直流电动机转速控制系统设计【优秀毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】
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1 大功率无刷直流电机的仪器与控制在小型车辆 上 的应用 要: 对于小功率车辆上电动机的选择来说,无刷直流电动机正变得越来越受欢迎,例如轻便摩托车、助力自行车、代步车和本文报道的机动山板。随着技术上的飞速发展,因为锂化学电池优越的充电率和轻重量,像锂离子聚合物这样高比能量蓄电池变得更实惠也更适合于车辆。一 些低功率车辆的内燃机功率要求高 达 7 无刷直流电动机结合了大功率、重量轻、低成本的优点导致它正成为一种十分有利的解决方案。现在有一种无刷直流电动控制器,是专门为机动山板应用而设计的,这个无刷直流电动机控制器带有位置传感器,需要霍尔效应传感器的输入来确定转子位置的,许多其他的传感器是用来监视电动机操作的关键变量,例如电机相电流、电池电压、电机温度和晶体管温度。报告系统被 一些额外的特征,例如液晶屏幕的输出,反馈制动,时间 提前,巡航和软件启动等进一步增强。这些功能将在下文进行简要阐述。 关键词: 位置传感器的 无刷直流电机控制器 ; 再生制动 ; 时间 提 前 ; 电动滑板 ; 霍尔传感器。 1 介绍 机动山板能帮助使用者进行极限登山运动,一般限于下坡,到平坦地区和上坡面。这给用户更广泛的登山位置选择。 一种外转子 经被投入应用。这种电机因其低速( 130),高转矩特性,同时减少了传动装置而被青睐,一个比例为 1 的传动装置被用来直链驱动。装置配备功率为 80100机,该电机足够用来驱动速度大约在 70km/而,由于驱动装置和电池电压的原因使得登山车的速度限制 在50km/h 的水平。所以,增大了的轮动转矩足够保证装置爬上险峻的山脉。 无霍尔传感器的电机要求产生可测量的反电动势传递给电机控制器,以便能够确定转子位置的,但因此不能提供换向平稳启动和低速。相反,一个装有位置传感器的 够在任何速度下确定转子位置。同时,在启动过程中,可以顺利换相。专用装有传感器的 此而产生的。 2 2 电气系统综述 司的 合信号现场可编程微控制器,已被用来根据来自不同传感器的输入信号控制驱动电路的。该控制器运行用 C 语 言环境下的定制软件。该软件用来控制电动机控制器的运行。图 1 显示功能块的电机控制器。 图 1 电机控制器主要部件的概述 该电动机控制器使用一个三相 H 桥驱动电机。 这种电路被选中 ,是因为它允许电动机的四象限运行 ,以及滑行 。如图 2 所示三相 H 桥的原理图。 图 2 驱动无刷直流电机的三相 H 桥电路 电机控制器应满足电机的特殊要求,能够供给连续 5830能够连续提供至少 40A 的电流。 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管( )。它们的优势在于低成本及在两个 联条件下的电流导通能力 1。为获得 130A 的目标电流,两个 并联使用组成六个开关的三相 H 桥。 3 在微控制器和 间使用栅极驱动器 原因有三: 自单片机的逻辑信号转换为低侧晶体管 12V 信号,使得 和。 于驱动高侧栅极 电压到 12V 以上,使得 桥提供直通可编程死区时间保护。 栅极驱动器 栅极之间栅极电阻是用来减缓晶体管的开关时间。这是为了减少通过 电机绕组 2的电流变化率( )。当晶体管接通或关断时电机绕组会产生感应电势(自感),电势的大小和通过绕组的电流变化率成正比。这个感应电压可能会导致晶体管体承受电压超过 级,导致它们损坏。设计这些栅极电阻和并联的晶体管在某种意义上 3可以减少电路振荡问题。图 3 为一个在半桥路中能够减小振荡的栅极电阻电路的原理图。如果需要更多的晶体管并联,电路可以进行扩展。 图 3 栅极电阻的电路图,以尽量减少 极振荡 对于保护晶体管,仅仅减缓晶体管的开关时间是不够的;母线电容器也被用于吸 收尖峰电压 2。由于存在非常高的电压尖峰的频率(约 50 低等效串联电阻( 容是必需的。标准的电解电容的速度难以实现吸收这种频率的瞬态电压。 电机控制器的电路采用了霍尔效应电流传感器来测量电机的相电流。如果相电流超过设定的限制,电机控制器切断电机电源,以防止电机绕组和晶体管由于电流超过最大额定值而被损毁。霍尔效应电流传感器的输出是一个模拟信号,它和流过导线的电流大小成比例。本应用中还装有一个双向电流传感器,以测量再生制动的电流。 电机控制器还使用电压传感器电路以测量电池的电压。如果电压低于 规定的最小电池电压,电机控制器将切断电机电源。它的作用非常重要,因为可以防止过分使锂离子4 聚合物电池组放电,永久地降低电池的容量 4。由于宽范围的工作电压,电动机控制器能够在(从 16V 到 70V)电压范围内运行。使用一个简单的分压器电路和一个低通 温度传感器安装在电机和晶体管的散热片上,如果任一温度超过预设值,电机控制器切断电机电源。主板上的温度传感器也可用于监测微控制器的温度。同样,如果微控制器过热,电机控制器将切断电源。 电机控制器集成了一个简单的再生制 动功能。在平面或上坡过程中的再生能量很少。然而,由于再生制动是唯一一种能够防止把动能简单地转换成热能,使得晶体管散热片和电机温度升高的制动方法,所以被本设计采纳。 