學(xué)士學(xué)位論文雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡的仿真研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到兩臺電機(jī)通過某種聯(lián)系共同作用于一個工作機(jī)構(gòu)的情況。由于同型號的兩臺電機(jī)的參數(shù)也不可能完全一致，因此即使在兩臺電機(jī)共同拖動同一負(fù)載的情況下，彼此的負(fù)載都有可能不相同。這種情況下，容易造成其中的一臺電機(jī)工作于輕載的狀態(tài)，而另外一臺電機(jī)工作于過載的狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)過熱、容易磨損等問題。為避免出現(xiàn)這種情況

2、，需要對負(fù)載進(jìn)行合理分配，解決兩臺電機(jī)的功率平衡問題。 針對上述問題，本論文設(shè)計了一個鼠籠式雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡控制系統(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。最后，針對雙電機(jī)同軸驅(qū)動中的負(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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：同軸驅(qū)動;功率平衡;主從控制

3、 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In the modern motion control system, two motors often work together on the same mechanism through

4、60;a form of association. Because two motors of same type cannot own almost identical parameters, their respective load cannot be same even when they drive the same load. 

5、;Under the circumstances, a motor often runs at light load state, while the other runs at overload state. The overload motor is easy to overheat and wear. In order t

6、o avoid this problem, we should rationally distribute the load to solv</p><p>　　Aimed at above problem, we studied the power balance of the dual-motor coaxial drive

7、60;control system and done the related research. First, we analyzed the power balance mechanism and conditions of the dual-motor coaxial drive and then done simulati

8、on experiments.Finally, in order to solve the problem of uneven load distribution of dual-motor coaxial drive, we proposed the master-slave control scheme based on the direct torque con

9、trol. In this scheme, the master motor speed control is used and the</p><p>　　a given torque from the master motor .</p><p>　　Key Words: Coaxial Drive; Power Balance; Ma

10、ster-Slave Control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 電氣傳動技術(shù)研究概況1</p><p>　　1.1.1 電氣傳動控制的主要措施2</p><p>　　1.

11、1.2 電氣傳動主要器件2</p><p>　　1.1.3 可控交流電氣傳動逐步取代直流傳動3</p><p>　　1.2 多電機(jī)同步驅(qū)動研究概況3</p><p>　　1.3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡研究概況6</p><p>　　1.4 本課題研究的意義及主要內(nèi)容6</p><p>　　1.5

12、本章小結(jié)7</p><p>　　2 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡條件研究8</p><p>　　2.1 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率不平衡機(jī)理8</p><p>　　2.2 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡定義10</p><p>　　2.3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡條件11</p><p>　　2.4 本章小結(jié)13<

13、/p><p>　　3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動的建模與仿真14</p><p>　　3.1 籠型異步電機(jī)的物理模型14</p><p>　　3.2 籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型15</p><p>　　3.2.1 三相坐標(biāo)與兩相坐標(biāo)的變換15</p><p>　　3.2.2 靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換17</p&g

14、t;<p>　　3.2.3 籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型18</p><p>　　3.3 籠型異步電機(jī)的仿真模型建立21</p><p>　　3.4 籠型電動機(jī)特性仿真25</p><p>　　3.5 雙電機(jī)同軸驅(qū)動模型27</p><p>　　3.6 雙電機(jī)同軸驅(qū)動仿真研究28</p><p&

15、gt;　　3.7 本章小結(jié)28</p><p>　　4 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡控制的研究29</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計29</p><p>　　4.1.1 設(shè)計思想29</p><p>　　4.1.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)30</p><p>　　4.2 控制方案選擇30</p

16、><p>　　4.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊31</p><p>　　4.4 本章小結(jié)37</p><p><b>　　總 結(jié)38</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></

17、p><p>　　附錄A 英文原文41</p><p>　　附錄B 漢語翻譯58</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1電氣傳動技術(shù)研究概況</p><p>　　電氣傳動是研究如何通過電動機(jī)控制物體和生產(chǎn)機(jī)械按要求運動的學(xué)科。隨著傳感器技術(shù)和自動控制理論的發(fā)展，已

18、由簡單的繼電器控制，發(fā)展為較復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)。電氣傳動技術(shù)關(guān)系到合理地使用電動機(jī)，以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運動狀態(tài)。電氣傳動系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，用以實現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動、停止、速度調(diào)節(jié)以及各種生產(chǎn)工藝的要求。國際電工委員會（IEC）將電氣傳動歸入“運動控制”范疇。</p><p>　　電氣傳動系統(tǒng)由電動機(jī)、控制裝置以及被拖動的生產(chǎn)機(jī)械組成。其主要特點是功率范圍極大，單個設(shè)備的功率可以從幾毫瓦到幾百兆瓦；

19、調(diào)速范圍極寬，轉(zhuǎn)速從每分鐘幾轉(zhuǎn)到幾十萬轉(zhuǎn)，再無變速機(jī)構(gòu)的情況下調(diào)速范圍可達(dá)1:10000；適用范圍極廣，可適用于任何工作環(huán)境與各種各樣的負(fù)載。電氣傳動與國民經(jīng)濟(jì)和人民生活有著密切的聯(lián)系并起著重要的作用，廣泛用于冶金、機(jī)械、輕工、港口、石化、航空航天等各個行業(yè)以及日常生活之中。它既有軋鋼機(jī)、起重機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、精密機(jī)床等大型調(diào)速系統(tǒng)，也有空調(diào)機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)等小容量調(diào)速系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，電氣傳動系統(tǒng)的用電量占我國總發(fā)電量的60%以上。據(jù)預(yù)測，

