电动控制

电动控制（共12篇）

电动控制 篇1

1 引言

石油钻机按照动力驱动源分为电动钻机和机械钻机两大类。目前,电动钻机为主流装备,机械钻机正在被电驱动钻机所替代。无论那种形式的钻机均有绞车、转盘 / 顶驱、泥浆泵等主要钻井机械。

电动钻机驱动控制装置可简单描述为钻井机械装置的驱动者,以电力为动力源,以绞车、转盘 / 顶驱、泥浆泵等的电动机为控制对象,通过微电子元件和电力电子器件构成控制系统,依据自动控制理论,控制这些电动机的转速,以满足钻井工况的最佳要求,降低能耗、提高效率。下面对电动钻机的主要驱动控制部分进行概述和讨论。

2 主要控制对象

2.1 小电网系统

电动钻机按电源的来源分为两种,一种是独立的自备电站供电方式,另一种是大电网供电方式。自备电站供电方式使用较多、应用广泛,这种方式多采用3-5台柴油发电机组并网发电,构成一个公共交流母线的小电网系统,总容量在3000-6000k VA之间,并留有足够的裕量,根据钻井工况选择机组的台数,以达到最佳的效率。目前柴油发电机组的主流控制技术是全数字控制,柴油机采用功率内环、速度外环的双闭环负反馈控制策略,发电机采用无功内环、电压外环的双闭环负反馈控制策略,机组自动同期并网,并网后负荷分配调节环节自动投入,使并网各机组的有功和无功功率按照设计要求调节平衡。一般控制策略为负荷分配调节的输出分别叠加于柴油机和发电机的双闭环控制系统的输入,调节各机组使其有功、无功达到均衡。

2.2 提升系统

通过绞车 / 送钻离合器切换,由绞车或者自动送钻驱动提升系统,其负载是位能性的,无论提升还是下放负载,转矩方向始终不变。

2.2.1 绞车

绞车机械机构由滚筒、离合器、变速齿轮箱、制动装置等组成。驱动部分由传动控制系统拖动绞车电动机构成,用于起下钻具、套管、起放井架、底座等。绞车工作的特点是载荷变化大,起放频繁,深井起钻时载荷最大,空吊卡起放时最轻。对驱动系统的要求为:为防止提升时钻杆晃动与井架碰撞等,最好低速起动,然后迅速加速;为防止井壁轻微卡钻,需具备1分钟左右过载1.5倍的能力;为提高效率,充分发挥机械能力,需要绞车运行在最佳速度下。因此,控制系统一般采取的策略是:额定速度以下恒转矩调速,额定速度以上恒功率调速,具有挖土机特性输出。

2.2.2 自动送钻

自动送钻用于降低司钻工的劳动强度、提高钻井速度、降低钻井成本。电驱动钻机一般配有独立的送钻系统,通过离合器与绞车电机共同拖动滚筒,实现复合送钻,同时具备了绞车电机的部分功能,可互为备用,目前多采用这种送钻方式。

驱动控制策略为:在常规的双闭环系统的基础上增加钻压调节外环,构成钻压、速度、扭矩三闭环的调节系统,钻压环采用PID算法。

2.3 旋转系统

指顶部驱动或者转盘驱动的旋转系统,其负载是带有粘滑摩擦的弹性负载。

2.3.1 转盘

转盘的作用是使钻具旋转,把扭矩经钻杆传送到钻头,切削地壳实现钻进作业。电机通过传动齿轮箱驱动转盘,对驱动系统的要求是:调速范围宽;具有设定扭矩限制、反转等功能;具有钻杆反弹速度缓释放控制即软扭矩控制、惯性制动控制等功能。

2.3.2 顶驱

顶驱是取代转盘钻台面驱动的钻井装置,把钻井动力部分由下面的转盘处移到钻机上部的动力水龙头处,在井架上部直接驱动钻具旋转,沿井架内导轨上下移动,完成钻柱旋转钻进、接立柱、上卸扣、倒划眼和循环钻井液等钻井操作。驱动控制的要求为:控制精度要高,上扣、卸扣时需满足机械机构对扭矩的要求;液气回路的控制需依据顶驱特性并结合旋转钻进的工艺要求,使顶驱各部件按照钻井要求有序动作;钻柱反弹力的释放需要控制。

2.4 钻井液循环系统

通过泥浆泵驱动钻井液循环,负载为典型的泵类特性,负载转矩与转速的平方成正比关系。

驱动系统控制泥浆泵电机旋转,泥浆泵作为钻井液循环的动力源头,推动整个循环液高压循环,携带悬浮岩削、冷却钻头、钻具、冲洗井底、防止井喷、保护井臂、防止坍塌,配合旋转系统提供井下动力。驱动控制一般采用恒转矩调速,调速范围窄,通常使用两至三台泥浆泵,直接使用,泥浆输送管网中承受较大的压力脉动,通过检测泵的相位角,即采用“角同步控制”方式,实现软泵控制功能,使输送管网中压力脉动峰值相位均匀错开,这样两台三缸泵就相当于一台六缸泵,三台三缸泵就相当于一台九缸泵的压力脉动,使泵压脉动大幅度降低。从而提高了泵和输送管网等泥浆循环系统的使用寿命。这种通过控制实现软泵功能,是泵控制中有待于进一步研究和推广的新课题。

3 驱动类型

按照主传动部分驱动电机的类型是交流电机还是直流电机,把电动钻机分为交流钻机和直流钻机两大类。

3.1 交流钻机

交流钻机的优越性,在很大程度上与交流电机的优点有关。同容量时交流电机转子惯量小于直流电机,能实现更高的动态性能,总体效率较高。交流电机不存在电流换向,因此无火花,在容量上不存在限制。交流钻机具有悬停、四象限运行等新功能,尤其适合现代钻井工况的需求。交流钻机功率因数高,节能效果好。不足之处是交流电机虽然能够对速度精确控制,但对力矩无法做到精确控制。其做不到直流调速的特性,只能是逼近直流调速的特性。

目前交流电机主要采用矢量控制和直接转矩控制技术,装置大多数为SIEMENS或ABB的产品,相信在不远的将来我国国产的变频系统一定会在交流钻机中得到广泛应用。

3.2 直流钻机

直流钻机的优点是控制精度高,调速特性良好。直流电机转子惯量与其结构有关,一般较大,因此加速时间长,影响动态性能,总体效率低。其电机换向能力限制了容量和转速,极限容量和转速的乘积是106k W.r / min。其转矩脉动小,但电流换相有火花,这样对位于防爆区的绞车、转盘等电机有不利的一面。直流钻机功率因数较低,耗能较大。

交流和直流钻机互有优缺点,目前交直流钻机系统共存,但发展趋势是交流钻机取代直流钻机。

4 控制技术

4.1 模拟与全数字控制

早期的电动钻机多采用模拟控制系统。随着数字控制技术的快速发展,全数字控制技术应用于电动钻机,使电动钻机在性能、精度和灵活性等方面有了突出优点。模拟系统无法与全数字系统相比,模拟系统逐渐被淘汰了。

模拟系统是基于模拟控制器件的,控制量采集(采样)、信息交换、计算、控制、输出等功能的执行都是连续的,是连续控制的系统。

全数字系统是基于数字控制器件的,其核心是处理器,处理器要完成大量的任务,在一定时间内只能做一件事,任务分时串行执行,把连续的任务间断成每隔一定时间执行一次,称离散控制。每个周期开始时采集信号,进行周期性采样,只能在采样瞬间被测量和控制。合理的采样周期,将连续变量量化为不连续的数字量,处理器才能进行计算和控制。连续量的量化是数字控制和模拟控制的重要区别之一,量化时两相邻采点之间的信息被失去,影响了精度。

合理量化就是合理选择变量当量。利用数字量位数资源,使系统中的变量都有相同的精度。在数字控制器中,当量都按百分数(%)规定。为充分利用数字量位数资源,规定去掉一个符号位的数为200%(留100%调节余量)。

以16位数为例,100%对应214=16384,全部数的范围是(+ / -)200%对应(+ / -)215=(+ / -)32768。

4.2 可编程控制和总线通讯

电动钻机的可靠性和维护性要求很高,为此控制系统大多数采用两套完全独立的PLC和现场总线通讯方式构成,两套能互相切换工作,在任何一套系统工作时另一套不加电便于维护,使影响钻井作业停机的故障几率大大降低,提高了系统的可靠性并便于现场维护。

如图1所示,以ZJ70DBS通讯网络为例,来说明常规配置的冷冗余通讯网络的构成及特点。

1VFD2控制室的PLC1(PLC2)作为PROFIBUS_DP主站,进行网络组态。自动送钻(ADR)、绞车A(DWA)、转盘(RT)、绞车B(DWB)变频器作为DP从站设置参数。

2VFD1控制室的ET200站点、3号泵(MP3)、2号泵(MP2)、1号泵(MP1)变频器作为DP从站设置参数。

3司钻控制室的ET200站点、触摸屏作为DP从站操作和控制整个电动钻机的运转。

主站与从站交换数据的速率、传送数据的长度由主站设定,每个变频器从站按照冷冗余配置两块CBP2通讯板,按照控制指令切换通讯板及变频器参数组。

这种技术使钻井工艺与操作控制有机结合,有效实现了数据采集和计算处理,并经触摸屏实现了一体化仪表功能。其软件设计灵活,绞车控制手柄、手轮等传统的硬件操作和触摸屏的界面操作互备,保护联锁功能齐全,使钻井安全得到保证。队长办公室进行监视、数据保存、归档等。

5 无功补偿和谐波抑制

由于钻机电网大多数为小电网系统,变流装置负载容量达到电网在线容量的70%-80%,每个变流负载对电网相当于一个谐波电流源,产生各次谐波,谐波电流的次数有5、7、11、13、17、19、23、25,以5、7次谐波最为显著,小电网容量不是无穷大,谐波阻抗不为零,谐波电流在电网建立相应的谐波电压,引起电网电压波形的严重畸变。

电动钻机上多采用无源滤波,按照钻机工作特性选择电抗器、电容器等器件参数,滤除一定的谐波,改善小电网品质。有源滤波是另造一种谐波电流源,因造价高、体积大,在钻机上使用较少。

