双电机驱动系统（共7篇）
双电机驱动系统 篇1
0.引言
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
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双电机驱动系统 篇2
制造执行系统(MES)和全面预算管理系统是汽车企业信息化再上台阶必不可少的两套管理工具，
上海通用汽车有限公司CIO张新权的眼里，汽车行业的信息化有两个与众不同的地方：一是复杂。“汽车是个大件，其构造复杂，零部件通常有几万个，不同车型完全不一样，相同车型又有很多个性化要求。因此，从订单审核到生产计划、物料计划的制定再到销售，这个流程相当复杂。”;二是投资回报率高。“对于汽车行业来说，如果信息化体系运作顺畅，对业务的提升帮助特别大，投入产出比很高。无论是就降低库存而言，还是提高资金周转率，都能创造非常巨大的利润。”
但是，针对当前汽车企业管理复杂和信息化系统要求高的特点。制造执行系统(MES)和全面预算管理系统已经成为汽车企业必不可少的管理工具，MES在车间控制、数据管理、库存控制等方面的功能将大大缓解现有汽车企业管理方式的业务瓶颈。全面预算管理系统将统筹规划汽车企业SCM物流成本，并分期实现预定目标。许多信息化专家认为，今天的汽车行业面临的最大问题是如何赶上用户对个性化的需求速度，企业整体的管理系统也要符合这样的“动成长(Adaptive)”特性。同时，汽车企业在应对多变的用户需求成长时，最重要的是，要能够有效控制汽车生产成本，提高企业经营绩效。MES全面预算正好可以解决这些问题，它们可以大大地降低汽车企业生产成本、减少部门之间的协调费用、保证汽车质量、提高运营效率和客户满意度、简化及合理配置企业的IT 资源。
另外，针对大型汽车集团公司的信息化来说，信息孤岛现象严重。历年来企业信息化建设投资较大，但平台不统一，形成各个信息孤岛，效率不高。甚至对同一种业务(如设备管理)，不同的二级厂商信息系统请不同的机构开发，形成互不兼容的业务系统，集团公司迫切需要每个业务系统在公司内统一管理并实现和各业务系统集成应用。未来，汽车行业实施电子商务是不可避免的趋势，但如何实施，要与我国经济发展水平和汽车行业企业管理水平、管理模式的不断变革相适应，汽车企业信息化电子商务建设要遵守“总体规划、分步实施”原则，切莫一蹴而就，信息化系统不能不切实际的追求大而全。因此，在这种情况下，汽车信息化将对MES全面预算系统的应用需求将显得更加迫切。下面，笔者仅就MES系统、全面预算管理系统在汽车等制造企业信息化应用过程中如何发挥作用谈点个人观点。
MES继续领跑汽车信息化
MES系统在汽车汽车制造企业管理层信息化与工控层自动化间架设了信息沟通的“桥梁”，在提高生产效率、加强生产管控能力、降低消耗等方面发挥着重要的作用。，中国制造业MES应用市场进入蓬勃发展时期，产品应用正从汽车、钢铁、炼化等大型汽车制造企业向制衣、玩具制造、机械加工、有色金属冶炼等中型企业扩展，国内外品牌竞争步入综合实力比拼阶段。企业用户对 MES产品的投资越发趋于理性化，并对产品的功能实效性、架构可扩展性、系统集成能力等方面有了更深的需求。
当前，汽车制造企业关心三个问题：生产什么?生产多少?如何生产?企业的生产计划回答的是前两个问题，“如何生产”由生产现场的过程控制系统“掌握”。ERP、CRM等系统只为生产计划的编制提供了数据信息，对于“计划”如何下达到“生产”环节，生产过程中变化因素如何快速反映给“计划”，在计划与生产之间需要有一个“实时的信息通道”，MES(制造执行系统)就是计划与生产之间承上启下的“信息枢纽”。
近年来，随着JIT(Just In Time)、BTO(面向订单生产)等新型生产模式的提出，以及客户、市场对产品质量提出更高要求，MES才被重新发现并得到重视。同时在网络经济泡沫的破碎后，企业开始认识到要从最基础的生产管理上提升竞争力，即只有将数据信息从产品级(基础自动化级)取出，穿过操作控制级，送达管理级，通过连续信息流来实现企业信息集成才能使企业在日益激烈的竞争中立于不败之地。目前，MES在国外被迅速而广泛地应用。
企业信息化系统是一个信息相互贯通的集合体，作为制造业内部最重要最基本的活动——生产，它的相关信息尤其需要得到实时的处理和分析。具体的说，就是收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理，同时又与计划层和生产控制层保持双向通信能力，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。
MES不同于以派工单形式为主的生产管理和辅助的物料流为特征的传统车间控制器,也不同于偏重于作业与设备调度为主的单元控制器,而应将MES作为一种生产模式, 把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造接口(CIM)等一体化去考虑，以最终实施制造自动化战略，
相信，不久的将来，MES系统将继续领跑汽车制造信息化，同时，在汽车信息化产业链中下游，MES必将与全面预算管理系统有机结合应用，发挥协同效益。[next]
全面预算借势出击汽车信息化
全面预算管理，是指对与企业存续相关的投资活动、经营活动和财务活动的未来情况进行预期(预测与计划)并控制的管理行为及其控制安排。汽车企业可以通过预算来分解和监控战略目标的实施，有助于确保完成销售收入指标、控制开支，并预测企业的现金流量与利润。
通过实施全面预算管理，可以明确并量化公司的经营目标、规范企业的管理控制、落实各责任中心的责任、明确各级责权、明确考核依据，为汽车企业的成功提供了保证。可以说全面预算管理的过程，就是战略目标分解、实施、控制和实现的过程。
“预算本身并不是最终目的，更多的是充当一种在公司战略与经营绩效之间联系的工具。预算体系在分配资源的基础上，主要用于衡量与监控企业及各部门的经营绩效，以确保最终实现公司的战略目标。”福田汽车总经理助理杨巩社曾经这样表示。这从一个侧面说明汽车行业预算管理全面开花的时代已经来临。
