电动自行车调速系统

电动自行车调速系统（精选8篇）

电动自行车调速系统 篇1

引言

随着环境的污染和能源的紧张, 电动自行车以无废气污染, 无噪音, 利用电能和使用方便等优点, 越来越受到人们的喜爱, 成为生活中的代步交通工具。本文介绍采用美国公司Silicon laboratories (Silabs) 的高速SoC型C8051F313单片机设计的一种无刷直流电机调速控制系统。该系统充分利用C8051F313的片上资源, 设计方案电路简单, 需要的外围元件少, 控制器的整体成本低, 性能好。

C8051F313

C8051F313属于Silabs的高速S O C型单片机C 8 0 5 1 F系列。C8051F系列单片机集成度高, 完全兼容传统的8051单片机内核和指令系统, 但其各方面的性能都远远超越了传统的8051单片机。由于采用了“流水线”结构方式处理指令, 70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟, 突破了传统的8051单片机运行效率低的弱点, 特别是它执行乘法指令只要4个系统时钟, 执行除法指令只要8个系统时钟。另外C8051F系列单片机片上集成了丰富的外设, 极大地降低了对外围元器件的需求:模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、D A C、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus (I2C) 、增强型UART、SPI、可编程计数/定时器阵列 (PCA) 、电源监视器、看门狗定时器 (WDT) 、时钟振荡器等。另外还有片上的F L A S H程序存储器、R A M和X R A M。在编程语言上, 支持汇编和C编程。

系统硬件设计

整个控制系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、MOSFET全桥驱动电路、限流电路等, 图1是控制系统框图。直流电源通过MOSFET电路向电动机定子绕组供电;转子位置检测电路检测转子的位置, 并根据转子的位置信号来控制MOSFET的导通和截止, 从而实现电子换向;测速电路检测电机的转速, 调速电路根据测速电路的检测结果, 动态地调整电机的转速 (调速) 。本设计可根据需要设计成60o或120o电角度换相。

转子位置检测电路和测速电路

本设计中的无刷直流电动机为三相无刷直流电机, 3个霍尔位置传感器的空间间距为120o。3个霍尔传感器的输出H 1、H2、H3分别直接接到C8051F313的P C A (可编程计数器/定时器阵列) 的三个捕捉/比较模块:CEX0、CEX1和CEX2。捕捉/比较模块可以对霍尔信号的上升沿和下降沿进行捕捉, 并产生中断。这种检测无刷电机转子位置的方法比使用A/D转换或使用比较器的方法更具优越性。外围电路简单, 几乎不需要任何外围元器件, 实时性又非常高, 可靠快速地对霍尔信号进行捕捉。同时使用一个定时器对中断的间隔进行计时。这个时间就反映了电机的转速, 软件上通过一定的算法处理, 就可以得到电机此时的转速。这种方法得到的电机转速比较真实地反映了电机的实际转速。

MOSFET全桥驱动电路

这部分电路实际上完成电机换相驱动和调速的功能。C8051F313根据转子位置检测电路的检测结果, 对无刷直流电机进行实时的换相驱动, 同时根据转速检测电路检测到的转速对无刷直流电机进行调速。本设计采用PWM方式对电枢电压进行控制, 实现调速。

图2中的Ua为直流无刷电机电枢两端的电压, PWM的周期为T (为一个固定值) , 改变PWM的占空比, 即改变T1的时间, 那么直流无刷电机电枢两端的平均电压发生改变, 电机的转速也就发生了变化, 实现了调速的目的。Ua的计算公式为:

这就是直流无刷电机电枢电压的PWM调速的计算公式。按照相反的次序给直流无刷电机通电, 就可以使用直流无刷电机的反转。

在本设计中使用C8051F313的PCA (可编程计数器/定时器阵列) 的一个捕捉/比较模块CEX3来产生PWM, 并且根据换相和调速的实际需要, 通过Crossbar (数字交叉开关) 动态地将1路P W M波分时送到到MOSFET全桥的3个下管, 进行调速。

软件设计

由于C8051F313兼容传统的8051单片机, 汇编指令和传统的8051单片机指令一样, 同时支持目前国内使用最广的Keil C仿真软件, 只要有过51单片机编程经验或使用过Keil C的人, 就可以很轻松的上手C8051F313的编程工作, 而不需要事前投入大量时间进行学习。

本设计使用C语言编程, 程序可移植性强。其程序流程图如图3所示。

结语

本设计充分利用了C8051F313片上的资源, 特别是PCA的资源。使用PCA的3个捕捉/比较模块巧妙地实现了直流无刷电机转子位置的检测;一个捕捉/比较模块产生一路P W M波实时动态地分配到MOSFET桥的三个下管进行调速, 同时也实现了直流无刷电机转速的准确测量。整个系统实时性强, 可靠性高, 性能好。由于C8051F系列单片机片上集成了丰富的外设, 极大地降低了对外围元器件的需求, 整个系统成本比较低。

参考文献

[1].　C8051F　datasheet, 　Silicon Laboratories

电动自行车调速系统 篇2

关键词 雾霾路段 电动自行车 车速控制 装置 系统硬件设计

中图分类号：TP23 文献标识码：A

1系统总体方案的设计

基于單片机和粉尘传感器的电动自行车自动限速装置是通过GP2Y1010AU夏普粉尘传感器对大气PM2.5浓度值进行实时检测，粉尘传感器将采集到的物理信号，通过转换变成电信号以后传送到模数转换器进行数模转换，再由模数转换器将数字信号传送到ECU系统控制中心，即本设计中所使用的STC89C52，此后，再由单片机运行其已存在EEPROM或FLASH存储器中的程序，数据处理并判断、根据当前状态作出决定是否要通过自动减速来使保证驾驶人员的交通安全，并使他们尽量少吸入大气中的细小颗粒物。ECU控制的系统框图如图1所示。

