同步带传动（共3篇）
同步带传动 篇1
同步带传动具有传动比恒定、结构紧凑、效率高等特点,广泛应用于汽车、办公设备、纺织机械、精密机床等传动精度高而且要求结构紧凑的传动中。
在同步带传动系统设计中需要许多数学计算,并需要查表和根据区域图选择参数,用手工设计一同步带传动系统工作量会很大。本文是以AutoCAD2004为开发平台,以VBA为开发工具,对同步带传动系统进行了参数化设计与开发,建立了参数表格的数据库。整个设计过程只须输入原始条件,即输入传动的名义功率、主从动轮的转速或传动比、传动装置的用途、工作和安装位置等原始参数,系统会自动计算选择出最优的同步带型,根据实际情况计算出大小带轮的各参数,并能进行校核。最后利用AutoCAD2004注册的命令自动绘制出所需的同步带型图和大小带轮的零件图。
1 同步带传动系统设计的总体规划
同步带传动的设计内容为设计功率的计算、带的节距Pb的选取,带轮齿数的选取、带轮直径d1、d2的计算、带的节线长lp的计算、轴间距a的计算、带宽b的计算和作用在轴上的力校核等。本同步带传动CAD系统包括同步带和同步带轮的类型及基本参数的设计、同步带和同步带轮的条件校核、设计参数实时修改、设计结果实时展现以及参数化绘制同步带和同步带轮的工程图。系统的工作原理图如图1所示。
2 系统设计过程和软件实现方法
系统采取了模块化程序设计方法,将系统分成不同的模块,包括初始化模块、带型选择模块、校核模块和工程图参数化绘制模块等。因为同步带是个流程式的设计过程,程序中每个模块相对独立,可以分别编制程序实现。而各个程序模块之间则通过人机交互界面进行数据交换和传输。这样,既降低了设计开发的复杂度,又便于编程和整个程序的维护和扩充。因此,针对同步带传动应用的广泛性,在同步带传动系统设计过程中,通过软件界面进行同步带传动系统的步骤式设计过程,在每一步骤输入相应的设计参数后,可进行初始值校核,在通过校核后方可进行下一步设计。所有参数校核计算通过后,参数化绘制同步带和带轮的工程图。程序设计流程如图2所示。
3 区域图的处理
在设计中的第三步需要根据设计功率Pd和小带轮转速n1来选择带型。同步带共有7种带型,MXL、XXL、XL、L、H、XH和XXH等,是个离散的量,在机械设计手册中是根据带型区域来选择带型。带型区域图见图3。
在系统设计中根据设计功率Pd和输入值n1(小带轮转速r/min),查A带型区域图,得出用哪种带型。程序设计上用一函数来实现带型的选择SelectDX(ByVal PD As Double,ByVal n1 As Long)。实现的步骤与算法如下:
(1)在AutoCAD中绘制各带型区域,这里用AutoCAD的Polyline来绘制各带型的封闭线框,根据给出的各点,连成一个封闭的区域。
(2)判断Pd和n1构成的x、y坐标是否落在各带型区域的框线上。假设点落在相连的两个区域的共线,这就要做出正确的选择,只能选一个带型。根据设计手册上的推荐,应该选择能负荷更大能量的带型。举一例:假设点落在“L”带型和“H”带型的共线上,程序设计是应选择“H”带型为正确带型。
判断点是否落在各带型区域的框线上,这里用函数(Function PtWithAline(ByVal x As Double,ByVal y As Double,ByVal Line As AcadLine)As Boolean)来实现。假如一个点落在一段线上,它必定与这段线的首末端点的坐标值差成线性关系。图4为判断点是否落在带型区域图的共线上的程序框图。
(3)判断Pd和n1构成的x、y坐标是否落在某带型区域内。实现的算法是:连接输入点和一辅助点作一合理射线,若与某区域相交的点为奇数点,其必在这区域内,若与某区域相交的点为偶数点,其必在这区域之外。图5为判断点是否在带型区域内程序框图。
4 参数化绘制带与带轮工程图
