直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的建模與仿真-翻譯.doc

譯文直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的建模與仿真摘要 直流串勵(lì)電機(jī)是需要高轉(zhuǎn)矩/速度之比為機(jī)電應(yīng)用的首選。本文描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種開(kāi)環(huán)直流電機(jī)的速度控制,這是基于一個(gè)微控制器和IGBTs。不斷嘗試的設(shè)計(jì)既昂貴又費(fèi)時(shí)。這樣的問(wèn)題就解決了這里利用模擬工具,可以預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)行為系統(tǒng)的機(jī)械和電子組件組成的。沿著紙的模擬顯示提供令人滿(mǎn)意的協(xié)議與實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果。簡(jiǎn)介 直流串勵(lì)電機(jī)牽引通常應(yīng)用需要高扭矩/速度之比的情況。這些都是電動(dòng)輪椅,高爾夫球車(chē)、升降機(jī)、起重機(jī)、致動(dòng)器的武器等。8。在一個(gè)典型的應(yīng)用包括人類(lèi)操作員駕駛一臺(tái)直流電機(jī)通過(guò)一個(gè)油門(mén)踏板或一根桿。電子系統(tǒng)規(guī)范電力輸入一部電機(jī)按照踏板或杠桿的立場(chǎng),習(xí)慣上被稱(chēng)為速度控制。這樣的一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用在開(kāi)環(huán)或是閉環(huán)情況下8。而閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用要求精度高,有很多情況下的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)就夠了。本文是關(guān)于后者。 一個(gè)典型的直流電機(jī)的速度控制往往具有其內(nèi)在的訊號(hào)產(chǎn)生和處理模擬電路和功率驅(qū)動(dòng)階段MOSFET模塊由幾個(gè)平行1。這個(gè)典型的控制,可改善其模擬功能取代或優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與數(shù)碼照片,除此之外,每個(gè)平行布置,替代mosfet與一個(gè)單一的IGBT模塊9。改進(jìn)后的控制也因此結(jié)果更可靠、低成本和更簡(jiǎn)單的生產(chǎn)。一種開(kāi)環(huán)的數(shù)字速度控制的基礎(chǔ)上,最后提出了一種IGBTs和這里發(fā)展起來(lái)的。本文的主要目的,不過(guò)是呈現(xiàn)方法論受雇于這些作者為開(kāi)發(fā)出的原型提出工作速度控制。 設(shè)計(jì)原型通常是實(shí)現(xiàn)機(jī)電由一個(gè)嘗試和錯(cuò)誤的過(guò)程,其中,大部分是非常昂貴又費(fèi)時(shí)。它提出了在此可以減輕弊端,通過(guò)合理結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬本質(zhì)上和實(shí)驗(yàn)室測(cè)驗(yàn)。結(jié)合模擬的電動(dòng)馬達(dá)和它的速度控制做成很簡(jiǎn)單的模型運(yùn)用為電機(jī)和/或?yàn)殡娮涌刂颇K第1、8、12。 這里的工作報(bào)告,詳細(xì)電機(jī)模型開(kāi)發(fā)的。然后,該模型為達(dá)到調(diào)整好很近的模擬和匹配的實(shí)際性能試驗(yàn)臺(tái)被作為測(cè)驗(yàn)電機(jī)。后來(lái),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(jī)和電機(jī)速度控制運(yùn)用于精煉和調(diào)試該控制器設(shè)計(jì),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(jī)電從MathWorks MATLAB-SIMULINK11,INTUSOFT香料, Mentor Graphics Mechatronics Library,打個(gè)比方,PSPICE軍刀從7從OrCad等。當(dāng)一些這些包裹提供通用模型的各種電力電子設(shè)備和/或機(jī)電組件的使用,其他制造商提供方便specic裝置模型以及用戶(hù)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(dá)到的一個(gè)與實(shí)際之間的模擬和實(shí)際性能。關(guān)于PSPICE的使用,制造商都提供了模型和用戶(hù)模型物的開(kāi)發(fā)。后者是通過(guò)延長(zhǎng)稱(chēng)為模擬行為建模(ABM)7。由于這個(gè)原因,其成本相對(duì)較低,PSPICE被用于工作報(bào)告了這里。在以前的工作,由其他作者的反彈道導(dǎo)彈已應(yīng)用于施工做了詳細(xì)的IGBT模型3。