2系统硬件设计概述

系统硬件主要包括5V直流电机驱动模块、5V直流电机速度检测模块 、PM2.5浓度值检测模块与1602液晶显示屏显示模块。

2.1 5V直流电机速度检测部分

图2为测量光电速度传感器测量速度的电路，实际应用中测量盘装在汽车转轴上，速度传感器装在汽车转轴附近与测量盘相对应的固定位置，测量盘上具有相同间距的缝隙，当测量盘转动时，转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，使光敏元件感光一次，用这种结构可以大大增加转盘上的缝隙数，因此使每转的脉冲数相应地增加。

2.2 PM2.5浓度值检测部分

PM2.5浓度值检测电路如图3所示。

GP2Y1010AUOF夏普粉尘传感器用的是光学原理来对细小颗粒物进行检测。发光两极管IRED发出细小的光束，当有细小颗粒物进入到粉尘传感器的小孔内部后，光就会触碰到颗粒物而发生反射现象，光电晶体管PD接受反射的光束，并通过电压放大器，放大电压，再经过模数转换，将与其对应的PM2.5浓度值显示在1602液晶显示屏上。

2.3 LCD1602显示模块

液晶5端为读/写选择端，因为本设计不从液晶中读取数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。液晶6端为使能信号，是操作时必须的信号。D0—D7为数据口，分别与单片机的P0.0—P0.7连接。VO为液晶显示对比度调节端，本设计没有设置可以调节液晶显示对比度的电位器，采用3K电阻接地的方式连接，固定了合适的显示对比度。

2.4 5V直流电机的驱动模块设计

由于本设计中的5V直流电机不需要实现正反转的要求，只需要控制电机的转速，所以利用三极管的开关特性来实现对5V直流电机的驱动即可。

参考文献

[1] 佳宁.告别雾霾要等多少年[J].晚晴，2014，14（5）：1-2.

[2] 范化明.电动自行车智能控制系统的研究与设计[D].东华大学，硕士学位论文，2010：23-24.

煤矿电动机应急调速系统设计 篇3

随着计算机和电力电子技术的迅速发展,采用变频器控制的电动机调速系统逐渐代替了传统的电动机调速系统。基于电力电子技术的变频器调速控制系统具有快速、稳定的特点,在工业应用中得到了普及,成为主流的调速设备[1,2,3,4]。但是,变频器的主电路是由电力电子开关器件组成,当发生故障时很难在较短的时间内恢复正常运行,所以一旦故障就会导致电动机非正常运行,影响煤矿生产系统的正常运行。针对这一问题,本文设计了一种煤矿电动机应急调速系统。该系统由应急变频装置、PLC主控单元和切换装置等组成,PLC主控单元根据电动机和变频器的故障状态,采用模糊PID算法实时控制应急变频装置的输出[7,8],一旦应急变频装置的输出达到电动机运行条件,切换装置立即动作,从而实现应急变频装置对电动机的稳定控制。

1 系统结构及工作原理

煤矿电动机应急调速系统结构如图1所示,其中应急变频装置参数与原始变频器控制参数相同。PLC主控单元采集并处理电动机和原始变频器的运行信息,用于判断是否出现故障,一旦检测到原始变频器发生故障,即对切换装置和应急变频装置实施控制。切换装置根据PLC主控单元的信号,将应急变频装置与故障变频器进行切换。应急变频装置在PLC的指令下立即启动,并根据PLC的输入信号来控制输出频率,从而控制电动机转速。

煤矿电动机应急调速系统工作原理如图2所示。若电动机在原始变频器故障后处于转动状态,则切换系统中的锁相环同步控制器。当锁相环同步控制器检测到应急变频装置与电动机同频同相时,将应急变频装置与电动机的接触器闭合,从而实现应急变频装置对电动机转速的稳定控制;若电动机在原始变频器故障后处于停止状态,则采用应急变频装置重新启动电动机。

2 系统硬件设计

2.1 应急变频装置

应急变频装置为交-直-交结构,其电路结构如图3所示。该装置主要由主电路和控制电路组成,其中主电路包括整流器、直流侧滤波器、逆变器。整流器用于将三相交流信号转换成直流信号,直流侧滤波器用于吸收整流侧和逆变侧的脉动电压,逆变器则用于将直流信号转换成交流信号。控制电路由转速检测电路、运算电路、驱动电路和保护电路等组成。检测电路主要用于检测系统的电压、频率等信息。运算电路主要负责处理反馈信号,得到输出信号的参考值。驱动电路用于控制开关器件的通断。保护电路用于保护变频器和电动机。

2.2 PLC主控单元

PLC主控单元结构如图4所示[6]。

2.3 切换装置

用应急变频装置替代故障变频器控制电动机转速,需采用切换装置,其电路结构如图5所示。

3 系统软件设计

要使煤矿电动机应急调速系统快速、稳定地投入运行,应急变频装置必须具有较快的启动速度,以便及时代替原故障变频器。

3.1 主程序

煤矿电动机应急调速系统主程序流程如图6所示。当PLC主控单元检测到原变频器发生故障时,实时启动应急变频装置。应急变频装置导入原变频器的参数和工作频率参数,然后将模糊PID子程序导入其控制系统。