北京加达汽车服务有限公司成立于1995年8月,是由加拿大加达技术开发有限公司为主要投资方在京兴建的中加合资高档汽车服务企业，是上海通用汽车公司在全国第一批授权的售后服务中心。作为一家按国际惯例和现代公司制组建的中外合资高档汽车服务企业，加达领导层深深懂得：随着市场经济的日趋完善，要想应对加入 WTO之后更巨大的挑战，企业就必须及时、准确、完整地掌握以财务信息为核心的经营管理信息，必须对内部的各种资源进行高度集中的管理、控制和配置，必须迅速地对各种财务、管理方案做出科学的、符合企业价值最大化的决策。
当前严重制约我国汽车经销商的竞争能力和综合赢利能力的是什么?是市场营销与管理问题。市场营销的落后正严重制约着我国汽车经销商的发展;粗放式的管理已不能适应市场的发展;故而，提高营销与管理队伍的从业水平是当务之急。
北京加达汽车服务有限公司领导从企业发展战略考虑，决定选择一家软件厂商作为企业信息化建设的长期合作伙伴。经过与北京厚盾科技有限公司(以下简称厚盾)的多次交流，对厚盾软件作了比较全方位的考察，充分认识了厚盾汽车行业全面预算管理系统的产品价值和厚盾的专业优势，并对厚盾“软件就是服务”快速高效的支持体系表示满意，最终决定使用厚盾汽车行业全面预算管理系统软件。
厚盾汽车行业全面预算管理软件实现了完整的预算管理体系，这次厚盾软件为加达设计开发的全面预算管理系统主要包括财务数据接口，预算模板的设置，预算编制和模拟分析，预算逐级汇总及审批，预算调整，费用报销管理，采购、领用和支付流程的管理，补充收支登记，预算执行控制，预算分析，预算考评，业务指标监控及以基础数据维护等一整套多上多下的闭环系统。厚盾汽车行业全面预算管理系统能够实现灵活的预算项目设置和快捷的预算预计指标模拟试算功能，其完全的B/S架构，将真正实现集团化统一管控。同时，厚盾全面预算作为第三方专业全面预算管理软件，提供与通用财务软件尽可能多的接口，并支持自定义的多级责任中心与预算组织和专业的二次开发服务，完全满足企业的个性化需求。
厚盾汽车行业全面预算管理系统是以流程为驱动的第四代协同全面预算管理软件，支持自定义预算编制、审核、控制等各种流程，实现分公司、异地机构全员范围的协同机制。同时，厚盾全面预算是一套务实、易用、灵活、多接口、专业的第三方全面预算管理软件，具备很实用的功能，采用B/S架构，只需通过IE浏览器便可实现全部功能。不仅为企业带来了实施全面预算管理的国内外先进理念，而且，能够切合公司现状为企业解决实际问题,从而有利于企业奋斗目标的具体化。
厚盾全面预算管理是财务管理的核心，是实现企业经营目标的根本保证。将帮助企业根据自身的资源状况和发展潜力，制定科学合理的全面预算方案，在企业经营管理的各个环节进行全面控制。通过全面计划预算体系的建立，有效地协调各部门之间的业务运做;以全面预算为指导，有效提高业务运做效率;预算的控制作用得以有效加强;预算编制过程变的简单，编制周期大大缩短;预算实行情况得以及时分析，可以及时采取相应措施。
加达集团曾经想利用财务软件来做预算、管理的工作，但从测试结果来看，效果不理想。因为财务软件只能对事后财务数据进行总结分析，只能给出结果，而结果一旦出来，就意味着不能反悔了。对于事前预见、事中控制环节，财务软件是没办法解决的。从管理和决策来讲，企业显得非常的被动和不利。而事前、事中这一环节恰恰是我国企业管理上最薄弱的环节之一，也是管理上最容易出问题的地方，因此，它需要及时治理。全面预算管理软件可以帮助企业杜绝这方面的漏洞，解决事前预测、事中控制的问题，基本可以达到企业的目标管理要求。
双电机驱动系统 篇3
关键词：太阳能；自动跟踪；步进电机细分驱动；跟踪精度
能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式[1][2][3]和电池板固定朝南安装的方式[4]。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系统。设计硬件和软件控制流程，深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。
1 太阳能自动跟踪系统的设计
1.1 太阳运行规律
为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的[5]，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。
太阳高度角α
sinα=sin?准sin?啄+cos?准cos?啄cos?棕(1)
太阳方位角γ
sinγ=(2)
式中：φ是当地纬度，δ是太阳赤纬角，ω是太阳时角太阳赤纬：
?啄=23.45sin()(3)
式中：n是积日，一月一日为1，一月二日为2，……太阳时角
ω=15(12-t)(4)
式中：t是一天当中的时刻。
由式(1)-(4)可计算出太阳高度角和方位角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能自动跟踪。
1.2 系统总体设计
太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图1所示。整个系统分为六个部分：时钟模块，初始位置校验，单片机模块，驱动模块，光电检测模块和太阳能电池板。单片机是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。时钟模块主要把全年每天的时间提供给单片机。驱动模块包括光电隔离、步进电机驱动和步进电机，为了消除干扰，单片机和步进电机驱动之间需要加隔离；由于是在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪，因此需要两个相同的驱动模块。传感器模块包括四象限探测器、信号处理电路和A/D转换电路。太阳光线垂直照射四象限探测器时，它四个象限的输出电流等；
