CN111049436A - 一种直流电动机电磁转矩辨识电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流电动机电磁转矩辨识电路，属于电路设计领域。本发明主要由电压检测电路、电流检测电路、转速检测电路、时钟电路、输入能量计算电路、电感储能计算电路、平均转速计算电路、电磁功率计算电路、转矩计算电路等部分构成。本发明无需增加额外的检测电路和传感器，有利于降低硬件成本，提高运行的可靠性；并且辨识电路的工作原理简单，无需建立复杂而精确的电机数学模型，对于电机自身的参数只需已知电枢绕组等效电感即可进行电磁转矩辨识，具备很好的实用性；本发明还利用多个硬件电路实现对数据的并行处理，因此具有辨识速度快、实时性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电动机的电磁转矩辨识电路，特别涉及到一种通过对数据的采集和计算来对他励式直流电动机的电磁转矩进行实时辨识的辨识电路，属于电路设计领域。
背景技术
他励式直流电动机调速系统由于具有控制简单、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。在各种他励式直流电动机调速系统中，为了进一步提升调速性能，往往需要对电动机运行过程中的电磁转矩进行检测。现有电磁转矩检测方法可分为两种：一种是利用转矩传感器直接对电磁转矩进行测量；另一种方法是利用检测到的电压、电流和转速等数据，依据直流电动机的数学模型，采用辨识算法来推导并计算出电磁转矩的大小。
采用转矩传感器对电磁转矩进行测量的方法虽然具有检测精度高，占用计算资源少等优点，但是其会增加机组的轴向长度，并且传感器本身易于损坏，降低了调速系统的可靠性。而现有的各种电磁转矩辨识算法，由于算法复杂，需占用较多的计算资源，降低了控制系统的运算速度。
发明内容
本发明提供了一种直流电动机电磁转矩辨识电路，本发明无需转矩传感器，利用检测到的电压、电流和转速数据，依据简单的计算过程，实现电磁转矩的快速辨识。
本发明技术方案如下：
本发明主要由电压检测电路1、电流检测电路2、转速检测电路3、时钟电路4、输入能量计算电路5、电感储能计算电路6、平均转速计算电路7、电磁功率计算电路8、转矩计算电路9等部分构成。
电压检测电路1并联在他励式直流电动机电枢绕组两端以实现对电枢绕组端电压的检测，其输出端与输入能量计算电路5的对应输入端连接；
电流检测电路2与他励式直流电动机电枢绕组串联以实现对流过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5和电感储能计算电路6的对应输入端连接；
转速检测电路3的安装方式要确保其能够对他励式直流电动机的转速进行检测，其输出端与平均转速计算电路7的对应输入端连接；
时钟电路4的输出端分别与输入能量计算电路5、电感储能计算电路6、平均转速计算电路7、电磁功率计算电路8、转矩计算电路9的对应输入端连接；
输入能量计算电路5的输出端与电磁功率计算电路8的对应输入端连接；
电感储能计算电路6的输出端与电磁功率计算电路8的对应输入端连接；
平均转速计算电路7的输出端与转矩计算电路9的对应输入端连接；
电磁功率计算电路8的输出端与转矩计算电路9的对应输入端连接；
转矩计算电路9的输出端与外部需要电磁转矩信号的其他装置相连接。
本发明各组成部分具体功能如下：
电压检测电路1用于对他励式直流电动机电枢绕组的端电压进行实时检测，并将检测到的电压数据传递给输入能量计算电路5；
电流检测电路2用于对他励式直流电动机电枢绕组中的电枢电流进行实时检测，并将检测到的电流数据分别传递给输入能量计算电路5和电感储能计算电路6；
转速检测电路3用于对他励式直流电动机的转速进行实时检测，并将检测到的转速数据传递给平均转速计算电路7；
时钟电路4用于产生固定频率和占空比的时钟信号，并将该时钟信号分别传送给输入能量计算电路5、电感储能计算电路6、平均转速计算电路7、电磁功率计算电路8和转矩计算电路9；
输入能量计算电路5依据电压检测电路1传送来的电压数据和电流检测电路2传送来的电流数据，计算出在每一个时钟信号周期内，外部电源提供给电枢绕组的输入能量，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的输入能量传送至电磁功率计算电路8；