根据设计出的带型,大小带轮的节圆直径、带宽、带轮轮缘等参数,绘制同步带与带轮工程图。AutoCAD命令在VBA程序里不能直接使用的,必须重新定义Auto CAD对象库并正确引用对象。本文在建立图层的基础上,通过定义不同图层的属性,创建了带轮和同步带的工程图,图形可以在指定点插入。视图的坐标基点与主要节点相对位置根据图形特征而定,可根据插入点的位置,整体做个平移。图形绘制通过类对象的声明和引用并指定属性行为和方法,并调用VBA里面的函数自动标注全部尺寸。本系统涉及的源程序非常多,本文仅以部分源程序,说明开发过程中的一些创新和注意事项。
(1)图素的镜像操作
(2)剖面线绘制
带轮和同步带的结构绘制中,带轮剖面图的绘制具有一定难度,没有剖面图,就不能把带轮的结构表达清楚。如果用创建直线的命令来绘制剖面图,效率非常低,这里采用AddHatch方法绘制,十分方便简洁。创建带轮剖面的关键源程序如下:
图6为设计结果输出的截图。设计结果包括选好的带型、大小带轮节圆直径、标准带长、实际轴间距、带宽作用在轴上的力和带轮轮缘参数等。图7为参数化绘制的带型图和小带轮的工程图。
5 结语
此系统的开发是基于AutoCAD平台,应用Visual Basic高级语言二次开发的同步带传动计算机辅助设计系统。该系统能实现同步带传动设计与校核的自动化、带轮和同步带的参数化绘制。本文处理问题的思路以及对大量图表数据的处理方法可以应用到各种基础的机械传动例如链轮传动、V带传动等设计中,可简化计算、提高效率,同时可为基于各种平台的二次开发提供有益的参考。
参考文献
[1]佟士懋.AutoCAD ActiveX/VBA二次开发技术基础及应用实例[M].北京:国防工业出版社,2006.
[2]李长勋.Auto CAD VBA程序开发技术[M].北京:国防工业出版社,2004.
[3]吴宗泽.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004.
[4]彭文生,李志明,黄华梁.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2002.
[5]二代龙震工作室.Auto CAD VBA函数库查询辞典[M].北京:中国铁道出版社,2003.
同步带传动 篇2
多电机同步传动在工业生产中应用非常普遍,随着自动化技术的提高,伺服控制技术的成熟和适用范围的扩大,利用PLC对伺服控制器进行控制,可以满足传动系统的不同要求。Lenze93xx系列伺服控制器具有丰富的接口,使用不同的现场总线模块可实现不同的控制模式。控制器连接旋转变压器(resolver)或编码器(encode)构成闭环误差控制随动系统,作高精度的速度控制或位置控制,其结构简单、动态响应速度快、控制精度高、工作可靠,可实现角度和速度同步(随动跟踪)、收放卷控制等复杂的伺服控制任务,广泛应用于数控机床、纺织印染、造纸、玻璃纤维湿法毡等行业。
2 机组同步传动系统组成
湿法毡机组用于玻璃纤维非织造物(fiberglass nonwovens)系列产品生产,其生产工艺过程类似于传统的造纸工艺,分为湿部和干部,湿部包括上浆、湿毡成型、湿毡浸胶和湿毡预烘干(烘干区前半部);干部包括烘干固化(烘干区的后半部)和卷取。由于生产过程的连续性,要求各传动单元毡材输送线速度同步,湿部毡材必须是零张力,否则湿毡会因受力产生裂痕或被拉断;干部的卷取传动单元不但要参与机组的同步运行,同时还需满足卷取张力控制,这样才能保证卷筒密实平齐,达到满意的卷绕效果。毡机组有5个单元共7台电机参与同步传动运行,图1为机组同步传动系统示意图,图1中烘干网电机M0、浸胶网电机M0-1、 成型网电机M0-2和加筋机电机M0-3为主机传动部分, 其中烘干网为主令单元。为保障设备安全运行,满足生产工艺要求,在烘干网带、浸胶网带和成型网带处分别安装有电动或气动纠偏装置。卷取部分包括牵引辊驱动电机M1和卷绕轴Ⅰ,Ⅱ驱动电机M2和M3。所有同步电机均采用带有旋转变压器SC的Lenze专用变频电动机。为保证分部传动单元速度同步的一致性,在浸胶网与烘干网间,成型网与浸胶网间分别安装有激光测距仪(sag),实测毡环数值变化。卷取部分的速度来自机组主令单元速度且跟随变化,卷取和烘干炉两工序间装一浮动辊装置用于调节毡材同步运行。
