智能车系统的设计与制作

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骐植强
7 years ago
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1 电机速度调制姓名 : 回义龙潘秋月钱小飞熊辉课程名称 : 机电一体化系统设计, 单片机原理及应用指导教师 : 赵永生王洪波姚建涛史小华

2 内容简介一直流电动机的调速方法 1 调节电枢电压调速 2 改变电动机励磁调速 3 改变电枢回路电阻调速二交流伺服电动机速度控制原理 1 恒转矩调速 2 恒最大转矩 ( φm ) 调速 3 恒功率调速三交流电机的变频调速 1 直流变交流 2 脉宽调制 (PWM( PWM).

3 直流电动机的调速方法直流电动机转速表达式为 n=(u-idr )/KeØ (1-1) 式中 n 转速,r/min U 电枢电压,V Id 电枢电流,A R 电枢回路总电阻,Ω Ø 励磁磁通量,Wb Ke 电动机结构决定的电势常数. 由上式可以看出, 直流电动机转速的调节有以下三种方法 :1) 调节电枢电压调速 ;2) 改变电动机励磁调速 ; 3) 改变回路电阻调速

4 一调节电枢电压调速图 1-1 中,Ri 为可控电源电阻 :Ud0 为理想空载电压转速方程为 n=(u-idr )/KeØ= Ud0/ce- R Id/ce=n0- n (1-2) 式中 ce = KeØ 电动机在额定磁通下的电视转速比 ; n0 = Ud0/ce 理想空载转速 : n = R Id/ce 转速降,R =Ra+Ri 为电枢回路总电阻

5 图 (1-1)( ) 变电枢电压调速系统

6 改变 Ud0 就得到一组相互平行的机械特性, 如图 1-1(b) 所示如果连续改变可控电源电压, 电动机转速就可以平滑连续的得到调节由于电枢回路电阻的存在, 实际的转速要比理想转速低一些负载不变时, 电枢电流 Id 不变, 转速降 n 也不变可以看出, 当电压低到一定时, 由于转速降的存在, 电动机转速降为零 (Ud04 对应曲线 ); 内阻越大, 特性就越软, 实际的调速范围就越窄变电枢电压调速时, 电动机轴输出功率 P=Ten/975= KeØId n/975 (1-3) 当负载为恒转矩负载时 P=Kn (1-4)

7 式中 K=Te/975; Te 电磁转矩, 负载转矩 TL 为恒转矩时, Te= TL= 常数, 从而 K 为常数式 (1-4) 表示, 对应于恒转矩负载, 电动机轴上输出功率与转速成正比电动机只有在电动机转速达到额定转速 nnom 时, 才能输出额定功率 ; 而对不同的转速, 容许的输出转矩恒定

8 变电枢电压调速的特点 : (1) 机械特性较硬, 负载不变时, 转速降 n 不变 ; (2) 由于容许的输出转矩恒定, 对于恒转矩性负载的拖动调速, 能充分利用电动机容量 ; (3) 由于电枢回路时间常数小, 系统的动态响应快, 适合于要求快速起制动的设备的传动系统中, 如初轧机龙门刨床等设备

10 二改变电动机励磁调速电动机转速方程为 n=u/keø- RaIa/KeØ= n0- n 式中 U 电枢端电压, 为常数 ; Ra 电枢电阻当负载电流不变时, 改变可控电压 Uf, 也就是说, 改变电动机励磁磁通量 Ø 时, 电动机的理想空载转速和转速降都在变化, 随着磁通量的减少, 转速降就越来越大, 机械特性也就越软, 如图 1-2 所示

11 图 1-2 磁场调节调速系统 (a)) 原理图 ;(b) ) 机械特性

12 这种调速方式下, 调速时, 电动机轴上容许输出功率 P= KmØId n/975 基本不变, 适用于恒功率性质负载的拖动调速上变励磁磁通 Ø 调速的特点 : (1) 机械特性软, 负载变化时转速的波动较大 ; (2) 可控电源容量小, 一般为电动机容量的 10% 以下, 电源设备造价低 ; (3) 磁场的时间常数大, 系统的动态响应慢, 适合于起制动快速性要求不高的设备的传动控制

