电机转速范文

电机转速范文（精选7篇）

电机转速 第1篇

关磁阻电机[1] (SRM) 具有结构简单、起动转矩大、效率高、调速性能好等优点, 因而可适用于恶劣的工作环境, 应用前景广泛。然而因SRM定、转子为双凸极结构, 磁场分布存在严重的非线性, 致使转矩产生强烈的脉动, 转速也产生震荡, 因而传统的线性控制 (如PI控制) 很难满足需求。滑模变结构控制[2]具有很好的鲁棒性, 同时有快速响应、对参数变化不灵敏的优点, 可以很好的应用于非线性系统。文献[3]提出一种积分型滑模变结构与神经网络补偿相结合的复合控制策略, 有效改善SRM动态响应问题。文献[4]设计了一种以电流偏差作为切换函数的滑模变结构控制器, 并运用模糊规则对开关增益进行智能控制, 实现SRM的高性能控制。文献[5-6]以速度差为开关函数设计滑模控制器, 结合Lyapunov函数设计滑模控制器, 实现转矩脉动的减小和速度的跟踪。文献[7]提出非奇异快速终端滑模算法, 通过转矩的闭环控制, 实现精密位置控制。

考虑滑模控制和模糊控制的优点, 本文提出一种将模糊控制与传统滑模控制相结合的控制策略 (fuzzy sliding mode control) 。以速度差为开关函数, 结合Lyapunov函数设计滑模控制器, 将相电流作为控制对象, 实现减小转矩脉动的目的, 同时完成对转速的跟踪, 使SRM稳定运行。

1 SRM数学模型

在SRM中, 定转子铁心采用双凸极结构, 磁场分布存在严重的非线性, 无法得出精确的数学表达式。在利用有限元法对SRM进行磁路分析计算的基础上, 可以得到SRM的状态方程[8]:

其中Uk为第k相电机绕组电压, Rk为k相电机绕组电阻, ik为k相电机绕组电流, ψk为k相绕组磁链, ω为转子角速度, J为转动惯量, m为电机相数, Tk为第k相的电磁转矩, TL为负载转矩, F为阻尼系数。

2 模糊滑模控制原理

变结构控制本质上是一种特殊的非线性控制, 这种控制方法是通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动, 使系统在受到参数摄动和外干扰时具有不变性, 然而却存在着状态轨迹颤动的缺点。模糊滑模控制是将模糊控制与传统的滑模控制相结合, 这种控制方法同时具有两者的优点, 不仅可以不要求系统有精确的模型, 还可以减弱滑模控制系统的颤动, 如图1所示。

2.1 滑模控制器设计

SRM采用双闭环控制, 电流环使用电流斩波控制, 而速度环则用模糊滑模控制。根据SRM状态方程 (1) , 将其改写为如下形式:

定义E (t) 为系统中的不确定因素和外加干扰, 速度误差状态方程式为:

根据模糊滑模控制的状态方程, 定义全局滑模面为:

其中c>0, 确保滑模控制系统稳定。

根据, 可得到控制量:

为获得系统稳定性, 定义Lyapunov函数为:

设计滑模控制器为:

其中切换增益是造成系统抖动的原因, 需合理选择, 以保证滑模存在性条件得到满足。若K选择过大, 将会导致系统产生很大抖动;若K选择过小, 又将延长系统从非滑模状态至滑模状态的时间[4]。因此本文利用模糊控制实时选择K, 从而得到满足系统要求的K值。

2.2 模糊控制器设计

滑模存在条件为:

为保证滑模的存在性, 本文采用滑模函数s和其变化率调节切换增益K。当系统达到滑模面后, 将会保持在滑模面上。K为保证系统运动能够到达滑模面的增益, 其值必须足以消除不确定项的影响。

模糊规则如下:

如果, 状态轨迹远离滑模面, 则K应增大;

如果, 状态轨迹靠近滑模面, 则K应减小。

模糊控制器中, 为输入, K为输出。系统输入、输出皆分为五个模糊集{NB (负大) , NM (负中) , ZO (零) , PM (正中) , PB (正大) }。

当电机转速稳定在750 r/min时, 模糊系统输入ss·, 输出K的基本论域取[-75 000, 75 000]、[-2, 2], 同时输入、输出的模糊论域分别为[-15, 15]、[-1.5, 1.5], 系统采用三角形隶属度函数, 其中“NB”、“PB”的隶属度函数为半开型, 对于部分元素具有最大隶属度“1”。模糊系统的输入输出隶属函数如图2、图3所示。

3 仿真结果

本文采用MATLAB及Simulink动态仿真工具, 利用上述方法对一台6/4极SRM进行仿真。电机参数为:额定功率64 k W, J=0.008 2 kg·m·m, F=0.01 N·m·s, Vdc=240 V, R=0.01Ω, 电机最大电感Lmax=23.6 m H, 电机最小电感Lmin=0.67 m H, θon=50°, θoff=80°。系统给以恒定转矩TL=50 N·m, 电机转速n1=750 r/min, n2=1 500 r/min。

图4-6为SRM在设定的理想转速为750 r/min下的仿真波形, 从图中可以看出, 0.05 s内转速就达到理想转速, 且电磁转矩波动较小。图7为转速由750 r/min突变至1 500 r/min波形, 系统快速从原稳定状态达到新的稳定状态, 动态响应快, 运行稳定。

