基于MATLAB的直流電動機降壓啟動及反接制動仿真

西安航空職業技術學院自動化工程學院 喬琳君 曹海紅 黨智乾

電機控制系統日益復雜，而仿真是研究電機的重要手段。MATLAB是一個高級的數學分析和運算軟件，也可以進行系統的建模和仿真。建?？梢猿嚼硐氲娜ツM復雜的現實物理系統；而仿真則可以對照比較各種控制策略和方案，優化并確定系統參數。本文結合MATLAB的特點，對他勵式直流電機進行建模、仿真[1][2]和分析。

1 MATLAB簡介

MATLAB軟件是美國MathWorks公司于20世紀80年代中期推出的高性能數值計算機軟件。經過三十幾年的不斷完善與更新換代，MATLAB已經發展成適合多學科、功能強大、特全的大型軟件，目前已推出MATLAB9.1 R2016b版。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環境。提供一個動態系統建模、仿真和分析的集成環境。在該環境中，通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。

2 直流電動機啟動和制動簡介

直流電動機啟動時Ist=（10～20）IN，過大的啟動電流對于電動機本身有一定的危害，也會影響同一電網上其他用電設備的正常工作，這些問題在大功率電動機上尤為明顯。因此，電動機啟動時采用降壓啟動。直流電動機降壓啟動方法有：電樞繞組串多級電阻啟動、降低電源電壓等。

直流電動機自由停車時在轉子的慣性與摩擦以及各種阻轉矩的作用下，轉速下降慢，停車耗時長。為提高工作效率，往往要求電機迅速停車，即對電動機采取制動控制。常用的電氣制動方法有反接制動和能耗制動。

本文采用MATLAB/Simulink[3]對直流電動機進行串三級電阻降壓啟動及反接制動控制仿真分析。

3 直流電動機降壓啟動及反接制動仿真

創建直流電動機帶T=30N·m的恒定負載時降壓啟動及反接制動的仿真模型。選擇文件(File)中的新文件(New)菜單項，SIMULINK會新建一個新模塊編輯窗口，只要從各模塊庫中調取模塊、定義模塊參數、連接模塊、設置仿真參數、運行仿真、點擊示波器就可以觀察分析仿真結果。

3.1 提取模塊

模塊的提取可以采用在模塊庫中選中模塊后拖動到編輯窗口的復制方法，仿真模型中應用的主要模塊及其提取的路徑：

直流流電源：SimulinkSimPowerSystemElectrical SourcerDC V oltage Source

直流電機：SimulinkSimPowerSystemMachinesDC Machine

RLC 串聯支路：simpowersystems－elements－series RLC branch

定時器：simpowersystems－control blocks－timers

斷路器：simulink－commonly used blocks－breaker

理想開關：simpowersystems－power electronics－ideal switch

電機測試信號分配器：SimulinkSimPowerSystemMachinesMachine Measurement

增益模塊： SimulinkCommonly Used BlocksGain

示波器：simulink－commonly used blocks－scope

3.2 模塊參數設置

定義模塊參數采取用鼠標左鍵雙擊模塊圖標的辦法，即可得到模塊參數設置對話框。依次對各模塊根據要求設置參數。

3.3 連接線路圖

圖1 直流電動機降壓啟動及反接制動仿真模型

圖2 三級電阻啟動器

用鼠標左鍵點擊起點模塊的輸出端（三角符號），拖動鼠標器，出現一條帶箭頭的直線時，將其箭頭拖至終點模塊的輸入端再釋放鼠標左鍵，自動生成一條帶箭頭的連線，將兩個模塊連接起來。連接好的電路圖如圖1所示。

如圖1虛線框所示，該模型3個主要單元功能如下：

單元1：電機串三級電阻啟動電路。其中，240V直流電壓給電機電樞繞組供電，240V正極接至電機電樞繞組的A+端，ideal switch用于控制電機電動運行。Motor Starter為電動機串三級電阻啟動控制器[4]，內部電路結構如圖2。

單元2：電機反接制動電路。ideal switch2用于控制電機反接制動電源。240V直流電源負極接至電機電樞繞組的A+端。

單元3：他勵式直流電動機，電樞電壓和勵磁電壓都為240V，電樞電流16.2A，轉速1220r/m。

3.4 仿真及分析

選擇Start命令可以啟動仿真程序，通過虛擬示波器Scope觀察系統仿真結果輸出。仿真波形如圖3所示。波形曲線自上而下依次為電機轉速n、電樞電流i、電磁轉矩T。

圖3 直流電動機降壓啟動及反接制動仿真波形

如圖3所示，仿真時間設置為30S。在0.5s時刻，接通電樞電壓，三級啟動電阻全部串接于電樞電阻中，隨時間進行電樞電流和電磁轉矩逐漸減小，電機轉速從零逐漸上升；為減小電機啟動時間，在3s時，切除一級電阻，可以看到此時電樞電流和電磁轉矩瞬間突變增大，之后逐漸減小，電機轉速從零持續上升；在5s時切除二級電阻，在7s時切除三級電阻，此時三級電阻全部切除，可以看到電機轉速穩定在1220r/p，電樞電流穩定在16.2A，電磁轉矩穩定在35N·m，整個啟動過程結束，電動機以240V全壓運行。

當電動機穩定運行至15s時，切斷正向電樞電壓，接通反向電樞電壓。此時，電機轉速從1220r/p開始下降，電樞電流和電磁轉矩由正值突變為負值，即電樞電流和電磁轉矩由正值反向，而此時電機轉速依然為正向，故電流和轉矩為制動電流和制動轉矩，電動機進入制動過程。在制動轉矩作用下，電機轉速逐漸減小，電樞電流和電磁轉矩反向減小。在20s處，可以看到電機轉速降為0，電樞電流、電磁轉矩也反向降為0，整個制動過程結束，制動時間5s。該模型基本可以反映直流電動機降壓啟動及反接制動時的各參數和性能變化。

本文在MATLAB/Simulink的環境下,對他勵式直流電動機進行了降壓啟動及反接制動建模仿真，分析結果表明應用Simulink進行直流電動機仿真方便直觀,仿真結果與實際接近[5]。

[1]雷小雙,劉浩,張慧杰.基于MATLAB的他勵直流電動機起動仿真分析[J].電子技術與軟件工程,2016(16)：78-79.

[2]汪明先,榮軍,吳祥營,陳敏,劉凌.基于MATLAB的直流電動機啟動的仿真研究[J].電子技術,2013,42(07)：7-9.

[3]胡林林,付龍.Matlab仿真軟件在電機與拖動中的應用[J].電子世界,2017(11)：120+122.

[4]王曉旭.直流電動機串電阻起動的設計與仿真[J].邢臺學院學報,2015,30(04)：168-171.

[5]廖育梅.直流電動機改變電樞電壓調速的simulink仿真[J].中外企業家,2014(35)：148.