《直流電動(dòng)機(jī)的模型》課件

直流電動(dòng)機(jī)的模型課程目標(biāo)1理解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、磁場、電樞等重要部件。2掌握直流電機(jī)模型的建立方法學(xué)習(xí)如何建立不同的直流電機(jī)模型，例如1級模型、2級模型等。3了解直流電機(jī)的控制策略學(xué)習(xí)直流電機(jī)的控制策略，如電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制等。4掌握直流電機(jī)模型的應(yīng)用實(shí)例通過實(shí)例學(xué)習(xí)如何將直流電機(jī)模型應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中。前言直流電動(dòng)機(jī)是一種常見的電氣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、汽車、航空航天等。它可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)各種機(jī)械設(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)的模型可以幫助我們理解其工作原理、分析其性能，并設(shè)計(jì)更有效的控制策略。本課件將介紹直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、模型建立以及控制方法。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是電機(jī)靜止部分，主要包括磁場系統(tǒng)、電樞繞組、電刷和換向器等。轉(zhuǎn)子是電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分，主要包括轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組。定子磁場系統(tǒng)的主要作用是產(chǎn)生磁場，用于與轉(zhuǎn)子繞組中的電流相互作用，產(chǎn)生電磁力矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組是電機(jī)中產(chǎn)生電磁力矩的核心部分，其電流的大小和方向會影響電磁力矩的大小和方向。電刷和換向器是直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，用于將定子電流傳遞到轉(zhuǎn)子繞組，并保證轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向始終與定子磁場方向一致，從而產(chǎn)生持續(xù)的電磁力矩。定子繞阻定子繞組的作用定子繞組是直流電機(jī)中產(chǎn)生磁場的部分。電流流過定子繞組時(shí)，會在繞組周圍產(chǎn)生磁場，形成磁場。定子繞組的類型常見的定子繞組類型有：電磁鐵繞組和永磁體。定子繞組的設(shè)計(jì)定子繞組的設(shè)計(jì)需要考慮磁場強(qiáng)度、磁場方向、繞組的電阻和電流等因素。轉(zhuǎn)子繞阻轉(zhuǎn)子繞組通常由導(dǎo)線繞制而成，繞組形式多樣，常見的有環(huán)形繞組和波形繞組。轉(zhuǎn)子繞組可以連接到一個(gè)或多個(gè)換向器片上，這些換向器片可以與電刷接觸，從而實(shí)現(xiàn)電流方向的改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通電時(shí)，會在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生磁場，與定子磁場相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。直流電機(jī)的電壓方程直流電機(jī)的電壓方程描述了電機(jī)輸入電壓與電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速和電磁力矩之間的關(guān)系。直流電機(jī)的機(jī)械方程1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)慣性2負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載施加在電機(jī)軸上的阻力3電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩4摩擦轉(zhuǎn)矩電機(jī)運(yùn)行過程中的摩擦阻力電磁力矩定義轉(zhuǎn)子上的電流與定子產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生的力矩。公式T=KφIa影響因素磁場強(qiáng)度φ，轉(zhuǎn)子電流Ia電機(jī)特性曲線轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線反映電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，是電機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一。效率曲線展示電機(jī)效率隨負(fù)載變化的趨勢，有助于優(yōu)化電機(jī)工作狀態(tài)。分級方法一級模型最簡單，忽略了電機(jī)的電氣和機(jī)械動(dòng)態(tài)特性，無法準(zhǔn)確描述電機(jī)的瞬態(tài)過程。二級模型考慮了電機(jī)的電氣動(dòng)態(tài)特性，可以準(zhǔn)確描述電機(jī)的瞬態(tài)過程，更適用于電機(jī)控制。三級模型考慮了電機(jī)的機(jī)械動(dòng)態(tài)特性，可以準(zhǔn)確描述電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為，更適用于電機(jī)仿真和分析。1級直流電機(jī)模型1簡化模型忽略一些因素2線性模型假設(shè)線性關(guān)系3方便分析便于計(jì)算和理解與1級模型的對比1復(fù)雜性2級模型比1級模型更復(fù)雜，包含更多參數(shù)2精度2級模型更精確，能更好地反映電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)3應(yīng)用范圍2級模型適用于更復(fù)雜的控制需求，例如速度控制和位置控制2級直流電機(jī)模型1更加精確2級模型更精確地反映了電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，并能更好地模擬電機(jī)在不同負(fù)載和速度下的運(yùn)行狀況。2更復(fù)雜的建模2級模型引入了轉(zhuǎn)子的慣性，并考慮了電機(jī)的損耗，使得模型更加復(fù)雜，但同時(shí)也更加逼真。電流環(huán)1電流環(huán)的定義電流環(huán)是電機(jī)控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制電機(jī)電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2電流環(huán)的作用電流環(huán)通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓來控制電機(jī)電流，從而保證電機(jī)輸出的力矩和速度達(dá)到預(yù)期值。