4 结束语

本文依据SRM非线性的特点, 提出了一种模糊滑模控制法。该方法集合了模糊控制和滑模变结构控制的优点, 以速度差作为模糊滑模控制器的开关函数, 利用模糊控制器的输出量作为控制滑模控制器的切换增益, 计算得到相电流的等效值。通过仿真结果可知, 将模糊滑模控制方法应用于SRM中, 可以有效的抑制转矩脉动, 具有较好的鲁棒性、动态响应快的优点。

摘要：针对开关磁阻电机严重的非线性和数学模型不精确等缺点, 提出了一种模糊滑模变结构控制策略。将速度差作为开关函数, 相电流平方和作为控制对象, 在常规滑模控制器设计中引入模糊控制, 建立模糊滑模控制的数学模型, 并给出系统的结构框图。通过仿真, 分析开关磁阻电机在模糊滑模控制下的各种特性。实验结果证明模糊滑模控制方法有良好的动态性能, 较强的鲁棒性, 在不清楚电机精确模型的情况下可有效克服转矩脉动。

关键词：开关磁阻电机,模糊控制,滑模变结构,转矩脉动,仿真

参考文献

[1]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[2]刘金琨.滑模变结构控制MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社, 2012.

[3]李永坚, 许志伟, 彭晓.SRM积分滑模变结构与神经网络补偿控制[J].电机与控制学报, 2011, 15 (1) :33-37, 43.

[4]周永勤, 吴丹丹, 王哈力, 等.开关磁阻电机的模糊滑模控制策略研究[J].自动化技术与应用, 2011, 30 (3) :11-14, 35.

[5]Erdal Bizkevelci, Kemal Leblebicioglu, Bulent Erlent H.A Sliding Mode Controller To Minimize SRM Torque Ripple and Noise[J].Industrial Electric, 2004, 2:1333-1338.

[6]陈亮, 孙玉坤, 孙宇新.开关磁阻电机的模糊滑模变结构控制[J].江苏理工大学学报:自然科学版, 2001, 22 (5) :52-54.

[7]程勇, 林辉.开关磁阻电机非奇异快速终端滑模位置控制[J].电机与控制学报, 2012, 16 (9) :78-82.

单相电机离心开关断开转速测量方法 第2篇

关键词：离心开关,断开转速,反馈控制,电机测试系统,二次断开

0 引言

离心开关断开转速是带电容起动的单相异步电动机的一项重要技术指标。JB/T 9547-1999《单相电动机起动用离心开关技术条件》规定其数值应在同步转速的72%～83%之间[1],而相关产品标准(如JB/T 9542-1999《双值电容异步电动机技术条件》)中对这个指标则放宽到70%～85%[2],这是因为离心开关安装在电机内部后断开转速会发生一定改变。GB/T 9651-2008《单相异步电动机试验方法》规定了两种该指标的测试方法:(1)记录仪表或转矩测量仪法,用记录仪或转矩测量仪记录转矩-转速特性曲线,从特性曲线上求取断开转速。(2)拖动法,用可调速的电动机作为原动机,拖动被试电机空转,在被试电机起动元件回路中串联一指示灯或电压表,并施以适当电压。然后调节原动机的转速由低速逐渐升高,同时一边测量电机的转速,一边观察指示灯或电压表的读数(此时应为通路),当指示灯熄灭或电压表回零(即离心开关断开)时,迅速读取转速数值,该值即为离心开关断开转速值[3]。这两种方法存在着精度不高、设备复杂、操作繁琐的缺点,实用性不大。国内也有人研究了该指标的测试方法[4],提出了一些新的测试方案,但大多都是利用单片机系统对离心开关断开点进行判断,这类方法有个缺陷,就是容易误判。因为实际生产和检测中会遇到一些两次断开甚至多次断开的离心开关,单片机系统无法记录整个过程,只能检测到第一次断开而发生误判。

鉴于上述情况,本研究提出一种利用反馈控制电机测试系统采集数据,再将所得数据结合人工分析从而得出离心开关断开转速值的方法。通过该方法不仅可以判断离心开关断开转速值是否符合标准要求,还可以根据断开过程中的各种现象进一步判断某一型号的离心开关是否存在隐患以及能否安装在批量生产的电机上,对生产者节约成本、降低产品安全风险有一定的指导价值。

1 测试系统

随着“离心开关断开转速”这一检测项目的普遍开展,市面上也出现了一系列专门的检测设备,这些设备大多功能单一,只能用于测量离心开关断开转速,价格也比较昂贵,而且通常采用单片机系统,只能得出一个转速测量结果而无法监控整个过程。笔者在工作中采用当前很多电机检测实验室都有配备的反馈控制电机测试系统,进行了数百台次的电机离心开关断开转速测试,总结出了一套可靠实用的分析方法。笔者采用的反馈控制电机测试系统包括磁滞或磁粉测功机、测功机控制器、电参数测量仪、测功机动态控制器、数据采集用的工控机。这些仪器设备组成了一套闭环测试系统(原理如图1所示)[5],其中连接并控制电动机的测功机(根据励磁原理不同分为磁滞型和磁粉型)包含了转矩、转速传感器及(磁粉或磁滞)制动器,转矩、转速传感器与测功机控制器连接,并上传数据给后者。电参数测量仪与电机相连,用于监测电机的电压、电流及功率。电参数测量仪与测功机控制器所采集到的数据又通过RS232接口汇总到工控机,由专门的控制软件进行分析,并反馈到动态控制器,动态控制器通过给测功机内的制动器施加不同的电流而改变其制动转矩从而控制电动机的输出功率或转速。只要在测试前设定好电机的运行参数,就可以让电机在预设的状态下运行。整套系统功能丰富,选择合适量程的测功机,电机一次安装到位即可完成温升、效率、堵转、转矩-转速特性曲线的测定,当然也包括离心开关断开转速。

