雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡的研究

沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGEIPAGE5貴州大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)碰到兩臺(tái)電機(jī)通過某種聯(lián)系作用于同一工作機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。由于同型號(hào)的兩臺(tái)電機(jī)也不可能能做到參數(shù)完全一致，因此兩臺(tái)電機(jī)在共同拖動(dòng)同一負(fù)載的情況下，彼此的負(fù)載就不可能相同，由此容易造成其中的一臺(tái)電機(jī)工作在輕載的狀態(tài)，而另外一臺(tái)電機(jī)工作于過載的狀態(tài)下，出現(xiàn)過熱，容易磨損等問題。為克服這種情況，達(dá)到負(fù)載的合理分配，就必須解決兩臺(tái)電機(jī)的功率平衡問題。本論文針對上述問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)鼠籠式雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)研究。文中首先對雙電機(jī)功率平衡的機(jī)理和條件進(jìn)行了闡述和分析，并進(jìn)行仿真研究；針對雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)中的負(fù)載分配不均問題，提出了采用基于直接轉(zhuǎn)矩控制的主從控制方案，主電機(jī)采用速度控制，從電機(jī)跟隨主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定。關(guān)鍵詞：雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng);功率平衡;主從控制ABSTRACTInthemodernmotioncontrolsystem,twomotorsoftenrunintotheroleofalinkthroughtheworkofagenciesinthesamesystem.Asaresultofthesametypeoftwomotorparameterscannotexactlydragthetwosharedthesameelectricalload,theloadoneachothercannotbethesame,whicheasilyleadtoamotorwhichinstateoflightload,whiletheelectricalworkinastateofoverload,resultinginoverheating,easytowear.Inordertoovercomethissituation,toachieveareasonabledistributionoftheload,itisnecessarytosolvethetwoelectricpowerbalance.

Inthisthesis,totheseissues,wedesignedadoublesquirrel-cagemotordrivecoaxialcontrolsystemofpowerbalanceandtherelatedresearch.First,theelectricpowerbalanceofthedual-mechanismandconditionsofthedescriptionandanalysis,andsimulationstudies,fordouble-motor-drivencoaxialloadunevendistributionproblem,adirecttorquecontrolbasedonthemaster-slavecontrolschemetheuseofspeedcontrolofmainmotor,mainmotorfromthemotortorquetofollowagiven,.

KeyWords:CoaxialDrivenbyTwoMotors;PowerBalance;Master-SlaveControlTOC\o"1-3"\h\u目錄224001緒論 1212281.1氣傳動(dòng)技術(shù)研究概況 1235471.1.1電氣傳動(dòng)控制的主要措施 1125521.1.2電氣傳動(dòng)主要器件 2314011.1.3可控交流電氣傳動(dòng)逐步取代直流傳動(dòng) 2141071.2多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)研究概況 368401.3雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡研究概況 4138801.4本課題研究的意義及主要內(nèi)容 574561.5本章小結(jié) 6222422雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡條件研究 7199952.1雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率不平衡機(jī)理 7274282.2雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡定義 10315792.3雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡條件 1116512.4本章小結(jié) 1273943雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)的建模與仿真 13127053.1籠型異步電機(jī)的物理模型 13116903.2籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 148763.2.1三相坐標(biāo)與兩相坐標(biāo)的變換 14313613.2.2靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換 16272383.2.3籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 1783813.3籠型異步電機(jī)的仿真模型建立 2069913.4籠型電動(dòng)機(jī)特性仿真 239633.5雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型 25284443.6雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)仿真研究 26305673.7本章小結(jié) 2656844雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡控制研究 2737634.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27293644.1.1設(shè)計(jì)思想 27147534.1.2控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 28147784.2控制方案選擇 28291174.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊 29282784.4本章小結(jié) 3512622總結(jié)與展望 368289總結(jié) 3610568展望 3621857致謝 3724860參考文獻(xiàn) 388331附錄A英文原文 3916970附錄B中文翻譯 481緒論1.1氣傳動(dòng)技術(shù)研究概況電氣傳動(dòng)技術(shù)是指用電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)各種類型的生產(chǎn)機(jī)械，交通車輛以及生活中需要運(yùn)動(dòng)物品的技術(shù)；是通過合理使用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械設(shè)備電氣化以及自動(dòng)控制的電器設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)總稱。一個(gè)完整的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)部分：控制部分、功率部分、電動(dòng)機(jī)。電氣傳動(dòng)技術(shù)是電力電子與電機(jī)及其控制相結(jié)合的產(chǎn)物，內(nèi)容涉及電機(jī)、電力電子、控制理論、計(jì)算機(jī)、微電子、現(xiàn)代檢測技術(shù)、仿真技術(shù)、電力系統(tǒng)、機(jī)械、材料和信息技術(shù)等多種學(xué)科。電氣傳動(dòng)技術(shù)誕生于20世紀(jì)初的第二次工業(yè)革命時(shí)期，電氣傳動(dòng)技術(shù)大大推動(dòng)了人類社會(huì)的現(xiàn)代化進(jìn)程。它是研究如何通過電動(dòng)機(jī)控制物體和生產(chǎn)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。隨著傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，由簡單的繼電、接觸、開環(huán)控制，發(fā)展為較復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代，特別是80年代以來，隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電，改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善不斷惡化的環(huán)境，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。