20、從2000年至2010年我國電氣傳動產(chǎn)品市場需求年增長率為15%，市場前景廣闊。</p><p>　　電氣傳動是電力電子與電機(jī)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，相關(guān)內(nèi)容涉及到電機(jī)、電力電子、控制理論、計算機(jī)、現(xiàn)代檢測技術(shù)、仿真技術(shù)、電力系統(tǒng)、材料和信息技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)，是種種學(xué)科相互融合形成的的一門新型的綜合性學(xué)科。</p><p>　　20世紀(jì)20年代以前，屬于電氣傳動的初始階段，這一時期采用的

21、是“成組傳動”。進(jìn)入20世紀(jì)30年代，這種方式被逐漸淘汰，取而代之的是“單電機(jī)傳動”或“多點擊傳動”方式。直到20世紀(jì)60年代，特別是80年代以來，隨著電力電子、現(xiàn)代控制理論、計算機(jī)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場新的革命，使電力傳動逐漸進(jìn)入以交流調(diào)速為主的新階段。隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)、同步電動機(jī)的啟動和調(diào)速問題迎刃而解。</p><p>　　1.1.1 電氣傳動控制的主要措施</p

22、><p>　　電氣傳動控制較早的自動控制方法是機(jī)械控制, 后來漸漸被電氣控制和電子控制所取代。近現(xiàn)代的電氣傳動控制方法中, 電子控制占了較大比例, 經(jīng)常使用的電子控制方法有兩種: 模擬控制以及數(shù)字控制。20 世紀(jì)70 年代以來, 成本低、體積小、耗電少、、速度快、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)逐漸實現(xiàn)商品化, 并把電力電子控制推上了新的階段, 以微處理器為代表的數(shù)字控制逐漸成為現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)控制器的主要形式。

23、目前, 常用的微處理器有: 單片機(jī)、精簡指令集計算機(jī)(RISC) 、數(shù)字信號處理器（DSP）和包含微處理器的高級專用集成電路（ASIC）。</p><p>　　隨著計算機(jī)在現(xiàn)代生活中的廣泛應(yīng)用，使用計算機(jī)進(jìn)行電氣控制成為可能。由于計算機(jī)除了具有一般的計算功能外，還有邏輯判斷以及數(shù)值運算能力, 因此使用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制與模擬控制相比有兩個突出的特點:(1)數(shù)字控制器可以實現(xiàn)模擬控制無法實現(xiàn)的各種復(fù)雜的控制策略和方

24、式；(2)數(shù)字控制系統(tǒng)可以達(dá)到故障的自診斷, 提高診斷過程的效率。</p><p>　　在模擬控制系統(tǒng)中，為了達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常采用閉環(huán)控制，使用PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)系統(tǒng)突然受到外界干擾作用, 輸出量會發(fā)生變化, 通過負(fù)反饋, 在PI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、積分兩部分就同時起作用。在過渡過程中，會使輸出量出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象, 系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象, 若比例作用太強, 會影響系統(tǒng)的

25、正常工作，在采用微機(jī)數(shù)字控制時，可以將比例、積分作用分離開。當(dāng)偏差大時，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。</p><p>　　1.1.2 電氣傳動主要器件</p><p>　　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

26、紐帶。如果沒有電力電子變換，沒有弱電控制強電的接口, 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)歷過三個平臺:(1)晶閘管(SCR)；(2)GTR和GTO；(3)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使用。容量再大時，還得采用GTO，而GTO的可靠性總是不能令人滿

27、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

28、交流電機(jī)的主要是變壓變頻器，其</p><p>　　1.1.3 可控交流電氣傳動逐步取代直流傳動</p><p>　　直流電氣傳動和交流電氣傳動在19 世紀(jì)先后誕生。在20 世紀(jì)大部分年代里, 鑒于直流傳動具有優(yōu)越的可控性能，高性能可調(diào)速傳動一般都用直流電機(jī)，而約占電氣傳動總?cè)?0%的不變速傳動則采用交流電機(jī)，這種分工在當(dāng)時已成為舉世公認(rèn)的格局。直到20 世紀(jì)70 年代，由于采用電力電子變

29、換器的高效交流變頻傳動開發(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)地義的交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破了。此后，交流調(diào)速傳動主要沿著下述三個方向發(fā)展和應(yīng)用：(1)一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速；(2)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)；(3)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流傳動。</p><p>　　交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，交流傳動中一般采用交—直—交變頻

30、。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。在實際的電氣傳動中，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的電動機(jī)大約占40%，而實際應(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。</p><p>　　隨著信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動技

31、術(shù)將向著網(wǎng)絡(luò)化控制與管理的方向邁進(jìn)。</p><p>　　1.2 多電機(jī)同步驅(qū)動研究概況</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的控制同步是機(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)。它的發(fā)展和其他相關(guān)技術(shù)地發(fā)展密切聯(lián)系在一起，它的主要的控制對象是電動機(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，單單針對一臺電機(jī)的控制在某

