CN108923705A - 一种能量控制的直流电机调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量控制的直流电机调速装置，调速电路由直流电机、工作电源、可控开关、二极管、励磁电源构成，工作电源通过可控开关与直流电机的电枢绕组连接；二极管并联在直流电机的电枢绕组两端；励磁电源与直流电机的励磁绕组连接；控制电路包括电压检测电路、电流检测电路、输入能量计算电路、电感储能计算电路、电磁转矩计算电路、负载转矩计算电路、转矩系数计算电路、期望电流计算电路、储能差值计算电路、动能计算电路、负载能量计算电路、输出能量计算电路、能量比较电路、时钟电路、逻辑驱动电路、转速检测电路。本发明降低了主电路体积、重量和成本，提高运行可靠性；避免PID控制器自身缺陷对调速装置性能不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电机调速装置，特别涉及到一种利用能量平衡关系实现转速控制的直流电机调速装置。
背景技术
直流调速系统由于具有调速特性好、启动转矩大等优点而被广泛地应用于各行各业。现有的直流调速系统多采用PID(比例、积分、微分)控制器来实现对电机转速的控制与调节，虽然PID控制器设计简单、易于实现，但是也存在有带宽窄、控制时滞等问题，限制住了调速系统的性能提高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种针对基于PID控制器的直流调速系统在启动、调速、负荷突变等动态调节过程中由于控制器参数的限制而产生的超调、振荡、动态调节时间过长等不利现象，基于能量平衡关系来实现直流电机调速运行控制的能量控制的直流电机调速装置。
为解决上述技术问题，本发明一种能量控制的直流电机调速装置包括调速主电路和控制电路，调速主电路包括直流电机1、工作电源2、可控开关3、二极管4、励磁电源5，工作电源2通过可控开关3与直流电机1的电枢绕组连接；二极管4并联在直流电机1的电枢绕组两端；励磁电源5与直流电机1的励磁绕组连接；
控制电路包括电压检测电路6、电流检测电路7、输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12、期望电流计算电路13、储能差值计算电路14、动能计算电路15、负载能量计算电路16、输出能量计算电路17、能量比较电路18、时钟电路19、逻辑驱动电路20、转速检测电路21，电压检测电路6与直流电机1的电枢绕组相并联，电压检测电路6输出端与输入能量计算电路8的对应输入端连接；电流检测电路7对直流电机1的电枢电流进行检测，电流检测电路7输出端分别与输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、转矩系数计算电路12的对应输入端连接；输入能量计算电路8的输出端分别与电磁转矩计算电路10、输出能量计算电路17的对应输入端连接；电感储能计算电路9的一个输出端与电磁转矩计算电路10的对应输入端连接，另一个输出端与储能差值计算电路14的对应输入端连接；电磁转矩计算电路10的输出端分别与负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12的对应输入端连接；载转矩计算电路11的输出端分别与期望电流计算电路13、负载能量计算电路16的对应输入端连接；转矩系数计算电路12的输出端与期望电流计算电路13的对应输入端连接；期望电流计算电路13的输出端与储能差值计算电路14的对应输入端连接；储能差值计算电路14的输出端与输出能量计算电路17的对应输入端连接；动能计算电路15的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，动能计算电路15输出端与输出能量计算电路17的对应输入端连接；负载能量计算电路16的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，负载能量计算电路16输出端与能量比较电路18的对应输入端连接；输出能量计算电路17的输出端与能量比较电路18的对应输入端连接；能量比较电路18的输出端与逻辑驱动电路20的对应输入端连接；时钟电路19的输出端分别与能量计算电路8、电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、逻辑驱动电路20的对应输入端连接；逻辑驱动电路20的输出端与可控开关3的控制端连接；转速检测电路21对电机转速进行检测，转速检测电路21输出端分别与电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、动能计算电路15的对应输入端连接。
本发明还包括：
直流电机1将电能转化为机械能，并将转化的机械能传递给负载；
工作电源2为直流电机1的电枢绕组提供工作所需的电能；
可控开关3导通时，工作电源2为直流电机1提供电能，可控开关3关断时，工作电源2停止为直流电机1供电；
当可控开关3关断时，二极管4为直流电机1的电枢电流提供续流通路；
励磁电源5为直流电机1的励磁绕组提供建立磁场所需的电能；
电压检测电路6对直流电机1的电枢绕组的端电压进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8；