直流钻机的功率因数低,用无功补偿提高功率因数。依据钻机负载变化情况,确定无功补偿方案。对缓慢变化和冲击性负载引起的无功功率进行补偿,抑制电网电压波动。

6 采用的功率器件

功率器件是指用于钻机传动系统功率变换的电力电子器件,主要有脉冲控制型的晶闸管(Thyristor)和双向晶闸管等半控型器件、电平控制型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等全控型器件。不可控器件有整流二极管、快速整流二极管等。其主要技术指标有阻断电压、通态电流、压降、开关时间等。

7 控制技术发展趋势

钻机控制技术正向着高效、节能、智能化方向发展,主要表现在以下方面:

(1)以柴油机为动力的机械钻机正在被电代油所替代。

(2)数字控制技术逐步取代模拟控制技术。

(3)电力电子器件向大电流、高电压、全控型、集成智能化方向快速发展,为开发10000米以上大功率钻机提供了硬件保障,大容量钻机的开发研制势在必行。

(4)随着电力电子器件、数字控制技术、变频调速技术的发展,交流钻机取代直流钻机成为必然。

(5)钻机控制系统进入一个开放的网络化、管理一体化的新阶段,数字通讯和网络技术在钻机领域全面应用。

(6)谐波治理及功率补偿将逐步成为常规要求。

(7)可编程序控制器(PLC)在钻机控制中将会得到全面而深入的应用。

电动控制 篇2

电动机与驱动系统是电动客车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)4类。

近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)，它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用。PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动客车主要采用这种电动机。

开关磁阻电动机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现SRM存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。

绕线式电动机的控制研究 篇3

【关键词】绕线式；电动机控制

0.前沿

绕线式异步电动机常用的启动方法是在转子回路串人三相电阻或串人频敏变阻器，前看多用于需要调速的场合。

1.绕线式电动机串电阻启动工作原理

绕线式异步电动机的转子绕组可通过3个滑环与外电路连接。所以，启动时可在电动机外电路串人不同的电阻，以改善它的启动性能。

电动机启动时转子回路接人全部电阻。在启动过程中，随着电动机转速的升高，逐段将转子电阻切除（通过控制接触器将电阻短接），最后将转：子绕组短接。根据电阻切除的方法不同，可分为三相平衡切除和不平衡切除两种。如果三相启动电阻对称，每次切除量也对称，称为平衡启动电阻，如果三相电阻不对称，每次切除量也不对称，称为不平衡启动电阻。不平衡启动电阻一般用于不经常启动的小容量电动机，且多为手动控制。大容量电动机则多采用平衡启动电阻启动。

转子串入电阻后，一方面使转子电流减小，从而使启动电流减小：另一方面转子回路的功率因数得到改善，因而使启动转矩增大。所以这种方式允许在重载下启动。

电动机转串平衡启动电阻启动时的特性曲线。启动时，转子串入全部电阻，电动机工作在R1特性曲线的1点，对应的启动转矩为M1。因为启动转矩M1大于电动机负载转矩ML，所以电动机开始加速，工作点沿R1特性曲线上升。随着转速的升高，电动机转矩减小，当运行到2点时，由外电路控制使接触器触点1KM闭合，切除第一段电阻，此时2点对应酶转矩称为切换转矩M2。由于转速惯性，电动机将工作在R2曲线上的3点，对应转矩为M1，则电动机加速。当转速上升到4点时，又对应电动机的切换转矩，外电路控制使触点2KM闭合，切除第二段电阻，工作点平移至5点后沿R3特性曲线上升。如此一段一段地切除电阻，电动机就在不同的曲线上加速，最后将所有串接电阻全部切除，电动机稳定工作在固有特性曲线的额定工作点N，从而完成启动过程。

启动电阻根据需要分成若干段，段数越多，平均启动转矩越大，启动时的转矩波动越小，启动越平稳。

绕线式电动机转子串电阻的控制电路。它是按电流（转矩）的变化控制接触器动作来逐段切除启动电阻的。

电路中电动机电流由主电路电流互感器TA二次所接的三相电流继电器KA取得，继电器的吸合电流整定为切换转矩M2对应的电流I2。

启动前，闭合电源隔离开关QS，接通控制回路，各接触器和继电器均为无电状态。

启动时，按下启动按钮SBq，主接触器KM闭合，电动机串人全部电阻启动；辅助触点KM1闭合，形成自保；触点KM2闭合，为中间继电器1K通电做准备。

电动机启动瞬间，由于启动电流I大于切换转矩对应的电流I2，使电流继电器KA吸合，其触点KA2打开，各加速接触器（控制启动电阻的接触器）暂不能送电；触点KA1闭合，电流从控制电源Ll端→触点KA1→2K2→1K2→KM2→中间继电器1K→电源L3端，使中间继电器1K有电吸合。

继电器1K有电吸合后，引起以下触点变化：

（1）触点1K1闭合，形成自保；

（2）触点1K2打开，切断以上继电器1K通路，保证继电器2K仍受电流继电器常开触点KAl控制；

（3）触点1K3闭合，使第一级加速接触器1KM处于待通状态。

电动机启动后，随着转速的上升，启动电流（转矩）下降到I2时，电流继电器KA释放，其触点KA1打开，暂缓中间继电器2K通电；触点KA2闭合，电流从电源Ll端→KA2→2KM2→1KM2→已闭合的1K3→接触器1KM→电源L3端，使第一级加速接触器1KM有电吸合，引起以下触点变化：

（1）主触头闭合，切除第一段加速电阻。

（2）触点1KM1闭合，形成自保。

（3）触点1KM2打开，切断以上电流通路，保证接触器2KM仍受电流继电器常闭触点KA2控制。

（4）触点1KM3闭合，使中间继电器2K处于待接通状态。

电动机切除第一段电阻后，主电路电流又一次增大，使I>I2电流继电器KA又一次吸合，其触点KA2打开，保证接触器2KM和3KM暂不通电；常开触点KA1闭合，处于待接通状态的中间继电器2K有电吸合：其触点2K1自保，触点2K2打开，作用同于1K2；触点2K3，闭合，使第二段加速接触器2KM待接通。

随着转速的上升，主电路电流I下降到I2时，电流继电器KA又一次释放，其触点KAl打开，暂缓继电器3K通电；触点KA2闭合，第二段加速接触器2KM有电吸合，主触头闭合，切除第二段电阻；触头2KM1闭合，形成自保，触头2KM2打开，作用同于1KM2；触头2KM3闭合，使中间继电器3K处于待接通状态。

经过相同过程切除第三段电阻后，电动机在额定状态下稳定运行。

停车时，按下停止按钮SBt，主接触器KM失电，主触头断开，电动机停车，触点KM2打开，各中间继电器、加速接触器相继断电释放，为下一次启动做准备。

2.绕线式电动机串频敏变阻器启动

绕线式异步电动机串频敏变阻器启动，具有启动电流小，启动转矩大，启动过程损耗小等特点。

频敏变阻器是一种特殊的铁心电抗器，它可等效成电阻与感抗的并联电路，所以这是一种转子回路串接阻抗的启动方法。

频敏变阻器等值电路，rb为频敏变阻器线圈电阻；Rp是反映频敏变阻器铁心损耗的等效电阻，频率越高，铁损越大，则Rp，越大；XL是频敏感抗。

开始启动时，电动机转速n=o，则转子电流频率最高，频敏变阻器阻抗最大；此时，XL>Rp，电流/大部分流过Rp，相当于转子回路串接电阻启动，因而启动电流得到限制，且启动转矩较大。随着转速n的升高，转子电流频率降低，XL，Rp的值减小，相当于连续自动减小启动阻抗。当转速继续上升，转子电流频率进一步降低，并使XL

转子回路串接频敏变阻器启动的控制电路。该电路用于绕线式电动机的不可逆控制。它由主回路和控制回路两部分组成。控制回路中的时间继电器KT用于控制频敏变阻器串人转子回路启动的时间。

启动前，首先闭合自动开关Q，主回路有电；闭合开关SA，控制回路有电，绿色指示灯HG亮。

启动时，按下启动按钮1SB，接触器1KM有电吸合；主触头闭合，电动机转子串人频敏变阻器RF启动；常开触点1KM1闭合，形成自保；触点1KM2闭合，红色指示灯亮，表示电动机正在启动；触点1KM3闭合，时间继电器KT有电，其常开触点经一段延时后闭合，接通中间继电器K。

中间继电器有电后，通过其常开触点使接触器2KM有电吸合，其主触头闭合切除频敏变阻器；同时辅助触点2KM1打开，绿色指示灯HG灭，表示电动机降压启动结束且进入全压运行状态。

停车时，按下停止按钮2SB，接触器1KM失电，主触头断开，电动机停转；同时其他继电器、接触器恢复原态，为下次启动做准备。

电动控制 篇4

电动汽车产业是国家战略性新兴产业之一,具有低碳、清洁、低耗等环保节能的显著特性。电动助力转向系统(EPS Electric Power Steering)是电动汽车设计装配过程中的关键部件之一,直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力。电动机只有在转向时才工作,在不进行转向时几乎没有动力消耗;且具有轻型小巧、装配迅速、易于调整、噪声及废气污染小等优点[1,2]。

国内外学者采用PD控制、PID控制、模糊控制理和H∞控制理论等方法在EPS的控制研究中取得了较大的进展[3,4,5,6,7]。在车辆行驶过程中,EPS系统容易受到转向系统参数摄动和来自路面干扰、传感器噪声等方面的影响,这些不确定性影响使EPS系统的性能恶化,导致助力电流的不精确性,以致出现不助力或错误助力的情况,这在大侧向风干扰等危险工况下极可能出现危险事故,影响驾驶安全。因此,有必要研究基于EPS系统内部和外部不确定性的控制方法,确保电动机助力电流的精确性。

1 EPS系统动力学及其不确定性

根据EPS系统使用条件和理想化假设,忽略次要因素,简化如图1所示,包括转向盘和转向柱、电动机、减速结构和齿轮、齿条5个主要部分。根据牛顿运动定律建立各部分的微分运动学方程,选取系统状态向量、输出向量、输入向量得到系统的动力学模型[8]。

