学士学位论文：双电机同轴驱动功率平衡的仿真研究.doc

1、沈阳理工大学学士学位论文 I 摘 要 在现代运动控制系统中，经常会 遇到 两台电机通过 某种联系 共同 作用于一 个 工作机构 的情况 。由于同型号的 两台 电机 的 参数 也不可能 完全一致，因此 即使 在 两台电机共同拖动同一负载的情况下，彼此的负载 都 有 可能 不 相同 。这种情况下， 容易造成其中的一台电机工作 于 轻载的状态，而另外一台电机工作于过载的状态 ， 进而 出现过热 、容易磨损等问题。为 避免出现 这种情况， 需要对 负载 进行 合理分配，解决两台电机的功率平衡问题。 针对上述问题，本论文设计了一个鼠笼式双电机同轴驱动功率平衡控制系统，并进行了相关研究。文中首先对双电机功

2、率平衡 的机理和条件进行了阐述和分析，并进行仿真研究 。最后， 针对双电机同轴驱动中的负载分配不均问题，提出了采用基于直接转矩控制的主从控制方案 ： 主电机采用速度控制，从电机跟随主电机的转矩给定。 关键词 ： 同轴驱动 ;功率平衡 ;主从控制 沈阳理工大学学士学位论文 II ABSTRACT In the modern motion control system, two motors often work together on the same mechanism through a form of association. Because two motors of same type

3、 cannot own almost identical parameters, their respective load cannot be same even when they drive the same load. Under the circumstances, a motor often runs at light load state, while the other runs at overload state. The overload motor is easy to overheat and wear. In order to avoid this problem,

4、we should rationally distribute the load to solve the power balance of the dual-motor coaxial drive. Aimed at above problem, we studied the power balance of the dual-motor coaxial drive control system and done the related research. First, we analyzed the power balance mechanism and conditions of the

5、 dual-motor coaxial drive and then done simulation experiments.Finally, in order to solve the problem of uneven load distribution of dual-motor coaxial drive, we proposed the master-slave control scheme based on the direct torque control. In this scheme, the master motor speed control is used and th

6、e slave motor follows a given torque from the master motor . Key Words: Coaxial Drive; Power Balance; Master-Slave Control 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 电气传动技术研究概况 . 1 1.1.1 电气传动控制的主要措施 . 2 1.1.2 电气传动主要器件 . 2 1.1.3 可控交流电气传动逐步取代直流传动 . 3 1.2 多电机同步驱动研究概况 . 3 1.3 双电机同轴驱动功率平衡研究概况 . 6 1.4 本课题研究的意义及主要内

7、容 . 6 1.5 本章小结 . 7 2 双电机同轴驱动功率平衡条件研究 . 8 2.1 双电机同轴驱动功率不平衡机理 . 8 2.2 双电机同轴驱动功率平衡定义 . 10 2.3 双电机同轴驱动功率平衡条件 . 11 2.4 本章小结 . 13 3 双电机同轴驱动的建模与仿真 . 14 3.1 笼型异步电机的物理模型 . 14 3.2 笼型异步电机的数学模型 . 15 3.2.1 三相坐标与两相坐标的变换 . 15 3.2.2 静止坐标与旋转坐标的变换 . 17 3.2.3 笼型异步电机的数学模型 . 18 3.3 笼型异步电机的仿真模型建立 . 21 3.4 笼型电动机特性仿真 . 25

8、3.5 双电机同轴驱动模型 . 27 3.6 双电机同轴驱动仿真研究 . 28 3.7 本章小结 . 28 4 双电机同轴驱动功率平衡 控制 的 研究 . 29 沈阳理工大学学士学位论文 IV 4.1 控制系统设计 . 29 4.1.1 设计思想 . 29 4.1.2 控制系统总体结构 . 30 4.2 控制方案选择 . 30 4.3 直接转矩控制系统模块 . 31 4.4 本章小结 . 37 总 结 . 38 致 谢 . 39 参考文献 . 40 附录 A 英文原文 . 41 附录 B 汉语 翻译 . 58 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1.1电 气传动技术研究概况 电气传动 是研

9、究如何通过电动机控制物体和生产机械按要求运动的学科。随着传感器技术和自动控制理论的发展， 已由 简单的继电器控制，发展为较复杂的闭环控制系统。电气传动技术关系到合理地使用电动机 ， 以 节约电能和控制机械的运动状态 。电气传动系统是将电能转换为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺的要求。国际电工委员会（ IEC）将电气传动归入“运动控制”范畴。 电气传动 系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械组成。 其主要特点是功率范围极大，单个设备的功率可以从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到几十万转，再无变速机构的情况下调速范围可达 1:10000；适用

