目录
一、引言............................................................ 2
1.1设计背景..................................................... 2 1.2设计目的..................................................... 2 二、设计的任务及要求................................................ 2
2.1设计的主要工作............................................... 2 2.2设计要求..................................................... 2 三、流调速系统概述.................................................. 3 四、他励式直流电动机的机械特性...................................... 3
4.1机械特性的表达式............................................. 3 4.2固有机械特性和人为机械特性................................... 5 4.2.1、固有机械特性 ............................................. 5 4.2.2人为机械特性............................................... 6 五、他励式直流电动机弱磁调速........................................ 9
5.1设计思路..................................................... 9 5.2在MATLAB/simulink平台上建立模型............................. 9 5.4建模仿真.................................................... 13 六、设计优缺点分析................................................. 14 七、设计总结、体会................................. 错误！未定义书签。 参考文献........................................... 错误！未定义书签。
一、引言
1.1设计背景
在国民经济生产中，电机工业是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的重要基础，电机可称为电气化的心脏。他对国民经济的发展起着举足轻重的作用，并随着国民经济和科学技术的发展而不断发展。在现代工业、农业、交通运输等各行业中，为了实现生产工艺过程的各种要求，需要广泛采用各种各样的生产机械，大多数都采用电动机拖动。直流电机更是在各种电力拖动场合广泛应用。 1.2设计目的
习和掌握电机调速系统在MATLAB/simulink平台上建模与仿真，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过这次设计实践能够进一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解，使自己的设计水平和对所学知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面的提高。
二、设计的任务及要求
2.1设计的主要工作
1．选用中小容量的电动机及其外围电路完成相应的功能。 2．用MATLAB/simulink实现软启动的功能。 3．给出设计思路、画出各程序适当的流程图。 4．给出所有参数确定的原因。 5．完成设计说明书。 2.2设计要求
1．使用受控源方式给电机励磁绕组上电。 2．形成的冲击电流较小。
3．能在MATLAB/simulink平台上建立模型。
4．能够正确的调整系统各个模块的参数使之兼容。 5．能够有正确的仿真波形。
三、流调速系统概述
直流电动机的转速和其他参量的关系可用式（3-1）表达
n =
U -IR
K e Φ （3-1）
式中 n——转速，单位为r/min； U ——电枢电压，单位为V ； I ——电枢电流，单位为A ； R ——电枢回路总电阻，单位为Ω； Φ——励磁磁通，单位为Wb ；
K e
——由电机结构决定的电动势常数。
由式（3-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速。 （1）调节电枢供电电压U 。 （2）减弱励磁磁通Φ。 （3）改变电枢回路总电阻R 。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（电动机的额定转速）以上作小范围的升速。
四、他励式直流电动机的机械特性
4.1机械特性的表达式
他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时，电动机在稳定运行状态下，电动机的转速n 与电磁转矩
T em
之
间的关系，即
n =f (I a )
n =f (T em )
，或者说电动机的转速n 与电枢电流
I a
的关系
，后者也就是转速调整特性。由于转速和转矩都是机械量，所以把它
称为机械特性。利用机械特性和负载转矩特性，可以确定电动机在拖动系统的稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式来分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律，而且电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能也是十分重要的。
图4-1他励式直流电动机的电路原理
图4-1是他励式直流电动机的电路原理。图中U 为外施电枢电压，枢电动势，
I a
E a I f
是电是励
是电枢电流，
R a
是电枢电阻，
R s
是电枢回路串联电阻，
R sf
磁电流，Φ是励磁磁通，
R f
是励磁绕组电阻，是励磁回路串联电阻。按图
