直流串勵電動機的建模與仿真-翻譯.doc

譯文直流串勵電動機的建模與仿真摘要 直流串勵電機是需要高轉(zhuǎn)矩/速度之比為機電應用的首選。本文描述了系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)一種開環(huán)直流電機的速度控制,這是基于一個微控制器和IGBTs。不斷嘗試的設計既昂貴又費時。這樣的問題就解決了這里利用模擬工具,可以預測動態(tài)行為系統(tǒng)的機械和電子組件組成的。沿著紙的模擬顯示提供令人滿意的協(xié)議與實驗室的測量結(jié)果。簡介 直流串勵電機牽引通常應用需要高扭矩/速度之比的情況。這些都是電動輪椅,高爾夫球車、升降機、起重機、致動器的武器等。8。在一個典型的應用包括人類操作員駕駛一臺直流電機通過一個油門踏板或一根桿。電子系統(tǒng)規(guī)范電力輸入一部電機按照踏板或杠桿的立場,習慣上被稱為速度控制。這樣的一個系統(tǒng)應用在開環(huán)或是閉環(huán)情況下8。而閉環(huán)系統(tǒng)應用要求精度高,有很多情況下的開環(huán)系統(tǒng)就夠了。本文是關于后者。 一個典型的直流電機的速度控制往往具有其內(nèi)在的訊號產(chǎn)生和處理模擬電路和功率驅(qū)動階段MOSFET模塊由幾個平行1。這個典型的控制,可改善其模擬功能取代或優(yōu)勢互補與數(shù)碼照片,除此之外,每個平行布置,替代mosfet與一個單一的IGBT模塊9。改進后的控制也因此結(jié)果更可靠、低成本和更簡單的生產(chǎn)。一種開環(huán)的數(shù)字速度控制的基礎上,最后提出了一種IGBTs和這里發(fā)展起來的。本文的主要目的,不過是呈現(xiàn)方法論受雇于這些作者為開發(fā)出的原型提出工作速度控制。 設計原型通常是實現(xiàn)機電由一個嘗試和錯誤的過程,其中,大部分是非常昂貴又費時。它提出了在此可以減輕弊端,通過合理結(jié)合計算機模擬本質(zhì)上和實驗室測驗。結(jié)合模擬的電動馬達和它的速度控制做成很簡單的模型運用為電機和/或為電子控制模塊第1、8、12。 這里的工作報告,詳細電機模型開發(fā)的。然后,該模型為達到調(diào)整好很近的模擬和匹配的實際性能試驗臺被作為測驗電機。后來,模型的構(gòu)建提出了速度控制模型的使用廠家提供其組成的電子裝置。最后,合模擬了電機和電機速度控制運用于精煉和調(diào)試該控制器設計,甚至在它的建模之前。 如今,各種可以仿真的軟件包,例如,模擬機電從MathWorks MATLAB-SIMULINK11,INTUSOFT香料, Mentor Graphics Mechatronics Library,打個比方,PSPICE軍刀從7從OrCad等。當一些這些包裹提供通用模型的各種電力電子設備和/或機電組件的使用,其他制造商提供方便specic裝置模型以及用戶的發(fā)展模型。通用仿真模型通常允許快速發(fā)展;另一方面,然而,這些模型通常不能讓使用者所要達到的一個與實際之間的模擬和實際性能。關于PSPICE的使用,制造商都提供了模型和用戶模型物的開發(fā)。后者是通過延長稱為模擬行為建模(ABM)7。由于這個原因,其成本相對較低,PSPICE被用于工作報告了這里。在以前的工作,由其他作者的反彈道導彈已應用于施工做了詳細的IGBT模型3。本文采用,而反彈道導彈建設的直流系列電動機模型,詳細的IGBTs和其他電子設備為手段的廠家提供的模型。2。對直流電機的速度控制的主要功能 油門踏板為電動馬達,通常是耦合機械變阻器,翻譯其位置輸入電壓信號反饋到速度控制。