电动机驱动系统

电动机驱动系统（精选十篇）

电动机驱动系统 篇1

1 PI控制器电驱拖动系统Simulink模型的构建

电力驱动系统, 一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源等部件构成。其相互关系如图1所示。

基于电力驱动系统的结构, 采用系统最严峻的工作状态-阶跃输入为典型输入信号。假设初始状态, 电机转速为0, 其数学描述定义为:

拉普拉斯变换式为:

式中, A为阶跃函数的阶跃值。

引入PI控制器环 即在系统中加入比例-积分环节 (Proportional Integral controller) 。其主要原理[2]是:补全不稳定系统的前向通道的缺项, 使其首先成为一个稳定系统。然后在此基础上, 通过系数的调节, 达到改善指标, 减少误差的目的。

在Simulink模块[3]构建系统结构图, 电力驱动系统结构模型如图2所示。

2 电机驱动控制系统的仿真

2.1 直接控制仿真

电机驱动控制系统的直接仿真, 即采用PI控制器的默认参数a=0.17 (通常系数取一个较小值) 直接在Simulink里面进行迭代计算。其仿真结果属未改进系统性能前的直接控制效果, 动态性能计算如图3所示。

从图3可知, 该系统的动态过程曲线表现为衰减的形式。因此, 在引入PI控制器之后, 系统能够达到稳定的状态。但是, 其动态性能指标, 并不良好。超调量较大, 其中, 最大超调量%σ≈60%, 而符合标准的电力控制系统最大超调量范围在2.5%~25%之间。因此, 该项指标不合理, 系统需要改进。

2.2 PI控制器参数的调整

PI控制器参数的调整, 即将控制环节的系数a值, 进行选择调整, 并根据选择的参数, 继续运算, 直到达到理想的结果为止。选择a=0.5、1、1.5三个系数分别进行仿真计算。其计算结果如图4到图6所示。

结果分析:

(1) 从图4到图6的计算结果看, 随着系数a值的增加, 超调量和振荡次数随之减小, 动态曲线趋于平稳。当a=1.5之时, 最大超调量%σ≈22%, 符合标准。

(2) 如图3到图6所示, 动态系统的调节时间逐渐减小。调节范围从最初直接控制时的5s变为了a=1.5时的2s, 有效地缩短了调节时间ts。所以, 该项性能指标, 也达到了改善的效果。

综上所述, 当PI控制器的模块选择为01..85s5s+1时, 电力拖动系统的性能达到最优状态。

3 结论

建立了电机驱动系统的PI控制器Simulink模型, 分别对直接控制、控制器参数调整的四种工作状态的动态过程进行了仿真模拟, 最终, 得到了参数a=1.5时的最佳性能状态。为后续电力拖动系统的优化设计, 提供了一种行之有效的方法。

参考文献

[1]李发海、王岩.电机与拖动基础[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[2]余成波、张莲、胡晓倩.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社, 2009.

电动机驱动系统 篇2

电动助力转向系统电机驱动电路的研究

本文简单介绍了汽车电动助力转向系统的基本组成结构及其工作原理,以及ARM-S3c2410芯片的功能特点,并以ARM-S3c2410芯片为核心,介绍了电动助力转向系统电子控制单元.把电动助力转向系统的电机驱动电路作为了介绍重点.驱动电路采用三相全桥逆变电路以及MOSFET驱动电路和PWM脉宽调制技术实现对电机的控制.在对硬件系统进行的`实验中,表明所设计的硬件电路能够满足电动助力转向系统对稳定性和跟随性的要求.

作 者：刘文举 吕秀江 作者单位：长春工业大学电气与电子工程学院,130012刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：2010“”(21)分类号：关键词：电动助力转向 ARM-S3c2410 驱动电路 PWM脉宽调制技术

电动机驱动系统 篇3

（1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.一汽客车（无锡）有限公司，无锡 214177；3.山东大学，济南 250100）

内燃机诞生百余年来，其基本功能结构变化不大。尤其是冷却系统，在近几十年中一直未有重大突破。传统内燃机冷却系统是根据系统最大散热需求来设计和标定的。事实上冷却系统仅有3%~5%的时间在理想状态下运行［2］，发动机长期在过冷状态下运行。时至今日，这种基于系统最大需求设计和标定的冷却系统已经难以满足刻不容缓的节能环保需求和适应日益严苛的排放法规。因此，兼顾发动机性能的同时来减少系统耗功，是发动机冷却系统未来提高与发展的方向。

本文借助于AMESim软件，以某客车冷却系统为基础，首先校核了不同行驶工况下该系统的散热能力是否满足设计需求；然后研究了系统与不同风扇匹配后，风扇的耗功情况；最后分析了该系统在使用电磁温控式冷却风扇和硅油离合风扇代替机械式定传动比冷却风扇后的耗功改善情况。

1 冷却风扇的不同驱动形式

1.1 冷却系统热交换基本公式

散热器中的气—液热交换公式为：

式中：Q1为大循环传热量；m1为内部冷却液的质量流；Cp为内部冷却液的比热容；△T1为内部冷却液的温差；m1′为外部冷却空气的质量流；Cp1′为外部冷却空气的比热容；△T1′为外部冷却空气的温差。

1.2 定传动比机械式冷却风扇

传统冷却风扇一般置于散热器之后，由驱动水泵和发电机的同一根V带传动。发电机启动时，风扇随之启动，吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。

由于传统风扇直接与发动机连接，风扇转速与发动机转速成对应的关系，在低速高负荷工况时，会因为风量不足而导致发动机过热；反之，在高速低负荷情况下，发动机过度被冷却是常见的现象。

某车辆公路实测结果表明，气温10℃~20℃时，90%的行驶时间内，风扇无需工作；气温0℃~10℃时，风扇的工作时间仅为 5%［3］。

为避免发动机过热或过冷现象频繁发生，各种能够改变风扇转速的驱动装置和控制策略应运而生（见图1）。

系统热平衡公式为：

1.3 硅油离合式风扇与电磁温控式冷却风扇

硅油离合式风扇主要通过感温元件，确定进入离合器硅油的量，并利用硅油的粘性将动力输出给风扇使其转动。

液力驱动型风扇是通过水温传感器、ECU发出控制信号，通过比例阀调节系统油压，实现由马达及风扇转速调节。

电磁离合式冷却风扇的关键在于温控电磁离合器。电磁离合器是利用线圈通电时电磁产生的吸力，吸引衔铁盘压紧摩擦片以实现扭矩的传递，使风扇工作。断开电路后，衔铁盘与摩擦片分离，风扇空转。一般电磁离合器内部有大小不同的线圈，通过通电后产生不同的吸合力来使风扇可以空转、低速运转及高速运转。

电动风扇是由电动机直接驱动风扇，可以根据发动机温度和负荷的不同来改变风扇转速。因重型汽车风扇耗功较大，而电动风扇驱动功率受蓄电池的限制，故电动风扇很少运用在重型汽车上。

2 模型建立和冷却系统散热能力分析

某客车柴油机冷却系统（见图2）使用机械式传动方式来驱动水泵，并且匹配定转速比机械式风扇。

2.1 冷却系统建模

发动机基本参数如表1所示。使用AMESim软件建立发动机冷却系统仿真计算模型，模型如图3所示。

表1 发动机基本参数

2.2不同工况下系统冷却能力分析

客车长期在低速高负荷的情况下行驶，若遇到夏季高温天气，极易发生“开锅”现象，对此需要对极端热工况进行校核。

因此，本文基于额定转速下的目标发动机冷却系统，分别针对冬季（气温0℃）、春秋季（气温20℃）和夏季（气温45℃）三种不同的气候条件下，发动机负荷与车速对系统散热能力的影响。

系统仿真工况如表2所示，工况1~工况3分别代表车辆在低速、中速及高速行驶的情况。目标冷却系统的基本参数如表3所示。

仿真结果如图4~图6所示。根据图4~图6可以看出：所有工况的发动机出口处冷却液温度皆低于设计要求的103℃，该系统在高温低速高负荷的行驶条件下，系统内冷却液温度也只有99.4℃。所以，该系统满足设计需求，发动机不会“开锅”。

