機電控制及自動化論文講解

1、電機互鎖Mechanical Coupling of Two Motor Drives即雙電機驅(qū)動器的機械耦合 ：為了測試不同的 負載條件下的電機驅(qū)動，必須提供電機軸的變量和雙向負載。此外，一個理想的負載，也應(yīng)該允許從電機到電網(wǎng)吸收的能量作為電能。使用四象限電機驅(qū)動器，可以實現(xiàn)這樣的負載。這兩個馬達驅(qū)動器，可以方便地耦合到正在測試使用的機械軸模型的電機驅(qū)動器。作為速度調(diào)節(jié)電機的 AC4模型被作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)發(fā)電機的DC2加載。用于AC4模型的速度坡道和負載擾動響應(yīng)的測試。其Simulink仿真系統(tǒng)描述如下： 兩個馬達驅(qū)動機械耦合在一起，機械軸模型包含在圖中的第三塊。如果你打開這個塊，你會看到，在機

2、械軸模型的互連，AC4和DC2電機轉(zhuǎn)速信號分別連接到Nm和NL投入的機械軸模型。機械軸模型的輸出TL表示AC4電機傳送到 DC2的發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩。因此，這個輸出直接連接到AC4機械扭矩輸入，然后連接到DC2的機械轉(zhuǎn)矩輸入，在 SPS的兩個相互關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器的圖中可以看到。下面是Simulink仿真圖：btitorSpeed referenceTmConv.Ctrlmotor ACMec_TTorque referenceVa- *4SPh4otorTmSJxAConv.CtrlDC2AWhi-Q-Four-Quad ran t Single-Ph ase Rectifier DC Drivec

3、trl_AC4mWtnDTC Induction Motor Drivemotor DCMultimeter18Discrete,Ts = 5e-006 s.Case stutiy: Mechanical Coupling of Two Motor DrivesLou is-A. Dessaint, H. Fcirtin-Blanchette, c. Semaille (Ecole de technologie superieure. Montreal)Please refer to the SimPuwerSysterns Electric Drives users guide for mo

4、re details on this case study.The Ts1 parameter used in this mod el is set tn 5e-6 by the Model Properties CallbacksF面對系統(tǒng)各部分進行簡要介紹。AC4模塊（三相異步電動機）三相異步電動機仿真模型如上圖所示。實現(xiàn)原理：三相交流電源依次經(jīng)三相二極管整流、三相逆變器和電壓電流測量模塊給異步電動機供電；給定轉(zhuǎn)速加于速度控制器，經(jīng)過磁鏈查表輸出給定磁鏈；給定速度與速度反饋（實際速度）比較后經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號，同時速度控制器模塊輸出控制信號加于電機信號分離器。 子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)矩和

5、磁鏈滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊、磁鏈扇區(qū)判別模塊、電壓矢量開關(guān)表和開關(guān)控制器，給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別與實際轉(zhuǎn)矩和磁鏈取差值， 然后分別經(jīng)過轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈扇區(qū)sector 一起輸入到電壓開關(guān)矢量表中，選擇合適的電壓矢量；電壓電流測量模塊輸出i_ab和VA_abc,送入到轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測模塊，用于計算磁鏈。然后通過直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制交流電動機的運行狀態(tài)。DTC模塊（直接轉(zhuǎn)矩控制）直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque ControlDTC），直譯為直接自控制，這種直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制 和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制模塊結(jié)構(gòu)如下

6、圖所示。轉(zhuǎn)矩給定Torque、磁通給定Flux、電流I_ab和電壓V_abc輸入信號都經(jīng)過采樣開關(guān)，DTC模塊包括轉(zhuǎn)矩和磁通計算、滯環(huán)控制、磁通選擇、開關(guān)表、開關(guān)控制等單元。DTC模塊輸出是三相逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用 6個開關(guān)器件組成的橋式三相逆變器，該逆變器有8鐘開關(guān)狀態(tài)，可得到6個互差60的電壓空間矢量和兩個零矢量。通過改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)控制定子磁鏈的運行軌跡，從而控制交流電動機的運行。I，、便阿址也好iirli墉ibCDJ-W|一iWiU PuIkv直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn) 矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)