反电势的实现,是借用一个升压转换电路将电机的反电动势提高到一个比电池电压更高的水平。图 4 给出一个基本的升压转换电路 5。 图 4 压转换电路 该电路无需任何额外的硬件实现。使用三相 H 桥低侧晶体管作为开关装置、电机绕组作为电感,而高侧反激二极管作为升压转换电路中的二极管。三条电路投入使用,每条对应其中一相。 通过改变低侧晶体管的 空比来改变该升压转换器的输出电压。随着输出电压的增大,充电电流增加,导致增加的制动力。因此,通过读取制动杆的位置并相应地调整占空比来控制制动力。 充电电流必须保持在规定的范围内,以防损坏电池组。本应用中使用的锂离子聚合物电池组,最大充电电流为 20A。通过计算 20A 的充电电流能够提供足够的制动力, 30 公里 /小时降到 0。 定时超前在有刷与无刷直流电机 6中均有应用。有刷直流电机中,是通过机械地移5 动电刷相对于电机绕组的位置来实现。 机中,是利用电子整流控制电机使得它比 正常运行时提前。 在理想的情况下,定时提前量(用电动旋转的角度表示)可以从零速时 0连续变化到最大速度下的电角度数。这是可以通过微控制器做到的,但它需要大量的处理过程,并需要专用的微控制器 7。大量的处理是必需的,因为微控制器必须通过电机的速度预测转子的下一个位置时,然后计算最后一个电机位置换相和下一个换相提前角之间的延时。有了这些信息,微控制器在上一个过渡后一个计算好的时间触发。 此应用中,已采取了一种简单的定时超前,两套霍尔效应传感器已被安装在电机内部。一组定位为中性定时,而另一组 则位于 30(电机旋转)偏离中性时间设定。第二组的霍尔传感器产生的信号 30超前或者 30滞后。通过电机在 件下的最佳超前时间来确定超前电机角度, 行环境在 42V 电压下的最高速。此外,因为电机有一个 12 极定子,每极间隔相差 30。这意味着无论是中性定时,还是超前定时的霍尔传感器,可以很方便地安装在定子磁极之间的间隙中。图 5 分别示出中性和30超前电机位置传感器的信号波形。前三个波形来自中性定时,后三个来自超前定时设置的电机位置传感器。这显示了超前定时超前中性定时 30电角。 图 5 中性和 30超前电机位置传感器的信号波形 有了这个超前定时角度,它也可以从第二组霍尔传感器反向产生超前 30的信号。这是因为超前 30和延迟 30在相移 60(这是电机的位置转换之间的间距)条件下等价。这将导致 30延迟信号位置一直滞后于超前 30信号。通过产生这第三个信号,机动板很可能在正、反方向都使用 30超前定时。微控制器能够更具电机速度在中性定时和超前定时间进行切换。该软件利用迟滞,设定超前定时时,转速 4800 转;中性定时时,转速 4700 转。 6 3 软件设计 单片机使用定制软件进行编程,以允许这种电机 控制器拥有唯一的附加功能。该软件主要是基于中断的,以提高计算效率和可靠性。 每次微控制器读取一个模拟输入信号,总共 8 个连续的读数,并计算和使用这些读数的平均值来设置新的变量被读取。这有助于进一步减少来自各种传感器的模拟信号噪声的影响。 距离测量是通过计算新的电机位置的数量。对于这个特殊的马达,在一个电气旋转周期转子有 6 种不同位置方式和一个物理周期内 7 次换相。 通过车轮直径 200传动比为 ,可以计算当电机位置达到 254 时,山板将前进 1 米。当“新位置”计数器达到 254,距离计数器就增加 1,“新位置 ”计数器复位到零。 速度测量是通过使用一个山板上的定时器测量连续两个电机的时间间隔。一个位置增量移动的距离是已知的,因此可以计算出速度。在高速行驶时,平均每 8 转读取一次以提高精度。图 6 示出了电机控制器的软件的基本流程图。 图 6 微机程序的基本流程图 7 A软启动 软启动功能的目的是为了保护电机和电机驱动电路在启动过程被冲击电流损坏。这是必需的,因为当电机在低速或静止的,几乎没有反电动势。反电动势阻止电压施加到电机端子。因此,电源电压和反电动势电压时,电机两端承受的电压有很大区别。没有反电动势,电机承受很大 的电压。电路中唯一的电阻是导通晶体管电阻( 2),9,电机绕组( 2),还有非常低的导线电阻。因此,当电机处于静止或以低速运行,电流可以达到相当大的水平。 当电机运行时,软启动功能限制电动机两端的电压,可以用作速度控制。这是通过设置在零速时允许的最大占空比为 5,而在 1900 加到 100。这个功能的实现的程序在主循环中,因此不会影响基于中断操作的功能。 B巡航 巡航控制功能采用 制,使得速度保持 设定上。设定点取为激活手持遥控巡航开关那瞬间的速 度。 制器的 空比的变化,以确保当小车爬山时,随着负荷的变化,速度固定在设定点。当用户应用刹车,巡航控制功能被禁用。当用户停止使用制动器时,新的速度作为设定点。比例系数和积分系数通过实验获取。 4 手持控制器 机动山板的用户界面是一种手持式控制器。此手持控制器中使用的无线遥控汽车发射器的外壳为基础。这个外壳被修改,剥出的电路板,切断电池槽,安装一个 块到它里面。触发机制被保留,作为油门和刹车控制(拉回到触发加速,推动制动)。这里利用了两个可变电阻器(旋转式电位器),一个是用来设置控制器的最大 占空比。这个可以限制 最大速的功能是非常有用的,尤其是第一次用这个设备。其他可变电阻是用来循环各种显示在 块上的数据。