2 工作原理

2.1 测试过程

本研究首先选择测功机量程:如一台型号为YL90S-2的双值电容异步电动机,额定功率为1.5 kW,额定转速为2 800 r/min,则其额定转矩为5.116 Nm,估计其最大转矩是额定转矩的2～3倍,则测试过程中可能出现的最大转矩约为15.3 Nm,因此选用量程为20 Nm的测功机。被试电机安装在测功机的测试台上,在工控机的测试软件里设置控制参数为转速(如图2所示),设置加载速度为100 ms(加载一次),选取适当的加载初值和加载增量以保证整个测试过程大于30 s(转速上升和下降曲线各大于15 s)。在这里“加载初值”和“加载增量”是测试软件内部的一个变量,可以理解为测功机加载的进度,如测功机满载时该值为4 000,则图2中设置加载增量为23、加载速度为100 ms意味着每隔100 ms测功机将增加23/4 000的负载。完成设置后,电机将以”空载转速-最低转速(图中设置为200 r/min)-空载转速”的过程完成测试。

2.2 数据采集

工控机通过传感器在设置好的电机运行过程中采集数据,包括电机的电压、电流、功率、转矩、转速值。采样频率由加载速度决定(每100 ms采样一次)。

3 数据分析

本研究将2.2节中获得的数据以转速为横坐标,分别显示转矩-转速特性曲线和电流-转速特性曲线,对这两条曲线加以分析,从而得出离心开关断开转速的值。以下以实例来说明分析过程。

离心开关断开发生在转速上升过程中。典型特性曲线1如图3所示,可以清楚地看到,在图3上标注断开点的位置曲线有明显的下降,这说明离心开关断开后,起动电容和副绕组从整个电路中断开,引起了转矩和电流的下降。另外,图中画圈处电流有一个突变,转矩曲线也有一个下凹,这表明电机在这个点上离心开关发生了断开,但随即又合上,并且在标注点位置再次断开。

典型特性曲线2如图4所示,这条特性曲线就比特性曲线1复杂得多。从图中可以看到,在标注断开点的位置,电机有两次明显的电流突变和转矩突变,这说明离心开关在电机速度增加过程中发生了两次断开现象。按照GB 12350-2009《小功率电动机的安全要求》对电动机起动元件的规定:“起动时,其起动元件的应工作可靠,无明显接触抖动”[6],说明这个离心开关属于不合格的离心开关。笔者在实验中曾遇到过这种情况:一台电机的离心开关断开后再迅速合上的现象在短时间内持续多次,导致离心开关触点处产生大量电火花而将离心开关触点焊死,从而使离心开关无法断开而失效。这种有质量问题的离心开关如果安装到电机上进入市场,将有可能造成使用者的经济损失乃至人身安全事故。

同一台电动机(额定电压220 V的YL90S-4电机)分别在60 V、110 V、220 V电压下运行测得的转矩-转速曲线和电流-转速曲线如图5～7所示,从中可以看出,电机在60 V电压下测得的电流-转速曲线有较明显的突变,而转矩-转速曲线变化不明显,在110 V下测得的两条曲线都比较明显,而220 V下测得的曲线则难以判断断开点。由此可见,如果在测试过程中选择适当的电压,可以更好地帮助测试人员判断离心开关断开转速。

4 结束语

该方法使用的设备为多数检测实验室均已采用的反馈控制电机测试系统,不会给实验室带来额外的负担。采用电流特性曲线和T-n特性曲线相结合的判断方式,最大程度地减小了误判的可能性,对断开过程曲线的分析结果给检测和设计人员提供了更详细的信息,有助于分析不合格原因并加以改进。单片机法只能在电机自然起动的过程中监测离心开关断开转速,该过程持续1 s～3 s,时间短,容易产生较大误差。而该方法测试过程较长,采样时间最快可达每20 ms一次,大大减小了误差。

参考文献

[1]国家机械工业局.JB/T 9547-1999单相电动机起动用离心开关技术条件[S].北京:机械科学研究院,1999.

[2]国家机械工业局.JB/T 9542-1999双值电容异步电动机技术条件[S].北京:机械科学研究院,1999.

[3]国家标准化管理委员会.GB/T 9651-2008单相异步电动机试验方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4]詹惠琴.电机离心开关断开瞬时转速测量仪[J].仪表技术与传感器,2004(3):15-16.

[5]才家刚.电机试验技术及设备手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

控制电机转速的PID算法综述 第3篇

1 PID控制概念及原理

所谓的PID控制, 就是比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 3个参数有机结合应用于控制当中。

(1) 比例控制:就是对偏差进行控制, 偏差一旦产生, 控制器立即就发生作用即调节控制输出, 使被控量朝着减小偏差的方向变化, 偏差减小的速度取决于比例系数Kp, Kp越大偏差减小得越快, 但是很容易引起振荡, 尤其是在迟滞环节比较大的情况下, Kp减小, 发生振荡的可能性减小, 但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在残差不能消除的缺点, 这时就需要积分控制。

(2) 积分控制:实质上就是对偏差累积进行控制, 直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力, 有利于消除残差, 其效果不仅与偏差大小有关, 而且还与偏差持续的时间有关。

(3) 微分控制:它能敏感地计算出误差的变化趋势, 可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用, 有利于提高输出响应的快速性, 减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声, 降低系统的信噪比, 从而使系统抑制干扰的能力下降。因此, 在实际应用中, 应慎用微分控制。