对于转向盘和输入轴,考虑转向盘的转动惯量和输入轴的粘性阻尼,有

${\rm T}{}_{\text{d}}=J{}_{\text{c}}\ddot{\theta }{}_{\text{c}}+B{}_{\text{c}}\dot{\theta }{}_{\text{c}}+{\rm K}{}_{\text{c}}\left(\theta {}_{\text{c}}-\frac{X{}_{\text{r}}}{r{}_{\text{p}}}\right)+f{}_{\text{c}}(\theta {}_{\text{c}},\dot{\theta }{}_{\text{c}})(1)$

对于齿条和小齿轮,有

$\begin{array}{l}{\rm M}{}_{\text{r}}\ddot{x}{}_{\text{r}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{r{}_{\text{p}}}\theta {}_{\text{c}}-\frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{r{}_{\text{p}}^2}x{}_{\text{r}}-B{}_{\text{r}}\dot{x}{}_{\text{r}}+\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}G}{r{}_{\text{p}}}\theta {}_{\text{m}}-\\ \frac{{\rm K}{}_{\text{m}}G{}^2}{r{}_{\text{p}}^2}x{}_{\text{r}}-{\rm K}{}_{\text{t}}x{}_{\text{r}}-F{}_{\text{Τ}\text{R}}+f{}_{\text{r}}(x{}_{\text{r}},\dot{x}{}_{\text{r}})(2)\end{array}$

EPS系统永磁直流有刷电动机,有

$\begin{array}{l}U=L\dot{{\rm I}}+R{\rm I}+{\rm K}{}_b\dot{\theta }{}_m(3)\\ {\rm T}{}_{\text{m}}={\rm K}{}_{\text{a}}{\rm I}(4)\end{array}$

对于电动机机械部分,有

${\rm T}{}_{\text{m}}-{\rm K}{}_{\text{m}}\left(\theta {}_{\text{m}}-\frac{Gx{}_{\text{r}}}{r{}_{\text{p}}}\right)+f{}_{\text{m}}(\theta {}_{\text{m}},\ddot{\theta }{}_{\text{m}})=J{}_{\text{m}}\ddot{\theta }{}_{\text{m}}+B{}_{\text{m}}\dot{\theta }{}_{\text{m}}$ (5)

根据式(1)～式(5)建立系统的状态方程模块,状态变量为$x=[\theta {}_c\dot{\theta }{}_{\text{c}}x{}_{\text{r}}\dot{x}{}_{\text{r}}\theta {}_{\text{m}}\dot{\theta }{}_{\text{m}}{\rm I}]{}^{\text{Τ}}$,输入为u=[U FTR],输出为$y=[{\rm T}{}_{\text{c}}{\rm T}{}_{\text{a}}\theta {}_{\text{c}}\dot{\theta }{}_{\text{m}}{\rm I}]{}^{\text{Τ}}$。

则系统的状态方程和输出方程为

$\{\begin{array}{l}\dot{X}=AX+BU\\ Y=CX+DU\end{array}(6)$

$\begin{array}{l}A=\\ \left[\begin{array}{ccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ -\frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{J{}_{\text{c}}}& -\frac{B{}_{\text{c}}}{J{}_{\text{c}}}& \frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{J{}_{\text{c}}r{}_{\text{p}}}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ \frac{{\rm K}{}_{\text{c}}}{{\rm M}{}_{\text{r}}r{}_{\text{p}}}& 0& -\frac{{\rm K}{}_{\text{c}}+{\rm K}{}_{\text{m}}G{}^2}{{\rm M}{}_{\text{r}}r{}_{\text{p}}^2}-\frac{{\rm K}t}{{\rm M}r}& -\frac{B{}_{\text{r}}}{{\rm M}{}_{\text{r}}}& \frac{{\rm K}{}_{\text{m}}G}{{\rm M}{}_{\text{r}}r{}_{\text{p}}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& \frac{{\rm K}{}_{\text{m}}G}{J{}_{\text{m}}r{}_{\text{p}}}& 0& -\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{J{}_{\text{m}}}& -\frac{B{}_{\text{m}}}{J{}_{\text{m}}}& \frac{k{}_{\text{a}}}{J{}_{\text{m}}}\\ 0& 0& 0& 0& 0& -\frac{k{}_b}{L}& -\frac{R}{L}\end{array}\right]‚\end{array}$

$B=\left[\begin{array}{ccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{L}\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{{\rm M}{}_{\text{r}}}& 0& 0& 0\end{array}\right]{}^{\text{Τ}}$

$C=\left[\begin{array}{ccccccc}{\rm K}{}_{\text{c}}& 0& \frac{-{\rm K}{}_{\text{c}}}{r{}_{\text{p}}}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}G}{r{}_{\text{p}}}& 0& {\rm K}{}_{\text{m}}& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]‚D=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

其传递函数形式为

$\left[\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{c}}\\ {\rm T}{}_{\text{a}}\\ \theta {}_{\text{c}}\\ \dot{\theta }m\\ {\rm I}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}G{}_{11}& G{}_{12}& G{}_{13}\\ G{}_{21}& G{}_{22}& G{}_{23}\\ G{}_{31}& G{}_{32}& G{}_{33}\\ G{}_{41}& G{}_{42}& G{}_{43}\\ G{}_{51}& G{}_{52}& G{}_{53}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{d}}\\ U\\ F{}_{\text{Τ}\text{R}}\end{array}\right](7)$

y=G(s)·u,G(s)=C(sI-A)-1B为从输入到输出的传递函数。输入量为转向盘转矩、电动机电压和路面的随机阻力,输出量转向盘扭矩、实际助力大小、转向柱转角、电动机转速和电流。

这里,Td、Ta、Tm分别为驾驶员输入扭矩、电动机实际助力扭矩和理论输出扭矩;θc、Xr、θm为转向柱转角、齿条位移和助力电机转角;Jc、Kc、Bc为转向柱转动惯量、刚度和阻尼;Mr、Br、Kt为齿条质量、齿条阻尼和齿条当量刚度;rp为转向小齿轮节圆半径;xr为齿条位移;G为电动机到转向柱的减速比;Km、Jm、Bm为电动机扭转刚度、电动机转动惯量和电动机阻尼系数;U为电动机的端电压;L为电感;R为电枢电阻;Kb为反电动势常数;$\dot{\theta }$m为转速;I为电枢电流;t为时间;Ka为电动机的转矩系数;fc(θc,$\dot{\theta }$c)为转向柱及连接副的摩擦力矩;fr(xr,$\dot{x}$r)为作用在齿条上的非线性摩擦力;FTR为路况变化对系统的干扰力。

随着车辆行驶时间的增加,车辆各零部件出现磨损,系统中的参数Mr、Bs、Br、Bm会发生相应的变化,具有不确定性,即${\rm M}{}_{\text{r}}=\overline{{\rm M}}\text{r}(1+d{}_{\text{m}\text{r}}\delta {}_{\text{m}\text{r}})‚B{}_{\text{s}}=\overline{B}{}_{\text{s}}(1+d{}_{\text{B}\text{s}}\delta {}_{\text{B}\text{s}})‚B{}_{\text{r}}=\overline{B}{}_{\text{r}}(1+d{}_{\text{B}\text{r}}\delta {}_{\text{B}\text{r}})‚B{}_{\text{m}}=\overline{B}{}_{\text{m}}(1+d{}_{\text{B}\text{m}}\delta {}_{\text{B}\text{m}})$。$\overline{{\rm M}}$r、$\overline{B}$s、$\overline{B}$r为各参数的名义值;dmr、dBs、dBr、dBm∈[0,1]为标量,表示参数围绕名义值允许变化的百分比;δmr、δBs、δBr、δBm∈[-1,1],δ的变化决定实际参数的偏差。

对参数摄动进行线性分式变化处理,Mr、Js、Jm以分母形式出现,其 LFT形式为

$\begin{array}{l}\frac{1}{{\rm M}{}_{\text{r}}}=\frac{1}{\overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}(1+d{}_{\text{m}\text{r}}\delta {}_{\text{m}\text{r}})}=\frac{1}{\overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}}-\frac{d{}_{\text{m}\text{r}}}{\overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}}\delta {}_{\text{m}\text{r}}(1+d{}_{\text{m}\text{r}}\delta {}_{\text{m}\text{r}}){}^{-1}=\\ Fl\left[\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{\overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}}& -\frac{d{}_{\text{Μ}\text{r}}}{\overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}}\\ 1& -d{}_{\text{Μ}\text{r}}\end{array}\right],\delta {}_{\text{Μ}\text{r}}\right]=F{}_l({\rm M}{}_{\text{Μ}{}_{\text{r}}},\delta {}_{\text{m}\text{r}})(8)\end{array}$

Bs、Br、Bm以分子形式出现,其LFT形式为

$\{\begin{array}{l}B{}_{\text{s}}=\overline{B}{}_{\text{s}}(1+d{}_{\text{B}\text{s}}\delta {}_{\text{B}\text{s}})=F{}_{\text{l}}\left[\left[\begin{array}{cc}\overline{B}{}_{\text{s}}& \overline{B}{}_{\text{s}}d{}_{\text{B}\text{s}}\\ 1& 0\end{array}\right],\delta {}_{\text{B}\text{s}}\right]=F{}_{\text{l}}({\rm M}{}_{\text{B}\text{s}},\delta {}_{\text{B}\text{s}})\\ B{}_{\text{r}}=\overline{B}{}_{\text{r}}(1+d{}_{\text{B}\text{r}}\delta {}_{\text{B}\text{r}})=F{}_{\text{l}}\left[\left[\begin{array}{cc}\overline{B}{}_{\text{r}}& \overline{B}{}_{r}d{}_{\text{B}\text{r}}\\ 1& 0\end{array}\right],\delta {}_{\text{B}\text{r}}\right]=F{}_{\text{l}}({\rm M}{}_{\text{B}\text{r}},\delta {}_{\text{B}\text{r}})\\ B{}_{\text{m}}=\overline{B}{}_{\text{m}}(1+d{}_{\text{B}\text{m}}\delta {}_{\text{B}\text{m}})=F{}_{\text{l}}\left[\left[\begin{array}{cc}\overline{B}{}_{\text{m}}& \overline{B}{}_{\text{m}}d{}_{\text{B}\text{m}}\\ 1& 0\end{array}\right],\delta {}_{\text{B}\text{m}}\right]=F{}_{\text{l}}({\rm M}{}_{\text{B}\text{m}},\delta {}_{\text{B}\text{m}})。\end{array}$