机组中各传动单元的负载和驱动辊直径不同,其电机功率及减速机的传动比也各异。主机部分设计最高车速200m/min,卷取机最高车速120m/min,机器运行速度范围12～120m/min;其中车速12～30m/min的范围主要用于每次开机时,将毡从成型网带逐级引导到卷取单元,并使各单元运行协调,属于爬行阶段为速度控制,爬行结束后,车速渐升至产品工艺要求的参数运行即进入运行阶段,这时主机部分仍为速度控制、动态跟随,而卷取部分自动切换为速度+张力控制,进行渐减张力卷绕。
3 主机同步控制策略及实现
主机同步控制系统由监控计算机、PLC、伺服变频器和传感器等组成。监控计算机是1台工业控制PC机,主要功能是对现场参数进行设置,通过Profibus现场总线网络实时获取现场数据。PLC采用S7-315 2DP,作用是面向生产过程,进行现场数据采集和控制,其数据交换通过Profibus总线送到监控计算机。主机中的烘干网、浸胶网和成型网控制器FM0,FM0-1,FM0-2选用Lenze9326高性能伺服变频器,加筋控制器为Lenze9323伺服变频器。控制器配合交流伺服电机、减速器构成的交流伺服驱动系统,反应速度快、精度高、动态响应好,可实现分部传动单元的速度同步随动跟踪。
3.1 CAN总线同步控制的实现
分部传动的控制原理是保持速度级联、高速传输和动态跟踪。主机4台控制器通过集成的CAN总线串联组成一个小型现场总线控制系统如图2所示。
总线传输介质为双绞线,负载连接在CAN-HI和CAN-LO之间,在串联CAN网络的第一个和最后一个控制器上分别接120Ω终端电阻,该阻值等于信号线的特性阻抗值,如果阻抗不匹配,有可能降低数据的有效传输。
CAN总线控制系统中烘干网控制器FM0为主令单元(Master),机组的运行速度由主令单元决定和调整,其余单元为从动单元(Slave),主令单元的速度通过集成的CAN总线网络依次传送给从动单元控制器FM0-1,FM0-2和FM0-3。为实现4个分部传动单元的速度传递,通过操作模块9371BB或运行GDC软件对CAN总线网络中的每个控制器需进行必要设置。包括设置控制器的CAN地址:C350/000;控制器网络的“主(Master)”“从(Slave)”运行方式C0352/000,当C0352/000=1为Master, C0352/000=0为Slave;事件触发的循环过程数据信道CAN-IN2的地址:C0354/003及CAN-OUT2的地址:C0354/004。主机传动控制器网络配置见表1。
从表1中可知,控制器分配网络地址为连续上升的地址号,一旦数据对象触发,控制器就可以通信并且能够通过GDC软件访问所有Lenze控制器参数,控制器间的数据交换无需上位机参与。网络事件触发的循环过程数据通道CAN-IN2和CAN-OUT2是Lenze9326控制器的功能块,用于控制器之间的数据交换,一个控制器的CAN-IN2在一定条件下可以接收来自另一控制器CAN-OUT2发出的数据,收发均可为8个字节数据,其中1,2,3,4字节可用于32位二进制信号或2个准模拟信号或1个32位双字相位信号。该网络使用CAN-IN2.W1和CAN-OUT2.W1传输模拟信号。生产中操作员根据生产工艺要求,通过PC机组态界面设定主令单元的速度(4～20mA),该信号由PLC的模拟输出端送至烘干网控制器FM0的X6/1,2端子,烘干炉控制器的CAN-IN2.W1接收速度指令。要实现网络数据的顺序传输,必须满足发送控制器的CAN-OUT2地址和标识(Id)与接收控制器的CAN-IN2地址和标识(Id)相同,同时满足数据传输附加条件。4台控制器数据传输方式如下:
CAN-OUT2.W1(FM0)→CAN-IN2.W1(FM0-1)
CAN-OUT2.W1(FM0-1)→CAN-IN2.W1(FM0-2)
CAN-OUT2.W1(FM0-2)→CAN-IN2.W1(FM0-3)