电流检测电路7对直流电机1的电枢电流进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、转矩系数计算电路12；
输入能量计算电路8根据电压检测电路6、电流检测电路7和时钟电路19传送的数据，计算从当前控制周期的初始时刻一直到当前时刻的时间段内工作电源2提供给直流电机1的电能Win，并将该计算值传递给电磁转矩计算电路10和输出能量计算电路17；
电感储能计算电路9根据电流检测电路7和时钟电路19传送过来的数据，利用如下公式：
计算出电枢电感在当前控制周期初始时刻时的电感储能值WL0和当前储能变化差值ΔWL10，并将ΔWL10的数值传递给电磁转矩计算电路10，将WL0的数值传递给储能差值计算电路14，公式中La为电枢电感值、I1为当前时刻的电枢电流值、I0为当前控制周期初始时刻时的电枢电流值；
电磁转矩计算电路10根据输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机1的电磁转矩Tem，并将计算结果传送至负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12，公式中矩t1为当前的时间、t0为当前控制周期初始时刻对应的时间、Ω1为直流电机1的当前机械角速度；
负载转矩计算电路11根据电磁转矩计算电路10、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机1的总负载转矩TL，并将计算结果传送至期望电流计算电路13、负载能量计算电路16，公式中Ω0为直流电机1在t0时刻的机械角速度；
转矩系数计算电路12的功能是根据电磁转矩计算电路10、电流检测电路7传送过来的数据，利用如下公式：
计算出转矩系数kT，并将计算结果传送至期望电流计算电路13；
期望电流计算电路13根据负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12传送过来的数据，利用如下公式：
计算出在当前总负载转矩不变的情况下，直流电机1稳态运行时的电枢电流数Iref，并将计算结果传送至储能差值计算电路14；
储能差值计算电路14根据期望电流计算电路13、电感储能计算电路9传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机1电枢电感的期望储能变化差值ΔWLref，并将计算结果传送至输出能量计算电路17；
动能计算电路根据外界提供的转速给定信号n和时钟电路19传送过来的周期信号，利用如下公式:
计算出直流电机1转子动能的变化差值ΔE，并将计算结果传送至输出能量计算电路17，公式中Ωref为与转速给定信号n相对应的机械角速度，公式中J为直流电机1的转子转动惯量；
负载能量计算电路16根据外界提供的转速给定信号n和负载转矩计算电路11传送过来的总负载转矩TL，利用如下公式:
WLoad＝TLΩrefΓ
计算出在一个控制周期时间段内总负载转矩所消耗的能量WLoad，并将计算结果传送至能量比较电路18，公式中Γ为一个控制周期所对应的时间(在本发明中控制周期所对应的时间为常数)；
输出能量计算电路17根据输入能量计算电路8、储能差值计算电路14、动能计算电路15传送过来的数据，利用如下公式：
Wout＝Win-ΔWLref-ΔE
计算出输出能量Wout，并将计算结果传送至能量比较电路18；
能量比较电路18根据负载能量计算电路16和输出能量计算电路17传送过来的数据完成比较运算和输出控制，即当Wout＜WLoad时，电路输出高电平信号，而当Wout≥WLoad时，电路则输出低电平信号，能量比较电路18输出的电平信号传送至逻辑驱动电路20；
时钟电路19产生固定的时钟信号，并将该时钟信号传送至能量计算电路8、电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、逻辑驱动电路20，以确保这五个电路的时钟能够准确同步；
逻辑驱动电路20将能量比较电路18输出的电平信号进行电气隔离和功率放大处理后，传送至可控开关3的驱动控制端，当能量比较电路18的输出电平一旦由高电平变为低电平后，逻辑驱动电路20的输出将一直保持为低电平直至本控制周期结束，等到下一个控制周期开始时，逻辑驱动电路20的输出再与能量比较电路18的输出保持一致；
转速检测电路21对直流电机1的转速进行检测，并将检测结果传送至电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、动能计算电路15。
本发明的有益效果：
(1)调速主电路结构简单，电路中无需采用电感、电容等器件，降低了主电路的体积、重量和成本，提高了运行的可靠性；
(2)控制电路和控制策略中无需采用PID控制器，有效避免了PID控制器自身缺陷对调速装置性能的不利影响；
(3)以一个控制周期时间内的能量平衡关系为控制判据，在控制过程中，充分计及了电能、磁场能、机械能等各种能量的变化及其相互影响，因此在电机速度调节的动态过渡过程中，既可以实现能量的快速变化，缩短调节时间，又可以有效防止能量过剩而引起的超调和振荡现象的发生。
附图说明
图1为能量控制的直流电机调速装置结构图。
