基于MATLAB的直流电动机降压启动及反接制动仿真

西安航空职业技术学院自动化工程学院 乔琳君 曹海红 党智乾

电机控制系统日益复杂，而仿真是研究电机的重要手段。MATLAB是一个高级的数学分析和运算软件，也可以进行系统的建模和仿真。建模可以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。本文结合MATLAB的特点，对他励式直流电机进行建模、仿真[1][2]和分析。

1 MATLAB简介

MATLAB软件是美国MathWorks公司于20世纪80年代中期推出的高性能数值计算机软件。经过三十几年的不断完善与更新换代，MATLAB已经发展成适合多学科、功能强大、特全的大型软件，目前已推出MATLAB9.1 R2016b版。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境。提供一个动态系统建模、仿真和分析的集成环境。在该环境中，通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

2 直流电动机启动和制动简介

直流电动机启动时Ist=（10～20）IN，过大的启动电流对于电动机本身有一定的危害，也会影响同一电网上其他用电设备的正常工作，这些问题在大功率电动机上尤为明显。因此，电动机启动时采用降压启动。直流电动机降压启动方法有：电枢绕组串多级电阻启动、降低电源电压等。

直流电动机自由停车时在转子的惯性与摩擦以及各种阻转矩的作用下，转速下降慢，停车耗时长。为提高工作效率，往往要求电机迅速停车，即对电动机采取制动控制。常用的电气制动方法有反接制动和能耗制动。

本文采用MATLAB/Simulink[3]对直流电动机进行串三级电阻降压启动及反接制动控制仿真分析。

3 直流电动机降压启动及反接制动仿真

创建直流电动机带T=30N·m的恒定负载时降压启动及反接制动的仿真模型。选择文件(File)中的新文件(New)菜单项，SIMULINK会新建一个新模块编辑窗口，只要从各模块库中调取模块、定义模块参数、连接模块、设置仿真参数、运行仿真、点击示波器就可以观察分析仿真结果。

3.1 提取模块

模块的提取可以采用在模块库中选中模块后拖动到编辑窗口的复制方法，仿真模型中应用的主要模块及其提取的路径：

直流流电源：SimulinkSimPowerSystemElectrical SourcerDC V oltage Source

直流电机：SimulinkSimPowerSystemMachinesDC Machine

RLC 串联支路：simpowersystems－elements－series RLC branch

定时器：simpowersystems－control blocks－timers

断路器：simulink－commonly used blocks－breaker

理想开关：simpowersystems－power electronics－ideal switch

电机测试信号分配器：SimulinkSimPowerSystemMachinesMachine Measurement

增益模块： SimulinkCommonly Used BlocksGain

示波器：simulink－commonly used blocks－scope

3.2 模块参数设置

定义模块参数采取用鼠标左键双击模块图标的办法，即可得到模块参数设置对话框。依次对各模块根据要求设置参数。

3.3 连接线路图

图1 直流电动机降压启动及反接制动仿真模型

图2 三级电阻启动器

用鼠标左键点击起点模块的输出端（三角符号），拖动鼠标器，出现一条带箭头的直线时，将其箭头拖至终点模块的输入端再释放鼠标左键，自动生成一条带箭头的连线，将两个模块连接起来。连接好的电路图如图1所示。

如图1虚线框所示，该模型3个主要单元功能如下：

单元1：电机串三级电阻启动电路。其中，240V直流电压给电机电枢绕组供电，240V正极接至电机电枢绕组的A+端，ideal switch用于控制电机电动运行。Motor Starter为电动机串三级电阻启动控制器[4]，内部电路结构如图2。

单元2：电机反接制动电路。ideal switch2用于控制电机反接制动电源。240V直流电源负极接至电机电枢绕组的A+端。

单元3：他励式直流电动机，电枢电压和励磁电压都为240V，电枢电流16.2A，转速1220r/m。

3.4 仿真及分析

选择Start命令可以启动仿真程序，通过虚拟示波器Scope观察系统仿真结果输出。仿真波形如图3所示。波形曲线自上而下依次为电机转速n、电枢电流i、电磁转矩T。

图3 直流电动机降压启动及反接制动仿真波形

如图3所示，仿真时间设置为30S。在0.5s时刻，接通电枢电压，三级启动电阻全部串接于电枢电阻中，随时间进行电枢电流和电磁转矩逐渐减小，电机转速从零逐渐上升；为减小电机启动时间，在3s时，切除一级电阻，可以看到此时电枢电流和电磁转矩瞬间突变增大，之后逐渐减小，电机转速从零持续上升；在5s时切除二级电阻，在7s时切除三级电阻，此时三级电阻全部切除，可以看到电机转速稳定在1220r/p，电枢电流稳定在16.2A，电磁转矩稳定在35N·m，整个启动过程结束，电动机以240V全压运行。

当电动机稳定运行至15s时，切断正向电枢电压，接通反向电枢电压。此时，电机转速从1220r/p开始下降，电枢电流和电磁转矩由正值突变为负值，即电枢电流和电磁转矩由正值反向，而此时电机转速依然为正向，故电流和转矩为制动电流和制动转矩，电动机进入制动过程。在制动转矩作用下，电机转速逐渐减小，电枢电流和电磁转矩反向减小。在20s处，可以看到电机转速降为0，电枢电流、电磁转矩也反向降为0，整个制动过程结束，制动时间5s。该模型基本可以反映直流电动机降压启动及反接制动时的各参数和性能变化。

本文在MATLAB/Simulink的环境下,对他励式直流电动机进行了降压启动及反接制动建模仿真，分析结果表明应用Simulink进行直流电动机仿真方便直观,仿真结果与实际接近[5]。

[1]雷小双,刘浩,张慧杰.基于MATLAB的他励直流电动机起动仿真分析[J].电子技术与软件工程,2016(16)：78-79.

[2]汪明先,荣军,吴祥营,陈敏,刘凌.基于MATLAB的直流电动机启动的仿真研究[J].电子技术,2013,42(07)：7-9.

[3]胡林林,付龙.Matlab仿真软件在电机与拖动中的应用[J].电子世界,2017(11)：120+122.

[4]王晓旭.直流电动机串电阻起动的设计与仿真[J].邢台学院学报,2015,30(04)：168-171.

[5]廖育梅.直流电动机改变电枢电压调速的simulink仿真[J].中外企业家,2014(35)：148.