电动机控制器所使用的有两个开关,一个用来打开控制器开启和关闭,另一种是用来作为巡航控制通 /断开关。手持控制器成品图如图 7 所示。 液晶屏只有足够大能够显示两行 16 个字符。为了显示更多的数据,手持设备上的一个可变电阻器可以让用户在屏幕上选择,这里有六个数据显示: 显示当前速度,行驶距离,电池电压和瞬时功率输。 2温度画面: 显 示晶体管,电动机的温度微控制器,以及环境温度。 3最大值屏幕: 8 显示的最大速度达到最大电流消耗 在运行过程中,最大输出功率。 4二级数据画面: 显示当前转速,电机转速和瞬时。 5程序的 I / O 画面: 显示用户设置的最大占空比,错误代码,并从电机控制器程序故障代码。 6调试画面: 显示瞬时占空比,转把输出值(用于设置 空比的值),并且将晶闸管切换到当前状态。 图 7 手持控制器 五 实验结果 实验结果表明:用卷尺测量时,该板的距离测量对测量精确到 这种测量的分辨率使软件测量分辨率低至 4 毫米。然而,在测量中,通过在引入不确定性直径的车轮。因此,直径、气压的变化、和骑手的质量都是不确定因素。 实验证明在 400 米田径跑道绕场一圈存在 1 米的误差。 也进行了实验测试主板上的速度测量的准确性。把速度设定在 液晶屏上的 17 公里 /小时,并在这样的速度举行。然后紧紧粘贴 5 米卷尺。录像被检测,以确定行驶 5 米的距离所花费的时间。据计算,实际的运行速度为 里 /小时。重复试验设定速度为 25 公里 /小时。此运行计算的实际 速度为 里 /小时。这些设定结果比实际速度稍低,但它在 25 公里 /小时的速度下误差在 1 公里 /小时以内。 9 六 结论和发展 作为一个原型,还有很大提升空间。其中一个领域就是基于位置传感器读数电机换向。目前这是通过在 30 千赫的频率下读取电机位置的进行检测。 以更有效地完成基于中断的触发换向功能。它有 4 个外部中断引脚,可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六个外部中断引脚将需要以触发中断为电机提供位置换相。所以需要改用不同的微控制器,允许电机换向完全基于 中断的。这将提高换相准确度,并显着地减少所需的计算资源。 10 继电保护装置的电力系统监测与控制 S M 要: 现在可以考虑将电力系统保护系统的功能与本地及远程数据采集和控制系统的功能集成起来。结构化的集成方法是必要的。然而,如果要实现所有的效益,一个可以解决先前与这个集成有关的许多问题的办法将与它将来将会如何应用于典型的变电站的实例一起被提出来。 关键词: 数字通讯 ,集成 1 引言 电力系统输配电环境目前的做法是单独的局部控制,保护与监测控制和数据采集系统的功能区分开来。原因之一是技术上约束限制了可以被确实地实现的集成的数量。包括硬板在内的本地控制设施,占用了太多的控制室空间。 控制逻辑由硬连线的触点或者可编程的逻辑控制器构成。直到最近,许多设备的保护(包括模拟设备),又占用了很多空间。大多数使用电子和微处理器技术的现代保护装置迄今仍集中在减少实现传统保护功能时所占用的空间。 一般来说,监测控制和数据采集系统已经增加了许多,并提供了他们自己的传感器,接口单元和接线 。这些都与局部控制和保护系统并行增长,尽管这往往导致在许多功能的重复。涉及保护操作的信息已被源于次要的方式的 统所必需。例如,保护的输出流回 统的数字输入单元。 最近的技术进步已经使人们认识到这种重叠度越来越没有必要的。由于无限的计算能力可以说履行保护职能的必要的信息都可用的或可使其在 络上可用。可以想像到那时的 统可以通过控制网络完成它自己的保护的算法并发出跳闸信号。在实践中的可靠性要求和快速故障清除的需要限制了一些像长时间热过载保护等的专门的实例的实现。一个更可行的办法是使继电器内信息和控制设备能够访问 果这个实现了,与 统的模拟和数字转换输入 /输出系统的成本将会降低。此外,如果保护设备提供的控制设施利用被利用,中央 变电所计算机也可以被用来取代大部分本地控制系统。 在一个全面控制包内集成保护功能失败的原因之一是巨量的处理需要。现代数字保护继电器用目前最先进的微处理器提供复杂的保护功能。很显然,当这些中很多都是围11 绕一个变电站展开,在一个中心点中,囊括他们的功能的所有处理能力是强大的。另一方面,用于 统的模拟和数字传感器和数字输出单元一样都是相对简单的设备。他们的同等设备已经存在于保护中,并使得他们访问 统时仅仅需要增加一些通讯设施。 该保护装置取代大多数本地控制和 I / O 系统的能力取决 于其以有组织的和确定性的方式进行通讯的能力。使保护性能不受损害,同时还满足当地的控制和统的要求是至关重要的。从本地控制和 统的观点来看,最主要的要求就是为模拟输入测量和记录数据,为信号器和报警器提供数字输入数据,以及控制设备的数字输出。对于一般指示而言,大多数测量数据只要超过 5的精度就足够了。用于可视化显示的模拟和数字数据需要每秒钟扫描一次,事件记录顺序的相对精度要求超过全系统比绝对精度要重要。通常需要达到 1分辨率。控制响应时间应在 200毫秒左右。 2 继电保护通讯 讯哲学 保护继电器的首要职能仍然是电力系统的保护。因此,至关重要的是继电器的保护性能不受数据的监测和控制的要求妥协。正是由于这个原因,提供分离于任何继电保护通讯系统的要求的监视和控制系统的通讯系统被认为是必须的。