当发生偏移时，四个象限的电流不等，通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。信号处理电路负责信号采集放大，把电流信号转化为相应的电压量并放大后，通过A/D后送入单片机运算分析并发出控制信号给步进电机。
1.3 硬件设计
系统的控制核心采用的单片机是AT89S51；时钟芯片是DS1302；日出初始位置校验需要使用微动开关，系统使用三洲集团乐拉电器厂的 LXW5-11G2。
光电检测部分：(1)四象限探测器具有低暗电流，高可靠性、高均匀性、高对称性，盲区小的优点，系统采用的四象限探测器为Pacific Silicon Sensor的QP20-6TO8S。四象限探测器示意图如图2所示，器件是反向偏置的半导体二极管阵列，其工作原理是：当太阳光垂直照射器件各个象限时，各个象限输出的光电流ia、ib、ic、id相等；而当目标发生偏移时，各个象限的输出光电流不等，光电流经信号变换及放大后变为相应的电压量，太阳运动的两个偏移量由式(5)[6]算出，由此可测出太阳的方位，从而起到跟踪的作用。四象限探测器能在东西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上进行双轴跟踪。并且通过四个象限的电流和还可以进行阴晴天的判断，晴天时，太阳光线强，所产生的电流大，阴天时产生的电流小，因此确定一个阈值就能判断天气，经实验后得这个阈值为1.12V。(2)测量四象限探测器其中一个象限所用的光电探测电路如图3所示，每个象限都使用完全相同的光电探测电路。电阻把光电二极管输出的光电流转换为电压信号，运放将这个压信号作适当的放大，四象限光电探测器所产生的阻抗电流，其值一般为mA级[7]，经试验后知需要放大的倍数为2倍。(3)转换器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
Δx=(5)
Δy=(6)
驱动模块在2.2中会详细介绍。
1.4 软件设计
软件流程图如4所示。系统初次使用时进入时钟芯片的初始化，中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验，即单片机发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转，直至碰到限位开关后停止，此时的位置作为初始位置，初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间，和单片机储存的事先计算好的日出日落时间比较，若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天，进行时钟跟踪，即把单片机里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置)的高度角方位角比较得出角度差值，转化成脉冲数后单片机控制步进电机转过相应的角度，这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板，若没有，则把信号发送给单片机进行处理，再使电机带动电池板旋转；若为阴天，则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后，等待1.5分钟，进行下一次的跟踪，如此反复进行。
2 步进电机的驱动
步进电机的驱动方法可分为细分驱动和非细分驱动。细分驱动就是把步进电机的步距角细化，使步距角分辨率提高；在非细分驱动中，步进电机的步距角只有整步和半步两种。
2.1 步进电机细分驱动的原理
在步进电机非细分驱动电路中，各相绕组的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是只有零和某一额定值两种状态。控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，可实现对步进电机原有步距角细分，使转子以较小的步距增量旋转，提高步进分辨率。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定电流的一部分[8]，这样步进电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。
式6为两相混合式步进电机细分的数学模型
ia=insin(s)ib=incos(s)(6)
式中：ia是A相电流，ib是B相电流，in是额定电流，n是细分数，s是步数
为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，相电流的变化取三角函数关系。
两相混合式步进电机4细分电流状态图如图5所示。可以看出，初始时A相电流ia=0，B相通额定电流in；第一步时，A相电流ia=insin(22.5°)=0.38in，B相电流ib=incos(22.5°)=0.92in；第二步时，ia=0.71in，ib=0.71in，……
2.2 步进电机细分驱动的实现
文中设计的太阳能自动跟踪系统的步进电机细分驱动采用THB6064H来实现，采用两相混合式步进电机，其整步步距角是1.8°/步，半步是0.9°/步。THB6064H是一个PWM斩波式正弦波微步步进电机驱动器。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路。其主要参数和性能指标如下：
(1)单芯片两相正弦细分步进电机驱动。
(2)采用高耐压BiCD工艺。
(3)可实现正反转控制。
(4)可选择细分控制(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64 )。
(5)高输出耐压。
(6)高输出电流。
(7)有输出监视管脚。
(8)芯片内部有过热保护和过流检测电路。