表2 仿真工况

表3 冷却系统基本参数

当系统工作温度不变而车辆行驶速度提高时，20%负荷工况下的冷却液温度几乎不变；100%负荷工况下的冷却液温度下降明显；50%工况下的冷却液温度变化介于两者之间。

当系统工作温度与系统负荷皆不变的情况下，车辆行驶速度由低速提高到中速时冷却液温度下降的程度要高于车辆行驶速度由中速提高到高速时冷却液温度下降的程度。

不同的环境温度对系统散热能力的影响也很大，0℃与20℃时系统内冷却液温度随车速、负荷变化而改变的程度要小于45℃时冷却液温度相应的改变程度。

系统的热负荷决定了发动机向冷却系统传递的热量，车辆行驶速度一定程度上影响了冷却空气的流量，而系统工作温度影响的则是冷却空气的进气温度。

从仿真结果可以看出，当系统处于低温低负荷热状态时，行驶速度的改变对冷却液温度影响很小，冷却液温度很低，系统与发动机处于过冷状态。

同时，当系统内冷却液温度过低时，该温度很接近节温器设定的开启与闭合大循环的温度，就会产生如图7所示的节温器振荡现象。此时节温器不停开启与闭合，系统无法稳定工作，长期如此会降低节温器的工作寿命。

根据初步仿真结果分析和判断，该系统的散热能力满足系统最大冷却需求，在极端高热状况下不会发生发动机过热的现象。但是，系统使用的是定传动比机械式风扇与机械式水泵，当车辆在同一转速行驶时，风扇和水泵的转速不随系统温度及热负荷的改变而发生相应的变化。这也就造成了目标车辆在其他普通热状况和低热状况行驶时，风扇和水泵提供的冷却介质流量很大，发动机长期过冷，且会产生节温器振荡现象。

3 采用不同驱动方式的冷却风扇匹配分析

从厂商处了解到：系统使用的机械式风扇共有 5 种转速（1 800 r/min；2 100 r/min；2 400 r/min；2 700 r/min；3 000 r/min）可以选择。为防止系统过热，原系统选择了转速最大的那一挡。

现结合初步仿真结果中发现的系统过冷及节温器振荡的问题，对剩余4个风扇转速进行进一步匹配计算。

3.1 风扇与水泵的耗功

通常对冷却系统而言，系统所消耗的功率主要表现为水泵和风扇所消耗的功率。

水泵所消耗的功率计算公式［5］为：

式中：Nw为水泵消耗的功率；qvw为水泵流量；pw为水泵泵水压力；ηw为水泵总效率。

风扇所消耗的功率计算公式［5］为：

式中：Na为风扇消耗的功率；qva为风扇流量；pa为风扇的供气压力；ηa为风扇总效率。

其中，水冷式冷却系统空气通道的阻力，也就是风扇的供气压力一般为［5］：式中：△pR为散热器的阻力；△pL为除散热器外所有空气通道的阻力，对一般的汽车，△pL=（0.4~1.1）△pR。

3.2 不同工况下风扇的匹配分析

本文选择了如表4所示的四种工况，分别代表了该系统的低速高负荷、低速低负荷、高速高负荷和高速低负荷四种不同的行驶工况。

表4 不同转速风扇仿真工况

不同转速的风扇特性曲线见图8，图8显示了风扇在风扇转速为1 800 r/min、2 100 r/min、2 400 r/min和2 700 r/min时风扇的流量与静压的关系曲线。

针对系统在四种工况对应四种不同风扇情况下的散热能力和耗功进行仿真计算，结果如图9~图11所示。

根据此仿真结果可以看出，当系统处于低速高负荷行驶工况时，提高风扇转速可以有效降低系统内冷却液的温度；而当系统处于低速低负荷、高速高负荷和高速低负荷等行驶工况时，风扇转速的提高对系统内冷却液温度影响不大，但此时，系统冷却风扇耗功会相应增加。

同时，当系统处于低速高负荷工况时，若风扇转速降低（1 800 r/min、2 100 r/min），系统内的冷却液温度会超过系统设计要求所规定的103℃，发动机过热，此情况需要注意并避免。

因为系统采取的是定转速比机械式水泵，当发动机为额定转速2 300 r/min，水泵转速不变，因此在仿真结果中水泵耗功几乎不变，皆为1.5 kW。

系统的换热量如表5所示。根据表5中小循环散热量 （数值上等于发动机散入冷却系统的热量与冷却空气带走的热量的差值）、节温器开度设定（见图12）及通过系统大小循环的冷却液流量值（见图13）可以看出：除了低速高负荷工况之外，提高冷却空气流动速度已经无法降低冷却液温度；在高速低负荷工况下，因为系统内冷却液温度低于或刚刚接近节温器设定的开启温度，冷却液基本上通过小循环散热，通过系统大循环的冷却液流量极少。因此，此时应当降低风扇转速，以提高冷却液的温度，增加流入大循环的冷却液流量，并减少冷却风扇的耗功。

表5 不同转速下系统与风扇匹配仿真结果

综上所述，该系统冷却风扇与系统匹配不合理。

3.3 风扇不同驱动方式匹配分析

为解决之前仿真过程中发现的风扇匹配问题，采用两款不同的驱动方式，即硅油离合器（见图14）和电磁离合器（见图15）。仿真工况如表6所示，两款离合器参数如表7和表8所示。

表6 不同车速及负荷的加速仿真工况

表7 硅油离合器控制策略

表8 电磁离合器控制策略

仿真结果如图16、图17所示。采用硅油离合式风扇和电磁离合式风扇后的冷却系统相对于原系统在风扇耗功方面有了较大的改善，特别是低负荷情况下，系统风扇耗功下降更为明显。挡位更多的电磁离合方案相比较硅油离合方案在耗功方案也有着自己的优势。

4 结论

（1）根据某客车的冷却系统结构，建立了发动机冷却系统仿真模型。

（2）根据系统在不同温度、速度及负荷下行驶时，系统内冷却液的温度来分析系统散热能力。

（3）针对系统在不同工况下匹配不同转速的风扇运行的情况，进一步分析了系统风扇和水泵的耗功，认为原设计系统大部分时间冷却过度，风扇与系统匹配不佳。

（4）经过计算得到：改变风扇控制策略可以有效降低系统风扇耗功；风扇挡位越多，风扇耗功降低越明显。

［1］倪计民.汽车内燃机原理 ［M］.上海：同济大学出版社，1997.

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［6］王金华，孙长亮.发动机冷却系统的选型［J］.工程机械与维修，2008：152-153.

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电动机驱动系统 篇4

关键词：电动助力转向系统,EPS,电动机,IR2110,H桥驱动,脉宽调制电路,功耗

0 引言

电动助力转向系统(EPS—Electric Power Steering)是汽车转向系统的发展方向。该系统仅由电动机直接提供转向助力,省去了传统的液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。因此电动助力转向系统作为一种新的转向技术,正在逐渐替代已具有几十年历史的液压转向系统(HPS—Hydraulic Power Steering)[1]。

EPS系统的研究开发涉多方面的技术难题:如电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术(包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制)以及EPS系统与整车性能匹配等等。本论文正是针对电动机功率驱动技术方面的研究与讨论。

1 EPS组成及其工作原理

在EPS中,汽车转向时,转矩传感器检测到转向盘的力矩和转动方向,将这些信号输送到电控单元,电控单元根据转向盘的转动力矩、转动方向和车辆速度等数据向电动机控制器发出信号指令,使电动机输出相应大小及方向的转动力矩以产生助动力。当不转向时,电控单元不向电动机控制器发信号指令,电动机不工作。

EPS的工作原理及组成如图1所示,主要由车速传感器、转向盘转动传感器(包括扭矩传感器和转速传感器)、电子控制单元、功率驱动电路、离合器和直流电动机等组成。电子控制单元(ECU)根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩,向电动机和离合器发出控制信号,通过功率驱动电路控制直流电动机的转动,电动机的输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,产生相应的转向助力。通过精确的控制算法,可任意改变电动机的转矩大小,使传动机构获得所需的任意助力值[2~3]。

EPS的控制系统基本结构如图2所示,该电路由电动机驱动电路、扭矩信号输入电路、车速信号输入电路、电流信号输入电路和报警指示灯驱动电路等组成。电动机的驱动电路由电机驱动H桥电路及其栅极驱动电路和继电器驱动电路、离合器驱动电路构成。

2 电动机PWM脉宽调制功率驱动电路分析

EPS的助力是由电动机提供的,电动机的好坏是影响转向系统性能的重要因素。EPS对电机有很高要求,不仅要求低转速、大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻,而且要求可靠性高、易控制。EPS系统中电机端电压低,而功率相对较高,所以电动机电流较大,这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难。此外,电机的性能是影响系统性能的主要因素,电机本身及其与EPS的匹配都将影响转向手力特性、转向路感、汽车动态响应等重要问题。

电动助力转向系统要求直流电动机不断根据转向盘转矩及车速情况来调节电枢电流和正反向转动,以提供适当的助力,要完成此功能,必须用功率驱动电路。线性型功率驱动电路原理图如图3所示,电路中消耗在开关管上的功率为:

由式(1)可以看出,如果功率元件工作在线性状态,有大量的功率消耗在功率元件上,效率很低,而且当u=1/2V时功率损耗最大,可能会烧毁开关管。而当u=0或u=V时(即开关管完成关闭或完全开通时),Ploss=0,因此我们可以采用脉宽调制(PWM)技术,通过改变占空比的方法来改变电动机的端电压,脉宽调制原理如图5所示[4]。

直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转;不可逆系统是指电动机只能单向旋转。对于可逆系统,又可分为单极性驱动和双极性驱动2种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里,作用在电抠两端的脉冲电压是单一极性的;双极性驱动则是指在一个PWM周期里,作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。

本系统采用的是H型双极性可逆PWM驱动系统,如图6所示。它由4个开关管和4个续流二极管组成,单电源供电。4个开关管分成2组,V1、V4为一组,V2、V3为另一组。另—组的开关管同步导通或关断,不同组的开关管的导通与关断正好相反。

在每个PWM周期里,当控制信号Ui1高电平时,开关管V1、V4导通,此时Ui2为低电平,因此V2、V3截止,电枢绕组承受从M+到M-的正向电压;当控制信号Ui1低电平时,开关管V1、V4截止,此时Ui2为高电,因此V2、V3导通,电枢绕组承受从M-到M+的反向电压,这就是所谓的“双极”。由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化,因此其平均电压可用式(2)决定:

由式(2)可见,双极性可逆PWM驱动时,电枢绕组所受的平均电压取决于占空比α。当α=0时,U0=Vcc,电功机反转,且转速最大;当α=1时,U0=-Vcc,电动机正转,转速最大;当α=1/2时,U0=0,电动机不转。虽然此时电动机不转,但电枢绕组中仍然有交变电流流动,使电动机产生高频振荡,这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦,提高动态性能。

3 电动机的H桥驱动电路的设计

为了满足MOS管栅极是容性输入特性、栅极电压一定要比漏极电压高10~15V,而且是系统中最高电压、栅极电压从逻辑上看必须是可控的、栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率这4个约束条件,驱动电路采用MOS栅极驱动器IR2110。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺,DIP14封装,具有独立的低端和高端输入通道;悬浮电源采用自举电路,兼有光耦隔离和电磁隔离的优点,并且自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上下2个开关器件,这样大大简化了驱动电源的设计,只用一路电源即可完成上下桥臂2个功率开关器件的驱动。

3.1 IR2110结构及特点

IR2110依据自举原理,外接很少的元件,就能提供极快的开关速度和较低的功耗。电路如图7所示[5]。

电路中:

(1)关于自举电容C1的选择:要求能满足管子开通瞬间提供能量的要求,且有一定的耐压值。自举电容两端的电压不允许降低到低于锁定电压阀值的下限,否则将自动保护关闭;自举电容要尽可能靠近IC的管脚,至少一个低ESR的电容提供就近耦合,如果使用铝电解电容作为自举电容,就应再用一个陶瓷电容,如果自举电容是瓷电容或钽电容,自己作为就地耦合就足够了,本电路采用一个0.1u F的陶瓷圆片电容,耐压值为25V;

(2)自举二极管D1的选择:自举二极管要求耐压能力必须大于高压母线的峰值电压,承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了防止自举电容两端电压的放电而引起电荷损失,自举二极管应选用反向电流小的超快恢复二极管,本电路采用二极管FR101;

(3)自举电容瞬间提供给管子开通能量后,电源VCC要能在最短时间能给其补充能量,要很快补充能量那就必须在VCC附近并联一个大电容,因此电路中VCC(3号管脚)和COM(2号管脚)之间采用0.1u F的陶瓷圆片电容并联一个1u F的钽电解电容作为VCC的旁路电容;

(4)栅源间要有过压保护措施。栅源间的阻抗很高,故漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的VGS电压,会引起栅源间氧化层的永久性破坏,对于正方向的过冲电压,还会引起误导通。为此在栅源间并接约20V的稳压二极管D3,以作为保护措施。

(5)VDD和VSS之间也需要电源旁路电容,以提供必要的瞬时电流用于开通容性负载。电路中采用0.1 u F的陶瓷圆片电容,且该电容必须紧靠IR2110。

(6)MOS管漏源间的过压保护采用RC过电压抑制电路,RC分别为R3和C5。

(7)为了减少由于IR2110内部的驱动阻抗很低,直接用它来驱动功率MOSFET器件而引起快速开关可能造成MOSFET漏源间电压的震荡,从而损坏MOS器件,因此在电路中IR2110的输出端和MOS管的栅极之间串联一个0.25W/20Ω左右的无感电阻。

(8)由于逻辑信号均通过电平耦合电路联接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地VSS与功率电路参考地COM之间有-5V和+5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脉冲,这样有较理想的抗噪效果。因此在电路中,逻辑电源和模拟电源共用一个12V电源,逻辑地和模拟地连接在一起。

(9)最后,为了减小栅极驱动回路的电感,MOS管引脚与IR2110的脚2和脚5必须直接可靠的连接,且在PCB板上使用平行线。

3.2 PWM脉宽调制驱动频率和主回路附加电感的选择对于双极性驱动电路,其脉动电流表达式如式

式中,Ld为电枢回路中附加电感,T为功率开关的开关周期。显然,当ρ=0、t1=T/2时,或对应电机空载时,电流脉动最大,其值如式(4):

由于系统设计给定的力矩波动(即电流波动)指标为∆i/i,对有刷直流电动机而言,通常在(5~10)%左右。为了便于分析可认为如式(5):

其中Rd为电枢回路电阻。将式(3)代入式(5)中,可得:

对于有刷直流电动机,电磁时间常数一般在10ms至几十毫秒。

在PWM脉宽调制电路中,虽然开关管完全关闭和完全开通时,电动机没有功率损耗,但由于开关管的开通和关断延时,在开通和关断的过程中产生损耗,如图8所示。因为功率场效应管(Power MOSFETs),具有极快的开关速度,可达100k Hz以上,并且MOS管内部集成有反并联的续流二极管,适用于该功率驱动电路,并简化了电路复杂度,提高了可靠性。机械系统的固有频率一般低于100Hz,应该使PWM周期远远小于机械系统的固有时间常数,PWM频率可为2~20k Hz,这在大多数情况下不会影响机械系统的正常工作[6]。

但是,开关管的迅速开通和迅速关断也带来其他的问题。高的开关速度会引起过大,严重情况时可能导致开关管损坏,在开关管开通时产生很大的尖峰。对于这种情况,可用在电动机两端并联续流二极管(FWD)的方法解决,如图9所示。在采用续流二极管(FWD)后,关断脉冲峰值就可以大大降低。所以综合考虑PWM频率对各方面的影响,PWM脉宽频率在16~18k Hz最适合该系统。

3.3 MOS管功耗及散热的设计

虽然MOS管具有高速开关速度及内部集成续流二极管,且MOS管导通时具有极低的通态电阻RDS(IRF1405为5.3 mΩ)这些特性,但由于电动助力转向系统电动机的电枢电流非常高,可达40A以上,因此导通时其热功率可达十几瓦,这将会影响到电路的稳定性及可靠性。因此必须对MOS管的管耗进行处理,且采取必要的散热措施。

在设计的功率驱动电路中,对于H桥的每臂采用3个MOS管并联的方式,可使MOS管的导通电流和发热功率降低到原来的1/3左右。另外,虽然MOS管本身封装具有散热功能,但考虑到功耗比较大时,仍然需要设计散热措施。系统中增加了铝散热片,散热效果良好。

综合采用MOS管并联和增加铝片散热2种措施,降低了MOS管的功耗,提高了驱动效率,增强了系统的稳定性。

3.4 电动机保护电路

电动机要有保护电路。因为电动助力转向系统中的电动机在实际工作过程中,需要频繁的起制动,这将在电机电枢绕阻上产生比较大的电流冲击,倘使不能够很好地加以保护,则电动机很容易因过大的电流而烧坏。同时,供电电压的变化也会影响电机的正常工作。当出现电机供电电压过高、过低或者电机电枢绕阻上产生比较大的电流时,必须采取措施,使EPS停止工作。在设计中,采用双限电压比较器来保证电机的供电电压在安全范围内;采用时滞比较器起过流保护作用,然后同时输入一个与门,当任何一种情况发生时,就会使EPS停止工作。

4 结语

(1)EPS电动机功率驱动的研究对EPS的总体设计和提高电动机的性能有着重要的意义;

(2)驱动电路使用H型双极性PWM脉宽调制电路使得系统效率更高;其中设计了系统合理的脉宽调制驱动频率和主回路附加电感的选择。系统采取3个MOS并联合增加铝散热片,即降低了MOS的功耗,又提高了驱动效率,提出了电机保护保护电路,这些对于提高电动机的性能有着重要意义;

(3)电动机的设计还有些问题需要慎重设计,如导通延时问题等等,一个考虑不周的电路是无法实际使用的。

参考文献

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[5]楚斌.IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子工程师.2004(10):33-35.