中表明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程：
式中，
R =R a +R s
U =E a +RI a
（4-1）
E a =C e ΦI a
，为电枢回路总电阻。将电枢电动势代入式
（4-1）中，可得他励式直流电动机的机械特性方程： n =
U R
-T em =n 0-∆n （4-2） C e ΦC e C T Φ2
式中，C e 、C T 分别为电动势常数和转矩常数，且C T =9.55C e ；n 0
=U C e Φ为
电磁转矩T em =0时的转速，称为理想空载转速；∆n 为转速降。
当电源电压U =常数，电枢回路总电阻R ＝常数，励磁磁通Φ＝常数时，根据（4-2）式，求出他励直流电动机的机械特性曲线，如图4-2所示，它是一条向下倾斜的直线，这说明当加大电动机的负载，就会使电动机的转速下降。
图4—2 他励式直流电动机的机械特性
'
必须指出的是，电动机的实际空载转速n 0比理想空载转速n 0略低。这是因
为电动机由于摩擦等原因存在一定的空载转矩T 0，空载运行时，电磁转矩不可能为零。它必须克服空载转矩，即T em =T 0，故实际空载转速应为
' n 0=
U R
-T 0 (4—3)
C e ΦC e C T Φ2
4.2固有机械特性和人为机械特性
电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性 4.2.1、固有机械特性
固有机械特性是指当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值、电枢
回路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为；
n =
U R
-T （4—4） 2em
C e ΦC e C T Φ
固有机械特性曲线如图4—3所示，由于R a 较小，则∆n 也较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。
图4—3 他励式直流电动机固有机械特性
4.2.2人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变式（4—2）的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特性。
（1） 电枢串电阻时的人为机械特性
保持U =U N ，Φ=ΦN 不变，在电枢回路中串入电阻R pa 时的人为机械特性方程为
R a +R pa U N
-T em （4—5） n =
C e ΦN C e C T Φ2N
与固有特性相比，电枢串电阻时人为机械特性的理想空载转速n
0不变，但
特性变软。改变R pa 的大小，可以得到一组通过理想空载转速点n 0并具有不同斜率的人为机械特性，如图4—4所示。
图4—4 他励式直流电动机电枢回路串电阻时的机械特性
（2） 降低电枢电压时的人为机械特性
保持Φ=ΦN ，R =R a 不变，改变电枢电压U 时的人为机械特性方程为 n =
R a U -T em （4—6） C e ΦN C e C T Φ2N
电动机的工作电压以额定电压为上限，只能在低于额定电压的范围内改变电压。与固有特性比较，降低电压时人为机械特性的斜率不变，但理想空载转速n 0随电压的降低而正比减小。因此，降低电压时的人为机械特性是位于固有机械特性下方且与固有特性平行的一组直线，如图4—5所示。
图4—5 他励式直流电动机改变电枢电压时的机械特性
（3） 减弱励磁磁通时的人为机械特性
改变励磁回路调节电阻R sf 就可以改变励磁电流，从而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时磁路已经开始饱和，再增加励磁电流会使点击的磁路饱和，磁通也不会明显增加，点击的铁耗增加，导致电机发热。收励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许再大幅度地增加，因此，只能在额定值以下减小励磁电流，减弱励磁磁通。
保持U =U N ，R =R a 不变，电枢回路不串电阻，减弱磁通时的人为机械特性为
n =
U N R a
-T （4—7） 2em
C e ΦC e C T Φ
减弱励磁磁通是的机械特性如图4—6所示。
图4—6 他励式直流电动机减弱励磁磁通时的机械特性
五、他励式直流电动机弱磁调速
5.1设计思路
首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场，确保一旦电枢电流加入所产生的电磁转矩最大，有利于快速起动，待主磁场建立之后再加入电枢电压。待电动机正常运行后，逐渐减小励磁绕组两端的电压，已逐步减小励磁电流，从而使主磁通减弱，达到弱磁调速的目的。 5.2在MATLAB/simulink平台上建立模型
他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上建立模型如图5—1所示。
图5—1 他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上的建模
5.3模型中各模块的参数设置 1. 定时器参数设置：
图5-2 Timer1参数
图5-3 Timer2参数
2. 常数设置：
图5-4 Constant参数
图5-5 Constant1参数
3.Controlled Voltage Source参数设置
图5-6 Controlled Voltage Source参数
图5-7 Controlled Voltage Source1参数
5.4建模仿真
他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上的建模仿真波形如图5-8所示。
图 5-8他励式直流电动机弱磁调速系统建模仿真波形
六、设计优缺点分析
优点：弱磁调速这种调速方法在励磁回路可以实现，所用设备简单，调节也很方便，却效率较高。
缺点：调速范围较小，磁场减弱，因负载转矩不变，电磁转矩不变，磁通减小，电枢电流增大，一般用于升速。一般电机在额定转速以上用弱磁调速，随着电动机转速的提高，电枢电流随之升高，换向条件变坏，转速过高，还会出现不稳定的现象。如果运行中，一旦励磁回路造成断线，磁通会变得很小；假如空载，点数电流增加，转速将增大到很大程度，发生飞车现象；假如是过载，电流增大，电机停转，同样可能损坏电机，所以要有弱磁保护措施。