7、是用空間矢量的分析方法，以定子磁場 定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。由于轉(zhuǎn)矩和磁通作為電機參數(shù)是被直接控 制的，所以不需要使用類似于 PWM控制中的調(diào)制器來控制頻率和電壓。這種控制方式剔除 了中間環(huán)節(jié)并提升了傳動改變轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度。DTC不需要反饋設(shè)備也可以提供精確的轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下， 以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、 電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩

8、的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小， 因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化 魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。與此同時系統(tǒng)用到了直流斬波器。 直流斬波器是一種把一定形式的直流電壓變換成負載 所需的直流電壓的變流裝置。

9、它通過周期性地快速開通、關(guān)斷，把輸入電壓斬成一系列的脈 沖電壓，改變脈沖列的脈沖寬度或頻率可以相并聯(lián)，通過直流斬波器的斬波作用， 可以調(diào)節(jié)并聯(lián)等效電阻的阻值， 這一過程稱為調(diào)阻。 若將直流斬波器串聯(lián)在電機的勵磁回路中，通過斬波作用調(diào)節(jié)勵磁電流， 從而調(diào)節(jié)電機的磁場大小調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，因此直流斬波器的基本作用是進行直流電壓的變換，即調(diào)壓作用。直流斬波器除了可以調(diào)節(jié)直流電壓外，還可以進行調(diào)阻和調(diào)磁。由直流斬波器和一個固定電阻，這一過程稱為調(diào)磁。因此，直流斬波器具有調(diào)壓、調(diào)阻和調(diào)磁的作用。DC2模塊（四象限單相整流直流電機）ClWnpOJirerlA*aconv_ACls ACmotoL_DC

10、N_rm_DCiaTeTem_ACWC：DC 世日d Tern DC*Scoped*Hconv_DCCDlCtrl DC機械軸模型仿真結(jié)果52.51UOo o O2 2E. N)00.511.522.5300.511522.5320020*. -1 -:irI1T-T11ir- 1iAr!1 T1 -00511.522.53l ij0.511.522.53400E呂2000200-20結(jié)果分析：第一通道信號是AC4電機的輸出電流，開始起動時電流較大，當(dāng)AC4電機工作穩(wěn)定時，電流也隨之減小，當(dāng)1.4s時參考轉(zhuǎn)矩為ONm時，AC4電動機空轉(zhuǎn)，輸出電流基本為0, 1.9s時，DC2模型工作在電動機狀

11、態(tài)，AC4模型工作在發(fā)電機狀態(tài)，輸出電流增加，隨著轉(zhuǎn)速的降低即逐漸將為200rpm，輸出電流也逐漸減小。第二通道信號是電機軸的電磁轉(zhuǎn)矩（AC4模型的轉(zhuǎn)矩），第二通道信號是參考轉(zhuǎn)矩，同時也把它送入AC4模塊中，那么AC4將會對輸入的轉(zhuǎn)矩進行追蹤跟隨，通過參考轉(zhuǎn)矩與電機軸 輸出轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩）之間的對比關(guān)系，從圖中可以很容易的看出在參考轉(zhuǎn)矩在01.4s時，轉(zhuǎn)矩是-10N m，這時DC2工作于發(fā)電機的狀態(tài)，那么此時AC4電機就工作在電動機狀態(tài)，同時因為剛起動的原因有一個負載擾動，所以有一個尖脈沖，緊接著跟隨參考轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過一小段時間轉(zhuǎn)矩平均值穩(wěn)定在了 10 Nm左右，在1.4s的時候參考轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了階躍

12、變?yōu)榱?Nm,那么電動機AC4就在空轉(zhuǎn)，電機軸輸出的轉(zhuǎn)矩也就為0 N m,在1.9s時參考轉(zhuǎn)矩變化為10 N m，這時DC2工作在電動機狀態(tài)， 此時的AC4工作在發(fā)電機狀態(tài)，因為AC4模塊對參考轉(zhuǎn)矩的追蹤跟隨，所以在1.9s后的一小段時間之后，電機軸的輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在了-10N m?？梢钥闯鯝C4電機的性能良好。第三通道信號中的曲線顯示了電機軸輸出轉(zhuǎn)速，電機軸的輸出轉(zhuǎn)速即是AC4電機和DC2電機的轉(zhuǎn)速，我們可以發(fā)現(xiàn)，剛開始AC4電機在01s時電機的轉(zhuǎn)速從0直增加到400rpm ,從1s2.3s電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在400rpm，在2.3s時參考速度將為200rpm，因為AC4電機是跟隨參考 轉(zhuǎn)速的所以也