32、些場合己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高科技發(fā)展的要求，如在大功率拖動系統(tǒng)中，當(dāng)一臺電機(jī)功率驅(qū)動能力不足時，需要兩臺或多臺伺服電機(jī)進(jìn)行拖動，讓其更好地協(xié)調(diào)運行。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，在理論和實踐上都取得了一定的進(jìn)展。實現(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3個階段：(1)剛性傳動或柔性傳動實現(xiàn)同步；(2)振動同步或電軸同步；(3)控制同步或控制同步與振動同步相結(jié)合的復(fù)合同步。</p

33、><p>　　隨著控制理論和方法的迅速發(fā)展，實現(xiàn)同步不僅已成為現(xiàn)實，而且也獲得了良好的控制效果，實現(xiàn)同步的方法也逐漸過渡到第3個階段。</p><p>　　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，其控制算法的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1和圖1.2所示。</p><p>　　圖1.1 多電機(jī)非交叉耦合控制結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　多電機(jī)非

34、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。非藕合控制的一個共同的難點是由于各電機(jī)之間的動態(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)的動態(tài)性能也是在不斷變化的。因此針對提高每一個電機(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

35、達(dá)到多電機(jī)驅(qū)動的高精度控制系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)今這方面的研究已經(jīng)取得比較大的進(jìn)展，如Koren于1980年提出交叉藕合補償控制策略等。</p><p>　　圖1.2 多電機(jī)交叉耦合控制結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由于同步控制涉及到控制多個電機(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: (1)對等控制方式，即要求多個電動機(jī)的轉(zhuǎn)子跟蹤同一個指令性指標(biāo)，如速度、相位

36、等；(2)主從控制方式，即選擇系統(tǒng)中的一個電動機(jī)為主動電機(jī)，而其余電動機(jī)為從動電機(jī)，控制從動電機(jī)來跟蹤主動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　多電機(jī)電力拖動系統(tǒng)一般是用于具有多個工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械上，運行中的多臺電機(jī)一般需要考慮同步的問題，否則在運行過程中，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)動的研究方面，主要分為兩個方面：一是對雙電機(jī)速度同步問題的研究；另外一個方面是針對雙電機(jī)同步驅(qū)動

37、過程中，功率平衡問題的研究。</p><p>　　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?。在國?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

38、行姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺控制中的同步控制技術(shù)應(yīng)用；首鋼4號高爐環(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)效益和社會效益。</p><p>　　1.3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡研究概況</p><p>　　對于雙（多）電機(jī)的同步驅(qū)動，主要分為協(xié)調(diào)傳動控制和多電機(jī)拖動控制，協(xié)調(diào)傳動控制主要針對傳送帶等需要速度和轉(zhuǎn)矩協(xié)

39、調(diào)的控制，多電機(jī)拖動控制主要是指研究中的功率平衡或者轉(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)常采用兩臺或多臺電機(jī)同軸驅(qū)動。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)兩臺及以上電機(jī)通過某種聯(lián)系（可以是剛性的、差動的或者摩擦的）作用于同一工作機(jī)構(gòu)時，就構(gòu)成了這種多電機(jī)拖動同一負(fù)載的系統(tǒng)。只要是這種系統(tǒng)就存在一個功率平衡或者說負(fù)載的合理分配問題，關(guān)于雙直流電機(jī)拖動同一

40、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較大的勵磁電路內(nèi)串接電阻實現(xiàn)負(fù)載的合理分配。如果電源電壓允許較高時，也可采用電樞串聯(lián)聯(lián)接的方式實現(xiàn)。在龍門刨及船舶推進(jìn)器中都有應(yīng)用實例。關(guān)于雙異步電機(jī)拖動同一負(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)常是使一臺電機(jī)工作于電動狀態(tài)，而另一臺電機(jī)工作于制動狀態(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)拖動同一生產(chǎn)機(jī)械

41、的功率平衡</p><p>　　1.4 本課題研究的意義及主要內(nèi)容</p><p>　　由于鼠籠型異步電動機(jī)存在結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，目前國內(nèi)外雙電機(jī)驅(qū)動立軸式破碎機(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：(1)功率平衡系統(tǒng)的增加將加大產(chǎn)品投資；(2)鼠籠電機(jī)功率平衡系統(tǒng)應(yīng)用存在一定的難點，成熟的功率平衡系統(tǒng)主

42、要采用直流電機(jī)或者繞線式異步電機(jī)。通過本課題的研究，一方面可以形成鼠籠式雙異步電機(jī)同軸驅(qū)動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)動功率平衡控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。</p><p>　　本課題的主要研究內(nèi)容分為以下兩個方面：</p><p>　　(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)動仿真模型，進(jìn)

43、行仿真研究。</p><p>　　(2)針對系統(tǒng)控制的要求，提出和設(shè)計控制方案，建立系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)方案的可行性進(jìn)行研究。</p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了電氣傳動技術(shù)研究的發(fā)展概況及趨勢，同時介紹了多電機(jī)同步驅(qū)動研究發(fā)展的概況，包括同步驅(qū)動的發(fā)展歷程、控制方式等，另外也介紹了國內(nèi)同步

44、驅(qū)動的研究應(yīng)用實例。接著介紹了雙電機(jī)同步驅(qū)動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)的鋪陳做了一個鋪墊和一個綜述。</p><p>　　2 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡條件研究</p><p>　　2.1 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率不平衡機(jī)理</p><p>　　即便是型號和生產(chǎn)廠家完全一樣的兩臺電機(jī)，由于制造上的原因，機(jī)械特性往往也是不會一樣的，當(dāng)兩