PID控制方式大体有3种:

(1) 线形连续PID输出, PID运算的结果以模拟电压、电流或者可控硅导通角的形式按比例输出。

(2) 时间-比例PID输出, 此方式需要预设定一个时间长度T1, 然后PID运算的结果就在控制周期内以ON-OFF的形式输出出来。

(3) 位置比例PID, PID运算的结果主要是对应于调节阀的阀门开度。

接下来以第2种方式来介绍如何设置相关的参数。

式中, T为计算周期, 即隔多少时间计算一次;P为比例带;I为积分时间;D为微分时间。

然后就可以利用公式 (4) 计算出ΔU (n) , 计算出的ΔU (n) 需要跟控制输出联系在一起, 一般首先将其归一化, 也就是说除以所要控制对象的量程。

由于时间比例PID输出对应的是位置式PID运算的结果, 必须把结果进行累计运算:

最后将累计结果换算成对应于控制周期的占空比来输出。

2 几种主流的PID控制技术介绍

2.1 数字PID控制算法

由于微机是通过软件实现其控制算法, 必须对模拟调节器进行离散化处理, 这样它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此, 不能对积分和微分项直接准确计算, 只能用数值计算的方法逼近。用离散的差分方程来代替连续的微分方程。数字PID克服了模拟PID控制器的许多不足和缺点, 可以方便地调整PID参数, 具有很大的灵活性和很强的适用性。

与其他控制方法相比, 数字PID控制具有以下优点:

(1) PID算法蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息, 控制过程快速、准确、平稳, 具有良好的控制效果;

(2) PID算法在设计过程中不过分依赖系统参数, 系统参数的变化对控制效果的影响很小, 控制的适应性好, 具有较强的鲁棒性;

(3) PID算法简单明了, 便于用单片机或DSP实现。

根据输出量u (k) 的形式可分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对值, 而是控制量的增量 (例如去驱动步进电动机) 时, 需要用PID的“增量算法”。

2.1.1 位置式PID控制算法

当采样时间很短时, 可用一阶差分代替一阶微分, 用累加代替积分, 把连续时间的离散化, 即离散的PID表达式积分用累加求和来近似得到, 最终能得到公式:

式中, u0为控制量的基值, 即k=0时的控制;u (k) 为第k个采样时刻的控制;Kp为比例放大系数。

式 (7) 是数字PID算法的非递推形式, 称全量算法, 在算法中, 为了求和, 必须将系统偏差的全部过去值e (j) 都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出u (k) , 是控制量的绝对数值。在控制系统中, 这种控制量确定了执行机构的位置, 例如在阀门控制中, 这种算法的输出对应了阀门的开度, 所以, 称这种算法为位置算法。

2.1.2 增量式PID控制算法

当执行机构需要的不是控制量的绝对数值, 而是其增量 (例如去驱动步进电机) 时, 要采用PID增量式控制算法。采用PID增量式控制算法表达式:

位置式算法中每次输出与过去整个状态有关, 其计算公式中要用到过去偏差的累计值, 容易产生较大的累计误差, 而增量式只需计算增量, 当存在计算误差或精度不足时, 对控制量计算的影响较小。同时, 对于位置式算法, 控制从手动切换到自动时, 必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度U0, 才能保证无冲击切换。如果采用增量式算法, 则由于算式中不出现U0, 易于实现手动到自动的无冲击切换。此外, 计算机发生故障时, 由于执行装置本身有寄存作用, 故仍可保持在原位。

2.2 自适应PID控制

自适应PID控制系统除具有常规PID的优点外, 其可利用其中的可调系统的各种输入、状态和输出来度量某个性能指标, 将所测得的性能指标与规定的性能指标相比较, 由自适应机构来修正可调系统的参数 (Kp、Ki、Kd) 或者产生一个辅助的输入信号, 以保持系统的性能指标接近规定的指标, 使系统达到最优或次优的控制效果。自适应PID控制器由于采用不同的控制算法而有不同的形式, 下面介绍几种应用较为广泛的自适应PID控制器。

2.2.1 极点配置自适应PID控制器

极点配置自适应控制算法主要是通过对闭环系统的极点按过程控制的要求进行配置。这种方法用于二阶或二阶以下的非最小相系统, 因为这类系统需在线辨识的参数较少, 容易获得期望的动态特性。极点配置自适应PID控制器的不足之处是由于这种控制器的动态性能的优劣主要取决于极点配置。控制器设计的过程是先确定期望系统闭环极点位置, 然后在线估计、辨识系统参数, 其次是计算控制器参数 (Kp、Ki、Kd) , 最后求解出控制律。

2.2.2 专家PID控制器

具有专家系统的自适应PID控制器由参考模型、可调系统和专家系统组成。其中, 参考模型由模型控制器和参考模型被控对象组成;可调系统由数字式PID控制器和实际被控对象组成。控制器的PID参数可以任意加以调整, 当被控对象因环境原因而特性有所改变时, 在原有控制器参数作用下, 可调系统输出y (t) 的响应波形将偏离理想的动态特性。这时, 利用专家系统以一定的规律调整控制器的PID参数, 使y (t) 的动态特性恢复到理想状态。专家系统由知识库和推理机制2部分组成, 它首先检测参考模型和可调系统输出波形特征参数差值即广义误差e。采用参考模型自适应原理, 使得自整定过程可以根据参考模型输出波形特征值的差值来调整PID参数, 这个过程物理概念清楚, 并且避免了被控对象动态特性计算错误而带来的偏差。