10、范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。 电气传动与国民经济和人民生活有着密切的联系并起着重要的作用， 广泛用于冶金、机械、轻工、港口、石化、航空航天等各个行业以及日常生活之中。它既有轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等大型调速系统，也有空调机、电冰箱、洗衣机等小容量调速系统。据统计，电气传动系统的用电量占我国总发电量的 60%以上。据预测，从 2000 年至 2010 年我国电气传动产品市场需求年增长率为 15%，市场前景广阔。 电气传动 是电力电子与电机 和 控制 理论 相结合的产物， 相关 内容涉及 到 电机、电力电子、控制理论、计算机、现 代检测技术、仿真技术、电力系统、材料和

11、信息技术等多种学科 技术，是种种学科相互融合 形成的的一门新 型的综合性学科。 20 世纪 20 年代以前，属于电气传动的初始阶段，这一时期采用的是“成组传动”。进入 20 世纪 30 年代，这种方式被逐渐淘汰，取而代之的是“单电机传动”或“多点击传动”方式。直到 20 世纪 60 年代，特别是 80 年代以来，随着电力电子、现代控制理论、计算机 以及 微电子技术的发展，电气传动技术面临着一场 新的 革命， 使电力传动逐渐进入以交流调速为主的新阶段 。 随着交流变频技术的发展，异步电机、同步电动机的启动和调速问题迎刃而解。 沈阳理工大学学士学位论文 2 1.1.1 电气传动控制的主要措施 电气

12、传动控制较 早的自动控制 方法 是机械控制 , 后来 渐渐被 电气控制和电子控制所取代 。近 现 代的电气传动控制 方法 中 , 电子控制占了 较大 比例 , 经常使用 的电子控制方法有两种 : 模拟控制 以及 数字控制。 20 世纪 70 年代以来 , 成本低、 体积小、耗电少、速度快、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经 逐渐实现 商品化 , 并把电力电子控制推上了 新的阶段 , 以微处理器为 代表 的数字控制 逐渐 成为现代电气传动系统控制器的主要形式。目前 , 常用的微处理器有 : 单片机、精简指令集计算机 (RISC) 、数字信号处 理器 （ DSP） 和包含 微处理器的高级专用集成

13、电路 （ ASIC） 。 随着计算机在现 代生活中的广泛应用，使用计算机进行电气控制成为可能。 由于计算机除 了具有 一般的计算功能外 ， 还有逻辑判断 以及 数值运算 能力 , 因此 使用计算机进行 数字控制 与 模拟控制相比有两个突出的 特 点 :(1)数字控制器可以 实现模拟控制无法实现的各种 复杂的控制策略 和方式 ； (2)数字控 制系统 可以达到 故障的自诊断 , 提高诊断过程的 效率 。 在模拟控制 系统 中 ， 为了 达到 系统 的 稳定性 ， 通常 采用闭环控制 ， 使用 PI 调节器。当系统突然 受到外界 干扰作用 , 输出量 会 发生变化 , 通过负反馈 , 在 PI 调

14、节器的作用下 ,使得系统的输出量回到原来的数值。只要偏差存 在 ， 比例、积分两部分就同时起作用。在过渡过程中 ， 会使输出量出现超调现象 , 系统会出现振荡现象 , 若比例作用太强 , 会影响系统的正常工作 ， 在采用微机数字控制时 ， 可以将比例、积分作用分离开。当偏差大时 ， 只让比例部分起作用 ， 以快速减少偏差。当偏差低到一定程度后 ,再将积分投入 ， 以最终消除稳态误差。这样两种作用各得其所 ， 避免了相互之间的矛盾 ， 提高了系统的控制性能。 1.1.2 电气传动主要器件 电力电子变换器是信息流与物质能量流之间必需的接口电力电子技术是信息流与物质能量流之间的重要纽带。如果没有电力

