力矩电机

力矩电机（精选四篇）

力矩电机 篇1

电机的启动力矩目前在反力矩测试仪上测量, 需要装配完成后进行, 这就很难避免造成零件报废和工时浪费。目前没有公开报道的磁滞电机磁性能预先测量方法, 因此, 有必要研究一种在装配前就可预先检测磁滞电机驱动力矩的方法, 以避免零件和精密加工工时的浪费。

1 影响磁滞电机驱动力矩的机理分析

1.1 影响磁滞电机驱动力矩的因素

根据磁滞电机的工作原理和基本结构, 列出可能影响磁滞电机驱动力矩的各因素, 并进行逐一分析。磁滞电机驱动力矩影响因素如图1所示。

顶事件:电机启动力矩超差。

底事件:D1~D3为与电机自身相关因素;D5~D6为与测试过程相关因素。

D1:转子故障, 主要是磁滞环磁性能变化。从以往的研究情况看, 磁滞电机的驱动力矩超差问题均指向磁滞环的磁性能损失, 该底事件不能排除。

D2:气隙异常, 转子组合件的内孔尺寸和定子的外圆尺寸之差形成气隙, 气隙的大小影响着气隙磁密的大小, 从而影响启动力矩的大小。对出现驱动力矩超差的零件进行计量, 定子用千分尺测量, 尺寸符合图纸公差要求;转子内孔计量结果符合图纸要求, 可以排除故障源D2。

D3:定子绕组、定子材料等, 定子测量阻值、绝缘情况, 均符合图纸要求。对定子采取交叉实验的方法, 证明换定子装配后电机的启动力矩没有明显变化, 可以排除故障源D3。

D4:电源故障, 磁滞电机采用了通用电机电源, 其它电机测量均正常, 可以排除故障源D4。

D5、D6:测试程序、测试设备方法及人员等, 反力矩测试仪为通用设备, 其它型号电机测试以及对同一电机的重复测试表明, 可以排除故障源D5、D6。

1.2 磁滞力矩产生机理

磁滞电机的转矩是由转子磁滞层材料的强烈磁滞作用而产生的, 当磁滞电机定子绕组接通三相对称正弦波电源后, 产生空间旋转磁场使转子磁滞层磁化。由于转子磁滞层磁化过程中磁滞的存在, 使得转子磁场跟不上定子磁场的变化, 定子磁场和转子的磁场轴线之间出现空间位移———失调角θ。由于转子和定子磁场之间的相互作用, 就产生了沿转子切向的作用力, 形成使转子沿旋转磁场旋转方向旋转的力矩, 即为驱动力矩。

分析磁滞电机理论和计算方法的基本观点和原则是能量法。根据能量法, 磁滞电机的驱动力矩直接与反复磁化损耗的功率有关。该型磁滞电机的电磁力矩值计算公式如下:

式中:ρ———极对数, 这里取2;Pro———磁滞材料磁滞损耗比, 这里取19KJ/m3;Va———厂磁滞层体积, 这里为13.97cm3。

根据上式, 该型磁滞电机的电磁力矩计算值为86gf.cm。

1.3 转子组合件质量保证及生产流程排查方法

与转子和启动力矩相关的主要是磁滞环的加工过程。通过编制转子组合件的加工流程, 列出各工序, 结合现有磁性能的测量方法, 确定零件加工过程中的测量点, 可逐步缩小相关影响工序的范围。按照电机的生产流程, 从末端向前推, 首先解决装配中的问题, 依次是配套的零件, 最后是工厂在加工的零件。

参照转子组合件生产流程, 首先确定启动力矩问题的控制点为: (1) 测量电机启动力矩, 保证交付产品的质量; (2) 研究新方法测量转子组合件磁性能, 保证转入装配的电机转子组合件磁性能符合接收下限值 (75gf.cm) 指标; (3) 研究新方法对加工过程中的转子组件进行测量, 将不符合要求的转子组件剔除, 不进入下道工序; (4) 对加工装配过程中与磁滞环磁性能有关的转子组合件工序, 测量零件的形位精度、尺寸、装配力。