45、臺電機(jī)同軸聯(lián)接拖動同一生產(chǎn)機(jī)械時，兩機(jī)都處于電動狀態(tài)（如圖2.1），以兩臺電機(jī)機(jī)械特性曲線線性段進(jìn)行分析，設(shè)兩臺電機(jī)共同工作時的總負(fù)載力矩為Mg，轉(zhuǎn)速為Ng，電機(jī)1和2上承擔(dān)的負(fù)載力矩為、，則Mg=M1+M2，其機(jī)械特性【2】如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.1 雙電機(jī)同軸驅(qū)動 圖2.2 雙電機(jī)同軸驅(qū)動機(jī)械特性</p><p>　　圖2.2表示了兩臺電

46、機(jī)剛性聯(lián)接拖動同一生產(chǎn)機(jī)械時的機(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)械特性比單臺機(jī)械特性硬。同時可以看出小于Mg/2，大于Mg/2，，表明負(fù)載不能在兩臺電機(jī)之間平均分配，電機(jī)2承擔(dān)的負(fù)載較重，電機(jī)1承擔(dān)的負(fù)載較輕。功率不平衡產(chǎn)生的后果：在兩臺電機(jī)中，一臺容易產(chǎn)生過熱；而另一臺負(fù)載不足，沒有得到充分的運用。</p&

47、gt;<p>　　設(shè)2臺電動機(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的實際額定轉(zhuǎn)速為，電機(jī)2的實際額定轉(zhuǎn)速為，其中、分別為電機(jī)1、2的實際額定力矩， 、分別為電機(jī)1、2的實際額定功率。</p><p>　　由于電機(jī)工作在 =常數(shù)的區(qū)段，可以計算電機(jī)1和2特性曲線線性工作區(qū)段的斜率為：<

48、/p><p>　　式(2.2)中，為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　電機(jī)機(jī)械特性方程：</b></p><p>　　電機(jī)合成機(jī)械特性方程可由式（2.3）（2.4）得出：</p><p>　　電機(jī)合成機(jī)械特性方程：</p><p><b>　　即：</b></p

49、><p>　　給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mg=M1+M2時，將Mg=M1+M2代入方程（2.8）得出電機(jī)轉(zhuǎn)速：</p><p>　　將ng代入式（2.3）（2.4）得出電機(jī)1、2承擔(dān)的轉(zhuǎn)矩情況：</p><p>　　當(dāng)兩臺電機(jī)同軸運轉(zhuǎn)時，其共同轉(zhuǎn)差率為S，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)

50、段（即=常數(shù)）的區(qū)段。由于機(jī)械特性的不一致，兩臺電機(jī)的負(fù)載力矩不同（即兩臺電機(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)象將隨兩臺電機(jī)特性差異（的差異）的增大而增大，同時也隨負(fù)載的增大而增大。</p><p>　　兩臺電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載（功率）之比為：</p><p>　　當(dāng)兩臺同功率（）時，2臺電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載（功率）之比為：</p><p>　　以兩臺

51、同功率異步電機(jī)（同步轉(zhuǎn)速1500rpm）同軸運行為例。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)，由于實際額定轉(zhuǎn)速的不一致，導(dǎo)致兩臺電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載力矩之比的差異情況如下表。</p><p>　　表2.1 兩電機(jī)負(fù)載力矩對比</p><p>　　由于同軸運行時兩臺電機(jī)運行在同一速度下，兩臺電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載力矩之比就是兩臺電機(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)

52、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。</p><p>　　2.2 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡定義</p><p>　　定義：當(dāng)兩臺電機(jī)同軸運行時，對于任意給定的負(fù)載功率，所謂功率平衡是指兩臺電機(jī)根據(jù)各自的額定功率等比例出力，即滿足：</p><p>　　即：　　　　　　　　　　

53、 </p><p>　　由于同軸運行時兩臺電機(jī)運行在同一速度下，要實現(xiàn)功率平衡（即實現(xiàn)按額定功率等比例出力），只需要實現(xiàn)兩臺電機(jī)的輸出力矩平衡（即實現(xiàn)按額定力矩等比例出力），根據(jù)以上考慮，我們推論如下：</p><p>　　推論1：當(dāng)兩臺電機(jī)同軸運行時，對于任意給定的負(fù)載力矩Mg，所謂功率平衡是指兩臺電機(jī)根據(jù)各自的額定功率等比例出力，即滿足：</p><p>

54、;<b>　　即：</b></p><p>　　證明：根據(jù)定義，要求</p><p>　　由于同軸運行時兩臺電機(jī)運行在同一速度下，假設(shè)運行速度為n。則有</p><p>　　2.3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡條件</p><p><b>　　根據(jù)</b></p><p>　　可以

55、得到兩臺電機(jī)的輸出力矩為與實際額定力矩之比：</p><p>　　兩臺電機(jī)的輸出功率為與額定功率之比：</p><p><b>　　即要求：</b></p><p><b>　　即要求：</b></p><p>　　要保證上式的成立，只有兩種情況：</p><p><b