单片机与步进电机细分驱动连接电路如图6。单片机P0.2端发出高电平信号经过光电隔离芯片TLP521，使能端EN变为高电平，芯片开始工作；CW/CWW端为步进电机正反转控制端，用高低电平控制；CLK端为脉冲输入端。拨码开关确定细分数后，步进电机细分后的步距角也随之确定，需要步进电机转多大角度，只需转换为脉冲数后通过P0.1向CLK端发送脉冲即可，为了避免步进电机过冲，而且在太阳能自动跟踪系统中使用，也不必过快旋转，所以脉冲频率不能太高。用THB6064H芯片设计的步进电机细分驱动电路的外围电路简单，可靠性高，并且与单片机的连线只有三根。
3 步进电机驱动方法对太阳能自动跟踪精度影响的研究
在太阳能自动跟踪系统中，每一个模块对跟踪精度都有影响，本文重点研究步进电机驱动方法对跟踪精度的影响，必须使其他因素理想化，排除它们对跟踪系统精度的影响，采用仿真进行研究。
以南宁市夏至日高度角跟踪为例，日出时间为当地真太阳时5时14分，日落时间为当地真太阳时18时46分。
3.1 自动跟踪未采用细分驱动
对南宁市夏至日高度角数据进行研究后发现，间隔时间为4.5分钟时，太阳高度角的变化大约为0.9°，所以在不采用细分驱动时太阳能电池板在高度角上的调整至少需要间隔4.5分钟。
间隔4.5分钟，无细分高度角跟踪图如图7所示。图中的阶梯波形曲线为高度角跟踪曲线，另一条曲线为实际的南宁市夏至日高度角曲线。不对光电传感器部分进行仿真。
在阶梯波中，电池板转动小角度所需要的时间相对于数分钟的等待时间来说是非常短暂的，所以忽略电池板转动所需要的时间。系统的跟踪过程为：每隔4.5分钟计算出高度角差值，除以半步步距角0.9°，得到所需脉冲数，由于脉冲只能是整数，所以对所得数据进行四舍五入处理，将得到的脉冲数发送使步进电机带动电池板转动。
跟踪的最大误差是 9.14°，平均误差是3.96°。通过实验发现，步进电机在没有采用细分驱动时震动和噪声比较大，每一个脉冲的旋转角度误差是比较大的，由于仿真中是假定此时一个脉冲使步进电机旋转0.9°，所以实际的要比理想化的跟踪误差要偏大。
不考虑反馈，出现累积误差，配上传感器电路作为反馈修正，可消除部分累积误差，但是步进电机的最小旋转角度是0.9°，对于诸如1.3°，2.4°这样的离0.9°的整数倍较远的角度偏差改良效果不佳，所以用光电传感器电路进行反馈时对跟踪精度的改良效果也十分有限。
此时电池板的等待间隔时间至少是4.5分钟，在这段时间内电池板的角度是不变的，但是太阳高度角是一直在变化的，所以等待时间越长，则电池板采集太阳能的效率就会越低。
3.2 自动跟踪采用细分驱动
间隔1.5分钟，采用32细分高度角跟踪图如图8所示，其跟踪过程与图7类似。采用32细分驱动，0.0563°/步，间隔时间缩短，跟踪的最大误差是1.25°，平均误差是0.9°。由图8可知，跟踪误差比不采用细分驱动时明显减小，精度提高，细分驱动后步进电机运行稳定，每个步进精度接近于0.0563°，采用传感器电路进行反馈补偿后可进一步提高跟踪精度，此时的补偿效果优于一般驱动。
间隔1.5分钟，64细分高度角跟踪图如图9所示，其跟踪过程与图7类似。跟踪的最大误差是0.4°，平均误差是0.16°。64细分驱动后精度比32细分进一步提高，并且64细分驱动时还可进一步缩短间隔时间。对于一般的实际应用来说，64细分，间隔1.5分钟，再配以光电传感电路进行角度反馈补偿是完全能满足太阳能自动跟系统的精度要求。
基于缩短等待间隔时间，传感器对小角度补偿时误差减小和步进电机运行稳定三方面来考虑，太阳能自动跟踪系统中步进电机驱动应采用细分驱动，这样可以大幅提高跟踪精度，充分利用太阳能资源。
4 结束语
文中设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统，系统为双轴跟踪，能自动检测昼夜和判断天气状况。自动跟系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪，晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正，减小跟踪误差。深入地分析比较系统中步进电机驱动采用一般驱动与细分驱动对跟踪精度的影响，得出结论，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。
参考文献
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作者简介
高磊(1985-)，男，硕士，从事自动化研究。
谢玲玲(1980-)，女，博士，从事DC-DC开关变换器的建模与控制研究。
双直线电机同步驱动技术的研究 篇4
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
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双电机驱动系统 篇5
目前, 我国30°以上的大倾角带式输送机很少, 煤矿井下38°~39°的带式输送机还未见成功应用报道, 为此平煤股份 (平顶山天安煤业股份有限公司) 先锋矿为了解决坡度大部分在37°左右, 局部达到39°的井巷胶带运输问题, 研制了超大倾角 (39°) 胶带输送机。为了防止该输送机启动、停止以及运行时的物料下滑或滚动、启动和停车时产生的动张力对设备的机械损伤, 减少负载较轻或无负载时电能消耗, 建立了超大倾角 (39°) 胶带输送机的控制算法。
1 胶带输送机概况
平煤股份先锋矿的胶带输送机整体布置如图1所示。输送能力为150 t/h, 总长度为330 m, 带速为2 m/s;安装运行倾角最大39°。胶带采用自行设计的两边带平条的人字花纹不等间隔布置的凹型花纹钢丝绳芯输送带。驱动单元配置双滚筒双电机驱动, 电机功率配置为2×132 k W。
