電力拖動控制系統(tǒng)課設報告

1、 電力拖動自動控制系統(tǒng)課設報告 課設題目：電動自行車調(diào)速控制電路的設計 小組成員： - -目 錄摘要一、概述二、電動車電機的調(diào)速及電路設計 （一）永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)及基本工作原理 （二）永磁無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 （三）驅(qū)動設計 （四）無刷直流電機接線圖摘要 電動車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)其機電一體化的目標，因而具有廣闊的發(fā)展前景。 隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進步,永磁無刷直流電動機得到了快速的發(fā)展,它們被廣泛地用于變速驅(qū)動、伺服驅(qū)動、兵器、航空、航天和工業(yè)自動化等各個領域。因此,合理正

2、確地設計永磁無刷直流電動機是一個越來越重要的課題。從本期起分期介紹無刷直流電動機的設計,主要有:無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理,以及連接方式;分數(shù)槽繞組;磁路計算;電路系統(tǒng)的計算等內(nèi)容。關鍵字 ： 電動車、無刷直流電機、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、 控制器系統(tǒng)。一、概述人類與環(huán)境共存和全球經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種既能代替人力又低排放和有效利用資源的交通工具，電動車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，因此使用電動車無疑是一種很有希望的方案。     現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術(shù)等

3、多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅(qū)動系統(tǒng)一般由4個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。二、系統(tǒng)要求2. 1  電動車對電動機的基本要求  電動車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。主要有如下幾大方面：    1  電動車用電動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數(shù)應為(34)，加速性能好，使用壽命長的特點。  

4、0; 2電動車用電動機應具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。 3電動車用電動機應能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的。    4電動車用電動機應在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。     另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維

5、修方便，價格便宜等。   2.2 鑒于電動車對電動機的基本要求采用永磁無刷直流電動機 。  2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能 。 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更

6、高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。   2.2.2 永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng) 。 典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。   2.2.3永磁無刷直流電動機的不足 。  永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直

7、流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。三、電動車電機的調(diào)速控制系統(tǒng)及制動設計 3.1無刷直流電機硬件設計 逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 如下電壓逆變電路：電壓型逆變電路的特點(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(2)輸出電

8、壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同(3)阻感負載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管 如下電流型逆變電路： 直流電源為電流源的逆變電路電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。 電流逆變電路電流型逆變電路主要特點：(1)直流側(cè)串大電感，相當于電流源。(2)交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流 功率開關電源電路域逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機供電。與

9、一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一 3.2無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 3.21調(diào)速系統(tǒng)的設計原理 霍耳轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍耳元件周圍的磁場強度。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個信號的大小進行PWM脈寬調(diào)制。從而控制功率管的導通關閉的比例以控制電機轉(zhuǎn)速的大小。 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標要求。根據(jù)自動控制原理

10、，為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)的輸出量通過檢測裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中3.22單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (1)單閉環(huán)原理圖 圖9 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 (2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾分析 通過這一環(huán)節(jié)可以抑制轉(zhuǎn)速的下降，雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降，但比開環(huán) 轉(zhuǎn)速的程度會大大降低，從而保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性 (3)

11、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 靜特性方程： 電機轉(zhuǎn)速與負載電流之間的關系稱之為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 對于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標要求計算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動態(tài)性能可能較差，或根本達不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量。但是采用PI調(diào)節(jié)器之后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能是否滿足當時并未提及。通過下面的討論我們將看到，將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。323.雙閉環(huán)直流調(diào)速 (1)雙閉換調(diào)速系統(tǒng)原理圖  圖10 雙閉換調(diào)速系統(tǒng)原理圖 (2)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖11

12、靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖兩個調(diào)節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)兩個PI調(diào)節(jié)器均設置有限幅 ；一旦PI調(diào)節(jié)器限幅（即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反極性的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達限幅時，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中趨于零，而在穩(wěn)態(tài)時為零電流檢測采用三相交流電流互感器 電流、轉(zhuǎn)速均實現(xiàn)無靜差。由于轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，所以系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時， 轉(zhuǎn)速和電流均為無靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入無偏差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差(3)雙閉調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性 圖12動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(4)抗負載擾動

13、作用由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗負載擾動作用的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之外，轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在抗負載擾動方面和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只能依靠轉(zhuǎn)速環(huán)來進行抗擾調(diào)節(jié)。（5）抗電網(wǎng)電壓擾動 圖13 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖知：電網(wǎng)電壓擾動在電流環(huán)之內(nèi)，電壓擾動尚未影響到轉(zhuǎn)速前就已經(jīng)為電流環(huán)所抑制。因而雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓擾動引起的動態(tài)速降（升）比單閉環(huán)小得多。3.24.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點： 具有良好的靜特性(接近理想的“挖土機特性”)。 具有較好的動態(tài)特性，起動時間短(動態(tài)響應快)，超調(diào)量也較小。 系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動

14、的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差 由兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進行設計，分別調(diào)整(先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán))，調(diào)整方便。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械特性的硬度大大提高。在相同負載下兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 它們的關系是 顯然，當開環(huán)放大系數(shù)K很大時，要比小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。當理想空載轉(zhuǎn)速相同，即時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)的靜差 率為 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為: 由于，而相同負載下，所以Scl和Sop之間的關系為 （3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。假如電動機的最高轉(zhuǎn)速相同，對靜差率的要求也相同，那么，根據(jù)式（8.8），當開環(huán)時 閉環(huán)時 再考慮

15、到式，得 （4）當給定電壓相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 兩者的關系為 閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速大大降低。如果要維持系統(tǒng)的運行速度不變，使，閉環(huán)系統(tǒng)所需要的要為開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。因此，如果開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)使用同樣水平的的給定電壓，又要使運行速度基本相同，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。因為在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于引入了轉(zhuǎn)速反饋電壓Un，偏差電壓必須經(jīng)放大器放大后才能產(chǎn)生足夠的控制電壓Ucl。開環(huán)系統(tǒng)中，和Ucl屬于同一數(shù)量級的電壓，可以不必設置放大器。而且，上面提到閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三項優(yōu)點，都是K越大越好，也必須設置放大器。（三)驅(qū)動系統(tǒng)及電路的設計脈寬調(diào)速（PULSE WIDE

16、 MODULATIONPWM）較常用的 一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用PWM方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動機電機轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機就就停轉(zhuǎn)。直流電機的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機再次接通，電動機因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號）就可以使電動機的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。 圖脈沖信號圖Vmax

17、為電動機的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin為電動機的最小轉(zhuǎn)速值，VD為二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc稱為占空比，D越大VD就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間關系如圖3.6所示：由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此，電動機的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。 圖3.6 VD/D關系圖PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：雙向式：在一個脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1和T3導通時間為Ta,T2和T4導通時間為Tb，這樣在Ta這段時間內(nèi)，電機通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為反相電流。當Ta=Tb時電機停轉(zhuǎn)，Ta>Tb電機正轉(zhuǎn)，

18、Ta<Tb電機反轉(zhuǎn)。單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機正轉(zhuǎn)時，Tb這段時間內(nèi)不通過反相電流；電機反轉(zhuǎn)時，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導通而造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差;外特性、低速性也不如雙向式好?？紤]到編程時可能會產(chǎn)生使T1、T2、T3、T4都導通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現(xiàn)這種情況，設計了圖3.7所示的電路:此電路只用一個三極管控制電路的通斷，用四個繼電器控制電流流向，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。由于采用單片機控制電機，如果單片機的電源采用與電機同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但單片機仍然容易受到電機以及繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電隔離，單片機和