直流电机调速电路发展、现状以及前景综述(2)

2019-04-15 12:35

节器参数设定、直到触发脉冲的数字化,使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机,同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制,强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统,而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点,尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化,弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处,且数字控制系统表现出另外一些优点,如查找故障迅速、调速精度高、维护简单,使其具备了广一阔的应用前景。

国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等,均已开发出全数字直流调速装置,有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。

我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来,晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前,晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。

我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制,补偿PID控制,PID算法优化,也有的只应用模糊控制技术,并有很少的智能控制应用于其中。随着新型电力半导体器件的发展,GIBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和自关断等优点,克服了晶闸管的主要缺点。我国直流调速正向脉宽调制方式发展。

我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵,也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前,国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。

直流电动机的调速方法 直流电机转速n的表达式为:

式中:Ua——电枢端电压(V);

Ia——电枢电流(A); Ra——电枢电阻总电阻(Ω); Φ——每极磁通量(wb); Ce——与电机结构有关的常数;

由式1可以看出,式中Ua、Ra、Φ三个参量都可以成为变量,只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电动机有三种基本调速方法:(1)改变电枢回路总电阻Ra;(2)改变励磁磁通Φ;(3)改变电枢供电电压Ua。

(1)改变电枢电路总电阻在电动机电枢外串联电阻进行调速,只能有级调速,调速比一般约为1:2左右,转速变化率大,轻载下很难得到低速,效率低、平滑性能差、机械特性软,故现在已极少采用;

(2)改变励磁磁通Φ进行调速。由式1可看出,电动机的转速与磁通Φ(也就是励磁电流)成反比,即当磁通减小时,转速n升高;反

之,则n降低。与此同时,由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTΦIa),电枢电流不变时,随着磁通Φ的减小,其转速升高,转矩也会相应地减小。所以,在这种调速方法中,随着电动机磁通Φ的减小,其转矩升高,转速也会相应地降低。在额定电压和额定电流下,不同转速时,电动机始终可以输出额定功率,因此这种调速方法称为恒功率调速。

为了使电动机的容量能得到充分利用,通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1~3:1,特殊电动机可达到5:1。这种调速电路的实现很简单,只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。

(3)调节电枢电压Ua。改变电枢电压从而改变转速,属恒转矩调速方法,动态响应快,适用于要求大范围无级平滑调速的系统。改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、PWM(脉宽调制变换器(或称直流斩波器)。

旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压,简称G-M系统,国际上统称Ward-Leonard系统,这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能,但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。

20世纪50年代,开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组,但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统,通过控制电压的改变来

改变晶闸管触发控制角α,进而改变整流电压Ud的大小,达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性,成为直流调速系统的主要形式。

PWM(脉冲脉宽调制)变换器又称直流斩波器,是利用功率开关器件通断实现控制,调节通断时间比例,将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压,亦称DC-DC变换器。

针对具体的无刷直流电机,文献中提供了各种各样的控制策略,他们各有各的优点。

直流电机双闭环调速系统是目前直流调速系统中的主流设备,具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点,在理论和实践方面都是比较成熟的系统,在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

基于TMS320LF2407A的无刷直流电机调速系统采用速度环和电流环双闭环控制策略,采用数字PID算法,对转速反馈实行PI控制,对电流反馈采用PID控制(见图1)。图1中给定速度与反馈速度形成偏差,经速度调节后产生参考电流量,它与反馈电流量的偏差经电流调节后形成一定占空比的PWM控制量,PWM占空比随给定速度改变从而实现三相无刷直流电机速度控制。本系统中控制算法设计方法是根据实际情况设定一个误差阈值,当跟踪误差大于阈值时,采用Bang-Bang控制,可避免过大的超调,使系统有较快的动态响应;当跟踪误差小于阈值时,采用PD控制,保证系统的控制精度。

无刷直流电机模糊控制器的设计与仿真提出了基于自适应权值修正理论的模糊PI调节器的设计方法,系统采用双路控制,采用自适应的权值修正法,得到电机的供电电压。由于整个控制系统采用双路控制的形式,采用PI调节器是为了使系统的稳态误差小,克服由于模糊控制不易于进行稳态无差控制的弊病。并且,利用PI调节器来给出控制电压的基本值;采用模糊控制器是为了使系统的快速性好,且超调量较小。为了调节两者的连接权值,借鉴了神经网络理论中的自适应的权值修正算法。

针对Fuzzy-PI调节器设计了系统仿真模型。整个系统的框图如图2所示,在整个系统中,采用了模糊控制和PI控制器的双路独立设计方法,并采用了自适应的加权方法将两路信号相加。在系统的设计中为了减小稳态误差,对PI调节器的设计采用了比较大的比例系数,同时,为了减小前期误差对后面控制精度的影响,而相应的积分系数选择较小。


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