电机驱动（共12篇）
电机驱动 篇1
摘要：根据电动汽车运行工况的特点,提出了一种以混合励磁无刷直流电机作为驱动电机,TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为主控制器的应用于电动汽车的电机驱动系统方案,分析了系统控制策略,详细介绍了该电机驱动系统的硬件接口电路设计和软件构成。
关键词：电动汽车,驱动系统,混合励磁无刷直流电机,2812
1 引言
能源紧缺与环境污染等问题带来的负作用日益增加,使电动汽车在近些年成为各国竞相研究的热点。电机驱动系统作为电动汽车重要组成部分,其性能优劣直接关系到整车性能。目前,电动汽车上所采用的电机驱动系统以无刷直流电机(BLDCM)驱动系统综合性能最为理想,较好地满足了电动汽车对效率、功率密度等众多指标的要求[1]。但是无刷直流电机中永磁体对外加磁势的磁阻很大,电机气隙磁场难以调节致使其使用范围受限。混合励磁无刷直流电机(Hybrid Excitation BLDCM,HEBLDCM)通过安装励磁绕组的方法较好地解决了无刷直流电机调磁困难的问题,在适应不同负载方面具有明显优势,是未来电动汽车电机驱动系统的有力竞争者[2]。
2 HEBLDCM基本原理与控制策略分析
HEBLDCM在普通无刷直流电机的结构上进行了改造,在电机定子侧安装与电枢绕组正交的直流励磁绕组,转子侧安装铁磁极作为调磁极以及相间地安装N极、S极,电机整体结构如图1所示。
2.1 电机结构及调磁原理
由图1可看出,HEBLDCM气隙总磁通由永磁磁极产生的永磁磁通Φp和励磁电流If产生的励磁磁通Φf两部分组成。由于永磁磁极对外加磁势的磁阻很大,因此永磁磁极上磁通基本维持为永磁磁通Φp,铁磁极为励磁磁通Φf主要通道。从励磁角度来看,HEBLDCM的运行方式可分为:(1)零励磁运行(If=0),励磁磁通Φf为零,电机工作于普通无刷直流电机状态;(2)增磁运行(If>0),此时励磁磁通Φf与Φp方向相同(即Φf>0),电机气隙总磁通Φ增加为Φp+Φf;(3)弱磁运行(If<0),这时Φf与Φp方向相反(即Φf<0),Φ削减为Φp-Φf。
下面以If>0为例说明If对电机转矩及转速的影响,设U为电枢电压,E为电枢反电动势,R为电机内阻,L为电枢绕组各相自感,I为电枢电流,KE为反电势系数,n为电机转速,则HEBLDCM的电压平衡方程为:
式(2)中,Φf=KfIf,Kf为与励磁绕组设计有关的常数。结合(1)、(2)两式可得出n与U、If的关系表达式为:
由式(3)有,转速n可通过调节U、If来实现。
同样,电机转矩M与If及I之间关系式为:
式(4)中,KM为转矩系数,则调节I和If可实现对电机转矩M的调节[3,4]。
经以上分析可知,通过对励磁电流If的方向控制,可起到增强或削弱电机内部磁场的作用,而改变If大小则可控制调磁的强度,通过对磁场的控制最终达到控制电机转速和转矩的目的。
2.2 控制策略分析
引入励磁电流If的同时将带来励磁损耗,因此在不采取电励磁能满足运行需求的情况下电机零励磁运行。为方便分析,做如下定义:电机工作在额定电枢电压UN及额定电枢电流IN,零励磁运行时的转速为额定转速nN;电枢电流达到额定值IN时,零励磁运行的转矩为额定转矩MN;为保证主回路的调节能力,取电机零励磁恒功率运行下最高转速的90%为电机弱磁基速nf。根据电动汽车各种运行工况特点,以MN、nN、nf为临界点将系统工作状态划分为低速零励磁运行、低速增磁运行、高速零励磁运行、高速弱磁运行[5,6]。
当电动汽车低速运行(n
(1)汽车轻载低速运行时,电机负载转矩M小于额定转矩MN,此时电枢电流I未达到额定值IN,可通过调节I来满足负载转矩需求,零励磁运行。
(2)汽车处于爬坡或带负载启动等工况下时,负载转矩需求M可能超过额定转矩MN。由MN定义及式(4)可知,此时电枢电流I已达到额定值IN,假若继续增加I来获得转矩的提升,可能会导致电枢损耗急剧上升,严重时将造成电机损坏,因此调用正向励磁电流(If>0)增磁以提升电机转矩。
当电动汽车高速运行时(n>nN),此时转矩M不再是主要运行指标,仅考虑速度运行情况,以弱磁基速nf为临界值判断是否需要弱磁升速。
(1)当汽车运行在nN
(2)当汽车运行速度n大于nf时,由nf定义知此时电枢电压的利用率达到90%,不宜再采取调压调速,为避免主回路失去调节作用,引入反向励磁电流(If<0)削弱磁场提升速度,电机转矩也随速度上升而成比例下降,高速弱磁运行仍为恒功率运行。
3 系统硬件设计
HEBLDCM驱动系统需要协调控制电枢电流及励磁电流,因此比普通无刷直流电机驱动系统复杂了很多,这样对主控芯片的性能也提出了更高的要求。美国TI公司的TMS320F2812是目前在电机控制领域应用最为广泛的32位定点DSP,这款DSP的CPU主频高达150MHz,拥有精度达12位的片内AD模块,支持CAN2.0B协议的eCAN模块,两个专用于电机控制的事件管理器模块(EV)等诸多外设模块[7],基本满足了HEBLDCM系统控制的需求。
主电路功率模块选用日本三菱公司的IPM模块PM75CVA120,该模块额定电流75A,额定电压1200V,其将IGBT和驱动电路及过流、过压、欠压等保护电路集成在一起,简化了设计。励磁电路由四个IXYS公司的功率MOS管IFFN100N50P构成全桥电路,通过改变MOS管的导通次序和开关频率改变励磁电流的方向和大小。
图2为基于2812的HEBLDCM驱动系统硬件框图,硬件系统主要分为电枢主回路控制、励磁电路控制两部分,其中2812外部输入信号主要有位置、速度及电流的反馈信号以及运行参数给定信号(键盘或管理系统)等。DSP输出信号有故障保护信号和PWM驱动信号,其中E-VA中6路PWM用于驱动主回路IPM模块,EVB中4路PWM作为励磁电流方向切换信号,下面主要介绍系统部分接口电路的设计。
3.1 位置检测电路
转子位置信号及速度信号是决定电机运行的关键参数,采用日本TAMAGAWA公司的增量式光电编码器TS5214N510作为位置/速度传感器。这款编码器的分辨率为2500C/T,供电电源为+5V,输出6组差分信号:,其中为速度反馈信号,为磁极位置信号。
如图3所示,编码器端输出位置及速度差分信号经由接口板上SN75175转换为单端信号,再由高速光电耦合器6N137对单端信号进行隔离处理后送至2812捕捉单元,经捕捉单元完成位置/速度信号的采集,最后由CPU完成转子位置判断以及速度计算。
3.2 CAN收发电路
CAN总线是在汽车行业应用最为广泛的现场总线,为加强系统与电动汽车管理系统的通信,扩展CAN外围电路。选用TI公司的SN65HVD230作为CAN控制器和物理总线接口,其T、R引脚分别连接2812的CANTXA、CANRXA引脚,如图4所示。
3.3 AD采样调理电路
系统采用的电流互感器输出满量程为±6V,然而2812AD模块输入模拟电压范围为0~3V,采取图5所示电路将电流传感器输出电压信号限制在3V以内,然后再送入AD摸块,确保采样的正确性。
4 系统软件设计
由控制策略分析可知,HEBLDCM驱动系统设计的关键在于如何根据电动汽车运行工况的改变自动切换工作状态,选择运行方式,尽可能的发挥出混合励磁无刷直流电机的性能优势。
图6为系统主程序框图,主程序中主要包括系统初始化、运行命令给定与显示、外部输入信号检测、速度计算、故障检测及处理、状态判断、通信等子程序。电机运行方式选择首先通过当前运行速度n与nN的比较初步判断高、低速状态。若n>nN(高速),则n再与nf比较决定是否弱磁升速;若n
5 结束语
一个性能优越的电机驱动系统不仅可提高电动汽车整车性能,对促进电动汽车的发展和推广也具有重要的意义。本文在分析混合励磁无刷直流电机调磁原理和系统控制策略的基础上,分别介绍了驱动系统硬件电路设计和软件框架,该电机驱动系统具有磁场可调、低速大力矩及调速范围广等众多优点,在电动汽车驱动方面有着良好的应用前景。
参考文献
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[7]Texas Instruments.TMS320C28x DSP CPU and Instruction Set Reference Guide[Z].2003.