3.2 PLC主控单元切换程序

PLC主控单元切换程序流程如图7所示。首先判断原变频器故障后电动机是否停机,若电动机处于停机状态,则切换程序重新启动电动机;若电动机没有停机,在故障变频器停止工作后,延时2s,启动应急变频装置并封锁其输出,通过锁相环同步控制器检测应急变频装置相位和频率是否与电动机一致,一旦检测到同频同相,则切换程序通过控制接触开关控制电动机继续工作。

4 仿真验证

为验证煤矿电动机应急变频调速系统的快速响应能力,在Matlab/Simulink环境下建立系统模型,如图8所示。具体参数如下:额定功率PN=200kW,额定电压UN=380V,频率f=50 Hz,定子电感L=20mH,定子电阻R=0.03Ω,转子电感Lr=19mH,转子电阻Rr=0.026Ω,转动惯量J=2.56kg·m2,直流电压Udc=900 V,电磁常数T=0.016。

原变频器在0.5s时发生故障情况下的电动机输出电流i和转速n曲线如图9所示。从图9可看出,原变频器故障前,电动机的电流和转速都处于稳定运行状态;发生故障时,电动机电流降为0,转速也逐渐下降,直至电动机处于停机状态。

以图9所示的电动机停机状态为例,在该状态下投入应急变频装置后的电动机输出电流和转速曲线如图10所示。从图10可看出,应急变频装置开始时处于封锁状态,电动机处于停机状态,输出电流为0;0.5s时开始启动电动机并接入应急变频装置,电动机转速缓慢上升,直至达到额定转速;电动机输出电流由开始较大的启动电流过渡到稳定运行状态下的电流,说明煤矿电动机应急变频调速系统具有快速响应能力。

5 结语

介绍了一种煤矿电动机应急调速系统的整体设计,在Matlab/Simulink平台对系统可行性进行了验证。仿真结果表明,该系统在原始变频器故障的情况下,能够快速接入应急变频装置,具有较好的调速性能。

参考文献

[1]张奎,雷勇.无刷直流电机智能PID控制系统建模与仿真[J].测控技术,2015,34(4):81-84.

[2]王赞,王红平.基于MATLAB/Simulink的交流电机建模与仿真[J].机械工程师,2015(2):25-26.

[3]韦汉培,王超,张懿,等.基于DSP的永磁无刷直流电动机变频调速控制系统[J].变频器世界,2015(6):46-48.

[4]张斌斌,殳国华,丁君武.基于ARM的交流异步电机控制与馈电系统设计[J].电气自动化,2015,37(5):1-3.

[5]WU B.大功率变频器及交流传动[M].卫三民,苏位峰,宇文博,译.北京:机械工业出版社,2008.

[6]李定川.PLC结构原理功能与应用[J].智慧工厂,2015(12):45-47.

[7]窦艳艳,钱蕾,冯金龙.基于Matlab的模糊PID控制系统设计及仿真[J].电子科技,2015,28(2):119-122.

电动自行车调速系统 篇4

一般来说, 三相异步电动机具备更好的应用效益, 通过其相关材料成本、运作成本等的控制, 有利于促进该电动机的有效普及。其具备普通单相电动机无法比拟的优势, 比如良好的运行性能、较低的材料成本。通过对转子结构模式的划分, 三相异步电动机可以分为多种模式, 这要针对实际的应用场合, 展开相关变频调速系统的有效选择了, 从而实现电动机的最大利用效益的实现, 满足现实工作的发展需要。

1 关于交流电动机变频调速环节的分析

三相异步电动机主要分为绕线模式与笼式模式, 这两种模式具备各自的优缺点。一般来说, 笼式三相异步电动机的应用范围是比较广泛的, 其价格是比较低的, 运作安全性高, 结构模式简单, 方便操作。这种应用模式也存在一定程度的缺陷, 比如其调速的困难性, 难以实现其调速环节的优化。绕线式电动机也有其自身的运作优势, 通过其变阻器电阻的有效控制, 可以保证电动机转速模式的有效调节, 实现电动机起动性能的有效提升。交流电动机不论是三相异步还是同步的, 只要设法改变三相交流电动机的供电频率, 就可方便地改变电机的转速。它比改变极对数, 和转差率, 两个参数要简单得多, 特别是近年来, 静态电力变频调速器技术的飞速发展, 使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。实际上, 仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频效果。在应用变频调速时, 需同时改变电压和频率, 才能保持磁通的基本恒定。

为了满足现实经济的发展, 进行一系列的电动机模式及其变频器模式的有效组合, 是非常必要的, 通过其控制体系的应用, 来满足实际生产工作的需要。一般来说, 三相异步电动机开环控制模式存在多种变频器调速模式, 其控制方式是通俗易懂的, 其工作可靠程度是比较高的。也是受到开环控制模式的影响, 无论是其动态响应环节及其精度控制环节都存在一定程度的麻烦, 这需要针对实际应用场合, 展开相关区域电压的有效调整, 在调整过程中, 其低速区域的电压调整是比较复杂的, 如果不能实现该环节的有效控制, 其调度精度的提升及其调速范围扩大的实现是基本不可能的。由于受到转差率的影响, 异步电动机的最大利用效益是难以实现的, 这需要一系列的变频器的应用, 实现其功能效益的提升。通用变频器异步机开环变频调速仅适用于一般场合, 例如风机、水泵等机械。三相异步电动机开环控制的矢量变频器调速控制。与上述通用比较, 两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器, 可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制, 自动改变电压和频率, 使指令值和检测实际值达到一致, 从而实现了矢量控制。虽然是开环控制系统, 但是大大提升了静态精度和动态品质, 转速响应也较快。它应用于生产要求不太高的场合, 可达到控制结构简单, 可靠性高的实效。

