張小石，郝秀平，廖 輝，魏松波

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。直流電機(jī)與交流電機(jī)相比，省去了交變整流的裝置，節(jié)省了成本。為了便于車載、機(jī)載等移動(dòng)使用，儲(chǔ)能裝置提供的電能大多為直流，可見，直流電機(jī)還是有很大的應(yīng)用前景。

1 三相直流電機(jī)的工作原理

直流電機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、電子開關(guān)、位置傳感器組成，其工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)工作原理框圖

從圖1 可見，所謂直流電機(jī)就是為電機(jī)提供電能的電流為直流，使用的電機(jī)本身還是一個(gè)三相電機(jī)。首先由直流電源供電；其次由PWM調(diào)制器產(chǎn)生PWM波通過驅(qū)動(dòng)電路來控制逆變器的6個(gè)三極管導(dǎo)通，進(jìn)而控制三相電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；最后通過反饋元件來控制逆變器，電機(jī)中定子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。

2 在MATLAB／Simulink中的建模

Simulink是MATLAB中的一個(gè)功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在集成模塊中嵌套數(shù)學(xué)函數(shù)編程，且具有強(qiáng)大的電力電子和電機(jī)仿真建模能力。

Simulink中建立的電機(jī)模型見圖2 ，該模型由直流電源DC模塊、逆變器Universal Bridge模塊、調(diào)制器PWM Generator模塊、三相電機(jī)模塊以及測量模塊組成。

圖2 Simulink中的電機(jī)模型

3 模塊中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

調(diào)制器PWM Generator模塊的主要功能是產(chǎn)生PWM波，其具體參數(shù)設(shè)置如圖3 所示。

逆變器Universal Bridge模塊的主要功能是通過調(diào)制器PWM Generator產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)逆變器的三臂橋來驅(qū)動(dòng)三相直流電機(jī)，其具體參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

通過三相電機(jī)模塊可以調(diào)節(jié)電機(jī)的具體參數(shù)，三相電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置如圖5 所示。

測量模塊與電機(jī)模塊配合使用，用來測量電機(jī)的各參數(shù)，如三相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等。測量模塊的參數(shù)設(shè)置見圖6 。

圖3 調(diào)制器PWM Generator參數(shù)設(shè)置

圖4 逆變器Universal Bridge參數(shù)設(shè)置

圖5 三相電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置

圖6 測量模塊參數(shù)設(shè)置

4 動(dòng)態(tài)仿真分析

三相直流異步電機(jī)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速1 500rad／s的啟動(dòng)時(shí)間大約為0.25ms，在0.3ms給電機(jī)施加10 Nm的轉(zhuǎn)矩，該功能由階躍函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到1 400rad／s，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩在0.3ms由啟動(dòng)后的0Nm變?yōu)?0Nm。

三相電流在0.3ms以后電流的幅值明顯增大，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，需要的電能也隨之增大，所以電機(jī)的三相電流增大了，這說明仿真符合現(xiàn)實(shí)情況。三相電流iA，iB，iC分別如圖7 、圖8 、圖9所示。

圖7 電流iA曲線

圖8 電流iB曲線

圖9 電流iC曲線

電機(jī)在啟動(dòng)后0.25ms達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速1 500 rad／s，由于在0.3ms加了10Nm的轉(zhuǎn)矩，所以在0.3 ms后電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到1 400rad／s，電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線如圖1 0所示。

圖1 0 電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩曲線如圖1 1所示。電機(jī)在0.25 ms達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速1 500rad／s時(shí)沒有施加轉(zhuǎn)矩，所以此時(shí)的轉(zhuǎn)矩為0Nm；在0.3ms加了10Nm的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩曲線也有相應(yīng)的變化。

圖1 1 轉(zhuǎn)矩曲線

通過三相直流電機(jī)的仿真分析，可了解電機(jī)啟動(dòng)過程中的三相電流、轉(zhuǎn)速、力矩變化關(guān)系。本文在0.3ms施加了10Nm的轉(zhuǎn)矩，得到了與實(shí)際情況相一致的電機(jī)的三相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩仿真曲線。故利用MATLAB仿真有助于更好地理解電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載的過程。

［1］薛定宇.基于 MATLAB／Simulink系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［2］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］郭慶鼎，趙希梅.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2008.