电机驱动 篇2
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.随着全球汽车电动化渗透率的不断提高，驱动电机行业将会迎来整体规模的迅速扩张。在这一过程当中，具备规模效应和技术优势的第三方电机制造商将有机会迅速扩大市场份额，收获业绩的大幅增长。
全球驱动电机市场趋势
根据估测，随着全球汽车电动化快速推进，新能源汽车电机系统市场将随之快速扩张，市场规模有望从2015年的$23亿增长到2030年的$318亿。
新能源汽车电机系统主要包括电动机和逆变器两部分，虽然同其他大部分汽车零部件一样，这两部分部件长期都面临降价压力，但是由于新能源汽车总量的上升，行业总体还是具备较大上升空间。我们预期到2030年市场规模年均增速将在18%-20%左右。
系统单价方面，电机系统整体往高功率方向发展的同时也带来了装配价格的提升。
根据估测，在中性假设条件下，2030年电动车销量将达到2000万台，约占当年乘用车总销量的16%-18%。然而，如果放到乐观情景下，即电池价格大幅下滑，且环保政策更加严厉的条件下，电动车销量增长的速度有可能大幅上升，我们预期在乐观情况下新能源汽车年销总量有可能达到3000万台的水平，约占当年汽车销量的25%-27%。
预计单电机混动车的功率需求大约在30kw左右(平均价格约$200-$300)，双电机插电混功率约为50-100kw(平均价格$800-$1000)，纯电动车的电机功率约为200kw(平均价格$1000-$1500)。
电动机市场情况
我们预计到2030年电动机(不包括逆变器)的销量年均增速将达到18%，到2030年行业整体销量达到$195亿，相较2015年$12亿的水平扩展近17倍。
预期电动机的销量将从2015年的360万上升到2030年的4900万，同时，单车电机数量预计将有所下滑，从1.8下降到1.4，主要是由于单电机的纯电动车销量占比提升。
但电动机单价方面我们预期将进一步提升，从目前的$350上升至$380，主要是受高价大功率电机的更广泛应用所拉动。
从市场份额情况看，丰田集团在2016年的数据中遥遥领先(集团主要生产电机的公司包括电装公司和爱信精机)，本田集团位居第二，而同时这两大集团也都在混动领域占据全球领先地位。之后是比亚迪以及给特斯拉供货的台湾电机制造商富田电机。
电机行业在长期发展过程中，第三方供应商崛起将是大势所趋。如果我们观察当前日本汽车行业产业链情况，不难发现占据龙头地位的前三强(丰田、)都倾向于自供电机产品，这除了和日本制造企业的传统基因相关外，也同行业发展的阶段有关。
如果对照一下PC和手机行业的发展史，我们不难发现，这两个行业在初期都是高度上下游整合生产，无论是PC行业的惠普、苹果、硅图公司，还是手机行业的诺基亚、摩托罗拉都在产业链中高度整合生产，因为在初期产品更新换代速度较快，需要上游零部件供应商迅速做出反应相互配合，所以整合生产的模式具备较高的性价比；
然而到了行业发展中后期，由于整个市场规模扩充，同时产品更新换代速度不需要像初期那样快，此时第三方供应商以整个市场为客户对象的规模效应便体现出来，这也催生了富士康、美光、海力士等一系列第三方供应商的崛起。
新能源汽车电机行业也不例外，从当前时点看，本田已经宣布将与日立合作生产电机。同时日产也在投资者交流会上提到将来可能开始外采电机。
2017年10月，三菱电机宣布将为戴姆勒奔驰提供电机和逆变器。随着第三方电机厂商高效能、低成本产品的普及，电机行业市场份额从主机厂自供向第三方企业转移是大势所趋。
目前日本的电机企业已经相继开始对电动化所带来的趋势转变做出了应对。我们预期电装和爱信精机将会首先利用他们现有的规模优势，用较低的成本占有市场份额，而紧随其后的电产和明电舍也将迅速跟进。
目前电机行业的平均毛利率在30%左右，而生产规模是决定毛利率高低的主要因素之一。
逆变器行业情况
我们预测逆变器行业也将迎来高速增长，根据估测，逆变器市场销售收入规模将从2015年的$12亿上升至2030年的133亿。
从销量上来看，因为逆变器与电机的比例基本是1:1，所以预计其销售总量将从2015年的360万上升到2030年的4900万。
$300-$400下降到$200-$300，主要是来自于上量之后的成本规模效应。
与电机领域相似，在逆变器行业丰田集团目前同样也是居于领先地位。同时丰田集团下属的电装集团目前正在大规模扩展其逆变器客户。在丰田之后，三菱电机也占据相当大的市场份额。
技术演变
从电机的分类来看，主要有直流、交流感应、永磁同步和开关磁阻四种，新能源汽车电机主要用到后三种。
目前，永磁同步由于其较优的性能，是主流的电机类型。交流异步电机的价格适中，但性能稍差，在美国及中国有部分厂商使用。而开关磁阻电机的主要优势在于其较低的价格，但同时也存在着杂音和震动的技术问题，如果这些问题能够解决的话，开关磁阻电机将具备很大的市场。
交流异步电机:虽然从目前看，交流异步电机(额定功率在79-85左右)相比永磁同步功率方面不具备优势，但是其成本较永磁同步电机低出不少。在体积方面，交流异步电机比永磁同步电机更大，主要是受设计构造的限制。
永磁同步电机:电机内部有包裹永磁体的转子，整体系统功率较大(在90-92左右)，同时体积较小。造价方面较为昂贵，主要由于永磁材料价格较
出效能。永磁电机是当前电动车电机行业中应用广泛的电机类型。
开关磁阻电机:开关磁阻电机价格非常具有竞争力，主要由于其转子中没有高成本的永磁体，同时其功率适中(额定功率在80-86左右)。由于是利用定子和转子的拉力来提供动力，过程中导致的震动和噪音是其主要问题。由于电动车电机目前正处在迅速上量的时间段，我们相信需求的提升会加快技术的革新替代。
电机技术提升方向
通过研究过去20年电机的技术演进趋势，我们发现电机技术还有较大的继续提升的空间。首先看机芯用钢的厚度情况。对于定子和转子来说，其主要是由薄电磁钢层叠加组成，1997年第一代的丰田普锐斯使用的是0.35mm的钢层，随后减到0.3mm，近2016年降到0.25mm。一般来说，薄钢层数的提升能够增加电机效率，同时也对控制电机温度有帮助。
目前，制造薄钢是行业的一大技术难题。主要的难点在于控制压铸中的回弹，以及钢片材料的一致性保持。从当前情况来看，旋锻加工技术由于其成本和生产效率方面的优势将会越来越成为行业的主流制造方式。
其次，在绕线密度方面，总体上定子中绕线的量是决定电机功率大小的重要因素。而决定绕线量的则主要是在有限空间内铜线可以绕机芯的圈数。技术
方面目前插入器的使用由于适合高功率的定子加工，并有逐渐成为行业生产标配的趋势。
而线圈类型方面，主要有方形和圆形两种，目前主流厂商使用的是圆形，但是方形技术由于具备较高的空间利用率，正逐渐替代圆形成为行业大方向，而丰田和本田目前已经开始批量采用方形绕线技术。其他厂商这边，安川电机已经开始研发电子绕线技术，目的是提升控制和效率(马自达已经开始试用)。
在冷却系统方面，分电机和逆变器两部分:电机这块，由于随着电机温度升高永磁电机的磁力会减弱，所以冷却系统的效率对于电机高功率运行至关重要。
不从技术演变趋势看，主流的冷却技术已经从风冷、水冷，发展到目前油冷的阶段。其主要技术手段是将电机浸入到油冷室中来达到降温的目的。虽然有专家认为与油的摩擦会降低电机的效率，但是综合各方面情况，油冷依旧是目前技术条件下有效的冷却模式。
逆变器方面，冷却系统对于逆变器的表现也同样重要，日产近声称在聆风2017新车型中，依靠提升逆变器冷却系统，将电机的输出功率从80kw提升至110kw，而电机其他部分均和上一代相同。
电机驱动 篇3
关键词：双电机;功率追踪;模糊控制器;迭代算法
中图分类号：TM343 文献标识码：A
Algorithm of coaxial dual-motor drive system power tracking
XUE Chen-Xu1*， HAN Jun-feng2， LIN Chuan1， PAN Sheng-hui1， YANG Feng1
- College of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006 China;
2.Department of Electrical Engineering， Guangxi Technological College of machinery and electricity， Nanning 530007 China）
Abstract： Research coaxial dual-motor load power tracking. In this system， two synchronous motors speed is forced. Due to the slight difference in the two identical motor parameters， it will lead to uneven distribution of power. According to the vector control theory， the AC motor torque and motor flux decoupling induction motor. The mathematical model of dual-motor power （current）-tracking， is controlled by fuzzy controller design and iterative algorithm to solve the power to track all issues. Simulation results show that the fuzzy PID control system compared with the control iterative algorithm can improve the response speed power-tracking， and faster to achieve power balance.
