电机及拖动课程中仿真软件Proteus的应用

摘要：电机及拖动课程是自动化专业重要的专业课程，其内容比较抽象，知识点较多，理论性、实用性和实践性均很强，学生在学习过程中普遍反应对基础知识难以理解，同时，对实验教学环节不感兴趣。提出将仿真软件引入课堂教学，通过软件仿真过程使学生对基础知识进一步的理解、掌握，同时为动手实验打下一定的基础，提高学生的学习兴趣。

关键词：电机拖动；proteus软件；仿真

作者简介：黄晓（1982-），女，湖北武汉人，江汉大学文理学院信息技术学部，讲师；韩彩霞（1974-），女，湖北武汉人，江汉大学文理学院信息技术学部，讲师。（湖北 武汉 430056）

基金项目：本文系江汉大学文理学院科研基金项目（项目编号：2014YK31）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0081-02

电机及拖动课程是电气自动化、机电一体化等电气类专业的重要专业基础课程之一，它是将电机学、电力拖动和控制电机等课程有机结合的一门综合性课程。该课程内容抽象，理论性和实践性都很强，教学效果直接影响到后续课程的学习，如自动控制技术、工厂电气控制设备等等。

本文提出在电机及拖动课程中使用仿真软件Proteus来帮助学生更好地理解相关的理论知识，在掌握理论知识的基础上，为后续的实践教学环节打下一定的基础。下面举例说明仿真软件Proteus在电机及拖动课程中的应用。

一、仿真软件Proteus在直流电机中应用实例

1.直流电动机电枢回路串电阻启动仿真分析

由电动机的电势平衡方程可知，电机电枢回路电流为

（1）

其中Ia为电枢电流，U为电源电压，Ea为感应电动势，Ra为电枢电阻，Rc为电枢回路串联电阻。

若将直流电动机接上直流电源，使之从静止状态开始旋转直至稳定运行，这个过程称为电机的启动。下面通过图1来分析直流电动机为什么不采用直接启动方法启动和采用电枢回路串电阻启动的过程分析。

单片机的引脚P3.0-P3.2分别连接三个按键，即电机的正转、反转和停止按键，单片机的引脚P2.0-P2.2分别连接三只LED用来指示电机的正转、反转和停止。（这部分连接和图2（b）是完全一样的，这里省略此部分图。）

如图1所示，图中省略了单片机的引脚图。图1中标号P1.0，P1.1即为和单片机相应引脚相连的标号。

由于单片机驱动能力不够，所以不能直接驱动电机，图1中采用L298N驱动芯片来驱动电机。利用单片机的P1.0和P1.1引脚控制驱动芯片L298N的两个输入端IN1和IN2，它们的三种不同组合即P1.1P1.0=01、10或11，分别控制电机的正转、反转和停止，并分别用三只LED指示电机的不同运行状态。驱动芯片L298N的输出端OUT1和OUT2通过桥式电路连接电机的两个输入端，在电机的两端串联三个分级启动电阻RV1、RV2和RV3，同时串联一只电流表用来观察电机运行过程中电流的变化情况。仿真过程如下：

（1）将三个开关K4、K5和K6均闭合，开始仿真，此时相当于电机电枢回路没有串联电阻，即采用直接启动，可以观察到电流表的示数较大，电机的转速升高很快。

（2）将三个开关K4、K5和K6均断开，开始仿真，此时相当于电机电枢回路串联三个电阻启动RV1、RV2和RV3，可以观察到电流表的示数很小，电机的转速逐渐升高。

（3）将三个开关间隔一段时间闭合一个开关，直至全闭合为止。即启动开始三个开关K4、K5和K6均闭合，即电枢回路串联三个电阻RV1、RV2和RV3；运行一段时间将开关K6闭合即切换掉电阻RV3，此时电枢回路串联两个电阻RV1和RV2；再运行一段时间将开关K5闭合即切换掉电阻RV2，此时电枢回路串联一个电阻RV1；最后将开关K4闭合即切换掉电阻RV1，电机启动完成。这个过程可以观察到电流表的示数随着串联电阻的切换逐渐变大，电机的转速也逐渐升高，最后达到稳定转速。

通过以上仿真过程，可以得出为什么电机不采用直接启动方法启动。

由于启动瞬间转速n=0，所以感应电动势Ea=0，若启动时直接给电机加额定电压，即U=UN，且电枢回路没有外串电阻（开关K4，K5和K6均闭合），即Rc=0，将上述已知条件代入表达式（1），可得电机启动瞬间电枢电流为

（2）

由于电枢回路电阻Ra很小，由表达式2可知，直接启动时电枢冲击电流很大（一般可达额定电流的10～20倍），过大的启动电流将导致电机换向器产生强烈的火花或环火，电枢绕组产生过大的电磁力，引起绕组损坏。另外，对供电电网来说，过大的启动电流将引起电网电压的波动，影响其他接于同一电网上的电气设备的正常运行。所以，为了限制启动电流，根据表达式可知，可采取降低电源电压启动或电枢回路串电阻启动的方法。这里主要分析电枢回路串电阻启动方法。同时，根据仿真过程可以清晰的分析电枢回路串电阻启动的整个过程，电机开始启动串联三个启动电阻，此时电机转速较低，电枢回路电流较小，随着电机转速的逐渐升高，依次切换掉一个启动电阻，电枢回路电流逐渐增大，最后当所有启动电阻都切换掉后电机启动完成。

2.直流电动机电枢回路串电阻调速仿真分析

直流电动机在使用中经常需要根据不同负载情况需要电机的转速可以调节，电动机转速表达式为

（3）

由表达式（3）可知，要改变电机的转速可以通过改变励磁磁通φ、电源电压UN和电枢回路串电阻Rc三种方法，本文分析电枢回路串电阻调速。

可以利用图1来进行仿真电动机电枢回路串电阻调速的过程。

先启动电机，当电机转速稳定后，先断开开关K4，此时相当于电机电枢回路串联电阻RV1，观察到电枢回路电流减小，同时电机转速降低；接下来断开开关K5，此时开关K4和K5均断开，相当于电机电枢回路串联两个电阻RV1和RV2，观察到电枢回路电流减少，电机转速降低；最后断开开关K6，此时三个开关K4，K5和K6均断开，相当于电机电枢回路串联三个电阻RV1，RV2和RV3。通过仿真过程可以得出，随着开关的依次断开，即电机电枢回路串联电阻的增加，可以观察到电机的转速逐渐的降低。由以上仿真过程可知，采用电枢回路串电阻调速时，电机的转速只能在额定转速的基础上向下调，电枢串联电阻越大，电机转速越低。若要求电机的转速在额定转速的基础上向上调则不能采用此方法。由表达式3也可以得出以上结论的正确性。