电动轮驱动技术研究 篇5

电动轮驱动技术研究

介绍了电动轮驱动技术的发展,电动轮的类型及特点以及电动轮驱动技术的利弊,提出了电动轮技术的发展趋势.

作 者：汤双清 王姣菊 曾虎彪 TANG Shuang-qing WANG Jiao-ju ZENG Hu-biao 作者单位：三峡大学,机械与材料学院,湖北,宜昌,443002刊 名：机械工程与自动化英文刊名：MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION年，卷(期)：“”(2)分类号：U469.72关键词：电动轮 电动车 研究

电动机驱动系统 篇6

国务院发展研究中心原党组书记、副主任陈清泰长期热心关注电动汽车产业发展，作为国家在电动汽车领域的第三方智库——中国电动汽车百人会（以下简称“百人会”）的理事长，他在近期举办的百人会媒体恳谈会上道出了他对产业的冷眼观察和冷静思考。我们将其中的讲话和访谈内容整理如下，供读者参考。

迈过第一个坎儿

从总体上看，2015年国内新能源汽车产业形势喜人，成绩可嘉，但还应注意到，挑战和困难也不少。

2015年新能源汽车销量呈爆发增长的态势，全年突破30万辆，稳居全球第一。据了解，比亚迪一个车企的全年销量就接近6.2万辆。数字背后到底说明了什么？

首先，国家把发展电动汽车作为重要战略，推进和促进的政策体系已经比较完善、比较全面，在产业发展、激发用户、基础设施完善、商业模式开拓等方面都已涉及且力度较大，产生了很强的激励作用。

其次，这个数字说明中国的电动汽车技术在走向成熟的过程中不断进步，已经得到了市场认可。如果30多万辆电动汽车能卖出去，用户能够接受，表明我们的技术已经具备了相当的基础条件。

第三，这个数字背后还反映了中国各个城市乃至全社会对电动汽车或者是新能源汽车的认同程度在提升，潜在用户在扩大，的确可喜。因为对于已经习惯于使用传统燃油汽车的广大用户而言，这样一个颠覆性或者是替代性技术能在社会上得到相当程度的认同、认可，是非常不容易的，但这是必须要闯过的一关。现在已经迈出了重要一步，过了第一个重要的坎儿。

在政策感召力和雾霾等环境问题的倒逼压力之下，很多地方政府也达成共识，即：清洁能源这条路必须要走，清洁汽车的路必须要走，新能源汽车的路必须要走。实现这一点不容易，因为地方政府也要掏真金白银，也要拿出很多资源。所以当前的成绩非常可喜，为电动汽车的后续发展奠定了一个比较好的基础。

但是当前新能源汽车产业面临的挑战和困难也不少。一方面，企业对电动汽车的热情虽然整体较高，但不均衡。特别是原有的汽车骨干企业发力不够，相对比较迟缓；一些后起的车企，如比亚迪，则确实把电动汽车当作公司的长期发展战略。事实上，骨干车企都深度参与了国家863计划电动汽车重大专项等，但真正开始做的时候，有的企业还是比较犹豫，踌躇不前。

但是应该承认，对企业而言他们都有理性的思考，只是各个公司的战略不同，有的公司需要把电动汽车作为自己实现超越的一个机会，因此，将其作为自己的重大战略，下很大工夫进行研发。也有的公司可能还在等待别人发展起来，再引进技术走别人的路，每个企业有不同的战略，各走各的路，我们很难责怪别人。但是从国家战略的角度考虑，恐怕还是希望能够通过电动汽车这个与国际技术差距相对较小的领域实现新的突破。

一味扩产不可取

2015年，新能源汽车产销快速增长。有业内人士说，“快的有点儿让人担心”，我也有同感。因为根据我们国家这么多年的发展经验，当一个产业快速发展时，很容易把企业的主要资源吸引到产能扩张上，从而忽略在技术上如何打好基础，稳步前进，实现更强的竞争力。

2015年中国新能源汽车产销量稳居全球第一，有媒体曾提出：中国电动汽车军团的实力现在超过跨国公司了吗？我想显然不是。比如，当前中国电动汽车的产量和市场规模都超过了德国，但这只不过是德国的汽车企业在电动汽车上还没开始发力，不能认为我们在技术上实现了超越。不管在汽车文化还是电动汽车的技术积累上，我们的差距都很大。如果我们在这个时候“萝卜快了不洗泥”，把所有的资源都用在产能扩张上，会有不一样的前景。

技术未真正过关

应该清楚地认识到，我们的技术没有过关，现在之所以有这么大的销售规模，是政策驱动的结果，不完全是市场。特别是在和主流燃油车抗衡时，政府补贴起了很大作用，如果政府补贴马上撤掉，电动汽车市场会受很大影响。所以销售数据并不代表技术真正过关了，能够和主流燃油车抗衡了，现在我们还没有达到这个水平。

国内电动汽车市场还没有完全启动，未来竞争的道路还很长。真正能走到最后、能够获胜的企业，是有良好技术支撑的企业，而不是那些拼拼凑凑搞出一辆四个轮子能转的车子的企业，因此企业要把电动汽车作为一个长期战略，必须夯实自己的技术基础。

鼓励新人参与、试错

到今天为止，电动汽车市场仍对政策高度依赖，但应该开始逐渐变化。国家的激励政策开始退坡，我认为这是非常正确的，应逐渐把政策性市场变成政策和市场双驱动的市场，而不是单驱动。

如今的新能源汽车领域来了不少新进入者，他们从中看到了太多机会，愿意冒险拿自己的真金白银投进来试错。但我相信，100个进来的企业，将来会有90个退出。不过，它不找政府要钱。它的贡献就是试错——加速了试错过程，分散了试错成本，这一成本由全社会来分担。如果此时，既有的企业缺乏动力，有动力的企业又不让进入，还要实现战略目标，我想这是自己跟自己较劲，不是好的政策。

新进入者各有各的目的，有的想捞一把就走。对于捞一把就走的我们不排斥，但是不能形成劣币驱逐良币的市场环境，这时就需要监管。如果生产销售假冒伪劣、粗制滥造、达不到国家标准的产品，就得狠狠惩罚，要罚得倾家荡产，这样才能保持一个良好的产业生态。

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开放市场，稳定预期

关于地方保护问题。虽然国务院相关部门反复强调，但是问题依然没有完全解决，带来的负面效应很大。在市场规模比较小的时候，如何让那些有竞争力的企业脱颖而出？必须要有一个开放的市场。地方保护带来的结果，就是有竞争力的企业得不到充分发展，缺乏竞争力的企业也失去了参与竞争的机会，两败俱伤。不要以为政府一保护它就能渡过难关，其实没那么简单，它只不过是在保护之下晚一点被淘汰而已。我希望国家在这方面应该采取进一步的措施，通过各种方式来解决市场分割的问题。

政府在电动汽车产业上要给全社会一个长期稳定的预期。因为汽车动力技术的变革是全社会的一个大变革，产业链很长，涉及到诸多部门、行业和产业。如果要使国家战略能够实现，必须要让企业把这件事情作为自己的战略，其必要条件就是有一个长期稳定的预期。

应实行双向政策

当前，政策上的顶层设计问题正在陆续得到解决，其中一个就是关于经济性激励政策。补贴政策正在慢慢退坡，接下来可能是燃油消耗量限值标准和零排放标准，到底如何抉择和实行，这需要进一步深入研究。

我的主张是，政策必须是双向的，既有正面激励，也有反向倒逼。即企业也可以不做电动汽车，但是必须支付更多的成本，把支付的成本作为对做零排放汽车的一种激励。

所以，我主张交叉补贴，这样政府可以退出，把目标定得更长远，给社会一个长期的预期，这是非常重要的，目前国内也正在对此进行研究。按照这个方向，我想原则上政府的财政补贴要退出，实行交叉补贴。

做好细分市场

当前国内的电动汽车技术水平有限，和主流燃油车相比确实还存在很多不足，但并不是在每一个细分市场都处于劣势。在某些细分市场，电动汽车有它独特的优势，所以要把当前电动汽车技术能够支撑的、靠市场化运作能发展起来的产品和商业模式放开。这样就能让一部分细分市场的电动汽车产品依托市场而非补贴自行走出来，把整个产业规模做大，做大之后电池等核心技术就可以在此基础上慢慢发展，这也可能成为具有中国特色的电动汽车发展道路。