1.1.1電氣傳動(dòng)控制的主要措施最早的自動(dòng)控制手段是機(jī)械控制,后來逐步讓位于電氣控制和電子控制。近代的電氣傳動(dòng)控制手段中,電子控制占了很大的比例,常用的電子控制方法有兩種:模擬控制和數(shù)字控制。自20世紀(jì)70年代以來,體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化,把電子控制推上了一個(gè)嶄新的階段,以微處理器為核心的數(shù)字控制成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。目前,常用的微處理器有:單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)和包含微處理器的高級(jí)專用集成電路。由于計(jì)算機(jī)除一般的計(jì)算功能外,還具有邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算的能力,因此數(shù)字控制和模擬控制相比有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):a.數(shù)字控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的各種比較復(fù)雜的控制策略;b.數(shù)字控制系統(tǒng)能夠完成故障的自診斷,提高診斷過程的智能化。在模擬控制過程中,為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高,往往采用閉環(huán)控制,使用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)系統(tǒng)突然收到干擾作用時(shí),輸出量發(fā)生變化,通過負(fù)反饋,在比例積分調(diào)節(jié)器的作用下,使得系統(tǒng)的輸出量回到原來的數(shù)值。只要偏差存在,比例、積分兩部分就同時(shí)起作用。在過渡過程中,會(huì)使輸出量出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,若比例作用太強(qiáng),會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,在采用微機(jī)數(shù)字控制時(shí),可以將比例、積分作用分離開。當(dāng)偏差大時(shí),只讓比例部分起作用,以快速減少偏差。當(dāng)偏差低到一定程度后,再將積分投入,以最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。這樣兩種作用各得其所,避免了相互之間的矛盾,提高了系統(tǒng)的控制性能。1.1.2電氣傳動(dòng)主要器件電力電子變換器是信息流與物質(zhì)能量流之間必需的接口電力電子技術(shù)是信息流與物質(zhì)能量流之間的重要紐帶。如果沒有電力電子變換,沒有弱電控制強(qiáng)電的接口,則信息始終就是信息,不可能真正用來控制物質(zhì)產(chǎn)生?，F(xiàn)在,電力電子技術(shù)的發(fā)展正處于壯年期,新的電力電子器件和變換技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)出來。電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷過三個(gè)平臺(tái):a.晶閘管(SCR);b.GTR和GTO;c.IGBT。目前,市場上能夠廣泛供應(yīng)的IGBT其電壓和電流容量有限,一般只夠中、小容量的低壓電氣傳動(dòng)使用。容量再大時(shí),還得采用GTO,而GTO的可靠性總是不能令人滿意的。于是世界上很多電力電子企業(yè)和研究所都在努力開發(fā)新型的高壓功率開關(guān)器件,已經(jīng)問世的有IGCT、IEGT以及3300—6000V的IGBT等,可供中壓、大容量電氣傳動(dòng)使用。電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展方向是,模塊化和集成化、高頻化、改善封裝、采用新材料(如SIC)等。為電氣傳動(dòng)的信息化、智能化的控制提供了重要基礎(chǔ)和保障。在電力電子變換器中,用于控制直流電機(jī)的主要是由全控器件組成的斬波器或PWM變換器,以及晶閘管相控整流器。用于控制交流電機(jī)的主要是變壓變頻器,其中中、小容量的多為PWM變換器?！?】1.1.3可控交流電氣傳動(dòng)逐步取代直流傳動(dòng)直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)大部分年代里,鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的可控性能,高性能可調(diào)速傳動(dòng)一般都用直流電機(jī),而約占電氣傳動(dòng)總?cè)?0%的不變速傳動(dòng)則采用交流電機(jī),這種分工在當(dāng)時(shí)已成為舉世公認(rèn)的格局。直到20世紀(jì)70年代,由于采用電力電子變換器的高效交流變頻傳動(dòng)開發(fā)成功,結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,工作可靠、維護(hù)方便、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的交流籠型電機(jī)進(jìn)入了可調(diào)速領(lǐng)域,一直被認(rèn)為天經(jīng)地義的交直流傳動(dòng)按調(diào)速分工的格局終于被打破了。此后,交流調(diào)速傳動(dòng)主要沿著下述三個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用：a.一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速;b.高性能交流調(diào)速系統(tǒng);c.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流傳動(dòng)。交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速,交流傳動(dòng)中一般采用交—直—交變頻。變頻調(diào)速就是把50HZ的交流電源變成直流電,再把直流電逆變成不同頻率的交流電,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將由變換后的電源頻率來控制的調(diào)速的方法。國民經(jīng)濟(jì)要可持續(xù)發(fā)展,就必須節(jié)約能量。采用變頻調(diào)速以后,節(jié)約電能的效果是相當(dāng)可觀的。在實(shí)際的電氣傳動(dòng)中,應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)大約占40%,而實(shí)際應(yīng)用變頻調(diào)速的只占5%左右。交流變頻調(diào)速還有待進(jìn)一步推廣應(yīng)用。隨著信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,電氣傳動(dòng)技術(shù)將向著網(wǎng)絡(luò)化控制與管理的方向邁進(jìn)。1.2多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)研究概況電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)是機(jī)械技術(shù)、電力電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一門新興的跨學(xué)科的綜合性科學(xué)技術(shù)。它的主要的控制對象是電動(dòng)機(jī)，主要控制參數(shù)是位移、速度和相位。隨著工業(yè)的發(fā)展，對各種機(jī)械性能和產(chǎn)品質(zhì)量要求的逐漸提高，單單針對一臺(tái)電機(jī)的控制在某些場合己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高科技發(fā)展的要求，而要人們控制多臺(tái)電機(jī)，讓其更好地協(xié)調(diào)運(yùn)行。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者針對多電機(jī)同步技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究工作，在理論和實(shí)踐上都取得了一定的進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)電機(jī)同步的方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也不斷發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段:第一階段:剛性傳動(dòng)或柔性傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步;第二階段:振動(dòng)同步或電軸同步;第三階段:控制同步或控制同步與振動(dòng)同步相結(jié)合的復(fù)合同步。隨著控制理論和方法的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)同步不僅已成為現(xiàn)實(shí)，而且也獲得了良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)同步的方法也逐漸過渡到第三階段。多電機(jī)的同步控制主要有多電機(jī)的非藕合控制和交叉藕合控制，多電機(jī)非交叉藕合控制涉及到的控制策略均是針對每一軸，也就是該電軸針對的電機(jī)而對其他電機(jī)具有不可見性，雖然采取有效的控制策略在某種程度上能夠提高控制效果，但是對于整個(gè)多電機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，還是有很大的局限性。