相关试验结果表明:超大倾角 (39°) 胶带输送机运行的可靠性及稳定性受输送机的启动加速度、制动减速度、带速等因素影响较大。当花纹带式输送机倾角为39°时, 带速为2.0~2.5 m/s, 加速度≤0.25 m/s2时, 运行条件最好;当带速为2.5 m/s、加速度为0.3 m/s2时, 输送机在各种工况 (满载运行、满载停车及启动) 下运行相对比较平稳, 虽然表面有块煤滚动现象发生, 但不严重;当带速为2.9m/s时, 表面块煤滚动现象加剧。满载时, 过大的启动加速度、制动减速度 (加速度≥0.3 m/s2时) , 会引起物料下滑或滚动。由此可见, 合理控制超大倾角 (39°) 胶带输送机的启动加速度、制动减速度和胶带速度显得尤为重要。
2 控制总体方案
由于采用了两边带平条的人字花纹不等间隔布置的凹形花纹钢丝绳芯输送带, 为了解决比压问题, 确定采用双滚筒驱动模式。为了实现对超大倾角 (39°) 胶带输送机的启动加速度、制动减速度和带速的控制, 采用变频控制2个驱动电动机。变频调速装置选用ZJT-250/660矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置, 变频器为BP系列矿用交流变频器 (简称“变频器”) 。该变频调速装置适用于交流50 Hz、额定电压1 140 V或660 V的异步电动机重负荷软启动、软停车、运行过程控制, 其启动和停车曲线为S形曲线和非线性2种, 具有启动电流小、启动速度平稳、运行性能可靠、对电网冲击小等优点, 启动曲线可根据现场实际工况进行调整, 从而减少启动时对设备的动张力。该变频器具有在线控制功能, 可根据电机的负荷变化, 调整电机工作电源电压和频率, 从而达到所需转矩, 并能提高电机的功率因数, 具有明显的节能效应, 可实现经济运行。
双电机驱动的超大倾角 (39°) 胶带输送机控制总体方案如图2所示[2]。该系统主要由速度控制器、速度补偿控制器、变频器等组成。速度控制器的作用是实现胶带输送机的速度控制, 其输出为2台变频器运行频率fe的设定值。
速度补偿控制器的作用是为了实现双电机运行功率平衡, 其工作原理为:当输送机在启动与停止过程, 速度补偿控制器退出运行;当启动完成且出现两台变频器的电流不相等时, 速度补偿控制器根据两台电机的运行电流的差值大小, 对各台电机的给定频率进行修正, 进而改变施加在各电机中旋转磁场, 使其变频器的输出电流发生变化并接近相等。
3 运行速度控制策略
3.1 启动和停车速度
降低启动时的启动电流, 减小对电网冲击;降低启动和停车时对设备的动张力, 减少对设备的机械损伤;减小启动和停车时的加速度, 避免启动时物料下滑或滚动。输送机的启动和停车速度曲线采用如图3所示的S形速度图[3], 加速度在0.1~0.3 m/s2确定, 启动时间控制在60~200 s, 根据现场设定。图3中左侧为启动曲线 (0—t3) , 右侧为停车曲线 (t4—t7) 。其中0—t3为加速阶段;t3—t4为等速运行段;t4—t7为减速阶段;t4—t5为初减速度段;t5—t6为恒减速度段;t6—t7为终减速度段。
启动段:
式 (1) —式 (3) 中, am1为启动加速段最大加速度;A1为0—t1段加速度的变化率;A2为t2—t3段加速度的变化率。
匀速段:
停车段:
式 (5) —式 (7) 中, am2为制动减速段最大减速度;S (t) 为恒 (匀) 减速度段行程值。
式 (8) 中, A4为该段减速度的变化率。
3.2 速度控制策略
为了节能, 利用变频器将带速控制在2.5 m/s以内。另外, 由于煤矿的特殊生产条件, 煤的产量是极不均匀的, 当然胶带输送机的运煤量也是不均匀的, 在负载较轻或无负载时, 胶带输送机的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重, 同时电能消耗也较低速运行大得多, 但因生产的需要胶带输送机又不能停车。为此, 控制系统根据前级系统 (破碎机) 的输出载荷大小, 通过调整变频器的输出电压的频率, 实现输送机的抑后降速或提前升速, 此方案可大大节约电能, 同时降低胶带输送机的设备、电能损耗, 延长整机的使用寿命[4,5,6]。
为了防止带速频繁变化, 该系统设置了4个不同的速度挡位, 分别为0.2, 1.2, 1.8, 2.5 m/s。检修时 (空载) 使用0.2 m/s速度, 轻负载状态下使用1.2 m/s速度, 较轻负载状态下使用1.8 m/s速度, 重负荷 (额定负荷) 状态下2.5 m/s速度可以满足要求。4个不同挡位的速度可以通过手动和自动实现调整。
由于胶带输送机的运行速度受到胶带上运料的影响, 系统存在着时变、非线性等现象, 采用传统单一参数PID控制器难以达到满意的效果, 为此该系统采用变参数PID控制器。该控制器采用增量式PID运算、位置式输出, 其公式见式 (9) 、式 (10) 。
式 (9) 和式 (10) 中, u (n) 为第n次控制器 (调节器) 的输出;u (n-1) 为第n-1次控制器 (调节器) 的输出;e (n) 为设定值与被控量的第n次偏差, 即e (n) =r (n) -c (n) ;ec (n) =e (n) -e (n-1) ;Kp为控制器的比例放大系数;Δu (n) 为控制器的积分时间;Kd为控制器的微分时间。
Kp、Kd和Ki的修正原则为:根据e (t) 和ec (k) 的大小, 通过查表1得到Kp、Kd和Ki值。Kp的取值范围在[3.215, 0.785];Ki的取值范围在[0.013, 0.006 4], Kd的取值范围在[-0.78, 7.50]。
4 双电机功率平衡控制
采用双电机双滚筒驱动后, 由于2个驱动滚筒的布置形式、安装位置、运输带弹性变化、制造与安装误差、电机的转差率不同, 以及负载变化及各驱动滚筒输送带受力大小不同等原因, 会造成2个电动机驱动功率不一致, 即出现功率失衡;若偏载严重, 可能会导致烧坏电动机等其他事故发生。因此, 采用两电动机驱动时, 需要解决各电动机的运行功率平衡问题。为了简化问题, 在软启动和软停车过程中不考虑功率平衡, 待启动完毕进入工况时, 再投入功率平衡。