2.3 神经网络PID控制

2.3.1 单神经元PID控制器

用单神经元实现自适应PID控制的结构中转换器的输入为设定值yr及输出y, 转换器的输出为神经元控制所需要的状态量X1、X2、X3。神经元PID控制器的输出为:

式中, k为神经元比例系数。

通过修改神经元控制器的加权系数Wi, 使性能指标趋于最小, 从而实现自适应PID的最优控制。利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应PID控制器, 具有结构简单、学习算法物理意义明确、计算量小、较强的鲁棒性等特点。

2.3.2 神经网络PID控制器

把神经网络控制器与常规PID控制器有机结合, 构成如图1所示的神经网络PID控制器。神经网络控制器实质上充当前馈控制器的角色, 它建立的是被控对象的逆向模型。神经网络控制器通过传统控制器的输出进行在线调整, 目标是使反馈误差e (t) 或u1 (t) 趋近于零, 从而使自己逐渐在控制作用中占据主导地位。采用这种前馈加反馈的智能控制方法, 不仅可确保控制系统的稳定性和鲁棒性, 而且可有效地提高系统的精度和自适应能力。

2.4 模糊PID控制器

模糊控制是将模糊控制与PID结合, 将操作人员和专家长期实践积累的经验知识用控制规则模型化, 实时改变控制策略, 对PID参数实现调整。模糊控制事先不需要获知对象的精确数学模型, 而是基于人类的思维以及生产经验, 用语言规则描述控制过程, 并根据规则去调整控制算法或控制参数。根据PID的分类, 模糊PID又可分为模糊自适应PID控制和基于神经网络的模糊PID控制。

模糊自适应PID (FAPID) 控制系统中, FAC为模糊自适应控制器, 与常规PID控制器一起组成FAPID控制器。整定PID参数时, 去掉FAC的作用。模型规则表物理意义明确, 实时计算工作量小, 便于工程应用。与传统PID控制比较, FAPID控制提高了系统的鲁棒性, 减小了超调量, 提高了抗干扰能力, 缩短了调节时间。

3 结语

PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略, 自适应控制技术和智能控制技术的引入应用, 使PID控制进入了一个更为深入和广阔的应用天地。智能PID控制技术将随着传感器集成化程度的提高, 必将是过程控制中极有发展前途的研究和应用方向。本文介绍了多种主流的PID算法, 例如自适应PID控制、神经网络PID控制等。虽然这些主流的控制算法都很智能, 自动整定PID参数, 使控制系统具有稳定鲁棒性。但是在实际的工业运用中, 需要大量的数据来磨合, 以确定建立网络模型需要的各项参数。

摘要：PID算法广泛应用于控制电机转速, 介绍了PID的基本概念和控制原理, 针对主流的PID控制技术作了详细介绍和对比, 能为选择不同的电机来磨合系统以建立系统网络模型所需要的各项参数提供全面的参考。

关键词：电机,PID,神经网络

参考文献

[1]朱希志, 罗良进.纵谈DSP的发展及应用[J].电脑知识与技术, 2004 (35)

[2]汪锐.基于DSP芯片的永磁无刷直流电机控制器[J].微电机, 2000 (4) :27～29

基于虚拟仪器技术的电机转速控制 第4篇

1 设计目的

1.1 主要任务

掌握电机调速控制电路的工作原理;确定上位机监控系统的控制方案;利用Lab VIEW软件编制上位机监控系统界面,实现电机转速的测量和控制功能,实时显示电机的转速;

1.2 技术要求

实现电机转速的基本测量功能,并进行同步动画显示电机的转速;实现电机调速的功能;要求系统操作简单,使用方便,满足用户要求;

2 设计正文

2.1 实验原理

调速控制:如图(1)所示,U18的DA1输出一个0~5V大小的直流电压,经过U3 A LM358放大一倍后得到0~10V大小的电压,该电压信号再经过U4 CA3140和Q1 2073进行功率放大,电流达到75m A,从而驱动电机转动。

测速过程:如图(2)所示,电机上的风扇安装在光耦的发射端和接收端之间,风扇的叶片为9片,当风扇转动时,叶片阻挡光耦发射出的光信号,在光耦接收端得到一段连续的脉冲波形,该脉冲波形经过U5A 74HC14进行整形后,得到一形状规则的脉冲波形。整形后的脉冲波形输出至U18的8254计数器的CLK0端,进行记数显示。

2.2 仪器组成

本测试系统由硬件和软件两大部分组成。硬件系统包括常用的PC机和数据采集设备;软件系统就是在Lab VIEW8.20的G语言环境下开发的仪器程序包。

2.3 实验步骤

(1)接线:将实验板的数字口XS2和模拟口XS1与采集卡上对应数字口XS2和模拟口XS1连接。

(2)调试与结果:用lab VIEW软件改变DA1端的输出电压大小,改变电机的转速,从而在显示屏上显示出不同的速度值。

2.4 编程参考

2.4.1 设备对象操作函数

功能:该函数负责创建设备对象,并返回其设备对象句柄。

功能:释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。

应注意的是,Create ID必须和Release ID函数一一对应,即当您执行了一次Create ID,再一次执行这些函数前,必须执行一次Release ID函数,以释放由Create ID占用的系统软硬件资源,如系统内存等。只有这样,当您再次调用Create ID函数时,那些软硬件资源才可被再次使用。

2.4.2 计数器操作函数原型

功能:取得8254的当前计数值。

功能:负责初始化8254各通道的工作模式、计数方式等。

2.4.3 DA输出函数原型

功能:输出DA数据

程序说明:

Lab VIEW流程图中包括设备对象操作函数、DA输出函数原型、计数器操作函数原型等函数,While循环、顺序结构、选择结构等结构,还运用了整除和定时器节点和数组的使用。

该程序通过设备对象操作函数Create ID创建设备对象,Release ID释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身,Create ID必须和Release ID函数一一对应。计数器通道选择取0,初始值取0,操作方式取3,计数方式取1,不采用BCD码,数组值为3。Index Array节点返回输入数组中由输入索引指定的元素。创建顺序结构计算速度,前一秒减后一秒的值若大于0则执行选择结构中整除的节点,程序在1000毫秒后继续,并且返回这一毫秒值。引入两个调速节点的本地变量,为其赋值为2.5。在Lab VIEW中,前面板上的每个控制或指示在框图程序上都有一个对应的端口,控制通过这个端口将数据传送给框图程序的其他节点,框图程序也可以通过这个端口为指示赋值。

3 设计总结

基于Lab VIEW的直流电机调速测试系统在硬件的选择上,利用数据采集卡等,实现了一个低成本高性能的数据采集与分析仪器的开发;软件在实现过程中,也充分调用Lab VIEW软件本身所提供的丰富的应用分析工具包等工具模块,避免大量的软硬件开发工作。用该测试系统,比一般纯文本编程软件更加简单,且其界面美观,处理结果也可以直接在前面板中进行描述。

参考文献

[1]杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005(1).

[2]黄义雄,戚丽丽.虚拟仪器下的电力参数测试[J].自动化与仪表,1998,13(1).

轴流式涡轮发电机的转速分析 第5篇

随着油田开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井数量的不断增加，对旋转导向钻井技术的需求日益迫切。旋转导向钻井技术的核心是调制式旋转导向工具。

稳定平台是调制式旋转导向工具的重要组成部分，其作用是保证在钻进时不受钻柱旋转的影响，对钻井工具的工具面角随钻实时调控。稳定平台中有一个控制轴，它靠上下涡轮发电机的电磁力矩驱动，控制工具面角的方位。上涡轮发电机的主要作用是提供电源，下涡轮发电机的主要功能是给主轴提供可变的扭矩，使主轴满足不同的工作状态。根据井下工况要求，上下涡轮发电机采用轴流式叶轮，没有导流叶栅，泥浆直接冲击叶轮。泥浆排量和涡轮发电机的转速之间的关系是涡轮发电机叶栅结构改进的重要依据[1]。

2 泥浆排量和涡轮转速之间的关系分析

井上控制台通过流动的泥浆为旋转导向钻井工具轨迹的控制提供动力，由于泥浆排量变化不可避免，所以分析涡轮转子的转速和转动力矩关于泥浆排量的变化曲线，意义重大。旋转导向钻井工具专用涡轮发电机为永磁发电机，涡轮发电机的电枢绕组固定在中心轴上不动，泥浆冲击叶栅带动永磁磁铁一起转动，形成交变的磁场，电枢绕组内产生交变电流[2,3]。专用涡轮发电机转子结构如图1所示。

2.1 设计思路

当轴流式涡轮发电机叶片数目较多，叶片有一定的厚度，两叶片间的空间就很小，此间隔内的流动可假定为与叶片相一致的流动，即无冲击流动[4,5]。排量很小时，泥浆与叶栅无冲击流动，排量Q增大，转子转速提高，大于某一临界值QLmin时，叶栅与液流之间不再满足无冲击流动，若单从叶栅结构或液流参数考虑，叶片结构设计有12个特征参数[6];液流一般有6个特征参数，叶栅的结构设计和转速的分析非常困难。

为了获得涡轮叶栅转速，需要对叶栅的流场进行分析。影响流场的主要因素包括涡轮的结构参数和液流参数，之前通常采用搭建试验台和通过软件仿真的方法获取数据。涡轮发电机在工作状态下泥浆排量变化范围较大，通过实验台难以真实模拟井下复杂的工况，获取理想的数据;采用计算流体动力学软件(如FLUENT, CFX-TASCflow等)进行仿真，对计算机硬件和设计者能力要求较高，而且通过软件模拟得到的结果需要进一步评估分析。

本文从工程应用角度出发，提出一种新的思路：由于在涡轮发电机正常的工作中，排量变化范围在(Q1～Q2)之间变化不可避免，因此，首先通过试验和软件模拟的方法，设计叶栅结构使涡轮始终满足"无冲击流动";在涡轮满足无冲击流动的前提下，分析得出转速随排量变化的方程式。通过试验和软件模拟得到满足无冲击流动的涡轮的结构参数在进行理论分析的方法，与直接用这两种方法相比较，得到数据误差小、整个设计过程的可控性强。

2.2 液流流速的分析

在满足无冲击流动的情况下，转子进口处不产生冲击损失，涡轮转子进、出口泥浆流速度示意，如图2。

在以R′为水力半径的圆周上，绝对流速c的周向分速度为cu, 轴向分速度为cm，则有

转子叶片在水力半径R′处的转动线速度为u，泥浆与叶片之间的相对流速为w，根据余弦定理，有

且流动过程中泥浆为不可压缩液体，有

联立式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，得：

分别分析进出口流速，轴流式涡轮发电机，叶片上泥浆没有径向流动，进出口水力半径R′相等即u1=u2=u;有

其中：c-泥浆的流速，m/s;cu-泥浆的周向分速度，m/s;cm-泥浆的轴向分速度，m/s;u-转子叶栅转动的线速度，m/s;ω-泥浆与叶栅的相对流速，m/s;n-转子的转速，r/min;β-进、出口处转子液流角，w与u间的夹角，(°);S-转子内泥浆的流动截面的平均面积，m2;R′-泥浆的水力半径，m;Q-泥浆排量，m3/s。