例如在一个封闭的体制下,阻塞信号将会通过他们自身的保护传输的信号链路如试线验,而不是在监视和控制通信链接。通过这种方式保护的决定性的行为被维持下来。 此外,仍然存在着这样的用户,他们不需要部分或所有可用的功能。对这些用户来说,继电器的操作不依赖于通信链路监测和控制,而全面的保护功能当这样的链 接尚未安装时仍可以实现是非常重要的。 如果它们能在所有的公用事业的电力系统的相关要点安装,继电通信的所有好处才能实现。这不会在一夜之间发生的,因此,当它变成必需的的时候,任何被选择的系统可以在整个系统零碎的基础上安装是非常重要的。 影响一个中继通信注册的采取的主要因素之一是用户成本。这个成本不仅包括继电器硬件上的额外成本,还包括布线成本,设置和配置成本和持续运营成本。因此,采取措施来控制这些地区的所有费用是重要的。减少这些成本应该是通过 统及从系统提供数据业务的运行储蓄增加来实现的。 信拓扑 使用大量的不同的通信拓扑来连接到 统和保护继电器是可能的。拓扑12 结构的选择是非常重要的,因为它和系统的通信效率有直接的关系。 图 1 简单的保护 / 统拓扑结构 一个简单的连接形式是单独连接每个中继远程终端单元( )的数字通信装置的设施。这些 次连接到 络 见图 1。这些 作为网络交换机的行为,主要的 统负责真实的信息轮询。在这种拓扑结构的保护继电器实际上变成了智能传感器。有一个依据被取代的传感器的对 统的节省,但是这可能是 被更复杂的 抵消。即使在这个简单的水平上,从继电器获得的额外数据量仍对 统有好处。遗憾的是,正是由于同样的数据量的增强最终限制了这种系统的性能。 图 2 多点连接的使用 13 改善的通讯拓扑结构如图 2 所示。几个继电器连接到一个 单一通信的一种鞭策。这依赖于保护继电器的与通信链路多点连接的能力。这个方案中的 要负责所有连接的单元的轮询。信息可以通过这种方式进行预处理,并且所有的数据传输速率可以减少。这需要一个更复杂的 单一的 可以处理更多的继电器,因此可能需要更低的布线复 杂度。这一原理在理论上可以扩展到整个变电站,只用一个所有保护继电器进行通信。在实践中,出于数据速率的考虑,并且从可靠性角度来看这是不可能的。单一通道上可以连续检测到的设备的数量,取决于波特速率和传输的数据量。 图 3 变电站中央计算机的使用 一个更复杂的拓扑结构如图 3 所示。该拓扑结构采用 C 作为一个变电站计算机兼容的计算机。可靠性被认为是一个难题时次要从动计算机与第一计算机并行添加。该变电站的计算机取代了上述的 给用户提供了许多便利。首先,现在除了络远程控制设备之外,在 变电站内还有个本地控制点。可以采取模拟图表方案的形式,用面板计量,报警器等完成,假若需要的话,可以释放的本地控制系统面板的大部分空间。该变电站计算机负责所有连接设备的连续监测工作,并且对主要的统的制定出大量的预处理数据。特别是在下列的故障情况下电脑立即执行本地数据记录到自己的磁盘,减轻了 统大量的数据处理负担。随后,根据需要,此数据不论是在变电站本地计算机还是 统的远程终端都是可用的。在所有继电器的调试时期,该变电站计算机也可以用来作为一个接入点。 独立的通讯激励可能被用于的 每一个变电站地区,每一个都具有可以支持 32 个继电器的能力。单一的计算机可以提供多达八个端脚,理论上提供 256 个继电器的容量。在这样的系统中,一个现代计算机仍有可能从每个继电器中以高于每秒一次的速率获得14 数据。 万一这种继电器的数量不够,变电站计算机可能进一步增加。这些可能被单独连接到 统中。另外,一个可选的额外层次的变电站计算机的相同控制设施可以如图 4 添加。注意:现在,每个变电站计算机可能物理上是远程的。不值得一提的是这最后的拓扑结构实际上已经以自己的方式成为一个小型的 统。对许多更小的单元来说,这一解决方案可提供所需的所有远程设施。 图 4 多层次的拓扑结构 信硬件 数字通信的硬件可以采取多种形式,其中大部分是不适合在电力系统环境中使用的。首先要在平行和串行系统中作出选择。同时并行系统涉及了几个(通常是八或十六)单独电线若干位的信息传输。这样的系统比串行系统提供更快的数据传输速率,但涉及到更高的布线成本。基于这个原因,他们不适用于作为电力系统的监视和控制的通用解决方案。 串行通信涉及一个比特的数据流在一单对电线上一次一比特的数据流的实时传输。显然,布线成本减低了按比例降低的整体 数据传输速率。用于监测和控制应用的速度较慢的数据传输速率仍然保持可以接受的和几乎专用的串联式通讯。 目前被普遍用于保护继电器的通讯硬件遵守美国电子工业联合会的 准,这采用所熟悉的 9 路或 25 路“ D”类连接器。这通常被用来将继电器连接到私人电脑(有时直接,或通过调制解调器),使得继电器被设置,并允许将故障信息后被提取。 由于他们几乎通用的实用性, 连接非常方便。 接也有它的局限性使他们使用的监测和控制应用软件数量较少。其中最严15 重的是, 为点对点系统而设计。一个单一的设备 只能通过给定的链接与一个其他的设备进行通讯。如果需要与其他的设备进行通讯,如果他们是用于对变电站内的数据进行监测和控制,必须提供单独的链接。另外,多路转接器或代码开关可以被添加,尽管这将普遍增加一些关于这些链接是如何实现的限制的种类。 增加刚刚超过 15,最大数据速率是 波特的通讯链接的物理长度的限制。