机电控制及自动化论文讲解Word格式.docx

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下面对系统各部分进行简要介绍。

AC4模块（三相异步电动机）

三相异步电动机仿真模型如上图所示。

实现原理：

三相交流电源依次经三相二极管整流、三相逆变器和电压电流测量模块给异步电动机供电；

给定转速加于速度控制器，经过磁链查表输出给定磁链；

给定速度与速度反馈（实际速度）比较后经过PI调节器输出给定转矩信号，同时速度控制器模块输出控制信号加于电机信号分离器。

子系统包括转矩和磁链滞环控制模块、转矩和磁链观测模块、磁链扇区判别模块、电压矢量开关表和开关控制器，给定转矩和磁链分别与实际转矩和磁链取差值，然后分别经过转矩和磁链滞环比较器，与磁链扇区sector一起输入到电压开关矢量表中，选择合适的电压矢量；

电压电流测量模块输出i_ab和VA_abc,送入到转矩和磁链观测模块，用于计算磁链。

然后通过直接转矩控制系统控制交流电动机的运行状态。

DTC模块（直接转矩控制）

直接转矩控制（DirectTorqueControl——DTC），直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。

直接转矩控制模块结构如下图所示。

转矩给定Torque、磁通给定Flux、电流I_ab和电压V_abc输入信号都经过采样开关，DTC模块包括转矩和磁通计算、滞环控制、磁通选择、开关表、开关控制等单元。

DTC模块输出是三相逆变器开关器件的驱动信号。

直接转矩控制系统采用6个开关器件组成的桥式三相逆变器，该逆变器有8钟开关状态，可得到6个互差600的电压空间矢量和两个零矢量。

通过改变逆变器的开关状态控制定子磁链的运行轨迹，从而控制交流电动机的运行。

直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。

这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。

由于转矩和磁通作为电机参数是被直接控制的，所以不需要使用类似于PWM控制中的调制器来控制频率和电压。

这种控制方式剔除了中间环节并提升了传动改变转矩的响应速度。

DTC不需要反馈设备也可以提供精确的转矩控制。

直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。

它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。

与此同时系统用到了直流斩波器。

直流斩波器是一种把一定形式的直流电压变换成负载所需的直流电压的变流装置。

它通过周期性地快速开通、关断，把输入电压斩成一系列的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率可以相并联，通过直流斩波器的斩波作用，可以调节并联等效电阻的阻值，这一过程称为调阻。

若将直流斩波器串联在电机的励磁回路中，通过斩波作用调节励磁电流，从而调节电机的磁场大小调节输出电压的平均值，因此直流斩波器的基本作用是进行直流电压的变换，即调压作用。

直流斩波器除了可以调节直流电压外，还可以进行调阻和调磁。

由直流斩波器和一个固定电阻，这一过程称为调磁。

因此，直流斩波器具有调压、调阻和调磁的作用。

DC2模块（四象限单相整流直流电机）

四象限单相整流直流电机仿真系统如上图所示。

机械轴模块

机械轴模型仿真结果

结果分析：

第一通道信号是AC4电机的输出电流，开始起动时电流较大，当AC4电机工作稳定时，电流也随之减小，当1.4s时参考转矩为0N·

m时，AC4电动机空转，输出电流基本为0，1.9s时，DC2模型工作在电动机状态，AC4模型工作在发电机状态，输出电流增加，随着转速的降低即逐渐将为200rpm，输出电流也逐渐减小。