目录
一、引言............................................................ 2
1.1设计背景..................................................... 2 1.2设计目的..................................................... 2 二、设计的任务及要求................................................ 2
2.1设计的主要工作............................................... 2 2.2设计要求..................................................... 2 三、流调速系统概述.................................................. 3 四、他励式直流电动机的机械特性...................................... 3
4.1机械特性的表达式............................................. 3 4.2固有机械特性和人为机械特性................................... 5 4.2.1、固有机械特性 ............................................. 5 4.2.2人为机械特性............................................... 6 五、他励式直流电动机弱磁调速........................................ 9
5.1设计思路..................................................... 9 5.2在MATLAB/simulink平台上建立模型............................. 9 5.4建模仿真.................................................... 13 六、设计优缺点分析................................................. 14 七、设计总结、体会................................. 错误！未定义书签。 参考文献........................................... 错误！未定义书签。
一、引言
1.1设计背景
在国民经济生产中，电机工业是机械工业的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的重要基础，电机可称为电气化的心脏。他对国民经济的发展起着举足轻重的作用，并随着国民经济和科学技术的发展而不断发展。在现代工业、农业、交通运输等各行业中，为了实现生产工艺过程的各种要求，需要广泛采用各种各样的生产机械，大多数都采用电动机拖动。直流电机更是在各种电力拖动场合广泛应用。 1.2设计目的
习和掌握电机调速系统在MATLAB/simulink平台上建模与仿真，充分认识理论知识对应用技术的指导性作用，进一步加强理论知识与应用相结合的实践和锻炼。通过这次设计实践能够进一步加深对专业知识和理论知识学习的认识和理解，使自己的设计水平和对所学知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面的提高。
二、设计的任务及要求
2.1设计的主要工作
1．选用中小容量的电动机及其外围电路完成相应的功能。 2．用MATLAB/simulink实现软启动的功能。 3．给出设计思路、画出各程序适当的流程图。 4．给出所有参数确定的原因。 5．完成设计说明书。 2.2设计要求
1．使用受控源方式给电机励磁绕组上电。 2．形成的冲击电流较小。
3．能在MATLAB/simulink平台上建立模型。
4．能够正确的调整系统各个模块的参数使之兼容。 5．能够有正确的仿真波形。
三、流调速系统概述
直流电动机的转速和其他参量的关系可用式（3-1）表达
n =
U -IR
K e Φ （3-1）
式中 n——转速，单位为r/min； U ——电枢电压，单位为V ； I ——电枢电流，单位为A ； R ——电枢回路总电阻，单位为Ω； Φ——励磁磁通，单位为Wb ；
K e
——由电机结构决定的电动势常数。
由式（3-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速。 （1）调节电枢供电电压U 。 （2）减弱励磁磁通Φ。 （3）改变电枢回路总电阻R 。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（电动机的额定转速）以上作小范围的升速。
四、他励式直流电动机的机械特性
4.1机械特性的表达式
他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时，电动机在稳定运行状态下，电动机的转速n 与电磁转矩
T em
之
间的关系，即
n =f (I a )
n =f (T em )
，或者说电动机的转速n 与电枢电流
I a
的关系
，后者也就是转速调整特性。由于转速和转矩都是机械量，所以把它
称为机械特性。利用机械特性和负载转矩特性，可以确定电动机在拖动系统的稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式来分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及电流随时间的变化规律，而且电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能也是十分重要的。
图4-1他励式直流电动机的电路原理
图4-1是他励式直流电动机的电路原理。图中U 为外施电枢电压，枢电动势，
I a
E a I f
是电是励
是电枢电流，
R a
是电枢电阻，
R s
是电枢回路串联电阻，
R sf
磁电流，Φ是励磁磁通，
R f
是励磁绕组电阻，是励磁回路串联电阻。按图