非藕合控制的一個(gè)共同的難點(diǎn)是由于各電機(jī)之間的動(dòng)態(tài)性能不可能完全一樣，并且由于受到負(fù)載干擾和噪聲干擾等許多因素的影響，各電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能也是在不斷變化的。因此針對提高每一個(gè)電機(jī)控制精度，而對其它電機(jī)具有不可預(yù)見性的多電機(jī)非交叉藕合控制策略顯然不能達(dá)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高精度控制系統(tǒng)的要求。現(xiàn)今這方面的研究已經(jīng)取得比較大的進(jìn)展，如Koren于1980年提出交叉藕合補(bǔ)償控制策略等。由于同步控制涉及到控制多個(gè)電機(jī)，因此多變量控制成為同步控制的基本控制算法。這種同步控制主要有兩種結(jié)構(gòu)方式:一是對等控制方式，即要求多個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子跟蹤同一個(gè)指令性指標(biāo)，如速度、相位等;二是主從控制方式，即選擇系統(tǒng)中的一個(gè)電動(dòng)機(jī)為主動(dòng)電機(jī)，而其余電動(dòng)機(jī)為從動(dòng)電機(jī)，控制從動(dòng)電機(jī)來跟蹤主動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。多電機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般是用于具有多個(gè)工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械上，運(yùn)行中的多臺(tái)電機(jī)一般需要考慮同步的問題，否則在運(yùn)行過程中，由于彼此的速度不同步，造成打滑等現(xiàn)象發(fā)生，近年來，在雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的研究方面，主要分為兩個(gè)方面：一是對雙電機(jī)速度同步問題的研究；另外一個(gè)方面是針對雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)過程中，功率平衡問題的研究。在國外同步控制技術(shù)得到了長足的發(fā)展，國內(nèi)也取得了相當(dāng)?shù)某煽僛4]。在國內(nèi)的各大工程中同步控制技術(shù)亦得到了大量的應(yīng)用，例如:三峽工程永久船閘人字門開門同步控制技術(shù)應(yīng)用;上海東方明珠廣播電視塔鋼天線桅桿整體提升同步控制技術(shù)應(yīng)用:北京西客站主站鋼門樓整體提升同步控制技術(shù)應(yīng)用;北京首都機(jī)場四機(jī)位庫網(wǎng)架五面整體提升同步控制技術(shù)應(yīng)用;航天部門研制空中武器和模擬飛行器空中飛行的三軸飛行姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制中的同步控制技術(shù)應(yīng)用;首鋼4號(hào)高爐環(huán)形吊車雙電機(jī)同步控制等等。通過同步控制技術(shù)在這些重大工程中的研究和應(yīng)用，可見同步控制技術(shù)在我國得到了很大的發(fā)展，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.3雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡研究概況對于雙（多）電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)，主要分為協(xié)調(diào)傳動(dòng)控制和多電機(jī)拖動(dòng)控制，協(xié)調(diào)傳動(dòng)控制主要針對傳送帶等需要速度和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)的控制，多電機(jī)拖動(dòng)控制主要是指本項(xiàng)目研究的功率平衡或者轉(zhuǎn)矩平衡。在許多生產(chǎn)線上，為了減少機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加快過渡過程以及過渡中的能量損耗，經(jīng)常采用兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)。例如，鋼鐵、銅、鋁冷軋機(jī)的主軋機(jī)和卷取機(jī)設(shè)備，高速線材的精軋機(jī)等。當(dāng)兩臺(tái)及以上電機(jī)通過某種聯(lián)系（可以是剛性的、差動(dòng)的或者摩擦的）作用于同一工作機(jī)構(gòu)時(shí)，就構(gòu)成了這種多電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)載的系統(tǒng)。只要是這種系統(tǒng)就存在一個(gè)功率平衡或者說負(fù)載的合理分配問題，關(guān)于雙直流電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)載的系統(tǒng)，一般是采用在電樞電阻Ra較小的電樞內(nèi)串接電阻或者在磁通Φ較大的勵(lì)磁電路內(nèi)串接電阻實(shí)現(xiàn)負(fù)載的合理分配。如果電源電壓允許較高時(shí)，也可采用電樞串聯(lián)聯(lián)接的方式實(shí)現(xiàn)。在龍門刨及船舶推進(jìn)器中都有應(yīng)用實(shí)例。關(guān)于雙異步電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)載的系統(tǒng)，一般是為了擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍，經(jīng)常是使一臺(tái)電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，而另一臺(tái)電機(jī)工作于制動(dòng)狀態(tài)，改變兩種狀態(tài)的特性，可得到一系列的系統(tǒng)合成特性，并可獲得穩(wěn)定的低速。本文探討的是雙鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)同一生產(chǎn)機(jī)械的功率平衡。對于本課題研究的雙鼠籠式異步電機(jī)的功率平衡系統(tǒng)，目前在工程上主要采用電機(jī)配對的方式解決功率平衡問題，但該方法主要是解決同廠家、同型號(hào)電機(jī)的功率平衡問題，而且，運(yùn)行一段時(shí)間后，由于參數(shù)的變化，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。如果一旦一臺(tái)電機(jī)損壞，必須重新進(jìn)行配對，系統(tǒng)的可維護(hù)性差【3】。1.4本課題研究的意義及主要內(nèi)容由于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)立軸式破碎機(jī)產(chǎn)品基本上都采用了鼠籠電機(jī)，但都沒有帶功率平衡控制系統(tǒng)。具體分析，主要有兩方面的原因：一是功率平衡系統(tǒng)的增加將加大產(chǎn)品投資；二是鼠籠電機(jī)功率平衡系統(tǒng)應(yīng)用存在一定的難點(diǎn)，成熟的功率平衡系統(tǒng)主要采用直流電機(jī)或者繞線式異步電機(jī)。通過本項(xiàng)目的研究，一方面可以形成鼠籠式雙異步電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡控制的相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)；另一方面在于控制精度高、響應(yīng)速度快的立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本課題的主要研究內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：（1）分析雙電機(jī)功率不平衡的機(jī)理和平衡的條件；根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立起雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)仿真模型，進(jìn)行仿真研究。（2）針對系統(tǒng)控制的要求，提出和設(shè)計(jì)控制方案，建立系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)方案的可行性進(jìn)行研究。1.5本章小結(jié)本章首先介紹了電氣傳動(dòng)技術(shù)研究的發(fā)展概況及趨勢，同時(shí)介紹了多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)研究發(fā)展的概況，包括同步驅(qū)動(dòng)的發(fā)展歷程、控制方式等，另外也介紹了國內(nèi)同步驅(qū)動(dòng)的研究應(yīng)用實(shí)例。接著介紹了雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)功率平衡研究的概況，闡述了本課題研究的意義及主要內(nèi)容。為下面的章節(jié)的鋪陳做了一個(gè)鋪墊和一個(gè)綜述。2雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡條件研究2.1雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率不平衡機(jī)理即便是型號(hào)和生產(chǎn)廠家完全一樣的兩臺(tái)電機(jī)，由于制造上的原因，機(jī)械特性往往也是不會(huì)一樣的，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同軸聯(lián)接拖動(dòng)同一生產(chǎn)機(jī)械時(shí)，兩機(jī)都處于電動(dòng)狀態(tài)（如圖2-1），以兩臺(tái)電機(jī)機(jī)械特性曲線線性段進(jìn)行分析，設(shè)兩臺(tái)電機(jī)共同工作時(shí)的總負(fù)載力矩為，轉(zhuǎn)速為，電機(jī)1和2上承擔(dān)的負(fù)載力矩為、，則：，其機(jī)械特性如圖2-2所示。圖2-1雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)圖2-2雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械特性圖2-2表示了兩臺(tái)電機(jī)剛性聯(lián)接拖動(dòng)同一生產(chǎn)機(jī)械時(shí)的機(jī)械特性，其中特性1是電機(jī)1的機(jī)械特性，是電機(jī)1承擔(dān)的負(fù)載，特性2是電機(jī)2的機(jī)械特性，是電機(jī)2承擔(dān)的負(fù)載，特性3是合成的機(jī)械特性，是總負(fù)載。由圖可見，合成的機(jī)械特性比單臺(tái)機(jī)械特性硬。同時(shí)可以看出小于Mg/2大于Mg/2，表明負(fù)載不能在兩臺(tái)電機(jī)之間平均分配，電機(jī)M2承擔(dān)的負(fù)載較重，電機(jī)1承擔(dān)的負(fù)載較輕。功率不平衡，由此產(chǎn)生的效果就是兩臺(tái)電機(jī)中一臺(tái)容易產(chǎn)生過熱，而另一臺(tái)負(fù)載不足，沒有得到充分的運(yùn)用。設(shè)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)1、2的額定功率分別為、，設(shè)電機(jī)1的額定轉(zhuǎn)差率為，設(shè)電機(jī)2的額定轉(zhuǎn)差率為，在電機(jī)的工作特性區(qū)段（即指1>s>0）上，電機(jī)1的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速為，電機(jī)2的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速為，則：，，其中、分別為電機(jī)1、2的實(shí)際額定力矩，、分別為電機(jī)1、2的實(shí)際額定功率。由于電機(jī)工作在=常數(shù)的區(qū)段，可以計(jì)算電機(jī)1和2特性曲線線性工作區(qū)段的斜率為：(2.1)(2.1)(2.2)(2.2)為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電機(jī)機(jī)械特性方程：(2.3)(2.3)(2.4)(2.4)電機(jī)合成機(jī)械特性方程可由式（2.3）（2.4）得出：(2.5)(2.5)(2.6)(2.6)電機(jī)合成機(jī)械特性方程：(2.7)(2.7)即：(2.8)(2.8)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，將代入方程（2.8）得出電機(jī)轉(zhuǎn)速：(2.9)(2.9)將代入式（2.3）（2.4）得出電機(jī)1、2承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩情況：：(2.10)(2.10)(2.11)(2.11)(2.12)當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其共同轉(zhuǎn)差率為，電機(jī)1和2都工作在特性穩(wěn)定區(qū)(<0)的線性工作區(qū)段（即=常數(shù)）的區(qū)段。合成特性也將工作在特性穩(wěn)定區(qū)(<0)的線性工作區(qū)段（即=常數(shù)）的區(qū)段。由于機(jī)械特性的不一致，兩臺(tái)電機(jī)的負(fù)載力矩不同（即兩臺(tái)電機(jī)的輸出功率不同），這就是通常所說的負(fù)載分配不均現(xiàn)象。這種現(xiàn)象將隨兩臺(tái)電機(jī)特性差異（的差異）的增大而增大，同時(shí)也隨負(fù)載的增大而增大。(2.12)兩臺(tái)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載（功率）之比為：(2.13)(2.13)當(dāng)兩臺(tái)同功率（）時(shí)，2臺(tái)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載（功率）之比為：以兩臺(tái)同功率異步電機(jī)（同步轉(zhuǎn)速1500rpm）同軸運(yùn)行為例。因制造上的差異其額定轉(zhuǎn)差率不等(即機(jī)械特性有差異，不等)，由于實(shí)際額定轉(zhuǎn)速的不一致，導(dǎo)致兩臺(tái)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載力矩之比的差異情況如下表：表2-1兩電機(jī)負(fù)載力矩對比電機(jī)1實(shí)際額定轉(zhuǎn)速電機(jī)2實(shí)際額定轉(zhuǎn)速147514651.39148014701.49148514751.66149014801.99由于同軸運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行在同一速度下，兩臺(tái)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載力矩之比就是兩臺(tái)電機(jī)輸出功率之比。從表可以看出在額定負(fù)載下，電機(jī)1和2存在嚴(yán)重的負(fù)載不均衡，電機(jī)長期在這種工況下工作，是不合理的，不可能發(fā)揮電機(jī)的功率效用，而且這種差距隨著額定轉(zhuǎn)速的提高，將進(jìn)一步增大。2.2雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡定義定義：當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)行時(shí)，對于任意給定的負(fù)載功率，所謂功率平衡是指兩臺(tái)電機(jī)根據(jù)各自的額定功率等比例出力，即滿足：(2.14)(2.14)(2.15)(2.15)(2.16)即：(2.16)(2.17)(2.17)由于同軸運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行在同一速度下，要實(shí)現(xiàn)功率平衡（即實(shí)現(xiàn)按額定功率等比例出力），只需要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的輸出力矩平衡（即實(shí)現(xiàn)按額定力矩等比例出力），根據(jù)以上考慮，我們推論如下：推論1：當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)行時(shí)，對于任意給定的負(fù)載力矩，所謂功率平衡是指兩臺(tái)電機(jī)根據(jù)各自的額定功率等比例出力，即滿足：(2.18)(2.18)(2.19)(2.19)即：(2.20)(2.20)(2.21)(2.21)證明：根據(jù)定義，要求(2.22)(2.22)由于同軸運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行在同一速度下，假設(shè)運(yùn)行速度為n。(2.23)(2.23)(2.24)(2.24)2.3雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡條件根據(jù)(2.25)(2.25)(2.26)(2.26)可以得到兩臺(tái)電機(jī)的輸出力矩為與實(shí)際額定力矩之比：(2.27)(2.27)(2.28)(2.28)兩臺(tái)電機(jī)的輸出功率為與額定功率之比：(2.29)(2.29)(2.30)(2.30)即要求：(2.31)(2.31)即要求：(2.32)(2.32)(2.33)(2.33)(2.34)(2.34)要保證上式的成立，只有兩種情況：(2.35)或(2.35)1.即，兩臺(tái)電機(jī)具有相同的額定轉(zhuǎn)速；2.即兩臺(tái)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之和等于同步轉(zhuǎn)速。一般情況下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，情況2是不符合實(shí)際情況的，于是，可以得出兩臺(tái)電機(jī)同軸運(yùn)行功率平衡的條件為：1.同樣的電機(jī)種類；2.兩臺(tái)電機(jī)具有相同的極數(shù)；3.即兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速相等或者說兩臺(tái)電機(jī)具有相同的額定轉(zhuǎn)差率。2.4本章小結(jié)本章首先論述了雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率不平衡的機(jī)理，并進(jìn)行了理論推導(dǎo)和論證；然后闡述了雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡的定義及推論，對推論進(jìn)行了證明；在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡的條件：同樣的電機(jī)種類及兩臺(tái)電機(jī)具有相同的極數(shù)。3雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)的建模與仿真隨著交流傳動(dòng)技術(shù)，特別是變頻調(diào)速技術(shù)、矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，人們對交流傳動(dòng)的研究越來越深入。計(jì)算機(jī)仿真作為研究交流傳動(dòng)的一種重要手段，也越來越受到重視。計(jì)算機(jī)仿真軟件Matlab/Simulink以其簡單易用、建模方式靈活等特點(diǎn)更是深受廣大研究者的青睞。交流傳動(dòng)中的控制對象是異步電機(jī)，異步電機(jī)本身是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、高階次的控制對象，再加之在變頻裝置非正弦供電條件下運(yùn)行，使經(jīng)典的交流電機(jī)理論和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)分析方法不能完全適應(yīng)于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的分析。利用計(jì)算機(jī)仿真方法來研究交流調(diào)速系統(tǒng)是解決這類過程問題的一種有效工具，而電機(jī)仿真模型的好壞直接關(guān)系到仿真結(jié)果的可信度。Matlab/simulink的Powersystem(電力系統(tǒng)工具箱)中帶有d-q-O坐標(biāo)系下異步電機(jī)模型模塊【1】【2】【3】。3.1籠型異步電機(jī)的物理模型根據(jù)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并與同步電機(jī)相比較，則可直接由同步電機(jī)的物理模型引出異步電機(jī)在d-q-0坐標(biāo)系統(tǒng)中的物理模型，如圖3-1所示：其中，下標(biāo)s、r分別表示異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子量，偽靜止繞組ds、qs和實(shí)際定子的三相繞組等效，而靜止繞組d、q和實(shí)際轉(zhuǎn)子繞組等效。圖3-1籠型異步電機(jī)物理模型3.2籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一種高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電機(jī)的模型時(shí)，常作如下假設(shè)：1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；3)忽略鐵芯損耗；4)不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。3.2.1三相坐標(biāo)與兩相坐標(biāo)的變換這里的坐標(biāo)變換是指三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組α、β之間的變換或逆變換，即變量從靜止的a-b-c坐標(biāo)系向靜止的α-β坐標(biāo)系的變換或逆變換【4】【5】【6】。 圖4-2(a)表示了三相繞組A、B、C和兩相繞組α、β各相磁動(dòng)勢矢量的空間位置，各相磁動(dòng)勢的大小是隨時(shí)間變化的。令三相的a軸與等效兩相的α軸重合，由于每一相的磁動(dòng)勢和對應(yīng)的電流成正比，因此也可以用圖3-2(b)電流矢量圖表示。圖3-2三相繞組和兩相繞組磁動(dòng)勢的空間矢量位置和電流矢量位置圖a空間矢量位置b電流矢量位置設(shè)磁動(dòng)勢波形是正弦分布的，根據(jù)等效磁場的假定，則三相繞組的總磁動(dòng)勢與兩相的總磁動(dòng)勢相等，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢在α、β軸上的投影應(yīng)該相等（設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2）(3.1)(3.1)(3.2)(3.2)寫成矩陣形式，得(3.3)(3.3)如果考慮變化前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為(3.4)(3.4)代入式(3-3)得(3.5)(3.5)以上關(guān)系對于磁通也有(3.6)(3.6)對于定子電壓也有(3.7)(3.7)令為從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則(3.8)(3.8)如果要從兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系（2/3變換），可利用增廣矩陣的方法把擴(kuò)展成方陣，求其逆矩陣后，再除去增加的一列，即得(3.9)(3.9)3.2.2靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換α、β兩軸是靜止的，而電流、矢量等旋轉(zhuǎn)矢量卻是以角速度旋轉(zhuǎn)的，故其在α、β兩軸上的投影都是時(shí)變量（交流量）。若將靜止的α、β坐標(biāo)系變換成以角速度旋轉(zhuǎn)的M、T坐標(biāo)系，則旋轉(zhuǎn)矢量在α、β兩軸上的投影，都變成了直流量，這樣異步電機(jī)就可以當(dāng)成直流電機(jī)來控制了。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)如圖3-3所示。圖3-3坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)α、β坐標(biāo)和M、T坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：(3.10)(3.10)(3.11)(3.11)令為兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣，(3.12)(3.12)同理可得兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的變換矩陣(3.13)(3.13)3.2.3籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型采用在αβ坐標(biāo)系下建立的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，其電壓方程式為：(3.14)(3.14)式中，為定子繞組電壓；為定子繞組電壓；為定子繞組電流；為定子繞組電流；為與定子繞組匝鏈的磁鏈；為與定子繞組匝鏈的磁鏈；為轉(zhuǎn)子繞組電流；為轉(zhuǎn)子繞組電流；為與轉(zhuǎn)子繞組匝鏈的磁鏈；為與轉(zhuǎn)子繞組匝鏈的磁鏈；為轉(zhuǎn)子繞組的速度電動(dòng)勢；為轉(zhuǎn)子繞組的速度電動(dòng)勢；P為微分算子。速度電動(dòng)勢為(3.15)(3.15)磁鏈可用電感和電流表示，即(3.16)(3.16)式中，L1表示定子繞組全電感；L2表示轉(zhuǎn)子繞組的全電感；Lm為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。(3.17)(3.17)式中，L11為定子繞組的漏電感；L22為轉(zhuǎn)子繞組的漏電感。將式（3-15）、（3-16）、代入（3-14），可得：(3.18)(3.18)異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為(3.19)(3.19)式中為極對數(shù)，運(yùn)動(dòng)方程為(3.20)(3.20)將式(3-18)寫成(3.21)(3.21) 從式(3-21)可以看出，其電壓方程由電阻壓降、感應(yīng)電勢及旋轉(zhuǎn)電勢三部分組成，其中P是微分算子，u、i為電壓和電流列向量，以異步電動(dòng)機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)子電流為狀態(tài)變量，將式(3-21)寫成(3.22)(3.22)式中：，，為定轉(zhuǎn)子電阻，，為定轉(zhuǎn)子電感，為定轉(zhuǎn)子之間的互感，ω為轉(zhuǎn)子角速度，。 由式(3-22)和以異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度ω為狀態(tài)變量的式(3-20)為異步電動(dòng)機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)仿真模型，同理，在dq坐標(biāo)系下建立的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，其電壓方程為(3.23)(3.23)其電磁轉(zhuǎn)矩方程為(3.24)(3.24)而運(yùn)動(dòng)方程不變，由于dq軸相對轉(zhuǎn)子靜止，因此不存在旋轉(zhuǎn)電勢，但其電壓，需要通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換才能得到，它們是間接的量，如式(3-25)所示，而對于在αβ坐標(biāo)系中其電壓通過靜止坐標(biāo)變換可得到，如式(3-26)所示：(3.25)(3.25)(3.26)(3.26)3.3籠型異步電機(jī)的仿真模型建立異步電機(jī)有4個(gè)輸入端，前三個(gè)接三相交流電源，第4個(gè)為機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸入端。有12路輸出端，但最常用的有以下4路輸出信號(hào)：轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。