Keywords： Dual-motor; power point tracking; fuzzy controller; iterative algorithm
1 引言
双电机硬轴联接驱动同一负载时，即使同批次的相同型号电机也极难达到各项参数完全一致，因此它们所分担的负载就不可能完全相等，从而导致两个电机输出功率出现偏差，容易使其中一台电机工作在轻载状态，而另一电机工作在过载状态，造成电机过负荷。为改善这种情况，将负载进行合理分配，双电机的功率平衡问题就必须得到解决 [1]。
自从上世纪80年代 Koren提出交叉耦合控制算法之后[2]，许多专家针对“多电机协调控制”这一课题展开了一系列的研究。国内，汤杰，李志勇针对刚性硬联的双电机同步传动系统的功率分配问题提出主从控制方案[3]，在同步运行中确保功率平衡。田瑞，赵艳提出了变频器的主/从功能在多电机传动系统中的应用[4]，解决了多台电机同时驱动同一负载的功率平衡问题。张超，裴延涛提出了基于矢量控制思想的同轴硬联双电机负载平衡系统[5]，并且将交叉耦合及主从控制的概念运用于其中，从而实现双电机承担相等负载的实验目的。
上述文献均较少提及从电机功率跟踪过程中的精确的数学模型，因此对双电机功率追踪精确数学模型的算法研究是一个新的研究点。本文以双电机同轴驱动系统为对象，通过矢量控制理论，将交流异步电机的电机转矩和电机磁通的解耦，建立了双电机功率追踪系统的数学模型。在主从控制和交叉耦合的基础上，设计了模糊参数自整定PID控制器以及基于迭代算法的控制器，均获得了精确的控制效果。通过比较，模糊参数自整定PID控制器提高了响应速度，解决了功率平衡问题，改善了系统的动态性能。
2 双电机同轴运行功率不平衡的Simulink仿真
由双电机同轴运行功率平衡定义[6]可知，在双电机同轴拖动同一负载时，两台电机额定功率相同，即使两台电机的其他参数不相同时，其所分配的负载力矩也必须是相同的。选择电机为鼠笼式异步电机，在本次仿真试验中采用星型接法。电源的三路输入信号的初始相位分别设置为0°，120°，240°，电压设置为380V，频率为50Hz。在MATLAB/SIMULINK中创建双电机同轴模型，如图1所示：
图1 双电机功率不平衡仿真实验
两台电机额定功率均为15kW，其中电机1转子电阻为2.65Ω，电机2转子电阻为3.65Ω，两台电机的输出转矩差如图2所示：
图2 功率不平衡输出转矩差
如图2所示，在输入负载转矩为60NM时，电机1输出转矩为38NM，电机2输出转矩为22NM，这说明两台电机在定子电阻相差1欧姆时，两台电机输出功率相差1.7倍以上，出现了严重的功率不平衡。因此，在该系统中，必须进行功率平衡的控制。
3 双电机硬轴驱动系统数学模型的建立
系统采用主从控制方法对双电机进行控制，通过微处理器产生变频控制信号[7]，将主从电机的负载转矩（定子电流）进行比较，进而控制从电机，达到改变从电机负载转矩与主电机平衡的目的，从而通过控制从电机的变频调速过程实现两台电机的功率平衡。
3.1 变频器环节的数学模型
变频器的输入信号是控制电压Uc，通过变频器输出相应的电机定子相电压U1和电源频率f1。由于f1和U1的比值保持不变，所以变频器的频率给定信号Uc与U1的关系由变频器的加速时间确定。加速时间设为τ，可以得出在阶跃给定下的系统响应情况。当给定信号是Uc，输出响应可以分解为两个斜坡函数y1（t）和y2（t），并有：
3.2 电机环节的数学模型
在对从电机数学模型的建模过程中，为了实现电机磁通和转矩的解耦，利用矢量控制理论，通过坐标变换将交流异步电机等效为直流电动机，从而对从电机的转矩进行控制。本系统中电机环节的模型是解耦后基于电流转矩分量的传递函数[8]：
（6）
式（6）说明异步电动机的电流与电压的动态是非线性关系。为了用简单的过程说明矢量控制原理，假设如下：
电动机的负载变化非常慢，在电流调节中基本不变，可设△MZ=0;转速变化相对于电流变化非常慢，因此在电流调节中可以认为转速基本不变，可设△ωr=0。以上的假设将式（6）进一步线性化，可表示成三阶微分方程的，其形式如下：
可将它等效为直流电机电枢绕组回路方程，本式将作为转矩跟随控制的传递函数。
4 双电机同轴系统功率追踪算法的MATLAB仿真
选择主电机参数如表1所示：
表1 主电机的相关参数
为了使主从电机参数不同，这里设置从电机转子电阻为0.42Ω，其他参数均与主电机相同。根据上节建立的电动机环节数学模型及电机参数，可以得到电机的传递函数为：
4.1 基于模糊参数自整定PID控制系统的设计
根据主从电机参数及矢量控制原理解耦，其中主从电机间电压变化为4.5～5V，根据控制系统对过渡要求和专家经验，设计模糊PID控制器[9]，建立模糊规则如图3所示：
图3 模糊控制器规则
对上述系统进行MATLAB仿真，仿真实验如图4所示：
图4 同轴从电机功率跟踪系统图
仿真时间设置为3s，设置主电机输入电流200A：仿真结果如图5所示：
图5 模糊PID功率追踪
由仿真结果可知，主电机输入200A电流，从电机电流经过0.5s达到主电机90%以上的输入，经1s达到误差为0，并且动态过程线性化程度较好。
电机驱动 篇4
作为矿山开采的主要交通工具, 矿山电机车性能的好坏直接影响其工作效率。传统的直流调阻调速和直流斩波调速被交流牵引电机车所替代。空间控制、宽度不同的轨距等因素将影响着矿山牵引电机车性能, 若采用一台电机驱动一个轮轴, 即双电机直接驱动, 为了提升电机运行速断, 成本等问题, 采用一台变频器控制多台电机的方法, 即双电机单逆变器控制系统。
1. 牵引电机的数学模型及工作原理
牵引电机车在控制方法上具有多样性, 但对研究对象的控制上具有相似性, 均采用一台电机作为控制模型, 本文在系统建模时以一台电机作为研究对象, 在电机建模时即对一台电机进行建模。为了使牵引电机车提高其运行可靠性, 采用异步电机, 而其动态数学模型具有强耦合、非线性等特点, 根据产生磁动势相等的原则需进行坐标简化。
对交流异步电动机进行调速主要分为基频以下控制和基频以上控制。由于定子电流对异步电机的励磁回路产生影响, 而定子绕组输入的电流由转矩分量和励磁分量两部分组成, 这样就不易于异步电机进行速度调节。而调速主要是由磁场进行控制, 为了对异步电动机磁场准确调节控制, 就要实时检测其位置与数值的大小。若需要直接检测, 就要被现实中一些工程技术所制约, 所以通过采用磁链模型进行观测的计算分析方式。异步电动机在两相旋转坐标系中的电压方程式为
2. 干线牵引电机车矢量控制系统
通过将异步电动机三相坐标变换为两相旋转坐标坐标的数学模型可知, 为了对其转矩进行控制, 可采用用来产生磁场的励磁电流以及转矩分量的电流的幅值和相位加以控制, 在矢量变换的基础上即控制其定子电流的矢量, 这样的控制方式称为矢量控制, 这种控制属于一种比较先进的电机控制。牵引电机车采用矢量控制能够满足其工作中的性能要求。
3. 干线牵引电机车双电机系统仿真模型的搭建与结果分析
依据异步电机等效直流电机模型公式搭建双电机单逆变器矢量控制系统, 如图1所示, 系统采用双电机单逆变器的简化平均模型, 其中电机M1为主控制电机, 电机M2为被控制电机。
3.1 系统仿真参数如下:
额定功率PN=4k W
额定电压UN=400V
额定转速n=1430r/min
极对数np=2
定子电阻Rs=1.405Ω
转子电阻Rr=1.395Ω
定子自感Ls=0.005839H
转子自感Ls=0.005839H
互感Lm=0.1722H。
3.2 仿真研究
系统仿真从电机起动后突加50%额定转矩如图2所示。其中图2、图3分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的定子电流波形;图4、图5分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的转速的波形。
由图2、图3波形可以看出, 在主控制电机M1和被动控制电机M2设计相同参数时, 二者承受的负载转矩平衡;由图4、图5波形看, 两电机具有低速大转矩的工作性能, 即在简化平均模型下采用矢量控制, 能够达到牵引电机车对牵引电机出力的要求。
结论
本文采用MATLAB软件, 建立牵引机车的控制系统的仿真模型, 并对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行分析研究, 为实际系统的设计提供理论依据及必要的设计参数。介绍简化平均模型下的矢量控制调速系统控制方案, 并建立双电机单逆变器控制系统仿真模型。通过对两电机中突加额定转矩下定子电流和转速的仿真结果说明运用简化平均电机模型在两台电机参数一致的前提下, 具有良好的稳态及动态性能, 并能够满足牵引电机车对电机性能的要求。
摘要：干线牵引电机车是铁路运输货物的一种重要交通工具, 根据目前矿山开采的实际情况, 需要其具有较强的稳定性、负荷能力, 即在牵引电机起动上、稳定性、过载能力上提出了较高的要求。本文通过MATLAB仿真软件对双电机拖动系统的简单平均模型进行建模仿真, 采用矢量控制算法。并对双电机单逆变器控制系统进行仿真设计, 仿真验证系统能满足矿山牵引对电机的要求, 并具有良好的抗干扰性能。
关键词：牵引电机车,双电机拖动,矢量控制
参考文献
[1]阮毅, 陈伯时.电机拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2010.
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F245步进电机驱动器说明书 篇5
F245步进驱动器
使用手册
F第一文库网245外观图片
F245使用手册
安全注意事项
1、安全说明
?驱动器只能由专业技术人员安装和操作。?严防意外事故的发生。
?注意通用电器设备与机械设备的安装与配合。?避免电磁干扰。
?驱动器外壳要接地。2、注意事项
◆信号电缆和电机电缆必须屏蔽、分别走线，距离越大效果越好。◆电机电缆最长为50米。
◆信号电缆和电机电缆中多余线一定要剪掉并做绝缘处理。
◆电机电缆双端屏蔽，一端接电机外壳，另一端接驱动器外壳。◆驱动器电机需可靠接地。
◆驱动器必须在断电后，才能再次接线、安装和参数设置。◆严禁带电对电机和驱动器进行任何参数设置和测量。◆驱动器未接电机前，严禁通电。◆驱动器的输入电压必须满足要求。
◆通电前，要确保电源电缆、电机电缆、信号电缆连接的`正确性。◆严禁用户打开驱动器，打开的驱动器失去保修资格。
1.1概述
F245两相步进电机驱动器，适配4、6、8出线、电流在4A以下、外径28、35、39、42、57的各种型号的二相混合式步进电机。它具有输入电压宽、体积小、平稳性好、成本低、节约能源等优点。广泛运用于雕刻机、电子加工设备、激光打标机等小型数控设备上。
1.2特点
●●●●
电源电压范围：DC12-36V
细分数2、8、10、16、20、32、40、64
输入信号光隔离，脉冲最高反应频率200KHz环保节能：带有锁机电流设置
1.3电气特性
可承受输入电压
输入电流输出电流功温湿
耗度度
DC12-48V小于2安培0A～4.2A（相电流）功耗：80W；
内部保险：5A
工作环境温度小于50℃；存放温度-40℃～
70℃
不能结露，不能有水珠
1.4输入输出信号特点及接线
1.4.1输入信号电气性能
所有输入信号均通过光电隔离，信号接口既有5V接口又有12V/24V接口，用户无需再外置限流电阻。支持差分方式输入，也支持共阳或共阴方式输入。1.4.2
输入输出信号接线
图1输入信号共阳接法
1.5拨码开关说明：
细分数、电流需要通过拨码开关设定。细分设置：
在精密控制场合，步进电机驱动器应把步距角细分，步进电机的细分减小了每一步所走过的步距角，提高了控制精度，减少了步进电机的低频振荡，减少了转矩脉动，提高了输出转矩。本驱动器采用等角度细分方法做细分驱动，具体细分数表如下：
D4OFFONOFFONOFFONOFFON
D5OFFOFFONONOFFOFFONON
D6OFFOFFOFFOFFONONONON
