（电力电子与电力传动专业论文）节能型电机制动系统的研究.pdf

节能型电机制动系统的研究 4 由于直接回馈到电网时 需要有和电网电压同步的正弦信号做基准 需要对其进行锁相 并且本文提出使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来实现软锁相 对 其具体的实现步骤及其流程图进行了详细的分析 最后编出了相应的程序 关键词 超级电容 双向d c d c 变换器 小信号模型 并网 锁相环 逆变器 d s p 节能型电机制动系统的研究 r e s e a r c h o ne c o n o m i z e rm o t o rb r e a k i n g a b s t r a c t i nt h e21 豇 h u m a nb e i n gw i l lf a c et ot h em o r ea n dm o r el a r g ec r i s e so ft h e e n e r g y s a v i n gt h ee n e r g y s o u r c e si sn e c e s s a r yf o rd u r a t i v ed e v e l o p m e n tt oc h i n a e v e nt ot h ew o r l d a tp r e s e n t u s i n gar e s i s t a n c et oc o n s u m et h ee n e r g yw h i c hi s g e n e r a t e db ye l e c t r i cb r e a k i n go f m o t o ri nt h ei n d u s t r y b u tt h i sm o d e lo fe l e c t r i c b r e a k i n gw i l lb eat r e m e n d o u sw a s t ef o rt h el i m i t e de n e r g ys o u r c e s o nt h eb a s e o fb u i l d i n ga ne c o n o m i z e ds o c i e t y t h i sp a p e rw i l la i ma tt h er e u t i l i z i n gt h e e n e r g yw h i c hi sg e n e r a t e db yt h ee l e c t r i cb r e a k i n go ft h em o t o r t h em a i n c o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e 1 s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h es u p e r c a p a c i t a n c ea n dt h ec i r c u i to f c h a r g eo rd i s c h a r g e r e s e a r c ht h ec a u s a t i o no ft h ee q u a lv o l t a g ea n dt h e p r i n c i p l e o ft h e e q u a lv o l t a g e f o rs u p e r c a p a c i t a n c e r e s e a r c ho nt h e b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r tm a i n l ya n ds u m m a r i z et h et o p o l o g yo f b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r 2 u s et h es u p e r c a p a c i t a n c et o u t i l i z et h ee n e r g yw h i c hi sg e n e r a t e db yt h e e l e c t r o n i cb r e a k i n go ft h em o t o r c h o o s ea n dd e s i g nt h em a i nc i r c u i to ft h e e l e c t r o n i cb r e a k i n g b u i l dal i t t l es i g n a lm o d e l i n go ft h em a i nc i r c u i t d e s i g n t h ei d e a lc o n t r o lp a r a m e t e r sb a s e do nt h em a i nc i r c u i to ft h el i t t l es i g n a l m o d e l i n g t h e ns i m u l a t et h es y s t e mi nt h em a t l a b s i m u l i n k a tt h ee n d d e s i g n t h ed i s c r e t ec o n t r o l l e rr e l e v a n t l ya n da p p l yo nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 3 t r a n s p o r tt h ee n e r g yr e g e n e r a t e db yt h em o t o rt ot h e 鲥d c o n n e c t e dd i r e c t l y c h o o s ea n dd e s i g nt h ei n v e r t e r b u i l dt h el i t t l es i g n a lm o d e l i n go ft h em a i n 6 节能型电机制动系统的研究 p r a c t i c a lc i r c u i t c h o o s et h er e a lt i m ec u r r e n tf o l l o w i n gc o n t r o lm o d e la s t h ec o n t r o lm o d e l a n dd e s i g nt h ei d e a lc o n t r o lp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e r b a s e do nt h e l i t t l e s i g n a lm o d e l t h e ns i m u l a t e t h em o d e li nt h e m a t l a b s i m u l i n k a tt h ee n d d e s i g nt h ed i g i t a lc o n t r o l l e rb a s e do nt h ea n a l o g p i dc o n t r o l l e r a n du s et h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t o i m p l e m e n t 4 f o rk e e p i n gt h ef r e q u e n c ya n dp h a s es y n c h r o n o u st ot h eg r i d ap l l p h a s e l o c k e dl o o p i sn e c e s s a r y t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wc o n c e p to ft h es o f t p l l u s e st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at oc a r r yo u t k e y w o r d s s u p e r c a p a c i t a n c e b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r l i t t l es i n g a l m o d e l g r i d c o n n e c t e d p l l i n v e r t e r d s p t m s 32 0 l f 2 4 0 7 a 7 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 我恪守学术道德 崇尚严谨学风 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已明确注 明和引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品及成果的内容 论文为本人亲自撰写 我对所写的内容负责 并完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 p 钒虱却 日期 沙 7 年 月2 日 节能型电机制动系统的研究 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅 或借阅 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文 保密口 在 年解密后适用本版权书 本学位论文属于 不保密口 指导教师签名 知锄垂 e t 期 砷年工月硒日 ylllll 7 觋 岛j醮汨 登 卜 者 年 作1 文 w 蝣叼 位 期 学 日 节能型电机制动系统的研究 第一章绪论 1 1 引言 进入2 1 世纪 人类将面临着越来越严重的能源危机 节约能源是我国乃至全世界持 续发展的必然手段 为落实 节能中长期专项规划 国家发改委日前启动十大重点节能 工程 十一五 期间将实现节约2 4 亿吨标准煤的目标 电机系统节能是其中的一种重 点节能工程 节能的目标是实现电机系统运行效率提高2 个百分点 形成年节电能力2 0 0 亿千瓦时 1 1 以美国为例 大约有6 0 的发电量是消耗在电力传动上 而其中的7 5 又是消耗在 泵和抽风系统上的 如果使用变速电力电子来控制电力传动则可以节省能量的消耗 2 1 国外有关研究表明 在存在较频繁的制动与起动的工况运行条件下 有效地回收制动能 量 可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十 弱 电梯是一种不断上下运行 和频繁起制动的设备 在运行过程中会产生大量的动能或势能 这些机械能通过曳引电 