13、隨之變化為200rpm，并且01s與2.3s的速度變化呈線性，比較平穩(wěn)。AC4電機的轉(zhuǎn)矩。第四通道信號負載轉(zhuǎn)矩信號與第二通道信號相同，即負載轉(zhuǎn)矩反映了第五通道信號為DC2電機的轉(zhuǎn)矩信號，因為 DC2電機對參考轉(zhuǎn)矩的跟隨特性，所以 DC2 電機的轉(zhuǎn)矩曲線除了在參考轉(zhuǎn)矩信號的階躍處稍有波動基本和第二通道信號（參考轉(zhuǎn)矩）一樣。簡要的來說，就是在穩(wěn)定狀態(tài)，AC4電動轉(zhuǎn)矩和速度的象位是相同的，這說明AC4電機運行。DC2的電動扭矩和速度是相反的跡象，這說明DC2的作為發(fā)電機運行。在 t =0秒，-10 Nm的參考轉(zhuǎn)矩施加到 DC2;在t =1.0秒，AC4電機轉(zhuǎn)速達到要求值，400轉(zhuǎn)/秒。在那一刻， A

14、C4電動扭矩下降到10Nm ;在t =1.4秒，0 Nm的參考轉(zhuǎn)矩施加到 DC2, AC4電動扭矩立即下降 到零，以維持調(diào)節(jié)的速度；在 t =1.9秒，+10 Nm的參考轉(zhuǎn)矩施加到 DC2的驅(qū)動器，兩個驅(qū)動 器的速度和扭矩的跡象看，迫使AC4作為一臺發(fā)電機和 DC2作電機；在t =2.3s，負參考-400轉(zhuǎn)/秒的速度斜坡應(yīng)用于AC4;在t =2.8s達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，AC4電動扭矩穩(wěn)定在-10 Nm 也顯示了機械軸的扭矩。助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)sh_hydraulic_power_assisted_steeri ng助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以發(fā)動機輸出的部分動力為能源來增大駕駛員操縱轉(zhuǎn)向的力量，從而使轉(zhuǎn)向操縱

15、輕便，同時轉(zhuǎn)向器的角傳動比還較小，故又能滿足轉(zhuǎn)向靈敏的要求，最初是為了讓一些自重較重的大型車輛能夠更輕松的操作，但是現(xiàn)在已經(jīng)非常普及，它讓駕駛變得更加簡單和輕松，并且讓車輛反應(yīng)更加敏捷，一定程度上提高了安全性。液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機械轉(zhuǎn)向裝置和液壓助力裝置兩部分組成，液壓助力裝置主要由儲油罐、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向助力缸、油量控制閥等組成。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤向左轉(zhuǎn)動時，在轉(zhuǎn)向軸的帶 動下，控制閥也隨之移動，將其中一條油路關(guān)閉，這時另一條油路打開，在動力缸活塞兩端產(chǎn)生壓力差，于是活塞向低壓方向運動，從而產(chǎn)生助力。Simulink仿真模型:模型代表了一個助力轉(zhuǎn)向機制，顯示其所有的主要部件的簡化版本：雙作用液壓缸，旋

16、轉(zhuǎn)閥，固定排量泵，減壓閥，機械負荷，減少駕駛軸慣性，阻尼和剛度，安裝在方向盤和齒 輪的齒條和小齒輪機制之間的扭桿。轉(zhuǎn)動方向盤，使扭桿扭轉(zhuǎn)小齒輪位置。轉(zhuǎn)化為開放連接端口氣缸壓力或排氣線， 根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)閥。 如果變形超過9度的車輪直接連接到小齒 輪的通過扭桿并行安裝的硬盤停止。氣缸移動轉(zhuǎn)向桿，并在同一時間，捻向相反的方向扭轉(zhuǎn)桿，直到閥門處在中立的位置。除了以上說的主要的仿真部件外，還可以看到有液壓油模塊(Hydraulic Fluid)，液壓油管(HP_1, HP_2),方向盤(Steering Wheel)，運動傳感器(Motion Sensor),壓力傳感器(Pressure Sen s