2 驱动力矩预先检测方法

2.1 磁滞环磁性能的预先测量方法的可行性

磁滞电机的分析设计普遍采用能量法, 从能量的角度, 堵转时电机的输入功率, 减去定子铜损耗、定子铁损耗, 剩下的是转子与启动力矩相关的磁滞损耗, 同时还包括一小部分涡流损耗。即可以通过测功率的方法反映电机的磁滞损耗, 而磁滞损耗决定了电机启动时的电磁力矩。

测量堵转功率的方法避免了电机旋转, 不需要装配电机, 使得工装设计大大简化, 装配前电机的磁性能测试成为可能。

为了验证检测方法的可行性, 选择生产中有力矩测试记录的10台某型电机, 通过对测试数据 (包含启动力矩、额定电压下的功率、电流、阻值等参数) 的分析, 得到驱动力矩与功率的关系图, 如图2所示。

从图2中可以看出, 启动力矩与电机启动功率有很好的相关性。这样, 固定同一个电机定子, 测量一定数量的不同电机转子样本, 应用统计方法, 推导出启动力矩与堵转功率之间关系的经验公式, 分析测量误差, 即可以实现在刁;装配电机的情况下“检测”电机的启动力矩。

2.2 功率与启动力矩的相关性分析

选择某个装配后启动力矩小的电机为实验电机, 测试其他已知启动力矩电机的转子环组件的堵转功率, 数据见表2。

从相关性分析可知, 80V下的启动功率与电机110V下的启动力矩有很强的相关性。后面的分析均以80V下测得的功率为参考, 同样, 启动力矩均指110v下的启动力矩。

对功率、启动力矩数据进行回归分析, 进一步检验其线性关系, 并求得经验公式, 见表4。

从上计算可知, 功率与启动力矩之间有显著的线性关系, 可以得到的拟合公式如下:

x代表测得的堵转功率, y代表电机的启动力矩。经验公式需要在日后测试数据的基础上不断修正。根据设计要求驱动力矩指标确定为不小于74gf.cm, 则对应的功率为不小于17.2W, 不满足条件的转子组件可筛除。

2.3 测量方法

从前面磁滞电机的驱动力矩影响因素分析可知, 转子组件磁滞层磁性能是影响磁滞电机驱动力矩的主要因素, 只要将达不到磁性能要求的转子组件剔除, 问题就解决了。为此, 本文设计方法如下: (1) 选用一个启动力矩小、轴承正常的电机; (2) 测定子阻值, 记录, 要求阻值正常; (3) 拆下转子组件; (4) 将需要测量的转子环装入该电机, 测110V、80V下电机的输入功率、电流, 记录; (5) 对照功率标准, 确定磁滞环的性能。

3 实验验证

采用如上方法, 对待装配的63套电机转子环组件的堵转功率进行测量, 结果如表5和图3所示, 14个功率小于等于17.2w, 比例26.98%。暂停装配, 其它电机转:广组件装配正常进行。

通过经验公式计算可知, 预计该批次电机的平均启动力矩为日0.2sf.cm。最后, 通过对这批电机装配后进行驱动力矩检测, 与预先检测对比, 最大误差为1.4sf.cm, 检测误差可以接受。

4 结论

力矩电机 篇2

因为力矩电机的转子具有强磁场，所以要求装配场地内必须清洁，不能有灰尘、毛絮、杂物等，特别是要对力矩电机的定子和转子进行清洁防护，以保证圆环形力矩电机的装配和使用精度。装配前要对与之配合的机械零部件进行清洁，不允许残留铁屑等杂物，并将与装配无关的铁质零件和工具移出装配区域。禁止用力拖拽电缆，电缆出线端部要做好绝缘处理。操作人员需将手表、手机及金属饰品等取下，放置在安全区域内，防止由于强磁性而损坏。