本文采用,而反彈道導(dǎo)彈建設(shè)的直流系列電動(dòng)機(jī)模型,詳細(xì)的IGBTs和其他電子設(shè)備為手段的廠家提供的模型。2。對(duì)直流電機(jī)的速度控制的主要功能 油門(mén)踏板為電動(dòng)馬達(dá),通常是耦合機(jī)械變阻器,翻譯其位置輸入電壓信號(hào)反饋到速度控制。第一個(gè)函數(shù)為這個(gè)控件是因此制約的踏板信號(hào)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(hào)中包含的后代,也會(huì)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(gè)功能是向客戶(hù)提供的轉(zhuǎn)速控制所需的功率直流電機(jī)。這是進(jìn)行控制的功率輸出階段通常由電力半導(dǎo)體元件:二極管整流器、IGBT,MOSFET等,6。第四個(gè)也是最后一個(gè)功能被認(rèn)為是在這里就是提供保護(hù)機(jī)制為控制的本身,因?yàn)殡姍C(jī)和權(quán)限的用戶(hù)。主要保護(hù)的一個(gè)列表功能如下:1.充分保護(hù)的啟動(dòng)電壓。2.在對(duì)抗繞組過(guò)載電流。3.保護(hù),防止踏板的信號(hào)的損失。4.對(duì)于低電池電壓保護(hù)。5.保護(hù),防止高溫。6.缺乏保護(hù)開(kāi)關(guān)信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)門(mén)。3。所提出的設(shè)計(jì)為一個(gè)直流電機(jī)的速度控制 當(dāng)前數(shù)字技術(shù)優(yōu)勢(shì)提供幾個(gè)明顯的功能模擬的產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)和處理的方法保護(hù)信號(hào)的直流電機(jī)的速度控制。一個(gè)單處理器取代模擬模塊和與之相關(guān)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(shí)也可以提高其可靠性。圖1顯示一個(gè)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(hào)進(jìn)行如圖2號(hào)。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(shí)現(xiàn)的功能損失的保護(hù)踏板的信號(hào)。然后OpAmp輸出的1進(jìn)入D1允許兩種不同的時(shí)間常數(shù),一為加速和其他為減速。價(jià)值觀與圖中后者是47 ms,前者是至少738ms根據(jù)R。最后,通過(guò)RC電路輸出注入到OpAmp微控制器的第2的A / D轉(zhuǎn)換器。 來(lái)產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)信號(hào),Vcond從圖2電路輸入微控制器的第一個(gè)A / D轉(zhuǎn)換器輸入。因此Vcond表面256的水平,他們每個(gè)人都作為一個(gè)地址為微控制器的E2的舞會(huì)。相應(yīng)的記憶細(xì)胞包含預(yù)定脈沖持續(xù)時(shí)間等。這樣的脈沖寬度的各不相同,根據(jù)Vcond 256個(gè)步驟。采用離散線性變化在這里為原型的實(shí)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(hào)驅(qū)動(dòng)蓋茨門(mén)是經(jīng)過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)級(jí)中包含一個(gè)光電隔震和日”的活動(dòng)。這是顯示在圖3。至于電力電子階段,一個(gè)完整的DC直流轉(zhuǎn)換器與四IGBTs H-bridge并聯(lián)二極管及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)烈建議6。這里的工作報(bào)告,然而,只有一個(gè)分支,這座橋是實(shí)施的形式顯示在圖4。這個(gè)部門(mén)被要求去做作為下臺(tái)轉(zhuǎn)換器6。 除了保護(hù)損失的踏板,另一種是執(zhí)行上述保護(hù)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(hào)通過(guò)傳遞由這些裝置送入微控制器通過(guò)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(dòng)機(jī)模型模擬行為模塊4.1電機(jī)公式摘要機(jī)電方程,描述行為的直流系列電動(dòng)機(jī)給出如下。電平衡方程在2、8:Vs是與兩個(gè)繞組并聯(lián)電壓、Ea是電動(dòng)勢(shì)(emf),Rt總串聯(lián)電阻,是當(dāng)前通過(guò)繞組和串勵(lì)的電感。 Is 試穿過(guò)線圈的電流 Lt是整個(gè)串勵(lì)的電感，Ea的關(guān)系與磁通和角速度x是2、8Ka是一種交流電機(jī)常數(shù)。研制的電磁轉(zhuǎn)矩和直流電機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩、B是粘滯摩擦常數(shù)和J是馬達(dá)轉(zhuǎn)子和軸慣性。