56、>　　或 </b></p><p>　　(1)即，兩臺電機(jī)具有相同的額定轉(zhuǎn)速；</p><p>　　(2)即兩臺電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之和等于同步轉(zhuǎn)速。</p><p>　　一般情況下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，情況2是不符合實際情況的。因此，可以得出兩臺電機(jī)同軸運行功率平衡的條件為：</p><p>　　(1)同樣的電機(jī)種類；&

57、lt;/p><p>　　(2)兩臺電機(jī)具有相同的極數(shù)；</p><p>　　(3)即兩臺電機(jī)的實際額定轉(zhuǎn)速相等或者說兩臺電機(jī)具有相同的額定轉(zhuǎn)差率。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先論述了雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率不平衡的機(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)動功率平衡的

58、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)動功率平衡的條件：同樣的電機(jī)種類及兩臺電機(jī)具有相同的極數(shù)。</p><p>　　3 雙電機(jī)同軸驅(qū)動的建模與仿真</p><p>　　隨著交流傳動技術(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，人們對交流傳動的研究越來越深入【3】。計算機(jī)仿真作為研究交流傳動的一種重要手段，也越來越受到重視。計算機(jī)仿真軟件MATL

59、AB/Simulink以其簡單易用、建模方式靈活等特點更是深受廣大研究者的青睞。</p><p>　　交流傳動中的控制對象是異步電機(jī)，異步電機(jī)本身是一個非線性、強耦合、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

60、可信度。MATLAB/simulink軟件的Powersystem(電力系統(tǒng)工具箱)中帶有d-q-0坐標(biāo)系下異步電機(jī)模型模塊。</p><p>　　3.1 籠型異步電機(jī)的物理模型</p><p>　　根據(jù)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，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。</p><p>　　其中，下標(biāo)

61、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和實際定子的三相繞組等效，而靜止繞組d、q和實際轉(zhuǎn)子繞組等效【4】。</p><p>　　圖3.1 籠型異步電機(jī)物理模型</p><p>　　3.2 籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一種高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電機(jī)的模型時，常作如下假設(shè)：</p>

62、<p>　　(1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；</p><p>　　(2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；</p><p>　　(3)忽略鐵芯損耗；</p><p>　　(4)不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。</p><p>　　3.2.1三相坐標(biāo)與兩相坐標(biāo)的變換<

63、;/p><p>　　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【5】。</p><p>　　圖3.2(a)表示了三相繞組A、B、C和兩相繞組α、β各相磁動勢矢量的空間位置，各相磁動勢的大小是隨時間變化的。令三相的a軸與等效兩相的α軸重合，由于每一相的磁動勢和對應(yīng)的電流成正比，因此也可以用圖3.

64、2(b)電流矢量圖表示。</p><p>　　圖3.2 三相繞組和兩相繞組磁動勢的空間矢量位置和電流矢量位置圖</p><p>　　a 空間矢量位置 b電流矢量位置</p><p>　　設(shè)磁動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勢與兩相的總磁動勢相等，兩套繞組瞬時磁動勢在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

65、相繞組每相有效匝數(shù)為N2）。</p><p><b>　　寫成矩陣形式，得</b></p><p>　　如果考慮變化前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為</p><p>　　代入式(3.3)中得</p><p>　　以上關(guān)系對于磁通也有</p><p><b>　　對于定子電壓也有</b&g

66、t;</p><p>　　令為從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣【6】【7】，則</p><p>　　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</p><p>　　3.2.2靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換</p><p>　　α、β兩軸是靜止的，而電流、矢量等旋轉(zhuǎn)矢

67、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。</p><p><b>　　圖3.3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)</b></p><p>　　α、β坐標(biāo)和M、T坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：</p>

68、;<p>　　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，</p><p>　　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</p><p>　　3.2.3籠型異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　采用在αβ坐標(biāo)系下建立的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型【7】，其電壓方程式為：</p><p>　　式中，為定子繞組電壓；為定子繞組電壓

69、；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)子繞組的速度電動勢；為轉(zhuǎn)子繞組的速度電動勢；P為微分算子。</p><p><b>　　速度電動勢為：</b></p><p>　　磁鏈可用電感和電流表示【1】【8】，即</p><p

70、>　　式中，表示定子繞組全電感；表示轉(zhuǎn)子繞組的全電感；為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。</p><p>　　式中，為定子繞組的漏電感；為轉(zhuǎn)子繞組的漏電感。將式（3-15）、（3-16）、代入（3.14），可得電壓矩陣方程【7】【9】：</p><p>　　異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程【1】【4】【8】【9】為</p><p>　　式中為極對數(shù)，運動方程【8】為</p

71、><p>　　將式(3.18)寫成</p><p>　　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【5】，</p><p>　　以異步電動機(jī)的定子電流，轉(zhuǎn)子電流，為狀態(tài)變量，將式(3.21)寫成</p><p>　　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

72、感，ω為轉(zhuǎn)子角速度，，。</p><p>　　由式(3.22)和以異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度ω為狀態(tài)變量的式(3.20)為異步電動機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的動態(tài)仿真模型，同理，在dq坐標(biāo)系下建立的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，其電壓方程為</p><p><b>　　其電磁轉(zhuǎn)矩方程為</b></p><p>　　而運動方程不變，由于dq軸相對轉(zhuǎn)子靜止，因此不存在旋轉(zhuǎn)

