自在活塞式斯特林永磁直線發(fā)電機(jī)控制系

1、自在活塞式斯特林永磁直線發(fā)電機(jī)控制系    概述：自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，永磁直線發(fā)電機(jī)具有照應(yīng)快、高效等優(yōu)點(diǎn)，將兩者配套任務(wù)構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率高，浪費(fèi)動(dòng)力，污染小。提出了采用DSP 停止矢量控制的自在活塞式斯特林永磁直線發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了不同任務(wù)階段系統(tǒng)的控制戰(zhàn)略，樹(shù)立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后停止了系統(tǒng)仿真，同時(shí)停止系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)并停止了起動(dòng)階段的實(shí)驗(yàn)。中心詞匯： 駱駝?wù)撐?電機(jī)控制；自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)；永磁直線發(fā)電機(jī)；矢量控制0 引言斯特林發(fā)起機(jī)是一種外燃式循環(huán)回?zé)崾桨l(fā)起機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)封入內(nèi)部的氣體從外部停止加熱和冷卻

2、來(lái)推進(jìn)活塞往復(fù)做工。斯特林發(fā)起機(jī)無(wú)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、燃料多樣化、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)顛簸、噪音小、對(duì)大氣污染小、維修保養(yǎng)輕易等優(yōu)點(diǎn)。自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)（Free-PistonStirling Engine，F(xiàn)PSE）不采用曲柄連桿機(jī)構(gòu),而是活塞與輸入軸之間采用齒輪-齒條裝置聯(lián)接，這一新式結(jié)構(gòu), 使得系統(tǒng)質(zhì)量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊, 而且能量損失增加, 動(dòng)搖性提高, 極大地提高了系統(tǒng)的效率。1直線電機(jī)可以看成旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的演化。將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，再將其圓周展成直線。如此就可以失掉從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演化成的直線電機(jī)。直線電機(jī)對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子側(cè)稱(chēng)為初級(jí)或原邊，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子側(cè)稱(chēng)為次級(jí)或副邊。直線電機(jī)具有照應(yīng)快、高效、高精

3、度等優(yōu)點(diǎn)。隨著制造技術(shù)的提高和釹鐵硼永磁資料的出現(xiàn), 永磁同步直線電機(jī)成為高速、高精、高效驅(qū)動(dòng)方式中最具競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)開(kāi)展方向。2將自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)活塞與永磁直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子銜接(如圖1 所示)，兩者配套任務(wù)構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，可以節(jié)省動(dòng)力，增加排放，提高效率和控制精度。1 控制戰(zhàn)略分析本文中直線電機(jī)采用矢量控制，將直線電機(jī)在dq 軸坐標(biāo)系下完成電壓、電流、磁鏈的解耦，從而將其模擬為直流電機(jī)。采用id = 0的控制方法以及空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制算法停止直線電機(jī)的矢量控制。自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)輸入功率取決于平均氣壓、活塞振幅、熱接納器和熱發(fā)散器之間的溫度比。在發(fā)起機(jī)參數(shù)確定的狀況下，

4、可以經(jīng)過(guò)改動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)行程來(lái)改動(dòng)發(fā)起機(jī)活塞振幅，從而改動(dòng)發(fā)起機(jī)的輸入功率。由于自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)不能自行起動(dòng)，因此在起動(dòng)階段需求由直線電機(jī)任務(wù)在電動(dòng)形狀，其動(dòng)子帶動(dòng)發(fā)起機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)到一定頻率，才干使發(fā)起機(jī)正常任務(wù)。爾后直線電機(jī)任務(wù)在電動(dòng)形狀，由發(fā)起機(jī)帶動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)自在活塞發(fā)起機(jī)由運(yùn)動(dòng)起動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在電動(dòng)形狀。系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制算法，由沖程控制器提供沖程值，如圖2 所示。運(yùn)用空間矢量的方法，將三相交流電流按永磁磁通方向可以分解為直軸和交軸局部，依據(jù)速度的大小和方向計(jì)算交軸參考值，調(diào)理電機(jī)輸入推力的大小和方向，使電機(jī)做正功，將蓄電池貯存的

