CN104821762B - 一种他励直流电动机的调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种他励直流电动机的调速控制方法，主要用于电动车的动力驱动控制。本发明包括：建立了他励直流电动机在内部功率损耗最小条件下的励磁电流与电枢电流和转速的关系表达式；给出了基于最高运行效率的他励直流电动机的调速控制方法流程图，提出了利用电动车油门踏板位置信号，以最高运行效率为性能指标的他励直流电动机调速控制系统的结构；本发明保证了在调速过程中电动机始终在最高效率下运行。

Description

一种他励直流电动机的调速控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动机调速控制方法，具体涉及一种他励直流电动机的调速控制方法。

背景技术

他励直流电动机因其硬特性好、价格低廉等优点，作为动力驱动设备广泛应用于各种低速电动车和各种电气设备中。为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要电动机具有调速功能。在现有的技术中，他励直流电动机主要有三种调速方法：降低电枢电压调速、电枢电路串电阻调速和弱磁调速。常用的调速方法是降低电枢电压调速和弱磁调速。

电动机的运行效率η公式如下：

其中P₁为电动机输入的电功率，P₂为电动机轴上的机械功率，P为电动机内部的各种损耗之和。如果要提高电动机的运行效率，就要降低电动机的内部损耗P。

发明内容

本发明克服了现有技术不足，提出一种他励直流电动机的调速控制方法，所述方法提供了一种基于最高运行效率的电动机调速的控制策略和控制系统结构。所述方法既保证了电动机运行效率最高，又实现了电动机的调速控制目的。

本发明的技术方案为：一种他励直流电动机的调速控制方法，所述调速控制方法建立电动机的内部损耗数学模型，并由电动机的内部损耗数学模型推导出电动机在最高运行效率下的电动机内部变量的关系表达式，内部损耗P最小时为电动机最高运行效率；直流他励电动机的内部损耗包括：

(1)电枢绕组的铜耗：

(2)励磁绕组的铜耗：

(3)电枢铁耗：P_Fe＝C_nΦ²n+C_eΦ²n²；

(4)其他损耗P₀，包括摩擦和空气阻力损耗和负载的杂散损耗；

其中R_a为电枢电路的电阻，R_f为励磁电路的电阻，Φ为励磁磁通，C_n和C_e为常数，n为电动机转速，在运行状态下，直流他励电动机的其他损耗P₀为常数，

T_e为电动机输出扭矩，C_Φ为常数，C_T为常数，励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式为：

即I_f＝f(n)I_a

f(n)为基于最高运行效率的最佳比值函数；

对于一个特定的电动机，在其电枢电路的参数、励磁电路的参数确定的情况下，基于最高运行效率的最佳比值函数f(n)仅取决于电动机转速n。因此，只要测得电动机转速n，就可以确定励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式。

G_ac，G_fc和G_tc分别表示电枢电流控制器、励磁电流控制器和输出扭矩控制器的传递函数，则有，和分别表示电枢电流控制对象和励磁电流控制对象的传递函数，其中L_a和L_f分别为电枢电路和励磁电路的电感。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种基于最高运行效率的电动机调速的控制策略和控制系统结构。

2、本发明是在电动机最高运行效率下通过确定电枢电流I_a和励磁电流I_f之间的关系进行调速控制。

3、本发明所述电动机调速控制方法既保证了电动机运行效率最高，又实现了电动机的调速控制目的。

附图说明

图1是他励直流电动机的调速控制方法的实现流程图。

图2是他励直流电动机的调速控制系统的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的直流他励电动机的内部损耗p主要包括：

(1)电枢绕组的铜耗：

(2)励磁绕组的铜耗：

(3)电枢铁耗：P_Fe＝C_nΦ²n+C_eΦ²n²；

(4)其他损耗P₀：包括摩擦和空气阻力损耗和负载的杂散损耗等；

其中R_a为电枢电路的电阻，R_f为励磁电路的电阻，Φ为励磁磁通，C_n和C_e为常数，n为电动机转速，在通常的运行状态下，直流他励电动机的其他损耗P₀可视为常数。

假设直流他励电动机的磁化曲线在线性范围内变化，即Φ＝C_ΦI_f，其中C_Φ为常数。代入电动机输出扭矩公式T_e＝C_TΦI_a，其中C_T为常数，得到：

T_e＝C_TC_ΦI_fI_a (2)

和

综合上述各等式，可以得到

为求取P的最小值P_min，可以令P关于的导数为零，即

从而得到：

由式(6)得到励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式：

即

I_f＝f(n)I_a (8)

对于一个特定的电动机，在其电枢电路的参数、励磁电路的参数确定的情况下，基于最高运行效率的最佳比值函数f(n)仅取决于电动机转速n。因此，只要测得电动机转速n，就可以确定励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式(8)。

本发明根据励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式(8)以及他励直流电动机的动态数学模型，给出了基于电动机最高运行效率的调速控制实现算法流程图。

本发明根据励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式(8)以及他励直流电动机的动态数学模型，给出了基于电动机最高运行效率的调速控制系统的结构图。本发明的基于电动机最高运行效率的调速控制方法，保证了电动机在最高效率下运行，又完成了电动机的调速控制目的。