细分数（脉冲/转）
400160030006400800012800
电流设置：使用驱动器前，请设置适当的电机相电流。单位（A）
D1OFF
D2OFF
D3OFF
峰值电流（A）
0.8
OFFOFFOFFONONONON
OFFONONOFFOFFONON
ONOFFONOFFONOFFON
1.01.21.52.63.03.64.2
1.6安装尺寸：
驱动器采用带散热器的外壳结构，安装时应注意驱动器的散热。(单位：mm)
驱动器的外形尺寸为：118×76×35mm，安装孔距为110mm。既可以卧式和立式安装，建议采用立式安装。安装时，应使其紧贴在金属机柜上以利于散热。
盾构机刀盘多电机同步驱动研究 篇6
关键词：盾构机；刀盘驱动；刀盘同步控制
1 引言
传统的盾构机刀盘是由液压驱动的，近几年出现了由变频器控制三相交流异步电机驱动的刀盘。显然，与液压驱动相比，电机驱动具有机械设计简单、安装维护容易、控制灵活方便、成本低廉、更加节能等诸多优点，而且电机驱动刀盘的方式还可以方便盾构机的保养，例如，在更换刀具时，可以按需要将刀盘旋转到便于更换刀具的角度。因此，越来越多的盾构机刀盘选择电机进行驱动。
2 盾构机刀盘驱动的控制要求
应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780土压平衡盾构机采用电动机驱动刀盘的方式，由14个170kw大功率水冷电机，各电机经过各自的减速器与一个差不多和刀盘等直径的大齿轮啮合来驱动整个刀盘。这是一个多电机驱动同一负载的应用，需要多电机同步控制和负载平衡控制，即让电机速度相同的情况下，承担相应的平均负载，避免电机之间出力不均衡而引起部分电机过载。与其他需要负载平衡控制的应用相比，刀盘驱动的特殊性在于：
（1）电机的数量较多，刀盘驱动要求在14个电机之间平衡负载；
（2）机械传动机构复杂，传动比大，从电机侧到刀盘传动比高达355。刀盘负载的微小波动，对电机力矩的影响也很大，如果对电机力矩控制不得当，将容易造成传动机构的损坏。因此，需要采取措施，尽量快速调节电机力矩，避免使电机力矩产生过大的波动。
本盾构机刀盘直径为8.78m，刀盘旋转切削泥土时，不仅需要克服刀具切削土产生的阻力，而且需要克服因盾构千斤顶向前推进时，刀盘与开挖面之间挤压产生的摩擦力。这要求刀盘必须具备足够的扭矩，按相关计算设计正常扭矩为10046KNm，最大脱困扭矩为12056KNm。在如此大的扭矩，如果采用单电机负载，将要求电机功率达到2380KW，实际中难以控制如此大功率的电机，而且可靠性差。因此，要求设计多电机共同驱动刀盘旋转。
针对盾构机刀盘传动结构特点，虽然各电机与刀盘齿轮是刚性连接，使得各电机的速度是强制同步，但是，这种速度同步是“被动”同步，即各电机虽然速度相同，但扭矩未必相同，如果有些电机速度比较慢的情况下“被提速”，使得此电机没有对刀盘做正功，反而成为其他电机的负载，增加整个刀盘的扭矩负载。相反，如果个别电机因为转速比其它都快，则在刀盘齿轮啮合的作用下“被减速”，此电机的负载将会比正常负载大，定子电流急升，增加电机发热量，严重时会烧坏电机。这些都是多电机之间不同步产生的不利影响。
另外，如果仅依靠机械结构完成同步，容易对传动机械器件造成机械疲劳，大大缩短其设计使用寿命，由于盾构机现场施工环境的限制，不便于更换重型器件，所以设计时就需要考虑到器件工作的高可靠性，这也就要求在多电机传动控制方面需要优化同步控制策略，以提高这个传动系统的可靠性能。这就是“主动”的速度同步控制策略，使得各电机能够稳定、精确地跟踪给定速度的同时，还能够均衡地分担刀盘负载。
3 多电机同步控制方式
对多电机同步控制通常可分为非耦合控制和耦合控制。其中，非耦合同步控制主要有并行同步控制和主从同步控制两种形式；耦合同步控制主要有交叉耦合同步控制。偏差耦合同步控制以及电子虚拟总轴同步控制。
3.1 并行同步控制
并行控制是基于相同的给定参考输入信号，各电机独立运行的控制模式，其控制结构如图1所示：
图1 并行同步控制
并联运行的同步控制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很好，不同的单元不受距离的限制，可满足一定条件下的同步要求。在并联运行同步控制系统中，每个单元电动机的输入信号由系统直接给定，因此各单元获得的输入信号完全一致。各驱动单元的输入信号除了受参考信号作用以外，不受其它因素的影响，所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。但采用这种方法后，速度会随着负载的变化而变化，因此不适合对速度精度要求高的场合。
3.2 主从同步控制
以双电机为例，主從同步控制系统的基本结构图如图2所示。在这种情况下，主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。由此可以得出，从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。
图2 主从同步控制
在多台电动机的情况下，主从控制系统有两种不同的控制方式：
（1）第一台电动机为主电动机，其余的所有电动机为从属电动机。主电动机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。在这种控制方式中，当主电动机的负载受到扰动时，所有从电动机都会受到它的影响；但是当任何一台从电动机的负载发生变化时，其它所有电动机不会受到影响；
（2）第一台电动机为主电动机，最后一台电动机为从电动机，而其余的电动机充当双重角色，既是主电动机，又是从电动机，相对于本电动机的前一个电动机而言，它是从电动机；相对于该电动机的后一台电动机而言，它是主电动机。因而除了最后一台电动机之外，任何一台电动机的负载发生扰动时都会影响到随后所有电动机的运行，但不会影响前面的电动机。
3.3 交叉耦合同步控制
交叉耦合控制原理图如图3所示，同非耦合控制相比，交叉耦合控制主要的特点就是将两台电机的速度信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，再将这个反馈信号作为跟踪补偿信号，使系统能够接受任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。但这种控制方式不适合于超过3台电动机的同步控制。
图3 交叉耦合同步控制
3.4 偏差耦合同步控制
偏差耦合控制是交叉耦合控制的发展，如图4所示，其基本思想是将两个电机的速度反馈作差，然后将得到的偏差信号作为该电机的速度补偿信号，增益用来补偿各电机之间的不同转动惯量，从而改善了双轴之间的协调控制性能。
图4 偏差耦合同步控制
但是这类补偿控制还是不能有效地解决多电动机之间动态性能匹配、跟踪过程及跟踪轨迹非线性等一系列问题。
3.5 电子虚拟总轴同步控制
电子虚拟总轴控制策略最早由Meye和Lorenz在1999年提出，由Logcnz和Valenzuela进一步将其发展，以两台电动机为例，其控制原理图如图5所示。
图5 电子虚拟总轴同步控制
虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到各驱动器的参考输入信号。即各驱动器同步的是参考输入信号而不是系统的输入信号。由于该信号是经过总轴作用后得到的信号，因此该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而达到提高同步性能的目的。
4 电机同步控制方式选择
鉴于盾构机刀盘驱动是刚性连接的特点，各电机之间的速度基本一致，即使有速度差，也是因为齿轮之间的啮合缝隙引起的，在此可以忽略其影响。因此不需要对各电机速度进行差值控制，即不适合采用耦合控制方式。
基于这些特点，可采用非耦合的并行控制和主从控制。如果采用主从方式，如前面所述可以有两种结构方式，一种方式是1个作为主电机，其余的13个作为从电机；另一种是第1个电机只作为主电机，第14个电机只作为从电机，其中间12电机既是主电机又是从电机，对前1个电机是充当从电机角色，对后1个电机扮演从电机角色。这种主从结构中主电机工作在速度控制模式，从电机工作在力矩模式，系统的速度给定作为主电机的速度输入，其力矩输出作为从电机的力矩给定。
这种非耦合主从控制方式，所有的从电机给定信号都来自于唯一的主电机，可以保证输出的力矩平衡，虽然从电机的速度不能反馈到主电机，但对于盾构机同轴负载来说，理论上已经足够满足同步及力矩平衡的要求。只是在实现这种控制方式过程中存在一个通信实时性的问题，即主变频器与从变频器信号传输的实时性问题，因为主变频器的力矩信号是从变频器的信号给定，当遇到负载波动比较大的情况下，信号传输过程的延时，将会导致主从之间出力不均衡，此时通信的实时性直接影响到整个系统稳定运行。
因此，在实践过程中我们采用并行控制方式。并行同步控制中，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系，其特点是系统结构简单，易实现，控制的关键是要电机的负载差异小，即各电机的机械特性保持一致，从而达到多个电机负载平衡。
5 应用研究
5.1 三相异步电动机机械特性曲线
从理论上来说，同型号的数个电机，采用并行同步控制，如果驱动的电压和频率完全相同，那么，不用采取额外的措施，电机的负载就能互相平衡。但实际上，即使同型号电机，实际的特性很难保证一致。如图6所示的交流异步电机机械特性曲线，对通常的交流异步电动机而言，在一定的范围内，滑差（电机的实际转速与由供电频率和电机极数决定的磁场转速之间有一定的差异）和负载之间有近似的线性关系，但由于制造过程中的差异，同型号电机的机械特性曲线也不完全相同。如图7所示的相同条件下两台同型号电机的机械特性曲线比较。
图6 电动机机械特性
图7两台电动机机械特性对比
当多个电机驱动同一负载时，由于电机轴通过机械耦合在一起，这意味着这些电机的速度是强制同步的。如果这些电机的电压和频率相等，那么，各电机的负载大小实际与各自的特性相关。为简单说明起见，以2个电机为例，如图8所示。
图8 电机同负载特性
从上图中不难看出，当电源频率相等（图中与纵轴交点，第1行虚线）、实际速度强制同步（图中的第2行虚线所示）的情况下，2个电机的负载大小实际由各自机械特性的斜率所决定。当2个电机特性相同时，那么负载也是相等的。当特性不相同时，相对的负载也不相等。同时也可以看出，在2个电机特性有差异的情况下，对于同样的速度范围，软特性（曲线更下垂）的2个电机之间的负载差异比硬特性的2个电机之间的负载差异要小。
当电机由变频器驱动时，由于频率连续可变，因此该曲线可以上下平移（如图9所示），形状基本不变，对电机本身而言，负载与转速的关系与电网直接驱动是一样的。
图9 电机变频调速特性
根据上述电机机械特性曲线的分析，要达到多个电机负荷平衡的效果，就必須减小各电机间的负载差异，而机械特性越“软”（曲线更下垂）电机之间的负载差异越小。当然也要注意“软化”程度，软的特性不仅使得电机低速时力矩较小，而且会因刀盘的微小负载扰动，使得电机转速波动很大。选择变频器驱动电机时，当电机的实际负载增大，变频器将主动降低给定，这样的效果是人为地“软化”了曲线，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。
5.2 变频器选择
5.2.1 变频器控制原理
变频器的控制，较常用的有V/F控制和矢量控制，下面分别介绍。
V/F控制就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/F控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/F控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。V/F控制特点——以控制速度为目的，控制特点控制精度不高，低速时，力矩明显小，常用于变频器一拖多场合下。