由三相异步电动机的运行功率知, 各电动机的供电电压和功率因数基本相等, 所以电动机的功率P正比于电流I, 对各电机的功率调节可以通过调节电流来实现。因此, 系统采用的控制方案为:通过调节各个变频器输出的驱动电机的电流差值的大小来调整施加在各电机中的旋转磁场, 使各电机电流值逐步趋于平衡。这便形成了一个动态的功率平衡系统。
速度补偿控制器控制算法为:
(1) 计算2个变频器的输出电流平均值, 即:
(2) 当时, 相应电动机i的频率不变, i=1, 2。
当, 通过速度补偿器不断降低电动机i的频率。
当时, 通过速度补偿器不断升高电动机i的频率。
(3) 速度补偿器采用PI控制器算法, 即:
5 结论
针对平煤股份先锋矿的超大倾角 (39°) 胶带输送机的结构特点和控制要求, 建立了超大倾角 (39°) 胶带输送机的控制算法。在该矿的应用表明, 上述控制策略完全能够满足超大倾角胶带输送机的运行要求, 提高了设备的可靠性, 保证了设备与操作人员的安全。
(1) 建立了S形胶带输送机的启动和停车速度曲线图, 有效降低了启动时的启动电流对电网的冲击, 以及启动和停车时机械动张力对设备的机械损伤, 避免了启动时物料下滑或滚动。延长了胶带输送机使用寿命, 保证了设备与操作人员的安全。
(2) 控制系统根据前级系统 (破碎机) 的输出载荷大小, 采用4个不同挡位的速度进行控制。通过调整变频器的输出电压的频率, 实现胶带机的抑后降速或提前升速, 大大节约电能。采用变参数PID控制器, 其速度与电机功率平衡控制误差均不超过±2%, 控制精度高。
(3) 建立基于速度补偿的双电机功率平衡控制算法, 其电流的控制误差不超过±2%, 保证了2台电机的运行功率基本平衡, 防止电动机烧毁事故的发生。
摘要：根据平煤股份先锋矿超大倾角 (39°) 胶带输送机的结构特点和控制要求, 建立了双电机驱动的超大倾角胶带输送机的控制算法。侧重介绍了超大倾角胶带输送机控制总体方案、胶带输送机的启动和停车速度图、变参数PID的速度控制器、基于速度补偿的双电机功率平衡控制算法等。应用表明, 该控制算法完全能够满足超大倾角胶带输送机的运行要求, 其速度和电机电流的控制误差均不超过±2%, 提高了设备的可靠性, 保证了设备与操作人员的安全。
关键词：超大倾角,胶带输送机,双电机驱动,启动和停车速度图,功率平衡控制算法
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双电机驱动系统 篇6
关键词：试验台,对转双转子电机,驱动防滑,硬件在环
0 引言
对转双转子电机是一种新型电动车驱动用电机。该电机所采用的驱动形式克服了传统电传动系统中,动力经主减速器、差速器、半轴,然后传到驱动车轮所造成的传输路径过长的问题,减少了传动引起的能量损失,同时它也可改善轮毂电动驱动[1]控制器多、成本高,以及较小的簧载质量引起的平顺性下降的不足,是一种结构简单、体积轻巧、控制简便,且集驱动、差速、制动能量再生、驱动防滑等功能于一体的电驱动形式[2,3]。
在双转子电机应用方面,日本横滨大学率先开展了双转子电机驱动特性等的基础性研究[4],但一些重要测试结果未见报道。目前,国内也逐步开展了这方面的研究。华南理工大学等对电机运行、控制等方面进行了理论方面的研究,探讨了双转子电机应用于电动车辆时的某些动力特性和控制策略[5,6,7]。为把双转子电机尽快地运用到电动车产品中,满足电动车对于电驱动系统更高的要求,本研究在之前理论分析的基础上搭建了双转子电机专用测试平台,启动了双转子电机的试验研究,为驱动系统装车奠定了基础。
1 双转子电机HIL仿真平台的搭建
1.1硬件在环试验台构成
对转双转子电机硬件在环(HIL)试验台采用节能四象限电回馈封闭式试验台。试验台驱动由一台对转双转子电机及相应的减速装置完成,负载采用两台伺服系统及相应的扭矩、转速传感器组成,试验台的总体构成如图1、图2所示。其中,试验用双转子电机为具有能量再生回馈功能且控制精准的永磁同步双转子电机,考虑到成本等因素,电机采用风冷散热结构。双转子电机主要由内转子、外转子和机壳等组成[2]。
1.2试验台仿真控制原理
由于试验台需要完成驱动防滑等精度高、响应迅速的试验项目,所以试验台控制和数据采集系统使用dSPACE多处理器模块化HIL实时仿真计算系统。在仿真试验时,扭矩仪将对转双转子电机两侧动态负载实时发送到dSPACE中,通过计算随即可得到模拟的两侧车轮实时滑转率情况[5,6,7,8]。数据记录、显示和对dSPACE的控制由计算机完成,控制参数的设定则在ControlDesk中进行。图3为HIL试验仿真流程图,图4所示为ControlDesk控制系统界面。
如图3所示,HIL仿真试验可以构成一个闭环的双转子电机驱动防滑测试试验台,由驾驶员油门踏板(电位器)给定一个双转子电机驱动转矩要求,双转子电机控制器根据这个要求驱动双转子电机输出一定的转矩。通过调节驾驶员油门与负载电机转矩可以对双转子电机进行加减速控制。在驱动防滑仿真控制时,可以同时或者只调节单侧的负载电机以模拟路面的附着状态变化。轮速跟踪控制器按照文献[8]提出的控制原则根据两侧负载的转速变化率的和的变化情况计算一个修正转矩对双转子电机进行转矩抑制。在此模型中,从信号的采集到两侧负载转速变化率的计算以及到控制器计算负反馈转矩的大小都是在dSPACE中完成的。
2 试验结果与分析
本HIL仿真测试平台主要完成了两项测试任务:①双转子电机驱动特性验证;②基于轮速跟踪控制的双转子电机驱动防滑控制策略研究。
2.1驱动特性验证
首先利用试验平台对双转子电机进行效率测试,考虑到试验平台设计要求,本次试验仅就双转子电机输出功率在10kW以内数据进行测试。试验结果如图5所示,对转双转子电机在低负荷区域效率偏低,在载荷逐步增大接近额定功率时,电机效率也逐步提高。当电机工作在8kW以上区间时,其效率超过80%。
其次,模拟双转子电驱动桥差速加速驱动试验,模拟步骤如下:将对转双转子电机加速至70%负荷附近并调节双转子电机两侧负载的平衡,在第10s时刻调整左右两侧负载使其不平衡,4s后对负载进行反向操作,使得左右侧负载值对换,再过4s后调整两侧负载使其同时恢复到初始值,负载变化如图6所示。近似正弦波地调节负载的目的是为了模拟电驱动桥在转向过程中两侧驱动轮受到的地面阻力的变化情况。图7所示为两侧转差率(即右侧转速与左侧转速之差与右侧转速的比值)变化曲线,可见转差率峰值达到了12.6%,并位于左右侧转矩值交叉点附近。