电感储能计算电路6依据电流检测电路2传送来的电流数据，计算出在每一个时钟信号周期内，时钟信号初始时刻电感(本发明中的电感特指电枢绕组的等效电感，下同)所存储的能量和时钟信号结束时刻电感所存储的能量，并将时钟信号结束时刻电感所存储的能量减去时钟信号初始时刻电感所存储的能量的差值作为该时钟信号周期内的电感储能增量，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的电感储能增量传送至电磁功率计算电路8；
平均转速计算电路7依据转速检测电路3传送来的转速数据，计算出每一个时钟信号周期内的机械角速度平均值，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的机械角速度平均值传送至转矩计算电路9；
电磁功率计算电路8将输入能量计算电路5传递来的输入能量作为被减数，将电感储能计算电路6传送来的电感储能增量作为减数，计算出两者的差值，再将该差值除以一个时钟信号周期所对应的时长，即得到在上一个时钟信号周期内的平均电磁功率值，并将该平均电磁功率值传送至转矩计算电路9；
转矩计算电路9将电磁功率计算电路8传递来的平均电磁功率值作为被除数，将平均转速计算电路7传递来的机械角速度平均值作为除数，进行除法运算进而计算出电磁转矩，并将计算出的电磁转矩传送给外部其他设备。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)电磁转矩辨识电路采用的电压检测电路、电流检测电路和转速检测电路都是常规直流调速系统的组成部分，因此无需增加额外的检测电路和传感器，有利于降低硬件成本，提高运行的可靠性；
(2)电磁转矩辨识电路的工作原理简单，无需建立复杂而精确的电机数学模型，对于电机自身的参数只需已知电枢绕组等效电感即可进行电磁转矩辨识，因此具备很好的实用性；
(3)利用多个硬件电路实现对数据的并行处理，因此本发明所提出的电磁转矩辨识电路具有辨识速度快、实时性好的优点。
附图说明
图1为能量控制的直流电机调速装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
他励式直流电动机的励磁绕组由外部励磁电源提供励磁电流，在电机内部产生主磁场。他励式直流电动机的电枢绕组与外部的调速电路连接，进而获得电枢电流。在他励式直流电动机调速运行过程中，电磁转矩辨识电路工作原理如下：
电压检测电路1对电枢绕组的端电压进行实时检测，并将检测到的电压数据传递给输入能量计算电路5；
电流检测电路2对电枢绕组中的电枢电流进行实时检测，并将检测到的电流数据分别传递给输入能量计算电路5和电感储能计算电路6；
转速检测电路3对电动机的转速进行实时检测，并将检测到的转速数据传递给平均转速计算电路7；
时钟电路4产生固定频率和占空比的时钟信号，并将该时钟信号分别传送给输入能量计算电路5、电感储能计算电路6、平均转速计算电路7、电磁功率计算电路8和转矩计算电路9；
输入能量计算电路5依据电压检测电路1传送来的电压数据和电流检测电路2传送来的电流数据，计算出在每一个时钟信号周期内，外部电源提供给电枢绕组的输入能量，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的输入能量传送至电磁功率计算电路8；
电感储能计算电路6依据电流检测电路2传送来的电流数据，计算出在每一个时钟信号周期内，该时钟信号初始时刻电感所存储的能量和该时钟信号结束时刻电感所存储的能量，并将时钟信号结束时刻电感所存储的能量减去时钟信号初始时刻电感所存储的能量的差值作为该时钟信号周期内的电感储能增量，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的电感储能增量传送至电磁功率计算电路8；
平均转速计算电路7依据转速检测电路3传送来的转速数据，计算出每一个时钟信号周期内的机械角速度平均值，并且在下一个时钟信号开始后，将计算出的上一个时钟信号周期内的机械角速度平均值传送至转矩计算电路9；
电磁功率计算电路8将输入能量计算电路5传递来的输入能量作为被减数，将电感储能计算电路6传送来的电感储能增量作为减数，计算出两者的差值，再将该差值除以一个时钟信号周期所对应的时长，即得到在上一个时钟信号周期内的平均电磁功率值，并将该平均电磁功率值传送至转矩计算电路9；