2 关于三相异步电机变频调速环节的分析

为了实现三相异步电机变频模式的有效选择, 实现其变频器模式的有效应用是非常必要的, 这需要通过一系列的电力半导体器件的应用, 来满足其工频电源的有效转换。在现实工作场合中, 变频器的应用范围也是比较广泛的, 这也有赖于三相异步电机的有效普及。目前来说, 现阶段应用比较普遍的变频模式, 其主要是利用矢量控制变频来实现具体操作的。这需要进行工频交流电源的有效应用, 实现其直流电源的有效调整, 保证其直流电源的有效转换, 从而满足电动机的发展需要。为了更好的进行三相异步电机变频调速的选择, 实现其相关变频器电路的选择是非常必要的。变频器的应用, 需要遵循一定的顺序性, 比如整流环节、直流环节等的应用。在整流应用模式中, 要进行相关类型的三相桥式逆变器的应用, 其输出为PWM波形, 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型, 变频器选型时要确定以下几点:采用变频的目的;恒压控制或恒流控制等。变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等, 特别注意负载的性能曲线, 性能曲线决定了应用时的方式方法。变频器与负载的匹配问题;电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。电流匹配;普通的离心泵, 变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数, 以最大电流确定变频器电流和过载能力。转矩匹配;这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

在变频器的应用过程中, 通过相关应用环节的控制, 可以保证电机的有效驱动。受到高速电机的自身应用性质的应用, 变频器的选择, 要保证其内部电容量的控制。这是高速电机变频器选择的关键, 只有做好该环节的工作, 才能保证其普通电机选型的有效选择, 实现变频器的综合利用效益的提升。在变频器的电缆运作过程中, 可以通过相关措施的应用, 保证地耦合电容的有效控制, 实现变频器的有效应用。这对于电动机的综合利用效益的提升是非常必要的。通过对上述模式的采取, 可以避免变频器工作过程中的各个麻烦。所以在这样情况下, 变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。对于一些特殊的应用场合, 如高温, 高海拔, 此时会引起变频器的降容, 变频器容量要放大一挡三相异步电动机闭环控制矢量变频器调速系统。矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式, 它具有如下优点:可以从零转速起进行速度控制, 即甚低速亦能运行, 因此调速范围很宽, 可达到100:1或1000:1;可以对转矩实行精确控制;系统的动态响应速度甚快;电动机的加速度特性很好。

通过对相关变频调速技术的有效应用, 实现其异步电动机综合利用效率的提升。这需要积极进行相关异步电动机配套设备的优化, 比如速度传感器的应用, 从而确保移动电动机的有效工作, 保证其工作质量效率的提升。受到相关外界因素及其电动机内部因素的影响, 如果不能实现速度传感器的有效安装, 并且受到一些操作行为的限制, 比如多了反馈电路和环节, 也增加了出故障的机率。因此, 在必须采用的情况下, 对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的场合, 适宜采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。

在不同的应用场合, 必须要展开相关电动机应用模式的选择, 比如永磁同步电动机的应用, 该模式实行了对变频调速系统的有效选择, 实现其电动机开环控制模式的有效选择, 具备比较简单的电路控制模式, 可以满足现实工业的发展需要。广泛应用于各行各业的风机、水泵类负载;应用于重载及调速精度要求较高的场所;应用于轧钢、纺织、化纤等多电机同步传动系统, 各种方式的应用示例在此不一一例举。

3 结束语

电动自行车调速系统 篇5

作为一种电力变换器,变频调速系统主电路(整流和逆变电路)是功率电路,在通常情形下,其电路中的电压会达到百伏甚至更高,电流会达到几安培甚至更高。变频调速系统集成度逐渐变大、集成体积逐渐变小、功能逐渐变强、性能逐渐稳定化。

1 微电子工艺集成电机变频调速系统

1.1 问题解决方案

应用微电子工艺集成电机变频调速系统的过程中存在耐压和隔离、控制电路与功率主电路接口、热效应、磁技术和电路的集成检测等问题,以下分别介绍应用微电子工艺集成电机变频调速系统的技术方案。

1.1.1 耐压和隔离

在变频调速系统中,电路既有高压部分也有低压部分,但在半导体集成电路中,硅具有导电性,因此为防止出现器件之间电连接现象,须将其与各电路器件隔离,若不隔离,会有微小的附加电流产生,使功率集成芯片的功耗大大增加;与此同时,高电压也会向低压电路传递,传递过程中有可能击穿电压电路的器件。为避免上述情况的发生,在功率集成电路中可以选择NP结隔离技术、电荷控制隔离技术、介质隔离技术、微细晶体群隔离技术和腐蚀—填充隔离技术等实现电隔离。

1.1.2 控制电路与功率主电路接口

在通用的电机变频调速系统中,控制电路与功率主电路接口由专用的驱动电路芯片或由变压器隔离驱动电路组成,驱动电源大部分采用多路相互隔离的电源供电。而在应用微电子技术集成化的变频调速系统中,目前无法将电感器件集成到芯片中,无法提供多路的相互隔离的电源,必须采用其他类型的驱动电路。

1.1.3 热效应

变频调速系统集成过程中应用微电子技术需解决的关键问题是热效应问题。不仅由于其主电路中会发生开关和导通损耗,而且由于芯片封装之后具有热阻,封装热阻对于由功率损耗导致的热量散失十分不利。在芯片温度升高的情况下,将会导致电路性能参数变坏,最终降低可靠性。若要有效解决热效应问题,应从各个方面,例如电路拓扑设计、版图设计、封装工艺入手。