第二通道信号是电机轴的电磁转矩（AC4模型的转矩），第二通道信号是参考转矩，同时也把它送入AC4模块中，那么AC4将会对输入的转矩进行追踪跟随，通过参考转矩与电机轴输出转矩（电磁转矩）之间的对比关系，从图中可以很容易的看出在参考转矩在0~1.4s时，转矩是-10N·

m，这时DC2工作于发电机的状态，那么此时AC4电机就工作在电动机状态，同时因为刚起动的原因有一个负载扰动，所以有一个尖脉冲，紧接着跟随参考转矩，经过一小段时间转矩平均值稳定在了10N·

m左右，在1.4s的时候参考转矩出现了阶跃变为了0N·

m，那么电动机AC4就在空转，电机轴输出的转矩也就为0N·

m，在1.9s时参考转矩变化为10N·

m，这时DC2工作在电动机状态，此时的AC4工作在发电机状态，因为AC4模块对参考转矩的追踪跟随，所以在1.9s后的一小段时间之后，电机轴的输出转矩稳定在了-10N·

m。

可以看出AC4电机的性能良好。

第三通道信号中的曲线显示了电机轴输出转速，电机轴的输出转速即是AC4电机和DC2电机的转速，我们可以发现，刚开始AC4电机在0~1s时电机的转速从0一直增加到400rpm，从1s~2.3s电机转速稳定在400rpm，在2.3s时参考速度将为200rpm，因为AC4电机是跟随参考转速的所以也随之变化为200rpm，并且0~1s与2.3s的速度变化呈线性，比较平稳。

第四通道信号负载转矩信号与第二通道信号相同，即负载转矩反映了AC4电机的转矩。

第五通道信号为DC2电机的转矩信号，因为DC2电机对参考转矩的跟随特性，所以DC2电机的转矩曲线除了在参考转矩信号的阶跃处稍有波动基本和第二通道信号（参考转矩）一样。

简要的来说，就是在稳定状态，AC4电动转矩和速度的象位是相同的，这说明AC4电机运行。

DC2的电动扭矩和速度是相反的迹象，这说明DC2的作为发电机运行。

在t=0秒，-10 

Nm的参考转矩施加到DC2；

在t=1.0秒 

，AC4电机转速达到要求值，400转/秒。

在那一刻，AC4电动扭矩下降到10Nm；

在t=1.4秒，0 

Nm的参考转矩施加到DC2，AC4电动扭矩立即下降到零，以维持调节的速度；

在t=1.9秒，+10 

Nm的参考转矩施加到DC2的驱动器，两个驱动器的速度和扭矩的迹象看，迫使AC4作为一台发电机和DC2作电机；

在t=2.3s，负参考-400转/秒的速度斜坡应用于AC4；

在t=2.8s达到一个新的稳定状态，AC4电动扭矩稳定在-10 

Nm也显示了机械轴的扭矩。

助力转向机构

sh_hydraulic_power_assisted_steering

助力转向系统是以发动机输出的部分动力为能源来增大驾驶员操纵转向的力量，从而使转向操纵轻便，同时转向器的角传动比还较小，故又能满足转向灵敏的要求，最初是为了让一些自重较重的大型车辆能够更轻松的操作，但是现在已经非常普及，它让驾驶变得更加简单和轻松，并且让车辆反应更加敏捷，一定程度上提高了安全性。

液压式助力转向系统由机械转向装置和液压助力装置两部分组成，液压助力装置主要由储油罐、转向油泵、转向助力缸、油量控制阀等组成。

当转向盘向左转动时，在转向轴的带动下，控制阀也随之移动，将其中一条油路关闭，这时另一条油路打开，在动力缸活塞两端产生压力差，于是活塞向低压方向运动，从而产生助力。

Simulink仿真模型：

模型代表了一个助力转向机制，显示其所有的主要部件的简化版本：

双作用液压缸，旋转阀，固定排量泵，减压阀，机械负荷，减少驾驶轴惯性，阻尼和刚度，安装在方向盘和齿轮的齿条和小齿轮机制之间的扭杆。

转动方向盘，使扭杆扭转小齿轮位置。

转化为开放连接端口气缸压力或排气线，根据旋转方向的旋转阀​​。

如果变形超过9度的车轮直接连接到小齿轮的通过扭杆并行安装的硬盘停止。

气缸移动转向杆，并在同一时间，捻向相反的方向扭转杆，直到阀门处在中立的位置。

除了以上说的主要的仿真部件外，还可以看到有液压油模块（HydraulicFluid），液压油管（HP_1，HP_2），方向盘（SteeringWheel），运动传感器（MotionSensor），压力传感器（PressureSensor）等。