具体实施方式
由于直流电机的种类繁多，为了便于分析，本发明具体以他励式直流电机为例，对能量控制的直流电机调速装置进行说明。
本发明所提出的能量控制的直流电机调速装置由调速主电路和控制电路构成。
调速电路由直流电机1、工作电源2、可控开关3、二极管4、励磁电源5构成。其中工作电源2通过可控开关3与直流电机1的电枢绕组连接；二极管4并联在直流电机1的电枢绕组两端；励磁电源5与直流电机1的励磁绕组连接。
控制电路由电压检测电路6、电流检测电路7、输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12、期望电流计算电路13、储能差值计算电路14、动能计算电路15、负载能量计算电路16、输出能量计算电路17、能量比较电路18、时钟电路19、逻辑驱动电路20、转速检测电路21等构成。具体连接关系为：电压检测电路6与直流电机1的电枢绕组相并联，其输出端与输入能量计算电路8的对应输入端连接；电流检测电路7与调速主电路的连接方式应能确保其对直流电机1的电枢电流(流经电枢绕组的电流)进行检测，其输出端分别与输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、转矩系数计算电路12的对应输入端连接；输入能量计算电路8的输出端分别与电磁转矩计算电路10、输出能量计算电路17的对应输入端连接；电感储能计算电路9的一个输出端与电磁转矩计算电路10的对应输入端连接，另一个输出端与储能差值计算电路14的对应输入端连接；电磁转矩计算电路10的输出端分别与负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12的对应输入端连接；载转矩计算电路11的输出端分别与期望电流计算电路13、负载能量计算电路16的对应输入端连接；转矩系数计算电路12的输出端与期望电流计算电路13的对应输入端连接；期望电流计算电路13的输出端与储能差值计算电路14的对应输入端连接；储能差值计算电路14的输出端与输出能量计算电路17的对应输入端连接；动能计算电路15的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，其输出端与输出能量计算电路17的对应输入端连接；负载能量计算电路16的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，其输出端与能量比较电路18的对应输入端连接；输出能量计算电路17的输出端与能量比较电路18的对应输入端连接；能量比较电路18的输出端与逻辑驱动电路20的对应输入端连接；时钟电路19的输出端分别与电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、逻辑驱动电路20的对应输入端连接；逻辑驱动电路20的输出端与可控开关3的控制端连接；转速检测电路21与直流电机1的连接方式应能确保其实现对电机转速的检测，其输出端分别与电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、动能计算电路15的对应输入端连接。
本发明所提出的能量控制的直流电机调速装置，其各个组成部分的功能如下所述：
直流电机1用于实现电能到机械能的转化，并将转化的机械能传递给负载；
工作电源2用于为直流电机1的电枢绕组提供工作所需的电能；
可控开关3导通时(驱动控制信号为高电平时)工作电源2为直流电机1提供电能，可控开关3关断时(驱动控制信号为低电平时)工作电源2停止为直流电机1供电；
二极管4的作用是，当可控开关3关断时，为直流电机1的电枢电流提供续流通路；
励磁电源5为直流电机1的励磁绕组提供建立磁场所需的电能；
电压检测电路6的作用是对直流电机1的电枢绕组的端电压进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8；
电流检测电路7的作用是对直流电机1的电枢电流进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、转矩系数计算电路12；
输入能量计算电路8的功能是根据电压检测电路6、电流检测电路7和时钟电路19传送过来的数据，计算从当前控制周期的初始时刻一直到当前时刻的时间段内工作电源2提供给直流电机1的电能Win，并将该计算值传递给电磁转矩计算电路10和输出能量计算电路17；
电感储能计算电路9的功能是根据电流检测电路7和时钟电路19传送过来的数据，利用公式(1)计算出电枢电感(即为直流电机1电枢绕组等效电感)在当前控制周期初始时刻时的电感储能值WL0和当前储能变化差值ΔWL10，并将ΔWL10的数值传递给电磁转矩计算电路10，将WL0的数值传递给储能差值计算电路14，公式中La为电枢电感值、I1为当前时刻的电枢电流值、I0为当前控制周期初始时刻时的电枢电流值；
电磁转矩计算电路10的功能是根据输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用公式(2)计算出直流电机1的电磁转矩Tem，并将计算结果传送至负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12，公式中矩t1为当前的时间、t0为当前控制周期初始时刻对应的时间、Ω1为直流电机1的当前机械角速度；