矢量控制的应用场合一般是要求比较高的传动场合。而且，矢量控制在低速时可以输出100%的力矩，而V/F控制在低速时因力矩不够而无法工作。矢量控制——它有速度闭环，即从负载端测出实际的速度，并与给定值进行比较，它能够得到更高精度的速度控制，并且在低速时，也有100%的力矩输出。
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
5.2.2 φ8780盾构机刀盘变频器选择及应用
东芝VF-AS1系列变频器具有矢量控制功能，它可以通过调整电压及频率，从而改变电动机机械特性曲线，同时，内部设置了一个参数（F320）用于调整负载反馈的强度，在应用上这个参数的效果就是调节整个拖动系统的特性曲线的斜率，即“软化”的程度。当耦合在一起的电机特性有差异时，可以通过调整相应变频器的这个参数使拖动系统的特性达到一致。同时，正如前文所描述的那样，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。
同时，东芝VF-AS1系列变频器具有CC-Link接口，可方便的接入到盾构机控制系统中，14台变频器分别控制14台电机，实现并行同步控制，实际应用体系结构如图10所示：
图10 并行同步控制系统结构图
由于系统的变频器数量多，功率大，根据变频器的动力来自不同变压器，故将其分成两大部分，每部分根据不同的断路器再分成两个小组。第一部分中的两个小组，左边的由INVT1、INVT3、INVT5、INVT7四个变频器组成NO1刀盘VFD盘，右边小组由INVT2、INVT4、INVT6三个变频器组成NO2刀盘VFD盘。
设计变频器的排列并非按从小到大的顺序排布，而是采用间隔增长的形式，这是出于提高系统可靠性的设计理念。其中INVT1和INVT3共用一个断路器，其中INVT2和INVT4共用一个断路器。当INVT1所在主回路的断路器出现故障时，将会导致INVT1和INVT3不能正常运行，但INVT2和INVT4仍然可以正常工作，这样使得电机在轴承端仍可保持平稳出力，从而大大减小因电气故障给机械部件造成的意外损伤。
实际应用时，PLC获取上位机设定的刀盘转速，并换算成变频器给定频率，然后广播式发送到14个变频器中。14个变频器对应14个参数文件，其中每个文件除了负载平衡系数及CC-Link站点号不同以外，其余参数都保持一致。刀盘旋转时，14个电机同时启动，并且保持转速一致，电流和转矩保持在允许的范围之内，刀盘转速跟踪给定，达到了同步控制的效果。
6 结论
通过对多电机同步驱动的研究，比较多电机同步控制的几种方式，我们采用了并行控制方式，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系。我们将电机同步控制技术应用于φ8780土压平衡盾构机上，设备运行良好，成功解决了盾构机刀盘电机同步驱动控制的难题。
参考文献
[1]东芝变频器VF-AS1操作说明书
[2]ATV71变频器在盾构机刀盘驱动中的應用
[3]张厚美，盾构隧道的理论研究与施工实践[M].北京：中国建筑工业出
新型节能汽车驱动电机微控制器 篇7
杜比实验室推出一系列数字影院以及3D创新产品, 其中包括杜比数字影院处理器DSS220、杜比数字影院系统软件DCSS v4.3版本、以及新一代杜比3D儿童眼镜。
杜比数字影院处理器DSS220为2个机架单位、17.7英寸深的机箱。DSS220拥有客户可进行更换的组件。DSS220利用影片库服务器提供其他在多个银幕之间共享的功能。
杜比数字影院系统软件DCSS 4.3版本改善了杜比的Web Service接口, 为杜比影院管理软件 (TMS) 提供支持, 并支持集成合作商将杜比处理器整合到他们的解决方案中。同时支持1代和2代数字放映机, 以及3D双机放映。
新一代杜比3D眼镜综合了杜比的3D专有技术、领先的眼镜设计公司的专业经验、以及3M公司最新的多层光学膜镜片, 并与现有的杜比3D数字影院系统兼容。新一代的杜比3D眼镜实现了设计风格与性能的完美平衡, 在保持卓越3D视觉效果与佩戴舒适度的同时, 它也能够重复使用。
富士通半导体发布3款MB91580系列产品, 主要针对节能汽车驱动电机控制。作为高性能32位闪存嵌入微控制器的FR家族成员, 该系列产品可广泛应用于电动汽车和混合动力汽车的驱动电机控制功能。
特征:
1. 适于高转矩响应控制过程的外设功能
需要高转矩响应的EV/HV驱动电机控制具有以下外设功能。内置这些外设功能后, 既可降低系统成本, 又可实现高速反馈控制, 达到改善电机运行和低能耗的目的。
具有高精度检测电流和电机位置的12位A/D转换器和R/D转换器。R/D转换器检测电角度, 与检测三相电流的A/D转换器同步。
安装专用计算电路, 因此可自动计算内置R/D转换器检测到的电角度的SIN (正弦) 值和COS (余弦) 值。电机的反馈控制所需信息由硬件生成。
2. FPU内置高性能CPU内核
电动汽车电机驱动系统研究 篇8
电动汽车是目前汽车领域的技术前进方向,电机驱动系统是电动汽车技术的核心之一。电动汽车的运行工况复杂,对驱动电机系统的要求很高,要求系统有良好的启动能力,能具备较大的瞬时功率,过载能力强。电动汽车的加速性能要求高,要有宽的速度调整范围。电动汽车要求其驱动系统结构简单可靠,能在较恶劣的环境下工作,耐冲击性好。同时要求电机驱动系统的价格便宜,维护方便,能进行批量生产[1]。
目前作为电动汽车电机驱动系统主要有以日本汽车企业为主所采用的永磁无刷电机及以欧美汽车企业所采用的交流电机系统。永磁无刷电机系统主要用于小型乘用车的驱动动力源,交流电机所构成的电机驱动系统主要用于大型车辆的驱动。这两类驱动电机系统各有特点,永磁无刷电机系统技术成熟,效率高,但价格较高,高温长时间运行易消磁。交流电机系统价格低,效率高但是需要一个直流到交流的电源变换系统,造成其运行维护成本很高。
开关磁阻电机电动机结构简单、制造成本低、适于高速运行、效率高、功耗小。具有高起动转矩、低起动电流的特点,能很好地满足电动汽车的驱动系统要求。因而其在电动汽车动力驱动中得到应用,满足电动汽车驱动要求的同时使电动汽车成本得到有效降低,对于电动汽车更快进入市场化发展是有较大意义的。
2驱动系统结构
本系统以四相8/6极结构3kW开关磁阻电机为驱动电机来说明驱动系统的结构组成与工作原理。电动汽车与传统内燃机汽车相比较,因其动力源不同,动力传动模式与控制方法差异很大。整个动力系统是在数字处理芯片DSP控制下以电机驱动为核心的一个闭环控制系统,控制系统如图1[1,2]所示。DSP芯片将接收控制参数,并根据控制策略控制功率模块输送给驱动电机电流及电压,进而调整电机的输出功率、转速,以满足电动汽车的驱动要求,同时DSP时间监测电机的运行参数,形成闭环数字控制。
3硬件组成
3.1 DSP芯片选择
系统中DSP采用美国TI公司的16位数字信号处理器TMS320F24x系列中的TMS320LF2407 DSP芯片作为智能控制单元。DSP负责接收并判断转子的位置信号,进行电机运行象限、角度变化、控制算法、系统保护、故障处理等逻辑运算,最终输出PWM驱动信号去控制电机。电动汽车的速度给定信号、电源的电流与电压信号通过A/D口输入DSP,电机运行的转子位置信号通过CAP1-2端口输送进入DSP[6,7]。采用PWM(Pulse Width Modulation)技术的控制方法来实现数字化的闭环控制,实现了动力驱动系统在电动汽车整车控制模块控制下的闭环精确控制。
3.2智能功率驱动模块IPM
对于功率变换模块,通常采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率器件,通过外围驱动电路与保护电路构成。目前可以采用智能功率变换模块IPM来构成,它具有高速、低耗的特点,同时又具备完善的电路保护功能。功率变换模块可以由单个的H型IPM(内部封装1个IGBT)来构成,也可由其它结构的IPM组成。在此,选择两个C型IPM(内部封装6个IGBT)来构成功率驱动模块,型号为三菱PM75CSD060。结构由两块PM75CSD060构成,原理如图2[3]所示。
电路采用简化功率电路连接形式,两相绕组共用一个功率开关,在图2中,Q1～Q6、M1～M6为各单元IPM的IGBT功率开关管,QDl～QD6、MDl～MD6为内部每个IGBT所对应的续流二极管,Ml和Q2功率开关控制A相绕组,Q5和M4功率开关控制B相绕组,Ml和Q4功率开关控制C相绕组,Q5和M6功率开关控制D相绕组,其他IGBT开关空闲,只利用其续流二极管。
IPM驱动电路采用JS158专用驱动模块,是专为使用IPM的嵌入式系统级开关电源,具有9路输出、8路隔离输出,功率范围大,输入电压范围宽,具有VDC Detect功能,实时监控直流母线电压,满足了IPM的驱动要求。
3.3电流与位置检测
3.3.1电流检测
驱动系统的电流检测采用LA58-P霍尔电流传感器来实现,其中霍尔电流传感器的M端为检测信号输出端。电路采用简化功率电路模式,只需要两个LA58-P来实现电流的检测,检测电流经处理后与DSP的10位A/D转换ADCIN00、ADCIN01通道连接,作为电流闭环的控制反馈信号。电流输出电路如图3所示[3]。
3.3.2位置检测
由于SRM的结构特征,要使SRM正常运转,必须要实时测量转子的位置,文献[4]等研究了一类间接检测转子位置的方法。文献[3]等也研究了采用光电传感器等方式来进行位置检测的方式。本系统因实际应用的可行性,采用传统的直接检测转子位置的方式来进行位置检测。位置检测采用4096线的光电编码器进行检测。
选择电机的一相定子绕组的中心线上安装光电元件,顺时针转过15°再安装另外一个,遮光盘的6个齿槽等分为30°,电机工作时遮光盘与电机轴同步旋转,输出两相周期为60°,间隔15°的位置信号,通过检测两相位置信号的上下沿也可得到间距为15°的脉冲序列[8]。光电编码器的输出信号经过处理直接与DSP事件管理器的捕获单元CAP连接,通过编码器发出的脉冲数可准确判断转子的位置,确定SRM的下一个导通相,同时DSP通过软件编程计算出位置传感器脉冲宽度的时间,计算出SRM的转速[5]。
4驱动系统软件
驱动系统采用DSP数字PI调节器来实现SRM系统的闭环控制,控制系统软件的主要功能是根据设定速度、电机转子位置状态和实际转速发出对应绕组的PWM调制信号。控制系统主程序框图如图4所示。
5实验及结论
将电机及其驱动系统放置于测试台架,进行驱动系统的台架试验。电机速度特性如图5所示,电机转速为700r/min、负载电流为14A时的相电流波形如图6所示。
图5测试曲线表明,驱动系统电机的速度加速时间较短,驱动系统的响应较好。图6测试曲线表明,电机的相电流可在一定范围内得到控制,控制系统可以满足使用要求。
以课题组开发的纯电动验证车辆为实验对象,车辆采用纯电动驱动模式,驱动系统布置为后置后驱布局,测试时采用直接驱动模式。通过实验来分析其动力性能,为后续开展研究进行技术分析。电池采用72V、150Ah磷酸铁锂电池组供电,其整车参数如表1所示。
试验车辆后置后轮驱动(RR)满载时,后轴负荷为<60%,电池箱总质量与整车整备质量比例为30%,车辆符合测试条件。
《纯电动乘用车技术标准》征求意见稿中对纯电动汽车的驱动动力系统规定了限制性标准,通过对比测试结果,车辆驱动动力性能能够基本达到技术要求。
测试过程中,由于开关磁阻电机的固有转矩脉动特性带来的驱动系统的振动较大,测试时当电机转速超过3500r/min时,光电编码位置检测单元会出现偶发性信号丢失现象。因此在今后的工作中要研究通过控制策略来减小电机的驱动系统的振动,同时研究无位置检测系统方案,以确保驱动系统工作的稳定性。
摘要：讨论了电动汽车驱动系统的结构与工作原理,研究了开关磁阻电机构成驱动系统的组成,通过实验车辆对电机驱动系统进行了测试,能满足电动汽车驱动的要求。
关键词：电动汽车,驱动系统,研究
参考文献
[1]闫大伟,陈世元.电动汽车驱动电机性能比较[J].汽车电器,2001(2):4-6.