具体来看，比如以特斯拉为代表的高档车是富人阶层的消费品，数量很少。但有的产品在一些短途的、小运量市场上有很强的优势，比如在北京，地铁到小区的接驳车，用于最后一公的物流电动车，包括一些交警的巡逻车、市政环保车、工程车、机场摆渡车等都跑得很好。

电动车产品在这些细分市场的表现都很好，但只能在大城市跑，在一些中小城市反而不让跑。有人认为，这类产品的层次很低、技术含量不高。我认为，产品技术含量是慢慢发展起来的，市场需求层次高了，它就会随之升高，需求层次低，产品当然也就满足当地当前的需求。所以，对于中低收入水平的人，他们的出行机动化的要求是不是就不能被满足？满足他们需求的途径是不是必须要关闭？我想不该如此。

总之，当前我们应该着重考虑的是电动汽车市场如何由政策驱动转向政策、市场双驱动，从政策上陆续解决一些问题，向这个方向转化。

[陈清泰访谈录]

对于新能源汽车产业而言，当前乃至今后一段时间，政府支持仍不可少，目前国家已经出台了很多相关支持政策，进入2016年，您对政策方面还有哪些建议和考虑？您认为下一步应重点关注哪些工作？政府是否还需继续出台刺激政策？

陈清泰：国内政府的支持政策框架已经形成，政策出台后，在实施过程中会碰到很多新问题，因此，对出台的政策应该跟踪。希望比如政府机构或者百人会，是不是可以在新的一年对所有出台的政策进行一次调研，调研之后做一次评估，看看哪一些还没有到位，哪一些在政策实施当中还有纰漏，或者哪些还存在问题，有必要的去做一些调整。我认为这可能是比较适宜的时机。

2015年出台的《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》指出，除燃料电池汽车外，其他新能源车型补助标准将继续退坡，2019-2020 年相比2016年标准下降40%。您如何评估这一退坡政策对下一阶段新能源汽车产业发展的影响？未来的发展走势将会如何？

陈清泰：关于退坡问题，影响总体上是积极的，我个人认为退坡的力度不是很大，我之所以这样说的原因是，政府已经提前公告，所以无论用户还是厂家，事先是有准备的，所以不会造成大起大落。

我认为陆续退坡，对企业而言有一个过渡过程是必要的。从技术路线上要放开，要让企业自主决策，让市场来选择。比如插电式混合动力技术是一个非常重要的方向，北京现在由于种种原因不给补贴，属于极特殊的情况。但是从全国来看，决不能排斥插电式混合动力车型，比亚迪的秦和唐都是插电式混合动力汽车，其销量可以表明市场对它的接受程度。这种产品很可能未来在政府补贴退坡之后有很强的竞争力，因为它兼顾了购车成本和使用成本之间的平衡。客观上当然对环境保护也会带来很大好处，因此对中国而言，我比较看好的还是这种插电式混合动力车型。

您一直反复强调企业应老老实实提升自己的核心技术水平，您对当前国内企业的研发工作怎么看？有哪些建议？您如何评价对当前的电动汽车产品的技术水平？下一步努力的方向是什么？

陈清泰：大企业必须要有超前的研发，这一点非常重要。比如丰田、奔驰、大众等国际公司，一般都要研究至少10-15年甚至20年以后的产品，甚至是更先进的技术。丰田关于燃料电池汽车的研究至少是30年之前开始的。因此一个大型骨干企业如果没有这种眼光、没有这种战略，将来要真正立足于大型汽车公司之林，几乎是不可能的，跟踪式发展对中国来说已经走到尽头了，当然不排除我们可以继续引进应用技术，但是更重要的是靠自主开发。

当前的电动汽车产品水平已经可以接受，但不能满足于此，企业必须为下一步做准备。整个生产方式的转变已成为一种趋势。这不是一个短期的问题，不是个别企业、个别公司的问题。所以在这些问题上，我认为应下大工夫进行研究。

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另外，我认为电动汽车应该做得非常精致，给用户更好的价值体验，包括内饰、车内布置等。电动汽车产品拿出来后不能是萝卜、土豆的水平，作为轿车产品应该达到一定的水平和高度，让人眼前一亮。这些工作也要真正下足工夫。

至于一些在二三线、三四线城市行驶的低速电动车一类的产品，我认为也有很大的提升空间。这种产品实际上不需要政府补贴，是完全市场化的。因此我认为它原则上应随着市场走，随着消费水平的升级进行产品升级，对这类产品不能盲目追求高大上，一旦普通用户买不起，整个市场就全没了，所以这应该有所区别。

目前中国新能源汽车企业一方面即将与外资品牌短兵相接，国外车企巨头宝马、大众、通用等已争相针对中国市场推出各自的新能源汽车“宏图”。另一方面将面对补贴逐步退坡的政策环境。您如何看待当前的这一形势？对车企有哪些建议？

陈清泰：退坡本身就是政府的作用，经济激励的作用在弱化，实际上是鼓励更多的企业在市场中摔打、竞争。现在的补贴基本上还是局限于国内企业，依然是保护的状态。但是这个阶段终究要过去，给中国企业的保护期实际上是有限的，这个时候到底企业该干什么？核心问题就是夯实自己的基础，基础是什么？是核心技术，没有自主的技术，拿不出有竞争力的产品，在过热的时候也许还能够混一混，但是过了这个时期，那就是昙花一现。所以企业要成为百年老店，就得能够过这个坎，必须要注意自身在现有的状况下的生产能力扩张的投入和研发的投入，在这两者之间取得平衡，实现兼顾，即眼前能够赚钱，同时也保住自己的后劲，老老实实地提高自己的竞争力，这一点很重要。

当然，如何提高自己的技术水平，途径很多，包括引进高水平的人才，有一些创新概念，运用好新的理念，比如“互联网+”等，这些都可以考虑。总而言之，还是要打好基础，真正站住脚，老老实实提升自己，没有别的办法。

2015年国内开始实施《新建纯电动乘用车企业管理规定》，向非传统汽车制造企业打开了进入新能源汽车制造领域的大门，越来越多的互联网企业或科技公司加入造电动汽车的大军，您对此作何评价？您认为这对整个新能源汽车产业会产生什么样的影响？

陈清泰：互联网企业的参与，我认为这还是一个非常好的事情，应该欢迎，其中一个重要的意义是他们会用一些新的思维来定义新能源汽车，也很可能用新的模式进行生产，这都会对原有产业产生很大的促进和提升。

有人评论指出，马斯克之所以搞电动汽车，就是要用互联网思维颠覆传统汽车业。从这一点看，至少他起到了一个搅局的作用。中国政府对新进入者设定门槛时，是不是也应该有一点新的概念，比如原来我们传统观念上设定的生产汽车的门槛，包括生产规模、投资金额等，现在这些条件已经没有意义了。因为以小米为例，它是一个成功的品牌，但是他没有工厂，苹果也是这样。所以在生产模式等都在发生巨变的新时期，我们不能再用老的门槛来要求新的企业，特别是这种最前沿的互联网企业，我认为这是很重要的，因此我看好他们进来，他们进来以后可能会失败，不怕，但是他们会有贡献的。

目前新能源汽车在普及推广上正在尝试很多新模式，以分时租赁为代表的汽车共享模式已成推广新能源汽车的主要方式之一，政府机关、中外车企、传统租车企业、资本方、新兴互联网创业大军等纷纷进行尝试，但对参与其中的企业而言，眼下少有实现盈利的。您对这种模式作何评价？据您分析，可能会面临哪些问题？

陈清泰：关于分时租赁，我在杭州也看过，我认为至少在现阶段还是一个非常有希望的商业模式，因为它避开了当前电动汽车的几个弱点，比如很多人在犹豫是否将电动汽车作为财产买下来，这种方式让他避开原来需要个人承担的一次风险。还有关于如何充电的困惑，可以交给运营公司去做，避开充电难的问题。另外它以短途为主，所以不用担心续航里程。所以分时租赁这种模式在很多地方慢慢推广，至于能发展到何种规模、什么程度，还是要靠市场检验。

至于企业开始能不能盈利，这涉及的因素很多，开始会有很多投资，确实可能有“烧钱”的过程，走过“烧钱”的阶段，也可能死掉，也可能达到了一定的合理规模，就开始盈利。我认为还是应当由政府创造好的条件和环境，鼓励企业去试，由市场最终检验，看能不能存活下去。