13 三改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢回路中串接附加电阻 R1 R2, 来改变电动机电枢端电压, 从而实现调速的目的如图 1-3(a) 所示, 通过控制接触器 C1 C2 的通断来改变串入的电阻值 C1 C2 全打开时, 电枢回路总电阻 R =Ra+R1+R2 最大, 转速降 n = R Id/ KeØ 也就最大系统的调速性能如图 1-3 (b) 所示

14 图 1-3 改变电枢电阻调速系统 (a)) 电路 ;(b) ) 机械特性

15 这种调速方法的特点是 : (1) 系统的结构简单 ; (2) 调速不连续, 不平稳 ; (3) 机械特性软, 从而影响调速范围 (4) 电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻大小来实现的, 调速范围越大, 串入电阻就越大, 相应的电阻上消耗的能量就越大, 这是很不经济的综上所述, 三种调速方法中, 改变电动机电枢电压调速方法优点较多, 因而应用也最广泛

16 交流伺服电动机速度控制原理 1. 交流电动机的调速 a. 交流同步电动机的转速 Nr=Ns=60f/p (1) 交流同步电动机的转速是有供电频率决定的, 由变频电源供电给同步电动机时, 能方便的获得与频率成正比的可变速度, 可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围 b. 交流异步电动机的转速表达式 N=60f(1-s)/p /p(2) 异步电动机的调速方法可以有变转差率变极对数和变频 3 种考改变转差率对异步电动机进行调速时, 低速时转差率大

17 效率低变极调速只能产生两种或三种转速不能做成无级调速, 应用围窄变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率, 故而它具有高效率宽范围和高精度的调速性能, 是一种比较理想的调速方法在遇到实际问题时, 只改变频率是不够的, 由电机学知 : E=044kr1fnΦm (3) 式中 E 感应电动势 ; Kr1 基波绕组系数 ; N 定子每相组绕组串联系数 ; Φm 每极气隙磁通量当略去定子阻抗压降时, 定子相电压 U 为 U E=kEfφm(4) 又从转矩公式 T=CtΦmI cosθ(5)

18 式中 Ct 转矩常数 I 折算到定子上的转子电流 ; cosθ 转子电路功率因数由上式可见,φm 减小导致 T 下降, 则电动机利用率下降, 电机的最大转矩也将下降, 严重时会发生堵转现象又当电压 U 不变, 减小 f 时, φm 会上升造成磁路饱和, 励磁电流上升, 铁芯过热, 功率因数下降, 电机带负载能力下降所以, 在调频的同时改变定子电压 U, 以维持 φm 接近不变, 由 U f 不同的相互关系, 而得出不同的变频调速方式不同的调速机械性能

20 ⑴ 恒转矩调速由转矩公式 (5) 知,T 与 φm I 成正比要保持 T 不变即要求 U/f 为常数, 可以近似的维持 φm 恒定此时的机械性能曲线族如图示 :

21 ⑵ 恒最大转矩 ( φm ) 调速为了在低速时保持最大转矩 Tm 不变, 就必须采取 E/f= 常熟的协调控制, 显然, 这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法

22 ⑶ 恒功率调速为了扩大调速范围, 可以在额定频率以上进行调速因电动机绕组时按额定电压等级设计的, 超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制, 因此定子电压不可能与频率成正比的提高若频率上升, 额定电压不变, 那么气隙磁通将随着 f 的升高而降低这时相当于额定电流使得转矩也减小, 特性变软如图示

23 交流电机的变频调速变频调速的主要环节是能为交流电动机提供变频电源的变频器变频器的作用是, 将频率固定的交流电 ( 电网 50Hz), 变换成频率连续可调的交流电 (0~400Hz) 变频器可以分为交 - 直 - 交变频器和交 - 交变频器两大类交 - 交变频器只需一次电能转换, 效率高, 工作可靠, 但是频率的变化范围有限交 - 直 - 交变频器, 虽然两次电能转换, 但频率范围不受限制, 目前应用的比较广泛下图为脉宽调制 (PWM) 变频器的主电路