由以上各式,可得

$\{\begin{array}{l}Js\ddot{\theta }{}_{\text{s}}+\overline{B}{}_{\text{s}}(1+d{}_{\text{B}\text{s}}\delta {}_{\text{B}\text{s}})\dot{\theta }{}_{\text{s}}+{\rm K}{}_{\text{s}}\theta {}_{\text{s}}={\rm T}{}_{\text{h}}+{\rm K}{}_{\text{s}}\frac{x{}_{\text{r}}}{r{}_{\text{p}}}\\ J{}_{\text{m}}\ddot{\theta }{}_{\text{m}}+\overline{B}{}_{\text{m}}(1+d{}_{\text{B}\text{m}}\delta {}_{\text{B}\text{m}})\dot{\theta }{}_{\text{m}}+{\rm K}{}_{\text{m}}\theta {}_{\text{m}}={\rm T}{}_{\text{m}}+G{\rm K}{}_{\text{m}}\frac{x{}_{\text{r}}}{r{}_{\text{p}}}\\ \overline{{\rm M}}{}_{\text{r}}(1+d{}_{\text{m}\text{r}}\delta {}_{\text{m}\text{r}})\ddot{x}{}_{\text{r}}+\overline{B}{}_{\text{r}}(1+d{}_{\text{B}\text{r}}\delta {}_{\text{B}\text{r}})\dot{x}{}_{\text{r}}+{\rm K}{}_{\text{r}}x{}_{\text{r}}=\\ G{\rm K}{}_{\text{m}}\frac{\theta {}_{\text{m}}}{r{}_{\text{p}}}+\frac{{\rm K}{}_{\text{s}}}{r{}_{\text{p}}}\theta {}_{\text{s}}-F\delta 。\end{array}$

将EPS系统的状态空间方程整理成M阵和摄动阵Δ组成的线性分式变换关系为

$\left[\begin{array}{l}\dot{x}\\ y\end{array}\right]=Fl({\rm M},\text{Δ})\left[\begin{array}{l}x\\ u\end{array}\right](9)$

M阵对应的输入输出关系为

$\left[\begin{array}{l}\dot{x}\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\rm M}{}_{11}& {\rm M}{}_{12}& {\rm M}{}_{13}\\ {\rm M}{}_{21}& {\rm M}{}_{22}& {\rm M}{}_{23}\\ {\rm M}{}_{31}& {\rm M}{}_{32}& {\rm M}{}_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}x\\ u\\ v\end{array}\right](10)$

2 EPS系统鲁棒H∞控制

EPS系统动态补偿性能是车辆行驶安全的关键,EPS系统应满足下列目标与要求:侧向风干扰下,控制器能根据车辆的实际行驶状况合理地决定电机的补偿扭矩;转向系统参数及信号测量传感器误差等不确定因素下,EPS系统具有高度的鲁棒稳定性和性能鲁棒性。

EPS系统中影响车辆转向性能的因素主要有路况和侧风、传感器噪声、系统老化导致的参数变化。考虑路况和侧风、传感器测量噪声和系统参数不确定性因素,设计稳定性好和性能优良的控制器。

在测量的传感器信号驾驶员转矩信号Td、方向盘转角信号θc和电动机转速信号$\dot{\theta }$m中,系统性能受到传感器噪声的影响,引入权函数WTc、Wθc、$W{}_{\dot{\text{θ}}\text{m}}$表示传感器噪声的幅频特性,即$W{}_{\text{n}\text{o}\text{i}\text{s}\text{e}}=\text{d}\text{i}\text{a}\text{g}\{W{}_{\text{θ}{}_{\text{c}}},W{}_{\dot{\text{θ}}{}_{\text{m}}},W{}_{\text{Τ}{}_{\text{c}}}\}$。轮胎所受的侧向力Ft=KtXr+Fr没有出轮胎的高频动态特性,存在高频未建模动态模型误差,采用乘法摄动表征模型误差的幅频特性,假设轮胎实际模型$\tilde{F}$t为

$\begin{array}{l}{\rm M}(F{}_{\text{t}},W{}_{\text{Κ}{}_{\text{t}}})=\\ \left\{\tilde{F}{}_t\parallel \frac{\tilde{F}{}_{\text{t}}(\text{j}\omega )-F{}_{\text{t}}(\text{j}\omega )}{F{}_{\text{t}}(\text{j}\omega )}|\le |W{}_{\text{Κ}{}_{\text{t}}}(\text{j}\omega )|\right\}。\end{array}$

设计低通滤波器加权函数W1(s),并极小化‖e1‖2=‖W1(s)(Ta-Ta*)‖;设计低通滤波器加权函数,并极小化‖e2‖2=‖W2(s)(Tc-KfFTR)‖;设计加权函数W3(s),并极小化‖e3‖2=‖W3(s)×(U-Ri)‖;设计受控输出e4=ρu,并极小化‖e4‖2。

根据以上分析,设计系统评价输出信号z=[e1,e2,e3,e4]T、量测输出信号$y=[{\rm T}{}_{\text{c}},\theta {}_{\text{c}},\dot{\theta }{}_{\text{m}},{\rm I}]{}^{\text{Τ}}$、控制输入信号u=[U]、外部干扰信号w=[Td,FTR]T。在被控对象中加入权函数Wnoise、WKt、W1(s)、W2(s)、W3(s),其增广系统如图2所示。

其状态空间模型表示为

$\{\begin{array}{l}\dot{x}{}_1=\tilde{A}x{}_1+\tilde{B}{}_{1w}+\tilde{B}{}_{2}U\\ z=\tilde{C}{}_{1x1}+\tilde{D}{}_{11w}+\tilde{D}{}_{12}U\\ y=\tilde{C}{}_{2x1}+\tilde{D}{}_{21w}+\tilde{D}{}_{22}U\end{array}(11)$

这里,x1为增广扩充后向量,u1=[w,U]为输入向量,y1=[z,y]为输出向量。其传递函数矩阵为

$G(s)=\left[\begin{array}{cc}G{}_{11}& G{}_{12}\\ G{}_{21}& G{}_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\tilde{A}& \tilde{B}{}_1& \tilde{B}{}_2\\ \tilde{C}{}_1& \tilde{D}{}_{11}& \tilde{D}{}_{12}\\ \tilde{C}{}_2& \tilde{D}{}_{21}& \tilde{D}{}_{22}\end{array}\right](12)$

这里,珘A为系统矩阵,珘B=[珘B1珘B2]为输入,珘B1为干扰输入,珘B2为控制输入,为系统输出,珘C1为系统评价指标,珘C2为控制器的量测输出,为前馈矩阵。

为前馈矩阵。

由w到z的闭环传递函数矩阵为

Hzw(s)=

G11(s)+G12(s)K(s)[I-G22(s)K(s)]-1G21(s) (13)

H∞控制器的设计目标为控制对象P(s)寻找稳定的从y1到u的反馈控制器K(s),使闭环系统内稳定,且使传递函数矩阵Hzw的H∞范数$\underset{{\rm K}}{{\displaystyle \min }}\parallel {\rm H}{}_{\text{z}\text{w}}\parallel {}_{\infty }=\gamma$极小。

分别给方向盘转矩测量值、方向盘转角测量值和助力电动机转速测量值加入协方差为0.2的白噪声,作为外界干扰噪声输入,驾驶员转矩、路面干扰力矩输入为单位阶跃信号。H∞鲁棒控制器与参考文献[15]提出的PD控制器进行电动机助力扭矩时域仿真对比,仿真结果如图3(a)和图3(b)所示。

结果表明,在传感器噪声和外界干扰影响下,H∞控制器的稳定时间为0.6 s,PD控制器的稳定时间为1.0 s,降低了40.00%;两者作用下的电动机最大助力扭矩分别为6.05 N·m和9.60 N·m,降低了36.98%;H∞控制器的抗干扰效果优于PD控制器。在路面干扰力矩和传感器噪声共同干扰下,并且考虑轮胎高频未建模误差影响,与PD控制器相比,H∞控制器在传感器噪声和路面高频力矩等外界干扰影响下更具有良好的性能鲁棒性和鲁棒稳定性,能够满足EPS的性能要求,体现出良好的抗干扰性能。

3 结束语

(1)汽车EPS系统控制器的设计是其实现良好控制和实用化的关键,对EPS系统及其整车性能具有重要作用;EPS系统的H∞控制在传感器噪声和路面高频力矩等外界干扰影响下,比PD控制器具有更好的性能鲁棒性和鲁棒稳定性,具有良好的抗干扰性能。

(2)汽车EPS系统的H∞控制为提高汽车EPS系统的控制效果进行了有益的探讨,对于指导EPS的总体设计、功能的增强和优化以及转向操纵安全的提高都具有重要的工程应用意义。

电动控制 篇5

摘要：依思普林产品采用自主开发的1200V/400-800A六单元 IPM模块，电机控制器结构完全针对电动客车应用设计，具有体积小、重量轻、功率密度高、温升低（控制器内部温升比市场同类产品低30℃以上）、长期可靠性高的特点，产品性能达到国际先进水平。

关键词：纯电动客车；电机控制器；设计方案

早在2010年，我在一次去瑞士考察时，走在苏黎世大街上，整洁的大街上几乎看不到燃油车，简直就是有轨电车的天下，恍惚间让我看到八九十年代老北京什刹海的景色，干净的空气让我流连！在回来不久后我就成立了深圳市依思普林科技有限公司，专注从事新能源汽车核心部件的研发。