电动机驱动系统 篇7

目前的动力转向液压系统

国内具有代表性的大众POLO轿车电子控制动力转向液压系统如图1所示, 其中液压动力转向系统的液压储油罐、泵、电动机、电子控制系统都集成在电动机液压泵组内。系统在转向时提供助力, 无转向则不提供助力, 明显节约了燃油, 还可以根据车速、方向盘转角和转动速度等不同的状况提供最佳的助力。电动机液压泵组与整车的CAN总线驱动系外围相连接, 通过CAN总线交换信息数据。图2所示为POLO轿车电子控制动力转向系统工作原理图。电动机控制器根据所获得的车速信号、方向盘转角信号和发动机转速信号, 经计算后决定提供助力大小, 以控制电动机的转速, 电动机驱动齿轮泵向转向机提供高压油。

1.直流电机2.电机控制器3.齿轮转向泵4、5.高低压油管6.转角传感器7.齿轮齿条式动力转向器

新系统的原理

现有的电控转向系统都需要机械式转向液压阀来改变液体流向, 实现左右转向。液压阀体结构较复杂, 加工精度高, 需要大规模制造才能保证质量和效益, 投入大。在现有的电控液压动力转向系统中引入电磁开关阀, 把液压泵稍加修改 (去掉溢流阀, 进出口改为高压接口) 即可变成双向泵, 这样可以代替机械阀体, 实现左右转向功能, 如图3所示。

系统中储液罐、双向泵和直流电动机组成电控泵单元, 方向盘转矩传感器和车速传感器的信号输入给ECU, ECU的控制信号输出给直流电动机和电磁阀。转向时ECU根据方向盘转矩传感器信号, 通过控制直流电动机的旋转方向 (顺时针转动, 向端口A泵油, 反之向B) 来实现向活塞的左缸 (端口B) 或右缸 (端口A) 泵油;不转向时电磁阀是常开的, 在直流电动机开始旋转的同时, ECU输出信号控制电磁开关阀A、B, 顺时针转动 (向端口A泵油) 时关闭阀A, 阀B保持打开;逆时针转动时关闭阀B, 阀A保持打开。ECU根据车速传感器的信号控制直流电动机的转速, 实现车速不同时转向动力大小的不同;不转向时ECU控制不向电动机输出电流, 电动机不旋转而降低功率损耗。图4为常用的单向叶片泵的流量曲线, 在1000r/min时溢流阀开始起作用, 流量趋稳, 1000r/min之前流量和电动机转速成正比, 控制电动机转速, 即可以线性地控制泵的流量。双向泵去掉了溢流阀, 转速控制在1000r/min之内, 流量控制正是利用了这个比例特性。

利用Matlab/Simulink软件对这种转向系统进行了模拟分析, 图5是液压泵和活塞的开环液压系统模型。图6显示了液压缸活塞位移-时间关系和液压缸压力-时间曲线, 输入条件是泵的流量随时间线性增大。图6表明阀开启、电动机转速提高时驱动活塞运动的开环动态状况。

结语

电动机驱动系统 篇8

连铸结晶器非正弦振动于20世纪80年代首先由日本开发,随后一些工业发达国家相继研究并采用该技术[1,2,3],由于它对提高拉坯速度、改善铸坯质量等具有明显效果,因此已被国内外连铸工作者确认为发展高效连铸的关键技术之一[4,5]。

目前,国内外普遍采用的连铸结晶器非正弦振动发生装置是由电液伺服系统驱动的[6,7],该装置的优点在于:可以在线调整频率、振幅和偏斜率,可实现任意非正弦波形,有利于实现结晶器的最佳振动模式;其不足之处是伺服油缸会出现漏油、零飘等现象,并且系统复杂、投资大、维护工作量大,这在很大程度上限制了它的推广和应用。因此,在国内还开发了几种机械驱动的非正弦振动装置,如非圆齿轮驱动的结晶器非正弦发生装置[8]、电动缸非正弦发生装置[9]等。然而,上述装置存在传动系统复杂、波形偏斜率无法实现在线调节、控制精度低、承载能力差、能耗大等缺点。

伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦振动装置[10]是在国内外广泛使用的机械驱动的正弦振动装置的基础上,将原普通交流电动机更换为伺服电动机,并增加计算机和PLC系统[11],通过计算机综合集成技术、大型伺服电动机控制技术来控制伺服电动机按单方向、变角速度规律连续转动,进而通过偏心轴连杆机构实现结晶器的非正弦振动,从而避免了伺服电动缸式结晶器非正弦振动装置的频繁正反转,具有节能降耗的优点;同时也避免了电液伺服驱动连铸结晶器振动装置结构复杂、投资大、液压油易泄漏、维护工作量大的不足。该装置可实现原来电液伺服驱动的非正弦振动装置的几乎全部功能,如非正弦、正弦波形的在线给定和切换,频率、波形偏斜率的在线自动调节,振幅的机械调节等。

基于结晶器非正弦振动新思想的“伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦振动发生装置”2007年被批准为国家发明专利[12],依托燕山大学承担的国家自然基金委-宝山钢铁集团有限公司联合资助重点项目“伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦振动控制系统及其关键技术研究”研制的“伺服电动机驱动的连铸结晶器非正弦(含正弦)振动控制系统”装置,于2015年7月开始在河北钢铁集团宣化钢铁有限公司进行了应用试验,试验过程中对设备进行了逐步完善和优化,并对所生产铸坯进行了取样与检测,以检验非正弦振动对铸坯质量改善的效果。

1 装置结构及原理

伺服电动机驱动的连铸结晶器振动装置示意图如图1所示。该装置的机械部分通过伺服电动机驱动偏心轴,进而推动连杆机构实现结晶器振动台的上下振动。可通过调节伺服电动机的转速来改变结晶器的振动方式:伺服电动机若以匀速方式旋转,则结晶器按正弦方式振动;伺服电动机若按德马克或者李宪奎[10]结晶器非正弦振动曲线对应的电动机转速方程转动,则结晶器按非正弦方式振动。

2 控制系统总体结构和配置

伺服电动机驱动的连铸结晶器振动控制系统总体结构如图2所示。

上位机通过工业以太网与S7-400 PLC进行通信,伺服驱动控制器S120通过Profibus-DP网与S7-400 PLC+FM458通信。FM458向S120发送期望的给定转速,S120控制伺服电动机(1FT6型)按期望的转速转动,进而通过机械传动部分(偏心轴连杆机构)驱动结晶器振动台及安装在其上的结晶器按期望的非正弦波形振动。

本系统设计的一套上位机和PLC控制系统,最多可以控制8流连铸结晶器实现非正弦(含正弦)振动,其中,1~8流的拉坯速度VL1~VL8可由模拟量输入通道AI1~AI8进入FM458,结晶器的实际位移S1~S8可由安装在结晶器振动台上的位移传感器检测并进入FM458。

3 控制系统软件主要功能设计和实现

控制系统软件的功能设计主要包括:上位计算机监控界面软件设计,包括系统参数查看与修改(参数设置)以及主监控界面、实时曲线界面、多流实时参数监控界面等软件的设计;下位机系统根据期望的结晶器非正弦振动速度(或位移)波形,实时、平滑地输出对应的伺服电动机期望的转速波形曲线。

3.1 上位机监控界面软件设计

伺服电动机驱动的连铸结晶器振动系统上位机监控界面软件可在线监测连铸结晶器和伺服电动机的运行参数和状态。该软件的主要功能有:连铸结晶器振动系统工艺参数的查看与修改(参数设置);实时监测连铸结晶器振动系统的位移、速度及伺服电动机的转速、电流等过程参量,并以数值和趋势图相结合的形式实时显示;报警记录的生成及查询;在线显示变量记录并对历史变量记录的查询;归档过程值的查询以及报表打印。

3.1.1 参数查看与修改(参数设置)

参数查看与修改(参数设置),主要完成结晶器非正弦振动波形形式的选择,振动频率f与拉坯速度VL关系模型f=a VL+b中系数a、b的选择以及波形偏斜率α的设置。

结晶器位移给定信号波形有两种函数曲线可供操作人员选用[1]:式(1)的德马克公司的非正弦振动函数、式(2)的李宪奎教授提出的非正弦振动函数。

上述式中:h为结晶器振幅(工业现场为4 mm);为角频率,其中振动频率f(次/min)可根据拉坯速度VL(m/min)依据模型式f=a VL+b在线自动调节,a、b为与振动工艺有关的常数,在现场正常工作模式下对于某钢种自动设定为a=65.50,b=14.50;A、E为中间变量;α可人工设置为-0.4~0.4(设置为0即为正弦振动信号)。

上述两种结晶器位移函数所对应的伺服电动机期望的转速规律为[12]:

上述式中:i为减速比。

波形函数和波形偏斜率选定后,按下人工零位(启动)按钮,结晶器自动定位到结晶器振动位移的中间位置,以实现结晶器的人工零位,之后等待结晶器旁浇钢操作工的结晶器振动启动按钮指令,并根据拉坯速度自动实现结晶器按以上模型参数进行非正弦(含正弦)振动。

3.1.2 主监控界面

在主菜单中点击“主监控界面”按钮,画面将切换到如图3所示的主监控界面,该界面可通过左上角的下拉菜单选择监控某一流结晶器(现场进入该界面时默认显示第8流)的实时参数和振动曲线。该界面以数值和趋势图的形式显示结晶器和电动机的运行参数,如电动机的给定转速、实际转速、电磁转矩、电动机电流,结晶器的给定位移、实际位移、振动频率等。在一个趋势图显示窗口上可以同时显示结晶器速度、位移的实时跟踪曲线,不同颜色的曲线显示不同的过程参量,方便用户进行比较。

3.1.3 实时曲线界面

在主菜单中点击实时曲线按钮,画面将切换到如图4所示的实时曲线界面(该界面同样可通过左上角的下拉菜单选择监控某一流结晶器的实时曲线),以趋势图的形式显示结晶器位移、速度和电动机转速的实时跟踪曲线及电动机电流的实时曲线[13]。图4给出了现场用偏斜率为0.2的非正弦波不同频率(电动机不同转速)时的切换波形,通过该界面中结晶器位移、速度和电动机转速跟踪曲线可以看出,该系统实现了结晶器非正弦振动波形随拉坯速度变化而产生的不同波形之间的平稳切换。

3.1.4 多流实时参数监控界面

点击多流实时参数监控按钮,切换到如图5所示的多流实时参数监控界面,可实时显示多流结晶器的伺服电动机与连铸结晶器的重要参量(图中仅用于宣钢现场改造的第8流结晶器的参数监控)。

3.2 下位机系统对结晶器振动位移及伺服电动机转速的控制

利用上述式(1)、(2)两种结晶器振动位移曲线规律和伺服电动机对应的式(3)、(4)两种期望转速规律编写控制程序,采样控制周期为4 ms,以满足结晶器位移和伺服电动机转速给定和控制的精确性和实时性。

在结晶器振动过程中,PLC控制程序根据拉坯速度自动计算连铸结晶器振动频率f、ω,并由设定的波形偏斜率α计算参数A、E,进而由式(3)、(4)计算并输出伺服电动机期望的转速,由西门子S120伺服驱动控制器来实现伺服电动机的转速闭环跟踪,进而使结晶器按期望的非正弦振动波形式(1)、(2)振动。为保证连铸结晶器非正弦振动的平稳性并兼顾切换的实时性,在结晶器振动波形连续输出整数个(如3个)振动周期后,在结晶器振动位移的过零点处自动根据拉坯速度(即切换振动频率和波形偏斜率对应的电动机转速值)切换非正弦振动波形。

4 控制系统应用试验

本系统于2015年7月30日首次成功应用于河北钢铁集团宣化钢铁公司一钢轧厂二号连铸机第8流的连铸结晶器非正弦振动控制的工业生产试验,并于2015年9月29号开始连续可靠应用于工业生产,成功完成了连铸结晶器非正弦振动的工业应用试验。

4.1 位移速度等跟踪情况

就不同工作模式下结晶器的振动曲线进行采集[14],非正弦振动函数下的实时跟踪曲线如图6所示,其中,图6(a)为波形偏斜率α=0.2、拉坯速度VL=1 m/min时的德马克振动波形及系统跟踪曲线,图6(b)为波形偏斜率α=0.2、拉坯速度VL=1.2 m/min时的李宪奎振动波形及系统跟踪曲线。

由图6可见,本文所设计的控制系统,对德马克和李宪奎的非正弦振动曲线均具有较好的跟踪性能,所设计的控制系统满足连铸结晶器非正弦振动的工艺技术要求,能够保证平稳运行。

4.2 非正弦和正弦振动时铸坯质量的比较

为了进一步验证非正弦振动对铸坯表面质量的改善,选用连铸机中相邻的第7、第8流在相同钢种、相同拉坯速度但不同振动方式下生产Q235 B钢种、断面为165 mm×165 mm的钢坯,其中第7流采用的是正弦振动,波形偏斜率为α=0.0,第8流采用非正弦振动,波形偏斜率为α=0.2,振动曲线选择为燕山大学李宪奎振动波形,待两流同时生产出的两根钢坯经冷却之后,分别截取其中的一小段进行酸洗后获得的低倍放大照片如图7所示。

图7(a)为第7流正弦振动铸坯内弧酸洗照片,图7(b)为燕山大学李宪奎振动波形下的第8流非正弦振动铸坯内弧酸洗照片(德马克曲线具有同样的效果)。从图中可以看出在相同参数下,非正弦振动振痕较正弦振动方式有明显减轻,这对后续工序产品的质量提高大有益处,且更便于铸坯脱壳,降低黏结漏钢率。

5 结论

高地隙电动拖拉机机驱动系统研究 篇9

1 电动拖拉机的基本参数和工况

本文研究的是高地隙电动拖拉机驱动系统, 该拖拉机为小型拖拉机。初定该小型拖拉机的重量为365kg, 工作时的最大载荷为400kg。车轮的直径为1.1m, 前后轴距为2m, 左右轮距为1.2m, 底盘高度为1m。该电动拖拉机的行走速度在2~20km/h, 其基本的工作速度定在7km/h。工作环境为灌水稻田和沥青马路。当在沥青马路上时, 其摩擦系数为0.023, 当在灌水稻田中时, 其摩擦系数在0.3 左右。通过力与速度的乘积便可得到功率为4373W。选取电动机的型号为Z2-52, 其额定功率为7.5k W, 额定电压为220V, 转速为1500r/min。

2 驱动系统的内部结构

该机采用的是四轮驱动系统, 所以, 与两轮驱动相比难度会有一定的提升。考虑到四轮要同时驱动, 并且要给定同样的速度使得四轮速度能够尽量保持一致, 提出以下两种方案。

第一种:在驱动系统内部安装两个完全相同的电动机分别用来驱动前轮和后轮。具体结构是, 从两个电动机分别输出转速和功率, 然后两个电动机与两个完全相同的离合器相连接, 两个离合器的输出轴再与两个完全相同的行星齿轮减速器相连接, 最后分别传到前桥和后桥, 用来驱动前轮和后轮。这种方案的优点是前后轮不相互限制且能达到同速, 动力较大, 缺点是耗能较大, 且结构较复杂。

第二种:仅使用一个电动机来驱动前轮和后轮。具体结构是其输出轴与离合器输入轴连接, 离合器输出轴与行星齿轮减速器连接, 随后与分动器连接, 通过分动器将动力传至前桥和后桥, 从而同时驱动前轮和后轮。该方案的优点是节能且能达到同速, 缺点是四轮相互受到限制, 且动力较小。对于本文讨论的机型来说, 由于其体型较小且工作载荷不大, 所以选用第二种方案较合理。

3 行星齿轮减速器的设计

行星齿轮减速器是内部驱动系统的重要组成部分, 在先前的研究中已经确定了其具体的参数。其传动比为5:1, 模数为4, 分为太阳轮, 行星轮, 外齿圈。太阳轮:齿数Z为19, 分度圆直径d为76mm, 齿顶圆直径d1为84mm, 齿根圆直径d2为66mm, 齿宽b为76mm。行星轮:齿数Z为29, 分度圆直径d为116mm, 齿顶圆直径d1为124mm, 齿根圆d2直径为106mm, 齿宽b为76mm。外齿圈:齿数Z为77, 分度圆直径d为308mm, 齿顶圆直径d1为300mm, 齿根圆直径d2为318mm, 齿宽b为76mm[3]。

4 结束语

由以上可知, 高地隙拖拉机采用电动机作为驱动的核心, 具有体积小、结构简单、效率高、噪音低、污染小、操作方便等优点, 其对于我国现代农业的发展具有重大的意义, 因此, 研究和发展电动驱动系统相当有必要。

参考文献

[1]高辉松.电动拖拉机驱动系统研究[D].南京:南京农业大学, 2008.

[2]高辉松, 朱思洪.电动拖拉机传动系设计理论与方法研究[J].南京农业大学学报, 2009, 32 (1) :140-145.