2.3 涡轮的动量方程

分析泥浆动量，可得出轴流式涡轮的转子力矩与泥浆进、出口速度和排量之间的关系[7]如下：

其中：T-涡轮转子力矩，Nm;ρ-泥浆密度，kg/m3;式(5)、(7)、(8)、(9)联立，得到

2.4 发电机的转矩方程

经过启动阶段后，发电机正常运行中，有以下关系：

以交流同步发电机为例，电磁力矩瞬时值与磁通量、转速有关，磁通量幅值变化不大，在转子旋转一周，可认为电磁转矩与转速有如下线性关系：Te=Kn

其中:Te-涡轮发电机的电磁力矩, Nm;T0-涡轮转子的空载力矩, Nm;K-常数。

2.5 发电机转速计算

联立式(10)、(11)，化简得：

随着排量增大，电磁力矩不断增大，电枢绕组(即“定子”)克服摩擦阻力随转子转动，但转速不等。排量继续增大，转子与“定子”相对转速、电磁力矩不再变化。因此分析排量与电磁力矩和电机转速之间的关系，对控制整个导向系统至关重要。

3 结论

(1)本文从工程应用的角度出发，针对通过分析复杂的流场来优化设计叶栅结构，提出了一种新的设计思路。

(2)给出了满足无冲力流动的轴流式涡轮发电机的转速计算公式，为分析涡轮发电机的性能预测提供了理论支持。

(3)叶栅的特征参数对轴流式涡轮无冲击流动的影响，需要做进一步研究。

参考文献

[1]闫文辉, 彭勇, 张绍槐, 等.旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计[J].钻采工艺, 2006, 29 (4) :73-75.

[2]陈峻峰.永磁电机 (上册) [M].北京:机械工业出版社, 1982.

[3]唐任远, 等.现代永磁电机-理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 1982.

[4]万邦烈, 李继志.石油矿场水利机械[M].北京:石油工业出版社, 1990.

[5]舒士甄, 朱力, 柯玄龄.叶轮机械原理[M].北京:清华大学出版社, 1991.

[6]陈铁, 刘仪, 刘斌, 等.轴流式叶轮机械叶型的参数设计方法[J].西安交通大学学报, 1997, 31 (5) :52-56.

中功率低压变频器调节中压电机转速 第6篇

中压电机调速另外一种方法就是晶闸管串级调速, 电机绕线异步机, 定子接中压电网, 转子绕组经滑环接调速装置。其特点是:转子电压低, 比定子侧变频调速容量及谐波大。则内反馈电机加晶闸管斩波串调。其特点是:在电机定子中加上一套辅助电源绕组, 把电机和电源变压器合为一体;加设晶闸管斩波, 提高了运行功率因数, 高速时达0.80左右。不足则是:除变流器外还需两台较大的直流电抗器;低速时功率因素仍低, 而风机和泵一般运行在于低速段。

转子变频调速, 把变频和串调相结合起来, 能确保留串调在转子侧变流带来的优点;又利用PWM电压型变频的优点, 除去了串调设备多和功率因数差的缺点。用20%PN左右的低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机的装置, 且在高速时仍可输出100%PN。

1 转子变频的调速

转子变频调速即串级调速大量应用在大功率的风机和泵类的调速中, 先后经历了四个大的发展阶段, 经过分析和研究, 转子变频调速可以应用在交流大功率矿井提升机绕线电机中, 具有节能和可靠等优点。并展望了转子变频调速未来发展趋势。变频调速作为最有前途的调速方式之一, 已经得到越来越广泛的应用:包括定子侧变频和转子侧变频。对于定子侧低压研究和应用已日趋成熟, 而目前用的高压 (6k V或10 k V) 电机定子侧变频调速, 由于电压高、电流小, 因此不能采用大电流电力电子器件, 只能用许多小电流器件的并联。

转子变频调速主电路, 原理仍属斩波串调, 只是为IGBT电压型PWM逆变, 电机定子有两套绕组, 其中一套定子绕组直接接6.0k V或10.0k V中压电网, 另一套辅助电源绕组为变频器VF中的逆变器TI提供电源, 把来自转子的滑差能量回馈至定子, 故称其为内反馈电机。电机转子电压UR是低压, UR=S UR0, 电机UR0<1 0 00 V, 风机和泵要求调速范围为30%~40%, 因此UR<400V, 与之相联的变频器VF为380V低压变频器。

风机和泵只要求向下调速, 能量流的方向为从转子, 经VF至定子辅助绕组。变频器VF的接法与一般变频调速相反, 二极管整流桥接转子绕组, PWM逆变器TI输出接50Hz电源, 把直流母线电压UD变成固定频率和电压的交流电。电机转速变化时, 转子电压变化, 整流电压UDR随之变化, 但是TI要求直流母线电压固定, 故加设升压斩波器BC。设计TI的控制系统使其维持UD恒定UDR= (1-D) UD式中D为斩波器占空比通过改变D就可改变UDR, 从而实现了调速。D减小, UDR加大, 电机转速降低。

转子变频调速的特点是使用380V的低压变频器调节6.0k V或10.0k V中压电机转速和主电路设备简单, 整个调速装置就是一个带斩波的IGBT电压型变频器, 无其他大的设备。以及逆变器容量小。风机和泵的负载转矩与转速的二次方成比例。然后是运行功率因数高, 谐波小。

