電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)課設(shè)報(bào)告

1、 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課設(shè)報(bào)告 課設(shè)題目：電動(dòng)自行車調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì) 小組成員： - -目 錄摘要一、概述二、電動(dòng)車電機(jī)的調(diào)速及電路設(shè)計(jì) （一）永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及基本工作原理 （二）永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) （三）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) （四）無刷直流電機(jī)接線圖摘要 電動(dòng)車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)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(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，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(jìn)步,永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)得到了快速的發(fā)展,它們被廣泛地用于變速驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、兵器、航空、航天和工業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域。因此,合理正

2、確地設(shè)計(jì)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)越來越重要的課題。從本期起分期介紹無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì),主要有:無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,以及連接方式;分?jǐn)?shù)槽繞組;磁路計(jì)算;電路系統(tǒng)的計(jì)算等內(nèi)容。關(guān)鍵字 ： 電動(dòng)車、無刷直流電機(jī)、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(jì)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(dòng)車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力，因此使用電動(dòng)車無疑是一種很有希望的方案。     現(xiàn)代電動(dòng)車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)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(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由4個(gè)主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)及傳感器。目前電動(dòng)車中使用的電動(dòng)機(jī)一般有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。二、系統(tǒng)要求2. 1  電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求  電動(dòng)車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高的。主要有如下幾大方面：    1  電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為(34)，加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn)。  

4、0; 2電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)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(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)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(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，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(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。    4電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)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(dòng)車用電動(dòng)機(jī)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(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維

5、修方便，價(jià)格便宜等。   2.2 鑒于電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求采用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 。  2.2.1永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能 。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)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(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)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(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更

6、高的效率，在電動(dòng)車中有著很好的應(yīng)用前景。   2.2.2 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 。 典型的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種準(zhǔn)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)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(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)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(dòng)機(jī)的不足 。  永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。三、電動(dòng)車電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)及制動(dòng)設(shè)計(jì) 3.1無刷直流電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 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(diǎn)(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(dòng)(2)輸出電

8、壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3)阻感負(fù)載時(shí)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(dòng)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(diǎn)：(1)直流側(cè)串大電感，相當(dāng)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(fù)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(guān)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(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流 功率開關(guān)電源電路域逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與

9、一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一 3.2無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.21調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qiáng)度。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。然后把這個(gè)電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個(gè)信號(hào)的大小進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制。從而控制功率管的導(dǎo)通關(guān)閉的比例以控制電機(jī)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(biāo)要求。根據(jù)自動(dòng)控制原理

10、，為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)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(jìn)行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號(hào)。利用此偏差信號(hào)通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)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(dòng)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(huì)大大降低，從而保證轉(zhuǎn)速的相對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系稱之為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)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(dāng)時(shí)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(dòng)態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實(shí)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(gè)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(gè)PI調(diào)節(jié)器均設(shè)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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達(dá)限幅時(shí)，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(shí)為零電流檢測采用三相交流電流互感器 電流、轉(zhuǎn)速均實(shí)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(shí)， 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(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(4)抗負(fù)載擾動(dòng)

13、作用由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)作用的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)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(fù)載擾動(dòng)方面和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只能依靠轉(zhuǎn)速環(huán)來進(jìn)行抗擾調(diào)節(jié)。（5）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 圖13 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi)，電壓擾動(dòng)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(dòng)引起的動(dòng)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(diǎn)： 具有良好的靜特性(接近理想的“挖土機(jī)特性”)。 具有較好的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)時(shí)間短(動(dòng)態(tài)響應(yīng)快)，超調(diào)量也較小。 系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)

14、的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差 由兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jī)械特性的硬度大大提高。在相同負(fù)載下兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 它們的關(guān)系是 顯然，當(dāng)開環(huán)放大系數(shù)K很大時(shí)，要比小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同，即時(shí)，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(fù)載下，所以Scl和Sop之間的關(guān)系為 （3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。假如電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速相同，對(duì)靜差率的要求也相同，那么，根據(jù)式（8.8），當(dāng)開環(huán)時(shí) 閉環(huán)時(shí) 再考慮

15、到式，得 （4）當(dāng)給定電壓相同時(shí)，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(guān)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(yùn)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(yùn)行速度基本相同，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。因?yàn)樵陂]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(jí)的電壓，可以不必設(shè)置放大器。而且，上面提到閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，都是K越大越好，也必須設(shè)置放大器。（三)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電路的設(shè)計(jì)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(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng)機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通，電動(dòng)機(jī)因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源（即脈動(dòng)信號(hào)）就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。 圖脈沖信號(hào)圖Vmax

17、為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin為電動(dòng)機(jī)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(guān)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(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此，電動(dòng)機(jī)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(guān)系圖PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：雙向式：在一個(gè)脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1和T3導(dǎo)通時(shí)間為Ta,T2和T4導(dǎo)通時(shí)間為Tb，這樣在Ta這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時(shí)間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，Ta>Tb電機(jī)正轉(zhuǎn)，

18、Ta<Tb電機(jī)反轉(zhuǎn)。單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Tb這段時(shí)間內(nèi)不通過反相電流；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，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(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)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。考慮到編程時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生使T1、T2、T3、T4都導(dǎo)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(shè)計(jì)了圖3.7所示的電路:此電路只用一個(gè)三極管控制電路的通斷，用四個(gè)繼電器控制電流流向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會(huì)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(jī)控制電機(jī)，如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電隔離，單片機(jī)和