这也可以克服,但是又需要额外的设备。最后的 提供任何有效地绝缘水平。光隔离的 口可以被制造出来,但这些都很昂贵。 更合适的通信标准是 使得单一总线可以连接 一个多达 32 个节点的多点连接系统,足以连接至少一个海湾的继电器 最大传输距离是 1200 米,超过这个距离的最大数据传输速率超过 波特,明显地比 快更进一步。它采用比用于 以地为参考的不平衡驱动器更少受到干扰影响的平衡驱动器和差分信号。 要一个成本低且易于终止的铠装的双绞线电缆。在电力工业中通常典型地采用与用于 相同的用 25 路或 9 路“ D”类连接器终止,在变电站环境中,这些连接器并不真正适合,而传统终端才是首选。 对大多数用户来说,光纤在直接连接两个继电 器之间的使用仍然是昂贵的。尤其是在配压水平。然而光纤适用于连接距离超过 1200 米或者受干扰的风险很高的继电器的本地网络到远程主站。在这种情况下调制解调器被用于将一组继电器连接到光纤上。对于电气通信,有狠多不同的解决方案可供选择。对于长达四,五公里的距离, 850多模光纤是相当适用,并提供相对低的复杂性。对于更长的可达 25 公里左右距离的,1300单模光纤都可以使用。这些都需要更复杂的发射器和接收器,然而他们在电信业界的广泛使用意味着甚至在短距离内很可能比 850纤维更经济。 串行数据通信可分为 异步或同步的。 信继电器的端口总是异步的。在异步系统中,定时或同步信息传输每个字符一起传输。在同步系统中的一种独立的时钟被发送,或者接收器从数据本身中获取时钟信息。同步系统比异步系统更复杂,但大约可提高 20的效率。更重要的是字符间的同步系统之间的差是固定的。这使得调频( 编码方法可用,从而导致信号中没有直流分量。因此, 统的隔离问题,可以用简单的隔离变压器很容易地克服。调频编码的第二个好处是,这两个信号线都是非极化的,可以自由地在整个系统互换。现代串行控制芯片使得在不增加成本的 吸收的情况下增加同步传输系统额外的复杂性。 总之,一般的通信接口,使用调频编码的某种形式的多点同步 输是目前在电力系统数据的测量和控制应用中最适合使用的。这可以为电力电子干扰免疫系统环境提供足够、快速的经济交流。 16 信语言 成功的数字通信不仅仅取决于兼容的通信硬件,也取决于所用的通讯语言和协议。传统的继电器制造商(与在其他领域的相同)已经开发出自己的语言。当没有必要将继电器整合到控制系统时,这已经变得不那么重要。当继电器已经被整合,定制的解决方案对每个不同的继电器的定制的项目是必须 的。他的成本对大多数的用户来说是不经济的。 到现在为止,还没有提出适用于所有的护继电器的语言。大多数语言的主要缺点是,他们假设主站必须对继电器都了如指掌。如果需要一个特定的数据块,则要求使用的继电器的内存位置或一些设备的特定代码。这个地址必须明确编码到主站软件。此外,该继电器典型地响应未格式化的数据。主站必须假定响应的范围并相应地进行转换。大量数据必须从提取的继电器一系列的问题中提取出来,并进一步整合。即使在通讯是基于一对一,如果主站软件版本与那个继电器的不匹配,错误仍然会发生。 这里介绍的语言克服了这些问 题。它适用于所有继电器和其他的 I / O 设备,而且它并不要求主站对每个继电器类型都了如指掌。这一语言设计用于存储于每一个个别的继电器的数据库。继电器使用该数据库来存储所有数据和设置。该数据库的内容继而可以通过通信链路访问。数据库的结构非常类似于一个电子表格,由行和列组成的单元格构成。一个单元格是在数据库中可以访问的最小单位,因此可以只包含一个数据项。该系统与以前的系统不同,因为现在整个系统的数据库分布在各个独立的继电器,而不是集中在主站。这样做的好处是,继电器特定的信息嵌入在继电器中,而不是在一些专门的主站 软件中。此外,该通讯语言可以被减少为在分布式数据库上执行特定操作的一系列通用的命令。 图 5 数据库布局和单元格类型 该数据库包括了三个不同类型的单元格,每一个都是以前的超集。见图 5。三种单元格类型是标题单元格、值单元格和设置 /控制单元格。标题单元格包含一个简单的文本17 块。这些都是作为分割标签将数据库分成不同的领域。最常见的标题单元格是数据库列标题单元格。值单元格包含一段文字来描述他们的内容以及一项可读的值。这个值最本质的是一个指导主站如何进行数据转换数据类型。典型的值单元格是测量的值如:相电流,如型号等 的设备信息,波形记录等。设置 /控制单元格与值单元格非常相似,但它们的内容可以被改变。此外,这些单元格额外地包含单元格和有效的步骤的最大最小值的信息。典型设置控制单元格是如电流阈值、如断路器控制系统的控制单元格等的继电保护的设置。 单个单元格组合在一起成为相关信息的列。每一列中第一行的单元格是描述列内容的标题单元格。这一组织结构在所有继电器中是不变的。因此,任何继电器的内容可以以同样的方式阅读。首先列标题被提取并以菜单的形式呈现给用户。从这个菜单中,用户可以选择一个特定的列。在选定列中的每个单元格的文本和数 值被提取并再次以菜单的形式呈现给用户。单元格可以被选定来进行进一步的操作。通常情况下这可以改变设置,在模拟显示中分配测量值,记录到光盘或实时绘图。 实际上,所有的继电器类型都包含一定量的公共信息。这包括继电器类型,型号和序列号,位置以及通讯地址等。这通常是继电器首次被连接时主站所需的信息。