外文翻译译文-仿真和建设速度控制直流系列电动机

中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 1 页 共 10 页仿真和建设速度控制直流系列电动机摘要DC系列电机是首选机电一体化应用的转矩/速度比率。本文介绍了一个开环直流电动机调速的设计和实施是基于微控制器和IGBT的控制。设计是昂贵的，试验还会有错误并且费时。这里通过使用仿真工具，可以解决这个问题，预测系统含有机械师和电子模块的动态行为。该模拟系统能模拟出令人满意的实验结果。1 介绍DC系列电机通常选择牵引应用的转矩/速度比率。这方面的例子是轮椅车，高尔夫球车，吊机，起重机，促动臂等8。一个典型的应用包括人为操作中直流电动机的加速踏板装置，或控制杆。该电子系统的调节送入电动机的电功率，在根据一踏板或操作杆的位置，习惯上被称为速度控制。这样的系统可以是闭环或开环配置中8。虽然闭环系统所需要的高准确度的应用，也有很多情况，其中一个开环系统就足够了。本文关注后者。一个典型的直流电动机调速往往有其内部产生的信号通过模拟电路和处理它的功率驱动级由几个MOSFET模块并联1。这种典型的控制，可以提高通过更换或带数字的和，此外，代每个MOSFET与一个单一的IGBT模块的并联安排9。改进后的控制，从而导致更可靠，成本更低，更简单生产。因此建议基于IGBT的开环数字速度控制，这里开发的。然而，本文的主要目的是呈现这些作者为工作原型方法的建议速度控制。机电原型通常是一个试错的过程中实现。其中，大部分的时间，结束了的昂贵和费时的。这是这里提出的这个缺点基本上由适当能够缓和模拟和实验室测试。模拟一个电动机及其速度控制之前已经做了应用非常简单，用于电机和/或电子控制模块的模型1,8,12。对于这里的工作报告中，有详细的电机模型首先开发。然后，将该怔了模型模拟和之间非常接近的比赛实际表现测试台电机。后来，该模型建议使用由厂家提供速度控制其构成的电子设备的型号。最后，相合的模拟电机和速度控制的应用在炼油和调试建议设计，甚至在它的建设。如今，各种可用的软件包允许模拟机电一体化原型，例如，MathWorks公司的中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 2 页 共 10 页MATLAB的SIMULINK 11，INTUSOFTSPICE，类比，军刀Mentor Graphics公司机电图书馆，PSPICE从ORCAD 7等，虽然这些包提供各种通用模型电力电子器件和/或机电元件，其他方便的使用制造商提供的特定的设备的模型，以及用户开发的型号。通用模型通常允许一个快速的的仿真开发;另一方面这些模型往往不能被修改由用户模拟和实际性能之间更匹配。 PSPICE同时允许，使用制造商提供的模型和用户开发的车型列入。后者则是通过一个扩展名为模拟行为建模（ABM）7。应有这个原因，其成本相对较低，PSPICE工作报告在这里。由其他作者ABM在先前的工作已被应用在建设进行了详细的IGBT模型3。在本文中，而反导是受雇于建设了详细的直流系列电机模型，IGBT和其它电子设备的表示的装置的制造商提供的模型。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 3 页 共 10 页2 直流电动机速度控制的主要职能通常用于电动机加速踏板机械联接到一个可变电阻器，其位置转换成的电压信号输入到速度控制。因此，这种控制是第一功能去除踏板信号的变阻器噪声的变化速度跌宕起伏缓慢。速度控制，然后使用这个空调其第二功能的信号，将驱动器输出的开关波形的生成电力电子器件。脉冲宽度调制（PWM）已成为一种广泛采用的方法，用于产生这些波形的1。第三个功能用于控制提供所需的功率直流电动机。这是通过控制功率输出级的通常的功率半导体器件，二极管，场效应管，可控硅，IGBT 等6。第四个和最后的功能控制本身的保护机制，用于电机和用户提供在这里。主要保护功能列表如下：防止在全电压启动。绕组的过电流保护。防止踏板信号的损失。防止电池电压低。保护对高温。防止开关信号没有电力驱动门。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 4 页 共 10 页3 建议设计一个直流电动机调速当前的数字技术提供了几个明显的优势，在模拟的用于产生 PWM 开关信号的功能和处理直流电动机调速的保护信号。一个单处理器取代一些及其相关分立元件1。因此，物理尺寸可以减少，而在同一时间，它的可靠性可以增加。图 1 显示了一个框图，建议速度控制。这里使用的微控制器是集成的 MC68HC8118 个 A / D 转换 8 位转换器。