新型简易滑模（通用5篇）
新型简易滑模 篇1
一、工程概况
竹坝水库位于厦门市同安区东北面, 竹坝华侨农场竹坝村, 是一座灌溉、防洪、备用饮用水和工业用水的中型水库。水库1959年2月兴建, 1976年12月续建, 1984年6月竣工。由于历史原因, 水库自投入运行以来, 因主坝迎水坡及外坡反滤层出现多次塌陷, 左右副坝与山体衔接部渗漏, 固2011年3月对该水库采取除险加固措施。其中对长892.5m的主坝坝体土层部分采用高压旋喷连续墙, 岩层部分采用帷幕灌浆, 背水坡土方加高培厚并设置浆砌网格。迎水坡41.0m以上设置16cm厚C30钢筋砼防冲面板 (总面积17188m2) , 底高程41.0m, 顶高程48.4m.高差7.4m, 斜长16.55m, 坡比1:2。
二、施工难点及主要解决措施
(一) 施工难点
1. 面积大, 工期紧, 防汛任务重。
采用传统方法翻板施工, 需大量的模板材料和劳动力, 施工速度慢无法保证裸露的坝体安全度汛、施工费用大, 平整度、砼强度等技术指标难以满足设计要求。
2.
面板下原设计为20cm厚砂石反滤层, 立模和锚筋难以满足质量要求, 容易松动导致模板变形, 安装在架立筋上的Φ8钢筋网片容易塌陷至面板16cm以外, 失去温度筋的作用, 影响钢筋砼面板施工质量;
3.
坡面陡, 大量人工践踏砂石垫层, 在软基上施工, 难以保证砂石反滤层厚度的均匀, 导致影响钢筋砼面板的质量且无法保证施工安全。
(二) 解决措施
1. 采用垫层固结。
裸露的大坝迎水坡时刻受到暴雨冲刷的威胁, 存在安全隐患, 且20cm厚砂石反滤层在1:2的坡上容易失稳, 特别是三个阻滑槽上口部80cm范围的砂石反滤层受重力作用几乎全部溜进阻滑槽, 导致厚度严重不足, 削落反滤层的功效。经过优化, 将20cm厚砂石反滤层改为15cm厚, 再覆盖5cm厚的C15砼固结硬化垫层, 在砼面板浇筑之前将所有坡面进行垫层固结, 结合放空库容措施, 使裸露的大坝安全度汛, 杜绝隐患。 (详见图1防冲面板剖面示意图)
(1) 施工顺序:按设计坡比整平大坝迎水坡面→铺设土工布→浆砌阻滑槽两侧砖墙→铺设15cm厚砂碎石反滤层→铺设5cmC15砼硬化层。
(2) 注意事项:利用溜槽下料, 人工平整C15砼时, 应及时校正砂碎石反滤层的平整度, 并每隔60cm预埋1个马镫, 马镫高度应位于砼面板下5cm的位置上, 以保证钢筋网片在面板中的位置。
(3) 效果:a.固结坡面, 防止暴雨冲刷, 结合放空库容措施令裸露的坝体安全度汛:b减少钢筋砼面板浆液下渗到砂石反滤层, 保证了钢筋砼面板的质量;c.硬化仓面基础, 有效解决钢筋网片严重塌落的问题, 使其发挥防止钢筋砼温度裂缝的作用;d.提高砂碎石反滤层的整体性和稳定性, 为采用滑模工艺提供必要条件。
2. 采用简易滑模工艺。
(1) 施工方案。面板分缝分块。按设计要求面板沿水平方向分5m一块, 沿竖直方向分5.4m一块。面板之间呈凹凸折线型搭接, 并设置沥青木板伸缩缝。为适合滑模施工要求, 面板采用自底到顶一次施工完成, 跳仓浇筑。施工至竖直方向伸缩缝位置应及时埋设沥青木板伸缩缝。最后自坡面钻孔设置导盲管至砂碎石反滤层。
(2) 注意事项。一是模具制作。 (1) 顶模:为抵抗新浇砼的浮托力, 必须确保顶模的重量。经过反复实验, 采用5根宽20cm, 高7cm, 厚5mm的槽钢焊接成长5.4m宽1m的顶模, 顶模上面加焊两根宽20cm长5.4m的槽钢, 作为配重, 顶模共重约1.6T;为保证砼表面的平整度, 在焊接成型的顶模下面覆盖一块厚2mm长5.4m宽1m的不锈钢片。成型的顶模每隔110cm焊接Φ20螺纹钢, 利于模板的吊装。顶模两侧焊接直径20cm的空心钢管, 用于电动葫芦的铁链牵引 (详见图2顶模示意图) 。 (2) 侧模:高16cm, 由顶宽5cm厚4mm的槽钢与正方形钢管焊接而成。 (3) 牵引系统:由两个3T电动葫芦、两条Φ7铁链、两个3.2T弯钩及两块牵引槽钢组成。牵引槽钢采用宽20cm, 高7cm, 厚5mm的槽钢, 长2m, 每间隔30cm焊接一根Φ20螺纹钢, 用挖机挖斗打入土层1m, 外露1m。二是模具安装在面板竖直伸缩缝处安装侧模, 为防止漏浆, 底部用砼找平。顶模置于侧模之上, 两侧用Φ7铁链与上部的电动葫芦相连。电动葫芦安装于坝顶的牵引槽钢, 两葫芦必须确保处于同一水平线上, 且提升时必须确保简易滑模两边平衡。 (详见图3滑模安装提升示意图) 三是混凝土浇筑。施工过程中对混凝土的要求比较高, 特别是混凝土的塌落度。混凝土塌落度在施工场地的塌落度应控制在5cm左右, 过大, 浇筑上部时会引起下部的拱起;过小, 则振捣难度加大, 混凝土内部密实质量难以控制。由于本工程采用的是商品混凝土, 本项目距离最近的商砼供应站为4km左右, 考虑到施工时间在6~9月份的高温季节, 且料罐车在运输过程中混凝土会发生分离、泌水、塌落度损失, 经过反复实验, 最终采用混凝土出厂塌落度为8cm左右。根据每次浇捣的时间段, 再做微调节。浇筑时, 直接从料罐车下料自溜槽, 送至工作面, 人工平仓振捣, 浇满一仓后, 将滑模提升20cm, 再浇筑, 依此递推直到浇筑完成。滑模每提升一次, 必须作一次表面抹光, 以保证砼外观质量。四是混凝土保养。由于表面积较大, 为此采用滴管加麻袋铺盖的方法进行养护。在混凝土陡坡上部铺设水管, 水管处留有出水口, 混凝土表面采用麻袋铺盖, 确保混凝土的养护质量。
(3) 效果。一是质量好。经抽样检查, 混凝土厚度在16cm以上 (设计厚度16cm) ;温度钢筋网位于面板下4—6cm, 均满足设计要求。混凝土芯样外观光滑, 无任何不密实情况;抽样C30混凝土强度最低为40.8mpa, 最高43.4mpa满足设计要求;混凝土护坡的外观质量得到了进一步的保证, 混凝土陡坡的平整度一般控制在1cm以内。二是进度快。原先采用的普通钢模翻板作业, 一块面板 (5*5.4*3m) 自立侧模开始, 10个工人需要12个小时, 且工人劳动强度大;采用简易滑模作业, 自立侧模开始, 6个工人需要8个小时。三是耗材少。单套模板施工一天完成一块陡坡砼, 可循环使用, 且无装模工等劳动力消耗。考虑到本项目战线长, 作业面大, 准备了两套模具, 两个班组于不同仓面同时施工。
三、新型简易滑模适应条件与应用前景
新型电动葫芦的简易滑模施工工艺适用于坡度在1∶1与1∶3之间, 跨度在10m以内、单块混凝土方量较小的混凝土陡坡施工。根据以往的施工经验, 若陡坡面坡比比1∶3更缓, 可采用浇筑普通面层混凝土的方法, 施工工艺比较简单, 用工量相对较少, 质量也能得到保证。若陡坡面坡比比1∶1更陡, 一般应采取立模浇筑的工艺实施, 才能确保混凝土坡面的质量。新型简易电动葫芦滑模简单实用, 操作简便, 原材料和场地要求不高, 一般本地均可采购得到原材料, 占用场地极小, 施工中能够确保混凝土陡坡面板的质量, 有广泛的推广价值。
摘要：文章结合厦门市竹坝水库除险加固工程实例, 介绍了陡边坡砼面板施工中遇到的难点及解决措施, 总结了新型电动葫芦的简易滑模与固结硬化垫层等在砼陡边坡上应用的主要技术问题, 值得同类工程借鉴和推广。
关键词：陡边坡砼面板,新型简易滑模,固结硬化垫层,竹坝水库
参考文献
[1].毛风林.我国滑动模板施工技术的新进展.建筑技术, 1997 (28)
[2].王怀军.水布娅面板混凝土的设计与施工.中国西部科技, 2011 (36)
[3].普梅.安宁市五一水库除险加固竖井滑模设计与施工.水利建设与管理, 2011 (4)
新型简易滑模 篇2
1 工程概况
2011年以来, 甘州区黑河河道治理工程已完成石庙子至213线、213线至连霍高速桥、连霍高速桥至312线共15km的防洪堤工程, 工程由甘州区水电勘测设计院设计, 坝体为砂砾石填筑, C20现浇混凝土护面, 坝高5.0~8.0m, 迎水面坡比为1∶1.5, 斜坡长9.0~14.4m, 面板设计厚度为20~30cm, 横向每4m设置一道伸缩缝, 全部采用滑模施工工艺。
2 生产过程介绍
2.1 简易滑模施工的原理及工艺流程
简易滑模主要利用滑模的自重, 和固定好的侧模形成一个三面封闭的仓面, 配合插入式振捣器的震动, 使混凝土密实度达到要求, 并使混凝土砂浆泛出表面, 利于人工压平、收光, 达到内密实、外光滑的要求。其施工工艺流程是:人工平仓→侧模架设→卷扬机安装→滑模架设→混凝土入仓振捣→滑模提升→循环入仓振捣→滑模卸除→混凝土抹面。
2.2 模板制作
侧模适宜采用20㎝宽、5㎝厚槽钢焊接制作, 若侧模长度超过4m, 需在中间加肋板防止变形, 侧模外侧每间隔50㎝焊接一个活动手柄和螺栓, 用于固定位置。侧模同时也是滑模上下移动的支撑和轨道。滑模长度尺寸应比侧模间距长20㎝, 高度以70㎝左右为宜, 面板用厚度5㎜以上钢板制作, 中间加肋板, 每块滑模自重应控制在0.5t左右, 过轻容易在振捣过程中“跑模”, 过重则不利于滑模提升。滑模两端焊接吊环, 用钢索与卷扬机相连。
