直流有刷电机及Matlab/Simulink驱动仿真


前言

系列文章将更新直流有刷电机的工作原理、仿真控制以及应用STM32开发板及驱动板完成对直流有刷电机的实际控制。

一、直流有刷电机简介

直流有刷电机(Brushed DC Motor,BDC):是一种内含电刷装置,可以将直流电能转换为机械能的发动机。
直流有刷电机由定子、转子、电刷以及换向器组成,如下图所示:
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1、定子:产生恒定的磁场
2、转子:通电后受力可以在磁场中运动
3、电刷:将外部电流输入到转子绕组上
4、换向器:改变转子绕组上的电流流向,是电机可以持续转动的关键部件

二、直流有刷电机的工作原理

直流有刷电机的本质工作原理为:通电导体在磁场中的受力运动。由“左手定则”可判断通电导体在磁场中的受力方向。
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如上图所示:C、D两个半圆周的铜片构成换向器,两个弹性铜片A、B靠在换向器两侧为电刷,电源通过电刷向内部线框供电。内部线框两侧有一对磁极N/S,磁力线由N到S,当内部线框有电流流过,两侧导线就会受到磁场力的作用,由“左手定则”可判断,左侧导线受到的磁场力F1和右侧导线受到的磁场力F2方向相反,线框在磁场力的作用下开始转动,电流的流向为:A->C->a1->a2->b2->b1->D->B。当转过90度时,换向器改变了内部电枢电流的方向,使线框左右两侧导线产生的磁场力方向不变,电机可以一直旋转下去,此时的电流方向为:A->D->a1->a2->b2->b1->C-B,如下图所示。
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三、直流有刷电机的驱动及仿真

直流有刷电机的驱动很简单,在允许的电压范围内,给直流电机提供稳定的直流电源,即可驱动直流电机的转动。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下:
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仿真模型由直流电源与直流电机两部分构成,直流电机选择 5HP 240V 1750RMP Field:300V
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供电电源设置为240V,励磁电源设置为300V,由电机的参数计算出该直流电机的带负载能力(此处设置为恒功率负载)为:
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功率:5HP=3728.50W,转速:1750r/min,代入上式计算负载转矩TL:20.35

3.2、仿真结果分析

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电机转速达到额定转速:1750r/min
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电枢电流约为:21A
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励磁电流约为:1.066A
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电磁转矩约为:21.4
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3.3、直流有刷电机的换向控制

根据直流有刷电机的工作原理可知,当转子线圈中电流的方向发生变化,线圈的受力情况也会发生改变,因此只要改变转子线圈中电流的方向,即可完成直流电机的换向控制。
将上述仿真模型的直流电源输入设置为:-240V;电磁转矩TL设置为:-20.35
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3.4、仿真结果分析

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电机达到额定转速:-1750r/min
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电枢电流约为:-21A
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励磁电流约为:1.066A
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电磁转矩约为:-21.4
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总结