动机转换为再生电能 在变频调速电梯中 再生电能常被转换为热能在制动电阻上白白 消耗掉 浪费了大量的电能 通常浪费的这部分电能可占电梯用电总量的2 5 3 5 还有制动电阻发热产生高温 对机房环境和电梯控制系统等带来不利影响 4 1 由此可见 合理的利用电机制动时的能量对于提高电机的总体运行效率也是一种很 可行的方法 由于近年来 高频开关电力电子器件的兴起 超级电容等大容量储能设备 的出现 以及高速处理器技术的发展都为研究电机制动时的能量回收提供了可能性 目 前我国对电机制动能量回收系统的研究还处于初级阶段 1 2 电机电气制动的几种方式简介 电动机的制动分机械制动和电气制动两种 本课题要做的研究只和电气制动有关 所谓电气制动 就是指使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩 起到阻碍运动的 作用 电动机的制动有两方面的意义 一是使拖动系统迅速减速停车 这时的制动是指 电动机从某一转速迅速减速到零的过程 包括只降低一段转速的过程 在制动过程中电 动机的电磁转矩乙起着制动的作用 从而缩短停车时间 以提高生产率 二是限制位能 节能型电机制动系统的研究 性负载的下降速度 这时的制动是指电动机处于某一稳定的制动运行状态 此时电动机 的电磁转矩乙起到与负载转矩相平衡的作用 如电梯满载下行或者空载上行 电机制动除机械制动外有对应的三种电气制动方法 能耗制动 再生制动 反接制 动 对于能耗制动和反接制动本文不过多介绍 本文主要讨论再生制动 再生制动以前 多采用在直流母线上并联一个电阻这种方式 通过电阻来消耗制动时的能量 但是这样 对人类有限的能源造成巨大的浪费 1 3 电力电子技术的发展 电力电子技术是电力技术 发电机 变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络 电子技术 各种电子器件和处理信息的电子电路 与控制技术 连续系统和离散系统控 制理论 三者结合的交叉学科 5 1 电力电子技术是以各类功率半导体器件为基础 用于电能更换和控制的现代电子工 业的技术 电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围 2 0 世纪6 0 年代后期到现在 电力电子器件的发展已经经历了三个平台 晶闸管 s c r g t o 或者 g t r i g b t 目前电力半导体器件正向大容量 高频率和智能化等方向发展 1 4 超级电容技术的发展 超级电容器是介于静电电容器和电池之间的一种高能密储能元件 超级电容器是通 过离子迁移存储电荷的 其电容量和储能密度极高 正是由于超级电容器具有这一特点 使它在短时 高效和高输出脉冲电源方面具有很好的应用前景 一般超级电容器分为双 电层电容器和电化学电容器 超级电容器是近几年来新型能源器件的一个研究热点 它与常规电容器不同 其容 量可达到法拉级甚至数万法拉 而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被 击穿 作为一个理想的新型能源器件 它的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池 之间 在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的单方面缺陷 此外 还具有内阻小 充放电效率高 9 0 9 5 循环寿命长 几万次至十几万次 无污染等独特的优点 6 1 超级电容能够实现大电流快速充放电 且具有较好的阻抗特性和频率特性 超级电 容一般具有 很高的功率密度 极长的充放电循环寿命 非常短的充电时间 贮存寿命 极长 高可靠性 但是其缺点就是其比能量比较低 也就是此缺点限制了超级电容大范 节能型电机制动系统的研究 围的应用 我国超级电容的生产还处于f l u n g 起步的阶段 7 1 1 5 高速数字信号处理器 d s p 技术的发展 表1 1d s p 的诞生过程 年份产品 1 9 7 8 0 t i 推出t m c 0 2 8 0 s p e a k s p e l l d s p 合成器 1 9 7 9i n t d 推出2 9 2 0 模拟信号处理器 1 9 7 9a m d 2 8 2 1 1 1 9 8 0n e c 推出u p d 7 7 2 0 1 9 8 0 a t t 贝尔实验室d s p 1 信息采集 1 9 8 2t i 推出t m s 3 2 0 1 0 1 9 8 2 年 t i 向市场推出第一款可编程通用型d s p t m s 3 2 0 l o d s p 适用于高精尖 端应用 因此 世界往往认为1 9 8 2 年是商用d s p 正式诞生的里程碑年代 8 目前生产d s p 的厂商主要有 美国德州仪器 t i 公司 美国模拟器件公司 a d 摩托罗拉公司 m o t o r o l a 以及a t t 等公司 但是其中美国德州公司 t i 产品占整 个d s p 芯片市场份额的5 0 嘣9 1 新一代数字信号处理器t m s 3 2 0 c 2 4 x 为t l 公司出品的系列 既有高速的运算能力 高可靠性等一般d s p 芯片的特点 还在片内集成了如a d 变换器 p w m 发生器 脉冲 死区发生器等外设电路 使其不仅可广泛应用于电机控制 还可应用于高频开关电源的 控制 目前 数字控制已经在功率变换电路中得到了广泛的应用 1 0 1 随着d s p 器件的发 展 d s p 系统开发的主要工作已经转向软件开发 软件开发将占据约8 