15、电子变换 ， 没有弱 电控制强电的接口 , 则信息始终就是信息 ， 不可能真正用来控制物质产生。现在 ， 电力电子技术的发展正处于壮年期 , 新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。电力电子器件的发展已经经历过三个平台 :(1)晶闸管 (SCR)； (2)GTR 和 GTO； (3)IGBT。目前 ， 市场上能够广泛供应的 IGBT 其电压和电流容量有限 ， 一般只够中、小容量的低压电气传动使用。沈阳理工大学学士学位论文 3 容量再大时 ， 还得采用 GTO， 而 GTO 的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件 , 已经问世的有IG

16、CT、 IEGT 以及 33006000V 的 IGBT 等 ， 可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是 ， 模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料 (如SIC)等。为电气传动的信息化、智能化的控制提供了重要基础和保障。在电力电子变换器中 , 用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或 PWM 变换器 ， 以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器 ， 其中 小容量的多为 PWM变换器 【 1】 。 1.1.3 可控交流电气传动逐步取代直流传动 直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生。在 20 世纪大部分 年代里 , 鉴于直流传动具有优

17、越的可控性能 ， 高性能可调速传动一般都用直流电机 ， 而约占电气传动总容 80%的不变速传动则采用交流电机 ， 这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到 20 世纪 70 年代 ， 由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功 , 结构简单、成本低廉 ， 工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域 ， 一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后 ， 交流调速传动主要沿着下述三个方向发展和应用 ： (1)一般性能的节能调速和工艺调速 ； (2)高性能交流调速系统 ； (3)特 大容量、极高转速的交流传动。 交流调速在国内外发展十分迅速 ， 交

18、流传动中一般采用交 直 交变频。变频调速就是把 50HZ 的交流电源变成直流电 ， 再把直流电逆变成不同频率的交流电 ， 电动机的转速将由变换后的电源频率来控制的调速的方法。国民经济要可持续发展 ， 就必须节约能量。采用变频调速以后 ， 节约电能的效果是相当可观的。在实际的电气传动中 ， 应用于风机、泵、压缩机的电动机大约占 40%， 而实际应用变频调速的只占 5%左右。交流变频调速还有待进一步推广应用。 随着信息化、智能化技术的不断发展 ， 电气传动技术将向着网络化控制与管理 的方向迈进。 1.2 多电机同步驱动研究概况 机械系统的控制 同步 是机械技术、电力电子技术和信息技术有机结合的一门

19、新兴沈阳理工大学学士学位论文 4 的跨学科的综合性科学技术。它的 发展和其他相关技术 地发展密切联系在一起， 它的主要的控制对象是电动机 ， 主要控制参数是位移、速度 和相位。随着工业的发展，对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高 ， 单单针对一台电机的控制在某些场合己经不能满足现代高科技发展的要求， 如在大功率拖动系统中， 当一台电机功率驱动能力不足时，需 要 两台或 多台 伺服 电机 进行拖动 ，让其更好地协调运 行。近年来，国内外的学者针对多电机同步技术进 行了广泛的研究工作 ， 在理论和实践上都取得了一定的进展。实现电 机同步的方法随着科学技术的发展也不断发展，其发展过程大致可分为3

20、个阶段 ： (1)刚性传动或柔性传动实现同步 ； (2)振动同步或电轴同步 ； (3)控制同步或控制同步与振动同步相结合的复合同步。 随着控制理论和方法的迅速发展 ， 实现同步不仅已成为现实 ， 而且也获得了良好的控制效果，实现同步的方法也逐渐过渡到第 3 个 阶段。 多电机的同步控制主要有多电机的非藕合控制和交叉藕合控制， 其控制算法的基本结构如图 1.1 和图 1.2 所示。 图 1.1 多电机非交叉耦合控制结构框图 多电机非交叉藕合控制涉及到的控制策略均是针对每一轴，也就是该电轴针对的电机而对其他电机具有不可见性，虽然采取有效的控制策略在某种程度上能够提高控制效果，但是对于整个多电机系统

21、的协调控制，还是有很大的局限性。非藕合控制的一个共同的难点是由于各电机之间的动态性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰和噪声干扰等许多因素的影响，各电机的动态性能也是在不断变化的。因此针对提高每一个电机控制精度，而对其它电机具有不可预见性的多电机非交叉藕合控制策 略显然不能达到多电机驱动的高精度控制系统的要求。现今这方面的研究已经取得比较控制器 1 控制环路 1 给定值 1 电机 1 控制器 1 控制环路 1 给定值 n 电机 n 沈阳理工大学学士学位论文 5 大的进展，如 Koren 于 1980 年提出交叉藕合补偿控制策略等。 图 1.2 多电机交叉耦合控制结构框图 由于同步控制涉及到控