2、定子的装配

我公司选用的力矩电机定子外径φ2300mm，由于直径过大制造和运输比较困难，所以将整圆均匀分成9块进行组合安装。安装定子时首先将9块定子进行编号，并按顺序放置在机械部件的安装位置上，做好把合螺钉孔的装配标记。装配时要保证定子上的冷却水孔与机械部件上的冷却水孔对正，以保证能对定子进行正常的水冷却，确保力矩电机的正常工作。定子内圆面与机械部件的垂直定位面保证0.04mm的间隙，并控制每块定子之间的间隙均匀，间隙值约为0.4mm左右。在紧固定子把合螺钉前要将防水密封圈安装在定子的密封槽内，注意槽上的棱角，避免划伤密封圈，影响密封效果。紧固把合螺钉时要求使用力矩扳手，锁紧力矩约为83Nm，按40%、70%、100%分3次进行锁紧，锁紧后配作销钉孔，装入销钉。在定子的整个装配过程中必须注意装配环境的清洁，避免铁屑等杂物吸附在定子上损坏线圈，如果有铁屑等杂物已经吸附在定子上，可以使用橡皮泥将其取下。

3、转子的装配

我公司选用的转子外径同样为φ2300mm，与定子一样，为了制造和运输的方便，转子也将整圆平均分成12块进行组合安装。因为转子具有强磁场，所以每块都带有N极和S极标志，并且在安装时必须N极和S极交替分布。装配时转子内圆面与机械部件的垂直定位面之间保证0.15mm间隙，这比定子间隙值要大一些，同时控制每块转子之间间隙均匀，约为0.4mm左右，这与定子要求相同。锁紧转子把合螺钉时同样要求使用力矩扳手，锁紧力矩约为83Nm，按40%，70%，100%分3次进行锁紧，锁紧后配作销钉孔，装入销钉。因为转子具有强磁场，所以在装配过程中更要注意装配环境的清洁，特别是永磁片部分更要注意保护。如果有铁屑吸附到转子上同样可以使用橡皮泥取下，如果工具吸附上用手很难直接取下，这时可以使用木楔块和锤子进行辅助，将工具与转子进行分离取下。在存放转子时注意不能叠放。

4、定子和转子的组装

力矩电机 篇3

混合励磁同步电机 (hybrid excitation synchronous motor, HESM) 在结构、性能方面与永磁同步电机 (PMSM) 有相似之处, 但其驱动与控制有其特殊性。东南大学黄明明博士给出了混合励磁同步电机分区控制系统[1]。日本学者Shinji Shinnaka建立了一种基于通用坐标系的动态矢量控制模型及对隐极HESM提出了一种基于转子磁场定向的铜耗最小化矢量控制模型[2,3]。广东工业大学的李优新博士提出了一种混合励磁无刷直流电机的控制策略[4]。本文针对一台额定功率为6kW的HESM, 基于空间电压矢量 (Sector Voltage PWM, SVPWM) 控制的思想, 在传统的PMSM驱动器模型上加入了一个电流分配器, 通过电流分配器合理分配电枢电流与励磁电流之间的关系, 实现电枢电流与励磁电流之间的解耦, 实现HESM驱动器的可靠稳定工作。

1 HESM的结构原理与驱动系统模型

1.1 HESM的结构

图1为HESM内部结构示意图, 电机的定子与普通的PMSM定子相同。 从电机的电磁关系来看, HESM与PMSM相比, 结构上多了励磁绕组［５］。

1.2 调磁机理

当不加励磁电流时, 励磁绕组不产生励磁磁势, 则电机气隙中只有永磁磁通, 此时的HESM就相当于一台PMSM。如图2所示, 当负载力矩超过电机额定力矩, 则向HESM的励磁绕组中通入增磁励磁电流。电机气隙中将产生与永磁磁通ΦＰＭ方向相同的励磁磁通Φｆ, 以达到增加电机磁通的效果。电机磁通增加后, 使得电机在不增加电枢电流的前提下增大了电机的输出力矩。