73、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：</p><p>　　3.3 籠型異步電機(jī)的仿真模型建立</p><p>　　異步電機(jī)有4個輸入端，前三個接三相交流電源，第4個為機(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：轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。其中

74、電源選擇三相正弦交流電，將其通過三相電壓Ua、Ub、Uc變換到兩相坐標(biāo)下的、，使用MATLAB軟件中的Simulink工具建立電源仿真模型如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 三相電變兩相仿真圖</p><p>　　下面是根據(jù)異步電機(jī)的的電壓方程建立的仿真圖【1】，如下圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 電壓方程仿真圖</p>&

75、lt;p>　　下面建立異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程仿真圖，如下圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 電磁轉(zhuǎn)矩方程仿真圖</p><p>　　下面是用電磁和電感表示的磁鏈仿真圖，如下圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 磁鏈仿真圖</p><p>　　下面開始建立異步電機(jī)仿真模型。啟動MATLAB，在命令提示符下輸入Simulin

76、k，啟動Simulink工具，新建一個仿真模型，如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 異步電機(jī)仿真模型</p><p>　　圖3.8中的仿真模型封裝之后就形成了異步電動機(jī)封裝模塊【9】，如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 異步電動機(jī)封裝模塊</p><p>　　圖3.8的仿真模型中轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流模塊如圖3.10所示。<

77、;/p><p>　　圖3.10 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流模塊</p><p>　　以一個實際的異步電機(jī)數(shù)據(jù)從動態(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。</p><p>　　表3.1 某籠型異步電機(jī)參數(shù)</p><p>　　有了電機(jī)基本數(shù)據(jù)，還要對模型中各個模塊參數(shù)進(jìn)行修改，常用的異步電動機(jī)的接法一般有星型接法和三角形接法，在本次仿真試驗

78、中采用星型接法。需要作如下參數(shù)配置：</p><p>　　電源的3路輸入信號的初始相位分別設(shè)置為0°，120°，240°，電壓設(shè)為220V，頻率為50Hz。</p><p>　　3.4籠型電動機(jī)特性仿真</p><p>　　仿真的終止時間設(shè)為1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。對電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)修改完之

79、后，啟動仿真模型，雙擊相應(yīng)的示波器待仿真穩(wěn)定后會出現(xiàn)相應(yīng)的波形圖，電機(jī)各參數(shù)仿真曲線如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 相電流曲線</p><p>　　由上圖可以看出，在仿真開始至大概0.1秒時電流有較明顯階躍，在0.1秒至0.2秒時階躍逐漸變小，從0.2秒到1秒時曲線漸漸變?yōu)轭愃朴谡仪€，幅值在5A左右。</p><p>　　圖3.12 電機(jī)運行

80、轉(zhuǎn)速曲線</p><p>　　由上圖轉(zhuǎn)速曲線可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速從0r/min開始上升，在0.1秒之后上升至最大接近于1600r/min，其后轉(zhuǎn)速有所下降，在0.2秒之后轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn)，達(dá)到1550 r/min至1560r/min，電機(jī)按照這個轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行。</p><p>　　圖3.13 三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線</p><p>　　由上圖電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在

81、仿真時間0.1秒之前曲線有明顯的階躍，在0.15秒附近達(dá)到最大值，此后開始下降大概在0.2秒趨于平穩(wěn)，達(dá)到10N?m直到仿真結(jié)束。</p><p>　　3.5 雙電機(jī)同軸驅(qū)動模型</p><p>　　由于兩電機(jī)是屬于硬連接的同軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)，速度被強制為一致。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)作為一個整體來研究?？紤]到本系統(tǒng)中，電機(jī)的

82、解耦相當(dāng)復(fù)雜和困難，因此我們把它們作為一個整體進(jìn)行研究。用Matlab/Simulink軟件建立的仿真模型如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14 雙電機(jī)同軸驅(qū)動模型</p><p>　　3.6雙電機(jī)同軸驅(qū)動仿真研究</p><p>　　設(shè)置兩個電機(jī)參數(shù)=0.666H，=0.670H，=0.651H =3.24Ω，=2.65Ω，=3.65Ω，Np=2，J=

83、0.02Kg?m2，進(jìn)行仿真得到兩個電機(jī)的負(fù)載分配曲線，如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15 雙電機(jī)負(fù)載分配曲線</p><p>　　在實際工作環(huán)境中，兩臺電機(jī)功率不平衡，一臺電機(jī)輕載，另外一臺電機(jī)容易過載，發(fā)熱過量，導(dǎo)致燒壞。圖3.15中，黑色的曲線是主電機(jī)的負(fù)載曲線，灰色的曲線是從電機(jī)的負(fù)載曲線。如圖所示,兩臺電機(jī)負(fù)載曲線有明顯的差異,這是因為,兩電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)不同

84、，兩電機(jī)各自所承當(dāng)?shù)呢?fù)載不同。開始時,主電機(jī)產(chǎn)生的階躍較小，從電機(jī)產(chǎn)生的階躍比較大。過一段時間后,主電機(jī)曲線達(dá)到穩(wěn)定值，從電機(jī)負(fù)載曲線在主電機(jī)負(fù)載曲線附近上下振蕩，近似于正弦曲線。這樣，驗證了雙電機(jī)功率不平衡理論。</p><p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章節(jié)中，首先陳述了異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab/Simulink仿