2.3 滑模安装
侧模架设好后, 从手柄螺栓中插入钢钎, 将侧模锚固在砂砾石坡面上, 然后在坝顶安装小型卷扬机。卷扬机采用三脚架固定, 卷扬机钢索与滑模两侧吊耳连接后, 要使卷扬机、钢索、滑模处于同一平面位置。滑模系统安装完成后, 进行试运行, 使滑模能够沿侧模表面滑行自如, 并检查模具连接螺栓、卷扬机运行、三脚架定位地锚等是否安全可靠。
滑模的安装方式如图1所示。
2.4 混凝土入仓
施工中混凝土尽量采用小型装载机运输, 运输距离应不大于200m, 混凝土先堆放在坝顶, 然后采用U型溜槽人工入仓, 混凝土沿溜槽自然下滑进入仓面。因坡面混凝土浇筑厚度较小, 混凝土入仓口很窄, 为防止混凝土入仓时对仓面造成扰动, 仓内坡面上应铺设铁皮, 让混凝土先堆积在铁皮上, 然后再用人工装填。
2.5 混凝土浇筑振捣
振捣是混凝土浇筑的关键环节, 当混凝土装填高度与滑模相平时, 用插入式振捣器进行振捣, 振捣时既要保证振捣密实、不漏振, 还要防止振捣过度造成“跑模”。每层振捣完毕后对滑模进行提升, 提升后发现有蜂窝麻面等现象应将滑模放下重新振捣。滑模提升后应使下层浇筑的混凝土与滑模保持1/3左右的搭接面, 然后继续进行装仓、振捣, 如此循环反复直到把整个仓面装满。在施工中要控制混凝土拌合运输速度与装仓速度相一致, 若拌合运输过慢会导致装仓过程中产生冷缝, 过快则会使混凝土来不及入仓而初凝。根据本工程施工经验, 当混凝土板长大于6m时, 为确保装仓时间不超过初凝期, 应在板长6m的部位设置施工缝。
装仓完毕后, 在滑模下方搭设脚手架进行人工收面。收面应分三步进行:第一步, 用木抹将混凝土表面抹成毛面, 起到刮平提浆的作用;第二步, 在混凝土初凝前用铁抹进行收面, 起到压平收光的作用;第三步, 在混凝土表面固化前用铁抹再进行一次压光, 确保混凝土表面光滑、美观。
3 主要控制指标
3.1 配合比、外加剂
在混凝土浇筑过程中, 必须严格控制配合比, 要经常性地进行塌落度检测, 使坍落度控制在2~3㎝左右, 为确保混凝土和易性符合要求, 可在拌和中加入适量减水剂。在施工工程中, 若气温过高, 可加入适量缓凝剂, 防止混凝土过早初凝而来不及收面。
3.2 滑模提升时间、高度
第一层浇筑完成后, 随即提升滑模, 根据浇筑速度及混凝土凝结时间, 滑模提升速度应控制在5min左右提升一次, 拉升高度每次40~50㎝。
4 施工工艺与混凝土面板质量的关系
施工工艺的优化对混凝土面板的施工质量密切相关, 目前着重分析影响混凝土面板施工质量的几个因素。
4.1 混凝土塌落度对混凝土面板施工质量的影响
面板采用425#普通硅酸盐水泥, 水灰比为0.5, 粗骨料宜采用二级配, 在夏季最高气温超过30℃时, 应添加减水剂。施工实践表明:
1) 当混凝土的塌落度在2cm以下时, 混凝土沿溜槽下滑较差, 且有骨料分离现象, 脱模后混凝土有麻面;
2) 当混凝土的塌落度在2~3cm时, 混凝土沿溜槽下滑较好, 对入仓振捣也较有利, 脱模后混凝土表面较光滑;
3) 当混凝土的塌落度在4cm以上时, 混凝土沿溜槽下滑最好, 但混凝土在振捣时对模板的浮托力也最大, 脱模后有下坠、鼓肚等现象, 混凝土表面平整度较差, 外观质量不容易控制;
因此为保证混凝土面板的施工质量, 塌落度应控制在2~3cm为宜。
4.2 振捣对施工质量的影响
在施工中, 采用1.5k W的插入式振捣器, 激振半径为0.5m。施工时要求插入式振捣器垂直于面板横截面振捣, 振捣棒以插入前一层混凝土深5cm为宜, 插入间距40cm左右。本工程前期施工过程中, 由于不适应滑模施工, 同时混凝土塌落度也不稳定, 加之振捣强度过大, 导致“跑模”严重, 脱模后的混凝土经常出现鼓肚现象。通过总结前期施工经验, 在仓面配置专职操作人员, 逐渐掌握了要领, 避免了由于振捣时间过长或过短影响外观质量的情况。
4.3 模板质量对混凝土质量的影响
在滑模系统设计时, 应根据坡比等实际情况调节滑模自重, 使滑模与侧模贴合紧密并能够沿坡面滑动自如。侧模必须架设牢固, 且在施工中经常校正, 脱模后应及时对模板进行清理, 若有变形应及时修复并加固。若模板质量较差, 会导致整个混凝土坡面呈波浪形, 不但影响了混凝土面板的外观质量, 且对混凝土表面强度也会带来影响。