17、or)等。方向盤(Steering Wheel)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1Signal Edild-erMl Angular只DMRR11 ltl RgtHtiionBl Sensor*這里Signal Builder是信號發(fā)生器，Ideal Angular Velocity Sourcel是理想角速度信號源， 其 輸出端R輸出的是角速度，所以 SC端輸出的是角速度，SCA端與理想回轉(zhuǎn)運動傳感器 (IdealRotational Motion Sensor)輸出端A相連，輸出的是角位移，然后經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換模塊(把一個物理信號轉(zhuǎn)換為Simulink輸出信號)輸出到示波器(Input/Output)中。扭力

18、桿(torsion bar)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2RatBticnal Hard StepWlheel and Axle1 KD1一RetaEionBlldsl cteticnsl MolieHn Sensor*TDEF圖2SW端與SC端連在一起，SW端經(jīng)過回轉(zhuǎn)運動傳感器輸出角位移，所以TDEF端輸出的是角位移，SL端輸入的是雙作用液壓缸的線位移，這里的Wheel and Axle模塊是輪軸模塊，A端是與輪軸有關(guān)的端口，P端是與輪外圍有關(guān)的量，經(jīng)過這個模塊，液壓缸實現(xiàn)液壓助力轉(zhuǎn)向。TDEF端的角位移經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換器，將一個物理量轉(zhuǎn)換成一個Simuli nk信號，最終在示波器(Error/System P

19、ressure)中顯示出來。運動傳感器(Motion Sensor)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3Ideal TrdnfldtionalMotion SriorPSS kCQ-JDiscPS2S這里的理想平移的運動傳感器是主要的部件，其P端口是物理信號的輸出端口，這里的物理信號是位置信號。它接收到液壓缸動作并將其轉(zhuǎn)換成液壓缸的線位移輸出出來，最終顯示在示波器(Input/Output)中。壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4Idesl HythELjIiuPnesiurc Sensixp FS SHR1這里的理想液壓壓力傳感器是主要部件，其P端輸出的是壓力值，經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換器得到PS2S2Simuli nk中的信號。最終

20、得到了系統(tǒng)壓力，顯示在示波器(Error/System Pressure)中。轉(zhuǎn)動閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5這里有四個調(diào)速閥用于控制閥端口的開啟，即是控制閥的換向，閥有三種工作狀態(tài)，1、給雙作用液壓缸左腔供液，2、閥處于中位，3、給雙作用液壓缸右腔供液，實現(xiàn)液壓助力。這里的TDEF就是用于控制轉(zhuǎn)動閥工作狀態(tài)的量。Simulink吉果分析方向盤中的信號發(fā)生器(Signal Builder)的信號圖如圖6圖6示波器(Input/Output)的結(jié)果如圖7ZEip-u.-t Ziu.X匚丙Probe- Ei i spl-Bce-mef-tt If mlTiftiw fwtrt. O圖7示波器(Input/O

21、utput)的第一通道信號是液壓缸所產(chǎn)生的線位移，第二通道是方向盤的輸出轉(zhuǎn)角。在方向盤轉(zhuǎn)動一個角度時，會對扭力桿產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)會對其內(nèi)部控制閥工作的部件產(chǎn)生一個力的作用，用來控制閥的工作，使得液壓缸動作，這個扭轉(zhuǎn)的效果最終使得液壓缸產(chǎn)生線位移，因為扭矩的大小和方向盤的轉(zhuǎn)角成正比，所以這個線位移的大小與方向盤的轉(zhuǎn)角成正比的關(guān)系，所以從上圖我們可以看到兩個圖在時間軸上的轉(zhuǎn)折點基本相同，而且兩個圖整體的趨勢相同。這個與現(xiàn)實中的液壓助力轉(zhuǎn)向的原理完全符合。對比圖6與圖7可以發(fā)現(xiàn)在010s這個時間段里，方向盤實現(xiàn)了一個正轉(zhuǎn)向與回轉(zhuǎn)的一個過程，這個過程在圖7的Wheel angle(deg)反映出來是