控制网络是基于CANopen总线协议,波特率为1Mbit/s时,最长达25m;波特率降低可长至1km ,数据输送可靠。 值得注意的是:当CAN总线网络中的某一控制器断电时,烘干网带控制器必须断电后再次送电,否则通信不能完成。
3.2 成型网、浸胶网同步分析及调整
Lenze伺服控制器集成CAN总线网络控制模式,实现了分部传动同步变频调速,所有网带几乎同一速度运行。然而因事件触发数据传输有20ms延迟,当主令单元FM0加减速时,会引起网带间的湿毡拉伸或松弛,出现毡面皱折、裂痕,甚至造成毡材断裂或者松垮,无法满足生产工艺的要求,保证产品质量。为防止湿毡不因主令单元加减速引起撕裂或堆积现象,在浸胶网带与烘干网带之间,成型网带与浸胶网带之间的毡材须留有一定的毡环,供速度同步跟踪调节用。并在浸胶网带和烘干炉网带间装有激光测距仪sag1,成型网带与浸胶网带间装有激光距离测距仪sag2,对网带间的毡环进行扫描,以实现从动单元的动态跟随。激光测距仪sag选用 OptoNCDT1400集成一体化产品,基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离,测量范围:200～2000mm,输出为4～20mA信号。激光测距仪sag1和sag2的扫描输出信号分别送给浸胶控制器FM0-1和成型控制器FM0-2的模拟量输入端X6/1,2,作为伺服控制器的速度辅助给定,辅助给定信号和CAN总线传输的主给定信号叠加(见图2),控制从动单元跟随主令单元。当毡环位置改变时,及时调节浸胶网和斜长网成型机的速度,确保浸胶网、成型网与烘干网速度的准确同步。图3为激光测距闭环控制原理图。
毡环调整是生产过程中的一个重要环节,毡环不稳会引起毡面皱折,需要对控制器参数进行必要的调整, sag1不稳时,调整浸胶网控制器
FM0-1的参数; sag2不稳时,调整成型网控制器FM0-2的参数。网带间的速度修正通过调整控制器代码FCODE 472/10的值来实现。网带间毡环的垂直距离调整通过修改代码FCODE 472/1的值来完成,调整时,在网带间放置一片薄毡,通过PC机的GDC软件查看功能块AIN1-OUT(FCODE 0400)的值,并将该值写入代码FCODE 472/1中,当薄毡毡环位置正确时,功能块ADD1(ADD1-OUT)输出值为零。功能块CONV2= C0945/C0946可以调节毡环(Δlevel)和速度(Δspeed)间的关系,改变level,则从动单元速度就会改变;当C0945/C0946的值大时,控制速度也就高。例如:当成型网带与浸胶网带间的level比标准高2%,那么,在同一时刻,成型网带的速度要比正常高2%,因此成型网带输送的薄毡相对就快,毡环sag 2就下降。通过对控制器参数合理地调整可以实现分部传动系统达到最佳的同步运行效果。浸胶和成型控制器功能块信号流程图中有1个软件电位器功能块(MPOT),它是一种模拟电动机电位器,引毡时毡环控制sag1和sag2不起作用,成型网与浸胶网处于速度开环控制,操作员手动调节OP面板毡环控制旋钮,寻找满足工艺要求的开环运行同步点,并将sag1和sag2的毡环值分别写入浸胶网与成型网控制器代码FCODE 472/1中,当毡环位置适中后功能块ADD1-OUT1输出的信号近似为零。这时,按下面板OP上的“网带闭环控制”按钮,浸胶网带和成型网带驱动就进入速度闭环控制状态。
3.3 加筋变频器参数调整
加筋装置只有在生产加筋产品时才投入同步运行。加筋纱经张力器穿入导纱管,在网前箱浆料湍流的作用下与浆料在斜长网成型机成型为加筋毡并输送至浸胶网。根据生产工艺要求为防止筋纱受力跳出毡面,加筋电机的速度应略高于成型网带的速度。图4为加筋变频器信号流程图。图4中速度设定调节功能块NSET 用于电机的速度控制,其中NSET-N为主速度设定值,NSET-NADD 为附加速度设定值,NSET-NOUT为速度输出。
加筋纱变频器FM0-3的速度信号CAN-IN2.W1来自成型变频器FM0-2的CAN-OUT2.W1的输出,此信号中包含有成型网变频器的速度主给定信号 +附加给定信号(毡环控制sag2信号)。为保证筋纱平直的镶嵌于湿毡之中,需要调整变频器FM0-3的速度偏移量FCODE 472/1、速度系数FCODE 472/2或附加速度FCODE 472/10的值以获得良好的加筋效果。