负载转矩计算电路11的功能是根据电磁转矩计算电路10、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用公式(3)计算出直流电机1的总负载转矩TL(作用在转子上的所有制动转矩的总和)，并将计算结果传送至期望电流计算电路13、负载能量计算电路16，公式中Ω0为直流电机1在t0时刻的机械角速度；
转矩系数计算电路12的功能是根据电磁转矩计算电路10、电流检测电路7传送过来的数据，利用公式(4)计算出转矩系数kT，并将计算结果传送至期望电流计算电路13；
期望电流计算电路13的功能是根据负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12传送过来的数据，利用公式(5)计算出在当前总负载转矩不变的情况下，直流电机1稳态运行时的电枢电流数Iref，并将计算结果传送至储能差值计算电路14；
储能差值计算电路14的功能是根据期望电流计算电路13、电感储能计算电路9传送过来的数据，利用公式(6)计算出直流电机1电枢电感的期望储能变化差值ΔWLref，并将计算结果传送至输出能量计算电路17；
动能计算电路15的功能是根据外界提供的转速给定信号n和时钟电路19传送过来的周期信号，利用公式(7)计算出直流电机1转子动能的变化差值ΔE，并将计算结果传送至输出能量计算电路17，公式中Ωref为与转速给定信号n相对应的机械角速度，公式中J为直流电机1的转子转动惯量；
负载能量计算电路16的功能是根据外界提供的转速给定信号n和负载转矩计算电路11传送过来的总负载转矩TL，利用公式(8)计算出在一个控制周期时间段内总负载转矩所消耗的能量WLoad，并将计算结果传送至能量比较电路18，公式中Γ为一个控制周期所对应的时间(在本发明中控制周期所对应的时间为常数)；
WLoad＝TLΩrefΓ (8)
输出能量计算电路17的功能是根据输入能量计算电路8、储能差值计算电路14、动能计算电路15传送过来的数据，利用公式(9)计算出输出能量Wout(Wout的含义是：假设在当前控制周期的结束时刻，电枢电流刚好等于Iref，电机转子的机械角速度刚好等于Ωref，那么如果在当前时刻令可控开关3截止，则总负载转矩在该控制周期内所消耗的能量即为Wout)，并将计算结果传送至能量比较电路18；
Wout＝Win-ΔWLref-ΔE (9)
能量比较电路18的功能是根据负载能量计算电路16和输出能量计算电路17传送过来的数据完成比较运算和输出控制，即当Wout＜WLoad时，电路输出高电平信号，而当Wout≥WLoad时，电路则输出低电平信号，能量比较电路18输出的电平信号传送至逻辑驱动电路20；
时钟电路19的功能是产生固定的时钟信号，并将该时钟信号传送至电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、逻辑驱动电路20，以确保这四个电路的时钟能够准确同步；
逻辑驱动电路20的功能是将能量比较电路18输出的电平信号进行电气隔离和功率放大等处理后，传送至可控开关3的驱动控制端，使之能够实现对可控开关3的驱动控制，特别是当能量比较电路18的输出电平一旦由高电平变为低电平后，逻辑驱动电路20的输出将一直保持为低电平直至本控制周期结束(即从能量比较电路18的输出电平由高电平变为低电平时刻开始，一直到本控制周期结束，这期间无论能量比较电路18的输出电平再如何变化，逻辑驱动电路20的输出始终保持为低电平)，等到下一个控制周期开始时，逻辑驱动电路20的输出再与能量比较电路18的输出保持一致；
转速检测电路21的功能是对直流电机1的转速进行检测，并将检测结果传送至电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、动能计算电路15。
直流电机运行过程中，在任意一个控制周期内，如果忽略电枢绕组电阻的损耗，根据能量守恒原理可知：工作电源提供的电能主要转化为电枢绕组的磁场储能增量、转子的动能增量和总负载转矩消耗掉的机械能。因此本发明提出的能量控制的直流电机调速装置，以一个控制周期时间内的能量平衡关系为控制依据，其具体工作原理如下：
首先要将励磁电源5与直流电机1的励磁绕组相连接，建立起电机内部的主磁极磁场；电压检测电路6对直流电机1的电枢绕组的端电压进行实时检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8；电流检测电路7对直流电机1的电枢电流进行实时检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、转矩系数计算电路12；转速检测电路21对直流电机1的转速进行实时检测，并将检测结果传送至电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、动能计算电路15；时钟电路19输出固定的时钟信号，该时钟信号被送至电感储能计算电路9、电磁转矩计算电路10、负载转矩计算电路11、逻辑驱动电路20，以确保这四个电路的时钟能够准确同步；输入能量计算电路8根据电压检测电路6、电流检测电路7和时钟电路19传送过来的数据，计算从当前控制周期的初始时刻一直到当前时