一个特殊的命令可以用来提取这些数据,但是一个更好的解决办法是把所有的数据组成一组放在保留的列。列的格式是固定的,但数据现在可以和所有其他数据一样用同样的方式提取出来。 所描述的访问方法可以用简单,直观,无需用户手动访问特 定的数据块的方法来执行。此外,该方法在任何数量的继电器时都是始终如一的,如果进一步添加继电器到系统中也无需升级。 从主站的观点来看,访问数据库所用的命令是非常少的。最常见的有: 获取列标题 获取列中的文本 获取列值 获取单元格文本 获取单元格数据 获取单元格范围 预加载新设置 执行设置 中止设置 依据需要,更复杂的序列将会根据这些简单的命令建立起来。 18 间序列和事件序列记录 现存的 统的最重要职能之一就是事件的记录次序。这给系统工程师根据系统中事件发生的先后顺序提出了宝贵的见解。旧 系统的精度为 10个功能是目前是由采用数字输入监控系统事件的 统的远方终端单元来运行的。这些事件通常是使用分布在变电站周围的系统同步脉冲进行实时追踪的。通常比事件的绝对时间更为重要的是系统中与其他事件相关的时间。 新一代的保护继电器的现在包括他们自己的事件次序记录设备。此外,这些设施可以使用备用继电器输入通道进行扩展,覆盖时间的独立的 I/ O 模块并不与事件有明确的关系,为了实现这一目标,已想出时间同步的新方法,不再需要独立的时钟同步布线。而不是试图在每个单独的继电器内实现时钟同步,继电器的 时钟允许自由运行。每个继电器内的事件都是实时追踪自由运行的时钟。这是来自于微处理器的时钟和 1 毫秒的分辨率是了以获得的。 显然,当这些事件记录被传输到变电站计算机,不同继电器的事件将会失步。这个问题可以通过也传输继电器时钟的当前值来解决。这将与变电站计算机时钟进行比较,差值将被用来计算事件的精确时间。 3 结论 最初,随着数字技术引入到保护继电器,其目的是模仿原机电设备的运行。最近,随着数字技术的进步,保护性能和操作界面也进行了改进。最新一代的基于微处理器的继电器将远远超过他们的前辈的性能的设备。尤其是将有 可能将本地和远程控制系统的保护系统整合起来。这种整合的结果将是降低成本,并增加在电力系统中获得的可用数据。 如果要实现充分利用这种集成,一个结构化的方法是必需的,以用来驱动系统那么大的解决方案。一个分层的通过变电站计算机连接到变电站网络的远程控制系统已经被提出。此外,变电站计算机可以取代大多数的本地控制系统。 对于这样一个广泛用于分配和传输层面的系统来说,与系统相关的安装成本的降低时非常重要的。这是通过使用一个低成本的通信网络和支持分布式数据库的设备信息的语言来实现的。即设备特定的信息存储在个别继电器,而不 是硬编码到主站。 这些在整个电力系统可用的信息包括每相的仪表值,报警,设备状态,事件记录次序,设备状态数据和干扰波形记录。 所有这一切都可以用在本地变电站,并且远程上不增加 统额外的处理负担。 编号: 毕业设计外文翻译 (译 文) 学 院: 机电工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 梁 广 广 学 号: 1200120337 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 王 斌 职 称: 讲 师 2016 年 06 月 03 日 大功率无刷直流电机的仪器与控制在小型车辆上的应用 要: 对于小功率车辆上电动机的选择来说,无刷直流电动机正变得越来越受欢迎,例如轻便摩托车、助力自行车、代步车和本文报道的机动山板。随着技术上的飞速发展,因为锂化学电池优越的充电率和轻重量,像锂离子聚合物这样高比能量蓄电池变得更实惠也更适合于车辆。一 些低功率车辆的内燃机功率要求高达 7 无刷直流电动机结合了大功率、重量轻、低成本的优点导致它正成为一种十分有利的解决方案。现在有一种无刷直流电动控制器,是专门为机动山板应用而设计的,这个无刷直流电动机控制器带有位置传感器,需要霍尔效应传感器的输入来确定转子位置的,许多其他的传感器是用来监视电动机操作的关键变量,例如电机相电流、电池电压、电机温度和晶体管温度。报告系统被一些额外的特征,例如液晶屏幕的输出,反馈制动,时间提前,巡航和软件启动等进一步增强。这些功能将在下文进行简要阐述。 关键词: 位置传感器的 无刷直流电机控制器 ; 再生制动 ; 时间提 前 ; 电动滑板 ;霍尔传感器。 1 介绍 机动山板能帮助使用者进行极限登山运动,一般限于下坡,到平坦地区和上坡面。这给用户更广泛的登山位置选择。 一种外转子 经被投入应用。这种电机因其低速( 130),高转矩特性,同时减少了传动装置而被青睐,一个比例为 1 的传动装置被用来直链驱动。装置配备功率为 80100机,该电机足够用来驱动速度大约在 70km/h 的小型交通工具。然而,由于驱动装置和电池电压的原因使得登山车的速度限制 在 50km/h 的水平。所以,增大了的轮动转矩足够保证装置爬上险峻的山脉。 无霍尔传感器的电机要求产生可测量的反电动势传递给电机控制器,以便能够确定转子位置的,但因此不能提供换向平稳启动和低速。相反,一个装有位置传感器的 够在任何速度下确定转子位置。同时,在启动过程中,可以顺利换相。专用装有传感器的 此而产生的。 2 电气系统综述 司的 合信号现场可编程微控制器,已被用来根据来自不同传感器的输入信号控制驱动电路的。