4 卷取同步控制的实现
卷取是湿法毡机组的最后一道工序,卷取单元中的牵引辊变频器FM1,卷取辊Ⅰ,Ⅱ变频器FM2,FM3均为Lenze9326伺服控制器。3台控制器的代码C0005=Common为修改的基本配置模式,使用旋转变压器反馈,旋转变压器信号可由数字频率输出端X10向从机输出。图5为卷取同步传动控制原理图,图5中卷取传动的速度信号来自于主机PLC 的模拟输出端口,信号大小与机组主令单元烘干网控制器FM0的速度相同,为4～20mA的电流模拟量。为了提高主令单元速度信号的抗干扰能力,该信号经过I/U变换,将4～20mA电流信号变换为0～10V的标准电压信号,然后送到牵引辊控制器FM1的模拟量输入端子X6/1 ,2,作为牵引辊电机的速度主给定。为保证毡材在卷取和烘干炉两道工序之间速度同步协调、及时跟随,两道工序之间装有一个浮动辊松紧架机构,自动保持相邻单元的速度一致。浮动辊的位置决定牵引辊的速度,如图1所示v1>v2,浮动辊下降,表明牵引辊速度慢,控制系统就会增大牵引辊速度使浮动辊位于中位;如v1<v2,浮动辊上升表明牵引辊速度快,控制系统就会降低牵引辊速度使浮动辊位于中位;v1=v2,浮动辊位置不变。正常生产中浮动辊只在中位附近一个很微小的范围内上下浮动(浮动量为25%)。当浮动辊上下移动时,将通过连杆使电位器旋转,改变电位器RP的滑动位置,在RP的滑动点上可获得与前后两单元的毡速差成正比的同步调节电信号,这里电位器RP选用无触点式电位器。电位器RP检测到的位置信号送至控制器FM1的模拟量输入端X6/3,4,作为速度辅助给定,并与主给定信号一同送入过程控制器(PCTRL1)进行PID运算,输出信号控制牵引辊电机运行。
牵引辊速度信号由牵引辊控制器FM1数字频率输出端口X10,经数频耦合不加修改地送入卷取辊Ⅰ控制器的数字频率输入端口X9,作为该控制器Ⅰ的速度主给定,同样卷取辊Ⅰ控制器的数频输出端口X10将同步速度信号,经数频耦合不加修改地送入卷取辊Ⅱ控制器的数字频率输入端口X9,作为该控制器Ⅱ的速度主给定。牵引辊控制器为转矩限幅的速度控制模式,牵引辊采用S型砂纸辊其作用是对烘干炉中的毡材施加牵引力,同时阻断卷取和烘干炉前后工序间毡材的牵拉作用,确保毡材从烘干网安全平稳源源不断地输送至卷取单元。卷取辊Ⅰ,Ⅱ伺服控制器FM2,FM3为速度限幅的转矩控制模式,运转速度来自牵引辊控制器FM1的X9端,张力辊检测到的实际张力经过F/U变换和放大器CV2003放大后,分别送至卷取辊伺服控制器FM2,FM3的模拟量辅助输入端口X6/3,4,实现张力闭环控制,通常卷绕部分的速度要稍高于机组速度,以满足卷绕张力控制要求。
5 结论
系统采用Lenze93xx系列伺服控制器集成CAN总线网络+毡环激光测距仪同步控制模式,数据传输速度快,可靠性高,抗干扰能力强,保证了主机4个传动单元同步恒速平稳运行,通过对控制器的参数调整实现了良好的动态自动跟随。卷取3个传动单元控制器采用数字频率输入X9/数字频率输出X10的接线方式,配合松紧架调节和张力闭环控制,较好地协调了卷取单元与主机部分速度同步,满足了卷取系统对张力的控制要求。生产实践表明:系统运行可靠、同步跟踪精度高、调速平稳、调整方便,完全满足湿法毡生产要求。
参考文献
[1]Profibus-DP总线在Lenze变频、伺服产品中的应用[Z].Version 1.01.2002.9.
[2]Lenze Operating Instructions 9300Servo Inverters[Z].Printedin Germmany by Lenze 04/1998.
[3]Lenze Manual Part K Application Examples 9300Servo In-verters[Z].Printed in Germmany by Lenze,11/1997.