0 的工作量 必 须引起足够的重视 算法是d s p 应用的核心 由于本课题对数字信号处理的要求在现有的试验条件下选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为 处理器芯片就能满足要求了 使用三意公司生产的试验箱来做本课题的试验 1 6 本文研究的目的 电机电气制动如果采用能耗制动和当今社会所提出的建立节约型 和谐的社会显然 格格不入 根据电机所带负载特性的不同 主要回收非位能性负载和位能性负载产生的 能量 其负载特性不同 采用的回收方法将有区别 本文研究的主要目的是在综合国内 节能型电机制动系统的研究 外最新的研究成果的基础上 研究寻找合适的方法来回收 利用电机制动时的能量 1 7 本文研究的主要内容 本文的内容分以下几章 第一章 本章简要的介绍了电机电气制动的几种方式 电力电子技术的发展 超级 电容技术的发展 高速信号处理器的发展过程及今后的发展趋势进行了介绍 第二章 由于超级电容是目前刚刚兴起的一种储能技术 我国的超级电容技术可以 说是处于初级阶段 没有达到大规模的应用 目前对其特性研究不多 本章就超级电容 使用过程中一些关键问题进行了研究 主要是对其原理 充放电电路 均压电路等进行 了总结介绍 第三章 本章主要讨论用超级电容作中间储能设备来实现电机制动时的能量回收 包括试验系统的硬件设备设计和软件设计 首先是硬件电路的设计 主要包括对超级电 容器充放电电路的选择 开关管的选择以及对应的驱动电路和保护电路的设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片外围电路的设计 电压和电流检测调理电路的设计等 其次利用国 际上通用的建模方法对其建立了精确的小信号模型 然后根据建立的模型和选择的模拟 p i d 参数 对其进行离散化并进行数字设计 最后在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上用软件进行实 现 第四章 本章主要讨论将电机制动时的能量直接回馈电网时 首先根据实验样机 对回馈主回路 开关管以及对应的管驱动电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外围电路 电压和电流 检测电路等进行了选择设计 其次对其主回路的控制方法进行了比较分析 接着对所选 择的回馈主回路进行了建模 根据所建立的数学模型及性能指标选择了模拟校正环节 模 拟p i 控制器 然后将其模拟p i 进行离散化设计 并利用m a t l a b 对所建立的模型和实物 模型进行了比较 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上用软件进行实现 从仿真结果可以看出 对于 直接回馈电网时 如何获得和电网电压同步的给定电流至关重要 最后本文采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来实现软锁相技术 第五章 本章总结了全文的研究工作 重点指出本文重要的贡献和创新点 并对本 课题的进一步的研究提出了方向 节能型电机制动系统的研究 1 8 小结 本章介绍了本论文所研究的意义 简单的介绍了电机的电气制动的三种制动方式 电力电子技术的发展 超级电容技术的发展 高速信号处理器技术的发展等内容 使读 者对本论文将会用到的技术有个总体的认识 最后提出了本论文所研究的目的及其主要 内容 节能型电机制动系统的研究 第二章超级电容均压和充放电电路研究 2 1 超级电容概述 早在1 8 7 9 年 德国人亥姆霍兹 h e l m h o l t z 就发现了双电层原理即现在超级电容器 也称为双电层电容器 的工作原理 双电层电容器是根据电化学基本原理而工作 即 导体与电解质 液体与固体 接触后会在其表面 即界面 产生稳定而符号相反的双层 电荷 称为双电层 这些电解质表面的电荷在一定的电压下是不能被双电层电荷所产生 的电场拉到靠近它且符号相反的电极上 形成事实上电容器的两个电极 这个双电层电 荷中的电解液的电荷是以离子形式出现的 其尺寸不过纳米左右 这样电容器的两个电 极极间距也就仅纳米级 从而得到纳米级的电极距离 超级电容器的实际电极是活性炭多孔化电极 引出电极为铝箔 类似于铝电解电容 器的阴极 中间用电解电容器纸作为两个电极的隔膜 在除了引出电极 多孔化活性炭 和隔膜外的所有空间均填充电解液 这样做可以获得必备深度腐蚀的铝箔的实际面积与 空间面积比大得多的结果 同样 具有流动性的电解液可以与多孔化的活性炭电极紧密 接触使实际电极具有更大的有效极板面积 可以达到每克2 0 0 m 2 平板电容器的电容量 为 c 鱼 兰 2 1 d 式中 气为极板间介质的相对真空的介电常数 占为电介质的相对介电常数 s 为电 容的极板面积 d 为极板间的距离 超级电容具有容量大 充电寿命长 可提供很高的放电电流 充放电快 可以在很 宽的温度范围内正常工作 超级电容用的材料是安全的和无毒的 可以任意并联或者串 联使用 但是其不足为等效串联电阻e s r 相对常规电容器大 比能量较低 2 2 超级电容均压电路 普通电容器的串联使用时 仅需在电容器两端并上电阻即可 保证并联电阻上的分 流值均为电容器漏电流的1 0 倍左右即可 由于此时电容器工作时一般都是作为滤波电容 所以均压电阻的电流与功耗可以接受 不会影响滤波作用 如果用于储能的超级电容器 节能型电机制动系统的研究 且仅考虑漏电流的差异 直接并联电阻这种方法还是可以的 但是对于均衡高幅值充放 