第一個函數(shù)為這個控件是因此制約的踏板信號用于去除噪聲和平滑變阻器速度突然變快或是突然變慢。 使用這種速度的控制,那么其第二功能條件信號中包含的后代,也會被切換波形輸出功率的電子裝置。脈沖寬度調(diào)制(PWM)已經(jīng)成為一種普遍采用的這些波形生成方法1。第三個功能是向客戶提供的轉(zhuǎn)速控制所需的功率直流電機。這是進行控制的功率輸出階段通常由電力半導體元件:二極管整流器、IGBT,MOSFET等,6。第四個也是最后一個功能被認為是在這里就是提供保護機制為控制的本身,因為電機和權限的用戶。主要保護的一個列表功能如下:1.充分保護的啟動電壓。2.在對抗繞組過載電流。3.保護,防止踏板的信號的損失。4.對于低電池電壓保護。5.保護,防止高溫。6.缺乏保護開關信號的功率驅(qū)動門。3。所提出的設計為一個直流電機的速度控制 當前數(shù)字技術優(yōu)勢提供幾個明顯的功能模擬的產(chǎn)生PWM開關信號和處理的方法保護信號的直流電機的速度控制。一個單處理器取代模擬模塊和與之相關的幾種離散組件1?？刂频奈锢沓叽绾椭圃斐杀緦⒁虼硕唤档?同時也可以提高其可靠性。圖1顯示一個框圖為提出的速度控制。微控制器使用這里是MC68HC811內(nèi)含八8位A / D轉(zhuǎn)換器。 制約的踏板電路信號進行如圖2號。第一次的變阻器電壓輸入OpAmp 1(TL084)。如果變阻器連接丟失分流電阻Rpp確保Vcond到零。這因此實現(xiàn)的功能損失的保護踏板的信號。然后OpAmp輸出的1進入D1允許兩種不同的時間常數(shù),一為加速和其他為減速。價值觀與圖中后者是47 ms,前者是至少738ms根據(jù)R。最后,通過RC電路輸出注入到OpAmp微控制器的第2的A / D轉(zhuǎn)換器。 來產(chǎn)生PWM開關信號,Vcond從圖2電路輸入微控制器的第一個A / D轉(zhuǎn)換器輸入。因此Vcond表面256的水平,他們每個人都作為一個地址為微控制器的E2的舞會。相應的記憶細胞包含預定脈沖持續(xù)時間等。這樣的脈沖寬度的各不相同,根據(jù)Vcond 256個步驟。采用離散線性變化在這里為原型的實施。然而,如果方便的話這種線性特征能容易地改變。 首先在他們注入電源PWM信號驅(qū)動蓋茨門是經(jīng)過一個驅(qū)動級中包含一個光電隔震和日”的活動。這是顯示在圖3。至于電力電子階段,一個完整的DC直流轉(zhuǎn)換器與四IGBTs H-bridge并聯(lián)二極管及其對應的強烈建議6。這里的工作報告,然而,只有一個分支,這座橋是實施的形式顯示在圖4。這個部門被要求去做作為下臺轉(zhuǎn)換器6。 除了保護損失的踏板,另一種是執(zhí)行上述保護功能以及使用電壓電流傳感器和溫度傳感器的需要。模擬信號通過傳遞由這些裝置送入微控制器通過額外的A / D轉(zhuǎn)換器輸入和他們的監(jiān)控是由微控制器的程序。4. 利用直流系列電動機模型模擬行為模塊4.1電機公式摘要機電方程,描述行為的直流系列電動機給出如下。電平衡方程在2、8:Vs是與兩個繞組并聯(lián)電壓、Ea是電動勢(emf),Rt總串聯(lián)電阻,是當前通過繞組和串勵的電感。 Is 試穿過線圈的電流 Lt是整個串勵的電感，Ea的關系與磁通和角速度x是2、8Ka是一種交流電機常數(shù)。研制的電磁轉(zhuǎn)矩和直流電機上取決于Is/以下列方式:轉(zhuǎn)矩平衡方程式是2、8:TL型是負載轉(zhuǎn)矩、B是粘滯摩擦常數(shù)和J是馬達轉(zhuǎn)子和軸慣性。