晶闸管串调系统的谐波由两部分组合而成:晶闸管逆变器产生的谐波, 通过定子辅助绕组影响电网, 这部分是主要的。转子侧二极管整流产生的谐波, 通过转子绕组, 经定子影响电网。但转子漏感大, 重叠角大, 谐波量猛减, 这部分对电网影响不大[3]。

改用IGBT逆变器后, 采用正弦波PWM调制, 输出电流为近似的正弦波, 逆变器容量小, 只有0.2PN~0.3PN, 所以它的谐波对电网影响不大。二极管整流产生的谐波对电网的影响还可以在不改变主电路前提下, 通过在控制电路中增加一有源滤波环节, 经TI消除。

2 电机的起动和旁路运行

旁路运行指在调速装置故障时, 去除掉调速装置, 电机接电网恒速运行, 这种运行方式对用户相当重要, 是确保安全生产的重要手段之一。中压直接变频调速正常起动比较容易, 频率从零调起即可, 起动平稳, 电流可限制在额定值以内。旁路工作时, 直接起动兆瓦级的异步机所形成的7.0~8.0倍的电流冲击对电网和高压断路器的影响较大。若电网容量小, 起动时母线压降大, 需要额外加起动装置。另外在高压侧进行旁路切换也是较繁杂。

晶闸管串调用绕线电机, 起动时在转子侧处加起动电阻或频率电阻, 起动力矩大, 电流小, 过程平稳。起动结束后, 除掉起动设备, 投入调速装置, 开关操作多, 可靠性受影响。串调的旁路较简易, 把转子输出端短路后, 就是一套恒速运行的绕线异步机, 并且低压操作。

转子变频系统, TI按转子输出最大功率Prm ax选取, 对于风机和泵, Pr ma x=0 1 5 P N出现在n=2/3n N处, 按0.2PN~0.3PN选取的TI允许转速从零调至n N, 不需要额外加起动设备。要旁路运行, 令斩波开关CS维持长通状态, 转子绕组通过整流桥DR和CS短路恒速运行。对于转子电压UR0<380V的电机这样做是非常合理的, 称其为紧凑型装置。对于UR0>3 8 0 V的电机, 起动初P r虽不大, 但转子电压太高, IGBT选1200V不够, 最好在起动时在转子和DR间串联频敏变阻器FR。斩波开关C S维持长通, 电机靠频敏电阻限流起动, 待起动至n>1/2n N后频敏变阻器经接触器K1短路, CS按斩波模式工作, IGBT的电压低, 线路和操作也较简单。旁路时, 先令CS长通, 电机转入恒速运行, 到能停车时, 手动合上刀。开关K2, 调速装置完全不工作。

3 结语

本文介绍的是一种大功率电机和泵用中压电机的调速方法, 其特点是用380V低压IGBT变频器调节6.0k V或10.0k V中压绕线电机转速。主电路简单, 除主频器外无其他大设备。逆变器容量小, 仅电机功率的20%~30%。运行功率因数高, 谐波小, 需使用绕线电机, 对已有笼型电机的改造项目有些不便, 这问题可通过收购废弃旧电机随着调速装置成套供应同样安装尺寸的新电机来解决, 这方面已经有不少实例和经验。鉴于各行业的大型企业中风机和泵类调速节能的巨大经济潜力, 调速节能改造势在必行。通过以上对比, 我们不难得出一个结论:和高压变频器相比, 大功率电机和泵用中压电机的调速方法, 转子变频调速系统在性能指标、节能效果, 资金投入、占地面积等各方面都具有明显优势, 是企业风机泵类调速的最佳方案。从用中功率低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速我们得出一些经验与结论, 在以后的工作当中更加有效的结合实际情况来运用中功率低压变频器调节大功率中压电机转速, 带来更大的效率。

摘要：探讨的是一种新的用中功率低压变频器调节中压电机转速的方法, 采用中功率IGBT低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速的方法转子变频调速。主电路简单, 无大变压器及电抗器, 运行功率因数高, 谐波小, 起动和旁路容易。从用中功率低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速我们得出一些经验与结论, 在以后的工作当中更加有效的结合实际情况来运用中功率低压变频器调节大功率中压电机转速, 带来更大的效率。

关键词：大功率中压电机调速,中功率低压变频器,调速

参考文献

[1]马小亮.大中功率节能调速传动的合理电压等级[J].中国工程科学, 2001 (11) .

[2]江友华, 曹以龙, 龚幼民.高压大功率电机调速方案的探讨和比较[J].变频器世界, 2005, 5.

用指针式万用表判断电机的转速 第7篇

在日常检修、维护中, 难免遇到电机的铭牌磨损、内容模糊不清或者丢失等, 造成无法知道电机的转速。但如果知道电机的磁极对数, 根据公式n1=60f/p (n1、f、p分别为电机同步转速、频率、磁极对数) 就可以求出电机的转速。具体方法: (1) 将电机绕组的六个头拆开, 利用万用表的欧姆挡找出任意一个绕组。 (2) 将万用表拨到毫安挡最小一个挡位上, 接到该绕组两端 (图1) 。 (3) 将电机转子均匀地转一周, 观察万用表指针摆动几次, 如果摆动一次, 说明电流正负变化一个周期, 就是2极电机, 利用此方法观察指针摆动次数, 就可判断电机的磁极数, 从而利用以上公式就可以知道电机的同步转速。