[2]李文海,庞庆平,陈巧芝.开关磁阻电机驱动系统的发展及应用[J].节能技术,2009(1):44-48.
[3]欧阳启电动车用开关磁阻电机控制系统研究及实现[D].长沙:湖南大学,2006.
[4]崔玉龙,赵小英,侯雪川.电动车3KW开关磁阻电机控制系统研究[J].河北工业大学学报,2004(1):44-49.
[5]袁驰,范岩.基于DSP的开关磁阻电机控制系统设计[J].电力电子技术,2009(2):29-31.
[6]金苏江,庞庆生.基于PS21564模块的交流变频调速控制系统设计[J].电工电气,2009(3):9-16.
[7]韩君,张淑芳,欧阳一鸣.基于TMS320F2407芯片的开关磁阻电机调速系统设计[J].微计算机信息,2009(25):113-114.
电动汽车驱动电机及其控制策略 篇9
电动汽车采用电动机驱动车轮行驶, 动力来源于车载电源, 作为理想“零排放” (或少排放) 汽车, 可使全球污染和能源危机等问题迎刃而解。为此, 汽车产业朝低碳经济方向转型升级势在必行。
现代电动汽车主要分为三类:纯电动汽车 (EV) 、混合动力汽车 (HEV) 、燃料电池电动汽车 (FCEV) 。驱动电机及其控制技术是电动汽车关键技术之一, 是提高可靠性、驱动性能和续驶里程的基本保证。电机驱动系统直接影响整车的动力性及经济性, 是保证电动汽车续驶里程、电动汽车能否产业化的关键。
常用电动汽车驱动电机主要分为直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机和永磁电动机四个大类。
电动汽车所采用驱动电机一般采用专用电机, 应满足如下基本性能要求:
1. 在较宽速度范围内保持高效率, 低损耗, 并能以再生制动运行方式实现制动能量回收。
2. 结构坚固, 体积小, 质量轻, 具有高功率密度、良好的环境适应性和高可靠性。
3. 有较宽的速度调节范围。
高速行驶时, 过载能力强, 能以高速低转矩的特性输出, 并有较好动态响应速度;基速以下输出低速大转矩, 以适应车辆的起动、加速、负荷爬坡和频繁起停等复杂工况。
4. 成本低, 可靠性好, 噪声较小, 结构坚固且易于维护。
5. 驱动系统器件成本低, 理论成熟, 控制性能优良, 利于降低开发成本, 缩短开发周期并提高整车的驱动性能。
驱动系统及其控制方法也将严重影响到其性能指标。这里, 主要阐述常用电动汽车驱动系统特点及其控制方法。
二、直流电动机驱动系统
直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。在混合动力汽车中, 小功率电动机往往采用永磁电动机, 而大功率电动机, 大多采用励磁式直流电动机。
由于直流电动机驱动装置简单, 所以应用于早期以及小型电动汽车中。
1. 直流电动机特点
(1) 直流电动机的优点:
(1) 通过对电枢电流的控制, 能够较容易地实现对转矩的线性控制;
(2) 改变励磁绕组的电流, 易于实现弱磁, 从而使高速运行变得简单可行;
(3) 串励电动机在低速时可自动地获得大转矩。
(2) 直流电动机的缺点
由于电刷、换向器等易于磨损, 加上转子电枢结构限制, 它的转速、功率密度、使用寿命受到限制, 不适合高速旋转;而且, 直流电动机一般质量和体积较大。因此, 目前只在小型、低速车中使用。随着现代调速方法的发展, 直流电动机最终将被交流电动机所取代。
2. 直流电动机控制技术
直流电机驱动系统控制器一般采用斩波控制器控制。斩波器将固定的直流电压变成可调的直流电压。通过改变直流电机电枢两端的等效平均电压, 控制电机的转速和转矩。斩波器既可用于控制电机的电枢电压, 实现电机恒转矩调速, 也可用于控制励磁绕组电压, 改变励磁电流, 实现恒功率弱磁调速控制。
在电枢电压调节的直流调速系统中, 一般采用脉宽调制方法 (PWM) 直接将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压, 以实现直流电动机转速和方向的平滑调节。
三、交流感应电动机驱动系统
交流感应电动机可以分为笼型和绕线转子型异步电动机两类。在电动汽车中, 使用的一般为笼型异步电动机。三相绕组放置在异步电动机的定子中, 并产生旋转磁场, 旋转磁场的转速和频率成正比。
1. 交流感应电动机特点
(1) 交流感应电动机优点
转子是用铸铝将导条和端环以一体的结构铸造出来。由于转子绕组使用整体轻量化的材料, 电动机能够实现高速运转。特别是在小型的笼型电动机中, 生产成本低, 结构坚固, 易于维护。
此外, 三相感应电机调速范围宽, 响应快、运行可靠, 低转矩脉动小、噪声低, 不需要位置传感器。
(2) 交流感应电动机缺点
在效率方面, 感应电动机略低于永磁同步电动机, 同时, 驱动电路复杂、成本高, 功率密度偏低, 有被新型永磁同步驱动系统逐步取代的趋势。
2. 交流感应电机驱动系统控制技术
交流感应驱动系统必须通过逆变器将蓄电池输出的直流电进行变流处理。逆变器的工作原理, 是通过电子开关及整流电路, 将直流电逆变成交流电。感应电动机逆变器即便短路也不会产生反向电动势, 所以没有出现紧急制动的可能性, 可靠性能够得以保障, 因此大量应用在高速电动汽车中。
交流感应电机调速方法有许多, 其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法包括PWM调速、变频变压控制 (VVVF) 、矢量控制 (VC) 和直接转矩控制 (DTC) 。这里, 以后两种为例, 对感应电机调速方法进行阐述。矢量控制 (VC) 的基本原理, 是根据磁场定向原理, 将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) , 然后同时分别控制两分量的幅值和相位, 从而达到控制电机转矩的目的。矢量控制方式分为最大效率矢量控制方式和无速度传感器量控制方式。对于一般的矢量控制系统, 励磁电流都保持常数, 在轻载时增加消耗, 存在效率相对较低问题。为解决这一问题, 应使电机在任何负载条件下损耗最小, 保证效率最大。
与矢量控制不同之处在于, 直接转矩控制 (DTC) 直接控制输出转矩, 根据输出特性, 通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流, 不需要复杂的坐标变换, 克服了矢量变换控制的复杂运算的缺陷, 具有结构简单、转矩响应迅速、计算简单等优点。
但由于该方法只对单一矢量、转矩和磁链进行控制, 存在谐波成分, 造成低速特性差、开关频率不固定以及转矩脉动等缺点, 限制了直接转矩控制方法在低速区的应用。
四、SRD开关磁阻电动机驱动系统
1. SRD开关磁阻电动机的特点
(1) 开关磁阻电动机的优点:
(1) 定子线圈易于安装, 整个结构牢固紧凑;
(2) 转子无绕组, 适合于高速运行, 起动转矩大的优点在低速运行阶段同样明显;
(3) 热耗大部分集中于定子, 易于冷却, 可有较高的最大允许温升;
(4) 启动电流小, 无明显的热量产生, 延长了使用寿命;
(5) 成本低, 性能可靠。
(2) 开关磁阻电机的缺点:
(1) 相对永磁电机而言, 能量转换功率密度和效率低;
(2) 由于转矩脉动大, 导致噪声大, 特定频率下的谐振问题也较为突出;
(3) 相数越多, 接线也较多, 主电路复杂。
2. SRD开关磁阻电机控制技术
电机驱动电路简单, 在宽转速范围内效率较高, 易于实现四象限控制;转子转动惯量低, 便于调速控制。
由开关磁阻电动机转矩-转速特性曲线 (如图1所示) 可以看出, 当电机转速低于基速ωb时, 电感L很小, 此时保持开通角和关断角不变, 电机工作在恒转矩 (0<ω≤ωb) 区间, 这时采用电流斩波器 (也叫变流器) 进行控制。
电流斩波控制, 是指当转角处于开通角阶段时, 使功率开关电路接通 (称为相导通) , 绕组电流从0开始上升;当电流达到设定的上限峰值时, 切断绕组电流 (称斩波关断) , 绕组承受反压, 电流迅速下降;经过一段时间后, 电流降到设定的下限值时, 电路重新导通 (也称斩波导通) 。上述过程周而复始, 形成斩波电流波形, 直到转角为关断角, 使电路相关断。
电流斩波控制的实质, 是按照转矩-转速特性曲线, 使绕组电流在上下极限值时进行电路的关断和导通, 从而实现对电机转矩和转速的控制。该驱动系统控制策略, 使得转矩相对平稳, 适合车辆低速和制动运行。其缺陷在于, 当路况发生变化 (负载扰动) 情况下动态响应迟缓。
在 (ωb, ωsc) 区间, 当电机电感增加到一定值时, 阻碍峰值电流上升, 根据图1中第2段曲线, 以转子位置角作为控制参数, 采用角度控制方式。
角度控制是指控制开通角θon和关断角θoff。在θon和θoff之间, 对绕组施加正向电压, 维持电流上升。在θoff一段时间内, 对绕组施加反向电压使电流续流迅速下降, 直至为0, 实现电机调速目的。通过角度优化, 能使电动机在不同负载下保持较高的效率。
在高速工作区 (ωb>ωsc) 时, 临界速度ωsc、开通角θon和关断角θoff达到极限值后, 保持电机相电压, 使开通角θon和关断角θoff固定不变, 根据图1中第3段曲线, 采用电压斩波方式进行控制, 抗负载扰动动态响应快, 但转矩脉动较大。
五、永磁同步电动机