4.4 两台卷扬机不同步对施工质量的影响
在滑模施工设计中, 要求两台卷扬机同步联动。但实际施工中, 两台卷扬机各自运行控制, 因此在施工时常会出现滑模向一边偏移现象, 导致混凝土振捣不均匀, 影响坡面平整度, 因此, 在施工中必须经常加以校正, 使滑膜保持水平。
5 结论与讨论
自甘州区黑河河道治理项目开始以来, 坝面混凝土浇筑全部采用该方法施工。若采用常规的无模浇筑法, 施工质量难以有效保证;若采用常规的有模浇筑法, 不但需要较大数量的模板, 而且施工速度将大大降低, 故采用该技术至少为工程节约直接费成本5%以上, 对促进工程进度更是发挥了十分重要的作用。根据甘州区黑河河道治理建设管理处会同监理单位检测, 混凝土外观质量检测合格率达100%, 同时用回弹仪进行了检测, 回弹强度全部合格。检测成果充分说明, 该工艺对提高混凝土浇筑质量有明显的作用, 能够广泛应用到其它同类工程项目当中。
参考文献
[1]贾宗唐, 冯丹宇, 金诚和等.水工建筑物滑动模板施工技术规范[S].北京:1992:7-16.
[2]江正荣.简明施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.
新型简易滑模 篇3
关键词：内插式永磁同步电机,扩展反电动势,滑模观测器,无位置传感器
0 引言
永磁同步电动机PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) 主磁场由转子永磁体提供, 无需励磁电流, 因而具有转子损耗小、定子铜耗、定子铁耗小、功率因数高、效率高、体积小、响应快和运行可靠等一系列优点[1]。近年来随着材料科学和制造技术的发展, 特别是新型稀土永磁材料铷铁硼 (Nd Fe B) 的出现[2,3], 由于其具有剩磁强度高、矫顽力强等显著特点, 永磁同步电机在空调、洗衣机等家用电器、数控机床, 电动汽车以及航空设备等交流传动场合得到广泛应用。
由于机械式位置传感器具有成本高、受环境影响大、不易维护等缺点, 因而研究永磁同步电机无位置传感器控制策略有着重要的实际意义, 成为近年来的研究热点之一。随着电力电子技术、微电子技术的发展, 各种高速微处理器的问世为高精度、高响应速度的控制算法实现奠定了基础, 研究开发无位置传感器控制系统完全可行。
传统滑模观测器用于永磁同步电机无位置传感器矢量控制中存在着以下局限性:
(1) 对于凸极性比较明显的IPMSM, 直接应用传统滑模观测器提取转子位置信息会存在一个较大误差, 严重影响位置信号估计的精度。
(2) 传统滑模观测器实现简单, 但是这种切换控制方式会在反电动势估计信号中引入大量的高频谐波分量。这些高频分量不仅会影响转子位置信息的精确提取, 还会会导致实际的滑模控制系统的抖动。
(3) 传统滑模观测器中采用低通滤波器从开关信号中提取出较为光滑的反电动势信号进而根据三角函数计算出转子位置角, 但是低通滤波器的引入必然会带来信号的相位延迟问题。
因而研究一种适用于内插式永磁同步电机的新型滑模观测器具有重要现实意义。
1 内插式永磁同步电机EEMF模型
对于内插式永磁同步电机 (IPMSM) , 在d-q坐标系下其电压方程可表示为:
对于表面贴式永磁同步电机 (SPMSM) , 由于交直轴电感相等, 式 (2) 中Lαβ=0, 其电压方程在α-β坐标系下可表示为:
拆分成电阻压降、电感压降以及反电动势三者之和的形式, 如式 (5) 所示。当电压与电流可以通过传感器测得时, 可以通过此式得到反电动势, 而转子位置信息包含在反电动势中, 进而可以提取出转子位置, 实现无位置传感器运行。矢量示意如图1 (a) 所示。
比较式 (3) 与式 (5) 可以看出, IPMSM电压方程中不仅含有θe的函数也含有2θe项, 这与SPMSM的电压方程形式差别较大, 若按照传统滑模观测器的设计方法, 无法构造适用于IPMSM的观测器。与SPMSM形成差别的根本原因是IPMSM中Ld与Lq不相等, 导致式 (1) 中右边第一项是不对称, 进而旋转变换过程中包含了2θe项。将式 (3) 中右边部分用矢量图表示如图1 (b) 中的实线部分, 与图1 (a) 中SPMSM相比多了2θe项后对于转子位置信息的提取带来很大的不便。若将式 (1) 改写成如下形式:
将式 (7) 右边部分用矢量图表示, 如图1 (b) 中的虚线部分, 其中X、Y部分可以看成是IPMSM中B、C的延长线, 这样与SPMSM类似, 电压方程中不含有2θe项, 进而可以依据SPMSM中滑模观测器的设计方法进行适用于IPMSM的滑模观测器的设计。
