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机电传动控制实验中Matlab仿真系统的研究

2020/10/20    来源:互联网    作者:李清香  丁时锋      
关键字:机电传动控制  Matlab  仿真实验  电动机  
本文利用Matlab的Simulink和SinPowerSysterms两个模块库仿真了直流他励电动机直接起动和串电阻起动的过程,将仿真软件的教学与实际电机实验相结合,与传统实验相比此方法具有直观、方便、高效等优点,为机电传动控制实验提供了仿真方法。

    《机电传动控制》是机械设计制造及自动化专业的专业基础课和必修课程,该课程内容突出特点是机电结合、电为机用,密切结合工程实际。由于学校实验室的条件有限,同时受到学时的限制,该课程很多实验开设过程中采用传统的实验教学方法有很大困难。随着计算机技术的飞速发展,新的教学方法和新的辅助教学手段不断出现,传统的实验教学观念和实验教学方法已不能适应客观要求,利用实验仿真系统势在必行,使用计算机仿真技术对各种系统进行仿真操作具有方便快速、价格低廉及有助于激发学生的创造力等优点。在众多仿真语言和仿真软件包中,Matlab以其模块化的计算方法,可视化与智能化的人机交互功能,丰富的矩阵运算、图形绘制、数据处理以及模块化的动态系统仿真工具Simulink,成为仿真领域最受欢迎的软件系统。将这种先进的设计理念融合到实验教学中来,这将是从验证型实验到设计型综合型实验教学模式的创新,同时对加强学生素质教育,培养机电应用型人才都具有重要作用。

1 Matlab/Simulink概述

    1980年前后,美国的Cleve Moler博士开发了Matlab语言。Matlab是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据,它将高性能的数值计算和可视化集成在一起,广泛应用于各个领域的分析、设计和仿真工作。同时Matlab也是一种优秀的仿真环境和语言,其内含的Simulink和SimPowerSysterms(电力系统模块库)已经成为研究和分析电机运动控制系统的重要工具。

    Simulink是基于Matlab的框图设计环境,对各种动态系统进行建模、分析和仿真。Simulink本身包含sources、sinks、Discrete、math、Nonlinear和continuous等模块库。通过鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面,然后利用模块所提供的各种功能对系统进行仿真。Simulink几乎可以实现不必书写一行代码而完成整个动态系统的建模工作。

    Matlab中有一个SimPower Systerms模块库,其中不仅有直流电机、异步电机、同步电机、永磁同步电机等各种类型电机的仿真模块,也有晶闸管、整流二极管、MOSFET、IGBT等各种电力电子器件以及各种电路元件的仿真模块等等。SimPowerSysterms模块库可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。机电传动控制实验是在Matlab的Simulink环境下,主要使用Simulink和SimPowerSysterms两个模块库构造电机相关实验的仿真模型。

2 机电传动控制实验的Matlab仿真实例

    2.1 Matlab/Simulink的操作

    以Math Works公司最新发布的Matlab R2007a Version 7.4为平台,先启动Matlab,点击“Matlab”工具条上的快捷键图标或在“Matlab”的“Command Window”窗口中输入“simulink”命令后回车都可以进入“simulink”程序界面。在“Simulink Library Browser”程序界面中点击菜单“File-New-Model”就可以新建一个空白的模型编辑窗口,然后从模块库窗口中选择合适的元件,在模块编辑窗口中搭建要仿真的系统的整个模型。设定各元件参数后点击“Start Simulation”就可运行仿真电路,并通过示波器显示仿真波形,仿真过程中选择“Stop Simulation”命令可终止仿真。

    2.2 仿真模型及其结果

    (1)建立仿真模型

    直流他励电动机直接起动仿真模型如图1。

    直流电动机串电阻起动仿真模型如图2。图2中元件Subsystem3是一子系统,其内部结构模型如图3所示,共串了四段起动电阻。

直接起动仿真模型

图1 直接起动仿真模型

串电阻起动仿真模型

图2 串电阻起动仿真模型

Subsystem3子系统内部结构模型

图3 Subsystem3子系统内部结构模型

    (2)仿真结果

    设定电动机模型参数、阶跃信号发生时间和各段起动电阻值,完成各元件模块参数的设置。然后在“Simulation”菜单下选择“Simulation parameters”,设置仿真参数,直接起动的仿真时间设置为1秒,串电阻起动的仿真时间设置为10秒。在设置完仿真参数后,点击“Start Simulation”就可运行仿真电路。仿真结束后,双击“示波器”,则可以从示波器上观测到电动机的转速n、电枢电流Ia、励磁电流If和电磁转矩r等量随时间的变化曲线。

    仿真结果也可以保存到工作空间,并以图形的格式输出。直流他励电动机直接起动仿真结果如图4所示,直流他励电动机串电阻起动仿真结果如图5所示。

直接起动仿真结果

图4 直接起动仿真结果

串电阻起动仿真结果

图5 串电阻起动仿真结果

    从仿真结果可见,直接起动时起动电流和起动转矩都极大,而串电阻起动可以使整个起动过程的起动电流和起动转矩在一限定的范围内。通过上述例子可以看出,让学生在Matlab环境中用Simulink仿真包来建立自己设计的模型,可以很容易地得出仿真结果,而且仿真结果可视化,很形象,对加强学生的理论学习有较大的帮助。

责任编辑:程玥
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