繞組的磁符合多種齒輪油標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)電流有關(guān)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(yīng)。4.2。 模擬行為建模的直流系列電動(dòng)機(jī) Eqs(1)-(5)提供了一個(gè)數(shù)學(xué)模型,為直流系列電動(dòng)機(jī)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(gè)串聯(lián)支路對(duì)應(yīng)Eq的元素。(1)。值得注意的是動(dòng)勢(shì)項(xiàng)“Ea”是注入到這個(gè)分支從模塊2由一個(gè)電壓控制電壓源的單位增益。這個(gè)機(jī)構(gòu)還包括在控制電壓源是當(dāng)前一個(gè)單位增益作為那些電流傳感器。所要求的感覺(jué)到電流模塊3和5在計(jì)算兩個(gè),磁通及電磁轉(zhuǎn)矩瞬變電磁法Tem。 實(shí)際上是一種磁性標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的中間變量,Ea。在結(jié)合(5)和（2） 磁化特性的電動(dòng)馬達(dá)的通常是按照一組測(cè)量點(diǎn)的Ea vs。一個(gè)合為一體,取得了180:6 x0 rad / s值的角速度。這個(gè)值通常相當(dāng)于電機(jī)銘牌的名義或速度。讓Ea0 x0表示這特征。根據(jù)(6),為不同價(jià)值x2: 圖五模型5的實(shí)際上是與非線性曲線Ea0或測(cè)量.是這方面的例子是由圖6指出。應(yīng)當(dāng)指出,為實(shí)施報(bào)告了這里的遲滯被忽視了。2其實(shí)實(shí)現(xiàn)模塊式(7)其輸出是電動(dòng)勢(shì)反饋到模塊1。 除了Ea0輸入模塊,另2是角速度計(jì)算模塊4對(duì)應(yīng)于Eq。(4)。在忽略Bx、粘滯摩擦的術(shù)語(yǔ),這類(lèi)方程產(chǎn)量 很明顯即從圖4那模塊4實(shí)現(xiàn)這個(gè)最后的方程。在結(jié)合Eqs。(2)、(3)到(7)下列表達(dá)式的電磁轉(zhuǎn)矩 模型3的實(shí)現(xiàn)是最后一個(gè)方程 這四種電機(jī)模型被用來(lái)繁殖操作的一種可行的1點(diǎn)直流系列電動(dòng)機(jī)。首先,Lt,Rt和J參數(shù)測(cè)量的電機(jī)。然后,磁化特性得到了Ea0 vs .是收集了80分,并在圖6中畫(huà)出來(lái)了。接下來(lái),所有這些數(shù)據(jù)被運(yùn)用于圖5模型。最后,各種各樣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了兩個(gè),同時(shí)可以解決電機(jī)和電機(jī)ABM模型。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了以允許renement測(cè)量參數(shù)。ABM電機(jī)模型,此外,實(shí)際上提供了缺少某些特殊的工具,例如:一個(gè)測(cè)功機(jī)。值的變量和參數(shù)用于模擬如下:Rt 55 mX、J 0:06,對(duì)kgm2 12v(摩擦系數(shù),A和A0),Cp一萬(wàn)個(gè)低頻和寄生電感Lc被忽視了。電感簡(jiǎn)直是一個(gè)值隨頻率10。從上的階躍響應(yīng)以下兩種數(shù)值估計(jì)的實(shí)驗(yàn):lH在2100年赫茲和75 Lt 150 lH在2500赫茲。在中間的頻率計(jì)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(dòng)機(jī)速度控制。它由四個(gè)基本積木:踏板信號(hào)護(hù)發(fā)素,單片機(jī),門(mén)司機(jī)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(xì)的使用廠家提供的半導(dǎo)體器件SPICE模型被使用。 表示一個(gè)詳細(xì)的微控制器就沒(méi)有必要,那是不現(xiàn)實(shí)的,除此之外,為桌上型電腦被應(yīng)用于這項(xiàng)工作。這是為代表的選擇而不是只有通過(guò)PWM功能的一個(gè)矩形波發(fā)生器以其脈沖寬度被各不相同,根據(jù)256個(gè)步驟的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器的油門(mén)踏板。之前被注射進(jìn)電動(dòng)機(jī)PWM信號(hào)模型,這些經(jīng)過(guò)大門(mén)的驅(qū)動(dòng)和輸出功率模型。在這里,應(yīng)該提及的,除了保護(hù),防止損失的踏板信號(hào)保護(hù)功能的微控制器及其相關(guān)電路沒(méi)有被包括在這個(gè)模擬器里邊。 詳細(xì)的圖踏板信號(hào)護(hù)發(fā)素是規(guī)定圖2,而圖門(mén)驅(qū)動(dòng)和功率輸出階段是提供在圖3和4。