直流电动机建模及仿真实验.docx
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直流电动机建模及仿真实验
直流电动机建模及仿真实验
《直流电动机建模及仿真实验》
—实验报告
院（系）3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系列；软件工具：
MATLAB及simulink。
3实验原理
原理框图：
直流电机电枢回路的电路方程是：
其中，
a是加到电机两端的电压，
是电机反电势，
是电枢电流,
a是电枢回路总电阻,
是电枢回路总电感,
称为电枢回路电磁时间常数。
并且反电动势
与电机角速度
成正比：
其中ke称为反电势系数,
为电机轴的转角。
对于电机而言,其转动轴上的力矩方程为：
其中km是电机的力矩系数,
是负载力矩,
是电机电枢的转动惯量。
进行拉式变换得到：
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
表1电机参数表
参数
电机A
电机B
备注
电枢电阻Ra
4.80Ω
13.5Ω
电枢电感La
21mH
21.5mH
力矩系数km
46.32N.m/A
0.27N.m/A
反电势系数ke
55.3V/（rad/s）
0.42V/（rad/s）
电机转动惯量J
0.5Kg.m2
0.0005Kg.m2
电枢部分
4实验步骤
（1）根据图4.1可求得传递函数
假定干扰为0，可求得输入输出传递函数
带入数据可求得
在后边建模模型的时候可以将其取0
带入A电机数据求得
带入B电机数据可求得
用matlab的bode指令可以得到两电机的频率响应
A电机的频率响应图
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）
（空载）
转速（rad/s）
（负载力矩Mf=500Nm）
转速（rad/s）
（负载力矩Mf=1000Nm）
1
0
0
-0.9370
-1.8739
2
10
0.1808
-0.7561
-1.6931
3
30
0.5425
-0.3945
-1.3314
4
60
1.0850
0.1480
-0.7889
5
90
1.6275
0.6905
-0.2464
6
120
2.1700
1.2330
0.2961
7
150
2.7125
1.7755
0.8386
8
180
3.2550
2.3180
1.3811
9
200
3.6166
2.6797
1.7427
10
220
3.9783
3.0413
2.1044
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
1
0
0
空载
2
2
4.7619
空载
3
5
11.9048
空载
4
7
16.6667
空载
5
10
23.8095
空载
6
12
28.5714
空载
7
15
35.7143
空载
8
18
42.8571
空载
9
22
52.3810
空载
10
24
57.1429
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）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0
0
-11.9048
-23.8095
-35.7143
-47.6190
-59.5238
10
23.8095
11.9048
0.0000
-11.9047
-23.8095
-35.7143
20
47.6190
35.7143
23.8095
11.9048
0.0000
-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。
0
0.2
0.4
0.8
1.2
1.6
0
0
-23.8
-47.6
-95.2
-142.9
-190.5
100
238.1
214.3
190.5
142.9
95.2
47.6
150
357.2
333.4
309.5
261.9
214.3
166.7
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
由图可见，阶跃响应波动较大，其电磁时间常数
很小，将其忽略，求得时间常数
。
b.对于电机B，其阶跃响应图像如下图
由于电机的电磁时间常数
可以忽略，所以可以将该系统看做一个一阶环节。
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
6实验结果及分析
本次实验结果都比较符合电机的基本特性，其中A电机对应的是大电机，而B电机对应的较小的电机。
本次实验结果较好地体现了两者的特性。
通过本次实验，了解直流电动机的工作原理；直流电动机的技术指标；掌握了直流电动机的建模及分析方法；学习了计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。
受益匪浅。
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