繞組的磁符合多種齒輪油標準,通過電流有關的磁化曲線,如下2、5:函數(shù)f)是在一般包括飽和度和磁滯效應。4.2。 模擬行為建模的直流系列電動機 Eqs(1)-(5)提供了一個數(shù)學模型,為直流系列電動機適用于本文的目的2,5。ABM這一模式被顯示在圖5。 圖5、模塊1是一個串聯(lián)支路對應Eq的元素。(1)。值得注意的是動勢項“Ea”是注入到這個分支從模塊2由一個電壓控制電壓源的單位增益。這個機構(gòu)還包括在控制電壓源是當前一個單位增益作為那些電流傳感器。所要求的感覺到電流模塊3和5在計算兩個,磁通及電磁轉(zhuǎn)矩瞬變電磁法Tem。 實際上是一種磁性標準計算的中間變量,Ea。在結(jié)合(5)和（2） 磁化特性的電動馬達的通常是按照一組測量點的Ea vs。一個合為一體,取得了180:6 x0 rad / s值的角速度。這個值通常相當于電機銘牌的名義或速度。讓Ea0 x0表示這特征。根據(jù)(6),為不同價值x2: 圖五模型5的實際上是與非線性曲線Ea0或測量.是這方面的例子是由圖6指出。應當指出,為實施報告了這里的遲滯被忽視了。2其實實現(xiàn)模塊式(7)其輸出是電動勢反饋到模塊1。 除了Ea0輸入模塊,另2是角速度計算模塊4對應于Eq。(4)。在忽略Bx、粘滯摩擦的術語,這類方程產(chǎn)量 很明顯即從圖4那模塊4實現(xiàn)這個最后的方程。在結(jié)合Eqs。(2)、(3)到(7)下列表達式的電磁轉(zhuǎn)矩 模型3的實現(xiàn)是最后一個方程 這四種電機模型被用來繁殖操作的一種可行的1點直流系列電動機。首先,Lt,Rt和J參數(shù)測量的電機。然后,磁化特性得到了Ea0 vs .是收集了80分,并在圖6中畫出來了。接下來,所有這些數(shù)據(jù)被運用于圖5模型。最后,各種各樣的實驗進行了兩個,同時可以解決電機和電機ABM模型。這些實驗設計了以允許renement測量參數(shù)。ABM電機模型,此外,實際上提供了缺少某些特殊的工具,例如:一個測功機。值的變量和參數(shù)用于模擬如下:Rt 55 mX、J 0:06,對kgm2 12v(摩擦系數(shù),A和A0),Cp一萬個低頻和寄生電感Lc被忽視了。電感簡直是一個值隨頻率10。從上的階躍響應以下兩種數(shù)值估計的實驗:lH在2100年赫茲和75 Lt 150 lH在2500赫茲。在中間的頻率計算公式是線性插值。這些幅值都列在表1。4.3. 提出了一種 SPICE模型速度控制 圖1系統(tǒng)化 SPICE模型,提出了直流系列電動機速度控制。它由四個基本積木:踏板信號護發(fā)素,單片機,門司機和輸出功率的階段。除了微控制器,所有這些模塊是代表了非常詳細的使用廠家提供的半導體器件SPICE模型被使用。 表示一個詳細的微控制器就沒有必要,那是不現(xiàn)實的,除此之外,為桌上型電腦被應用于這項工作。這是為代表的選擇而不是只有通過PWM功能的一個矩形波發(fā)生器以其脈沖寬度被各不相同,根據(jù)256個步驟的輸出信號調(diào)節(jié)器的油門踏板。之前被注射進電動機PWM信號模型,這些經(jīng)過大門的驅(qū)動和輸出功率模型。在這里,應該提及的,除了保護,防止損失的踏板信號保護功能的微控制器及其相關電路沒有被包括在這個模擬器里邊。 詳細的圖踏板信號護發(fā)素是規(guī)定圖2,而圖門驅(qū)動和功率輸出階段是提供在圖3和4。用SPICE的優(yōu)點為建模的訪問這些塊是一個龐大的圖書館的商用設備模型4。只有模型是不能在這個IGBT模塊庫,但是它可以輕易地從制造商的網(wǎng)絡信息的網(wǎng)站下載。它的物理實現(xiàn)之前,速度控制香料模型進行了測試ABM。