5、電能轉(zhuǎn)化為發(fā)起機(jī)啟動(dòng)的機(jī)械能。4當(dāng)發(fā)起機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，直線電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在發(fā)電形狀，分為功率調(diào)整和電壓調(diào)整兩種狀況。思考 到電壓的變化遠(yuǎn)快于速度的變化，當(dāng)功率大于發(fā)電功率在額外的浮動(dòng)范圍之外時(shí)，系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)結(jié)構(gòu)的控制算法（如圖2 所示），經(jīng)過(guò)調(diào)整活塞振幅來(lái)調(diào)整發(fā)電功率，使功率維持在額外浮動(dòng)范圍內(nèi)；當(dāng)功率大于發(fā)電功率在額外的浮動(dòng)范圍之內(nèi)時(shí)，再采用電壓環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)結(jié)構(gòu)的控制算法（如圖3 所示），依據(jù)蓄電池電壓反應(yīng)停止PWM 整流，使整流直流輸入電壓堅(jiān)持在適宜的范圍，為蓄電池充電或其他設(shè)備供電。2 系統(tǒng)仿真在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下對(duì)起動(dòng)階段和發(fā)電階段停止系統(tǒng)仿真。永

6、磁同步直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型如式（2）所示：選取不同的形狀變量可區(qū)分樹(shù)立直線電機(jī)電動(dòng)形狀和發(fā)電形狀仿真模塊。5自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)可以等效看作是彈簧阻尼系統(tǒng)，其推力方程為F = k(Xp / 2-x) （3）式中x 為活塞位移（以沖程的一個(gè)極限位置為零點(diǎn)），k 為等效阻尼系數(shù)。由式(1)和式(2)可以樹(shù)立自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)的仿真模型。本文運(yùn)用的永磁同步直線發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為9，動(dòng)子質(zhì)量M = 0.824kg ,直軸電感Ld = 3.01mH ，交軸電感Lq =1.77mH ，極距，定子電樞電阻Rs = 0.448伲?來(lái)盤(pán)宥遠(yuǎn)尤譜榱醇暗拇帕帶 f = 0.0513Wb，并取機(jī)械阻尼系數(shù)為Bv =10

7、 ，有效行程為14mm。系統(tǒng)要求發(fā)電額外功率為1kW，母線直流電壓105V。2.1 起動(dòng)階段仿真起動(dòng)階段的控制系統(tǒng)仿真模型如圖4 所示。仿真距離為從發(fā)起機(jī)沖程的一個(gè)極限位置到另一個(gè)極限位置。設(shè)計(jì)了一個(gè)行程控制器為速度環(huán)提供速度給定信號(hào)，速度給定曲線與位移成正弦半波關(guān)系。區(qū)分設(shè)置沖程為6mm，10mm，14mm 的仿真結(jié)果波形如圖5 所示。波形圖橫軸為時(shí)間t（單位：s），由上而下縱軸區(qū)分為行程控制器給定速度v*（單位：m/s）、直線電機(jī)動(dòng)子速度v （單位：m/s）、位移s（單位：m）。由仿真結(jié)果可知，位移能豚鼠離體回腸平滑肌運(yùn)動(dòng)夠到達(dá)沖程設(shè)置值，即可以抵達(dá)指定位置。實(shí)踐速度能較好跟隨給定速度，整

8、個(gè)行程中速度變化平均，外行程的兩端速度曲線能顛簸下降至零。說(shuō)明動(dòng)子可以顛簸抵達(dá)指定位置完成位置控制。沖程程區(qū)分設(shè)為6mm，10mm，14mm 對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)分約為60Hz，40Hz,25Hz。起動(dòng)階段應(yīng)設(shè)置適宜的沖程從而取得相應(yīng)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)頻率帶動(dòng)自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)起動(dòng)。2.2 發(fā)電階段仿真發(fā)電階段時(shí)，功率調(diào)整和電壓調(diào)整兩種狀況下的控制系統(tǒng)仿真模型區(qū)分如圖6、圖7 所示。仿真結(jié)果如圖8 所示，波形圖橫軸為時(shí)間t（單位：s），由上而下縱軸區(qū)分為母線直流電壓dc V （單位：V）和發(fā)電功率P （單位：kW）。由仿真結(jié)果波形圖可以看出，做功率調(diào)整時(shí),由于位置環(huán)的作用使得發(fā)電功率較為顛簸，母線直流電壓