依思普林目前拥有多名IGBT模块及电机控制器开发经验技术人员，团队所研发的电机控制器，性能覆盖540V/200kW以内所有新能源电动客车车型，功率范围在80kw-200kw。产品采用自主开发的1200V/400-800A六单元 IPM模块，电机控制器结构完全针对电动客车应用设计，具有体积小、重量轻、功率密度高、温升低（控制器内部温升比市场同类产品低30℃以上）、长期可靠性高的特点，产品性能国内领先，达到国际先进水平。

一、控制器外观结构及技术参数

图1-1 电机控制器内部结构

图1-2 电机控制器外形图 电机控制器技术参数如下表：

表1-1 电机控制器技术参数

二、电动客车电控整体解决方案

三、主要技术创新点：

1、造型新颖

依思普林电机控制器的箱体是铝合金一体压铸，防护等级达到IP67。体积小，重量轻，造型新颖，突出了 “绿色、环保”的主题。

2、自主知识产权汽车级大功率IGBT模块技术 目前国内市场上电机控制器多采用标准封装的工业级的IGBT模块，由于模块不是针对电动客车应用设计，IGBT模块采用的材料、结构及长期可靠性均无法满足电动客车的应用要求，依思普林自主开发的1200V/400A～800A六单元 IGBT模块完全针对电动客车应用设计，具有小体积、高功率密度、低热阻（热阻相比传统模块降低33%以上）、高长期可靠性的特点，模块性能达到国际先进水平。

图3-1 IGBT模块（1200V/400A～800A）结构图(1)为提高模块抗机械振动和机械冲击能力，模块内部连接均采用铝线进行软连接，避免了传统模块的焊接方式，同时电极均采用注塑的方式埋入塑料外壳中，保证了模块内部连接的长期可靠性，满足电动大巴长期振动的应用要求；

(2)模块采用三相全桥设计，使模块更加紧凑，同时根据应用需求，优化安装和连接方式，便于电容、驱动电路等布置，帮助用户降低应用系统体积。

(3)采用IGBT模块和电机控制器散热器一体化设计，直接水冷，有效降低系统热阻，提高系统功率密度。

3、驱动板结构方案

依思普林不仅自主研发了汽车级IGBT模块，还开发了与之相匹配的驱动板，两者结合形成了真正意义上的IPM。

图3-2依思普林IGBT驱动电路板

本驱动板是专门为自主研发的IGBT模块配套研发的一套驱动系统（图3-2）。它具有高可靠性和宽的温度（-40℃-125℃）适用范围，其使用器件均为汽车级产品，使其非常适合汽车级的应用；驱动板采用优化的EMC设计，驱动芯片采用先进的Coreless Transrormer技术，使其传输延迟更短，共模抑制能力更强；可靠的IGBT短路保护和有源米勒钳位，具有上下桥互锁功能，使IGBT工作更加安全；具有两级关断功能，更好的抑制关断时的dv/dt；直接焊接在自主研发的IGBT模块上，结构紧凑，最大限度的节省了空间，实现驱动系统的小型化。驱动板与IGBT模块采取PIN-FIN的方式直接安装，同时为了提高电路板的EMI性能，在其上面设计了接地端，在安装好IGBT模块和驱动板后，接地端与散热箱体进行良好的电气连接。

4、IPM模块散热技术 4.1 PIN-FIN直接水冷

新能源电动客车需求的驱动功率大，同时产生的热损耗也较大，这给控制器中IGBT模块的散热提出了新的挑战。大功率IGBT模块是电机控制器中的核心器件，也是系统运行时温度最高的器件。我们知道，随着工作结温的上升，电子器件的寿命呈指数下降，而目前国内外在电动客车电机控制器中普遍采用的大功率IGBT模块为传统平基板结构，且为工业产品，该结构除散热面积小外，不足之处还在于需在该平基板与散热器之间涂一层导热硅脂，这会大大增加热阻，而采用我司自行研发设计生产的汽车级pin-fin直接水冷IGBT模块，该结构不仅大大增加了散热面积，而且省去了一层导热硅脂，使用时IGBT模块直接泡在冷却液中，大大减小热阻。经实际测试，在低速大扭矩试验中，汽车级pin-fin直接水冷IGBT模块的结温要比传统平基板模块低将近30℃，Rj-h降低33%，从而保证系统长期可靠运行，寿命可长达10年。

图3-3 IPM模块底板设计

图3-4 依思普林散热设计与传统技术对比

4.2 IPM模块热匹配设计

图3-5 IPM模块热匹配设计

采用AlSiC底板，AlN DBC,封装材料热膨胀系数匹配良好，模块耐温度循环能力增强，可达到1000次循环以上（-40℃～150℃）。同等测试条件，工业模块低于100次循环寿命。

5、驱动控制软硬件技术

驱动电机控制器通过CAN总线与整车控制器进行通讯，并根据整车控制器所发出的指令决定工作模式以及输出转矩。

在驱动电机控制器设计方面依思普林研发团队重点突破了以下关键技术： ■基于DSP的多功能全数字控制技术

硬件方面：重点研究DC/DC、母排与电解电容（薄膜电容）模块化结构设计技术、电力电子集成控制器的热管理技术；

软件方面：重点研究矢量控制技术、弱磁调速控制技术以及制动回馈最优控制技术等。

■驱动与控制系统的电磁兼容性分析与系统设计

在驱动电机系统开发过程中应用数字建模和仿真技术，对电磁噪声产生与传播路径进行预测、分析及测试；并研究电磁波传导、耦合、辐射干扰的防治技术。

■驱动电机故障诊断及失效控制技术

驱动电机及控制系统是新能源汽车行驶的原动力，一旦出现故障，轻则使车辆性能严重下降或者不能启动，重则导致重大安全事故。驱动电机故障诊断及失效控制技术就是通过电机控制系统实时监测系统的工作状态，并通过CAN总线将自身工作状态实时的传输给整车控制器，以便整车控制器根据电机及控制系统所上传的信息对车辆的工作状态做出及时的调整，或者通过报警系统及时的警告车辆驾驶人员，从而保证车辆行驶的安全。

5.1、硬件电路设计技术 系统采用：双电源冗余设计、多重隔离、多级过流保护。系统运行过程中，如果控制电路突然掉电，IGBT模块栅极就会失去控制，电池的母线电压会将IGBT芯片击穿，造成严重的损失。本公司系统方案采用双辅助电源冗余设计，当车载12V/24V电源异常断电后，电源部分会不间断启用动力电池电源，从而避免IGBT模块击穿损坏。

系统工作电源采用独立宽范围开关电源设计，系统电源与车载12V/24V电源以及高压蓄电池组电气隔离，既保证电路绝缘隔离安全要求，降低相互干扰，同时优异的输入宽范围特性，让系统工作更加稳定。

系统工作过流保护在常规的硬件及软件检测上，还配置IGBT饱和导通压降检测保护，异常状态时快速动作，大幅缩短故障响应时间，提高系统可靠性。

图3-6依思普林双辅助电源冗余示意图

5.2电机控制软件算法创新设计

采用先进的电机矢量控制算法和SVPWM空间矢量脉宽调制技术，系统最高效率可达95%以上，具有适合数字化实现、谐波少、电压利用率高等特点，在电机控制行业得到大量应用。另外，软件具有智能弱磁控制策略，控制电机在全转速区运行平稳可靠；死区补偿策略可以有效减少三相电流谐波，提高系统效率；过调制技术在最大化利用直流侧电压的同时保证电机控制平稳。软件具有过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护等防护策略，可以有效保证控制器的长期可靠性。

四、主流产品对比报告

图4-1 国内外产品对比报告分析图

五、总结与展望

电动控制 篇6

关键词： 电动舵机； 死区； 间隙； 反演控制

中图分类号： V249.1文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）05-0029-05

Abstract： Aiming at the problems of dead zone and gap on the electromechanical actuator， a controller based on backstepping method is proposed. The system of electromechanical actuator is modeled， and the stability of the designed backstepping controller is proved. Based on the technology of numerical simulation， the rapidity and steadystate accuracy of this controller is demonstrated. The simulation results show that this controller is better than traditional PID controller， and it could remove the influence of dead zone and gap， and has the excellent tracking performance and strong robustness.

Key words： electromechanical actuator； dead zone； gap； backstepping control

0引言

电动舵机是导弹常用的一种执行机构， 可以控制舵面转动， 改变导弹的飞行姿态， 实现精确打击目标。 但是由于舵机系统中存在铰链力矩、 摩擦力矩、 惯性力矩， 尤其是静摩擦力矩， 使电动舵机存在死区问题。 此外， 电动舵机的减速齿轮之间还存在间隙等非线性影响因素。 舵系统中存在的死区与间隙会降低系统的稳定性， 产生振荡与相位滞后， 影响系统的快速性并降低舵系统的定位精度。 为进一步提高制导精度就需要考虑包含死区和间隙非线性舵系统的控制问题。

针对舵系统的非线性问题， 已有许多学者取得了研究成果。 李友年等人[1]指出， 舵机非线性因素会使舵机输出以及导弹的响应产生小幅振荡， 提出了采用超前校正的方法消除这种不利影响， 但文章采用的是描述函数法， 可以对舵控系统进行稳定性和频率特性分析， 但不能进行时间响应分析。 张明月等人[2]针对电动舵机系统的非线性、 快时变等特点， 设计了改进自抗扰控制器， 充分考虑了电动舵机存在的死区问题， 但没有考虑间隙问题。 付永领等人[3]针对导弹电液舵机伺服系统， 考虑了负载变化和不确定性扰动， 设计了基于自抗扰理论的控制器， 但也没有考虑舵机的摩擦死区和间隙因素。 李平等人[4]针对带有执行死区的非线性系统的控制问题， 应用步进反推技术设计了控制器， 但是仅对带有死区的一般非线性系统进行了研究， 并没有指出具体的控制对象， 也未涉及间隙问题。

本文以包含死区与间隙的电动舵机为研究对象， 运用反演法进行控制器设计， 并与传统PID控制器进行比较。 同时采用张平等人[5]所提出的滤波模块解决了求导运算噪声放大问题。

1含有死区与间隙的电动舵机模型建立

3.3考虑间隙非线性因素

以1°正弦信号为输入信号、 存在间隙时舵机对正弦信号的响应示意图如图9所示， 展示了间隙引起的相位滞后和削峰作用。 以20°， 2 Hz方波信号为输入信号， PID控制器跟踪方波信号时， 由间隙引起的输出信号变化如图10所示。 对图10局部放大如图11所示， 可以看出， 在输出值上下出现振荡， 表现出间隙非线性因素引起极限环振荡的典型性质。

为了验证反演控制器的鲁棒性， 对电机参数、 摩擦参数、 间隙参数等分别上下拉偏±50%， 输入信号为各种方波与正弦波信号， 控制器仍然能够有效跟踪输入信号， 证明此控制器具有良好的鲁棒性。

4结论

针对电动舵机的死区及间隙特性， 基于反演法设计了一种控制器， 并证明了控制器的稳定性。 利用数字仿真技术， 将该控制器作用于电动舵机模型中。 仿真结果表明， 控制器跟踪方波和正弦信号时， 能够消除电动舵机死区及间隙影响。 该控制器具有上升时间短、 鲁棒性强、 系统稳定等优点， 有效抑制了间隙引起的舵偏角振荡效应， 提高了电动舵机的控制精度。

参考文献：

[1] 李友年， 陈星阳.舵机间隙环节对控制系统的影响分析[J].航空兵器， 2012（1）： 25-27.