双转子电驱动桥左右侧输出转速结果如图8所示,试验数据显示,在转动惯量差异率(两侧转动惯量差值与单侧转动惯量的比)小于5%的情况下,两侧转子的驱动差异性非常小。在整个试验阶段,左右侧转速输出能够较好地跟随控制指令,当有意调整两侧负载值并使其数值交替起伏时,双转子电机两侧输出相应地出现了转速差,且当负载数值恢复至初始值后,两侧输出的转矩恢复一致,转速差也随即消失。
2.2驱动防滑控制策略验证研究
模拟电驱动桥轮速跟踪控制试验,试验过程为:给定双转子电机两侧等大的负载,启动电机加速,在加速至20s时刻电机两侧负载同时减小,在10s后又恢复到初始水平。dSPACE采集双转子电机两侧转速信号并进行微分计算,在选定的两种K值下输出修正电机控制信号,以抑制双转子电机转矩输出,其中K值的选择参见文献[8]。图9所示为电动驱动桥的负载给定情况,图10为电机给定的输出转矩和实际轮速跟踪控制修正后转矩比较图,图11为无转矩控制和有轮速跟踪控制下的输出转速比较图。
通过比较可以看出,采用轮速跟踪控制方式可以有效地抑制转速非正常快速增大,从而提高了车辆的驱动防滑能力。轮速跟踪控制方式不需要知道汽车和车轮的实际平移速度就可以对汽车进行驱动防滑控制,是一种非常适用于电动车辆的防滑控制策略。
3 结论
(1)设计的对转双转子电机具有和差速器同样的差速驱动功能。在等转矩控制下,双转子电机内外转子的转速此消彼长,且保持了两侧输出转矩的平衡,其差速作用与传统的车用开式差速器相同。
(2)通过调整负载电机转矩来模拟道路附着状况的改变,设计了通过骤减负载模拟车辆驶经低附着系数路面的打滑试验,所设计的轮速跟踪控制器有效降低了双转子电机转矩的输出,在一定程度上抑制了滑转率的突然升高,控制效果明显。
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双电机驱动系统 篇7
关键词：天文望远镜,齿轮传动,双电机消隙,偏置力矩
0 引言
望远镜方位传动机构带有齿轮减速装置时,不可避免的存在齿隙,如果没有消隙装置,会严重影响望远镜指向和跟踪精度。通常采用机械消隙和伺服控制结合的方法,减小或者消除齿隙的影响。机械消隙方法采用多电机驱动[1],每两个对称布置的电机为一组,通过施加偏置力矩,使一个电机成为另一个电机的负载,保证小齿轮和大齿轮齿面始终啮合。
以双电机驱动为例,定义偏置力矩为两电机施加的力矩差。常采用的偏置力矩施加形式有两种,第一种偏置力矩施加形式如图1(a):图中实线表示电机施加的力矩值,当驱动力矩要求值小于偏置力矩时,两电机异向驱动,反向驱动的电机相当于主动电机的负载;当驱动力矩要求值增加至与偏置力矩产生的驱动力相等时,随动电机力矩减小到零;当驱动力矩要求值大于偏置力矩值产生的驱动力时,原随动电机转变为主动电机,两电机同向驱动。这种偏置力矩施加技术在带减速箱的摩擦轮传动望远镜BWG[2]上得到了成功的应用。第二种偏置力矩施加形式如图1(b):无论总的需求力矩值如何变化,两电机一直保持异向驱动,并且每个电机施加的力矩方向固定不变。这种偏置力矩施加技术广泛的应用于齿轮传动望远镜如VST[3]、TWG[4]、SST[5]等。
目前,对多电机驱动消隙的研究多局限于工程意义,其中偏置力矩的调整技术有待于深入的研究[6]。国内针对多电机消隙的伺服控制策略进行了研究,提出了许多有益的控制方法[7,8],但缺少对偏置力矩的调整策略的系统研究;国外针对含减速箱的摩擦轮传动式望远镜的偏置力矩调整策略做了探索[2],通过改变偏置电压曲线控制偏置力矩,改善伺服系统的响应能力。本文从动力学的角度出发,系统的分析齿轮传动式望远镜的偏置力矩施加规律。
1 动力学模型
以双电机、单级直齿轮传动望远镜为研究对象,通过动力学分析,确定偏置力矩施加方案。通过有限元分析,将望远镜方位轴模型简化为四集中质量三弹簧模型,如图2所示,其中方框pinion 1和pinion 2不代表集中质量,仅仅表示位移传动比关系。图中箭头所示代表各位移和力矩的正方向。JL表示远离方位轴承端的转动惯量,JG表示靠近方位轴承端的转动惯量,KP表示传动链刚度,JP为小齿轮与电机及电机轴的转动惯量之和,Tw表示风扰力矩,Tf表示方位轴承摩擦力矩,Tm表示小齿轮上的驱动力矩。望远镜传动机构对称均匀布置,各条传动链的转动惯量参数和阻尼参数相等,即JP1与JP2相等,CP1与CP2相等,但由于KP1、KP2受作用力和小齿轮的转角位移影响,并不相等。
根据拉格朗日方程[9],推导动力学方程如下:
式中:K为弹性系数,CL为负载粘滞阻尼系数,Cp为齿轮啮合粘滞阻尼系数,fs(θG,θP)为齿隙非线性模型的位移函数,fv(θG,θP)为齿隙非线性模型的速度函数,KP(Tm,θP)为齿轮啮合刚度关于作用力与齿轮转角的非线性函数,N为齿轮传动比。
1.1 齿隙非线性方程
由于齿隙的存在,齿轮的啮合形变fs(θG,θP)与齿轮传动误差∆θ=NθG–θP的关系如图3所示。
式中:b为齿隙宽度,rp为小齿轮的分度圆半径。
齿轮脱离啮合时,啮合阻尼力为零。齿隙非线性的速度模型函数定义如下:
1.2 齿轮传动链的刚度
齿轮的啮合扭转刚度是啮合转角的非线性函数。在一定啮合力作用下,随着单对齿啮合和双对齿啮合的交替变化,齿轮啮合刚度呈周期性变化。进行齿轮动力学分析时,一般将齿轮啮合刚度近似为方波函数,再采用傅立叶级数展开。本文采用有限元法计算齿轮传动链在一个轮齿转角周期范围内,位于各个啮合转角处的刚度,建立一个啮合周期范围内齿轮刚度的查询表。由于有限元法仅仅计算了一个转角周期内的齿轮系统的刚度,采用以下公式将任意转角位置转换到初始计算的一个转角周期范围内。
式中:θp0为初始啮合转角位置,zP为小齿轮齿数,rem为matlab软件中的求余函数。