[4]Lenze Manual Part D1.1Configuration 9300Servo Invert-ers[Z].Printed in Germmany by Lenze,11/1997.
[5]Lenze Manual Part H Automation 9300Planning[Z].Prin-ted in Germmany by Lenze,12/1997.
[6]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].第3版.北京:机械工业出版社,2005.
[7]丁学文.印染设备无松紧架无张力传感器多电机同步调速系统[J].纺织机械,2002(4):21-23.
同步带传动 篇3
随着现代科技的发展,在许多工业场合提出了对大功率拖动系统的需求,而单电机的功率受制造等原因限制不能做得过大,因此在电气控制中,经常遇到两台电机同时驱动一台设备的情况。从驱动电机之间的连接关系来看一般可以分为3类:第1类是各电机之间相互独立,电机之间不存在物理连接;第2类是各电机间存在柔性的物理连接,像皮带等,各电机的工作状态有相互影响;第3类是两台电机之间硬轴连接,转速严格一致。目前已有一些专家学者对双电机和多电机的同步传动方法进行了一定的研究和总结。提出了基于同一给定电压的串、并联方法、基于补偿原理的控制方法[1,2](差电流负反馈法和差速负反馈法等)和基于现代控制理论的控制方法[3,4]等。两台电机由于制造的原因,参数不可能完全相等。后两种方法较好地解决了前一种方法中因存在的启动速度滞后和偏差问题,且抗干扰性较强。以上一些方法主要针对前两种同步传动方案,且主要针对速度同步问题。但是在双电机同步传动中,每台载荷分配是否合理,电机输出功率是否均衡是必须要考虑的问题。如果两台电机间的功率分配没有很好地得到解决,可能出现在拖动过程中一台过热而另一台却负载不足,而导致烧坏电机的情况发生。
本文提出了一种新的追求功率平衡的双电机同步传动控制方法,以双电机刚性联接为平台,两电机转速严格一致。对两台电机分别进行单独控制,分别采用矢量控制和直接转矩控制算法[5,6,7,8,9]。提出了双电机共同驱动同一负载控制的Matlab模型搭建方法,在高速运行和低速运行情况下进行了仿真,结果验证了本算法的正确性与可行性。
2 双电机同步控制思想
由于矢量控制和直接转矩控制对电动机参数具有依赖性,经常在低速运行,以及无速度传感器控制下调速范围较宽时,需要对电动机进行参数辨识,需要准确的电动机参数实现控制。因此矢量控制和直接转矩控制不能够同时驱动多台电机。本文中对两台电机分别进行控制。基于矢量控制转矩脉动小,稳态转速精度高,直接转矩控制动态特性好,跟随性强的特点,在基于刚性连接的双电机同步控制中,主电机用矢量控制,控制电机的转速。为保证两电机同时做功,输出功率平衡,由式P=T×W可知,只要从电机跟踪主电机的转矩,即可让从电机输出功率跟主电机保持一致,从而防止单电机做功而致使电动机烧坏现象。从电机用直接转矩控制,检测出主电机的转矩,作为从电机的转矩指令给定信号与从电机转矩比较,从而输出控制信号。系统装置框图如图1所示。
3 主电机控制
主电机采用无速度传感器矢量控制。转子磁场定向的矢量控制通过将电机的电流、电压等效变换到转子磁场定向的同步坐标系上,实现电机的转矩和磁通的解耦控制,从而实现快速的转矩响应及高效的运行。规定d-q坐标系的d轴即是沿着转子磁链Ψr的方向,可得到异步电机基本方程式如下:
式中:Tr为转子时间常数,Tr=Lr/Rr。
转矩方程为
式(3)表明,转子磁链Ψr仅由id产生,与isq无关,isd称为定子电流励磁分量,Ψr与isd之间的传递函数是一阶惯性环节,当励磁分量isd突变时,Ψr的变化要受到励磁惯性的阻扰,这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。
式(5)中,isq是定子电流的转矩分量,当isd不变,即Ψr不变时,如果isq发生变化,转矩Te立即随之成正比地变化,没有滞后。因此,d-q坐标系按转子磁场定向后,在定子电流的两个分量之间实现了解耦,Ψr唯一由isd决定,isq只影响转矩,与直流电机中的励磁电流和电枢电流相对应,这样大大简化了多变量强耦合的交流变频调速系统的控制问题。图2是矢量控制核心原理结构图。
速度辨识采用基于状态观测器的MARS方法,原理图如图3所示。
参考模型为电机,状态方程如下:
可调模型为状态观测器,状态方程如下:
其中
式中:G为观测器的反馈增益矩阵。
当只考虑式(7)中的转速误差时,由式(6)、式(7)可以得到误差方程为
其中