9、雖一定的動(dòng)搖但動(dòng)搖很?。蛔鲭妷赫{(diào)整時(shí)，由于電壓環(huán)的作用，母線直流電壓較動(dòng)搖，雖然無(wú)位置環(huán)但由于速度變化遠(yuǎn)慢于電壓變化，所以沖程沒(méi)有受太大影響，發(fā)電功率也比擬顛簸。3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件由驅(qū)動(dòng)電路和控制電路構(gòu)成，如圖9 所示。本系統(tǒng)的硬件電路主要由驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩局部構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)板電源、功率驅(qū)動(dòng)及隔離電路、檢測(cè)及隔離電路、維護(hù)電路等局部構(gòu)成；控制電路由TMS320F2812DSP 控制器及外設(shè)、控制板電源、位置檢測(cè)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、缺點(diǎn)信號(hào)處置電路等局部構(gòu)成。    圖9 自在活塞式斯特林永磁直線發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的

10、硬件框圖在驅(qū)動(dòng)電路中，變流器采用智能功率模塊IPM 驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，其內(nèi)部設(shè)有門(mén)極驅(qū)動(dòng)控制電路、缺點(diǎn)檢測(cè)和各種維護(hù)電路等，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。對(duì)直線電機(jī)停止過(guò)壓過(guò)流的硬件維護(hù)，同時(shí)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器獲取直線電機(jī)的三相交流電流、母線電壓電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)線性可變差動(dòng)變送器（LVDT）檢測(cè)以后直線電機(jī)動(dòng)子的位置信號(hào)，輸入到DSP 停止A/D 轉(zhuǎn)化后做相應(yīng)處置?？刂齐娐窊?dān)任完成電機(jī)動(dòng)子位置信號(hào)檢測(cè)、電機(jī)電壓電流信號(hào)的實(shí)時(shí)處置以及矢量控制的計(jì)算，并經(jīng)過(guò)通訊接口與PC 完成人機(jī)交互。由于本系統(tǒng)采用矢量控制，為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，選用TI 公司DSP 控制器2000 系列的TMS320F2812 作為控制

11、器。TMS320F2812 提供了弱小的計(jì)算才干，最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度可達(dá)150MIPS，在電機(jī)數(shù)字化控制和三相逆變器等方面顯得游刃缺乏。3.1.1 電壓電流檢測(cè)電路本文運(yùn)用霍爾電壓傳感器LV25-P 來(lái)檢測(cè)直流母線電壓，降低了功耗并提高了檢測(cè)精度。由于LV25-P 內(nèi)部的其內(nèi)部的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈構(gòu)成強(qiáng)弱電隔離，不需求另外的光電耦合器，使電路結(jié)構(gòu)緊湊牢靠。在檢測(cè)電路輸入端設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路以順應(yīng)DSP 的輸入電壓范圍。直流電壓檢測(cè)電路如圖10 所示。電流檢測(cè)電路包括三相交流電流檢測(cè)電路和直流母線電流檢測(cè)電路。檢測(cè)到的三相交流電流信號(hào)和直流母線電流信號(hào)輸入到DSP 停止A/D 轉(zhuǎn)化，進(jìn)而參與矢量控制的

12、閉環(huán)運(yùn)算。直線電機(jī)繞組為三相星型銜接，滿(mǎn)足基爾霍夫電流定理，三相電流矢量之和為零，所以只需求檢測(cè)兩相即可計(jì)算失掉第三相電流。本文選用LEM 公司消費(fèi)的霍爾電傳達(dá)感器LTS25-NP，該傳感器檢測(cè)精度高，功耗低，內(nèi)部強(qiáng)弱電隔離。A 相交流電流檢測(cè)電路如圖11 所示。直流母線電流檢測(cè)電路原理同三相交流電流檢測(cè)，不同之處在于調(diào)理電路的比例偏置電路的參數(shù)不同。3.1.2 位置檢測(cè)電路本系統(tǒng)選用了 Schaevitz 500MHR 線性可變差動(dòng)變送器（LVDT）作為直線電機(jī)的位置傳感器。LVDT 是一款機(jī)電變送器，它發(fā)生的電子輸入預(yù)期分別式可動(dòng)鐵芯的位移成正比。LVDT 具有無(wú)摩擦測(cè)量、有限分辨率、穩(wěn)固