在图所示的电路进行的踏板信的调理。变阻器电压首先被送入射极跟随器运算放大器（TL084）。分流电阻确保，这 V 已调节进入到零，如果变阻器连接丢失。这从而实现保护功能的踏板信号的损失。运算放大器 1 输出然后进入一个 RC 电路，其中二极管 D1 允许在两个不同的时间常数，一个减速。所示的值在图，后者是 47 毫秒，而前者是至少 738 毫秒的值取决于的 R 调整。最后，通过射极跟随器的运算放大器中的 RC 电路的输出被注入到微控制器的第一 A / D 转换器 2。来产生 PWM 开关信号，V 从图已调节。 2电路被送入微控制器的 A / D 转换器输入。因此，V cond 是离散成 256 平，他们每个人的地址的微控制器的 E2PROM 中。该细胞包含预期的脉冲持续时间。因此，宽度 256 步骤根据 V COND 变化。离散线性变化这里采用为原型的。这种线性特性，但是，可以很容易地改变，如果这被视为方便。在注入电源驱动器门之前，首先通过 PWM 信号通过栅极驱动器级包括一个光电隔离器和一个缓冲。这示于图。 3。至于电力电子舞台，一个完整的 DC 到 DC H 桥转换器 4 IGBT 的二极管是高度推荐6。对于这里的工作报告，但是，只有一个分支，这桥来实现的形式示于图。 4。这个分支执行降压转换器的一个步骤6。除了防止损失踏板，多种保护功能上面列出的实施的传感器以及电流和传感器的需要。然后这些设备提供的送入微控制器通过其附加的 A / D 转换器的输入由微控制器的程序。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 5 页 共 10 页4 直流串励电动机的建模使用模拟行为模块4.1 运动方程该方程描述的直流系列电机的机电行为给出如下。电平衡方程为2,8： dItsSatVER（1）其中， S是在串联连接的两个绕组的电压， aE是诱导电动势（ EMF）， tR是总串联电阻， sI是电流通过绕组和 L 吨的总的串联电感。磁通/ aE的关系和角速度 x是2,8 ()aEKt（2）其中 aK是电动机常数。由 DC 开发的电磁转矩电机取决于以下方式：()emaSTtI（3）力矩平衡方程为2,8： d()teLtBJ（4）其中， LT是负载转矩，B 为常数的粘性摩擦和 J 是电机的转子和轴的转动惯量。的磁通和绕组电流的相关通过本机的磁化曲线中表示为2,5： ()sfI（5）函数 ()sfI一般包括饱和度和滞后效应。4.2 模拟行为建模的直流串励电动机方程式(1)-(5)提供了一个数学模型对直流串励电动机适合本文的目的2、5)。实施 ABM 模型见图 5。模块 1 的图 5 是一系列分支的元素。(1)。注意电动势期 aE“被注入到这个分支由电压模块 2 单位增益控制电压源。包括在这个分支是电流作为电流传感器的单位增益控制的电压源。所感测的由模块 3 和 5 两者的计算，磁通量/电流是必需的的电磁转矩 T 的时间。磁通的实际是一个中间变量计算E 一个。在结合(5)和(2) ()aSEKfI（6）电动马达的磁化特性通常被提供作为一组获得 aE与 SI点在一个固定值中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 6 页 共 10 页018.6弧度/秒的角速度。此值通常对应于电机的额定铭牌速度。设 aE在 ，表示这一特点。根据（6），一个不同的值的 2：0Ea（7）模块 5 实际上是指定或测量非线性曲线 0Ea主场迎战 SI。这样的一个例子所提供的图 6。应当提及的是，为实施报道滞后被忽视。真正实现模块 2 式（7）。其输出反馈到模块 1 的电动势。除了到 0a的模块 2 的另一输入端的角速度，计算模块 4对应式（4）。在忽略 B，粘性摩擦期，这个方程产量8： 1()JtemTdt（8）很显然，从模块 4 实现这最后的方程结合式（2）和（3）代入（7）得到的电磁扭矩 0)(/emaSTEI（9）最后模块，实现这最后的方程。上述的电动机模型，用于再现的操作的 1 马力直流串励电机。首先，该电机参数 tL， tR和 J 测量。然后，得到 0a的磁化特性与 SI是作为一个集合绘于图 6。接下来，所有这些数据被应用到图 5 模型。最后，各种实验上都执行，电机和其反导模型。这些实验设计，以便允许的精细化所测得的参数。反导电机模型，此外，实际提供缺乏某些特殊仪器，如测功机。用于模拟的变量和参数如下： 25,0.6,1t SRmJkgV（A 和 A0 之间的紧张关系）， 10PCuF和电感 CL被忽视。电感 tL是一个不同的值，该值随着频率的10。从伤口的阶跃响应以下两个值 t实验估计： 75tuH2100 赫兹和 150tLuH2500 赫兹。