1.3 HESM的驱动系统模型

不失一般性, 对于这台HESM, 忽略HESM的电枢电压、电流谐波分量等的影响, 仍然采用dq坐标系来建立HESM驱动系统模型。根据SVPWM的控制原理, 可得到HESM的控制系统模型, 如图3 所示。HESM驱动系统的主要功能模块与传统的PMSM驱动系统相比, 主要是控制对象不同并且多了3个模块, 分别是励磁电流脉宽调制信号、励磁驱动及电流分配器。其中的电流分配器是最为关键的一部分, 它是被用来合理分配电枢电流与励磁电流之间关系的, 以保证HESM的稳定与可靠运行。

HESM电流分配器的结构框图如图4所示, HESM驱动器通过电流分配器调节q轴电流参考值iｑ＊与励磁电流参考值iｆ＊。由于采用Iｄ=0的矢量控制, 所以d轴电流参考值iｄ＊在驱动系统中直接赋为零值。通过电机旋转角速度ωｒ、驱动器的母线电压Uｄｃ两变量来选择控制区域。当负载力矩没有超过电机的额定力矩时, 电机运行在常规力矩区, 此时的驱动器就相当于一台PMSM驱动器。当负载力矩大于电机额定力矩时, 电机进入动态增磁区, HESM驱动器通过增加iｆ＊以达到增大电机输出力矩的目的。驱动系统通过一个旋转编码器获得电机的ωｒ与电角度θ;电机转速参考值ωｒ＊由驱动器给定;Tｒｅｆ为电机参考输出力矩。

2 HESM的低速大力矩控制策略

2.1 总体控制思想

本文提出一种简单有效的控制算法, 即当负载力矩在HESM额定力矩以下时, HESM不用增加励磁电流, 即iｆ=0, 此时的HESM可以看作一台PMSM, 可以采用传统的PMSM控制策略;当负载在额定力矩以上时, 保持HESM原有电枢电流值不变, 调节HESM的励磁电流iｆ, 从而增加励磁磁通使得HESM的输出力矩与负载力矩之间的动态平衡, 在不增加电枢电流的前提下实现HESM的低速大力矩的特性。

2.2 低速大力矩控制算法

下面来推导HESM在动态增磁区时, 电枢电流与励磁电流的基本关系。设Tｅ为电机的输出力矩:

其中:p为极对数;iｑ为q轴电流;ψｐｍ为永磁磁链;Lｓｆ为电枢绕组与励磁绕组之间的互感;iｆ为励磁电流的瞬时值。设TｅＮ为电机在不加励磁电流情况下的额定输出力矩, 则:

其中:IｑＮ为q轴电流额定值。根据式 (3) , 可以推算出:

令

iＴｒｅｆ为当负载力矩大于TｅＮ时所需的力矩对应的q轴电流值, 则Tｅ-TｅＮ之间的差值由励磁电流来补充。

由式 (2) 、式 (4) 、式 (5) 可得:

HESM转子在旋转坐标系下, 定子绕组与励磁绕组磁链方程为:

其中:ψｄ, ψｑ分别为电机的d轴与q轴的磁链;ψｆ为励磁绕组的磁链;Lｄ, Lｑ分别为电机的d轴与q轴自感系数;Lｆ为励磁绕组自感系数;iｄ, iｑ分别为d轴与q轴的瞬时电流值。将式 (7) 展开, 再根据ψ与U的关系式, 可得:

其中:uｄ, uｑ分别为电枢电压d, q轴值;uｆ为励磁绕组电压值;Rｓ为定子绕组电阻值;Rｆ为励磁绕组电阻值;ω为电机同步角速度。

又因为需要满足uｑ≤uｑＮ (uｑＮ为不加iｆ时q轴电压额定值) 。则根据式 (8) 可得HESM在转速n＊ (n＊为电机转速范围内的任一转速) 的最大励磁电流I＊ｆｍａｘ:

其中:nＮ为电机转速额定值。在电机进入恒功率区后, Iｆｍａｘ要小于等于励磁电流额定值IｆＮ;同时, 其最大励磁电流Iｆｍａｘ又不能超过I＊ｆｍａｘ。所以有:

当IｆＮ=I＊ｆｍａｘ时, 则由式 (9) 可知, 此时电机转速为:

则由式 (8) 、式 (10) 可得, 当电机转速n＊≤n１时, Iｆｍａｘ=IｆＮ;当n＊>n１时, Iｆｍａｘ=I＊ｆｍａｘ, HESM在n１~nＮ这段速度区间内为恒功率区, I＊ｆｍａｘ会随着电机转速的增加而减小。

动态增磁区的工作流程可以总结为:当负载力矩大于电机输出力矩时, 导致电机转速下降, 转速环对电流分配器的给定电磁力矩参考值增加。电流分配器根据力矩参考值在iｆ=0的模式下计算出iｑ, 再保持iｑ=IｑＮ;通过式 (6) 计算出iｆ, 再根据式 (9) 、式 (11) 得出iｆ的最大值Iｆｍａｘ。通过增加iｆ使得输出力矩加大, 实现电机力矩与负载力矩间的动态平衡。

3 实验分析

实验以一台额定功率为6kW、频率为50Hz的8极HESM为对象, 实验数据由泰克公司的DOP3000型示波器采集, 由OriginLab处理后所得。HESM样机的力矩和转速数据由日本小野公司的TS-3100数字力矩仪测得。实验用HESM基本参数见表1。

图5是在转速为1 600r/min、励磁电流为10A, 负载力矩发生突变时, HESM的动态响应图。由图5可看出:当负载力矩由15N·m突变到25N·m时, 转速出现微小的下降, 但又很快恢复到额定转速;当负载力矩由25N·m突变到15N·m时, 转速出现了上升, 但很快恢复到额定转速。故HESM驱动器具有良好的动态响应性能。

图6为当HESM分别在转速为500r/min、1 500r/min、2 500r/min, 电机电枢电流维持不变时, 电励磁电流不断增加时电机的输出力矩, 可以看出输出力矩也呈线性增加。

实验结果表明, HESM通过增加电机励磁电流, 增大电机磁通, 使得电机在电枢电流不变的前提下获得更大的输出力矩, 提高了电机的帯载能力。

4 结论

本文针对HESM的特点, 提出的新型低速大力矩控制策略具有如下特性:在动态增磁区, 实现了电枢电流与励磁电流的自然解耦, 大大降低了控制算法的复杂性, 使算法的软件化更为简单可行;在增加了励磁电流之后, HESM相对于传统的PMSM, 输出力矩有较大的提升, 实现了低速大力矩的特性;驱动系统具有非常好的稳态性能, 在额定转速时, 能够提供较相同的PMSM更大的力矩。

参考文献

[1]黄明明, 林鹤云, 金平, 等.新型混合励磁同步电机分区控制系统分析与设计[J].中国电机工程学报, 2012, 32 (12) :120-125.

[2]Shinnaka S.New dynamic mathematical model and new dynamic vector simulators of hybrid-field synchronous motor[C]//IEEE International Conference on Electric Machines and Drives.San Antonio, TX, USA, 2005:882-889.

[3]Shinnaka S, T Sagawa, New optimal current control methods for energy-efficient and wide speed-range operation of hybrid-field synchronous motor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54 (5) :2443-2450.

[4]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, 31 (3) :3-5, 37.