转矩计算电路9将电磁功率计算电路8传递来的平均电磁功率值作为被除数，将平均转速计算电路7传递来的机械角速度平均值作为除数，进行除法运算进而计算出电磁转矩，并将计算出的电磁转矩传送给外部其他设备。
实施方法一
电压检测电路1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2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。
转速检测电路3可参照现有的各种具有转速检测和数据传送功能的电路进行设计和实现，例如可以采用光电码盘辅以相应的信号处理电路。
时钟电路4可采用现有的各种时钟信号电路来设计和实现。
输入能量计算电路5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，例如选用积分电路或数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
电感储能计算电路6可采用具备乘法、减法等运算功能和数据传送功能的电路构成，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
平均转速计算电路7可采用具备根据输入转速信号完成一定时间段内的机械角速度平均值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。
电磁功率计算电路8可采用具备减法、除法等运算功能和数据传送功能的电路构成，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
转矩计算电路9可采用具备除法等运算功能和数据传送功能的电路构成，例如选用数字信号处理器(DSP)辅以相应的外围电路来实现。
Claims (5)
1.一种直流电动机电磁转矩辨识电路，其特征在于：由电压检测电路(1)、电流检测电路(2)、转速检测电路(3)、时钟电路(4)、输入能量计算电路(5)、电感储能计算电路(6)、平均转速计算电路(7)、电磁功率计算电路(8)、转矩计算电路(9)构成；
电压检测电路并联在他励式直流电动机电枢绕组两端，其输出端与输入能量计算电路的对应输入端连接；
电流检测电路与他励式直流电动机电枢绕组串联，其输出端分别与输入能量计算电路和电感储能计算电路的对应输入端连接；
转速检测电路连接时要确保其能够对他励式直流电动机的转速进行检测，其输出端与平均转速计算电路的对应输入端连接；
时钟电路的输出端分别与输入能量计算电路、电感储能计算电路、平均转速计算电路、电磁功率计算电路、转矩计算电路的对应输入端连接；
输入能量计算电路的输出端与电磁功率计算电路的对应输入端连接；
电感储能计算电路的输出端与电磁功率计算电路的对应输入端连接；
平均转速计算电路的输出端与转矩计算电路的对应输入端连接；
电磁功率计算电路的输出端与转矩计算电路的对应输入端连接；
转矩计算电路的输出端与外部需要电磁转矩信号的其他装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流电动机电磁转矩辨识电路，其特征在于：所述的电压检测电路由霍尔型电压传感器以及相应的信号处理电路构成。
3.根据权利要求1所述的一种直流电动机电磁转矩辨识电路，其特征在于：所述的电流检测电路由霍尔型电流传感器以及相应的信号处理电路构成。
4.根据权利要求1所述的一种直流电动机电磁转矩辨识电路，其特征在于：所述的转速检测电路由光电码盘辅以及相应的信号处理电路构成。
5.根据权利要求1所述的一种直流电动机电磁转矩辨识电路，其特征在于：所述的输入能量计算电路、电感储能计算电路、平均转速计算电路、电磁功率计算电路、转矩计算电路分别由数字信号处理器(DSP)以及相应的外围电路来构成。
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| US20130053767A1 (en) * | 2009-06-16 | 2013-02-28 | Daniel Michael Pivonka | Method of making and using an apparatus for a locomotive micro-implant using active electromagnetic propulsion |
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