斜齿轮刚度同样可以采用以上方法进行计算,其与直齿轮在动力学模型中的差异仅表现在传动链刚度的大小和波动幅值,斜齿轮刚度变化较直齿轮平缓,动力学性能更加稳定。
1.3 风扰模型
风速是一种随机现象,可以看作两部分之和,一个是风的平均速度vm,一个是风的随机速度vr。
随机风速的分布,满足斯密由功率谱密度函数[10]:
式中:v*是风的剪切速度,f是频率,z0表示地表粗糙度,vm(z)是高度z处的平均风速,v(zref)参考高度zref上的风速。
根据功率谱密度函数,求得随机风速的各简谐成分的幅值,累计叠加可以模拟随机风速[11]:
式中:Nf是频域分段数目,∆f是分段频率长度,fk频率段的中心频率值,φk表示第k个谐波分量的初始相位,在[0,2π]空间内服从平均随机分布。
模拟随机变化的风扰力矩:
式中:Tw是风扰力矩,Tw_m是平均风扰力矩。
1.4 电机齿槽力矩
对于一给定电机,齿槽力矩是转子角位移θr的函数。齿槽力矩Td(θr)通过傅里叶级数展开,可以采用其基波函数来近似。假设随着转子转速的改变,齿槽力矩基波幅值A保持不变[12]。
式中:zr为电机转子齿槽数,θr0为电机转子的初始相位角,在本文中θr与θp相等。
式中:Tm_n为不计齿槽力矩时,电机的输出力矩的名义值。
2 偏置力矩的动力学优化方法
不考虑齿轮系统刚度随施加力矩的变化规律,假设其平均刚度一定,仅考虑刚度随啮合位置的周期性变化规律,且齿轮系统的刚度值能保证整机的最低固有频率。整机固有频率足够高时,可忽略总驱动力矩的变化所引起的激励对于望远镜动态性能的影响。基于以上假设,问题简化为电机施加某固定力矩时,系统处于多种激励下,齿轮不脱离啮合。该动力学模型的激励可以归纳为以下四种:包含齿槽力矩的电机输出力矩,齿轮刚度周期性变化,跟踪速度,随机风扰力矩。
偏置力矩Tb为两电机的名义力矩差,则电机输出的名义力矩值满足以下方程:
式中:Tt为负载轴驱动力矩要求值折算到电机轴的驱动力矩值,Tb为偏置力矩。
不考虑齿轮误差及系统摩擦力,当Tt一定时,Tb优化问题可以描述如下。目标函数:最小化Tb。约束条件:Tm_n1,Tm_n2反向,即Tb大于Tt的数值;在任意跟踪速度处,分别施加正反向的风扰力矩,齿轮均不脱离啮合。此一维优化问题,采用区间消除法求解,其数学模型如下:
3 数值计算
动力学模型参数如下:N=12.53,JL=2 000 kg·m2,JG=5 000 kg·m2,JP=1.5 kg·m2,KL=1.2e7 Nm/rad,z0=0.01,z=10 m,b=0.01 mm,CP=5 Nm/(rad/s),CL=20 Nm/(rad/s),vm=15 m/s,Tw_m=80 Nm,A=1 Nm,zr=120,θr0=0 rad。直齿轮参数:zP=19,zG=238,m=6 mm,bw=50 mm,rp=57 mm,xP=0.363,xG=1.15,其中:m为模数,xp,xG为齿轮的变位系数,bw为齿厚。
齿轮传动链的刚度KP1、KP2随啮合角度的变化规律如图4(a)、图4(b)所示。两小齿轮与大齿轮反向啮合,KP1由齿根啮合向齿顶啮合变化,KP2则相反。随机风速时程曲线如图4(c)所示。齿轮传动链的刚度和风扰力矩以一维查询表的形式建立在动力学的数值求解模型中。
望远镜的最大跟踪速度为8º/s,最大加速度为1º/s2,最大负载轴驱动力矩要求值折算到电机轴驱动力矩要求值为17 Nm。由于偏置力矩是关于电机轴驱动力矩对称的偶函数,只需优化非负的电机轴驱动力矩值下的偏置力矩即可。假设小齿轮的初始啮合位置均在θP0为零处,在某一Tt值下,循环计算在不同速度处,分别施加正反向风扰时的最优偏置力矩,取所有情况下的偏置力矩的最大值为某一Tt值下的最优偏置力矩解。将总力矩要求值按[0,17]进行17等分,望远镜速度[-8~8]进行16等分,分别施加正反向风扰时,计算所得最优偏置力矩如图5。
图5中的两条偏置力矩曲线,均为计算三组不同风扰时程曲线下的偏置力矩后,取平均值所得的结果。采用圆圈标记的,为不计齿槽力矩作用下的偏置力矩;采用正方形标记的为考虑齿槽力矩后得偏置力矩。从不计齿槽力矩的偏置力矩结果可知:Tb与Tt之差Tt的增大而增大,说明随动电机施加的反向力矩随Tt的增大变大。因为当驱动力矩变大时,齿轮传动误差增大导致大齿轮的瞬时加减速度变化加剧,随动电机需要提供较高的加速度以保证随动小齿轮与大齿轮不脱离啮合。考虑齿槽力矩的偏置力矩曲线在Tt为6和7处凸起,因为该处驱动力矩与平均风扰力矩相当,跟踪速度变化缓慢。当跟踪速度为3或4º/s时,齿槽力矩的激励频率为12.5~16.7 Hz之间,与系统二阶固有频率即传动链的谐振频率14.4 Hz十分接近,引发了一定程度的共振,所以偏置力矩有所增加。
4 传动链参数对偏置力矩的影响
传动链参数的变化会引起动力学特性的改变。在Tt为0的情况下,分别分析阻尼系数CP,转动惯量JP,传动链扭转刚度KP这三项传动链参数单独变化时,最优偏置力矩的变化规律。
图6所示,偏置力矩随传动链阻尼系数CP的增大而逐渐减小,并且趋于缓和。偏置力矩随传动链刚度的增大逐渐减小,并趋于缓和,图中横坐标表示的传动链刚度的平均值。偏置力矩随转动惯量的增加而迅速增大,为了反映偏置力矩随较小转动惯量的变化规律,图中省略了当为6 kg·m2时,偏置力矩达到953.6Nm这一坐标点。
5 总结
采用动力学优化的方法,可获得各驱动力矩要求值下的最优偏置力矩值,且最优偏置力矩随驱动力矩要求值的增大而增加。通过改变某一项齿轮传动链的参数,可以改善传动系统的动力学性能。若需降低偏置力矩,可增加阻尼或者刚度,但增加到一定值之后,偏置力矩减小缓慢;降低传动系统的等效转动惯量,也可减小偏置力矩。在设计传动系统时,尽量降低传动系统的转动惯量,提高传动刚度,适当的增大传动链的阻尼系数。
本文所提供的方法具有极好的扩展性,可以对斜齿轮传动式望远镜进行动力学分析,也可以进一步的结合伺服控制系统及其它非线性因素如摩擦力进行合理的分析。
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