永磁同步电机分为永磁无刷直流电动机和永磁无刷交流电动机。不同的是, 无刷直流电动机的反电动势和定子电流波形为三相方波, 而无刷交流电动机波形则为三相正弦波信号。无刷直流电动机的优势在于没有电刷, 而是利用电子换相, 克服了由电刷引起的问题。永磁体安装在转子上, 电枢绕组装在定子上, 因而导热性能好, 结构简单, 既使结构紧凑, 又减少了磁场损失, 其效率与转速保持同步关系。
1. 永磁同步电动机特点
(1) 永磁同步电动机优点
(1) 结构简单, 便于维护。与感应电动机相比, 无滑环、无电刷、结构简单、寿命长。
(2) 由于采用永磁体, 可省去励磁功率, 高效节能, 功率因数大幅度提高。
(3) 功率密度大, 效率曲线平直, 效率特性优良。位置检测方便, 控制简单, 调速精度高。
(2) 永磁同步电动机缺点
(1) 成本高, 要做到体积小、重量轻, 技术难度较大;
(2) 相电流难以达到理想状况, 存在一定转矩脉动和噪声、振动。
2. 永磁电动机控制技术
永磁电动机只能对定子绕组的电流进行控制, 具有较高的功率密度, 而且能在较宽的调速范围内保持高效率。永磁同步电动机其控制方式包括电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制。
永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制, 高速时易于弱磁调速, 扩大了恒功率运行范围, 适用于电动汽车的牵引驱动。
永磁无刷直流电动机的控制方法有许多, 最常用的为模糊PID (比例-积分-微分) 控制。系统由PID控制器和被控单元组成。PID控制器由比例单元 (P) 、积分单元 (I) 和微分单元 (D) 组成。
与其他自动控制领域一样, PID控制比例环节用于控制系统的偏差信号, 控制积分环节 (I) 是为了消除余差, 微分环节 (D) 反映偏差信号的变化趋势。在偏差信号变得太大之前, 在系统中引入一个有效的早期修正信号, 从而加快系统的动作速度, 减少调节时间。使用中只需设定少于等于三个参数, 即可以只对比例积分或比例微分进行控制, 但比例控制单元 (P) 必不可少。
所谓模糊PID控制算法, 是根据一定的模糊规则, 利用逻辑算法对传统PID控制的比例、积分、微分系数进行实时控制和优化, 达到较为理想的效果。
模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等重要组成部分。计算机根据所设定的输入sp和反馈信号, 计算实际位置和理论位置的偏差以及当前的偏差变化, 输出PID控制器的比例、积分、微分系数。此外, 为防止一般模糊控制分挡造成控制过程不连续, 系统中解模糊输出控制器参数的修正量。
由用户根据具体情况设定, 最后根据修正系数计算出实际的PID控制参数, 并运用到控制系统中, 使整个系统稳定、可靠地运行。
六、结语及建议
就目前研究状况来看, 电动汽车驱动系统及其控制技术发展较为迅速, 尤其驱动电机技术已经日趋成熟。但现存驱动系统及其控制方案还有各种不尽人意的地方, 还很难形成安全、鲁棒性强、性价比高的产品。
双直线电机同步驱动技术的研究 篇10
数控龙门移动式镗铣床在重型机床中最具代表性,是实现大型工件五面体加工的理想设备。但在重型龙门移动式加工机床中,存在着不平衡受力问题。由于龙门及其相配套的部件、横梁及其相匹配的部件等大型组件并不总是形成对称结构与对称受力,再加上制造与安装上的某些误差的不一致性,以及在实际运行中存在着难以预料的各种不确定性扰动,所以在实际上尽管采用左、右完全相同的传动机构和进给伺服系统,最终还是不能保持龙门框架或横梁移动的平行性,这是由于框架立柱或横梁两端运动的不同步造成的。这样,由于机械上的强耦合,将导致移动部件发生微扭斜,致使工件加工精度无法保证,甚至使龙门框架或驱动元件受到损坏[1]。
本文所设计的伺服系统,驱动元件采用两台相同的永磁直线同步电机,以发挥其高速动态响应能力,进一步实现快速同步。采用解耦控制技术来消除或者减轻机械耦合对双电机的相互影响,以提高同步控制精度。针对解耦后的单电机位置伺服系统提出一种二自由度内模控制方案,所设计的控制器结构简单、直观、在线调节参数少,且容易调整,对系统具有较强的鲁棒性。理论分析和仿真结果表明,本文所提出的控制方案可以使系统具有良好的位置跟随性能和抗扰性能,鲁棒性强,动态过程同步误差小。
2 直线电机数学模型[2]
永磁直线同步电动机(PMLSM)是直接将交流电能转换为直线运动的推力装置。对PMLSM进行矢量控制,d-q坐标系下其简化的数学模型为[2]
s=∫vdt (2)
式中:Fe为电磁推力;KT为推力系数;iq为q轴电流分量;M为电机动子及所带负载的质量;v为动子线速度;B为粘滞摩擦系数;F1为负载阻力;Fd为端部效应产生的阻力;s为动子机械位移。
3 解耦控制器的设计
为了提高双直线电机的同步精度,消除被控对象之间的耦合作用,为此可以采用解耦的方法。将这一双变量控制系统解耦之后,转化成独立的单变量系统,然后按单变量控制系统原理来进行解耦后的设计。为使解耦后的系统和断开耦合通道与解耦通道后所给的单变量系统一样,不改变根据主通道设计的控制器的特性,可采用理想解耦设计原理[3]。图1为理想解耦控制原理图,其中,C(s)为控制器,N(s)为解耦控制器,G(s)为被控对象。
由图1可得系统输出为
Y(s)=[1+G(s)N(s)C(s)]-1G(s)N(s)C(s)X(s) (3)
要求解耦以后的系统变成两个单变量系统,即要求
即
根据解耦要求应当有
所以
得到
通过理想解耦环节,系统从动态上恢复了原有的控制系统,使被控对象恢复其开环的主通道特性。解耦以后所得到的单变量控制系统的控制对象仍然是G11(s),G22(s),但解耦后系统变成了两个单变量系统,可以分别加以独立控制。
4 内模控制器的设计
内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略,它实际上属于一种鲁棒控制[4]。内模控制的基本思想是与被控对象并联一个与对象尽量一致的标称模型,利用其输出与实际对象的输出之差反馈到控制器的输入端,来抑制参数变化、模型失配与外部干扰信号,以提高系统的鲁棒性和抑制干扰能力。与传统的反馈控制系统相比,内模控制系统具有较好的动态响应性能,同时也具有较好的稳定性和鲁棒性[5]。
但是,常规的内模控制器是一种一自由度控制器,只有一个可调参数λ,它与系统的给定值跟随性能和干扰抑制性能有着直接的关系。一般来说,在整定参数λ时,一般要在系统的给定值跟随性能、干扰抑制性能和鲁棒性之间进行折中选择,通过反复试凑才能完成,这正是常规内模控制的不足之处。
为克服常规内模控制的不足,本文对解耦后的两个独立的单电机伺服系统采用一种二自由度内模控制结构方案。单电机所采用的二自由度内模控制结构框图如图2所示,其中Gm(s)为位置被控对象的内部模型,C1(s)和C2(s)构成二自由度内模控制器,Cv(s)为速度控制器。
图2所示的系统结构可以等效变化为图3所示的控制系统。
由图2和图3可得,C1(s),C2(s)和Q1(s),Q2(s)有如下关系
Q1(s)=C1(s)/C2(s) (9)
Q2(s)=C2(s)/[1-Gm(s)C2(s)] (10)
这样Q1(s)和Q2(s)的设计就可以通过设计C1(s)和C2(s)来完成。
图3中,速度控制器采用比例调节器Cv(s)=Kv,通过设计Q1(s)和Q2(s)使系统同时获得良好的位置跟随性能和抗干扰性能,Q1(s)主要用来调整系统的位置跟随性能,Q2(s)主要用来调整系统的抗干扰性能。
根据图2可得到位置环被控对象的标称数学模型为
其中
根据内模控制原理[6,7],取C1(s)和C2(s)分别为
C1(s)=G
C2(s)=G
式中:Gm+(s)为模型Gm(s)中具有最小相位特性的传递函数;f1(s),f2(s)为系统稳定性和鲁棒性所增加的低通滤波器。
为了使伺服系统获得良好的稳态和动态性能,本文根据内模控制原理提出具有如下传递函数的低通滤波器。
根据式(9)～式(15)可得
Q1(s)和Q2(s)即为所要设计的控制器,它仅有两个可调的参数λ1和λ2。根据图3和式(16),式(17),经过推导可得
从上述两式可以看出,改变λ1可以调整系统的位置跟随性能,不影响系统的抗干扰性能;改变λ2可以调整系统的抗干扰性能,但对系统的位置跟随性能有影响。因此,在确定λ1和λ2时,应先根据抗扰性能的要求确定λ2,然后再根据位置跟随性能的要求确定λ1,以使系统同时获得良好的位置跟随性能和抗干扰性能。Kv,λ1和λ2的具体数值可以根据系统的性能要求,借助计算机辅助分析的方法确定。
5 系统仿真
为验证本文所提出的设计方法的有效性,使用Matlab软件对系统进行仿真实验研究。采用参数相同的2台永磁直线同步电机,电机主要参数:KT =25 N/A,M=10 kg,B=1.2 Ns/m。2个位置伺服系统采用相同的位置给定输入信号,均为2 mm的阶跃信号。
当t=1 s时,系统1突加100 N的阶跃扰动,同时系统2突加200 N的阶跃扰动。系统的阶跃响应曲线如图4所示。由仿真曲线可以看出,虽然给系统突加了大小不同的扰动,系统出现了同步误差,但是该误差很快趋于零,输出趋于一致。
当t=1 s时,系统1突加100 N的阶跃扰动;当t=3 s时,系统2突加200 N的阶跃扰动。系统的位置同步误差曲线如图5所示。由仿真曲线可以看出该系统能够迅速回到稳定状态,达到要求的性能指标,同步性能较好。
6 结论