13、耐用、鐵芯與線圈分別、輸入/輸入隔離、環(huán)境順應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用 Analog Devices 公司消費(fèi)的AD698 芯片對(duì)LVDT 信號(hào)停止調(diào)理。AD698 為L(zhǎng)VDT 的初級(jí)提供激磁信號(hào)，在LVDT 次級(jí)讀取輸入電壓并發(fā)生正比于鐵芯位置的直流電壓信號(hào)，并可以經(jīng)過(guò)外接無(wú)源元件對(duì)輸入信號(hào)停止比例偏置調(diào)理，使之婚配DSP 的輸入范圍。圖12 是運(yùn)用AD698 構(gòu)建的LVDT 信號(hào)調(diào)理電路。3.2 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件包括主順序和中綴處置順序兩局部。系統(tǒng)復(fù)位后，先初始化定時(shí)器、AD 模塊、PWM 模塊等，開(kāi)啟定時(shí)器中綴和PWM 維護(hù)中綴，在中綴條件滿(mǎn)足時(shí)執(zhí)行中綴效勞子順序。主順序的軟件流程圖如圖13

14、 所示。首先停止系統(tǒng)時(shí)鐘、看門(mén)狗等軟件模塊的初始化，初始化AD 模塊、定時(shí)器和PWM 模塊，接著使能T1 定時(shí)器下溢中綴，然軟土路面的越野車(chē)輛平順性后初始化其他參數(shù)，最后做循環(huán)等候中綴INT2。6中綴處置順序流程圖如圖14 所示。進(jìn)入中綴后，計(jì)算DSP 的AD 通道檢測(cè)到的三相交流電流、母線直流電流和電壓以及位置信號(hào)，并計(jì)算出以后速度信號(hào)和電角度。接著停止過(guò)壓過(guò)流判別以維護(hù)系統(tǒng)，一旦發(fā)作過(guò)壓過(guò)流現(xiàn)象立刻中止PWM 信號(hào)的發(fā)生，假設(shè)平安則經(jīng)過(guò)以后速度和位置值判別以后為起動(dòng)階段或發(fā)電階段，做相應(yīng)的控制。4 起動(dòng)階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備所限，運(yùn)用一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)模擬自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)

15、，經(jīng)過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換到直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，原動(dòng)機(jī)銜接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速分析儀測(cè)得直線電機(jī)的輸入功率，同時(shí)測(cè)量直線發(fā)電機(jī)三相輸入電壓及直流母線電壓，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦做相應(yīng)分析。將位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)閉環(huán)后，在空載時(shí)經(jīng)過(guò)改動(dòng)沖程設(shè)置測(cè)得相應(yīng)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)頻率。再將直線電機(jī)動(dòng)子與曲軸連桿機(jī)構(gòu)相連，測(cè)得帶負(fù)載狀況下測(cè)得不同沖程對(duì)應(yīng)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)頻率。沖程-運(yùn)動(dòng)頻率關(guān)系曲線如圖16 所示。5 結(jié)論本文提出了一種將自在活塞式斯特林發(fā)起機(jī)和永磁直線發(fā)電機(jī)配套任務(wù)的發(fā)電控制系統(tǒng)，分析了起動(dòng)階段和發(fā)電階段的控制戰(zhàn)略，同時(shí)在MATLAB/Simulink 環(huán)境下對(duì)兩個(gè)階段停止了系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了控制戰(zhàn)略

16、的可行性。設(shè)計(jì)并完成了軟硬件系統(tǒng)，并停止了起動(dòng)階段的實(shí)驗(yàn)取得了起動(dòng)階段沖程-運(yùn)動(dòng)頻率的關(guān)系曲線，為該發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步研討打下了基礎(chǔ)。 碩士論文網(wǎng)為你提供少量?jī)?yōu)質(zhì)的留學(xué)生論文范文 文獻(xiàn)資料本文來(lái)自： 駱駝?wù)撐? 郭廷杰.關(guān)于斯特林發(fā)起機(jī)和節(jié)能J.江西節(jié)能,1997(4)：14.2 李大,楊慶東.基于DSP 交流永磁同步直線電機(jī)矢量控制系統(tǒng)J. 微計(jì)算機(jī)信息,2007(26):195-196.3 Neill W Lane.Commercialization Status of Free-Piston Stirling MachinesZ.UK:12th International StirlingEngine Conference,September 2005.4 Ahmad M. Ei