電機(jī)及拖動課程中仿真軟件Proteus的應(yīng)用

黃曉?韓彩霞

摘要：電機(jī)及拖動課程是自動化專業(yè)重要的專業(yè)課程，其內(nèi)容比較抽象，知識點較多，理論性、實用性和實踐性均很強，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反應(yīng)對基礎(chǔ)知識難以理解，同時，對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不感興趣。提出將仿真軟件引入課堂教學(xué)，通過軟件仿真過程使學(xué)生對基礎(chǔ)知識進(jìn)一步的理解、掌握，同時為動手實驗打下一定的基礎(chǔ)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：電機(jī)拖動；proteus軟件；仿真

作者簡介：黃曉（1982-），女，湖北武漢人，江漢大學(xué)文理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)部，講師；韓彩霞（1974-），女，湖北武漢人，江漢大學(xué)文理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)部，講師。（湖北 武漢 430056）

基金項目：本文系江漢大學(xué)文理學(xué)院科研基金項目（項目編號：2014YK31）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0081-02

電機(jī)及拖動課程是電氣自動化、機(jī)電一體化等電氣類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，它是將電機(jī)學(xué)、電力拖動和控制電機(jī)等課程有機(jī)結(jié)合的一門綜合性課程。該課程內(nèi)容抽象，理論性和實踐性都很強，教學(xué)效果直接影響到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，如自動控制技術(shù)、工廠電氣控制設(shè)備等等。

本文提出在電機(jī)及拖動課程中使用仿真軟件Proteus來幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)的理論知識，在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，為后續(xù)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)打下一定的基礎(chǔ)。下面舉例說明仿真軟件Proteus在電機(jī)及拖動課程中的應(yīng)用。

一、仿真軟件Proteus在直流電機(jī)中應(yīng)用實例

1.直流電動機(jī)電樞回路串電阻啟動仿真分析

由電動機(jī)的電勢平衡方程可知，電機(jī)電樞回路電流為

（1）

其中Ia為電樞電流，U為電源電壓，Ea為感應(yīng)電動勢，Ra為電樞電阻，Rc為電樞回路串聯(lián)電阻。

若將直流電動機(jī)接上直流電源，使之從靜止?fàn)顟B(tài)開始旋轉(zhuǎn)直至穩(wěn)定運行，這個過程稱為電機(jī)的啟動。下面通過圖1來分析直流電動機(jī)為什么不采用直接啟動方法啟動和采用電樞回路串電阻啟動的過程分析。

單片機(jī)的引腳P3.0-P3.2分別連接三個按鍵，即電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鍵，單片機(jī)的引腳P2.0-P2.2分別連接三只LED用來指示電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。（這部分連接和圖2（b）是完全一樣的，這里省略此部分圖。）

如圖1所示，圖中省略了單片機(jī)的引腳圖。圖1中標(biāo)號P1.0，P1.1即為和單片機(jī)相應(yīng)引腳相連的標(biāo)號。

由于單片機(jī)驅(qū)動能力不夠，所以不能直接驅(qū)動電機(jī)，圖1中采用L298N驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機(jī)。利用單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳控制驅(qū)動芯片L298N的兩個輸入端IN1和IN2，它們的三種不同組合即P1.1P1.0=01、10或11，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，并分別用三只LED指示電機(jī)的不同運行狀態(tài)。驅(qū)動芯片L298N的輸出端OUT1和OUT2通過橋式電路連接電機(jī)的兩個輸入端，在電機(jī)的兩端串聯(lián)三個分級啟動電阻RV1、RV2和RV3，同時串聯(lián)一只電流表用來觀察電機(jī)運行過程中電流的變化情況。仿真過程如下：

（1）將三個開關(guān)K4、K5和K6均閉合，開始仿真，此時相當(dāng)于電機(jī)電樞回路沒有串聯(lián)電阻，即采用直接啟動，可以觀察到電流表的示數(shù)較大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高很快。