力矩电机 篇4

采用电子调速技术是提高位置控制式燃油喷射系统柴油机调速性能指标的主要途径,执行机构又是柴油机电子调速系统中的关键部件,其性能直接影响整个柴油机电子调速系统的性能。它将系统的电能转换为机械能,驱动该系统的控制对象,从而达到控制目的。为满足柴油机各工况的动稳态调速性能,调速执行机构应具有动态响应快、稳态精度高、环境适应性强等特点。调速用执行器按工作原理大致可分为电磁式、电液式、电机式等。但在要求大驱动能力的情况下,通常采用电机或液压机构作为调速执行机构。传统的液压执行器结构和工艺复杂、阻力和响应滞后大,不能满足高精度的控制要求。永磁有限转角直流力矩电机由于其结构简单、便于加工安装,且力矩惯量比高、动态反应快、线性度好、可双向控制、稳态功耗低等优点,适用于各种柴油机调速执行机构。由该电机组成的位置控制系统要求有良好的动稳态特性和抗干扰性,使其控制算法复杂,采用传统的串联校正、电流反馈、复合控制等方法,难以达到理想的控制效果。本文结合大量仿真分析进行有限转角直流力矩电机作为大功率柴油机电子调速执行机构控制策略的研究。

1 有限转角力矩电机位置控制系统的结构

有限转角力矩电机是集永磁电机、无刷直流电机和力矩电机的特点于一体的特殊电机,是1种将电信号转变成一定角度和力矩输出的电机。不仅可用来直接驱动各种阀门、齿条等,而且还可以在某些要求定位精度高或电气伺服控制系统中作为执行元件。

有限转角力矩电机结构如图1所示,其控制系统原理如图2所示。控制系统的工作过程如下:控制器通过采集电机的转角位置、电机绕组的电流等反馈信号与位置给定信号相比较产生相应的偏差,控制器按照一定的控制策略进行分析、运算和处理,得出输出控制信号,该信号经功率驱动控制力矩电机输出动作,推拉喷油泵供油齿条,从而达到控制循环供油量目的。

2 有限转角力矩电机的数学模型

根据有限转角直流力矩电机电磁力矩与电枢电流成正比以及电机的受力关系,可得有限转角力矩电机的运动方程组,即

undefined

式中,R为电机电枢电阻,Ω;i为有限转角直流力矩电机电枢电流,A;L为电机电枢电感,mH;Ke为电机反电势系数,(V·s)/rad;θ为有限转角直流力矩电机输出转角,rad;u为有限转角直流力矩电机控制电压,V;J为转子和负载的转动惯量,kg/mm2;D为负载阻尼系数,(N·m)/rad;K为复位弹簧的刚度,(N·m)/rad; M为电磁转矩,N·m;Ml为负载转矩,N·m;KT为电机电磁转矩常数,(N·m)/A。

3 仿真模型的建立

3.1 电机本体模型的建立

由公式(1)可得有限转角力矩电机本体模型,如图3所示。

3.2 功率驱动模型的建立

功率驱动模块可以等效为一阶惯性环节:Ks/(1+ST),其中Ks为开关电路放大倍数,T为开关电路延时时间常数。由于本系统中T很小,故可以等效为比例环节。

4 控制器控制策略的设计

PID控制是连续系统中技术成熟、应用广泛的控制算法,具有结构简单、不需要系统准确的数学模型、参数容易调整等特点,在很多应用中获得满意的控制效果。本文电机控制采用PID为基本控制算法。

4.1 PID控制原理概述

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行控制,这样的控制器称为PID控制器。

时间域PID 控制器的数学描述为

undefined+uo (2)

式中,KP为比例系数;e(t)为误差值,e(t)作为 PID 控制器的输入,e(t)=r(t)-y(t),r(t)为期望值,y(t)为实际值;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数;uo为控制常量;u(t)为PID 控制器的输出。

4.2 控制策略设计与建模

为了寻求有限转角力矩电机最佳控制方案,本文进行了有限转角力矩电机控制策略的设计与研究,并通过仿真优化控制方案,为驱动控制模块设计提供理论指导。

4.2.1 位置环与电流环双闭环

采取位置环、电流环双闭环控制系统仿真模型如图4所示。内环采用电流环,外环采用位置环,电流环的作用是提高系统的快速性,抑制电流环内部干扰,限制最大电流,保证系统安全运行,电流环采用PI控制器。位置环的作用是保证系统的静态精度和动态跟踪性能,位置环采用PID控制器。