该控制器运行用 环境下的定制软件。该软件用来控制电动机控制器的运行。图 1 显示功能块的电机控制器。 图 1 电机控制器主要部件的概述 该电动机控制器使用一个三相 H 桥驱动电机。 这种电路被选中 ,是因为它允许电动机的四象限运行 ,以及滑行 。如图 2 所示三相 H 桥的原理图。 图 2 驱动无刷直流电机的三相 H 桥电路 电机控制器应满足电机的特殊要求,能够供给连续 5S 提供 48V 电压下的130A 电流,并能够连续提供至少 40A 的电流。 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管( )。它们的优势在于低成本及在两个联条件下的电流导通能力 1。为获得 130A 的目标电流,两个 桥。 在微控制器和 间使用栅极驱动器 原因有三: 自单片机的逻辑信号转换为低侧晶体管 12V 信号,使得 于驱动高侧栅极 电压到 12V 以上,使得饱和。 桥提供直通可编程死区时间保护。 栅极驱动器 栅极之间栅极电阻是用来减缓晶体管的开关时间。这是为了减少通过 电机绕组 2的电流变化率( )。当晶体管接通或关断时电机绕组会产生感应电势(自感),电势的大小和通过绕组的电流变化率成正比。这个感应电压可能会导致晶体管体承受电压超过 级,导致它们损坏。设计这些栅极电阻和并联的晶体管在某种意义上 3可以减少电路振荡问题。图 3 为一个在半桥路中能够减小振荡的栅极电阻电路的原理图。如果需要更多的晶体管并联,电路可以进行扩展。 图 3 栅极电阻的电路图,以尽量减少 极振荡 对于保护晶体管,仅仅减缓晶体管的开关时间是不够的;母线电容器也被用于吸 收尖峰电压 2。由于存在非常高的电压尖峰的频率(约 50 低等效串联电阻( 容是必需的。标准的电解电容的速度难以实现吸收这种频率的瞬态电压。 电机控制器的电路采用了霍尔效应电流传感器来测量电机的相电流。如果相电流超过设定的限制,电机控制器切断电机电源,以防止电机绕组和晶体管由于电流超过最大额定值而被损毁。霍尔效应电流传感器的输出是一个模拟信号,它和流过导线的电流大小成比例。本应用中还装有一个双向电流传感器,以测量再生制动的电流。 电机控制器还使用电压传感器电路以测量电池的电压。如果电压低于 规定的最小电池电压,电机控制器将切断电机电源。它的作用非常重要,因为可以防止过分使锂离子聚合物电池组放电,永久地降低电池的容量 4。由于宽范围的工作电压,电动机控制器能够在(从 16V 到 70V)电压范围内运行。使用一个简单的分压器电路和一个低通 波器代替电平移位器进行电压检测。 温度传感器安装在电机和晶体管的散热片上,如果任一温度超过预设值,电机控制器切断电机电源。主板上的温度传感器也可用于监测微控制器的温度。同样,如果微控制器过热,电机控制器将切断电源。 电机控制器集成了一个简单的再生制 动功能。在平面或上坡过程中的再生能量很少。然而,由于再生制动是唯一一种能够防止把动能简单地转换成热能,使得晶体管散热片和电机温度升高的制动方法,所以被本设计采纳。 反电势的实现,是借用一个升压转换电路将电机的反电动势提高到一个比电池电压更高的水平。图 4 给出一个基本的升压转换电路 5。 图 4 压转换电路 该电路无需任何额外的硬件实现。使用三相 H 桥低侧晶体管作为开关装置、电机绕组作为电感,而高侧反激二极管作为升压转换电路中的二极管。三条电路投入使用,每条对应其中一相。 通过改变低侧晶体管的 空比来改变该升压转换器的输出电压。随着输出电压的增大,充电电流增加,导致增加的制动力。因此,通过读取制动杆的位置并相应地调整占空比来控制制动力。 充电电流必须保持在规定的范围内,以防损坏电池组。本应用中使用的锂离子聚合物电池组,最大充电电流为 20A。通过计算 20A 的充电电流能够提供足够的制动力, 3s 内能将速度从 30 公里 /小时降到 0。 定时超前在有刷与无刷直流电机 6中均有应用。有刷直流电机中,是通过机械地移动电刷相对于电机绕组的位置来实现。 机中,是利用电子整流控制电机使得它比 正常运行时提前。 在理想的情况下,定时提前量(用电动旋转的角度表示)可以从零速时 0连续变化到最大速度下的电角度数。这是可以通过微控制器做到的,但它需要大量的处理过程,并需要专用的微控制器 7。大量的处理是必需的,因为微控制器必须通过电机的速度预测转子的下一个位置时,然后计算最后一个电机位置换相和下一个换相提前角之间的延时。有了这些信息,微控制器在上一个过渡后一个计算好的时间触发。 此应用中,已采取了一种简单的定时超前,两套霍尔效应传感器已被安装在电机内部。一组定位为中性定时,而另一组 则位于 30(电机旋转)偏离中性时间设定。第二组的霍尔传感器产生的信号 30超前或者 30滞后。通过电机在 件下的最佳超前时间来确定超前电机角度, 行环境在 42外,因为电机有一个 12 极定子,每极间隔相差 30。这意味着无论是中性定时,还是超前定时的霍尔传感器,可以很方便地安装在定子磁极之间的间隙中。图 5 分别示出中性和 30超前电机位置传感器的信号波形。前三个波形来自中性定时,后三个来自超前定时设置的电机位置传感器。这显示了超前定时超前中性定时 30电角。 图 5 中性和 30超前电机位置传感器的信号波形 有了这个超前定时角度,它也可以从第二组霍尔传感器反向产生超前 30的信号。