用SPICE的優(yōu)點(diǎn)為建模的訪問(wèn)這些塊是一個(gè)龐大的圖書(shū)館的商用設(shè)備模型4。只有模型是不能在這個(gè)IGBT模塊庫(kù),但是它可以輕易地從制造商的網(wǎng)絡(luò)信息的網(wǎng)站下載。它的物理實(shí)現(xiàn)之前,速度控制香料模型進(jìn)行了測(cè)試ABM。這它的執(zhí)行允許調(diào)試和調(diào)整的初步設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)作為一種仿真得到考慮從70%的責(zé)任周期和頻率的2250赫茲。圖顯示本。7b相同電流測(cè)量得出的實(shí)驗(yàn)。需要注意的是,在這兩個(gè)gures協(xié)議也是令人滿(mǎn)意的。圖8a顯示情節(jié)的穩(wěn)態(tài)電流注入通過(guò)模擬一個(gè)直流電機(jī)獲得50%的責(zé)任周期和頻率2,100赫茲。圖8b提供情節(jié)的相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這兩個(gè)數(shù)字之間的協(xié)議也是令人滿(mǎn)意的。 瞬態(tài)電流注入到電機(jī)啟動(dòng)現(xiàn)在得到了模擬考慮90%責(zé)任周期和頻率的2500赫茲。該電流進(jìn)行了圖示,如圖9a和相應(yīng)的測(cè)量。這兩個(gè)gures中不約而同的山峰上顯示的瞬態(tài)電流可以高達(dá)兩倍的電機(jī)的名義電流。圖10a提供了瞬態(tài)電流在啟動(dòng)時(shí),它是模擬假設(shè)一個(gè)50%責(zé)任周期和頻率2,100赫茲。這gure 10b要比與相適應(yīng)的瞬態(tài)電流獲得了實(shí)驗(yàn)為同一占空比和頻率。 電流瞬變函數(shù)圖。9a和b能導(dǎo)致遭受?chē)?yán)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(dāng)?shù)碾娏﹄娮釉O(shè)備。模擬的另一個(gè)好處是各種各樣的可能性?xún)?nèi)部變量的觀測(cè)系統(tǒng)。圖11比如顯示模擬電動(dòng)部隊(duì)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(jìn)行。Fig.13a和b顯示,模擬電磁轉(zhuǎn)矩,獲得了2Nm負(fù)荷和在,分別90%和50%的占空比?？偨Y(jié)一個(gè)方法來(lái)開(kāi)發(fā)復(fù)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(shí)驗(yàn)室檢查。這種方法得到了進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)展中的一個(gè)轉(zhuǎn)速控制,為一個(gè)1點(diǎn)直流系列電動(dòng)機(jī)。采用仿真工具從這里OrCAD PSPICE及其ABM實(shí)用工具。 PSPICE能詳細(xì)時(shí)表現(xiàn)的電子與電力電子模塊包括制造商提供模塊,ABM實(shí)用工具使精確的描述電機(jī)的機(jī)電特性。合模擬的電機(jī)和電機(jī)速度控制也因此成為可能。這里的協(xié)議之間達(dá)到模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試已經(jīng)令人滿(mǎn)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(jiǎn)單(一分支)電機(jī)模型。ABM模型提供了更現(xiàn)實(shí)的占電機(jī)的特點(diǎn)。它可以進(jìn)一步采取其他開(kāi)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(gè)模型來(lái)適應(yīng)這種相對(duì)輕松地用特定的需求,為其他的發(fā)展。仿真已允許的測(cè)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(yīng)該開(kāi)始了一個(gè)占空比均高于50%。 整體的體驗(yàn)和方法論是它已經(jīng)幫助了大幅減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。這些模型中,當(dāng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)工作,甚至提供了缺乏可靠的專(zhuān)用儀器,如測(cè)功器。他們同樣能夠讓無(wú)法取得的變量的監(jiān)測(cè)像電動(dòng)勢(shì)。一個(gè)顯著的事實(shí)是,沒(méi)有一個(gè)單一的電力電子裝置被燒壞在這個(gè)項(xiàng)目。 最后,正在進(jìn)行的工作是在一個(gè)完整的H-bridge發(fā)展的速度控制,以及對(duì)直流電機(jī)的應(yīng)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(lài)性的電感。 6. 參考文獻(xiàn) 1 Castagnet T, Nicolai J. 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