定义ee为扩展反电动势, 且:
综上所述, 将式 (7) 与式 (8) 称之为基于扩展反电动势模型的IPMSM电压方程。
2 基于EEMF模型的滑模观测器结构
根据式 (7) 与式 (8) , 可以得到IPMSM以电流为状态变量的状态方程, 如式 (9) 所示:
机定子两相静止坐标系下的电流分量作为状态变量, 定义实际电流与重构电流偏差作为滑模切换面, 选取饱和函数作为切换函数用以抑制抖动效应, 将反电动势估计值作为反馈, 引入到观测器电流模型中, 构造如下形式滑模观测器:
式中:
k为滑模增益, l为反馈系数, ωc为低通滤波器截止频率, sat (x) 为饱和函数。
式 (10) 减式 (9) 可得电流估算误差方程为:
由于滑模切换面选择为s (is) =0, 当系统状态空间轨迹运动到切换面上时, 定子电流状态变量及其一阶导数均等于零即, 将其代入式 (11) 可得:
转子位置可由下面方程估算出:
观测器中引入的用于滤除高频抖动分量的低通滤波器会造成信号相位的滞后, 故需对估算的角度值进行补偿, 补偿角度为:
式中:ωc为一常值, 不同转速下相位补偿角度不同, 需要存储大量值供查表实现。实际系统中采用截止频率可变的低通滤波器, 其截止频率设为:
上式为常值 (μ为常数, 通常取0.2~0.5) 。
图2所示为基于扩展反电动势模型 (EEMF) 的滑模观测器结构示意图。
实际系统中滑模控制存在固有的抖振, 故扩展反电动势估计值中也会含有高频抖动, 直接利用三角函数计算转子位置会将抖动误差放大并引入到角度估计值中。锁相环电路对信号频率和相位的跟踪特性, 能够提高角度和转速的提取精度。基于锁相环的角度与转速估计框图如图3所示。
由图3可以得到:
当滑模运动产生时:
则式 (17) 可以化简为:
此时, 基于锁相环的角度与转速估计框图可以等效为图4所示。由图4可以得到系统的闭环传递函数与位置估算的误差传递函数分别为式 (21) 、 (22) 所示。
根据自动控制原理, 系统的稳态误差为:
上式表明基于锁相环的角度与转速估计算法能够准确的从反电动势中提取出转子位置信息。
3 实验验证
为验证所设计滑模观测器的正确性, 本文搭建了以TMS2812DSP为核心控制芯片的IPMSM无位置传感器矢量控制交流调速实验平台进行实验。实验中所用的内插式永磁同步电动机的详细参数如表1所示。
图5所示为转速为0.05Pu时, 观测的反电动势波形。其中图 (a) 所示为采用传统滑模观测器得到的反电动势波形, 图 (b) 所示为本文所设计的新型滑模观测器估计的反电动势波形, 由图可以看出, 新型滑模观测器由于引入了等效控制信号的反馈, 提高了反电动势信息在开关信号中的比重, 相比传统滑模观测器, 得到的反电动势波形正弦度更高, 抖动含量少。而且实验中可以发现, 传统滑模观测器最低有效观测范围为0.05Pu, 而本文设计的滑模观测器可以在0.01Pu下有效得到反电动势及转子位置信息, 大大拓展了在低速段的工作范围。
图6 (a) 所示为转速0.05Pu时, 新型滑模观测器所重构的电流波形, 图6 (b) 所示为转速0.1Pu时, 实测电流与重构电流波形。由图可知, 随着转速的升高, 重构电流的波形正弦度越好, 验证了滑模观测器在高速时的性能优于低速。
另外, 滑模观测器中重构电流所需要的定子相电压, 并不是直接从电压传感器测量而来, 因为绕组电压为一系列的开关脉冲含有大量谐波, 而是采用空间矢量脉冲调制模块的给定参考电压, 这样重构的电流并没有受到开关器件死区效应的影响, 在图中可以看出重构的电流比实测电流波形更光滑。
4 结论
本文研究了滑模观测器用于内插式永磁同步电动机无位置传感器矢量控制系统中的一些关键问题, 针对传统滑模观测器无法直接适用于IPMSM的情况, 从数学模型上分析造成这种情况的原因, 进而通过引入内插式永磁同步电机的扩展反电动势模型, 设计适用于IPMSM的新型滑模观测器。最后通过实验验证了所提出新型滑模观测器的正确性和有效性。
参考文献
[1]王成元, 夏加宽, 孙宜标.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[2]叶金虎.现代无刷直流永磁电动机原理与设计[M].北京:科学出版社, 2007.