式(8)中(A+G)是前馈环节的状态方程系统矩阵,后向非线性反馈构造为
误差矩阵△A可写为
其中ω的估计方法是使误差{e,Δωr}收敛为零。
由下式来估计转子转速:
4 从电机控制
从电机用直接转矩控制,通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值进行滞环的比较,把转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由滞环调节器来控制。在直接转矩控制系统中,参考坐标系是放在定子绕组上的,即通常所说的α-β坐标系。其系统框图见图1中的从电机控制部分。由于两台电机是基于刚性联结,从电机转速跟主电机保持一致,因此从电机系统中不再进行速度闭环,而是直接进行转矩闭环。让主电机的输出转矩作为转矩给定,从电机输出转矩作为反馈,从而进行比较控制产生转矩开关信号,与磁链开关信号和定子磁链区域信号共同作用,查询电压矢量表,选择合理的空间电压矢量信号。电压矢量选取表如表1所示。
定义误差输入信号为
调节器输出标志:FT,FΨ=1表示ΔT>0,ΔΨ>0;FT,FΨ=0表示AT<0,ΔΨ<0。将磁通和转矩两个调节器结合起来,共同控制逆变器的输出矢量,就既能保证电机的磁通在给定值附近变化,又能使电机的输出转矩快速跟随指令值,从而使系统获得高动态响应性能。
5 模型搭建与仿真分析
双电机模型搭建的数学模型如下。规定两台电机磁极对数相同。
本设计中给定的负载转矩为400N·m,分别从低速(90 r/min)和高速(1 500r/min)运转情况下进行了仿真。从图4～图7可以看出,不论是低速还是高速运转时,系统速度调节时间短,且稳定后转速收敛到给定值。从电机转矩跟踪主电机转矩性能好,调节时间短。尤其是在高速运转情况下,无论是启动还是稳态时都表现了很强的跟随性能,且负载分配合理,由此可知两台电机各自承担一半负载,转矩各为200 N·m。
因此,仿真结果表明两台电机都很好地跟踪了给定转速,具有较好的动静态性能,同时做功且输出功率平衡,避免了因单电机做功而烧毁电机的现象,从而验证了本设计的正确性。
6 结论
本文针对基于刚性连接的双电机同步传动中的功率分配问题进行了研究,提出了一种新的控制方案,将无速度传感器矢量控制和直接转矩控制同时引入控制系统,利用各自的性能优点对两台电机进行控制,建立了Matlab仿真模型,结果表明两台电机调速性能好,功率分配合理,本方案是有效和可行的。
参考文献
[1]陈庆伟，郭毓，杨非，等．双电机同步联动控制系统[J]．南京理工大学学报(增刊)，2005，29：104-107．
[2]李伟明，刘明山，何秀红．硬轴连接的多台直流电动机拖动系统[J]．齐齐哈尔大学学报，1999，15(4)：80-83．
[3]Turl G,Sumner M,Asher G M.A Multi-induction-motor Drive Strategy Operating in the Sensorless Mode[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2001,37(2):1232- 1239.
[4]Valenzuela M A,Lorenz R D.Electronic Line Shafting Control for Paper Machine Drives[J].IEEE Trans.on Ind. Appl,2001,37(1):158-164.
[5]Vaez-Zadeh S,Jalali E.Combined Vector Control and Di- rect Torque Control Method for High Performance Induc- tion Motor Drives[J].Energy Conversion and Manage- ment,2007,48(12):3095-3101.
[6]江春东，刘文生，刘洪林．基于Matlab／Simulink交流电机系统的建模与仿真[J]．大连铁道学院学报，2001，22(1)：69-74．
[7]陈桂兰．交流异步电机无速度传感器矢量控制方法及其在电动汽车中的应用研究[D]．北京：中国科学院研究生院，2005：57-68．
[8]Jawad,Faiz,Sharifian M B B.Comparison of Different Switching Patterns in Direct Torque Control Technique of Induction Motors [J].Electric Power Research,2001,60 (2):63-75.