8点击导航工具栏上的Mk按钮，切换到参数编辑器窗口。5.9在13component表格中的转动惯量值区域输入），按回车键确认。转动惯量参数现在可以继承全局参数（J）的数值，这里的值是10。5.10切换到模型视图，双击DCMotor子系统。5.11点击导航工具栏上的嗦按钮，切换到图标视图。5.12在emfcomponent表格中的转换系数值区域，输入R*J，按回车键确认。这个值是转换系数的近似值。5.13在R1component表格中电阻参数值区域，输入日，按回车键确认。5.14切换到模型视图，浏览顶层模型。5.15保存物理模型到DC_Motor2.msim文件。6、改变输入和输出值修改模型的输入值和输出值，对不同的参数条件下的模型仿真。从1-DMechanical一Rotational一Sensors菜单，添力口AngularVelocitySensor元件到模型工作区中，并放置在变速箱的后面。鼠标右击AngularVelocitySensor元件，选择FlipHorizontalo6.3删除在Step源和DCMotor子系统之间的连接线。6.4从SignalBlocks一Controllers菜单，添加PI元件到模型工作区，并将它放置在DCMotor子系统的左边。6.5从SignalBlocks一Mathematical一Operators菜单，添加Feedback元件到模型工作区，并将它放置在PI元件的左边。6.6如下图连接各个模型元件。

图116.7点击模型工作区中的PI元件。6.8在Parameters面板上，在k区域定义一个20的增益，在T区域定义一个时间常数为3秒。6.9再次对模型运行仿真。仿真完成后，下面的图形将显示。7000600020001Q00131614Probe!:pht20864201111里田•切qoxdPiobc1:tanSOO0070000TS4lEqll-.E6000050000400007000600020001Q00131614Probe!:pht20864201111里田•切qoxdPiobc1:tanSOO0070000TS4lEql