4.2.2 位置环+角速度环+电流环

采取位置环、角速度环、电流环三闭环控制系统仿真模型如图5所示。内环采用角速度环、电流环,外环采用位置环,角速度环的作用是增加系统抗负载干扰能力,抑制转角位置的波动,角速度采用PI控制器。

4.2.3 位置环+角加速度环+角速度环+电流环

采取位置环、角加速度环、角速度环、电流环四闭环控制系统仿真模型如图6所示。内环采用角加速度环、角速度环、电流环,其中角加速度环和角速度环并行,外环采用位置环,角加速度的环的作用是提高系统抗负载干扰能力,抑制角速度波动,角加速度采用PI控制器。

5 控制策略仿真分析

本文以哈尔滨工程大学研制的ZD30型有限转角直流力矩电机作为仿真对象,进行了控制系统的仿真分析。该电机的输出转角范围0°～75°,最大转矩30 N·m,工作电压24 V,其中仿真参数的取值为: R=1.63 Ω;L=15.5 mH;Ke=2.044 (V·s)/rad;J=0.101 kg/mm2;D=2.44 (N·m)/rad;K=0.204 (N·m)/rad;KT=2.044 (N·m)/A。对所设计的控制策略分别进行了动态仿真和突加0.1 s的20 N·m的阻力矩干扰脉冲仿真来分析控制系统的性能。在动态仿真中,在仿真进行6 s时摆角给定值由45°(0.785 rad)突然(阶跃)变到30°(0.523 rad),6.5 s时摆角给定由30°突然(阶跃)变到45°,仿真结果如图7～图9所示。

由仿真试验结果曲线分析可知,采用位置环和电流环双闭环控制摆角由0.785 rad突然变到0.523 rad的响应时间为84 ms,摆角由0.523 rad突然变到0.785 rad的响应时间为105 ms,有超调; 采用位置环、角速度环、电流环三闭环控制摆角由0.785 rad突然变到0.523 rad的响应时间为77 ms,摆角由0.523 rad突然变到0.785 rad的响应时间为80 ms,超调较小;采用位置环、角加速度环、角速度环、电流环四闭环控制摆角由0.785 rad突然变到0.523 rad的响应时间为70 ms,摆角由0.523 rad突然变到0.785 rad的响应时间为72 ms,基本上无超调。

阻力矩干扰脉冲仿真主要检测系统抗阻力干扰的能力,即在仿真2 s时,突加持续0.1 s的20 N·m的阻力矩,仿真结果如图10～图12所示。

仿真试验结果表明,采用位置环和电流环双闭环抗阻力干扰能力较差,超调大,且转角位置调节时间长,为300 ms; 采用位置环、角速度环、电流环三闭环抗阻力干扰能力增强,转角位置调节时间短,为150 ms,超调小;采用位置环、角加速度环、角速度环、电流环四闭环抗阻力干扰能力更好,不仅转角位置调节时间短,为75 ms,而且转角恢复时基本无振荡。

综上所述,相对于位置环、电流环的双闭环控制和位置环、电流环、角速度环的三闭环控制,采用位置环、电流环、角速度环、角加速度环的四闭环控制具有更佳的动态响应特性和抗干扰能力。

6 配机试验及结果分析

6.1 试验系统的组成

配机试验系统结构见图13。整个试验系统由控制器(内含电源模块、电机驱动模块、主控单元模块)、参数调整控制面板、ZD30型有限转角力矩电机执行器、转速传感器、6135柴油机及专用电缆组成。

控制器中的主控单元模块为数字式,执行器为LZ30型有限转角力矩电机,采用转速、位置双闭环反馈控制原理。执行器安装在原比例电磁铁执行器的位置,仅将油泵齿条机械连接方式稍作改动。

6.2 调速性能试验

本文调速性能试验项目中包括对6135柴油机的空载起动控制、转速波动试验、加速试验、减速试验、干扰试验、停车试验,由于试验室6135柴油机试验台发电机组的金属电阻负载箱被拆除,所以无法进行突加负载和突卸负载试验。