24 变频器控制电路原理图

25 直流变交流

26 图中续流二极管 VD1~VD6, 为之后电流提供一条返回到电源的通路, 逆变管 V1~V6 组成逆变桥,A B C 为逆变桥的输出端电容 Cd 的功能是 : 滤平全波整流后的电压波纹 ; 当负载变化时, 使直流电压保持平稳交流电动机变频调速系统中的关键之一就是逆变器, 由于调速的要求, 逆变器必须具有频率连续可调以及输出电压连续可调, 并与频率保持一定的比例关系等功能

27 1 直流变交流逆变管 V1~V6 以一定的顺序动作 ( 导通和关断 ) 就能间质瘤点变为三相交流电如下图示, 在 t1 t2 时间内,V1 V6 同时导通,A 为正,B 为负,uAB 为正在 t4 t5 时间内,V3 V4 同时导通,A 为负 B 为正,uAB 为负在 t3 t4 时间内,V3 V4 同时导通,B 为正,C 为负, ubc 为正在 t6 t1 时间内,V5 V6 同时导通,B 为负, C 为正,uBC 为负在 t5 t6 时间内,V5 V4 同时导通,C 为正,A 为负,uCA 为正在 t2 t3 时间内,V1 v2 同时导通,C 为负, A 为正,uCA 为负

29 图中阴影部分为逆变管的导通时间, 其余为关断时间由波形图知, 各相之间相位互差 2π/3, 幅值相等只要按照一定得规律来控制逆变管的通断时间, 即可得到不同的输出频率 2 脉宽调制 (PWM). 脉宽调制技术是利用半导体器件的通断, 把直流电压编程一定形状的电压脉冲系列, 以实现变频变压

30 以直流电机为例, 说明 PWM 调速原理, 见下图如果开关 s 按一定得频率闭合和断开, 则直流电机的电压为若干个脉冲波, 高度为电源电压 U 则占空比 δ 为 δ=τ1/(τ1+τ2) τ1,τ2 分别为每个脉冲宽度, 及脉冲间隔宽度. 加在电枢上的平均电压为 Ud =δu 电压平均值和占空比成正比, 调节占空比就是调节逆变器通断时间之比改变平均电压就可改变转速

31 PWM 调速系统原理图

32 利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频和变压由下图示, 控制各逆变管导通与关断时间, 获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲, 因电压的平均值和占空比成正比, 所以在调节频率的同时, 改变输出电压脉冲的占空比, 就能实现变频和变压与图 a 相比, 图 b 电压周期增大

34 脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation PWM) 是指将输出信号的基本周期固定, 通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率对于一个定时器来说, 其时钟源输入频率一般不变, 即 TCFG0( 定时器预分频值 ) 和 TCFG1( 定时器分割值 ) 的值设定后就不需改变这样对于 PWM 提供了一个稳定的时钟源电机的转速与电机两端的电压成比例, 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比, 因此电机的速度与占空比成比例, 占空比越大, 电机转得越快系统中

35 PWM 脉冲频率就由 TCNTBn 决定,PWM 脉冲宽度值则由 TCMPBn 的值来决定, 而占空比即为 TCMPn/TCNTn 如果要使电机转速下降, 即得到一个比较低的 PWM 脉宽输出值, 可以减少 TCMPBn 的值 ; 要使电机转速增加, 即得到一个更高的 PWM 的输出值, 可以增加 TCMPBn 的值由于双缓冲器的特性, 下一个 PWM 周期的 TCMPBn 值可以通过 ISR( 中断服务程序 ) 或其他手段在当前 PWM 周期中低电平时的任何一点写入, 即在程序中可以通过中断重新设定 TCMPBn 的值来改变电机的转速

36 结束语本文中所设 PWM 的输出频率为 1KHZ, 所用直流电机是 120 转 / 分钟, 额定电压为 12V( 电机外不加其他感性负载 ) 本课题最终实现的是基于 ARM 的嵌入式智能小车系统, 而直流电机的 PWM 调速控制是其中一个重要的子系统实验证明, Samsung 公司的 16/32 位 RISC 处理器 S3C44B0X 对调制 PWM 实现方便, 可编程, 电机转速转向的改变迅速, 无停顿, 可以很好的为智能小车服务

37 谢谢观赏保护视力人人有责

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