刻的时间段内工作电源2提供给直流电机1的电能Win，并将该计算值传递给电磁转矩计算电路10和输出能量计算电路17；电感储能计算电路9根据电流检测电路7和时钟电路19传送过来的数据，利用公式(1)计算出电枢电感在当前控制周期初始时刻时的电感储能值WL0和当前储能变化差值ΔWL10，并将ΔWL10的数值传递给电磁转矩计算电路10，将WL0的数值传递给储能差值计算电路14；电磁转矩计算电路10根据输入能量计算电路8、电感储能计算电路9、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用公式(2)计算出直流电机1的电磁转矩Tem，并将计算结果传送至负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12；负载转矩计算电路11根据电磁转矩计算电路10、时钟电路19、转速检测电路21传送过来的数据，利用公式(3)计算出直流电机1的总负载转矩TL，并将计算结果传送至期望电流计算电路13、负载能量计算电路16；转矩系数计算电路12根据电磁转矩计算电路10、电流检测电路7传送过来的数据，利用公式(4)计算出转矩系数kT，并将计算结果传送至期望电流计算电路13；期望电流计算电路13根据负载转矩计算电路11、转矩系数计算电路12传送过来的数据，利用公式(5)计算出在当前总负载转矩不变的情况下，直流电机1稳态运行时的电枢电流数Iref，并将计算结果传送至储能差值计算电路14；储能差值计算电路14根据期望电流计算电路13、电感储能计算电路9传送过来的数据，利用公式(6)计算出直流电机1电枢电感的期望储能变化差值ΔWLref，并将计算结果传送至输出能量计算电路17；动能计算电路15根据外界提供的转速给定信号n和时钟电路19传送过来的周期信号，利用公式(7)计算出直流电机1转子动能的变化差值ΔE，并将计算结果传送至输出能量计算电路17；负载能量计算电路16根据外界提供的转速给定信号n和负载转矩计算电路11传送过来的总负载转矩TL，利用公式(8)计算出在一个控制周期时间段内总负载转矩所消耗的能量WLoad，并将计算结果传送至能量比较电路18；输出能量计算电路17根据输入能量计算电路8、储能差值计算电路14、动能计算电路15传送过来的数据，利用公式(9)计算出输出能量Wout，并将计算结果传送至能量比较电路18；能量比较电路18根据负载能量计算电路16和输出能量计算电路17传送过来的数据完成比较运算和输出控制，当Wout＜WLoad时，能量比较电路18输出高电平信号，该高电平信号经过逻辑驱动电路20的电气隔离和功率放大等处理后控制可控开关3导通，工作电源2为电枢绕组提供电能，致使电枢电流上升、转子转速和转子动能增加，当I0＞Iref后，ΔWLref变为负值，当Ω0＞Ωref后，ΔE变为负值，因此随着工作电源2提供的电能不断增加，Wout的值必然会变大，最终在某一个控制周期内出现Wout≥WLoad的情况；当判断出Wout≥WLoad后，能量比较电路18的输出立即翻转为低电平信号，该低电平信号经过逻辑驱动电路20的处理后控制可控开关3变为截止状态，工作电源2停止为电枢绕组提供电能，电枢电流经过二极管4构成闭合回路，电枢电流开始减小、转子转速和转子动能下降，逻辑驱动电路20的输出会一直保持为低电平直至下一个控制周期开始；在每一个新的控制周期开始时，逻辑驱动电路20的输出电平会再次与能量比较电路18的输出电平相一致，控制电路中的各个组成部分都会重复上述的计算和控制过程，最终使得Wout的值与WLoad近似相等，即直流电机1的实际转速与给定转速近似相等，达到了调速运行的控制目标。
实施方式一
直流电机1可选用现有的各种型号的他励式直流电机；
工作电源2可选用现有的各种能够满足直流电机运行需求的直流电源；
可控开关3可选用现有的各种能够满足设计需求和实现通、断控制的电力电子器件；
二极管4可选用现有的各种能够满足设计需求的续流二极管；
励磁电源5可选用现有的各种能够满足直流电机励磁需求的直流电源；
电压检测电路6可参照现有的各种具有电压检测和数据传送功能的电路进行设计和实现，例如可以采用霍尔型电压传感器辅以相应的信号处理电路。
电流检测电路7可参照现有的各种具有电流检测和数据传送功能的电路进行设计和实现，例如可以采用霍尔型电流传感器辅以相应的信号处理电路。
输入能量计算电路8可采用具备根据输入电压和电流信号完成一定时间段内能量计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
电感储能计算电路9可采用能够实现公式(1)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
电磁转矩计算电路10可采用能够实现公式(2)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
负载转矩计算电路11可采用能够实现公式(3)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
转矩系数计算电路12可采用能够实现公式(4)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