模型框圖如圖4-4所示：三相交流電源三相交流電源籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸入部分輸出部分圖3-4異步電機(jī)仿真模型框圖下面開始建模，啟動(dòng)Matlab，在命令提示符下輸入simulink，啟動(dòng)simulink模塊，新建一個(gè)仿真模型，如圖3-5所示：圖3-5異步電機(jī)仿真模型異步電動(dòng)機(jī)封裝模塊如圖3-6圖3-6異步電動(dòng)機(jī)封裝模塊三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖3-7所示：圖3-7異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)測量模塊模塊如圖3-8所示：圖3-8異步電動(dòng)機(jī)測量模塊參數(shù)設(shè)置圖以一個(gè)實(shí)際的異步電機(jī)數(shù)據(jù)從動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)方面對上面模型進(jìn)行仿真研究。所用電機(jī)參數(shù)如下表所示：表3-1某籠型異步電機(jī)參數(shù)額定功率Pn2.2KW轉(zhuǎn)子電阻Rr2.65?額定電壓Vn380V轉(zhuǎn)子電感Lr0.0187H額定頻率fn50Hz互感Lm0.3429H定子電阻Rs2.22?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0.4Kg?m2定子電感Ls0.0187H極對數(shù)P2有了電機(jī)基本數(shù)據(jù)，還要對模型中各個(gè)模塊參數(shù)進(jìn)行修改，常用的異步電動(dòng)機(jī)的接法一般有星型接法和三角形接法，在本次仿真試驗(yàn)中采用星型接法。需要作如下參數(shù)配置：電源的3路輸入信號(hào)的初始相位分別設(shè)置為0°，120°，240°電壓設(shè)為220V，頻率為50Hz。3.4籠型電動(dòng)機(jī)特性仿真雙擊電機(jī)模塊，在對話框中的繞組類型中選鼠籠式（Squirrel-cage），這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出端將不顯示，而在其內(nèi)部直接短接。將電機(jī)基本數(shù)據(jù)輸入對應(yīng)的位置。電機(jī)信號(hào)測試分路器中將電機(jī)類型該為異步機(jī)（Asynchronous），同時(shí)輸出選中轉(zhuǎn)子電流，定子電流，轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。仿真的終止時(shí)間設(shè)為8秒，仿真算法為ode15s，相對允許誤差和絕對允許誤差均設(shè)為10-7。對各個(gè)元件的參數(shù)配置完成后就可以進(jìn)行仿真了。負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為20N.M仿真試驗(yàn)中，電機(jī)各參數(shù)仿真曲線如下：圖3-8定子電流曲線圖3-9轉(zhuǎn)子電流曲線圖3-10電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線圖3-11三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線3.5雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型由于兩電機(jī)是屬于硬連接的同軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，速度被強(qiáng)制為一致。電機(jī)間存在耦合關(guān)系，對待這種情況，一方面可以進(jìn)行解耦，然后再分別進(jìn)行研究；另外也可以把兩電機(jī)作為一個(gè)整體來研究?？紤]到本系統(tǒng)中，電機(jī)的解耦相當(dāng)復(fù)雜和困難，因此我們把它們作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。用MATLAB/SIMULINK工具建立的仿真模型如下：圖4-5雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型3.6雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)仿真研究設(shè)置兩個(gè)電機(jī)參數(shù)=0.0187H=0.0187H，=0.3429H=2.22?,2.65，3.65,Np=2,J=0.02,進(jìn)行仿真得到兩個(gè)電機(jī)的負(fù)載分配曲線：圖5-3雙電機(jī)負(fù)載分配曲線由上圖可以看出，由于兩電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)不同，兩電機(jī)各自所承當(dāng)?shù)呢?fù)載不同，在實(shí)際工作環(huán)境中，則一臺(tái)電機(jī)輕載，另外一臺(tái)電機(jī)容易過載，發(fā)熱過量，導(dǎo)致燒壞。同時(shí)也對雙電機(jī)功率不平衡理論進(jìn)行了印證。3.7本章小結(jié)在本章節(jié)中，首先陳述了異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，建立了異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的仿真模型，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，把兩臺(tái)電機(jī)看做一個(gè)整體，建立了雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)的模型，進(jìn)行仿真，可以看出模型符合要求，且對第二章的理論進(jìn)行了印證。4雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡控制研究4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于同型號(hào)的兩臺(tái)電機(jī)也不可能能做到參數(shù)完全一致，因此在兩臺(tái)電機(jī)共同拖動(dòng)同一負(fù)載的情況下，彼此的負(fù)載就不可能相同，由此容易造成其中的一臺(tái)電機(jī)工作在輕載的狀態(tài)，而另外一臺(tái)電機(jī)工作于過載的狀態(tài)下，造成過熱，容易磨損問題。為克服這種情況，達(dá)到負(fù)載的合理分配，就必須解決兩臺(tái)電機(jī)的速度控制和力矩均衡問題。4.1.1設(shè)計(jì)思想在一些交流傳動(dòng)應(yīng)用場合，要求實(shí)現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩控制，顯然直接轉(zhuǎn)矩控制非常適合這一類控制系統(tǒng)應(yīng)用。即使在轉(zhuǎn)速是重要控制目標(biāo)的場合，轉(zhuǎn)矩控制也仍然顯得非常重要，因?yàn)橹挥修D(zhuǎn)矩能影響轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)矩控制性能好，則不難設(shè)計(jì)一速度調(diào)節(jié)器，使速度環(huán)有良好的品質(zhì)。反之，若轉(zhuǎn)矩控制性能不好，響應(yīng)慢，相應(yīng)的調(diào)速性能也好不了。因此調(diào)速的關(guān)鍵在轉(zhuǎn)矩控制。除了使系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能外，還應(yīng)使生產(chǎn)出來的設(shè)備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想:A．具備高可靠性。由于系統(tǒng)要用于現(xiàn)場，和經(jīng)濟(jì)效益直接聯(lián)系，系統(tǒng)如果運(yùn)行不可靠，將會(huì)對用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)必須能夠保證有很高可靠性。B．滿足實(shí)時(shí)性。在很多場合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，希望在轉(zhuǎn)矩或磁鏈等量發(fā)生變化時(shí)能夠及時(shí)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就要求對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)的檢測及運(yùn)算進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給電動(dòng)機(jī)提供相應(yīng)的控制信號(hào)，以滿足實(shí)時(shí)性要求。C．獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好與否直接影響著直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，因此開發(fā)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，使其應(yīng)用范圍更廣是有重大意義的。D．便于維修。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮便于設(shè)備在現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)的維護(hù)和維修。4.1.2控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)對于硬軸聯(lián)接的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),電機(jī)的轉(zhuǎn)速被強(qiáng)制同步,因此保證電機(jī)的出力平衡將是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。