1.1.4 磁技术和电路的集成检测

(1)MOS功率集成电路。MOS集成技术又可划分为高压CMOS和D/CMOS技术,前者通常运用于开关制作过程中,如图1、图2所示分别为双深陷和浅陷高压CMOS剖面图。其中前者可以与CMOS双极技术兼容,后者中高压和低压MOS制作过程中可运用标准相同的CMOS技术。DMOS技术通常有自隔离D/CMOS、结隔离D/CMOS和隔离互补D/CMOS集成技术。

(2)BIMOS集成技术。在功率集成过程中,BIMOS集成技术运用比较普遍,按照结隔离运用实际情况,可分为厚外延和薄外延BIMOS集成技术。前者制作厚外延层,高压输出管通常为LDMOS或VDMOS,通过这种技术能够集成高压LDMOS、高压VDMOS、低压NPN和低压PNP、低压CMOS;后者制作于薄外延层上,高压输出管为RESURF器件,BIMOS集成技术能获得较高的电压。

(3)SMART功率集成技术。SMAR功率集成技术通过平面技术,对功率集成电路具有针对性的集成技术。在现阶段,功率集成器件运用较为普遍。其名称为SMART功率集成器件,本质上是一种实现了智能化的功率/高压集成电路。MOTOLA公司SMART功率集成器件的输出通过外延基区纵向PNP晶体管,集电极装置位置为芯片背部,衬底运用低电阻率p+,使15A时RCE是70MW;逻辑电路选择吕珊CMOS,制作于n-外延层上,CMOS无须纵向和横向隔离,能够实现自隔离。开关选择PNP晶体管极电结在开态状态下处于正偏并且产生注入,因此高压PNP管和低电路之间的隔离必不可少,通过p+隔离扩散实现n-外延层的穿透。在T-MOS功率管、T-MOS可挂硅整流器、大电流稳压器等领域SMART功率集成器均可使用。

1.2 应用微电子工艺的可行性问题

在小功率范围值内,电机变频调速运用微电子工艺进行集成通常能够实现。受制于目前微电子工艺水平和这项工艺的自身特点,现阶段在集成电机变频调速系统中应用微电子工艺功率仅局限于很小范围内。

2 结语

近几年受到电子信息行业迅猛发展的推动,微电子技术发展变化翻天覆地,各种不同类型的控制芯片不断涌现,系统芯片步入集成的阶段。与此同时,高压集成芯片也会随着微电子技术的发展逐渐成熟和发展起来。

参考文献

[1]徐兵.采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究[D].杭州:浙江大学,2011.

[2]胡长生.小型电动机变频调速系统集成技术研究[D].杭州:浙江大学,2012.

[3]崔博文.电动机变频调速系统故障检测与诊断技术研究[D].西安:西北工业大学,2012.

电动自行车调速系统 篇6

本文重点介绍某钢铁厂在高炉助燃风机系统应用SRD 10系列开关磁阻电动机调速系统的运行情况和经验,之前,先简要介绍开关磁阻电机的优势特点、工作原理和运行特性。

1开关磁阻电机调速的技术特点

开关磁阻电机调速的技术特点和优势主要有:

(1)效率高,节能效果好。SRD在低速工作的状态下效率能够提高10%以上,节电效果显著。

(2)启动转矩大,特别适合于那些需要重载启动和负载变化明显且频繁的场合。SRD控制器从电源侧吸收较少的电流,在电机侧可得到较大的启动转矩。启动转矩达额定转矩的150%时,启动电流仅为额定电流的30%。

(3)调速范围广。可在低速下长期运行,解决了变频调速低速运行发热的难题。此外,SR电动机最高转速不受极数限制,可以根据需要灵活设定最高转速。

(4)可频繁正、反转,频繁起动、停止。

(5)起动电流小,具有软起动特性,避免了对电网的冲击。

(6)功率因数高,不需要加装无功补偿装置,在空载和满载下均可达到0.98以上。

(7)结构简单,成本低,工作可靠,能适应各种恶劣、高温及强震动环境。

(8)缺相与过载时仍可工作。当系统超过额定负载120%以上时,只会引起转速下降,而不会烧毁电机和控制器。

(9)控制器中功率变换器和电机绕组串联,可靠性大为提高。

(10)可实现四象限运行,额定转速以下为恒转矩特性,超过额定转速为恒功率特性。

2 磁阻电机的工作原理和结构特点

开关磁阻电动机之所以有如此多的优点,主要是其特殊的结构决定的,该电机外形如同鼠笼异步电机,但内部结构和工作原理却大不相同;定子、转子为双凸极,由普通硅钢片叠压而成,结构示意图如图1所示。

定子极上饶有集中绕组,径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极,称为一相,转子上既无绕组也无永磁体,且一般数量比定子少两个,这样它们的主轴线总有一部分与主磁场轴线错位。它的工作原理基于“磁阻最小原则”,即磁通总要沿着磁阻最小路径闭合,从而当按既定要求给定子供电产生磁场时,使错位转子凸极轴线力图与磁场轴线重合。如以电磁力产生的电动机基础原理分析,实际上与大步进角的步进电机类似,所不同在于磁阻电机可以通过改变通电电流的导通角来达到调速的目的。