85、真軟件，建立了異步電動機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的仿真模型，同時在此基礎(chǔ)上，把兩臺電機(jī)看做一個整體，建立了雙電機(jī)同軸驅(qū)動的模型，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。</p><p>　　4 雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡的控制研究</p><p><b>　　4.1控制系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　由于同型號的兩臺電機(jī)也不可

86、能能做到參數(shù)完全一致，因此在兩臺電機(jī)共同拖動同一負(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電機(jī)工作在輕載的狀態(tài)，而另外一臺電機(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，就必須解決兩臺電機(jī)的速度控制和力矩均衡問題。</p><p>　　4.1.1 設(shè)計思想</p><p>　　在一些交流傳動應(yīng)用場合，要求實現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩控制，顯然直接轉(zhuǎn)矩

87、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，因為只有轉(zhuǎn)矩能影響轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)矩控制性能好，則不難設(shè)計一速度調(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)矩動態(tài)性能外，還應(yīng)使生產(chǎn)出來的設(shè)備經(jīng)濟(jì)、實用。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計的基本思想如下:</p><p

88、>　　(1)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)如果運行不可靠，將會對用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此設(shè)計出來的系統(tǒng)在運行時必須能夠保證有很高可靠性。</p><p>　　(2)滿足實時性。在很多場合感應(yīng)電動機(jī)在運行過程中，希望在轉(zhuǎn)矩或磁鏈等量發(fā)生變化時能夠及時對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就要求對感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，并且設(shè)計的控制系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)的檢測及運算進(jìn)行實時處理，同時給電動機(jī)提供相應(yīng)的控制信

89、號，以滿足實時性要求。</p><p>　　(3)獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)響應(yīng)。感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的動態(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。</p><p>　　(4)便于維修。在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)考慮便于設(shè)備在現(xiàn)場運行時的維護(hù)和維修。</p><p>　　4.1.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p&g

90、t;<p>　　對于硬軸聯(lián)接的雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),電機(jī)的轉(zhuǎn)速被強制同步,因此保證電機(jī)的出力平衡將是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。顯然如果兩臺電機(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 臺變頻器分別控制2 臺電機(jī)【8】【9】。又因為在運行過程中，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)圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖

91、4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4.2控制方案選擇</b></p><p>　　對于雙電機(jī)的同步驅(qū)動控制，我們采用主從控制的方案。主從控制與速度控制不同, 其特點為: 傳動系統(tǒng)由幾個傳動單元共同驅(qū)動, 其電動機(jī)軸相互耦合。根據(jù)電動機(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, 即幾個不同的電動機(jī)軸之間通過萬向

92、節(jié)、傳動輥、齒輪帶等硬連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下,只要其中一個傳動進(jìn)行運動,另外一個或幾個傳動也將被動運行。而柔性耦合,即幾個不同的電動機(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,只要其中一個傳動進(jìn)行運動,另外一個或幾個傳動也將被拖動,但也有可能打滑。</p><p>　　主從控制的傳動只有電動機(jī)速度同步并不能滿足實際系統(tǒng)的工作要求, 實際系統(tǒng)還要求各傳動點電動機(jī)負(fù)載率相同,否則會出現(xiàn)某臺電動機(jī)

93、出力大,某臺電動機(jī)出力小的情況, 即要求有負(fù)荷分配控制。在變頻多電動機(jī)傳動控制過程中各分部電動機(jī)的負(fù)載率相同, 即δ= P/Pa 相同( P 為電動機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率, Pa為電動機(jī)額定功率) 。主從控制一般有轉(zhuǎn)速隨動和轉(zhuǎn)矩隨動兩種形式?？紤]到轉(zhuǎn)矩隨動方式更容易實現(xiàn),動態(tài)性能更好，故這里的傳動系統(tǒng)設(shè)計采用了這種方式。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)傳動系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)與啟停控

94、制；M2 為從電機(jī),只有轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL2 ,采用轉(zhuǎn)矩隨動工作方式,其轉(zhuǎn)矩給定信號來自于主變頻器,由于采用同一給定值,通過轉(zhuǎn)矩環(huán)的調(diào)節(jié),2 臺電機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩必然平衡。</p><p>　　圖4.2 轉(zhuǎn)矩隨動控制原理圖</p><p>　　圖4.3 系統(tǒng)示意圖</p><p>　　4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模塊</p><p>　　由于在本系統(tǒng)我

95、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)系計算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場定向,借助于離散的兩點式控制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號,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)矩的高動態(tài)性能。</p><p&

96、gt;　　異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖</p><p>　　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

97、時電機(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【8】【9】。</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真主要由以下幾大模塊構(gòu)成：</p><p><b>　　一、轉(zhuǎn)速控制模塊</b></p><p>　　如

98、圖4.5所示，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)。</p><p>　　圖4.5 轉(zhuǎn)速控制模型</p><p>　　封裝后的轉(zhuǎn)速控制控制模塊如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 封裝的轉(zhuǎn)速控制模塊</p><p>　　給定電機(jī)轉(zhuǎn)速信號模塊如圖4.7所示。<

99、/p><p>　　圖4.7 給定電機(jī)轉(zhuǎn)速信號模塊</p><p>　　轉(zhuǎn)速給定由電動機(jī)仿真模塊的轉(zhuǎn)速仿真信號給出, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8 轉(zhuǎn)速控制仿真曲線</p><p>　　由圖4.8，可以看出，經(jīng)過轉(zhuǎn)速控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯的下降。再通過與前面的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行比較，電機(jī)轉(zhuǎn)速變小，達(dá)到了調(diào)節(jié)的目的，為實現(xiàn)雙電