[2] 张明月， 杨洪波， 章家保， 等.改进自抗扰控制谐波式电动舵机伺服系统[J].光学精密工程， 2014， 22（1）： 99-108.

[3] 付永领， 陈辉， 刘和松， 等.基于自抗扰控制的导弹电液舵机系统研究[J].宇航学报， 2010， 31（4）： 1051-1055.

[4] 李平， 金福江.带有摄动死区的仿射非线性系统控制设计[J].江南大学学报， 2011， 10（6）： 631-636.

[5] 张平， 董小萌， 付奎生.机载/弹载视觉导引稳定平台的建模与控制[M].北京： 国防工业出版社， 2011.

[6] 潘荣霖.飞航导弹测高装置与伺服机构[M].北京： 宇航出版社， 1993.

[7] 于伟， 马佳光， 李锦英， 等.基于LuGre模型实现精密伺服转台摩擦参数辨识及补偿[J].光学精密工程， 2011， 19（11）： 2736-2743.

电动控制 篇7

1 故障分析

由于检测的试体28d抗折强度值常在9MPa左右(3 600～4 200N之间)，下压冲击力大，常把12mm×12mm、厚2mm的撞板压弯。该型号电动抗折试验机的KWX行程开关的凸起弹跳装置结构见图1a。其中，保护帽 (Φ5mm×20mm) 和小弹簧(Φ5mm×18mm)经常在检测100次左右时，就会在大杠杆冲击下压后发生故障，不是KWX行程开关凸起弹跳装置被压后不会弹起，就是小弹簧无法恢复弹性，压着KWX行程开关凸起弹跳按钮，使抗折机电源不能接通，无法启动。需经常拆下，使小弹簧恢复弹性。无法恢复时，则更换小弹簧或KWX行程开关(规格10mm×18mm)。在经常更换(由2006年6月连续使用至2010年10月)KWX行程开关时，会将固定KWX行程开关的2枚Φ2mm×25mm小固定螺杆滑丝或旋断。

2 解决措施及效果

笔者于2010年11月对其进行改进。把LX19-001行程开关牢固捆扎在原安装KWX行程开关的位置上，并将撞板改造成30mm×30mm、厚4mm，采用3枚沉头Φ5mm×20mm螺杆固定在抗折机传动螺杆末端轴承上，改进后结构见图1b。

电动控制 篇8

关键词：电动舵机,PMSM,DSP,ADRC

0引言

传统的液压舵机和气动舵机结构较为复杂, 重量较大, 并且这两类舵机不能和飞行控制系统使用同一类能源, 增加了设计难度, 不易实现余度控制。 电动舵机的结构简单、体积较小、质量较轻和便于维修, 因此得到了广泛的应用[1]。

电机是电动舵机的重要组成部分, 其性能优劣决定了舵机的控制性能。 与传统的励磁电机相比, 永磁电机有很多优点。 方波无刷直流电机 (BLDC) 和正弦波永磁同步电机 (PMSM) 是应用最多的永磁同步电机[2,3]。 二者相比, PMSM效率更高, 具有较小的转矩脉动和更宽的调速范围。

设计基于DSP+FPGA技术的, 具有高集成度、高可靠性的, 尤其是大电流的PMSM控制系统是该领域的一个发展方向和挑战。

制约电动舵机系统性能的主要因素是铰链力矩及机械摩擦。 传统的PID方法难以解决这个问题, 而自抗扰控制可以很好地解决力矩扰动问题。 自抗扰控制器 (ADRC) 由跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律组成[4,5,6]。

针对电动舵机中铰链力矩产生的干扰, 设计自抗扰控制器, 进行仿真研究, 并介绍基于DSP+FPGA的PMSM控制系统的结构设计。

1基于ADRC的电动舵机的位置控制器

ADRC控制器结构如图1所示。

与传统PID控制器相比, ADRC中的微分有抑制 “噪声”的作用而不是放大“噪声”。 图1中, TD为 θ* 安排过渡过程, 得到光滑的输入信号z11, 并给出其微分信号z12, 使得系统响应迅速而且超调量小;ESO对控制对象进行估计, 不仅能得到各个状态变量的估计, 而且能得到系统内外扰动w (t) (负载扰动) 的估计z23; NLSEF的作用, 是实现对扰动的补偿, 并实现 “小误差大增益;大误差小增益”的非线性控制[7,8,9,10,11], 提高位置伺服系统的控制性能。

永磁同步电机伺服系统结构如图2所示, 外环为位置环, 内环为电流环。 电流环采用两路PI调节器。

2仿真分析

在Matlab/Simulink环境下进行仿真分析。 仿真参数:采样时间h=0.01;速度因子r=40;TD的滤波因子h0=0.05;b01=300、b02=240、b03=300;b0=5、b1=8、b2=3; a0= 0.5 、 a1= 0.5 、 a2= 0.25 ; 极对数Pn= 4 ; 转动惯量J = 0.012kg·m2。

负载力矩TL=sin (9.95ωt) , 位置指令 θ*=1·sin (10t) , 位置跟踪曲线如图3所示, 可以看出, 位置跟踪精确, 系统动态性能很好。 ADRC扩张状态观测器观测出的负载扰动基本接近真实值, 如图4所示。

3基于DSP+FPGA的控制系统及实验验证

舵机伺服控制系统由嵌入式数据处理系统、伺服驱动控制电路、时序指令输入电路、开关量输入电路及电源模块等组成。 硬件包括控制板、电源板、 检测板和功率板。 控制板通过通信芯片1553B接收系统的控制命令, 并传输给FPGA, 同时FPGA读取旋转变压器的信号, 处理以后传送给DSP芯片。 DSP芯片对检测回来的状态、 转速以及位置等信号进行处理, 实现控制算法及控制逻辑, 并输出控制量;电源板将主电源进行滤波和电压转换后, 提供给控制板及功率板; 功率板接收控制板的控制命令, 检测电流信号, 实现功率放大及输出, 并对功率器件进行信号检测。 系统控制功能模块如图5所示。

4Nm负载条件下, 输入频率为10Hz正弦曲线, n= 5·sin62.8t, 通过D/A同时输出指令和速度反馈曲线, 输入指令波形和输出反馈波形对比如图6所示。 可以看出, 位置跟踪准确, 曲线基本重合, ADRC对扰动力矩进行补偿, 消除了对系统产生的影响。

在4Nm负载条件下, 10°阶跃响应曲线如图7所示。 可以看出, 系统上升时间短, 超调量小, 调节时间短, 稳态精度高。

4结语

实验结果表明, 自抗扰控制器应用于舵机实物平台取得了很好的控制效果。 自抗扰控制器在稳态过程中明显起到了克服负载干扰力矩的作用。 自抗扰控制器实时补偿了舵机轴上负载转矩干扰的影响, 增强了系统的抗外扰能力。

参考文献

[1]杨君君.一种基于无刷电机的数字化舵机系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2011

[2]魏燊.舵机模拟负载的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2013

[3]檀盼龙.基于DSP的永磁同步电机驱动器的研究[D].天津:天津理工大学, 2013

[4]李阁强, 赵克定, 曹建, 等.微力矩导弹舵机负载模拟器的理论研究[J].中国惯性技术学报, 2005, 13:54-57

[5]刘洁.自抗扰控制器在高性能异步电机控制系统中的应用[D].天津:天津大学, 2003

[6]韩京清.从PID技术到“自抗扰控制技术”[J].控制工程, 2002, 9 (3) :13-18

[7]张瑞成, 童朝南.基于自抗扰控制技术的轧机主传动系统机电振动控制[J].北京科技大学学报, 2006, 28:978-984

[8]孙凯, 许镇琳, 盖廓, 等.基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统[J].中国电机工程学报, 2007, 27 (15) :43-46

[9]夏长亮, 李正军, 杨荣, 等.基于自抗扰控制器的无刷直流电机控制系统[J].中国电机工程学报, 2005, 25 (2) :82-86

[10]王江, 李韬, 曾启明, 等.基于观测器的永磁同步电动机微分代数非线性控制[J].中国电机工程学报, 2005, 25 (2) :87-92

轿车电动车窗控制方案的研究 篇9

关键词：电动车窗,74LS08芯片,中央控制

电动车窗(又叫自动车窗)装置主要由车窗、风窗升降器、电动机、控制单元、玻璃升降器开关等组成。驾驶员或乘员利用电动窗的开关使车窗玻璃自动升降,降低了驾驶员以及乘客的操作难度,也有利于行车的安全。并且驾驶员可以利用车身控制器对全车的车窗玻璃升降进行控制,可以确保驾驶员控制整个车窗以及人离开车后关闭所有车门的同时关闭和锁定所有车窗,这样可以确保乘客及小孩的安全。轿车技术在最近几十年内发展非常的迅速,这促使我们来研究它的每一个组成部分,电动车窗摆脱了以往手动车窗操作的不方便性,使我们的轿车使用起来更方便更舒适。但是电动车窗还存在一些安全隐患,所以防夹电动车窗就诞生了。所以说研究电动车窗控制方案具有一定的应用价值。