期望电流计算电路13可采用能够实现公式(5)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
储能差值计算电路14可采用能够实现公式(6)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
动能计算电路15可采用能够实现公式(7)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
负载能量计算电路16可采用能够实现公式(8)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
输出能量计算电路17可采用能够实现公式(9)计算功能的电路来实现，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
能量比较电路18可采用能够实现数据比较和输出电平控制的电路来实现，例如选用比较器辅以相应的外围电路来实现。
时钟电路19可采用现有的各种时钟信号电路来设计和实现。
逻辑驱动电路20可采用具有输入信号逻辑分析和输出电平控制的电路与现有的各种驱动电路相结合的方案来设计和实现，例如可采用单片机与驱动芯片相结合的方式来设计和实现。
转速检测电路21可采用现有的各种电机转速传感器和检测电路来设计和实现。
Claims (2)
1.一种能量控制的直流电机调速装置，其特征在于：包括调速主电路和控制电路，调速主电路包括直流电机(1)、工作电源(2)、可控开关(3)、二极管(4)、励磁电源(5)，工作电源(2)通过可控开关(3)与直流电机(1)的电枢绕组连接；二极管(4)并联在直流电机(1)的电枢绕组两端；励磁电源(5)与直流电机(1)的励磁绕组连接；
控制电路包括电压检测电路(6)、电流检测电路(7)、输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)、期望电流计算电路(13)、储能差值计算电路(14)、动能计算电路(15)、负载能量计算电路(16)、输出能量计算电路(17)、能量比较电路(18)、时钟电路(19)、逻辑驱动电路(20)、转速检测电路(21)，电压检测电路(6)与直流电机(1)的电枢绕组相并联，电压检测电路(6)输出端与输入能量计算电路(8)的对应输入端连接；电流检测电路(7)对直流电机(1)的电枢电流进行检测，电流检测电路(7)输出端分别与输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、转矩系数计算电路(12)的对应输入端连接；输入能量计算电路(8)的输出端分别与电磁转矩计算电路(10)、输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；电感储能计算电路(9)的一个输出端与电磁转矩计算电路(10)的对应输入端连接，另一个输出端与储能差值计算电路(14)的对应输入端连接；电磁转矩计算电路(10)的输出端分别与负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)的对应输入端连接；载转矩计算电路(11)的输出端分别与期望电流计算电路(13)、负载能量计算电路(16)的对应输入端连接；转矩系数计算电路(12)的输出端与期望电流计算电路(13)的对应输入端连接；期望电流计算电路(13)的输出端与储能差值计算电路(14)的对应输入端连接；储能差值计算电路(14)的输出端与输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；动能计算电路(15)的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，动能计算电路(15)输出端与输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；负载能量计算电路(16)的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，负载能量计算电路(16)输出端与能量比较电路(18)的对应输入端连接；输出能量计算电路(17)的输出端与能量比较电路(18)的对应输入端连接；能量比较电路(18)的输出端与逻辑驱动电路(20)的对应输入端连接；时钟电路(19)的输出端分别与能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、逻辑驱动电路(20)的对应输入端连接；逻辑驱动电路(20)的输出端与可控开关(3)的控制端连接；转速检测电路(21)对电机转速进行检测，转速检测电路(21)输出端分别与电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、动能计算电路(15)的对应输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种能量控制的直流电机调速装置，其特征在于：直流电机(1)将电能转化为机械能，并将转化的机械能传递给负载；
工作电源(2)为直流电机(1)的电枢绕组提供工作所需的电能；
可控开关(3)导通时，工作电源(2)为直流电机1提供电能，可控开关(3)关断时，工作电源(2)停止为直流电机(1)供电；