3電流環(huán)的結(jié)構(gòu)電流環(huán)通常由電流傳感器、控制器和電機(jī)組成。速度環(huán)反饋速度環(huán)使用速度傳感器來測量實(shí)際電機(jī)速度。誤差速度環(huán)將實(shí)際速度與期望速度進(jìn)行比較，計(jì)算速度誤差。控制速度環(huán)根據(jù)誤差調(diào)整電機(jī)電流，以達(dá)到期望的速度。位置環(huán)位置傳感器位置傳感器用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，例如編碼器或Resolver。PID控制器PID控制器用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的期望位置與實(shí)際位置之間的偏差，并生成控制信號。電機(jī)控制電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)PID控制器的輸出信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置。穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)平衡狀態(tài)在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流保持穩(wěn)定，沒有明顯的波動(dòng)。輸入電壓恒定電機(jī)輸入電壓保持不變，提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)。負(fù)載恒定電機(jī)輸出負(fù)載保持恒定，沒有突然的負(fù)載變化。無振蕩電機(jī)系統(tǒng)沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，保持平穩(wěn)運(yùn)行。瞬態(tài)分析1啟動(dòng)過程電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過渡過程2負(fù)載變化電機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載突然變化引起的過渡過程3磁場減弱通過減弱勵(lì)磁電流來降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，以提高電機(jī)運(yùn)行速度電機(jī)啟動(dòng)過程1啟動(dòng)電流啟動(dòng)時(shí)電流較大2轉(zhuǎn)速上升電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高3穩(wěn)定狀態(tài)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速負(fù)載變化過程1負(fù)載增加電機(jī)速度下降，電流增加。2負(fù)載減小電機(jī)速度上升，電流減小。3負(fù)載突變電機(jī)可能出現(xiàn)震蕩，需要控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。磁場weakening提高電機(jī)轉(zhuǎn)速降低能量消耗提升電機(jī)功率幾種特殊運(yùn)行工況制動(dòng)在需要快速停止電機(jī)時(shí)，通過反轉(zhuǎn)電流或施加制動(dòng)電阻的方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。再生制動(dòng)利用電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并反饋到電源中，實(shí)現(xiàn)能量回收。磁場減弱通過降低勵(lì)磁電流，減弱電機(jī)磁場，以提高電機(jī)速度，但會降低電機(jī)扭矩。永磁直流電機(jī)模型永磁直流電機(jī)模型使用簡單的電磁方程來描述電機(jī)特性。該模型在低速運(yùn)行和負(fù)載變化下具有較高的精度。永磁直流電機(jī)模型中，轉(zhuǎn)子磁場由永磁體提供，因此不需要?jiǎng)?lì)磁繞組。這簡化了電機(jī)模型，使其更易于分析和控制。帶編碼器的直流電機(jī)編碼器是一種將機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的傳感器。它可以精確地測量電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度和速度，并將其反饋到控制器中，以便控制器可以更精確地控制電機(jī)。編碼器可以提高直流電機(jī)的控制精度和穩(wěn)定性，并降低運(yùn)行噪音。編碼器有兩種主要類型：絕對式編碼器和增量式編碼器。絕對式編碼器可以記錄電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對位置，而增量式編碼器只能記錄電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對位置變化。直流電機(jī)的控制策略速度控制通過調(diào)整電機(jī)的電壓或電流，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。位置控制通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的積分，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置的控制。力矩控制控制電機(jī)輸出力矩，以滿足不同負(fù)載要求。能量優(yōu)化控制降低能耗通過優(yōu)化電機(jī)控制策略，可以最大限度地減少能量損耗，提高電機(jī)效率。節(jié)約成本減少電能消耗，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。環(huán)保效益減少碳排放，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。直流電機(jī)建模的應(yīng)用實(shí)例電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)通常使用直流電機(jī)，因此需要對其進(jìn)行精確的建模，以優(yōu)化汽車性能和續(xù)航里程。工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，其精度和效率取決于電機(jī)的精確控制，而電機(jī)建模是關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)模型的準(zhǔn)確性影響著發(fā)電效率和可靠性。本章小結(jié)1直流電機(jī)模型學(xué)習(xí)了直流電機(jī)的各種模型，了解了不同模型的特性和適用范圍。2電機(jī)控制掌握了直流電機(jī)控制的基本原理，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。3特殊工況了解了直流電機(jī)在不同特殊工況下的運(yùn)行特點(diǎn)，例如啟動(dòng)過程、負(fù)載變化過程和磁場削弱。復(fù)習(xí)思考題在本節(jié)課中，我們學(xué)習(xí)了直流電動(dòng)機(jī)模型，包括1級模型、2級模型以及其他模型。通過學(xué)習(xí)，你應(yīng)該了解直流電動(dòng)機(jī)的工