顯然如果兩臺(tái)電機(jī)由一套逆變器供電,電機(jī)性能的差異將導(dǎo)致出力的不平衡,而且這種差異是無法調(diào)節(jié)的,因而不宜采用，而采用2臺(tái)變頻器分別控制2臺(tái)電機(jī)【7】【8】【9】。又因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中，考慮系統(tǒng)的抗干擾性能和可靠性，因此我們采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2控制方案選擇對于雙電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)控制，我們采用主從控制的方案。主從控制與速度控制不同,其特點(diǎn)為[9]:傳動(dòng)系統(tǒng)由幾個(gè)傳動(dòng)單元共同驅(qū)動(dòng),其電動(dòng)機(jī)軸相互耦合。根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸耦合方式的不同,主從方式分為兩種,一種為剛性耦合,另外一種為柔性耦合。所謂剛性耦合,即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過萬向節(jié)、傳動(dòng)輥、齒輪帶等硬連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下,只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被動(dòng)運(yùn)行。而柔性耦合,即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過網(wǎng)毯、皮帶等軟連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下,只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被拖動(dòng),但也有可能打滑。主從控制的傳動(dòng)只有電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求,實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率相同,否則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力大,某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力小的情況,即要求有負(fù)荷分配控制。在變頻多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制過程中各分部電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率相同,即δ=P/Pa相同(P為電動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率,Pa為電動(dòng)機(jī)額定功率)。主從控制一般有轉(zhuǎn)速隨動(dòng)和轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)兩種形式。考慮到轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)方式更容易實(shí)現(xiàn),動(dòng)態(tài)性能更好,故這里的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了這種方式。如圖4-2所示,M1為主電機(jī),有速度調(diào)節(jié)器ASR1和轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL1,采用轉(zhuǎn)速給定工作方式,負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)與啟停控制;M2為從電機(jī),只有轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL2,采用轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)工作方式,其轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)來自于主變頻器,由于采用同一給定值,通過轉(zhuǎn)矩環(huán)的調(diào)節(jié),2臺(tái)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩必然平衡。圖4-2轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)控制原理圖圖4-3系統(tǒng)示意圖4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊由于在本系統(tǒng)我們采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，因此對系統(tǒng)的仿真也是根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理建立的。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是近年來繼矢量控制技術(shù)發(fā)展起來的一種具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。它不需要解耦電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而強(qiáng)調(diào)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。即用空間矢量的分析方法,直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場定向,借助于離散的兩點(diǎn)式控制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào),直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖4-4直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖它包括轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和磁鏈控制環(huán)，采用Bang-Bang控制，通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)選擇合適的空間電壓矢量，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈快速跟蹤給定。為了方便對轉(zhuǎn)矩的控制，必須先保持磁鏈幅值近似保持恒定。磁鏈軌跡越接近圓形，磁鏈幅值越接近恒定，對力矩的控制效果就越好，同時(shí)電機(jī)電流的諧波分量越小。但是磁鏈軌跡越接近圓形，逆變器的開關(guān)頻率也會(huì)越高，通過磁鏈?zhǔn)噶坑^測值與給定磁鏈值相比較，選擇合適的電壓矢量即可達(dá)到對磁鏈?zhǔn)噶糠到坪愣ǖ目刂?，這就是磁鏈的自控制[13][14][15]。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真主要由以下幾大模塊構(gòu)成：轉(zhuǎn)速控制模塊采用PI控制，結(jié)構(gòu)比較簡單，Saturation飽和限幅模塊可將輸出的參考電磁轉(zhuǎn)矩的幅值限定在要求的范圍內(nèi)，具體框圖如下：一、速度控制模塊圖4-5轉(zhuǎn)速控制模型封裝裝后的轉(zhuǎn)速控制控制模塊如圖4-6。圖4-6封裝的轉(zhuǎn)速控制模塊在給定電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)模塊如圖4-7。圖4-7給定轉(zhuǎn)速信號(hào)仿真圖轉(zhuǎn)速給定由電動(dòng)機(jī)仿真模塊的轉(zhuǎn)速仿真信號(hào)給出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線如圖4-8。圖4-8轉(zhuǎn)速控制仿真曲線通過與前面的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，可見轉(zhuǎn)速發(fā)生了較大的下降。達(dá)到了調(diào)節(jié)的目的二、定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測模塊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈的觀測一般采用U-I模型，通過檢測出定子電壓，電流來計(jì)算定子磁鏈。此模型簡單，只需要確定定子電阻。但低速時(shí)定子電阻壓降的比例增大，使磁鏈觀測精度下降而使系統(tǒng)無法正常工作。同時(shí)此模型中的純積分環(huán)節(jié)會(huì)給磁鏈觀測帶來直流漂移和初始值的問題，造成定子磁鏈圓畸變，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩【10】【11】【12】。在磁鏈觀測器中采用低通濾波器來消除直流漂移問題，這會(huì)使得負(fù)載電流對磁鏈的影響大大減小，從而引起定子磁鏈的幅相誤差。本文針對以上問題，采用一種將積分環(huán)節(jié)和低通濾波器結(jié)合起來的磁鏈觀測方法，提高了低速時(shí)磁鏈的觀測精度。定子在靜止兩相坐標(biāo)系下的磁鏈與為：(4.1)(4.1)(4.2)(4.2)定子兩相的電動(dòng)勢與為(4.3)(4.3)觀測器模型如下圖：圖4-9觀測器模型圖中與分別為兩相靜止坐標(biāo)系軸的反電動(dòng)勢，作為磁鏈觀測器的輸入，兩相定子磁鏈作為輸出。