100、機(jī)的功率平衡的實現(xiàn)提供了可能。</p><p>　　二、定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測模塊</p><p>　　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，電流來計算定子磁鏈。此模型簡單，只需要確定定子電阻。但低速時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。同時此模型中的純積分環(huán)節(jié)會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)生脈動轉(zhuǎn)矩

101、【10】。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，提高了低速時磁鏈的觀測精度。定子在靜止兩相坐標(biāo)系下的磁鏈與為：</p><p>　　定子兩相的電動勢與為</p><p>　　觀測器模型如圖4.9所示。</p><p>　

102、　圖4.9 觀測器模型</p><p>　　圖中與分別為兩相靜止坐標(biāo)系軸的反電動勢，作為磁鏈觀測器的輸入，兩相定子磁鏈與作為輸出。采用坐標(biāo)變換的磁鏈觀測器的輸出與，經(jīng)過幅值和相位分離后，再進(jìn)行閉環(huán)反饋的補償，減小了輸出直流偏置，同時磁鏈的幅值和相位在不同的階段得到了不同的補償，提高了磁鏈觀測的精度。</p><p>　　根據(jù)定子電流和磁鏈，可以計算電磁轉(zhuǎn)矩：</p><

103、p>　　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)。可根據(jù)式（4.4）很方便地構(gòu)成轉(zhuǎn)矩觀測器仿真模型圖如圖4.10所示。</p><p>　　圖4.10 轉(zhuǎn)矩觀測器模型</p><p>　　三、磁鏈與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器模塊</p><p>　　磁鏈調(diào)節(jié)器采用兩點式調(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

104、增加與減?。晦D(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用三點式調(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。兩個調(diào)節(jié)器中的滯環(huán)環(huán)節(jié)由Simulink中的Relay模塊構(gòu)成。</p><p>　　圖4.11 A. 轉(zhuǎn)矩三點式調(diào)節(jié) B. 磁鏈兩點式調(diào)節(jié)</p><p>　　四、定子磁鏈扇區(qū)判斷模塊</p><p

105、>　　磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)依靠空間電壓矢量來實現(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)噶康膶嶋H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個區(qū)域，根據(jù)與的正負(fù)值可以確定磁鏈軌跡在哪個區(qū)域中。定義三個變量A，B，C，采用如下算法判斷磁鏈所處扇區(qū)：</p><p>　　如果>0,A=1,否則A=0;</p><p><b>　　如果

106、</b></p><p><b>　　如果</b></p><p>　　另=A+2B+4C,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編程實現(xiàn)。</p><p>　　四、空間電壓矢量開關(guān)表選擇模塊</p><p>　　將磁鏈調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，磁鏈位

107、置判斷3個單元的輸出信號和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，靜態(tài)性能的控制效果。此模塊可以通過S-fuctions以及Simulink工具實現(xiàn)仿真，空間電壓矢量開關(guān)選擇如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 空間電壓矢量開關(guān)選擇表</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b>

108、;</p><p>　　在本章中，首先進(jìn)行了控制系統(tǒng)的設(shè)計，考慮到系統(tǒng)的高可靠性、實時性、動態(tài)響應(yīng)性，因此我們采用直接轉(zhuǎn)矩控制，在設(shè)計思想的指導(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)矩隨動控制方式。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本論

109、文根據(jù)鼠籠式雙電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡系統(tǒng)存在的技術(shù)難點進(jìn)行研究，采用主從式控制方案，通過仿真研究，印證了控制方案的可行性。通過對功率平衡系統(tǒng)的理論分析、算法設(shè)計和仿真研究，現(xiàn)總結(jié)以下幾點：</p><p>　　1)通過查閱大量文獻(xiàn)資料，對雙鼠籠電機(jī)同軸驅(qū)動功率平衡系統(tǒng)進(jìn)行了控制方案設(shè)計，比較多種控制方法和經(jīng)驗，提出了主從式控制方案。</p><p>　　2)詳細(xì)論證了在該方案下，從電機(jī)通過變

110、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。</p><p>　　3)建立三相異步電動機(jī)的電機(jī)物理和數(shù)學(xué)模型。并使用MATLAB軟件建立異步電機(jī)仿真模型，得到三相異步電動機(jī)的定子電流，電動機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的仿真曲線并進(jìn)行分析。此外，還建立了雙電機(jī)同軸驅(qū)動模型，并對雙電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真研究。</p><p>　　4)提出三相異步電動機(jī)的控制方案，并對直

111、接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了初步的研究。</p><p>　　本論文只是對針對雙鼠籠電機(jī)同軸驅(qū)動的系統(tǒng)進(jìn)行了功率平衡方案的理論設(shè)計和算法仿真，對于控制器設(shè)計的硬件及軟件編程實現(xiàn)都沒有涉及。此外，在雙電機(jī)功率平衡的考慮上，也只考慮了電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)過程，對于電機(jī)起動、制動過程的功率平衡，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必要、良好的基礎(chǔ)。</p><

112、;p><b>　　致 謝</b></p><p>　　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)四年來自動化教研室的老師們，在四年的生活學(xué)習(xí)