（2）將三個開關(guān)K4、K5和K6均斷開，開始仿真，此時相當(dāng)于電機(jī)電樞回路串聯(lián)三個電阻啟動RV1、RV2和RV3，可以觀察到電流表的示數(shù)很小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸升高。

（3）將三個開關(guān)間隔一段時間閉合一個開關(guān)，直至全閉合為止。即啟動開始三個開關(guān)K4、K5和K6均閉合，即電樞回路串聯(lián)三個電阻RV1、RV2和RV3；運行一段時間將開關(guān)K6閉合即切換掉電阻RV3，此時電樞回路串聯(lián)兩個電阻RV1和RV2；再運行一段時間將開關(guān)K5閉合即切換掉電阻RV2，此時電樞回路串聯(lián)一個電阻RV1；最后將開關(guān)K4閉合即切換掉電阻RV1，電機(jī)啟動完成。這個過程可以觀察到電流表的示數(shù)隨著串聯(lián)電阻的切換逐漸變大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也逐漸升高，最后達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

通過以上仿真過程，可以得出為什么電機(jī)不采用直接啟動方法啟動。

由于啟動瞬間轉(zhuǎn)速n=0，所以感應(yīng)電動勢Ea=0，若啟動時直接給電機(jī)加額定電壓，即U=UN，且電樞回路沒有外串電阻（開關(guān)K4，K5和K6均閉合），即Rc=0，將上述已知條件代入表達(dá)式（1），可得電機(jī)啟動瞬間電樞電流為

（2）

由于電樞回路電阻Ra很小，由表達(dá)式2可知，直接啟動時電樞沖擊電流很大（一般可達(dá)額定電流的10～20倍），過大的啟動電流將導(dǎo)致電機(jī)換向器產(chǎn)生強烈的火花或環(huán)火，電樞繞組產(chǎn)生過大的電磁力，引起繞組損壞。另外，對供電電網(wǎng)來說，過大的啟動電流將引起電網(wǎng)電壓的波動，影響其他接于同一電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的正常運行。所以，為了限制啟動電流，根據(jù)表達(dá)式可知，可采取降低電源電壓啟動或電樞回路串電阻啟動的方法。這里主要分析電樞回路串電阻啟動方法。同時，根據(jù)仿真過程可以清晰的分析電樞回路串電阻啟動的整個過程，電機(jī)開始啟動串聯(lián)三個啟動電阻，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電樞回路電流較小，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸升高，依次切換掉一個啟動電阻，電樞回路電流逐漸增大，最后當(dāng)所有啟動電阻都切換掉后電機(jī)啟動完成。

2.直流電動機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速仿真分析

直流電動機(jī)在使用中經(jīng)常需要根據(jù)不同負(fù)載情況需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

（3）

由表達(dá)式（3）可知，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變勵磁磁通φ、電源電壓UN和電樞回路串電阻Rc三種方法，本文分析電樞回路串電阻調(diào)速。

可以利用圖1來進(jìn)行仿真電動機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速的過程。

先啟動電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，先斷開開關(guān)K4，此時相當(dāng)于電機(jī)電樞回路串聯(lián)電阻RV1，觀察到電樞回路電流減小，同時電機(jī)轉(zhuǎn)速降低；接下來斷開開關(guān)K5，此時開關(guān)K4和K5均斷開，相當(dāng)于電機(jī)電樞回路串聯(lián)兩個電阻RV1和RV2，觀察到電樞回路電流減少，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低；最后斷開開關(guān)K6，此時三個開關(guān)K4，K5和K6均斷開，相當(dāng)于電機(jī)電樞回路串聯(lián)三個電阻RV1，RV2和RV3。通過仿真過程可以得出，隨著開關(guān)的依次斷開，即電機(jī)電樞回路串聯(lián)電阻的增加，可以觀察到電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸的降低。由以上仿真過程可知，采用電樞回路串電阻調(diào)速時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上向下調(diào)，電樞串聯(lián)電阻越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。若要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上向上調(diào)則不能采用此方法。由表達(dá)式3也可以得出以上結(jié)論的正確性。