本文对龙门移动式镗铣床中双直线电机同步驱动问题进行了研究,针对伺服系统间的耦合作用,设计了解耦控制器,并设计了二自由度内模控制器以提高单电机伺服系统的位置跟随性能、抗干扰性能和鲁棒性,进而提高系统的同步传动精度。所设计的同步控制方案参数调整方便, 控制器容易实现。仿真结果表明系统响应速度快,抗扰动能力强,并能快速恢复到同步状态。
摘要：双直线电机同步驱动是龙门移动式镗铣加工中心的关键技术。将解耦控制和内模控制应用在由两台永磁直线同步电机驱动的龙门移动式镗铣加工中心上。针对龙门柱存在的机械耦合设计了解耦控制器,解耦后的系统可以看作是两个独立的单输入单输出系统。然后,对解耦后的单电机伺服系统提出了一种二自由度内模控制方案,使系统对参考输入信号具有较高的响应能力,并且能够很好地抑制模型失配与外部扰动。仿真结果表明,所提出的控制方案具有响应速度快,鲁棒性强,动态过程同步误差小的优点,从而能够较好地满足高精度同步控制的要求。
关键词：龙门移动式镗铣加工中心,永磁直线同步电机,同步驱动,解耦控制,内模控制
参考文献
[1]郭庆鼎,赵希梅,翁秀华.基于干扰观测器的龙门移动式镗铣加工中心同步控制[J].电工技术学报,2005,20(9):88-91.
[2]郭庆鼎,王成元,周美文,等.直线交流伺服系统的精密控制[M].北京:机械工业出版社,2000.
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[4]Rayomond Gorez.New Design Relation for 2-DOF PIDControl System[J].Automatica,2003,39(5):901-908.
[5]郭庆鼎,孙宜标,王丽梅.现代永磁电动机交流伺服系统[M].北京:中国电力出版社,2006.
[6]ZHANG Jing-gang,CHEN Zhi-mei,ZHAO Zhi-cheng.ANew Antiwindup Speed Controller for Induction MotorDrive System[C]∥Proceeding of 4th International Confer-ence on Electrical Machines and Systems.Shenyang,2001,8:1240-1243.
电机驱动 篇11
由加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授约瑟夫·王领导的研究团队，使用极其微小的塑料管构建了每个微型电机，这些塑料管表层镀有一层薄锌。这个电机结构整体长度接近10微米。当工程师把这个微型火箭放置在酸性溶液中时，锌原子失去了分子，化学反应产生氢气泡，然后微型火箭就急速运行。
随着溶液中的pH值降低，微型火箭的速度不断提高。王教授和他的同事们称他们的微型电动机速度能够达到每秒1 050微米，这个速度意味着每秒可穿行大约100个人体长度。那个速度对于人体来说有点快。
尽管它们听起来有点像适胃药片，研究人员们能够通过在外层组织增加磁性层来控制它们。通过改变磁场，微型火箭甚至能够捡起或者释放微小的塑料“货物”。 PhysOrg网站公布了一段微型电机运行的视频，看起来就像是M.C. Escher的绘画。
最近在《美国化学协会杂志》上公布了研究人员们的研究结果，很显然这是第一次研制出一种不需要额外化学燃料的微型电机。
研究人员称他们认为这些装置能够拥有一系列的生物医学甚至工业应用。设想投放一个微型电机到你的胃中去做一些考察。接下来，王教授表示下一步需要增加微型电机的寿命。就像沸腾药片一样，微型电机在几分钟之后就停止冒泡。
（来源：腾讯科技）
电机驱动 篇12
井下胶带输送机驱动系统, 主要分为两种, 一种采用矿用隔爆型笼式异步电动机, 经液力偶合器、减速器传动滚筒带动胶带运动, 这种传统的传动方式具有明显的缺点。另一种是经技术改造后的驱动系统采用了无齿轮永磁同步电机变频驱动系统, 即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力传递。它的研发及成功应用, 起到了节能减排的作用, 为我矿运输生产效率奠定了基础。绿色矿用设备将成为一种趋势。
1 无齿轮永磁电机变频驱动系统的原理及应用
系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式, 由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成。50 Hz的市电经整流后, 由三相逆变器给电机的三相绕组供电, 三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩, 拖动转子同步旋转, 通过位置传感器实时读取转子磁钢位置, 变换成电信号控制逆变器功率器件开关, 调节电流频率和相位, 使定子和转子磁势保持不乱的位置, 才能产生恒定的转矩, 定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化, 使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场, 通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相, 代替了机械换向器。
正弦波永磁同步电机属于自控式电机, 电念头的定子反电势和电流波形均为正弦波, 并且保持同相, 其可以获得与直流电机相同的转矩特性, 而且能实现恒转矩的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。通过与井下胶带滚筒的配合运行。
2 紫金煤业无齿轮永磁电机变频系统应用的优越性
传统的带式输送机驱动系统采用异步电动机经液力耦合器, 减速器将动力传送给滚筒带动皮带运动, 这种传统驱动方式的缺点是: (1) 异步电动机→液力耦合器→减速器→传动滚筒, 要经两道机械环节, 传动环节多, 机械效率低。 (2) 重载起动困难:当胶带输送机满载运行中, 因故停止运转时, 再次起动非常困难, 造成停产时往往要调大量人员清理胶带上的煤炭, 才能重新起动胶带输送机。 (3) 常对液力耦合器、减速器等部件进行保养、维护、且更换频率较高。 (4) 驱动系统能耗高、噪音大。
无齿轮永磁同步变频驱动系统即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力的传递。它具有以下特点: (1) 高效、节能:取消了液力耦合器和减速器, 与原系统效率相比提高7%, 所需永磁同步电机功率为34 k W。 (2) 低噪音、免维护:取消了减速器和液力耦合器, 系统震动和噪声大大降低;节约了因更换、检修、日常维护减速器和液力耦合器及齿轮等磨损零部件投入的费用;节约了由于起动不平稳造成皮带被拉裂而投入的采购费用。 (3) 输出转矩大、运行平稳:利用变频器的调速功能实现带式输送机的缓慢起动, 可实现重载起动。 (4) 结构紧凑、体积小、重量轻:单台永磁同步电机, 单台变频器。
现以我矿1206材料巷综掘工作面用的DSP1080/1000型带式输送机为例来分析减少成本、节能问题。
1) 节约成本:该系统节省了传统皮带机系统中购买减速器、液力耦合器的成本, 以DSJ1080皮带机为例, 所需减速器的价格为8 000元, 液力耦合器价格为5 000元, 1台皮带机需要2台减速器及2台液力耦合器, 因此, 可以节省26 000元。由于该系统是变频起动, 因此, 可以减小起动过程对皮带的冲击, 经计算皮带材料可由原先的PVC800S降低为PVC680S。PVC800S价格为150元/m, PVC680S价格为130元/m, DSJ80皮带机一般皮带长为800 m, 皮带可以节省16 000元。每台DSJ80皮带机节省的直接成本为42 000元。
2) 节约能量:传统的DSJ80皮带机由2台轻载效率为80%的55 k W三相异步电机驱动, 而现有的DSP1080/1000型带式输送机用1台效率为93%的160 k W无齿轮电机驱动, 皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。表1是两种配置的能量损耗与各种费用对比。
皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。由表1可知, 在电机生命周期内无齿轮永磁同步变频驱动系统可以节约电能1 351 680 k Wh, 节约总费用1 061 008元。
由上图可知, 传统驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重少, 仅为2%, 但后期电费、维护成本很高分别为85%和13%, 因此, 传统驱动系统的各项费用分配不合理, 总费用很高。无齿轮驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重为9%, 后期电费、维护成本分别为88%、3%, 因此, 无齿轮驱动系统各项费用分配比较合理, 一次投入比例稍大, 但维护费用所占比例低, 总费用节省很多, 该系统的各种费用所占总费用的百分比, 与发达国家相接近。
该传动系统, 根据工矿实际将原系统的双驱 (2台电机, 每台电机电流为30~40 A) 改为现在的单驱 (单台电机电流仅为20~30 A) , 比原系统的电流降低了40~50 A, 节能效果显著。
3 结语
【电机驱动】推荐阅读：
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