电电流 则需非常小的阻值的均压电阻 这个分压电流将由超级电容器提供 过大的漏 电流会消耗超级电容的储能 所以在多只大容量超级电容串联 且充放电电流比较大的 场合 直接在电容上并联电阻的这种方法是不可取的 对于超级电容来说 由于单体超 级电容容量的偏差 漏电流 e s r 等效串联电阻 等影响 这就需要一种均压性能良 好的均压电路 从文献 1 1 1 6 1 中可以总结出以下几种形式的均压电路 p w l 1 if 1n qdf j 一一 r 2o 图2 1 一般均压电路图2 2 大型的均压电路 图2 3 改进后的大型均压电路 由于超级电容器均衡电路仅限制超级电容器端电压在额定电压值或者以下 而且不 希望在额定电压值以下有较大的漏电流 因此实现可使用的超级电容器电压均衡电路的 基本要求为 端电压达到设定值 稳压值 以上时后 端电压微小的变化将导致很大的 端电流变化 即稳压二极管的反向击穿特性 能够承受较大电流 稳压值应是稳定的 不随时间温度及其他因素变化 在文献 1 1 中还提出了全电压范围内动态均压电路的思想 其具体的思想为 动 态电压的均衡 d y n a m i cv o l t a g eb a l a n c e 解决方案是将电力电子技术应用于超级电容器 组的单体电压均衡 使超级电容器在充放电的全过程中实现电压均衡 利用先进的高效 节能型电机制动系统的研究 率双向d c d c 变化技术 对各个单体超级电容器的电流进行补偿 达到各单体电压均衡 的目的 当多个多向变换器连接到一起时 供电电压高的变换器就会输出电能 通过变 换器的输出耦合传输到供电电压低的电源 当供电电源为电容器时 电压高的电容器将 放电或减小充电电流使电容器电压降低或减缓电压的上升速度 而电压低的电容器升高 电容器电压或者增加电压上升速度 最终使各电容器的电压一致 本文只对其基本思想 进行介绍 可以作为本课题以后的研究方向 2 3 超级电容充放电电路 对于超级电容充放电系统 需要双向流动能量 超级电容两端的电压为直流电压 超级电容的充放电回路自然是直流 d c d c 变换电路 我们所熟知的d c d c 变换器多 数都是单向的 由于通常的单向d c d c 变换器中的主功率传输通路上一般都有二极管这 个环节 因此能量经由变换器流动的方向只能是单向的 对于有些需要能量双向流动的 场合 如果仍然采用单向d c d c 变换器的话 就需要将两个单向变换器反并联 但是这 样总体电路就会变得比较复杂 会使系统的体积过于庞大 成本较高等 实际上完全可 以把这两个变换器的功能由一个变换器来实现 也就是使用双向d c d c 变换器 在功能 上相当于两个单向d c d c 变换器 实现 一机两用 功能 1 7 1 从文献 1 7 2 4 1 中可以总结出双向d c d c 变换器的具体拓扑结构有以下几种 v 司一丰 垤 司书l v 1 节能型电机制动系统的研究 e s 恻c f z e 协竣魄受挠器 f 弘 l 飘悠e p 记醛硒赛羧嚣 孕睡 鼍9 c u k 鬏岛蹙援嚣论 短墩式碰隗o c 旬c 惫疑嚣 圜l 咽肌l 佩 醢 移榍转键霉瑰餍歼篾辑式取渤d c c 蹙挽麓 图2 4 双向d c d c 变换器拓扑电路 另外文献 1 7 1 8 1 中还给出了电流馈式双向d c d c 变换器 半桥 推挽型双向d c d c 变换器等 以上总结的双向d c d c 变换器都有各自的优缺点 实际应用中根据实际要求 来选择一种 2 4 总结 本章主要对刚刚兴起的超级电容的特性原理 均压电路 充放电电路进行了总结 从而更好的使用超级电容 节能型电机制动系统的研究 第三章使用超级电容回收利用电机的制动能量 3 1 总体结构 由于交流电机其调速性能比直流电机好 在工业上交流电机占主要部分 一般都采 用变频调速 其原理为 交流电经过不可控整流 经过滤波 转变为直流电 然后通过 p w m 等方式来驱动逆变电路 产生频率不同于交流电网的正弦电压 以此达到调速的目 的 对于本章使用超级电容作为中间蓄能设备来回收利用再生能量 其具体的结构示意 图如图 3 1 所示 图3 1 超级电容作为中间储能设备时的能量回收系统结构示意图 假设电压检测l 所检测的直流母线电压为u j 电压检测2 所检测的超级电容器组两 端的电压为虬 电流检测检测到的电流为t 电压u 印 u 枷为 设定值 矿 为串 联超级电容器组两端所能承受的额定电压 电容器组所能承受的最大工作电压 和流过 超级电容器组的额定电流 电容器组所能承受的最大工作电流 其控制基本思想是 由于当电机处于制动状态时 交流电动机进入发电状态 此时交流电动机的再生 能量经变频电路向中间直流环节的储能电容c d 充电 使电容器两端升高 当u d 超过电 网线电压值后 二极管整流桥反压阻断 随后 u 继续上升 当它大于能量回馈电压u 即当检测到的直流母线电压 u 印时 通过d s p 芯片来产生相应的p w m 波形来驱动 可逆斩波电路 使其恒流向超级电容充电 并且通过电压检测2 和电流检测来监控超级 节能型电机制动系统的研究 电容两端的电压和流过它的电流 当电机负载比较大时 此时直流母线侧电压下降 当电压检测1 检测到直流母线 电压 u 如 时 可以通过超级电容向负载提供能量 通过d s p 来控制双向斩波电路 使超级电容向负载提供能量且保持直流母线电压为一恒定值 同时还需要监控超级电容 器组两端的电压和流过超级电容器组的电流 对其控制完全可以通过软件编程来实现 3 2 控制方法的研究 为了使超级电容能够以最快的速度充满且不损坏超级电容的前提下 