分析了直流有刷电机的工作原理,通过Matlab/Simulink实现了直流有刷电机的驱动及换向控制,为后续章节的仿真及分析奠定基础。

直流电机在众多工程领域中发挥着关键作用,其建模与仿真对于深入理解并优化系统性能具有重要意义。MATLAB/Simulink作为一款功能强大的工具,为电气工程师提供了极大便利,能够通过图形化界面直观地模拟直流电机的动态行为。本文将重点介绍直流电机MATLAB/Simulink建模仿真,适合刚刚踏入这一领域的初学者。 直流电机的工作原理是通过改变流入电机绕组的电流来控制转速和扭矩。其主要结构包括定子、转子、电枢绕组、换向器和电刷。当施加直流电压时,电枢电流产生磁场,与永久磁铁或电磁铁的磁场相互作用,从而产生旋转力矩。在MATLAB/Simulink中构建直流电机模型时,通常需要关注以下几个关键步骤: 构建电路模型:直流电机可以看作是由电动势(E)、内阻(R)和电感(L)组成的RLC电路。在Simulink中,可以利用电气库中的元件,如电压源、电阻和电感,来搭建这一电路模型。 转速与角度模型:电机的转速(ω)和角度(θ)由电机动力学方程描述,涉及电磁力矩(Tem)、转动惯量(J)和摩擦力矩(B)等因素。在Simulink中,可通过离散或连续的数学函数块来表达这些关系。 状态变量与换向逻辑:对于有刷直流电机,换向器的作用不可忽视。换向器会随着电机旋转改变电流方向,以保持电磁力矩的恒定。这一部分可以通过逻辑门或开关模块来实现。 仿真设置:合理设置仿真时间和步长,确保结果的准确性和稳定性。同时,利用Simulink的“Scope”模块可以观察和分析电机的性能参数。 验证与调试:将模型结果与理论计算或实验数据进行对比,验证模型的准确性。如果存在偏差,可能需要调整电路参数或优化模型结构。 扩展应用:在掌握基本模型后,可以进一步研究控制策略,例如PID控制器,或者将电机模型集成到更复杂的系统中,如伺服驱动或电动汽车动力系统。 在提供的压缩文件中,“18cfa4db0ff94e399a210
### 如何在Simulink中创建有刷直流电机模型 #### 准备工作 为了成功建立并运行有刷直流电机模型,需先安装必要的MathWorks产品,包括但不限于电机控制模块™、Simulink 控制设计™ 和 Stateflow®(当需要修改示例模型时)。这些工具提供了构建复杂控制系统所需的功能和支持[^2]。 #### 克隆项目库 可以从GitHub上获取官方提供的电机控制器设计方案作为起点。具体命令如下所示: ```bash git clone https://github.com/mathworks/Design-motor-controllers-with-Simscape-Electrical.git ``` 此仓库内含多个针对不同类型的电机建模实例,尽管主要聚焦于无刷直流电机,但对于理解如何利用Simscape Electrical组件来实现特定参数设置具有指导意义[^1]。 #### 构建有刷直流电机模型 虽然给定资料集中重点描述了无刷直流电机及其六步换相控制策略的设计过程[^3],但在Simulink/Simscape环境中搭建有刷直流电机模型同样遵循相似的原则: 1. **启动MATLAB环境** 并打开一个新的空白Simulink模型文件。 2. **添加电气元件** - 使用 `Library Browser` 寻找合适的物理网络部件,特别是来自 Simscape > Foundation Library > Electrical Elements 的电阻器 (Resistor),电感线圈(Inductor)以及电压源(Voltage Source)等基础元器件; - 对于有刷直流电机本身,则应考虑采用现成的集成化模块如 `DC Motor` 或者手动组合上述提到的基础原件加上机械负载部分以形成完整的机电转换结构; 3. **配置电机特性** 设置所选电机对象的关键属性,比如额定功率(Rated Power)、额定电压(Rated Voltage)、转速(RPM)以及其他影响性能表现的重要因素。对于自定义情况下的详细数值设定可参照实际应用场景需求而定。 4. **连接电路与其他子系统** 将电源输入端口与电机相连,并根据实际情况引入反馈机制或者其他辅助功能单元完成整个系统的闭环调节架构建设。 5. **仿真测试** 完整组装好之后即可通过调整初始条件和激励信号来进行初步验证实验,在观察波形变化的同时不断优化内部算法直至达到预期效果为止。 ```matlab % 示例代码片段用于展示如何初始化一个简单的有刷直流电机对象 brushed_dc_motor = simscape.Electrical.Machines.DCMachine; brushed_dc_motor.RatedPower = 50; % 单位:W brushed_dc_motor.RatedVoltage = 12; % 单位:V brushed_dc_motor.NominalSpeed = 1500; % 单位:rpm brushed_dc_motor.ArmatureResistance = 0.7; % 单位:Ω brushed_dc_motor.FieldResistance = 1e6; % 假设为永磁型,故场绕组阻抗极大 ```
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