這它的執(zhí)行允許調(diào)試和調(diào)整的初步設計均勻之前。結(jié)論 圖7a顯示。另外的穩(wěn)態(tài)電流為公司制速度控制入直流系列電動機作為一種仿真得到考慮從70%的責任周期和頻率的2250赫茲。圖顯示本。7b相同電流測量得出的實驗。需要注意的是,在這兩個gures協(xié)議也是令人滿意的。圖8a顯示情節(jié)的穩(wěn)態(tài)電流注入通過模擬一個直流電機獲得50%的責任周期和頻率2,100赫茲。圖8b提供情節(jié)的相應的實驗測量。這兩個數(shù)字之間的協(xié)議也是令人滿意的。 瞬態(tài)電流注入到電機啟動現(xiàn)在得到了模擬考慮90%責任周期和頻率的2500赫茲。該電流進行了圖示,如圖9a和相應的測量。這兩個gures中不約而同的山峰上顯示的瞬態(tài)電流可以高達兩倍的電機的名義電流。圖10a提供了瞬態(tài)電流在啟動時,它是模擬假設一個50%責任周期和頻率2,100赫茲。這gure 10b要比與相適應的瞬態(tài)電流獲得了實驗為同一占空比和頻率。 電流瞬變函數(shù)圖。9a和b能導致遭受嚴重干擾的速度控制功率輸出階段。確定了合適的模擬中幫助的起始條件和適當?shù)碾娏﹄娮釉O備。模擬的另一個好處是各種各樣的可能性內(nèi)部變量的觀測系統(tǒng)。圖11比如顯示模擬電動部隊為各種各樣的頻率和占空比,而圖12顯示所得到的角速率進行。Fig.13a和b顯示,模擬電磁轉(zhuǎn)矩,獲得了2Nm負荷和在,分別90%和50%的占空比?？偨Y(jié)一個方法來開發(fā)復雜的electronic-electromechanical原型已經(jīng)作了綜述。 它由電腦模擬基本上是在結(jié)合與實驗室檢查。這種方法得到了進一步的應用發(fā)展中的一個轉(zhuǎn)速控制,為一個1點直流系列電動機。采用仿真工具從這里OrCAD PSPICE及其ABM實用工具。 PSPICE能詳細時表現(xiàn)的電子與電力電子模塊包括制造商提供模塊,ABM實用工具使精確的描述電機的機電特性。合模擬的電機和電機速度控制也因此成為可能。這里的協(xié)議之間達到模擬和實驗室測試已經(jīng)令人滿意。 以前的作品由他人,HDLA(Chee-Mun, INTUSOFT, HDLA Mentor)模擬的速度控制耦合到很簡單(一分支)電機模型。ABM模型提供了更現(xiàn)實的占電機的特點。它可以進一步采取其他開發(fā)者和論文提供了必要的數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果列出在這里。第三方,此外,甚至可以修改這個模型來適應這種相對輕松地用特定的需求,為其他的發(fā)展。仿真已允許的測試和調(diào)試的速度控制,甚至之前,它是由。例如,模擬也有幫助確立,該系統(tǒng)不應該開始了一個占空比均高于50%。 整體的體驗和方法論是它已經(jīng)幫助了大幅減少開發(fā)時間和成本。這些模型中,當結(jié)合實驗工作,甚至提供了缺乏可靠的專用儀器,如測功器。他們同樣能夠讓無法取得的變量的監(jiān)測像電動勢。一個顯著的事實是,沒有一個單一的電力電子裝置被燒壞在這個項目。 最后,正在進行的工作是在一個完整的H-bridge發(fā)展的速度控制,以及對直流電機的應用,這在ABM不同尺寸提供了一些可能需要更改包括了額外的功能,如粘滯摩擦、滯后性和頻率依賴性的電感。 6. 參考文獻 1 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