开关磁阻电动机调速系统由磁阻电动机、位置传感器、功率变换器及控制器四部分组成,形成一个完整的机电一体化电力传动系统,可设计成多种不同的相数以及极数结构,电动机的转向与相绕组的电流方向无关,而取决于相绕组通电的顺序。通过控制与电动机每相绕组相串接的各组电子开关的工作状态,就可以改变电机的转向、转矩、转速、制动等工作状态。位置传感器安装于电动机内部,向控制器提供电动机转子与定子的相对位置以及转速等信号,使控制器能够正确的判断和决定电机定子绕组的导通和关断时间,确保电机的正常工作。功率电路向电动机提供运转所需要的能量,其定子绕组的电流是单向的,功率开关元件与绕组串联,应指出,定、转子凸极产生的转矩与绕组所通电流的极性无关,故绕组可以单方向通电而无须交变,不仅免于复杂逆变器的设计,而且使每相开关元件减少了一半,避免逆变器上下桥臂直通的危险,这就大大降低了控制线路的成本,提高了电路的安全可靠性。这也正是磁阻电机结构简单低成本的魅力所在。

3 磁阻电机特性分析

那么,作为特种新型电力拖动电机类型,开关磁阻电机的特性如何,能否满足机电控制的要求?来看相关简要分析。

通常,电机绕组的电流有效值是其功率以及转矩等重要参量的基础,磁阻电机电流波形比较复杂,它的瞬时值受到各种参数特别是开关元件的导通角α1和关断角α2的影响很大,鉴于实际应用中为抑制低速电流,多采用斩波控制,使自然状态下每相近似三角波成为平顶小锯齿的类似梯形波,参见图2。

电流有效值原则由概念式求取,实际可分段用计算机处理:

而电磁转矩的计算,要结合磁路和磁链讨论,实际上当定转子的齿相互往对时,气隙大小和饱和程度不断变化,磁通曲线时而斜直或弯曲,为了简化分析,一般对饱和曲线作分段线性化处理,可以以假设理想平顶波电流为坐标横轴 ,相应磁链为纵轴,作出磁链变化示意图,这有助于变换出时角周期磁链特性图,方便各种参数的分析计算,为与电流变化相对应(示于图2),按照等效面积求功方法,并变换得出电动机在相电流按理想斩波控制输出功率表达式(2)和平均电磁转矩表达式(3):

尤其是式(3),它给出了电动机的基本转矩特性和随各参数变化的趋势,说明以下主要几点:

(1)导通角α1是一个重要的参数,在一定的转速下减小α1,增大电流上升时间(α1-,ɡ2段),可增加转矩,当然,也可在一定的负载转矩下通过它调节转速,此段呈恒功率特性。

(2)在其他参数不变的情况下,转矩与电压Ud的平方成正比,和转速的平方成反比,它具有与串激直流电机相似的固有软机械特性,可输出相当的转矩,又有一定的低速堵转保护特性。因此,磁阻电机能实际应用于较广泛的传动场合,甚至可用于小型龙门刨床主拖动。

(3)在α1一定时,增大α2,使电流导通区间加长,可使平均转矩加大,但过大时续流阶段可能产生制动力矩,这是不利的。

(4)加大比值Lmax/‘Lmin对提高转矩有好处,但过大作用不很显著也无必要,一般取比值为6。开关磁阻电机的转矩特性曲线如图3所示:

3 开关磁阻电机的控制

与一般交直流电机控制方法不同,开关磁阻电动机的控制要求根据负载和运行条件的不同,在不同的转子相对位置下改变开关元件的导通角相位和导通期,迅速调节电流,改变电机的主出,甚至能快速的从电动状态改为制动状态,满足系统快速性的要求。由于所需控制的复杂性和灵活性,因此多采用软硬件结合的方法,用微处理器实现。调速系统框图如图4。图5为主电路示意图。

由微处理器组成的数字控制电路是系统的中枢,中枢的控制核心是控制软件,通过综合处理各类指令和反馈信号来控制主功率元件的工作参数以达到对开关磁阻电动机的调速、稳速运行、停止、正反转、制动等状态的控制。可实现四象限控制,具有无刷结构,节电效果显著,通过对软件的修改,可以方便的满足不同用户、不同驱动方式的特别需求。

4 开关磁阻电机在高炉助燃风机的应用

该厂在大修技术改造中,高炉助燃风机以开关磁阻电机调速系统取代交流变频调速,取得较好的应用效果。

过去该厂高炉助燃风机采用交流变频调速技术,主要问题和缺点是:①低速下无法长期运行,否则将导致交流异步电动机温升过高;

②转速越低,负载越小,效率越低;

③IGBT有可能因强干扰而导致短路烧坏;

④动态过程中,难以实现对异步电动机电磁转矩的准确、有效控制。

因为生产节奏、维修等带来调风修风相对较频繁,上述问题对及时调节安全生产影响较大。为了解决以上问题,该厂通过了解开关磁阻电动机调速系统的技术特点和优势,经多方研究比较后,决定分别在1#、2#及4#高炉助燃风机系统尝试应用该新技术并实施,经过一段时间的磨合、调整,现场体验到生产中适时调节风量风温的方便,其显著的节电效果得到证实。风机、水泵类设备以开关磁阻电动机调速方式节电节能的原理和分析,类同交流变频调速技术,已有大量资料介绍,本文不再赘述。以1#高炉助燃风机采用SRM250M-15/55电机为例,该台电机每小时节电20-30千瓦时,不难算出每台电机每年可节电17.52-26.28万度电,不到半年就可收回成本。开关磁阻电动机调速系统使用简便易行,运行可靠,减轻工人劳动强度,受到现场欢迎,根据我们的体会经验,达到了改造预期, 因此今后还将逐步扩大在全厂其它项目中的应用,以提高设备运行质量,节能降耗,以较小的投入创造尽可能大的效益。