这是因为超前 30和延迟 30在相移 60(这是电机的位置转换之间的间距)条件下等价。这将导致 30延迟信号位置一直滞后于超前 30信号。通过产生这第三个信号,机动板很可能在正、反方向都使用 30超前定时。微控制器能够更具电机速度在中性定时和超前定时间进行切换。该软件利用迟滞,设定超前定时时,转速 4800 转;中性定时时,转速 4700 转。 3 软件设计 单片机使用定制软件进行编程,以允许这种电机 控制器拥有唯一的附加功能。该软件主要是基于中断的,以提高计算效率和可靠性。 每次微控制器读取一个模拟输入信号,总共 8 个连续的读数,并计算和使用这些读数的平均值来设置新的变量被读取。这有助于进一步减少来自各种传感器的模拟信号噪声的影响。 距离测量是通过计算新的电机位置的数量。对于这个特殊的马达,在一个电气旋转周期转子有 6 种不同位置方式和一个物理周期内 7 次换相。 通过车轮直径 200传动比为 ,可以计算当电机位置达到 254 时,山板将前进 1 米。当“新位置”计数器达到 254,距离计数器就增加 1,“新位置 ”计数器复位到零。 速度测量是通过使用一个山板上的定时器测量连续两个电机的时间间隔。一个位置增量移动的距离是已知的,因此可以计算出速度。在高速行驶时,平均每8 转读取一次以提高精度。图 6 示出了电机控制器的软件的基本流程图。 图 6 微机程序的基本流程图 A软启动 软启动功能的目的是为了保护电机和电机驱动电路在启动过程被冲击电流损坏。这是必需的,因为当电机在低速或静止的,几乎没有反电动势。反电动势阻止电压施加到电机端子。因此,电源电压和反电动势电压时,电机两端承受的电压有很大区别。没有反电动势,电机承受很大 的电压。电路中唯一的电阻是导通晶体管电阻( 2), 9,电机绕组( 2),还有非常低的导线电阻。因此,当电机处于静止或以低速运行,电流可以达到相当大的水平。 当电机运行时,软启动功能限制电动机两端的电压,可以用作速度控制。这是通过设置在零速时允许的最大占空比为 5,而在 1900 加到 100。这个功能的实现的程序在主循环中,因此不会影响基于中断操作的功能。 B巡航 巡航控制功能采用 制,使得速度保持 设定上。设定点取为激活手持遥控巡航开关那瞬间的速 度。 制器的 空比的变化,以确保当小车爬山时,随着负荷的变化,速度固定在设定点。当用户应用刹车,巡航控制功能被禁用。当用户停止使用制动器时,新的速度作为设定点。比例系数和积分系数通过实验获取。 4 手持控制器 机动山板的用户界面是一种手持式控制器。此手持控制器中使用的无线遥控汽车发射器的外壳为基础。这个外壳被修改,剥出的电路板,切断电池槽,安装一个 块到它里面。触发机制被保留,作为油门和刹车控制(拉回到触发加速,推动制动)。这里利用了两个可变电阻器(旋转式电位器),一个是用来设置控制器的最大 占空比。这个可以限制 最大速的功能是非常有用的,尤其是第一次用这个设备。其他可变电阻是用来循环各种显示在 块上的数据。电动机控制器所使用的有两个开关,一个用来打开控制器开启和关闭,另一种是用来作为巡航控制通 /断开关。 手持控制器成品图如图 7 所示。 液晶屏只有足够大能够显示两行 16 个字符。为了显示更多的数据,手持设备上的一个可变电阻器可以让用户在屏幕上选择,这里有六个数据显示: 显示当前速度,行驶距离,电池电压和瞬时功率输。 2温度画面: 显 示晶体管,电动机的温度微控制器,以及环境温度。 3最大值屏幕: 显示的最大速度达到最大电流消耗 在运行过程中,最大输出功率。 4二级数据画面: 显示当前转速,电机转速和瞬时。 5程序的 I / O 画面: 显示用户设置的最大占空比,错误代码,并从电机控制器程序故障代码。 6调试画面: 显示瞬时占空比,转把输出值(用于设置 空比的值),并且将晶闸管切换到当前状态。 图 7 手持控制器 五 实验结果 实验结果表明:用卷尺测量时,该板的距离测量对测量精确到 这种测量的分辨率使软件测量分辨率低至 4 毫米。然而,在测量中,通过在引入不确定性直径的车轮。因此,直径、气压的变化、和骑手的质量都是不确定因素。 实验证明在 400 米田径跑道绕场一圈存在 1 米的误差。 也进行了实验测试主板上的速度测量的准确性。把速度设定在 7 公里 /小时,并在这样的速度举行。然后紧紧粘贴 5 米卷尺。录像被检测,以确定行驶 5 米的距离所花费的时间。据计算,里 /小时。重复试验设定速度为 25 公里 /小时。此运行计算的实际 里 /小时。这些设定结果比实际速度稍低,但它在 25 公里 /小时的速度下误差在 1 公里 /小时以内。 六 结论和发展 作为一个原型,还有很大提升空间。其中一个领域就是基于位置传感器读数电机换向。目前这是通过在 30 千赫的频率下读取电机位置的进行检测。 以更有效地完成基于中断的触发换向功能。它有 4个外部中断引脚,可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六个外部中断引脚将需要以触发中断为电机提供位置换相。所以需要改用不同的微控制器,允许电机换向完全基于 中断的。这将提高换相准确度,并显着地减少所需的计算资源。
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