一般采取 恒 流充电至额定电压 此时电容没有充满 恒定电压下充电 超级电容放电时 如果要求 最快的速度放电 一般也采取恒流放电 但是本文中当超级电容放电时 控制的目标是 保持直流母线侧的两端为恒值 所以本文的控制目标是 当电机处于制动时 超级电容 处于充电状态 此时为了更好的回收能量 采取恒流充电的方式 即控制超级电容充电 电流为恒值 额定值 当电机处于电动 且所带负荷较大时 超级电容此时向负载提供 能量 即处于放电状态 此时控制的目标是 保持直流母线侧电压为一恒定值 半个多世纪以来 在很多工业生产过程控制中 应用模拟p i d 控制器获得了良好的 效果 对于目前使用的方法一般有预测控制 滞环控制 无差拍控制 滑模控制 重复 控制 模糊控制 神经网络控制等智能控制 不同反馈环路数目的斩波器控制有电压瞬 时值单环反馈 电压电流双环反馈 多环反馈策略等 虽然当前控制理论和控制技术在 信息技术 集成电路制造技术的高速发展的推动下有了很大的发展 如自适应控制 神 经网络和模糊控制 鲁棒控制等很多现代控制方法都得到广泛的应用 但是数字p i d 控 制仍然是一种稳定 可靠 实现简单 使用广泛的控制方法 数字p i d 控制算法由比例 积分 微分三种算法组成 它克服了模拟p i d 控制器的 许多不足和缺点 可以方便地调整p i d 参数 具有很大的灵活性和很强的适用性 与其 它控制方法相比 数字p i d 控制具有以下优点1 2 5 2 81 1 数字p i d 算法蕴含了动态控制过程中过去 现在和将来的主要信息 控制过程快速 准确 平稳 具有良好的控制效果 2 数字p i d 算法在设计过程中不过分依赖系统参数 系统参数的变化对控制效果的影 响很小 控制的适应性好 具有较强的鲁棒性 节能型电机制动系统的研究 3 数字p i d 算法简单明了 便于用单片机或d s p 实现 本文采用双闭环控制和数字p i d 相结合的方法来控制系统 当电路向超级电容充电 时 为了使充电速度较快 一般希望以额定电流值向超级电容恒流充电 直接对电流进 行控制 其控制框图如图 3 2 所示 3 2 超级电容充电时 b u c k 的电路图3 3 超级电容向放电时的控制框图 图 其原理为 流过电容的电流和给定电流相比较后通过p i 调节器 p i 输出的值作为电 容两端电压的指令 电压误差经过p 调节器后和三角波比较产生p w m 信号驱动开关管 其p i 和p 算法 三角波的产生以及p w m 信号的产生都可以通过t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来实现 当电容向直流母线放电时 要求直流母线侧的电压为一恒定值 所以本文采用电压 外环 电流内环的控制方法 其控制框图如图 3 3 所示 其原理为 直流母线侧的电 压和给定电压相比较后经过p i 调节器后作为电流指令和直流母线侧的电流相比较 其误 差经过p 调节后和三角波比较后输出控制信号 其p i 和p 算法 三角波的产生以及p w m 信号的产生 本文都通过t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来实现 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是众多数字信号处理器中的一种 具有强大的计算能力以及事件管 理模块 e v 则p w m 信号可以方便的得到 因此 硬件部分可以大大简化 控制电路 可以全部省略而由软件来代替 即软件实现p i d 控制以及p w m 信号的产生 3 3 硬件设计 3 3 1 电容器充放电主回路 由于实验条件的限制 实验室没有大负荷电机 所以本文从功能上模拟电机制动的 过程 当电机制动时 如果采用不可控整流设备 由于中间滤波电容的作用 直流母线 节能型电机制动系统的研究 上的直流电压升高 当直流母线上的电压超过一定的数值时 我们对超级电容进行充电 当母线上的直流电压小于某一个数值时 我们通过对超级电容进行放电向负载提供电能 由于是模拟 本文就采用结构相对比较简单的b u c k b o o s t 双向变换电路 对于实际的工 业生产中交流电机变频系统的主回路以及超级电容的充放电主回路 一般可以设计成如 图 3 4 所示 本章的重点是研究图 3 4 中的方框部分 其主要的目的是考虑超级电路充放电这 块如何更好的实现 其中包括对主电路的选择 检测回路的设计 保护电路的设计 对 主电路电路的建模 根据建立的模型设计出合理的控制参数 对整定的控制参数进行离 散化 编程实现对系统的数字化控制等内容 当电机制动时 直流母线电压升高 超级 电容处于充电状态 当电机负荷比较大时 直流母线电压降低 超级电容放电 图3 4 交流电机变频系统超级电容充放电主回路 本文将从模拟的角度来实验电机制动时的能量回收 其原理相同 不同的是实际电 机制动系统的直流侧的电压是由于电机制动时回馈到直流母线 模拟系统的原理是 交 流电经过整流 然后经过整流滤波以后为直流电压 相当于实际中直流母线电压 l e d 为发光二极管 c d l 为滤波电容 q 1 和q 2 为m o s f e t 管 为了保护开关管 在其中加 入了缓冲电路 节能型f o 秽l n 动系统的研究 图3 5 超级电容充放电主回路 其参数如下所示 q 1 和q 2 为 i r f 3 7 1 0 电阻r 1 6 4 7 k 电容c d l 4 7 0 0 u f 1 0 0 v 电阻r u l a 1 0 0 k 可变电阻r u l b 2 0 k 电阻鼬 o 1 