新型简易滑模 篇4
传统DC/AC逆变器主电路大多采用推挽式、半桥式和全桥式等电路拓扑,其不足表现在[1]:
a.电压利用率不高,输入/输出间的电压匹配困难;
b.谐波含量高,其中某些逆变电路含有低次谐波,使得滤波容量大,滤波器体积大;
c.器件开关损耗高,且易产生电磁干扰(EMI);
d.直通造成短路,工作可靠性不高。
近年来,基于直流变换电路实现逆变功能的新颖DC/AC逆变拓扑越来越受到关注[2,3,4,5]。文献[4]给出了一种新颖逆变电路(区别文献[5]中提到的双Buck组合逆变器),此电路拓扑由单Buck变换器和全桥电路组成。这种逆变器不仅可以实现高精度开关功率放大器等实际应用,还可以充分应用DC/DC变换电路成熟的软开关技术。对于逆变器的输出特性要求尽可能高的稳态精度,同时对于负载变化具有优良的瞬态响应,因此对控制的要求比较高。
传统PID控制策略整定不易,性能欠佳,对运行工况尤其负载大幅度变化的适应性较差;而滑模变结构控制在系统参数变化较大时,只要滑模切换面是可达的,就可以实现滑模控制,即变结构系统的滑动模态具有完全自适应性,这成为变结构系统最突出的优点。对于逆变器的开关非线性变结构系统,滑模控制是很适合的,且具有鲁棒性好、可靠性高和控制算法简单的优点。因此,滑模变结构控制越来越多地被应用于开关非线性系统中,特别是逆变器系统[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。
目前,有关电力电子变换器中使用滑模变结构控制的应用文献比较多,但大多数都是基于单输入二阶滑模控制的研究。文献[15]指出根据最优控制理论,实现全状态反馈的系统是最优控制系统,能实现动态响应的误差平方积分指标最小;但在一定的外部扰动后,系统存在输出稳态误差比较大、调节时间长和有爬行现象。为了减小输出稳态误差,提高稳态性能,在滑模变结构控制策略中加入了积分环节[16,17,18]。
为了提高逆变器的输出性能和控制鲁棒性,进一步减小系统稳态误差,本文采用了一种新颖的三阶积分滑模变结构控制策略,使用李导数给出了三阶积分滑模控制器的详细分析和设计,并且将该三阶滑模控制应用于新型单Buck逆变器,给出了系统的稳定条件和滑模切换面系数的选取方法。
实验结果证明了三阶积分滑模控制能大幅减小稳态终值误差,且输出具有强鲁棒性有良好的动态性能,减弱控制系统的干扰和漂移,为实现逆变系统和提高稳态性能提供了一种新的思路。
1 单Buck逆变器拓扑结构原理
新型单Buck逆变器的电路拓扑图如图1所示,其工作原理示意如图2所示。对于Buck变换器,其输出电压uo=UinD(其中,Uin是直流输入电压,D是主功率开关管VTm的占空比)。在逆变器中,控制电路调制的占空比D按SPWM脉宽变化,从而使得Buck变换器在滤波电容C上的输出电压uC为一系列的正弦半波,再通过后一级的全桥电路使一系列的半波在负载上展开成标准的正弦波。
2 单Buck逆变器三阶积分滑模控制设计
2.1 逆变器的三阶动态建模
单Buck逆变电路由一个Buck型直流开关变换器构成,能根据Buck直流变换器的建模方法进行建模,在这里采用三阶状态空间建模。图3是单Buck逆变电路系统的等效电路图。
以输出电压误差x1、电感电流误差x2和输出电压误差积分x3为状态变量,得到单Buck逆变器状态空间模型方程为
为了便于等效控制方法推导,根据非线性系统变结构理论,上式能定义为
2.2 基于李导数的三阶积分滑模控制器设计
目前,滑模控制大多数是基于二阶滑模控制器的分析与设计,二阶滑模的稳态误差比较大。因此,本文在输出电容电压误差和电感电流误差的二阶滑模的基础上加入输出电压误差的积分环节,使系统本质上消除了稳态终值误差。图3中所示的控制部分即为三阶积分滑模控制器,为了获得良好的输出特性,一般选取状态变量偏差的线性组合建立滑模切换面函数,其滑模切换面函数的选取为
其中,P1、P2和P3为正常数。
根据非线性系统的变结构控制理论,滑模控制规律和在该规律下滑模切换面的存在和达到条件为
满足式(5)的必要条件是:
为使系统在滑模切换面上保持滑模运动,则在S=0的情况下满足下式:
可得等效控制:
因此,滑模切换面上存在滑模运动的充要条件是等效控制ueq满足0
将式(1)(3)代入式(6)得:
由式(6)知,S(x)满足存在滑模运动的必要条件。
同理,将式(1)(3)代入式(8)可得:
将P2=1,P1=C/L,x1=UCref-uC和P3=1/(RoL)代入式(10),且iLref-iL≈Cd UCref/d t-C d uC/d t,可得:
由于在实际电路中电感L和电容C的值足够小,且当系统处于稳态时,UCref≈uC,因此式(11)近似为ueq≈uC/Uin,据Buck电路理论知0
2.3 滑模切换区和滑模切换面函数系数选取
为了保证系统的状态轨迹达到滑模切换面,必须满足式(5),因此将式(1)(3)代入式(5),可以得到该三阶滑模控制的滑模切换区,如下式所示:
由式(12)可知,三阶滑模控制的切换区为2个平行平面之间的三维空间。为了便于分析,通过映射从而可以得到二维的区域是位于2条平行直线l1、l2之间的区域,其滑模区域的数学表达式如式(13)所示。合理选择系数,系统状态轨迹将在滑模切换区内运动,最终会使轨迹进入稳态点。
滑模切换面函数中x1和x2的系数分别代表系统稳态和动态调节的特性,即P1/P2值越大,其动态性就越好;P3/P2值越大,其稳态性就越好。如何选择P1、P2和P3是滑模控制设计的关键。就本文中单Buck逆变器而言,一般情况令P2=1,P1=C/L,且P3=1/(RoL)使P3/P2值较大,因此在保证动态性能前提下,积分环节使稳态终值误差很小。
3 实验装置与结果
根据图1拓扑组建单Buck逆变器实验系统,实验参数:输入电压Uin=24 V(2节铅酸电池串联获得),输出电压uAB=16 sin(100πt),C=2×56μF,L=200μH,Ro=5Ω。同时分别采用传统的PD控制(比例系数kp=20、微分系数kd=3×10-3)和三阶系统全状态积分滑模控制作为实验系统的控制策略,下面给出实验结果和分析。
3.1 传统PD控制单Buck逆变器实验结果
图4(a)为PD控制下满载稳态时输出电压、电流波形,图4(b)和(c)为负载突变时电压、电流输出波形。实验结果表明:采用PD控制有较好的输出波形,但输出电压过峰值时产生较大的畸变,稳态性能较差,稳态误差较大;负载突变时,输出电流畸变很大,空载到满载时输出电流进入稳态较慢(30 ms),系统动态性能和抗负载扰动性能较差,鲁棒性不强。
3.2 滑模控制实验结果
图5(a)为滑模控制下满载稳态时输出电压和电流波形,图5(b)和(c)为负载突变时电压和电流波形。系统在满载时输出电压稳态误差如表1所示(表中,Uref为参考电压,UAB为输出电压,ΔU为电压误差)。实验结果表明:电路有较好的输出波形,带有积分控制具有良好的稳态性能,能够减小系统的终值误差;系统具有非常好的动态性能和抗负载扰动性能;相比PD控制,积分滑模控制具有优良的动态特性和稳态性能。
V
4 结论
新型简易滑模 篇5
无刷直流电机由于具有没有换向火花、寿命长、运行可靠、维护简便、转速不受机械换向的限制等一系列优点, 目前已运用到航空航天、电子设备、采矿、化工等工业控制的各个领域[1]。传统的PID控制过于依赖系统自身的参数, 控制效果难以达到最优。一些先进的控制理念已经运用到对无刷直流电机的控制上来, 如模糊控制、神经网络控制、免疫反馈控制等[2,3,4], 这些研究对于无刷直流电机的控制都起到了一定的改善作用。
滑模变结构控制能够通过控制器本身结构的变化, 突破经典线性控制系统的限制, 用滑模变结构控制方法来研究时滞系统的鲁棒问题, 是近年来一个新的研究方向[5]。因此, 对于无刷直流电机系统, 采用改进的基于趋近率的离散滑模变结构控制方法设计无刷直流电机系统的控制器, 建立无刷直流电机的数学模型, 并利用MATLAB/Simulink对其进行建模及仿真。
1 无刷直流电机数学模型的建立[6]
无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成。定子上导磁的定子铁心及导电的电枢绕组设计时要求结构简单, 运行可靠, 并能产生足够的磁动势以得到足够的转矩;转子采用瓦形磁钢, 进行特殊的磁路设计, 可获得梯形波的气隙磁场;电子换相电路能按照位置传感器的信号进行正确换向和控制, 能够实现电机的正反转, 并且能满足不同环境条件和长期运行的要求。
以两相导通星形三相六状态为例, 分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析, 假定电机定子三相完全对称, 空间上互差120°;三相绕组电阻、电感参数完全相同;转子永磁体产生的气隙磁场为方波, 三相绕组反电动势为梯形波;忽略定子绕组电枢反应的影响;电机气隙磁导均匀, 磁路不饱和, 不计涡流损耗;电枢绕组间互感忽略。可得到无刷直流电机的数学模型:
式中, ua, ub, uc, un分别为三相端电压和中点电压, V;ea, eb, ec为三相电子反电动势, V;ia, ib, ic为三相电子相电流, A;La, Lb, Lc为三相电子自感, H;Ra, Rb, Rc为三相电子绕组的相电阻, Ω。
由电机的结构决定, 在360°电角度内, 转子的磁阻不随转子位置的变化而变化, 假定三相绕组对称, 则La, Lb, Lc相等, Ra, Rb, Rc相等。
三相对称的电机中, ia+ib+ic=0, 以及Mib+Mic=-Mia, un=0, 则式 (1) 可改写为状态方程:
式中, P为微分算子。
在电机运行过程中, 电磁转矩的表达式为:
式中, ω为转子角速度, rad/s。
电机的机械运动方程为:
式中, f为阻尼系数, N·m·s/rad;J为电机转动惯量, kg·m2;TL为负载转矩, N·m。
反电动势系数ke的计算公式:
式中, W为电枢绕组每相串联的匝数;φ为每极磁通, Wb。
电机运行过程中瞬态功耗的公式为:
式中, Ω为电机角速度, P为功耗。
2 滑模变结构控制器的设计
2.1 滑动模态域的设计
滑模控制是设计控制系统的一个普遍方法, 适用于高阶段与低阶段、线性与非线性、连续与离散、确定性与不确定性的各种控制系统, 是一种综合设计方法。滑模控制系统的主要问题是确定切换函数S (x) , 使它所确定的滑动模态渐近稳定且具有良好的动态品质。设计滑动模态控制率u± (x) , 使条件得到满足, 从而在切换面上形成滑动模态区。
对于无刷直流电机控制系统, 如能用状态方程描述为, 此系统是单输入系统, 则可确定切换函数[7]:
系数c的选择满足Hurwitz稳定多项式, 可由极点配置法求得:
式中, F为反馈系数矩阵, T为非奇异线性变换矩阵。可得:
2.2 滑模变结构控制器的设计
滑模变结构控制系统的运动由两部分组成:系统在初始点进入切换面的运动阶段, 即到达段;系统在切换面上的运动阶段, 即滑模段。要求系统过渡过程有良好的品质, 就必须使这两段都具有良好的品质。滑模段的品质可由滑模方程来决定。但到达段的品质一直未受到足够重视, 滑模可达性条件仅实现了在状态空间任意点必然于有限时间内到达切换面, 至于如何运动, 未做任何规定。
式中, 可认定ω*为常数, 所以x2=dω/dt;KT为转矩系数;Req=2R, Leq=2 (L-M) 。
将式 (10) 代入式 (2) 可得切换函数s。
滑模变结构控制能获得较好的控制性能, 但抖振是变结构控制最突出的缺陷, 它是滑动光滑运动上叠加的一个小幅度、高频率的自振, 是由于滑模变结构控制本质上的不连续开关特性引起的。为了改善到达段的品质, 可设计各种趋近率, 这里采用改进的指数趋近律, 形式为:
可验证式 (11) 满足滑模系统可达到条件ss觶<0。
稳定性分析:
将式 (10) 和式 (7) 代入式 (11) , 可得趋近率控制输出方程ueq。
3 仿真
在MATLAB7.0/SIMULINK中搭建如图1所示的系统仿真模型。仿真中无刷直流电机的参数设置为:定子相绕组R=0.6Ω, 定子相绕组自感与互感之差L-M=1.68m H, 转动惯量J=0.00231kg·m3, 额定转速n=2000r/min, 反电动势系数Ke=0.054V·rad·s-1, Leq=1.257m H, 转矩系数KT=0.0683N·m/A, 极对数P=4, 逆变器的开关频率设为10k Hz, 直流无刷电机的通电方式为三相Y联接。
电机的目标转速为2000r/min, 将该控制器与文献[9]设计的PI控制进行对比, 在系统始终加入3N·m的负载, 两种控制的阶跃响应如图2所示。
图中实线为常规PI控制速度响应曲线的仿真波形, 虚线为采用滑模变结构控制调节器控制速度曲线的仿真波形。从仿真图形可以看出, 两种控制方法都能实现有效控制, 相对于采用PI控制算法电机转速反应较慢的缺点, 滑模变结构控制能够快速反应。常规PI控制速度响应曲线有近15%的超调, 且有3个周期的振荡;而采用滑模变结构速度调节器控制速度响应曲线仅为不足5%的超调, 并且更快达到稳定。采用滑模变结构速度调节器的控制品质可与其他智能控制系统相当, 但其交流调速系统结构简单得多。为了进一步检验系统抗干扰的能力, 同样在给定转速为n=2000r/min, 0.14s突加负载, 将负载转矩加到4N·m, 两种控制的转速响应曲线如图3所示。
从图3可以看出, 系统在0.14s突加负载时, 采用PI控制的速度曲线出现了明显的波动;而采用滑模变结构控制后, 系统能够快速跟踪响应, 消除扰动对转速的影响, 系统跟踪性能不受影响, 跟踪控制精度较高, 鲁棒性较强。
为进一步验证两种控制状态的稳定性, 对系统在给定输入信号下两种控制系统的电磁转矩进行分析。图4、图5分别为给定转速为n=2000r/min下PI控制和滑模变结构控制电机电磁转矩的波形图。
由图4、图5可知, PI调节由于磁链、转矩估算产生的误差及转速PI调节器的原因, 电磁转矩振动较大, 电磁转矩的波动较大, 变化的频率也较高;而滑模控制由于具有强鲁棒性, 输出转矩能够快速准确地跟随负载, 具有更快的转矩响应速度和更好的稳态性能。
4 结语
采用滑模变结构控制策略既能发挥滑模变结构控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快的特点, 又能大大减小系统的稳态误差, 该控制策略的控制效果响应快、稳态精度高, 与传统PI控制方法相比具有更好的稳定性和抗干扰能力。
参考文献
[1]强宁.基于TMS320F2812的航空发动机转速信号采集研究[J].电子测量技术, 2008, 31 (11) :76-79
[2]李晓明, 蔡忠春, 蒋宁.航空发动机转速信号的检测[J].长春工业大学学报 (自然科学版) , 2007, 28 (2) :220-223
[3]白思春, 禇全红, 孟长江, 等.发动机转速信号测量与精确相位确定[J].小型内燃机与摩托车, 2012, 41 (5) :81-83