电机制动方式地SIMULINK仿真.docx
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电机制动方式地SIMULINK仿真
扬州大学
专业软件应用综合设计报告
水能学院11级电气专业
题目直流电机制动仿真设计
学生**学号111704***
指导教师张老师
2013年12月30日
直流电动机综合仿真设计三
摘要：
对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般可以分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。
例如他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。
能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。
而我们通过MATLAB仿真，在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的（电动机的瞬时态）讲解。
并且运用之前所介绍的基础知识来解 T，TL，To之间的关系
本文针对直流电动机能耗制动、反接制动、回馈制动，在忽略一部分对误差影响较小而使算法复杂度大大增加的因素，对电动机制动前后电压、电流、及转速进行对比研究分析，再使用MATLAB中用于仿真模拟系统的SIMULINK对系统的各个部分进行封装及连接，并为其设计了专用模块，同时对其中的一系列参数进行了配置。
系统启动仿真后，各项参数都平稳地达到预期值。
实际工程上通过系统模拟实验表明：
该系统设计合理，自动化程度高，实验过程时间短，工作稳定可靠，基本满足设计相关要求。
关键字：
直流电机；制动方式；MATLAB；SIMULINK
Abstract:
Forbraking,DCTherearemanywaysmovingmechanism,cangenerallybedividedintothreecategories,dynamicbraking,reversebraking,regenerativebraking.HeexcitedDCmotorbrakingenergyontheprojecthasbeenwidelyusedbecausethisbrakingmode,simple,reliable,safeandeconomical.Infact,theprincipleofdynamicbrakingistoreversecurrentdirection,theoppositeoftheelectromagnetictorqueandtherotationalspeedtogenerateatorqueintheoppositedirection,toachievethepurposeofthebrakingdeceleration.ByMATLABsimulation,theiconintuitiveexplanationexcitedDCmotorshutdownprocess,toexplainthechangesinthedifferentstagesofthemotoroperatingcharacteristicscurveatkeypoints（motorinstantaneousstate）toexplain.BeforeapplyingthebasicsandintroducedtosolvetherelationshipbetweenT,TL,Tobetween
Inthispaper,theDCmotorbraking,reversebraking,regenerativebraking,partofasmallerrorinignoringthefalloutofgreatlyincreasedcomplexityofthealgorithmfactors,beforeandafterthemotorbrakevoltage,current,andspeedofacomparativestudyanalysis,anduseSIMULINKMATLABsimulationsystemusedforthevariouspartsofthesystemareencapsulatedandconnectivity,andtodesignaspecificmodule,whileaseriesofparametersforwhichtheconfiguration.Afterstartingthesystemsimulation,theparametersaresmoothlyreacheszero.Throughthesystemsimulationexperimentsshowthat:
thesystemisdesigned,highdegreeofautomation,theexperimentshorttime,stableandreliable,basicallymeetthedesignrequirements.
Keywords:
DC;BRAKING;MATLAB;SIMULINK
1引言
电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。
它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。
通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等，电机课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
无论实在工农业生产，交通运输，国防，航天航空，医疗卫生，上午和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用这各种各样的电动机。
据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。
同样，我国生产的电能百分之六十适用于电动机的。
电动机与人的生活息息相关，密不可分。
电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
在电动机所驱动负载时，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。
制动的基本原理是使电机转子上产生一个反力转矩，具体有三种方法，即能耗制动、反接制动、回馈制动。
这类控制可用过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。
还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
2设计依据及框图
2.1设计平台
MATLAB概述
MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。
它是MATHWORK公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。
MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。
它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括:
.数学计算
.运算法则的推导
.模型仿真和还原
.数据分析，采集及可视化
.科技和工程制图
.开发软件，包括图形用户界面的建立
MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。
通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。
MATLAB的名字象征着矩阵库。
它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。
MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。
在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。
在工业上它是用于高生产力研究，开发，分析的工具之一。
MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。
作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。
工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。
在工具箱的范围内可以解决单个过程，控制系统，神经网络，模糊逻辑，小波，仿真及其他很多问题。
经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。
在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。
美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。
它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。
其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和NYQUIST图。
MATLAB系统可分为五个部分:
MATLAB语言:
这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。
它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。
MATLAB的工作环境：
这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。
它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。
同时也有开发，管理，调试，（profilingM-files，MATLAB’sapplications。
）的系列工具。
图形操作：
这是MATLAB的图形系统。
它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。
同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。
MATLAB数据功能库：
它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Bessel功能和快速傅立叶变换。
MATLAB应用程序编程界面：
这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。
它方便从MATLAB中调用例程（即动态链接），使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。
Simulink概述：
Simulink是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包，它支持线形和非线性系统，能在连续时间，离散时间或两者的复合情况下建模。
系统也能采用复合速率，也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新。
Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。
在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。
相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。
Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。
同时也能自己定义和建立自己的块。
模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。
可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。
这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。
在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。
菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。
使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。
进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。
模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。
因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真，分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。
2.2设计思想
通过MATLAB软件的SIMULINK环境，通过拖放方式建立仿真模型，并获得相关参数及图形。
1直流电机模块仿真：
模块主要用到Library库中DcMachine、DcVoltageSource、Scope，SeriesRLCBranch、VoltageMeasurement、Constant等模块
电力系统工具箱内直流电仿真镇模块如下图1所示，这一模块仿真他励直流电动机，电枢电路包括电感La和电阻Ra以及串联的反接电动势E。
E与电机转速w成正比E=Ke*w，式中Ke为电压常数，他励直流电动机中Ke正比于励磁电流If，Ke=Laf*If，式中Laf为互感常数
电磁扭矩Te正比于电枢电流Ia，Te=Kt*Ia，式中Kt为扭矩常数，扭矩常数等于电压常数。
Te的符号规定：
Te>0为发电机模式,Te<0为电动机模式
电枢电路和励磁电路由Powerlib库中的模块组成，电枢电路位于输入端A+和输出端A-之间，由RLC支路、可控电源以及电流测量模块串接而成。
励磁电路位于输入端F+和输出端F-之间，由RLC支路构成，机械部分通过加载到转子上的净扭矩计算直流电机转速w。
2制动状态仿真参数：
本课题三种制动方式：
能耗、反接、回馈制动。
按照本设计报告中2.3的4个设计结构图分别进行仿真，并在各个状态下分别设定相关参数得到分析问题所需要的波形。
2.3设计结构框图或流程图
1.稳定运行SIMULINK仿真模型
稳定运行SIMULINK仿真图
2.能耗制动SIMULINK仿真模型
（a）电动状态
（b）制动状态
能耗制动SIMULINK仿真图
3.反接制动SIMULINK仿真模型
反接制动SIMULINK仿真图
4.回馈制动SIMULINK仿真模型
回馈制动SIMULINK仿真图
2.4各模块功能简介
Simulink内置模型库包含公共模型库和专业模型库。
1.Simulink的公共模型库
Simulink的公共模型库是Simulink中最通用的模型库，它可以应用到不同专业，包括16
个子模块库，例如
（1）CommonlyUsedBlocks（常用模型库）
新版本的Simulink中，为了方便用户使用，专门将常用的22种模块放在了常用模型库中。
这些常用的模型包括输入模块、输出显示模块、连续（离散）系统积分模块、数学运算模块及信号路由模块等；
（2）Continuous（连续系统模型库）
（3）Discontinuity（不连续环节）等等
2.Simulink的专业模型库
例如
（1）航空航天模型库（AerospaceBlockset）
（2）控制系统模型库（ControlSystemToolbox）
面向控制系统的设计和分析，主要提供线性时不变系统的模块。
（3）数字信号处理模型库（DSPBlockset）
模块、DSP数学函数库、量化器模块、信号管理模块、信号操作模块、统计模块和信号变换模块等。
（4）Simulink附加模型库（SimulinkExtras）
（5）函数示例模型库（S-functiondemos）等等
3.本次课程设计主要用到公共模型库中的下列几个模块
模块主要用到Library库中DcMachine、DcVoltageSource、Scope，SeriesRLCBranch、VoltageMeasurement、Constant等模块
（1）DcMachine：