图2中，G_ac，G_fc和G_tc分别表示电枢电流控制器、励磁电流控制器和输出扭矩控制器的传递函数，和分别表示电枢电流控制对象和励磁电流控制对象的传递函数，其中L_a和L_f分别为电枢电路和励磁电路的电感。

首先系统进行初始化设置。然后，电动车司机根据电动车当前的牵引负载(及负载扭矩)和车速(即电动机转速n)控制电动车油门踏板位置r。电动机输出扭矩T_e控制器根据油门踏板位置信号r与输出扭矩信号T_e之差e_T＝r-T_e计算出电枢电流期望值I_as。

电枢电流I_a控制器根据电枢电流期望值I_as与电枢电流实际值I_a之差e_a＝I_as-I_a计算出驱动控制电枢电压U_a的PWM功率器件的占空比信号，并由PWM功率器件的输出产生电枢电压U_a。然后根据电枢电压U_a及由转速传感器测得的电动机转速n，由电枢电流控制对象的时域动态数学模型：

得到电枢电流控制对象的拉普拉斯变换表达式：

I_a(s)＝G_a(U_a-C_eΦn)

由以上关系式产生电枢电流I_a。

同时，由电枢电流I_a和由转速传感器测得的电动机转速n，在式(8)中，用励磁电流期望值I_fs替代励磁电流I_f，即利用关系式I_fs＝f(n)I_a产生励磁电流期望值I_fs。励磁电流I_f控制器根据励磁电流期望值I_fs与实际励磁电流I_f之差e_f＝I_fs-I_f计算出驱动控制励磁电压U_f的PWM功率器件的占空比信号，并由PWM功率器件的输出产生励磁电压U_f。由励磁电流控制对象的时域动态数学模型：

得到励磁电流控制对象的拉普拉斯变换表达式：

I_f(s)＝G_fU_f

由以上关系式产生励磁电流I_f。

由电枢电流I_a和励磁电流I_f，利用关系式(2)即，

T_e＝C_TC_ΦI_fI_a

产生电动机输出扭矩T_e。

电枢电压U_a、电枢电流I_a及励磁电流I_f确定后，利用公式就实现了调速的目的。

本实施例的他励直流电动机应用在电动汽车等电器设备上。本发明的基于电动机最高运行效率的调速控制方法，是在电动机最高运行效率下通过确定电枢电流I_a和励磁电流I_f之间的关系进行调速控制。此电动机调速控制方法既保证了电动机运行效率最高，又实现了电动机的调速控制目的。

本发明不限于上述实施方式，在如图2所示的控制系统结构中，对于电枢控制单元为开环控制结构的情况及励磁控制单元为开环控制结构的情况也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种他励直流电动机的调速控制方法，所述调速控制方法建立电动机的内部损耗数学模型，并由电动机的内部损耗数学模型推导出电动机在最高运行效率下的电动机内部变量的关系表达式，内部损耗P最小时为电动机最高运行效率；直流他励电动机的内部损耗包括：

(1)电枢绕组的铜耗：

(2)励磁绕组的铜耗：

(3)电枢铁耗：P_Fe＝C_nΦ²n+C_eΦ²n²；

(4)其他损耗P₀，包括摩擦和空气阻力损耗和负载的杂散损耗；

其中R_a为电枢电路的电阻，R_f为励磁电路的电阻，Φ为励磁磁通，C_n和C_e为常数，n为电动机转速，在运行状态下，直流他励电动机的其他损耗P₀为常数，

$P=\frac{R_a{T_e}^2}{C_T^2{C}_{\mathrm{\Φ}}^2{I}_f^2}+(R_f+C_n{C}_{\mathrm{\Φ}}^{2}n+C_e{C}_{\mathrm{\Φ}}^2{n}^2)I_f^2+P_0$

T_e为电动机输出扭矩，C_Φ为常数，C_T为常数，励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式为：

$\frac{I_f}{I_a}=\sqrt{\frac{R_a}{R_f+C_n{C}_{\mathrm{\Φ}}^{2}n+C_e{C}_{\mathrm{\Φ}}^2{n}^2}}=f\left(n\right)$

即I_f＝f(n)I_a

f(n)为基于最高运行效率的最佳比值函数。

2.根据权利要求1所述的他励直流电动机的调速控制方法，其特征是：对于一个特定的电动机，在其电枢电路的参数、励磁电路的参数确定的情况下，基于最高运行效率的最佳比值函数f(n)仅取决于电动机转速n，因此，只要测得电动机转速n，就可以确定励磁电流I_f与电枢电流I_a的最佳比值关系式。

3.根据权利要求1所述的他励直流电动机的调速控制方法，其特征是：励磁电流I_f控制器根据励磁电流期望值I_fs与实际励磁电流I_f之差e_f＝I_fs-I_f计算出驱动控制励磁电压U_f的PWM功率器件的占空比信号，并由PWM功率器件的输出产生励磁电压U_f，励磁电流控制对象的时域动态数学模型可由公式

$L_f\frac{{\mathrm{dI}}_f}{dt}+R_f{I}_f=U_f$

确定，其中L_f为励磁电路的电感。

4.根据权利要求1所述的他励直流电动机的调速控制方法，其特征是：电枢电压U_a、电枢电流I_a及励磁电流I_f确定后，利用公式就实现了调速的目的。