欧 2 瓦 电感l 2 0 m h 2 a 电阻r u 2 a 1 0 0 k 可变电阻r u 2 b 2 0 k 稳压管d w l 和d w 2 是2 c w l 0 1 3 v 3 其具体参数是最大 耗散功率是1 瓦 额定电压为3 3 v 最大工作电流为2 7 0 毫安 超级电容为集星公司生 产的s u 0 0 2 0 e 0 0 2 7 v 0 1c a 其具体参数为 电容量2 0 f 电容偏差率 1 0 n 2 0 额定 电压为2 7 v 尖峰电压为3 0 v 额定电流为5 4 a 最大电流为2 7 a 最大储能为0 0 2 w h 直流最大内阻 5 a 为4 0 艘 交流最大内阻 1 0 0 h z 为3 1 艘等 本文采用1 0 个单 体超级电容串联 则其两端的额定电压为2 7 v 最大电压为3 0 v 容量为2 f 3 3 2 开关管的驱动电路 有上面的参数选择可知 开关管选择的是m o s f e t 管 因为m o s f e t 管是电压控 制器件 栅极输入阻抗很高 一般在1 0 9 q 范围内 输入阻抗基本上是纯电容性的 不需 要直流电流 只需输入电容的充放电电流 驱动电路功耗小 电路设计非常简单 有时 可以直接用c m o s 或t t l 集成电路驱动m o s f e t 器件 为了尽量减小开关时间 常采 用射极跟随器来驱动m o s f e t 1 q 1 的驱动电路如下图所示 节能型电机制动系统的研究 v v p l 图3 6q l 管驱动电路 当d r l 为高电平时 t 1 导通 光电耦合器t l p 2 5 0 导通 信号经过放大以后去驱动开 关管q 1 此时开关管q 1 导通 当d r l 为低电平时 t 1 不导通 光电耦合器t l p 2 5 0 不导 通 不能输出驱动信号 此时开关管q 1 关闭 其各个参数图中已经标出 2 q 2 的驱动电路如下图所示 v d 2 v p 2 图3 7q 2 管驱动电路 当d r 2 输入高电平时 t 2 导通 t 3 不导通 所以此时没有驱动信号 此时开关管 q 2 闭合 当d r 2 端输入低电平时 t 2 管不导通 由于v d 2 的作用 t 3 管导通 v p 2 端输出驱动信号 开关管q 2 管导通 其具体的参数在图 3 7 中已经标出 3 3 3 电压 电流检测电路 在对系统进行数字p i d 控制时 需要将超级电容两端的电压以及流过超级电容的电 流等成线性关系变换成t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 所能接受的范围 因此必须对电压和电流进行 检测且进行调理 使其输入到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的值为o 3 3 v 之间 1 超级电容电流检测电路为 节能型电机制动系统的研究 电流的检测必须让其转换成成线性关系的电压 目前采用比较多的是用霍尔传感器 把电流直接转换成电压 但是本文考虑到成本问题 且输入采用电阻自己设计如下的电 路图 图3 8 超级电容电流检测及其调理电路 设流过超级电容的电流为i c 充电时为正 放电时为负 由图3 5 可以得出 乇r 3 1 由图3 8 可以得出 纠h 彘 熹k 燕电 2 所以要求 1 瓦 瓦拿i 圪 1 6 5 且 竿乏七的值在 1 6 5 1 6 5 区间 为了 超级电容的安全取一5 么 之 5 a 则此时的电阻b 6 6 艘 k 8 v 心 0 9 5 k q 所 以 k 1 6 5 0 3 3 i c 3 3 当充电电流为0 时 输入到d s p 的值为1 6 5 v 当充电电流为5 a 时 输入到d s p 的值为3 3 v 当放电电流为5 a 时 输入到d s p 的值为0 2 超级电容电压检测电路为 节能型电机制动系统的研究 图3 9 超级电容电压检测及其调理电路 设超级电容的实际电压为 由图3 5 可知 k 2 i 一 瓦瓦r u 2 b 毛 3 4 因为超级电容的额定电压为2 7 v 所以把兄 1 5 k q 代入数据得出 k 2 i 瓦r u 2 b 1 3 3 5 检测后的电压输入到图3 9 经过一阶有源低通滤波器 滤除高频信号 使输入到 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d 转换接口的信号为没有高频部分的直流信号 3 直流母线电压检测回路为 由图3 5 可知 矿u l l 瓦r u l b 图3 1 0 直流母线电压检测及其调理回路 3 6 通过调整电阻咒 和r 使圪 的值为o 3 3 v 之间 设直流母线侧的电压为4 8 v j 覆 节能型电机制动系统的研究 高 则可调电阻民 最大值应为7 3 8 k q 本文中的r 6 7 3 8 k q 所以有 v u l i2 瓦 u l b 0 0 6 9 u d 3 7 调整后的值输入到图3 一l o 所示的一阶有源低通滤波器 滤除高频部分 图中的u 4 a u 4 b u 4 e u 4 d 放大器采用l m 3 2 4 n 其余各参数在图中已经标出 3 3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a1 驹9 1 围电路 在本章中主要使用到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器模块 a d 转换模块等 要对 两个m o s f e e t 管进行驱动 要有两路p w m 驱动信号 