电动机驱动系统 篇10

永磁电机是目前电动汽车最常用的驱动电机,但调磁困难、恒功率调速范围窄等固有缺陷限制了其在电动汽车上的广泛应用,在这种背景下“混合励磁”思想应运而生。新型的混合励磁电机合理地改变了永磁电机的结构,在电机定子上附加电励磁绕组,这样可以通过控制电励磁绕组中励磁电流的大小和方向来调节气隙磁场。本文针对一台8极混合励磁电机设计了相应的驱动系统,通过实验分析证明了混合励磁电机与同等级的永磁同步电机相比,其调速范围和峰值电磁力矩大大增加,较好地解决了调磁困难的问题。

1电机本体结构及基本原理

传统永磁电机一般采用矢量控制技术进行弱磁,但由于固有磁阻较大,弱磁效果并不理想。本系统所选用混合励磁无刷直流电机本质上并不是一种新类型电机,它仍属于永磁同步电机的范畴,只是在其基础上进行了合理的改变。混合励磁电机样机截面图如图1所示,电机定子上装有普通定子电枢绕组和附加励磁绕组两套线圈,附加励磁绕组沿圆周方向安装并与电枢绕组正交;转子包括相间安装的表贴式永磁极和铁磁材料组成的调磁极。这样,电机的气隙磁场就是永磁体和附加励磁电流共同作用的结果。

由混合励磁电机结构图可知,其空载磁链可表示为:

ψK=ψPM+ψL 。 (1)

其中:ψL为励磁电流if所产生的磁链;ψPM为永磁磁链。结合式(1)可得到混合励磁电机在带载情况下,每相绕组对应的磁链:

ψ=ψK+ψm 。 (2)

其中:ψm为每相电枢反应磁链,ψm=Lmim,im、Lm分别为每相电枢电流和自感。进一步分析可近似得到混合励磁电机带载时每相的端电压平衡方程和输出转矩为:

undefined。 (3)

undefined。 (4)

其中:R为每相等效电阻;E为反电势;ω为电机角速度;TPM为永磁转矩;Tf为附加励磁转矩;θ为电机的角位移;Lmf为每相电枢绕组与励磁绕组的互感。

由以上分析可知,混合励磁电机驱动系统可以通过控制励磁电流来影响电机内部磁链,从而能达到最终控制转速和转矩的目的。

2电机工作区间的划分及调速系统控制策略

普通的永磁同步电机应用在电动汽车中主要存在两大限制:①输出转矩的限制,若电动汽车在低速爬坡过程中电机发生过载,就需要通过增加电枢电流来提高电机的输出转矩,但长时间的过载电流易损坏电机,且驱动器容量也有限制,所以一味地增加电枢电流不能保证电动汽车长期稳定可靠地运行;②最高转速的限制,电机在基速以上采用传统的调压调速实行恒功率运行, 但随着实际转速增加调压达到极限时电机不再保持恒功率运行,运行效率将急剧下降。

电动汽车驱动电机采用混合励磁控制策略的主要优势是:①能使电机在额定转速以下采用增磁控制方式产生比额定值更大的力矩而不发生电枢电流过载的现象;②当电动汽车在恒功率运行范围内时,可采用弱磁控制策略使驱动电机转速大大超过其额定值从而满足现代电动汽车的运行需求。

由上分析可知,从外加励磁电流的角度来看可将电动汽车划分为3个不同的运行区间:①零励磁运行区(励磁电流if=0),该区域以驱动电机的额定基速nN为界又可分为低速零励磁区和高速零励磁区;②低速增磁区(励磁电流if>0,转速nnR,nR为电机开始弱磁升速时的转速),该区域扩大了电动车恒功率调速范围。综上所述,如何根据运行工况(主要是负载和速度的变化)来使电动汽车在不同的运行区间自由切换,同时又保证调压、调速、调磁协调控制,是整个调速系统的关键所在。

3驱动系统硬件

3.1 控制系统整体框架

混合励磁电机驱动系统由于要实现调压、调磁协调控制,因此比普通的永磁同步电机驱动系统要复杂,图2为系统的结构框图。整个系统主要包括主电路模块、控制电路模块和相关的辅助电路。主电路设置了电枢电流控制器和励磁电流控制器两个相对独立的部分。两部分都由TI公司的高性能数字信号处理器TMS320F2812来控制,其中2812事件管理器A能产生6路PWM波控制三相定子电枢电流,而辅助励磁电流回路的4路PWM控制信号则来自事件管理器B。除此之外,以TMS320F2812为核心的控制电路模块还完成电机位置信号的获取、电流环/速度环的控制以及与车载管理系统的相互通信等任务。

3.2 功率主电路

由于需要分别对三相电枢电流和励磁电流进行双极性控制,因此可靠性高、性能优良的功率器件及驱动电路是整个系统稳定运行的前提。混合励磁电机的三相电枢绕组功率回路拓扑种类较多,本文中选用带中性点的全桥逆变电路作为主拓扑。系统电枢绕组主电路采用6单元IPM功率模块,对于励磁回路,由于电动汽车运行在不同工作区间时需要对电流实现双向控制,故选择单相全桥4单元IPM功率模块。

电动汽车运行时,以DSP为核心的数控系统接收位置传感器的反馈信号并给出相应的换相逻辑,同时根据软件计算出的电机实时转速和电流采样信号执行双闭环控制,最终确定PWM驱动信号的占空比。

3.3 过流保护电路

为了使系统安全稳定运行,一定的保护措施必不可少。以过流保护为例,系统采用了硬件保护、软件保护和IPM功率模块自身保护等多级保护相结合的措施。其中硬件保护电路如图3所示,霍尔传感器将电流采样值(包括励磁电流和三相电枢电流)转换为电压信号并通过比较器与预先设定的安全电压值进行比较,当出现过流现象时,故障信号输出低电平送至TMS320F2812的引脚从而封锁PWM输出并使功率开关器件关断。软件保护是指DSP在一定时间内连续检测到过电流时,程序立即锁死并使PWM输出呈高阻态。IPM自身带有各种保护功能,当在规定时间内监测到故障发生时能实施内部软关断并发出报警信号。

3.4 CAN接口电路设计

电动汽车的整车控制需要良好的通讯协调,为此本系统利用现场总线与车载管理端进行通信。由于TMS320F2812 DSP芯片内嵌有支持CAN2.0B协议的CAN总线模块,因此无需设置专门的CAN控制器,但DSP本身不自带CAN收发器,因此系统选用SN65HVD230作为外接CAN收发器,该收发器具有差分收发能力,最高速率可达1 Mb/s。图4为DSP与CAN总线硬件连接图。

4软件设计

混合励磁电机控制系统软件设计是在硬件电路的基础上配合系统调试而完成的。基于TMS320F2812 型DSP的软件设计采用C语言编程,运用模块化编程思想,增强了软件的扩展能力和易读性。系统软件主要包括初始化程序、循环执行的主程序和一些中断子程序。图5为系统主程序流程图,控制器根据电机的实时速度和采样回来的电枢电流值来判断系统是否进入调磁状态。

5实验分析与结论

实验以一台15 kW的三相八极混合励磁电机为对象,目的是为了验证驱动系统在引入励磁电流控制后对电机动态响应、调速性能等方面的影响。实验数据由ABB公司的DriveStudio工具和示波器采集,并通过origin软件处理后得到实验波形。图6为在同一给定速度下驱动系统分别实施增磁控制和零励磁控制时的电机启动特性。由图6可看出在执行增磁控制(励磁电流为+3 A)时,电机到达给定速度时间约为1.2 s;而在同样的负载条件下励磁电流为0 A时,电机需要1.9 s才能达到给定速度。

图7给出了系统执行突加和突减反向励磁电流指令时对混合励磁电机稳态运行的影响。可以看出电机在1 000 r/min稳态运行时反向施加2 A的励磁电流,由于反向励磁电流削弱了电机的主磁通,所以在给定端电压不变的情况下电机的转速稳步上升。当撤消反向励磁电流时,电机又回到原来的转速。

实验结果表明,本系统在执行增磁、弱磁控制时,可使混合励磁电机稳定运行并且有较好的动态响应,在电动汽车驱动方面应用前景广阔。

参考文献

[1]李优新,王鸿贵,何鸿肃,等.混合励磁无刷电机的调磁原理与实现方法[J].机电工程技术,2003,32(4):18-20,24.

[2]李优新.混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究[J].微特电机,2003(3):3-5.

[3]朱孝勇.混合励磁双凸极电机及其驱动控制系统研究[D].南京:东南大学,2008:15-16.

[4]杨成峰,林鹤云,刘细平.混合励磁同步电机调速系统的控制策略[J].电机与控制学报,2008,12(1):28-33.

[5]Zhu Xiaoyong,Cheng Ming.A novel stator hybird excit-ed doubly salient permanent magnet brushless machine forelectric vehicles[J].Journal of Electrical andTechnology,2006(2):185-191.