6.2.1 空载起动试验

试验了解柴油机在调速器控制下的起动性能,需测定柴油机最高超调转速及起动时间。6135柴油机的起动转速为750 r/min,因此在起动之初将设定转速调整为750 r/min,试验要求电子调速系统在短时间内使柴油机转速稳定,并且要求超调转速尽可能小。空载起动试验曲线如图14所示。空载起动试验记录数据如表1所示。

由图14和表1中可以看出,起动超调率为3%,起动时间很短,仅为2 s。试验结果表明柴油机控制器能实现6135型柴油机的正常起动功能,各项性能指标满足要求。

6.2.2 转速波动率试验

通过转速波动率试验考核柴油机在调速器控制下,在空载转速工况的稳定运转情况。6135柴油机的标定转速为1 500 r/min,为检验柴油机在电子调速器的转速调节性能,本文将柴油机在1 500 r/min稳定运转一定时间,待转速稳定后,记录柴油机的最高转速nmax和最低转速nmin。转速波动率ϕ的计算公式为

undefined

式中,nmax也可用nmin表示;undefined;nb为标定转速。

转速波动曲线如图15所示。试验数据记录如表2所示。

从图15及表2数据中可以看出,柴油机在该调速器的控制下,1 500 r/min工况转速均很稳定,转速波动率很小。

6.2.3 加速、减速试验

试验验证柴油机在调速器控制下的加速性能,需测定柴油机从起动转速到标定转速的加速性能曲线。6135柴油机的起动转速为750 r/min,标定转速为1 500 r/min,本文进行了以50 rad/s的加速性能试验曲线,如图16所示。由试验曲线结果分析可知,加速比较平稳,配机效果较好。

试验了解柴油机在调速器控制下的减速性能,需测定柴油机从标定转速到起动转速的减速性能曲线。6135柴油机的起动转速为750 r/min,标定转速为1 500 r/min,本文进行了以50 rad/s的减速性能试验曲线,如图17所示。由试验曲线结果分析可知,减速比较平稳,配机效果较好。

6.2.4 空载干扰试验

试验柴油机空转时,检验电子调速系统执行器抗阻力干扰的性能。试验方法:柴油机在1 380 r/min空载工况下运行稳定后,以20 N·m的阻力矩对有限转角力矩电机输出摇臂进行3次扰动干扰,试验结果如图18所示。由试验曲线结果分析可知,电子调速系统执行器抗阻力干扰能力较强,基本无超调,恢复时间快,与仿真试验结果一致。

6.2.5 停车试验

验证柴油机在调速器控制下的停车功能。试验方法:6135柴油机在转速为750 r/min下稳定运行后,按下调速器停车按钮,停车试验曲线如图19所示。由试验曲线结果分析可知,柴油机实现可靠停车。

7 结论

(1) 采用位置环、角加速度环、角速度环、电流环的四闭环控制策略的控制效果最佳,控制系统的稳态精度高、动态响应快、超调小、抗负载干扰能力强,对解决系统参数时变、非线性以及负载变化时传统控制方式难以作出较快相应调整的问题可以取得很好的效果,系统具有很强的鲁棒性。

(2) 在6135柴油发电机组上进行配机调速性能试验,配机调速性能达到GB/T3475—1986中二级调速性能指标。试验结果与仿真结果基本一致,达到了预期目标,完全满足有限转角力矩电机作为柴油机电子调速执行机构的性能要求,实现了大功率柴油机转速的全电子控制。

参考文献

[1]李钟明,刘卫国.稀土永磁电机[M].北京:国防工业出版社,1997.

[2]谭作武,凌金福,恽嘉陵,等.往复电动机[M].北京:北京出版社,1991.

[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4]陆平,孙军,刘利.采用通用力矩电机作为柴油机电子调速执行元件的研究[J].应用科技,1990(4):25-27.

[5]张莉松,徐立新,胡德,等.伺服系统原理与设计(第三版)[M].北京:北京理工大学出版社,2006.