5 结语

实践证明,在世界能源危机、生产技术发展的今天,在许多特定情况下以开关磁阻电动机调速系统新技术取代传统的交直流调速系统是可行的,有着突出的节能效果,值得推广。

椐调查了解,开关磁阻电动机调速系统不仅在工业领域大有作为,在民用建筑领域同样可以发挥其作用。该系统效率高节能效果显著,调速范围广性能稳定,启动电流小避免了对电网的冲击,功率因数高无需加装无功补偿装置,而且结构简单工作可靠适用于各种恶劣环境。民用建筑中电能消耗大的设备主要是空调机组、水泵、风机、电梯等,许多设备都可以运用开关磁阻电动机及其调速系统代替原来的交直调速技术,日积月累,节电效果不容小觑。在我国当前电力资源紧张,国家大力提倡建设节约型社会的的形势下,该项技术的推广尤为迫切。

响应国家政策指导,高效的利用有限的资源,节能降耗,是利国利民、利企业的大事,希望性能优异,节电显著的开关磁阻电动机调速技术在各领域能得到越来越多的应用,进一步促进我国资源节约的综合利用和可持续发展,为国家为社会做出更多贡献。

参考文献

[1]罗飞等著.电力拖动与运动控制系统(第二版).化学工业出版社,2007,5.

电动自行车调速系统 篇7

关键词：变压变频,空间矢量脉宽调制,转差频率控制,Simulink,数字信号处理器

电动汽车[1,2,3]作为新一代交通工具，在节能减排、减少人类对传统能源的依赖方面具有传统汽车所不可比拟的优势，为电动汽车设计一套性能优良的调速系统成为汽车生产的关键问题。直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，在很长一段历史时期，处于调速领域的优势地位。然而，直流电机结构复杂，电刷易于磨损，维护麻烦，对运行环境的要求较高，电机最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制。而交流电机因其结构简单、成本低、运行可靠、易维护、可用于大容量调速和能在恶劣环境中工作等优点，在工业领域中得到广泛的应用。

最初的交流变频调速采用开环V/f恒压频比[4,5,6]控制方案，尽管能实现交流电机一定范围内的调速，但只能用于调速要求不高的场合，如泵类、风机等负载的拖动。由于开环V/f控制中，感应电机的转速会随着扰动变化，调速精度也会受到影响，因此转速闭环转差频率[7,8]控制系统应运而生。在这种控制系统中，转速信号的误差通过PI调节器输出转差频率给定值，用来补偿电机转速，从而确保电机跟随期望转速运转，从而解决了异步电机平滑调速的问题，而且结构也不算复杂。

本文结合SVPWM技术，在转速开环变压变频调速的基础上，增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件，实现了基于异步电动机稳态模型的电动车辆转速闭环转差频率控制系统。利用Simuink进行仿真分析，在干扰信号作用下转速迅速调节并最终保持不变，由此可知该闭环控制系统具有较好的抗扰动的性能。进而在实际电动车辆控制器DSP[9]中进行了实现与验证，转速闭环转差频率调速控制具有较高的转速精度和稳定性，可在干扰信号下实现较为精确的变频调速。

1 转速闭环转差频率控制

1.1 转差频率控制

运动控制的根本问题是转矩控制，由异步电动机的电磁转矩公式[10]可以得到：

式中：Te为电磁转矩；Φm为每极气隙磁通；R'r为折合到定子侧的转子每相电阻；L'1r为折合到定子侧的转子每相漏感；ωs为转差角频率，ωs=sω1,s为转差，ω1为电源角频率；Km为电机的结构常数，为电机极对数，Ns为定子每相绕组匝数，kNs为定子基波绕组系数。

当电机稳态运行时，转差s较小，因而ωs也较小，可以认为则转矩可近似表示为

由此可知，若能保持气隙磁通Φm不变，则在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比。也就是说，在保持气隙磁通Φm不变的前提下，可以通过转差角频率ωs来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。

1.2 VVVF控制原理

为了保持气隙磁通Φm恒定，可以采用变压变频（VVVF）控制，即V/f恒压频比控制方式。三相异步电动机定子每相电动势的有效值为

由式（3）可知，只要控制好Eg和f，便可达到控制气隙磁通Φm的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频以下时，磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于恒转矩调速，并且此时需在Us/f为恒值的基础上提高Us以补偿定子电流压降；基频以上时，电压不能超过额定电压，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，属于恒功率调速。

采用TMS320F2812实现恒压频比调速，根据电动车辆电机特性建立恒压频比控制特性曲线。

f与Us的函数关系为

式中：Us min,Us max分别为补偿电压和电压的最大幅值；f1为基频率。

由于实验所用电机为低压大电流电机，定转子电阻电感都较小，因此补偿电压很小，取1.5 V即可满足要求。由实验得到V/f曲线如图1所示。

图1中，补偿电压幅值1.5 V，电压最大幅值38 V，对应基频率120 Hz。

1.3 转差频率控制系统结构

转速闭环的转差频率控制变压变频调速系统结构原理如图2所示，系统共有2个转速反馈控制，内环为正反馈，将转速调节器ASR的输出信号给定转差频率ωs*与实际转速ω相加，得到定子频率给定信号

由于正反馈是不稳定结构，需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行，ASR为转速调节器，一般选用PI调节器。

实际转速ω由速度传感器FBS测得。然后根据f=ω/2π和V/f恒压频比，得到定子电压U和定子电流频率f，用U和f控制SVPWM变频器，即得异步电动机调速所需的定子电压和频率。

在开环V/f控制系统的基础上，增加转速传感器，测量实际转速，并与给定转速（频率）相比较，输出转差频率对应的输出值，经过PI调节，输出转速，控制电机的转速。

1.4 系统软件实现

本文采用TMS320F2812芯片实现该转速闭环转差频率控制，图3为控制主程序流程图，包括：1）系统初始化：定时器、中断初始化及中断使能；2）加速曲线计算；3)V/f曲线计算；4）转速环PI调节；5)SVPWM中断。