在中间频率， t计算插值。这些值列于表 1。4.3 所提出的速度控制的 SPICE 模型图 1 图式化的 SPICE 模型所提出的直流串励电机速度控制。它由四个基本构建块：踏板信号调理器，微控制器，栅极驱动器和功率输出级。除了微控制器，所有这些块表示很详细的使用制造商提供的 SPICE 模型半导体器件。微控制器的详细表示认为没有必要，并且除了桌面电脑在这项工作中，中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 7 页 共 10 页那是不现实的。这是选择，而不是只通过一个长方形在 PWM 功能波发生器，其脉冲宽度被改变在 256 步骤，根据输出在踏板信号调节器。之前被注入到电机模型中，这些 PWM 信号通过栅极驱动器的功率输出的模型。它在这里应该提到的是，除了保护踏板信号的损失，其他保护功能的微控制器和其相关联的未包含在模拟电路。踏板信号调节器的详细图，中提供了一个。 栅极驱动器和功率输出级，而图中所提供的图 3 和 4。这些块中使用的 SPICE 建模的一个优点是市售设备，获得一个巨大的模型库4。只 IGBT 模块的模型是不是在这个库，但它可以很容易地下载从制造商的网站信息网站。之前其物理实施，非常久远的反导电机速度控制 SPICE 模型进行了测试模型。这允许甚至初步设计的调试和微调前实施。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 8 页 共 10 页5。结果图 7a 示出稳态电流被注入的速度控制进直流系列电机从模拟，得到的占空比为 70和频率为 2250 赫兹。图这 7b 示出从实验得到相同的电流测量。请注意，这两个数字之间的协议，是令人满意的。图 8a 显示稳态电流的情节注入直流电动机通过以下方式获得 a 占空比为 50的频率为 2100 赫兹。图 8b 提供的情节的测量。之间的协议这两个数字也令人满意。现在得到注入电机上面的瞬时电流通过模拟，考虑 90的占空比和频率为2500 赫兹。这个电流被绘制在图中。是由 9a 和相应的测量 9b 所示。这两个数字相吻合，在示出的瞬时峰值电流可高达两倍电机的额定电流。图 10A 提供瞬态电流启动时，它是模拟的 50占空比和频率的 2100 赫兹。此图应与 10b 中，对应的瞬态实验得到的电流为相同的占空比和频率。电流瞬变的图 9a 和 b 可能会导致严重损坏速度控制功率输出级。仿真帮助确定足够的相应的电力电子器件。另一个优点模拟的的内部变量的可能性的系统。图 11 例如显示各种模拟电动势频率和占空比，而图图 12 示出了所获得的角速度。图 13a 和 b 示出，最后，得到的模拟电磁转矩为 2 Nm 的加载和分别在 90和 50的占空比。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 9 页 共 10 页6。结论开发复杂的电子机电原型的一种方法本文提出的。它基本上是结合计算机组成模拟实验室检查。此方法已被应用在发展为 1 马力的直流系列电机的速度控制。仿真工具这里采用的是从 OrCAD 和其反导公用事业的 PSPICE。虽然 PSPICE已经允许了详细的电子和代表性电力电子模块，其中包括制造商提供的模块，反导公用事业已经启用了准确的描述电机机电功能。因此，电机和速度控制相合模拟是不可能的。这里模拟和实验室测试之间达致的协议一直令人满意。以前的作品被别人模拟（长官的屯门 INTUSOFT，HDLA 导师）速度控制耦合非常简单（一分公司）电机型号。反导此模型提供更逼真的运动功能的帐户。它可以进一步通过其他开发人员和提供了必要的数据结果这里。此外，第三方，甚至可以修改此模型相对容易地以适应特定的需要，其他方面的发展。该允许模拟测试和调试的速度控制，即使之前它被修建。例如，模拟的帮助，以证明系统不应该被启动的占空比在 50以上。整体体验介绍的方法是，它已经帮助时间和成本显着。的模拟，当结合随着试点工作，甚至还提供缺乏某些专门仪器，喜欢测功机。他们也使人迹罕至的变量像电动势。一个显着的事实是，没有一个电力电子设备被烧毁项目。最后，正在进行的工作是在一个完整的 H 桥速度控制的发展，作为，以及对不同尺寸的应用直流电动机反导这里提供的模型可进行修改，以包括其他功能，例如粘性摩擦，滞后和伤口的电感对频率的依赖性。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 10 页 共 10 页参考文献1 Castagnet T, Nicolai J. 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