1 电动车窗的基本组成结构和功能

1.1 电动车窗的基本组成结构

电动车窗系统主要由车窗、电动机、电动玻璃升降器、开关等组成。

1.2 电动车窗的基本功能

1.2.1 电动机

电动车窗一般使用双向永磁或绕线(双绕组串联式)电动机,每车窗安装有一只电动机通过开关控制其电流方向,从而实现车窗的升降。

1.2.2 电动玻璃升降器

电动玻璃升降器主要有两种形式。一种是用齿扇来实现换向作用。齿扇上连有螺旋弹簧。当车窗上升时,弹簧伸展,放出能量,以减轻电机负荷;当车窗下降时,弹簧压缩,吸收能量,从而使车窗无论上升还是下降,电机的负荷基本相同。另一种升降器是使用柔韧性齿条和小齿轮,车窗连在齿条的一端,电机带动轴端小齿轮转动,使齿条移动,以带动车窗升降。

1.2.3 开关

开关由主控开关、分控开关等组成。电动车窗控制系统中的主控开关,用于驾驶员对电动车窗系统进行总的操纵,一般安装在左前车门把手上或变速杆附近;分控开关安装在每个车门的中间或车门把手上,于乘客对车窗进行操纵。

2 控制单元设计

利用两个74LS08译码器来实现中央控制和四个分控制。当中央控制器开启时,中央控制器可以控制四个车窗的升降而且四个分控制也可以控制各自车窗的升降。当中央控制器关闭时所有开关都不能使车窗升降。

2.1 介绍74LS08芯片,它属于2输入端四与门

其结构如图1所示。

介绍其中一个与门,其他三个的逻辑功能和第一个完全一样。(如表1)

74LS08芯片的引脚14是接电源,引脚7接地,引脚1、2、4、5、9、10、12、13作为输入端,引脚3、6、8、1 1作为输出端。

2.2 硬件电路的细化工作

利用两个74LS08芯片,其逻辑细化电路如图2。

图中的上升输入端接W I N-U P,下降输入端接W I N-D O W N。

当中央控制开关关闭时,即每个与门的一个输入为0,则所有输出为0,那么所有的车窗都停止在原来位置且四个分控操作对车窗的升降都不起作用。

当中央控制开关开启时,既每个与门的一个输入为1,则每个与门的输出等于输入。例如:左前窗当操作上升开关时,则8为1,那么车窗上升。

多轴电动拧紧机控制系统 篇10

关键词：扭矩,单片机,A/D转换,同步,轴控

1 引言

在汽车制造厂的装配车间, 对安全件来说, 装配时拧紧力矩的准确性、快速性及稳定性指标非常重要。另外, 在多车型共线生产的情况下, 拧紧系统要能在上层系统的指令下自动切换目标扭矩参数, 以在保障品质的同时提高生产效率。多轴电动拧紧控制系统就具备上述优点, 为此越来越多的汽车零部件及整车制造厂引入了该装置。早期国内的多轴电动拧紧机基本被外资品牌垄断, 现在国产的多轴电动拧紧机正在快速发展, 但控制技术参差不齐。在生产现场有“欠拧紧”及“过拧紧”现象, 有上位机显示的扭矩曲线不能很好地反映力矩变化现象。针对这些现象, 本文对国产多轴电动拧紧机系统进行深入分析, 以电动四轴拧紧机为例, 提出了解决这些问题的方案。

2 多轴电动拧紧机基本构成及原理

电动拧紧机机电系统主要由三大部分组成, 分别是上位机监控部分、现场电气控制部分及拧紧头执行终端部分。现场电气控制部分由协调控制系统、轴控单元及伺服驱动控制部分组成。电动拧紧机机电系统原理图如图1所示。协调控制系统通常有两种设计方案, 一种是基于单片机, 一种是基于PLC (可编程逻辑控制器) 。拧紧头包含:电动机、减速器、扭矩传感器[1] (电阻应变式) 等。电动机为三相交流伺服电动机, 包含有转角传感器。

计算机系统主要功能有用户管理、设备运行状态监控、工艺参数设置、工艺参数实时显示、扭矩曲线实时显示及扭矩统计分析等, 其数据来源是轴控系统及人机交互系统。

协调控制系统的主要功能是协调各个轴的同步动作;控制各个轴几乎同时到达设定的准目标扭矩值及目标扭矩值;检测机械及电气系统运行状态, 如过流、过载、现场指示或报警设备的一些运行状态, 如轴输出扭矩是否达到目标值、是否合格等, 并藉此自动执行多轴同步拧紧程序;接收现场操作按钮信号, 如对拧紧机系统进行如本体升降、启停单轴的控制。

轴控单元主要作用是二次放大、采样及模数转换来自拧紧头上的扭矩传感器信号;采集伺服驱动器分频处理的角度脉冲信号;向伺服驱动器输出速度指令信号及其它开关信号;向协调控制系统输出同步请求信号及运行状态信号;接收协调控制系统的启动、停止及继续等控制信号;经RS232串口实时上传扭矩及角度数据给上位机系统。

拧紧头的交流伺服电机主要功能是把由驱动器输入的电能转换成旋转的机械能;拧紧头的减速器用以降低终端转速, 提高扭矩;扭矩传感器用以检测拧紧过程中的扭矩;旋转扭矩由驱动杆传递输出。

3 轴控单元

每个拧紧头配置一套轴控单元, 核心是由AVR[2]系列单片机组成轴控制系统, 该系统主要由开关量输入/输出模块、扭矩信号调理AD转换模块、拧紧角度输入、转速数模转换等模块构成。轴控单元电气原理图如图2所示。

国产轴控系统多采用MCS51系列单片机, 工作频率12MHz时, 执行指令速度不超过1MIPS, 这对扭矩的实时检测控制带来不利的影响, 如“欠拧紧”及“过拧紧”等。对于电动多轴拧紧机系统说, 需要进行核心设计的主要是轴控单元, 而轴控单元的经济性及实用性又取决于轴控CPU的选型及配套电路。本拧紧机轴控单元CPU采用基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位控制器ATmega16。该控制器有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash, 512字节EEPROM, 1K字节SRAM。ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz, 可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AD转换采用高速低功耗的AD7862芯片。该芯片是AD公司推出的12位A/D转换芯片, 最高采样率达250kHz。

轴控单元面板上有薄膜输入按钮, 可以现场设定准目标扭矩、目标扭矩及角度等工艺参数, 这些参数存储在EEPROM;有“8”字码LED显示, 实时显示当前扭矩和角度;有LED灯组, 用于该轴控单元的电源、正转、反转、上超差、下超差、扭矩合格及不合格等指示。

4 关键软件设计

4.1 扭矩同步控制

为了避免“欠拧紧”及“过拧紧”, 需对扭矩信号进行合适的硬件滤波及软件滤波;需对扭矩速度指令的输出进行合适的算法设计。“欠拧紧”一般是由于控制系统采样到扭矩尖峰信号 (最大峰值宽度不超过200ms时) , 滤波及扭矩控制程序处理不当, 系统误判输出扭矩已达到设定目标值。“过拧紧”一般是由于系统配置不合适及程序算法设计不合理, 导致实际输出扭矩快接近目标值或已到达目标值时, 轴控系统来不及回调或停止速度指令输出, 导致实际拧紧力矩超过了允许的目标扭矩上限。

为此, 本系统对硬件配置及软件进行了优化设计, 特别是软件算法设计。所有轴控单元的目标扭转值的实现采用分段控制算法, 最后一段采用模糊离散PID控制算法, 最终控制精度达±10N·m。以某重卡后桥骑马螺栓的目标拧紧力矩800N·m为例, 轴控单元设置了4个准目标扭矩值, 分别是40N·m、80N·m、300N·m、650N·m。同步拧紧程序启动后, 当某轴到达40N·m时, 就暂停扭矩输出并立即给协调控制系统一个500ms的脉冲信号, 当所有轴都执行了相同的动作后, 协调控制系统就通知所有轴准备实现下一个准目标值80N·m, 依次类推, 最终实现四轴同步拧紧。关于离散PID控制, 许多资料有所叙述, 本文不再赘述。

4.2 扭矩曲线显示

为了克服上位机扭矩曲线显示不能有效反映扭矩变化的问题, 扭矩曲线图的显示采用横坐标时间不均匀分段措施。本系统起始段20～100N·m的低扭矩曲线所处的时间比较长, 大概20s;第二段扭矩100～600N·m大概10s;而第三段扭矩600～800N·m不到5s。这三段拧紧扭矩虽然时间不等, 但设计上位机软件时, 对不同段的曲线数据进行了实时简化, 基本实现各段的曲线横坐标长度相同。对低扭矩曲线数据, 图形绘制程序一开始对于大于10Nm的数据全显示;但当10个数据点之后, 若数据在±10Nm范围内变化则图形显示保持不变, 若超过该变化范围则显示相应数据点;然后以更新的数据点为基准, 再检查后续采集的拧紧数据是否超±10Nm, 若超范围则更新曲线, 若没有超范围则曲线显示不变;以此类推, 直到采集的拧紧扭矩超过100Nm, 然后进入全显示阶段。

4.3 数据通信

上位机软件开发运行环境是Windows XP操作系统, 开发工具是VC++6.0[3], 用多线程多串口通信技术[4]进行数据采集。通信内容主要是扭矩数据及系统运行状态, 轴控单元与上位机之间串口通信采用数据包的形式发送接收数据。数据包有四种类型: (1) 实时扭矩数据包; (2) 实时角度扭矩数据包; (3) 轴控运行状态数据包; (4) 上位机发出的命令数据包, 各种数据包基本格式一样。

电动拧紧系统上电后, 上位机向相关轴控单元发送命令。该数据包格式为:第1字节“@”为数据包起始标识符, 第2字节为命令代码, 第3字节开始为命令内容, 第9字节为异或校验码, 最后一个为命令包结束标识符“*”。

轴控单元发送的数据包格式:第1字节“@”表示数据包的有效开始, 第2字节是数据包的类型代码, 后面紧跟10个采样点 (20字节) 的十六进制数据, 第23字节为异或校验码, 第24个字节是数据包结束标识符“*”。不同的拧紧阶段, 轴控单元发送不同的数据包给上位机, 上位机根据不同的数据包类型代码进行数据包的解析。解析出来的数据以曲线或设备状态的形式体现出来。

5 结论

通过对多轴电动拧紧机工作原理的分析研究, 提出了性价比更高的AVR轴控单元设计方案, 极大地避免了生产过程中可能出现的欠拧紧或过拧紧现象。该多轴电动拧紧机控制系统的设计除了轴控单元外, 其它均为可外购的标准部件, 大大缩短了拧紧机的研发周期, 降低了电动拧紧机装备的设计制造成本。

参考文献

[1]康维新.传感器与检测技术[M].北京:中国轻工业出版社, 2009:16-26.