22、制多个电机，因此多变量控制成为同步控制的基本控制算法。这种同步控制主要有两种结构方式 : (1)对等控制方式，即要求多个电动机的转子跟踪同一个指令性指标，如速度、相位等 ； (2)主从控制方式，即选择系统中的一个电动机为主动电机，而其余电动机为从动电机，控制从动电机来跟踪主动电机的转速。 多电机电力 拖动系统一般是用于具有多个工作机构的生产机械上，运行中的多台电机一般需要考虑同步的问题，否则在运行过程中，由于彼此的速度不同步，造成打滑等现象发生，近年来，在双电机同步驱动的研究方面，主要分为两个方面：一是对双电机速度同步问题的研究；另外一个方面是针对双电机同步驱动过程中，功率平衡问题的研究。 在

23、国外同步控制技术得到了长足的发展，国内也取得了相当的成绩。在国内的各大工程中同步控制技术亦得到了大量的应用，例如 :三峡工程永久船闸人字门开门同步控制技术应用 ； 上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升同步控制技术应用 :北京西客站主站钢门楼整体提升同步控制技术应用 ； 北京首都机场四机位库网架五面整体提升同步控制技术应用 ； 航天部门研制空中武器和模拟飞行器空中飞行的三轴飞行姿态仿真转台控制中的同步控制技术应用 ； 首钢 4 号高炉环形吊车双电机同步控制等等。通过同步控制技术在这些重大工程中的研究和应用，可见同步控制技术在我国得到了很大的发展，并取得了显著的经济效益和社会效益。 控制器 1

24、 控制环路 1 控制器 n 控制环路 n 交叉耦合 控制器 给定值 1 给定值 n 电机 n 电机 1 沈阳理工大学学士学位论文 6 1.3 双电机同轴驱动功率平衡研究概况 对于双（多）电机的同步驱动，主要分为协调传动控制和多电机拖动控制，协调传动控制主要针对传送带等需要速度和转矩协调的控制， 多电机拖动控制主要是指研究 中 的功率平衡或者转矩平衡。在许多生产线上，为了减少机械设备的转动惯量，加快过渡过程以及过渡中的能量损耗，经常采用两台或多台电机同轴驱动。例如，钢铁、铜、铝冷轧机的主轧机和卷取机设备，高速线材的精轧机等。当两台及以上电机通过某种联系（可以是刚性的、差动的或者摩擦的）作用于同一

25、工作机构时，就构成了这种多电机拖动同一负载的系统。只要是这种系统就存在一个功率平衡或者说负载的合理分配问题，关于双直流电机拖动同一负载的系统，一般是采用在电枢电阻 Ra 较小的电枢内串接电阻或者在磁通 较大的励磁电路 内串接电阻实现负载的合理分配。如果电源电压允许较高时，也可采用电枢串联联接的方式实现。在龙门刨及船舶推进器中都有应用实例。关于双异步电机拖动同一负载的系统，一般是为了扩大电机的调速范围，经常是使一台电机工作于电动状态，而另一台电机工作于制动状态，改变两种状态的特性，可得到一系列的系统合成特性，并可获得稳定的低速。本文探讨的是双鼠笼式异步电机拖动同一生产机械的功率平衡。对于本课题研

26、究的双鼠笼式异步电机的功率平衡系统，目前在工程上主要采用电机配对的方式解决功率平衡问题，但该方法主要是解决同厂家、同型号电机的功率 平衡问题，而且，运行一段时间后，由于参数的变化，会导致系统性能的严重下降。如果一旦一台电机损坏，必须重新进行配对，系统的可维护性差 。 1.4 本课题研究的意义及主要内容 由于鼠笼型异步电动机存在结构简单、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、维护方便等优点，目前国内外双电机驱动立轴式破碎机产品基本上都采用了鼠笼电机，但都没有带功率平衡控制系统。具体分析，主要有两方面的原因： (1)功率平衡系统的增加将加大产品投资； (2)鼠笼电机功率平衡系统应用存在一定的难点，成熟的功率平衡系统主要采用直流电机或者绕线式异步电机。通过 本 课题 的研究，一方面可以形成鼠笼式双异步电机同轴驱动功率平衡控制的相关应用基础 ； 另一方面在于控制精度高、响应速度快的立轴式冲击破碎机双电机同轴驱动功率平衡控制系统的实现。