张琪，雷良育，，刘国辉，胡峰，荆家宝，张强

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安，311300；2.浙江兆丰机电股份有限公司，浙江 杭州，311232)

直流电机(DC motor)是将直流电能转换为机械动能的最传统的电动机，因其结构简单且具有良好的调速性能，所以被广泛应用于工业、汽车和家用电器等领域。在直流电机的控制设计中，往往因为不能准确预测电机机械特性和电枢电流的改变，而使得电机运行的寿命大大减少。但是传统的测试方法都是运用大型测功机等设备进行测试，成本高且测试时间较长，不利于试验快速便捷的操作和参数的快速识别，而且操作不当时，容易导致电机的损坏甚至烧毁。因此，越快、越准确的对直流电机相关运行特性进行测试就显得极其重要[1]。

在现代工业中，计算机技术广泛运用于各个领域，所以文中提出运用MATLAB/Simulink中的电机相关仿真模块搭建电机模型[2]，直观、快速且较为准确的模拟出直流电机的启动和调速等运行工况下电机的机械特性、电枢电流和电源电压的变化，为电机控制的设计提供准确的参考数据。

1 直流电机降压启动的MATLAB/simulink仿真模型

图1 直流电机降压启动测试系统的仿真模型Fig.1 A simulation model of DC motor’s step-down start test system

图2 直流电机参数Fig.2 The DC motor parameters

利用MATLAB/simulink中的相关仿真模块，搭建出如图1所示的直流电机降压启动测试系统的仿真模型。使用到的仿真模块主要有：直流电流源模块、直流电机本体模块、电压测量模块和波形显示模块等[3]。其中为了使仿真电压源的电压由小到大的变化，采用斜坡信号控制的受控电流源与电阻并联组合成等效电压源，电流源线性增大的过程就等于电压源线性增大的过程。仿真用到的直流电机模型只需输入相关参数即可完成电机模型的建立，电机模型参数为：电枢绕组电阻和电感、励磁绕组电阻和电感、电枢绕组和励磁绕组互感、转子转动惯量等[4]，这些参数在电机本体设计时就可以得到，具体设置如图2所示。

从图3可以看出直流电机在电源电压线性增加的同时，电机的转速、转矩和电枢电流也在平稳的增加，可以很好的计算出使电机到达额定转速时所需启动电压的设定形式[5]，并可以预测出电枢电流变化趋势，用以防止在实际启动测试时电枢电流过大烧坏电机。由此可以说明MATLAB/simulink在电机启动控制设计中可以得到很好的运用。

图3 直流电机降压启动电机特性的变化曲线Fig.3 Variation curves of DC motor’s characteristics for step-down start-up motor

2 直流电机电枢回路电压调速MATLAB/simulink仿真模型

图4 直流电机电枢电压调速的仿真模型Fig.4 A simulation model of armature voltage speed regulation of the DC motor

改变电枢回路电压调速，就是在一定的负载条件下，通过改变电枢电压的方式以达到调节转速的目的。在直流电机中，电机转速和电机电压近似成正比。但是在调压过程中电枢电流也会跃变式增高，当超过电枢绕组所能承受的最大值时，将会给电机整体带来不利的影响，所以在调速控制设计时需要对电机特性变化做出准确的预测[6-7]。文中给出了直流电机电枢电压调速的MATLAB/simulink仿真模型如图4所示。其中此调速方案是用时间激励模块在不同时间点上施加不同电流值来改变电压的，得到的电压是跃变的[8-9]，并得到了准确的直流电机的电枢电流和电磁转矩随电压变化的曲线，如图5所示。由此可以得出该仿真模型能够很好用于电机调速测试中。

图5 直流电机电枢电压调速的电机特性变化曲线Fig.5 Characteristic traces of armature voltage speed regulation of the DC motor

3 结论

文中针对传统电机测试方法的弊端，给出了基于MATLAB/Simulink组建的电机启动和调速的仿真模型，结合电机实际电阻和电感损耗，能够快速准确的模拟预测出了电机启动和调速时的特性变化情况，验证了MATLAB/simulink在直流电机测试中的有效性，为后期电机控制方案的拟定提供数据参考。