中表明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程：
式中，
R =R a +R s
U =E a +RI a
（4-1）
E a =C e ΦI a
，为电枢回路总电阻。将电枢电动势代入式
（4-1）中，可得他励式直流电动机的机械特性方程： n =
U R
-T em =n 0-∆n （4-2） C e ΦC e C T Φ2
式中，C e 、C T 分别为电动势常数和转矩常数，且C T =9.55C e ；n 0
=U C e Φ为
电磁转矩T em =0时的转速，称为理想空载转速；∆n 为转速降。
当电源电压U =常数，电枢回路总电阻R ＝常数，励磁磁通Φ＝常数时，根据（4-2）式，求出他励直流电动机的机械特性曲线，如图4-2所示，它是一条向下倾斜的直线，这说明当加大电动机的负载，就会使电动机的转速下降。
图4—2 他励式直流电动机的机械特性
'
必须指出的是，电动机的实际空载转速n 0比理想空载转速n 0略低。这是因
为电动机由于摩擦等原因存在一定的空载转矩T 0，空载运行时，电磁转矩不可能为零。它必须克服空载转矩，即T em =T 0，故实际空载转速应为
' n 0=
U R
-T 0 (4—3)
C e ΦC e C T Φ2
4.2固有机械特性和人为机械特性
电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性 4.2.1、固有机械特性
固有机械特性是指当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值、电枢
回路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为；
n =
U R
-T （4—4） 2em
C e ΦC e C T Φ
固有机械特性曲线如图4—3所示，由于R a 较小，则∆n 也较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。
图4—3 他励式直流电动机固有机械特性
4.2.2人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变式（4—2）的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特性。
（1） 电枢串电阻时的人为机械特性
保持U =U N ，Φ=ΦN 不变，在电枢回路中串入电阻R pa 时的人为机械特性方程为
R a +R pa U N
-T em （4—5） n =
C e ΦN C e C T Φ2N
与固有特性相比，电枢串电阻时人为机械特性的理想空载转速n
0不变，但
特性变软。改变R pa 的大小，可以得到一组通过理想空载转速点n 0并具有不同斜率的人为机械特性，如图4—4所示。
图4—4 他励式直流电动机电枢回路串电阻时的机械特性
（2） 降低电枢电压时的人为机械特性
保持Φ=ΦN ，R =R a 不变，改变电枢电压U 时的人为机械特性方程为 n =
R a U -T em （4—6） C e ΦN C e C T Φ2N
电动机的工作电压以额定电压为上限，只能在低于额定电压的范围内改变电压。与固有特性比较，降低电压时人为机械特性的斜率不变，但理想空载转速n 0随电压的降低而正比减小。因此，降低电压时的人为机械特性是位于固有机械特性下方且与固有特性平行的一组直线，如图4—5所示。
图4—5 他励式直流电动机改变电枢电压时的机械特性
（3） 减弱励磁磁通时的人为机械特性
改变励磁回路调节电阻R sf 就可以改变励磁电流，从而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时磁路已经开始饱和，再增加励磁电流会使点击的磁路饱和，磁通也不会明显增加，点击的铁耗增加，导致电机发热。收励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许再大幅度地增加，因此，只能在额定值以下减小励磁电流，减弱励磁磁通。
保持U =U N ，R =R a 不变，电枢回路不串电阻，减弱磁通时的人为机械特性为
n =
U N R a
-T （4—7） 2em
C e ΦC e C T Φ
减弱励磁磁通是的机械特性如图4—6所示。
图4—6 他励式直流电动机减弱励磁磁通时的机械特性
五、他励式直流电动机弱磁调速
5.1设计思路
首先在励磁绕组中加入额定励磁电流，以建立满载主磁场，确保一旦电枢电流加入所产生的电磁转矩最大，有利于快速起动，待主磁场建立之后再加入电枢电压。待电动机正常运行后，逐渐减小励磁绕组两端的电压，已逐步减小励磁电流，从而使主磁通减弱，达到弱磁调速的目的。 5.2在MATLAB/simulink平台上建立模型
他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上建立模型如图5—1所示。
图5—1 他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上的建模
5.3模型中各模块的参数设置 1. 定时器参数设置：
图5-2 Timer1参数
图5-3 Timer2参数
2. 常数设置：
图5-4 Constant参数
图5-5 Constant1参数
3.Controlled Voltage Source参数设置
图5-6 Controlled Voltage Source参数
图5-7 Controlled Voltage Source1参数
5.4建模仿真
他励式直流电动机弱磁调速系统在MATLAB/simulink平台上的建模仿真波形如图5-8所示。
图 5-8他励式直流电动机弱磁调速系统建模仿真波形
六、设计优缺点分析
优点：弱磁调速这种调速方法在励磁回路可以实现，所用设备简单，调节也很方便，却效率较高。
缺点：调速范围较小，磁场减弱，因负载转矩不变，电磁转矩不变，磁通减小，电枢电流增大，一般用于升速。一般电机在额定转速以上用弱磁调速，随着电动机转速的提高，电枢电流随之升高，换向条件变坏，转速过高，还会出现不稳定的现象。如果运行中，一旦励磁回路造成断线，磁通会变得很小；假如空载，点数电流增加，转速将增大到很大程度，发生飞车现象；假如是过载，电流增大，电机停转，同样可能损坏电机，所以要有弱磁保护措施。