22、轉(zhuǎn)角為正值，且在大約02s, 4.56s,8.4s10s時方向盤沒有轉(zhuǎn)向，所以方向盤的轉(zhuǎn)角在8.4s10s轉(zhuǎn)角為0，從10s20s則完成了一個反方向的轉(zhuǎn)向和回轉(zhuǎn)， 這個過程在圖7的Wheel angle(deg)中反映出來為轉(zhuǎn)角為負值，且從大約16s開始時方向盤的轉(zhuǎn)角為0。液壓缸的線位移的變化趨勢與方向盤的輸出轉(zhuǎn)角相同。示波器(Error/System Pressure)仿真結(jié)果如圖8OErrorSustem Prejssure0l2-0.4圖9為示波器(Error/System Pressure)的局部圖圖9示波器(Error/System Pressure)的第一通道信號是扭力桿的角位移，

23、第二通道信號是系統(tǒng) 壓力信號。對比圖6和圖8的圖我們可以發(fā)現(xiàn)，信號發(fā)生器發(fā)出的信號與扭力桿的輸出信號在 時間軸是相對應(yīng)的，各個轉(zhuǎn)折點都是一致的。把圖6,圖7與圖8結(jié)合起來看發(fā)現(xiàn)，這里先看0s10s，在2s左右時，方向盤正向轉(zhuǎn)動，扭力桿的轉(zhuǎn)角增加，在6s左右時，方向盤反向轉(zhuǎn)動,這時扭力桿的轉(zhuǎn)角位負值，在 8.4s時方向盤完成了一次正向轉(zhuǎn)動與反向轉(zhuǎn)動，這時扭力桿的 轉(zhuǎn)角為0，10s20s方向盤先是正向轉(zhuǎn)動然后又反向回轉(zhuǎn)，10s時方向盤反向轉(zhuǎn)動，扭力桿轉(zhuǎn)角為負值，且向相反反向增大，在13.85s時方向盤正向轉(zhuǎn)動，所以扭力桿的轉(zhuǎn)角朝正向增大， 最后方向盤完成一次反向轉(zhuǎn)動與正向轉(zhuǎn)動，即一次回轉(zhuǎn)，扭力桿的

24、轉(zhuǎn)角最終為0。在圖9中我們可以清晰的看到系統(tǒng)壓力的變化情況，下面取其中的幾個時間段來研究系統(tǒng)壓力的變化情況。在 6s8s這段時間里，我們看到方向盤反向轉(zhuǎn)動，扭力桿轉(zhuǎn)角為負值， 且反向增加，因為突然換向，這時的系統(tǒng)壓力有一個突然的減小，然后因為要克服外負載接著有著一個增加，在10s12s時，因為方向盤繼續(xù)朝著前一次的方向轉(zhuǎn)動，所以系統(tǒng)壓力直 接就是呈現(xiàn)一個上升的趨勢。實際應(yīng)用中，常見的助力轉(zhuǎn)向有機械液壓助力、電子液壓助力、電動助力三種。下面進 行簡單介紹。機械式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械液壓助力是我們最常見的一種助力方式，它誕生于1902年，由英國人Frederick W.Lan Chester發(fā)明，

25、而最早的商品化應(yīng)用則推遲到了半個世紀之后，1951年克萊斯勒把成熟的液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)應(yīng)用在了Imperial車系上。由于技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得以普及。機械液壓肋力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械液壓助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、V型傳動皮帶、儲油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動機動力輸出轉(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉(zhuǎn)向。機械液壓助力的方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間全部是機械部件連接，操控精準，路感直接，信息 反饋豐富；液壓泵由發(fā)動機驅(qū)動，轉(zhuǎn)向動力充沛，大小車輛都適用；技術(shù)成熟，可靠性高， 平均制造成本低。但由于依靠發(fā)動機動力來驅(qū)動油泵，能耗比較高，所以車輛的行駛動力無形中就被消耗了一部分； 液壓系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，各種控制油液的閥門數(shù)量繁多，后期的保養(yǎng)維護需要成本