基于電機(jī)工作原理的工程機(jī)械線控技術(shù)研究

【摘 要】工程機(jī)械電力傳動(dòng)在工程中有廣泛的應(yīng)用，按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的不同，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)四種。這里主要介紹了永磁無刷直流電機(jī)的工作原理和機(jī)械特性。提出工程機(jī)械控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真模型，對各模塊功能及實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行說明。將總線技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了工程機(jī)械的智能化、信息化和模塊化控制。

【關(guān)鍵詞】工程機(jī)械；電機(jī)；電力驅(qū)動(dòng)；線控技術(shù)

工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)最初主要采用機(jī)械傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)方式。現(xiàn)在，液壓和電力傳動(dòng)的傳動(dòng)方式也出現(xiàn)在工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)裝置中。與純機(jī)械和液力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性。

一、永磁無刷直流電機(jī)工作原理和機(jī)械特性

（1）永磁無刷直流電機(jī)工作原理。永磁無刷直流電機(jī)是用電子換相替代電刷換相的一種新型直流電機(jī)。它由驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)主體組成。如下圖所示，驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正/反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速，提供保護(hù)和顯示等等。電機(jī)主體是一個(gè)典型的電壓型交－直－交電路，逆變器提供等幅等頻5-26kHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。通過永磁體N-S交替變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的六種狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生T1-T4導(dǎo)通、T1-T6導(dǎo)通、T3-T6導(dǎo)通、T3-T2導(dǎo)通、T5-T2導(dǎo)通、T5-T4導(dǎo)通，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，電機(jī)產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圖1 永磁無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)原理

（2）永磁無刷直流電機(jī)機(jī)械特性。在電機(jī)負(fù)載不變的情況下，電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載決定，因而此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組兩端的電壓。故通常多采用PWM調(diào)制方式，通過PWM信號(hào)的不同占空比可以獲得可變電壓，進(jìn)而得到不同的轉(zhuǎn)速。

二、工程機(jī)械電力線控技術(shù)

隨著控制系統(tǒng)在工程機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，以及新的控制方法的出現(xiàn)，一般的離線仿真對算法和控制其的驗(yàn)證已不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。因?yàn)樵谝话愕碾x線仿真控制系統(tǒng)中，首先需要提取出受控對象的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)受控對象的數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)控制器。近幾年在線仿真系統(tǒng)越來越多地用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，常被稱之為半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真平臺(tái)主要由主控計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、控制原型機(jī)、A/D接口、D/A接口及相關(guān)能源設(shè)備、記錄設(shè)備等組成。其中被控對象采用數(shù)學(xué)仿真，由安裝dSPACE的主控計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)；主控計(jì)算機(jī)用dSPACE、Matlab/simulink等標(biāo)準(zhǔn)組件作為控制計(jì)算機(jī)的快速原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)功能；仿真計(jì)算機(jī)通過A/D、D/A等輸入輸出口與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器與外界設(shè)備的信息交換。輸入和輸出信息分別從轉(zhuǎn)接口和的dSPACE引出，通過記錄儀進(jìn)行記錄。現(xiàn)場總線組網(wǎng)的智能信息化裝備系統(tǒng)可分為四個(gè)獨(dú)立部分：工作裝置管理系統(tǒng)、底盤管理系統(tǒng)、駕駛室控制管理系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)。線控底盤及底盤管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)獨(dú)立完成工程機(jī)械的行走、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和懸掛等功能，通過底盤管理系統(tǒng)，這種自成一體的底盤形式可以靈活得適應(yīng)不同地面。對行走和制動(dòng)過程的進(jìn)一步研究，可以利用液壓方式和電子方式回收一部分能源，從而可以達(dá)到節(jié)能的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳俊峰．永磁電機(jī)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982

[2]洪南生，吳漢光．永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J]．微特電機(jī)．1997（1）

[3]Hyun-Soo Song，Jin-Woo Ahn，Seok-Gyu Oh，Sung-Jun Park．

Anapplication of 5kW srm for LSEV driver[C/CD]．Korea：EVS-19CD．2002