一. 模型搭建
如图搭建模拟电路，并设置：
Probe：选择电机-Electrical torque
直流电机：Ra=0.5Ω,La=0.004H,Rf=200Ω,Lf=0.2H,Laf=2H,J=0.088N·m·s2
R1=4Ω，Tm=12N·m
二. 计算与作图
已知：If=0.6A，UN=240V，TN=12N·m
1. 额定励磁电压
Uf=If×Rf=120V
2. 额定转速
TN=Laf·If·Ia
Ea=Laf·If·ωm
UN-Ea=Ia·Ra
联立解得：Ia=10A，ωm=195.83rad/s
所以：nN=1871r/min
3. 固有机械特性
n0=UN/(KeΦN)
KeΦN=(UN-IN·Ra)/nN
求得：n0=1911r/min
做n-T图如图
4. 三种情况下额定负载下的稳态转速
(1) Ua=120V，Ra=0.5Ω，Uf=120V
ωm=Ua/(Laf·If)-(Ra·Ia)/(Laf·If)=95.83rad/s
n=915r/min
(2) Ua=240V，Ra'=4.5Ω，Uf=120V
ωm=Ua/(Laf·If)-(Ra'·Ia)/(Laf·If)=162.5rad/s
n=1552r/min
(3) Ua=240V，Ra=0.5Ω，Uf=60V
If=Uf/Rf=0.3A
Ia=TN/(Laf·If)=20A
ωm=Ua/(Laf·If)-(Ra·Ia)/(Laf·If)=383.33rad/s
n=3661r/min
三. 波形观察
Step：Step Time=1s、Initial Output=0、Final Output=1
Simulation Parameters：Stop Time=5s
并按要求设定Ua，Ra，Uf
1. Ua=240V，Ra=0.5Ω，Uf=120V
ωm=195.83rad/s 结果正确
2. Ua=120V，Ra=0.5Ω，Uf=120V
ωm=95.83rad/s 结果正确
3. Ua=240V，Ra'=4.5Ω，Uf=120V
ωm=162.5rad/s 结果正确
4. Ua=240V，Ra=0.5Ω，Uf=60V
ωm=383.33rad/s 结果正确
四. 仿真设计
1. 启动>加速正转>匀速正转
10A=IN
即：7.5Ω≤R1<24Ω
不放取：R1=7.5Ω
则：Ist=30A
ωm'=(Tm-TL)/J>0 (角加速度)
因此： ωm增大(加速)，Ia=(Ua-LafIfωm)/(R1+Ra)减小
至：Tm=TL，即Ia=10A时，ωm=133.33rad/s
即：n1=1273r/min
2. 匀速正转>减速正转>转速为0
Ia=(Ua-LafIfωm)/(R1+R2+Ra)
ωm'=(Tm-TL)/J<0
因此： ωm减小(减速)，Ia=(Ua-LafIfωm)/(R1+R2+Ra)增大
至：ωm=0时，Ia=Ua/(R1+R2+Ra)≤10A
即：R2≥16Ω
不妨取：R2=16Ω
则初始时，Ia=3.33A；ωm=0时，Ia=10A
3. 转速为0>加速反转>匀速反转
Ia=Ua/(R1+R2+R3+Ra)
即：R3>0
不妨取：R3=6Ω
则：Ia=8A
ωm'=(TL-Tm)/J>0
因此： ωm增大(加速)，Ia=(Ua+LafIfωm)/(R1+R2+R3+Ra)增大
至：Tm=TL，即Ia=10A时，ωm=50rad/s (反转)
即：n3=477r/min
4.匀速反转>减速反转>静止
10A=IN
即：-20Ω≤R4<0Ω
不妨取：R4=-6Ω(短掉R3)
则：Ia=12.5A
ωm'=(TL-Tm)/J<0
因此： ωm减小(减速)，Ia=(Ua+LafIfωm)/(R1+R2+R3+R4+Ra)减小
至：ωm=0时，Ia=Ua/(R1+R2+R3+R4+Ra)=10A，Tm=TL静止
即需要3个电阻：
R1=7.5Ω，R2=16Ω，R3=6Ω
三个稳定转速：
n1=133.33r/min，n2=0r/min，n3=-50r/min
如图设计仿真电路，额外添加R=23.5Ω保持初始时ωm=0
初始时，S，S4断开，S1，S2，S3闭合
t=1s时，S闭合，S1断开
t=10s时，S2断开
t=30s时，S3断开
t=50s时，S4闭合
仿真结果如下
t=1s时启动
1s
10s
30s
t>50s时减速反转至静止