当可控开关(3)关断时，二极管(4)为直流电机(1)的电枢电流提供续流通路；
励磁电源(5)为直流电机(1)的励磁绕组提供建立磁场所需的电能；
电压检测电路(6)对直流电机(1)的电枢绕组的端电压进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路(8)；
电流检测电路(7)对直流电机(1)的电枢电流进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、转矩系数计算电路(12)；
输入能量计算电路(8)根据电压检测电路(6)、电流检测电路(7)和时钟电路(19)传送的数据，计算从当前控制周期的初始时刻一直到当前时刻的时间段内工作电源(2)提供给直流电机(1)的电能Win，并将该计算值传递给电磁转矩计算电路(10)和输出能量计算电路(17)；
电感储能计算电路(9)根据电流检测电路(7)和时钟电路(19)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出电枢电感在当前控制周期初始时刻时的电感储能值WL0和当前储能变化差值ΔWL10，并将ΔWL10的数值传递给电磁转矩计算电路(10)，将WL0的数值传递给储能差值计算电路(14)，公式中La为电枢电感值、I1为当前时刻的电枢电流值、I0为当前控制周期初始时刻时的电枢电流值；
电磁转矩计算电路(10)根据输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、时钟电路(19)、转速检测电路(21)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机(1)的电磁转矩Tem，并将计算结果传送至负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)，公式中矩t1为当前的时间、t0为当前控制周期初始时刻对应的时间、Ω1为直流电机(1)的当前机械角速度；
负载转矩计算电路(11)根据电磁转矩计算电路(10)、时钟电路(19)、转速检测电路(21)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机(1)的总负载转矩TL，并将计算结果传送至期望电流计算电路(13)、负载能量计算电路(16)，公式中Ω0为直流电机(1)在t0时刻的机械角速度；
转矩系数计算电路(12)的功能是根据电磁转矩计算电路(10)、电流检测电路(7)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出转矩系数kT，并将计算结果传送至期望电流计算电路(13)；
期望电流计算电路(13)根据负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出在当前总负载转矩不变的情况下，直流电机(1)稳态运行时的电枢电流数Iref，并将计算结果传送至储能差值计算电路(14)；
储能差值计算电路(14)根据期望电流计算电路(13)、电感储能计算电路(9)传送过来的数据，利用如下公式：
计算出直流电机(1)电枢电感的期望储能变化差值ΔWLref，并将计算结果传送至输出能量计算电路(17)；
动能计算电路根据外界提供的转速给定信号n和时钟电路(19)传送过来的周期信号，利用如下公式:
计算出直流电机(1)转子动能的变化差值ΔE，并将计算结果传送至输出能量计算电路(17)，公式中Ωref为与转速给定信号n相对应的机械角速度，公式中J为直流电机(1)的转子转动惯量；
负载能量计算电路(16)根据外界提供的转速给定信号n和负载转矩计算电路(11)传送过来的总负载转矩TL，利用如下公式:
WLoad＝TLΩrefΓ
计算出在一个控制周期时间段内总负载转矩所消耗的能量WLoad，并将计算结果传送至能量比较电路(18)，公式中Γ为一个控制周期所对应的时间(在本发明中控制周期所对应的时间为常数)；
输出能量计算电路(17)根据输入能量计算电路(8)、储能差值计算电路(14)、动能计算电路(15)传送过来的数据，利用如下公式：
Wout＝Win-ΔWLref-ΔE
计算出输出能量Wout，并将计算结果传送至能量比较电路(18)；
能量比较电路(18)根据负载能量计算电路(16)和输出能量计算电路(17)传送过来的数据完成比较运算和输出控制，即当Wout＜WLoad时，电路输出高电平信号，而当Wout≥WLoad时，电路则输出低电平信号，能量比较电路(18)输出的电平信号传送至逻辑驱动电路(20)；
时钟电路(19)产生固定的时钟信号，并将该时钟信号传送至能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、逻辑驱动电路(20)，以确保这五个电路的时钟能够准确同步；
逻辑驱动电路(20)将能量比较电路(18)输出的电平信号进行电气隔离和功率放大处理后，传送至可控开关(3)的驱动控制端，当能量比较电路(18)的输出电平一旦由高电平变为低电平后，逻辑驱动电路(20)的输出将一直保持为低电平直至本控制周期结束，等到下一个控制周期开始时，逻辑驱动电路(20)的输出再与能量比较电路(18)的输出保持一致；