电力系统工具箱内直流电仿真镇模块如下图1所示，这一模块仿真他励直流电动机，电枢电路包括电感La和电阻Ra以及串联的反接电动势E。
E与电机转速w成正比E=Ke*w，式中Ke为电压常数，他励直流电动机中Ke正比于励磁电流If，Ke=Laf*If，式中Laf为互感常数
电磁扭矩Te正比于电枢电流Ia，Te=Kt*Ia，式中Kt为扭矩常数，扭矩常数等于电压常数。
Te的符号规定：
Te>0为发电机模式,Te<0为电动机模式
电枢电路和励磁电路由Powerlib库中的模块组成，电枢电路位于输入端A+和输出端A-之间，由RLC支路、可控电源以及电流测量模块串接而成。
励磁电路位于输入端F+和输出端F-之间，由RLC支路构成，机械部分通过加载到转子上的净扭矩计算直流电机转速w。
其中Tl是负载转矩输入，m为测量参数输出，A+为电枢绕组正，F+为励磁绕组正，A-为电枢绕组负，F-为励磁绕组负。
本实验中，从m端引出的线路有4条参数，从上至下的是转速（w）、电枢电流、励磁电流以及转矩。
（2）DcVoltageSource：
直流电压源模块，用于输入稳定的直流电源
负责给直流电机供电。
直流电机的并励连接：
（3）SeriesRLCBranch：
RLC串联分支模块实现了一个电阻、电感或电容或它们的串联组合。
使用分支类型参数来选择需要的要的分支包括的元素，实现了一个模块多种功能用途。
只能作为支路串在电路中，切记不可以作为负载，负载有专门的负责模块。
（4）IdealSwitch:
理想开关
当g端为0时，开关闭合；反之，开关断开。
在本实验二中，我们把阶跃信号作为理想开关的控制信号。
（5）Constant：
常数模块，可于参数设定中更改数值，得到不同的输入电压
（6）Gain:
增益模块，起放大作用
（7）Scope：
输出波形观测模块，用于显示输出波形
用来对输出的参数信号进行波形仿真，并在屏幕上显示出来。
在本实验中，总共有4个参数信号，分别为转速、电枢电流、励磁电流还有电磁转矩。
并且示波器中的输出波形也是按照这个顺序显示的。
（8）VoltageMeasurement：
电压测定模块
3软件调试分析
1.稳定运行SIMULINK仿真模型
直流电机在接通电源后，其转子转速从零开始，以近似于恒定的加速，逐渐达到稳定转速，在本次稳定模型仿真中我组定的稳定转速为1000，对下面进行的能耗、反接、回馈制动仿真也设置相同的稳定转速值。
2.能耗制动SIMULINK仿真模型
分析:
能耗制动是利用电动机电枢绕组串接电阻后短接，电动机由于惯性，保持原有的运动方向，电枢电动势方向保持不变，此时电机变为发电运行状态，电流与电动运行时方向相反（如上图示电流在制动后变为负值），电磁转矩与电动时的方向相反为制动转矩。
在制动过程中，随着电动机转速的下降，拖动系统动能也在减少，于是电动机的再生能力和制动转矩也在减少，所以在惯性较大的拖动系统中，常会出现在低速时停不住，而产生“爬行”现象，从而影响停车时间的延长或停位的准确性；仅适用一般负载的停车，但有较大能量损耗，停位不准确，然而电路简单，价格较低。
制动前后如下图所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。
由于电源被切除，电枢通过制动电阻Rb短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，Ia反向，使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。
当n=0时，E=0，Ia=0，制动转矩T自动消失。
上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如下图中的特性1，n与T的关系为
能耗制动时，Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb，故
机械特性如图中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线
设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。
制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上。
制动瞬间，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a点平移到能耗制动特性2上的b点。
这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。
在T和LT的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b点移至0点。
这时，n=0，T也自动变为零，制动过程结束。
能耗制动过程的效果与制动电阻Rb的大小有关。
Rb小，则Ia大，T大，制动过程短，停机快。
但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流，Iab不得超过Iamax，由图可得
，该式中Eb=Ea，是工作于b点和a点的时电动势，所以有
3.反接制动SIMULINK仿真模型
分析：
反接制动是将电动机电枢电压的极性改变，此时的电磁转矩将变为制动转矩，为限制电枢电流过大，反接制动时应在电枢回路中串入电阻。
电压反向反接制动的效果与制动电阻
的大小有关，
小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流
不得超过
。
只考虑绝对值时
式中，Eb=Ea。
由此求得电压反接制动的制动电阻为
电压反向反接制动时，n与T的关系为
4.回馈制动SIMULINK仿真模型
分析：
回馈制动是当负载转矩的方向发生改变时将电动机的转速升高，当超过理想空载转速时，电动机的电枢电动势高于电枢电压，电机将变成发电运行状态，此时的电磁转矩为制动转矩。
回馈制动时，由于位能负载的作用，使电动机转速超过理想空载转速，从而把系统的机械能转化为电能，而其中一部分消耗在电枢回路的电阻上，另一部分电能即反馈到电网上。
而其回馈制动的原理如下图。
经过上机实验的调试，可得到其结果如上图（电流随时间的变化图），电动机的电流由+15A变为-15A，即由消耗电能变为提供电能。
4.结语
4.1结论与讨论
关于直流电机制动的结论与分析：
能耗制动：
在制动过程中，随着电动机转速的下降，拖动系统动能也在减少，于是电动机的再生能力和制动转矩也在减少，所以在惯性较大的拖动系统中，常会出现在低速时停不住，而产生“爬行”现象，从而影响停车时间的延长或停位的准确性；仅适用一般负载的停车，但有较大能量损耗，停位不准确，然而电路简单，价格较低。
反接制动：
电压反向反接制动的效果与制动电阻
的大小有关，
小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流
不得超过
。
并且反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。
因此适用于l0kw以下小容量的电动机制动要求迅速、系统惯性大，不经常启动与制动的设备，如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。
回馈制动：
回馈制动的电能消耗较低，经济性好，但系统控制较为复杂。
回馈制动特别适用于电动机功率较大，如大于等于100kw，设备的转动惯量较大，且反复短时连续工作，从高速到低速的减速降幅较大，制动时间又短，需要强力制动的场合，如电力机车、采油等行业。
个人心得体会：
这次专业软件综合课程设计采取了分组模式，4-5人一组，每组课题各不相同，这样寻求帮助的范围小了很多，讨论圈也缩小。
所以相比以往的几次全班相同的课程设计，自己感觉这次难度比以前提高了很多，而从最后做的情况来看的确如此。
本组课程设计题目是“对直流电机的制动进行仿真”，当自己看到课程题目的详细内容后，能耗制动、反接制动、回馈制动，开始感觉无从下手，故我组成员先聚集在一起进行了一系列的讨论，然后上网XX了相关资料。
然后我们尝试着根据相关资料进行了在ＭＡＴＬＡＢ的SIMULINK平台上的模块连接。
在这个过程中一开始就遇到困难，就是在器件库找到需要的模块，由于对模块库不熟悉，我们采取了浏览以及搜索模块名称
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