[2]周立功, 等.单片机与CPLD综合应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003:10-40.

[3]李现勇.Visual C++串口通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电版社, 2002:152-160.

电动机及其控制技术的应用与展望 篇11

关键词：电动机 控制技术 应用与展望

电动机及其控制技术的应用与发展，是现代工业赖以生存和发展的基础。我国经济社会正处于改革转型的关键时期，和世界许多国家一样，电动机及其控制技术取得了快速发展，存在着巨大的提升空间。

一、电动机的发展过程

电动机的产生和发展可以分为四个阶段。

19世纪30年代到80年代是电动机发展的第一个阶段，以直流电动机的发明和逐步推广应用为标志，是直流电动机时代。

19世纪末叶到20世纪50年代，是电动机发展的第二个阶段，以交流电动机的发明和应用为标志。交流电动机主要用于转速基本恒定的生产机械的拖动；在要求调速范围宽和高精度控制的领域，都采用直流电力拖动。由于换向器结构复杂，故障率较高，需要维护，换向器还容易产生电火化，直流电动机单机容量和使用环境都受到限制。

20世纪60年代到21世纪初，是电动机发展的第三个阶段，也是其快速发展时期。特别是交流变频调速技术的不断成熟，使交流异步电动机实现了调速范围宽，稳态精度高，动态性能好等许多直流电动机才有的性能，充分发挥了交流异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、基本免维护、容易实现单机容量的突破等优势，交流电动机逐步取代直流电动机。

随着电动机理论的不断完善和制造技术的不断提高，高新技术的快速发展，新材料的不断应用，21世纪以来电动机发展进入第四个发展阶段——呈现高性能化、智能化、微型化和网络化。

二、我国电动机及其控制技术的应用现状

电力拖动具有控制简单、方便经济、效率高、调节性能好、易于实现远距离控制和自动化控制等优点，在机械、冶金、石油等各行各业中被广泛应用。

我国电动机品种繁多，大小悬殊，形状各异，用途多样，目前约有300个系列，1500个品种。据有关资料估计，我国电动机总装机容量已超过7亿kW，其中大型高压电动机约占一半，最大功率达到几十MW级；中小型电动机占总装机容量的35%左右，其他电动机占15%左右。

高压电动机主要用于石油、化工、矿山、冶金、抽水蓄能电站等行业的大型机械设备中。高压电动机近70% 拖动的负载是风机、泵类、压缩机等，这其中有一大半处于轻载状态，能源浪费严重。

中小型电动机数量庞大，覆盖范围广。我国已经成为世界上最大的中小型电动机的生产、使用大国。但是我国目前使用的电动机能效标准大多还是低效率的IE1，国家正在推广高效率IE2和超高效率IE3电动机，电动机的升级换代对我国经济发展和节能降耗意义重大。

由于交流变频控制系统价格昂贵和历史沿袭等原因，我国还有相当数量的直流调速系统在使用。

随着科技的进步和现代控制技术的发展，我国特种微型电动机和电动机伺服系统发展迅速，已经成为独立的分支。特别是某些航空航天用微型控制电动机，已突破国外技术封锁。如自行研究成功的登月用微型控制电动机。

目前国外80%电动机为专用电动机，性能、效率和适应性大大提高，通用型电动机只有20%。我国刚好相反，80%为通用型电动机，所以发展专用电动机，对我国来说意义重大。

我国电气自动化各种控制方式并存。在机床类等工业设备中，大量应用电磁式或电子式继电器、接触器控制系统。近年来，电子式继电器、接触器具有更小的体积，更长的使用寿命，有的向多功能化方向发展，继电器、接触器控制系统在我国将长期存在。但是它是一种机械触点式硬连接，靠接线逻辑实现控制功能，存在易产生电火花，寿命短，改变电路控制功能必须拆线重新连接等诸多缺点。

PLC控制系统是把计算机和继电器接触器控制系统的优点相结合的产物，具有控制灵活，体积小，容易编程，改变电路逻辑功能容易，具有数字运算，数据处理和通讯联网等功能。PLC平均无故障运行时间可达10万小时以上，可靠性很高，已经成为工业自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。我国主要控制装置PLC（数字控制器）大都是进口的，部分是合资工厂组装的，关键技术还掌握在国外。PLC控制系统使用主要集中在中大型企业，普及率较低，发达国家已经使用工业现场总线和数据联网通讯等自动化控制技术。

交流变频调速控制技术，是随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代自动控制理论高度发展的结果。它的出现改变了高性能调速系统由直流电动机一统天下的局面，让交流调速系统逐步成为调速系统的主角。这与电力电子器件高速发展分不开。如GTO、BJT、MOSEFT为代表的高效、高频、高功率因素、高功率密度、高压大功率的电力电子器件得到长足发展，应用日渐普遍，尤其是双极型复合器件IGBT、新型电力电子器件IGCT为代表的新一代高性能器件的发展和普及，使大容量交流电动机调速技术获得飞速发展。近年来，功率模块的发展，以及将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上的功率集成电路技术的发展，自动控制技术前景更加广阔。

我国的高速铁路技术已达到世界先进水平。这得益于被称为铁路机车“机芯之核”的IGBT的成功研发。IGBT长期被西方发达国家垄断。2009年，我国第一条IGBT产品封装线在株洲落成，成功实现了IGBT模块的国产化。

20世纪末，国内少数火力发电厂开始进口高压变频器，对风机、水泵、压缩机进行节能改造，取得满意效果。21世纪，随着国产电力电子器件成功生产，国产高压变频器快速发展，其中约一半用于火力发电厂作为调速节能改造。但是，大容量高压变频器技术与发达国家相比还有较大差距；中小型电动机通用变频器及专用变频器基本被国外所垄断，比如在我国应用占比较高的西门子MM4系列通用变频器。endprint

三、我国电动机及其控制技术展望

纵观我国电动机及其控制技术发展水平，与欧美等发达国家相比，存在较大差距和提升空间。

1.推广使用高效能、超高效能电动机，淘汰低能落后产品

从节约能源保护环境出发，推广使用高效节能电机已经成为全球电机产业发展的共识。我国电动机消耗的电能占总发电量的60%以上，而Y，Y2系列等低效（相当于IE1及以下标准）电动机，还占大多数，电动机平均效率比发达国家低2%到8%，推广使用高效（相当于IE2标准）、超高效（相当于IE3及以上标准）电动机，淘汰低能落后产品，具有明显的节能减排和社会效益。国际电工委员会于2008年10月完成了IEC60034—30的编制工作并颁布实施。我国多次修订电动机能效标准，其中GB18613-2010和GB18613-2012等同采用了该标准；工信部和国家质检总局联合印发《电动机能效提升计划（2013—2015年）》，计划提出到2015年累计推广高效电动机1.7亿kW，淘汰在用低效电机1.6亿kW，实施电机系统节能技改1亿kW，实施淘汰电机高效再制造2000万kW。

同时，我国稀土资源丰富，稀土永磁合金（钕铁硼永磁材料）的性能不断提高，制造的稀土永磁电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率密度大等优点，是今后重点研究和推广方向。

2.专用电动机替代普通电动机

电动机品种繁多，性能各异，所拖动的负载千差万别。如果都用通用电动机，无论在技术上还是经济上都不是很合理的。专用电动机就是根据不同的负载专门设计的，技术性能上更符合对应的设备需要，节能效果更是明显。比如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%。

3.提升自动化控制技术水平

推广使用PLC控制系统，对我国普遍采用的继电器接触器控制系统进行升级改造，加快开发国产PLC数字控制器，充分利用PLC控制系统的可编程、数字化、改变逻辑控制功能容易、可靠性高等优点，提升我国电动机控制技术的应用水平。

加快交流变频调速控制技术的应用和发展水平。电动机的矢量控制技术，直接转矩控制技术，已经成为当今笼式异步电机控制技术的主流；脉宽调制（PWM）技术，正弦脉宽调制（SPWM）技术和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术的成功应用，电力电子器件制造技术，特别是大功率高电压电力电子器件制造技术的突破，交流变频调速控制技术已经成为21世纪交流异步电动机最重要的控制技术。在我国，可逆直流调速系统、PWM直流调速系统、数字控制系统、交流调压调速系统和串级调速系统、笼式异步电动机变频调速和矢量控制调速系统、无换向器电机调速系统、开关磁阻电机调速系统都得到了广泛的应用。继续提高国产高压大功率电力电子器件制造技术，对风机、水泵、压缩机类负载加大节能改造力度；加快国产通用变频器和专用变频器的开发水平；加大交流调速系统的应用力度，淘汰老旧直流调速系统，对提升我国电气自动化水平，提高生产力和节能减排有着现实意义和长远意义。

我国大型电动机正在向高效率、小体积、高功率密度等方向发展；中小型电动机正在向高效化、专业化、集成化方向发展；微型电机向高性能、无刷化、永磁化等方向发展，稀土永磁无刷电机将成为微特电机的主流；电动机控制技术向智能化、模块化、网络化、一体化和集成化方向发展，我国的电气自动化前景广阔。

参考文献：

[1]付兰芳，张宪.变频技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3]何定贤，刘憬奇等.电机与控制应用[J].中小型电机技术发展趋势，2007（8）.

电动汽车驱动电机及其控制策略 篇12

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。