2 系统仿真

本论文中仿真实验用异步电机参数为：功率P=75 k W，线电压51 V，频率f=120 Hz，定子电阻R1=0.738 4Ω，电感L1=0.003 045 H，转子电阻R2=0.740 2Ω，转子电感L2=0.003 045H，定转子互感Lm=0.124 1 H，转动惯量J=0.034 3 kg·m2，摩擦因子F=0.000 503 N·m·s，极对数Np=2。

Simuink仿真设定参数为：给定转速n*=1 000～2 000 r/min，直流母线电压80 V，采样频率10 kHz。

在开环V/f控制系统模型的基础上，建立转速单闭环转差频率控制系统模型如图4所示，依次包括：1）转速n*给定；2）转速PI调节；3)V/f曲线；4)SVPWM波形调制；5）电机和测量模块。

运行该系统，得到空载启动时并在t=1 s时刻加速至2 000 r/min的仿真结果如图5所示。

由图5可以看出，空载启动时，在0～0.2 s内，定子电流由起始的40 A稳定到10 A以内，转矩由起始的40 N·m逐渐降至0，同时转速上升至1 000 r/min，之后系统保持稳定；在t=1 s时刻加速过程中，电流、转矩和转速都相应上升，经过0.3 s后，电流和转矩回复到初始状态，转速逐渐稳定在给定的转速值。

需指出的是，电机在启动时，转矩有一定幅度的变化，这是因为电机启动时磁场有一个建立过程，在建立过程中磁场变化是不规则的，但在0.1 s后磁场逐渐稳定，且加速过程中磁场也是稳定的，使得转矩能够稳定上升和下降。

由图6可以看出，启动时刻曲线与图5相同，但在t=1 s时刻施加10 N·m干扰信号，使得电流和转矩相应上升，转速下降；在t=1.1 s时刻干扰消除后，电流和转矩回降至初始值，转速上升至初始值并保持不变。由此可知该闭环控制系统有较好的抗扰动的性能。

3 实验验证及结论

本文采用Sevcon控制器（内含TMS320-F2811芯片）、USB to CAN收发器、XDS510-USB2.0仿真器、稳压电源和测试台。

结合图3程序流程图，用CCS3.3软件编程，实现了电机的加减速控制。将实验数据保存至.txt文件中，通过Matlab软件绘制得到图7。图7为电机启动时给定转速400 r/min，并在t=3.6 s时刻加速至800 r/min的加速曲线，以及期望转速与实际转速的误差曲线。由图7可知，该系统较好地跟踪了期望转速曲线，并使转速误差最终趋向于0。

电机稳定运行后，在t=2.6 s时刻施加一干扰信号，得到扰动转速曲线如图8所示。由图8可以看出，转速开始有一定程度的下降，但经过0.s后又逐渐趋于稳定。由此可知，该系统能对扰动信号起到一定的抑制作用，从而进一步验证了该系统具有较好的抗扰动的性能。

本文在转速开环变压变频调速的基础上，实现了电动车辆转速闭环转差频率控制系统。利用Simuink仿真和实际电动车辆控制器DSP中的实现验证了该系统具有较高的抗扰动性能和稳定性。

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电动自行车刹车系统的异常噪声 篇8

如果一旦刹车过快过急致使刹车所需的阻力不够, 就会加大力度收缩刹车钢丝, 增加刹车皮和刹盘之间的摩擦阻力, 此时就会产生极其刺耳的“吱吱呀呀”的刹车响声。这种嘈杂声多数是由后轮发出, 其主要原因是车速过快和车身载重过大。

其实刹车噪声是可以避免的。除减轻电动车的承载重量、急刹车外, 掌握正确的制动技巧很重要。一般来说应避免采取前刹为制动、后刹为减速的方法, 即在急速行驶及下坡道时要提前减速, 当车辆完全减速后再将前后手闸同步操作实现均匀制动。千万不能先使用前轮制动, 以免重心向前而发生侧翻车危险。除此以外, 需对电动车的前后制动系统进行不定期的检查维护。

为了保证制动系统处于最佳状态, 应充分重视各机械零部件及传动装置的保养维护, 经常性检查制动装置零部件的早期磨损情况, 及时维修更换。

电动车前轮轴、中轮轴、飞轮、传动链条、前叉避震器及转动轴等相关部件, 在行驶半年左右应进行全面清洁, 以去除各种污杂物, 并检查各机械传动机构的各零部件连接是否紧固、有无损坏。若发现问题应及时处理和维修, 注入适量的黄油或机油润滑, 以避免零部件运行时异常嘈杂声的产生和保持良好的机械润滑性能。若发现链条松驰或下垂时应及时加以调整, 否则会增加链条的早期磨损和损坏。其调整时只要把后轮轴左右两侧的调链螺母松开, 即可调节链条的松紧度 (链条松紧适宜垂下度一般应在10～15毫米为合适) 。

电动车在行驶中若发现刹车迟缓、失灵等情况应及时加以调整。调整悬臂闸刹车间隙时, 先将刹车钢丝固定座上的螺钉松开, 然后抽紧或放松刹车钢丝, 使两边刹车块与车圈的平均距离为1.5～2毫米间, 然后再拧紧调节螺丝。对于抱闸刹车间隙的调整, 首先松开侧拉杆的活动调节螺母, 然后再转动后侧拉杆的调节螺母, 直至调整到制动效果最佳的合理位置, 最后拧紧前侧的拉杆调节螺母即可。