且两路驱动信号不是互补关系 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有两个事件管理器模块e v a 和e v b 模块 每个包括 两个16 位通用 定时器 8 个1 6 位脉宽调制 p w m 通道 他们能够实现 三相反相器控制 p w m 的 对称和非对称波形 当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道 可编程的 p w m 死区控制以防止上 下桥臂同时输出触发脉冲 三个捕获单元 片内光电编码接口 电路 1 6 通道a d 转换器 事件管理模块适用于交流感应电机 无刷直流电机 开关磁阻 电机 步进电机 多级电机和逆变器等 在进行电压外环和电流内环数字p i d 控制时 从电压电流检测及其调理电路后输送到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的信号为0 3 3 v 的直流模拟 电压 要对其进行a d 转换 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 自身带有1 6 通道1 0 位的a d 转换器 其最小转换时间为5 0 0 n s 可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入或者1 个1 6 通道输入的a d 转换器 本文要用到其中的三路m d 接口 采用三意公司提供的试验箱 进行实验 3 4 控制回路参数设定 3 4 1 超级电容器充放电主回路的建模 电力电子系统一般由电力电子变换器 p w m 调制解调器 驱动电路 反馈控制单元构 成 电力电子系统的静态和动态性能的好坏与反馈控制设计密切相关 要进行反馈控制 设计 首先要了解被控对象的动态模型 2 9 1 所以d c d c 开关变换器的建模与分析是研究 d c d c 开关变换器的拓朴结构和控制方法的基础 对于p w m 型开关变换器的建模方法一般有 状态空间平均法0 0 1 电路平均法 3 1 1 p w m 开关平均法 3 2 1 p w m 基本变换单元法 l 动态相量法 离散时域仿真法 等效小参量法 节能型电机制动系统的研究 等 其中具有代表性的是状态空间平均法和电路平均法 1 9 由于开关器件的丌关作用 d c d c 开关变换器是周期性 时变结构系统 在一个开 关周期内 d c d c 开关变换器的状态空间连续时间建模 需要两套或两套以上不同的方 程组 一套描述在功率开关器件导通期间的工作 其他描述功率开关期间关断的工作 在每种开关状态期间 如果r l c 元件是线性的 则电路是线性电路 为了得到描述开关 变换器在整个开关周期内的统一的状态空间模型 1 9 7 6 年m i d d l e b r o o kr d 等提出了状态 空间平均法 状态空间平均法一直是国际公认为的p 1 i r md c d c 变换器的主要建模和分析方法 其 实质是 根据有线性r l c 元件 独立电源和周期性开关组成的原始网络 以电容电压 电感电流为状态变量 按照功率开关器件的 开 和 关 两种开关 利用时间平均技 术 得到一个周期内的平均状态变量 将一个非线性 时变 开关电路转变为一个等效 的线性 时不变 连续电路 因而可以对d c d c 开关变换器进行大信号瞬态分析 并可 以决定其小信号传递函数 建立状态空间平均模型 但是基于数学方法的状态空间平均 方法计算比较复杂 而且不直观 用不同方法推导出的小信号交流模型的形式可能不同 另外 推导过程也比较复杂 前人通过总结 表明基本的d c d c 变换器的小信号交流模 型可以统一成一种标准的形式 称为统一电路模型2 9 1 统一电路模型如下图 3 一1 1 所示 2 9 嶝弓呸 等镟 乙 嗍f 暇遁 滤被 器 一i 1 i r i d 0 授潮输入 图3 1 1 统一电路模型 根据以上的统一电路模型可以得出b u c k b o o s t 电路的交流小信号模型传递函数 当电路处于b u c k 电路时的传递函数如下 具体推导过程见文献 2 9 1 输入至输出的传递函黼 鬻k 脚2 而d 3 8 节能型电机制动系统的研究 控制至输出的传递函数为 3 9 式中l 为滤波电感 c 为滤波电容 本文为超级电容 r 为负载电阻 文本的负载 相当于无穷大 d 为占空比 名为输入侧直流电压 当电路处于b o o s t 状态时的传递函数如下 输入至输出的传递函姚器b 咖 西兰石 仔 控翥至输出的传递函黼鬻b 咖 西d v 忑i 苫i l r 协 式中l 为滤波电感 c 直流母线上的滤波电容 r 为负载电阻 本文为1 5 w 5 0 q d i d 圪为输入侧直流电压 v 为输出侧期望直流输出 调制器的模型 v 耐懈泺一 二 i l i i ll ii iii m 门厂 厂一 d 个 7 丁2 i j 图3 1 2p w m 调制器原理图 对于用的较多的p w m 调制器 它由三角波发生器和比较器构成 由三角波发生器产 生恒定峰值和恒定周期的三角波 与控制量k f 经比较器比较后输出脉冲序列万 f 调 制器将控制电压屹 f 转换成占空比为d f 的脉冲序列 控制电压的开关周期平均值为 咋 f c p w m 调制器输出万 f 的开关周期平均值为 万 f 由图可以求出 万 f 万 d 2 i i f 瓦万 f d r d f 3 1 2 节能型电机制动系统的研究 式中的占空比d r 尘 鳖 屹 屹是三角波的峰值 可见d 是 屹 梆t 的线