采用坐標(biāo)變換的磁鏈觀測器的輸出，經(jīng)過幅值和相位分離后，再進(jìn)行閉環(huán)反饋的補(bǔ)償，減小了輸出直流偏置，同時(shí)磁鏈的幅值和相位在不同的階段得到了不同的補(bǔ)償，提高了磁鏈觀測的精度。根據(jù)定子電流和磁鏈，可以計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩：(4.4)(4.4)上述式中與為靜止兩相坐標(biāo)下的定子電流；為定子電阻；為電機(jī)極對數(shù)?？筛鶕?jù)式（4.4）很方便地構(gòu)成轉(zhuǎn)矩觀測器仿真模型圖如下：圖4-10轉(zhuǎn)矩觀測器模型三、磁鏈與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器模塊磁鏈調(diào)節(jié)器采用兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，輸入量分別為定子磁鏈給定值和，輸出量為磁鏈開關(guān)量（0或1）,它主要用來控制磁鏈的增加與減小；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用三點(diǎn)式調(diào)節(jié)，輸入量分別為轉(zhuǎn)矩給定值及轉(zhuǎn)據(jù)觀測值，輸出量為（-1，0，+1）。它主要用來決定在表中選取有效空間電壓矢量還是零矢量。兩個(gè)調(diào)節(jié)器中的滯環(huán)環(huán)節(jié)由Simulink中的Relay模塊構(gòu)成。圖4-11A.轉(zhuǎn)矩三點(diǎn)式調(diào)節(jié)B.磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)四、定子磁鏈扇區(qū)判斷模塊磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)依靠空間電壓矢量來實(shí)現(xiàn)，而同一電壓矢量對處在不同位置的磁鏈具有不同的作用效果，故必須知道磁鏈?zhǔn)噶康膶?shí)際位置才能正確地選擇合適的空間電壓矢量。將磁鏈軌跡分成6個(gè)區(qū)域，根據(jù)的正負(fù)值可以確定磁鏈軌跡在哪個(gè)區(qū)域中。定義三個(gè)變量A,B,C,采用如下算法判斷磁鏈所處扇區(qū)：如果>0,A=1,否則A=0;如果如果另,通過仿真模型可以確定磁鏈在圓形軌跡的區(qū)域。其中為1~6的任意整數(shù)。以上算法可以通過S-fuctions編程實(shí)現(xiàn)。四、空間電壓矢量開關(guān)表選擇模塊將磁鏈調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，磁鏈位置判斷3個(gè)單元的輸出信號(hào)和SN結(jié)合起來，可以制定處電壓矢量開關(guān)表，確定電壓矢量的作用次序和電壓的開關(guān)狀態(tài)，保證磁鏈軌跡為圓形，達(dá)到較好的動(dòng)，靜態(tài)性能的控制效果。此模塊可以通過S-fuctions以及simulink工具實(shí)現(xiàn)仿真。表4-1空間電壓矢量開關(guān)選擇表SN=1SN=2SN=3SN=4SN=5SN=6111100100110011011000111000111000111000-1101100110010011001010100110011011001100000111000111000111-10011011001100100114.4本章小結(jié)在本章中，首先進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，考慮到系統(tǒng)的高可靠性、實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，因此我們采用直接轉(zhuǎn)矩控制，在設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下確立了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)：雙電機(jī)雙變頻器的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。提出了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的主從控制方案，采用了主從控制中的轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)控制方式?？偨Y(jié)與展望總結(jié)本論文主要是針對雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)破碎機(jī)的工作特點(diǎn)，對其功率平衡控制進(jìn)行了研究。采用主從式控制方案，控制變頻器輸入電壓，改變從電機(jī)供電電源頻率，進(jìn)而調(diào)整從電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性跟隨主電機(jī)運(yùn)行，是兩臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)地驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。通過對功率平衡系統(tǒng)的理論分析、算法設(shè)計(jì)和仿真研究，現(xiàn)總結(jié)以下幾點(diǎn)：1)通過查閱大量文獻(xiàn)資料，對雙鼠籠電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)功率平衡系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，綜合多種控制方法和經(jīng)驗(yàn)，提出了主從式控制方案。2)詳細(xì)論證了在該方案下，從電機(jī)通過變頻調(diào)整其機(jī)械特性進(jìn)而跟蹤主電機(jī)的原理及過程，在這一理論論證中，作了定性、定量的分析。3)建立三相異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。并對三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電流，轉(zhuǎn)子電流，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真。并對雙電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)模型，并對雙電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真研究。4)提出三相異步電動(dòng)機(jī)的控制方案，并對直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行簡單的研究展望本論文只是對針對雙鼠籠電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)進(jìn)行了功率平衡方案的理論設(shè)計(jì)和算法仿真，對于控制器設(shè)計(jì)的硬件及軟件編程實(shí)現(xiàn)都沒有涉及，另外，就是在雙電機(jī)功率平衡的考慮上，也只考慮了電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)過程，對于電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)過程的功率平衡，尚未深入研究，因此，本課題尚有大量的研究空間，需要進(jìn)一步的完善。但是本文畢竟為今后的工作打下了一個(gè)必要、良好的基礎(chǔ)。致謝本論文是在馬景富老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在半年的學(xué)習(xí)過程中，馬老師在學(xué)業(yè)上、思想上、生活上給予了我諄諄的教導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向馬老師表示深深的謝意。馬老師對我提出的許多問題都給了耐心細(xì)致的解答。特別是在Matlab軟件的仿真以及版式的編排過程中，馬老師更是給了我莫大的幫助。感謝大學(xué)四年來自動(dòng)化教研室的老師們，在四年的生活學(xué)習(xí)中給予我的巨大幫助，他們淵博的學(xué)問令我終生受益。還要感謝身邊所有的同學(xué)，他們都給我提供了方便和幫助。參考文獻(xiàn)[1]潘曉晟,郝世勇.MATLAB電機(jī)仿真精華50例北京:電子工業(yè)出版社,2007：1-50[2]CatheyJJ著,戴文進(jìn)譯.電機(jī)原理與設(shè)計(jì)的MATLAB分析北京:電子工業(yè)出版社,2006.：1-15[3]蘇明.鼠籠式雙電機(jī)功率平衡控制方案研究現(xiàn)代機(jī)械,2009,(1):15-17.[4]賀超英,黃美成.基于MATLAB/SIMULINK的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)仿真.微電機(jī)（伺服技術(shù)）,2004,37(6):6-8,19.[5]程利榮.MATLAB語言在異步電機(jī)仿真分析中的應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息,2005,(12):121-122.[6]史曉非,張忠,賈洪成.用MATLAB仿真異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng).大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2000,(3):84-88.[7]蘆明.基于MATLAB的異步電機(jī)仿真研究[J].內(nèi)江科技,2009,(1):80,88.[8]郭宏,王光能.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.

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