另外，在圖1中也可以通過改變變阻器的值來完成以上調(diào)速過程。

二、仿真軟件Proteus在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用實例

步進(jìn)電動機(jī)，又稱脈沖電動機(jī)。其功能是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，由于可以直接接收數(shù)字信號、快速啟動和停止、精度高等優(yōu)點，步進(jìn)電機(jī)成為工業(yè)過程控制及儀表控制的主要控制元件之一。

按相數(shù)的不同，步進(jìn)電機(jī)可分為三相、四相、五相和六相等，筆者以四相（A、B、C和D相）步進(jìn)電機(jī)為例來說明。給四相步進(jìn)電機(jī)的四個相輸入不同的通電順序，即可得到步進(jìn)電機(jī)的幾種運行方式，即4相單4拍（通電順序為：A相-B相-C相-D相）、4相雙4拍（通電順序為：AB相-BC相-CD相-DA相）和4相單雙8拍（通電順序為：A相-AB相-B相-BC相-C相-CD相-D相-DA相）。

為了更好地理解步進(jìn)電機(jī)的工作過程及其工作原理，以四相步進(jìn)電機(jī)仿真過程為例來說明，仿真電路如圖2所示。

圖2中省略單片機(jī)引腳圖，圖中標(biāo)號P1.0-P1.3，P2.0-P2.2和P3.0-P3.2即為和單片機(jī)相應(yīng)引腳標(biāo)號相連的引腳。

圖2中單片機(jī)引腳P3.0-P3.2分別連接3個按鍵，分別為電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鍵，P2.0-P2.2分別連接3個指示燈，指示電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。由于單片機(jī)驅(qū)動能力不夠，不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，所以采用ULN2003A芯片來驅(qū)動電機(jī)。單片機(jī)的引腳P1.0-P1.3連接驅(qū)動芯片ULN2003A的四個輸入端1B-4B，驅(qū)動芯片的四個輸出端1C-4C分別連接電機(jī)定子的四個輸入端A，B，C和D。

通過編程依次給單片機(jī)引腳P1.0-P1.3不同的組合，如0001，0010，0100，1000，即依次給步進(jìn)電機(jī)四個相通電，通電順序為A相-B相-C相-D相，仿真開始后可以觀察到步進(jìn)電機(jī)一步一步的轉(zhuǎn)動；改變步進(jìn)電機(jī)四個相的通電順序，如A相-AB相-B相-BC相-C相-CD相-D相-DA相，即單片機(jī)引腳P1.0-P1.3給出依次給出0001，0011，0010，0110，0100，1100，1000，1001，即可觀察到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度（轉(zhuǎn)速）比前一種組合小；若單片機(jī)引腳P1.0-P1.3依次給出1000，0100，0010，0001，即步進(jìn)電機(jī)的通電順序為D相-C相-B相-A相，即可觀察到反轉(zhuǎn)指示燈亮，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

由以上仿真過程可以更深入地理解步進(jìn)電機(jī)的工作原理和工作過程，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)沿選擇的方向前進(jìn)一步，改變通電順序，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向；改變脈沖數(shù)可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。

三、結(jié)論

通過以上分析可知，在電機(jī)及拖動課程中使用Proteus仿真軟件有如下優(yōu)點：第一，改變以往的教學(xué)方法，改變教師講，學(xué)生聽得一頭霧水的現(xiàn)象。第二，通過仿真過程可以更容易理解理論知識，如直流電機(jī)為什么不采用直接啟動方法啟動、采用電樞回路串電阻啟動過程、步進(jìn)電機(jī)怎樣工作、怎樣改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速等等理論知識。第三，在掌握一定理論知識的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實驗、實踐課程的開展，這樣學(xué)生會對實驗、實踐課程更感興趣。反之，通過實驗、實踐課程更進(jìn)一步地理解相關(guān)的理論知識，培養(yǎng)了學(xué)生對課程的興趣。第四，同時通過實驗、實踐課程提高了學(xué)生的動手實踐能力，為后續(xù)的課程打下一定的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）