转速检测电路(21)对直流电机(1)的转速进行检测，并将检测结果传送至电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、动能计算电路(15)。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110474533A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-11-19 | 哈尔滨工程大学 | 一种直流变换器内部等效电阻辨识电路 |
| CN111049436A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种直流电动机电磁转矩辨识电路 |
| WO2022063068A1 (zh) * | 2020-09-25 | 2022-03-31 | 华为技术有限公司 | 一种保护装置和无刷电机系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103683570A (zh) * | 2013-12-22 | 2014-03-26 | 宁德狮虎能源科技有限公司 | 一种电机及其反激式控制方法和能量环流控制方法 |
| CN104009693A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-08-27 | 南京航空航天大学 | 一种无刷直流电机控制方法 |
| CN104160614A (zh) * | 2013-03-07 | 2014-11-19 | 三菱电机株式会社 | 交流电动机驱动系统 |
| CN105099290A (zh) * | 2015-07-29 | 2015-11-25 | 合肥工业大学 | 一种永磁无刷直流电机控制方法 |
| CN106452073A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-02-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种dc‑dc电力变换器能量控制电路及其控制方法 |
| CN108092574A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-05-29 | 山东交通学院 | 基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法 |
-
2018
- 2018-07-13 CN CN201810771484.8A patent/CN108923705B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104160614A (zh) * | 2013-03-07 | 2014-11-19 | 三菱电机株式会社 | 交流电动机驱动系统 |
| CN103683570A (zh) * | 2013-12-22 | 2014-03-26 | 宁德狮虎能源科技有限公司 | 一种电机及其反激式控制方法和能量环流控制方法 |
| CN104009693A (zh) * | 2014-04-09 | 2014-08-27 | 南京航空航天大学 | 一种无刷直流电机控制方法 |
| CN105099290A (zh) * | 2015-07-29 | 2015-11-25 | 合肥工业大学 | 一种永磁无刷直流电机控制方法 |
| CN106452073A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-02-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种dc‑dc电力变换器能量控制电路及其控制方法 |
| CN108092574A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-05-29 | 山东交通学院 | 基于能量平衡的电动汽车用永磁同步电机控制系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 裘君等: "基于能量整型方法的永磁同步直线电机位置控制", 《机电工程》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110474533A (zh) * | 2019-07-04 | 2019-11-19 | 哈尔滨工程大学 | 一种直流变换器内部等效电阻辨识电路 |
| CN111049436A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种直流电动机电磁转矩辨识电路 |
| WO2022063068A1 (zh) * | 2020-09-25 | 2022-03-31 | 华为技术有限公司 | 一种保护装置和无刷电机系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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