方向盘（SteeringWheel）模块内部结构如图1

图1

这里SignalBuilder是信号发生器，IdealAngularVelocitySource1是理想角速度信号源，其输出端R输出的是角速度，所以SC端输出的是角速度，SCA端与理想回转运动传感器（IdealRotationalMotionSensor）输出端A相连，输出的是角位移，然后经过一个转换模块（把一个物理信号转换为Simulink输出信号）输出到示波器（Input/Output）中。

扭力杆（torsionbar）内部结构如图2

图2

SW端与SC端连在一起，SW端经过回转运动传感器输出角位移，所以TDEF端输出的是角位移，SL端输入的是双作用液压缸的线位移，这里的WheelandAxle模块是轮轴模块，A端是与轮轴有关的端口，P端是与轮外围有关的量，经过这个模块，液压缸实现液压助力转向。

TDEF端的角位移经过一个转换器，将一个物理量转换成一个Simulink信号，最终在示波器（Error/SystemPressure）中显示出来。

运动传感器（MotionSensor）内部结构如图3

图3

这里的理想平移的运动传感器是主要的部件，其P端口是物理信号的输出端口，这里的物理信号是位置信号。

它接收到液压缸动作并将其转换成液压缸的线位移输出出来，最终显示在示波器（Input/Output）中。

压力传感器内部结构如图4

图4

这里的理想液压压力传感器是主要部件，其P端输出的是压力值，经过一个转换器得到Simulink中的信号。

最终得到了系统压力，显示在示波器（Error/SystemPressure）中。

转动阀的内部结构如图5

图5

这里有四个调速阀用于控制阀端口的开启，即是控制阀的换向，阀有三种工作状态，1、给双作用液压缸左腔供液，2、阀处于中位，3、给双作用液压缸右腔供液，实现液压助力。

这里的TDEF就是用于控制转动阀工作状态的量。

Simulink结果分析

方向盘中的信号发生器（SignalBuilder）的信号图如图6

图6

示波器（Input/Output）的结果如图7

图7

示波器（Input/Output）的第一通道信号是液压缸所产生的线位移，第二通道是方向盘的输出转角。

在方向盘转动一个角度时，会对扭力杆产生一个扭转，扭转会对其内部控制阀工作的部件产生一个力的作用，用来控制阀的工作，使得液压缸动作，这个扭转的效果最终使得液压缸产生线位移，因为扭矩的大小和方向盘的转角成正比，所以这个线位移的大小与方向盘的转角成正比的关系，所以从上图我们可以看到两个图在时间轴上的转折点基本相同，而且两个图整体的趋势相同。

这个与现实中的液压助力转向的原理完全符合。

对比图6与图7可以发现在0~10s这个时间段里，方向盘实现了一个正转向与回转的一个过程，这个过程在图7的Wheelangle（deg）反映出来是转角为正值，且在大约0~2s，4.5~6s,8.4s~10s时方向盘没有转向，所以方向盘的转角在8.4s~10s转角为0，从10s~20s则完成了一个反方向的转向和回转，这个过程在图7的Wheelangle（deg）中反映出来为转角为负值，且从大约16s开始时方向盘的转角为0。

液压缸的线位移的变化趋势与方向盘的输出转角相同。

示波器（Error/SystemPressure）仿真结果如图8

图8

图9为示波器（Error/SystemPressure）的局部图

图9

示波器（Error/SystemPressure）的第一通道信号是扭力杆的角位移，第二通道信号是系统压力信号。

对比图6和图8的图我们可以发现，信号发生器发出的信号与扭力杆的输出信号在时间轴是相对应的，各个转折点都是一致的。

把图6，图7与图8结合起来看发现，这里先看0s~10s，在2s左右时，方向盘正向转动，扭力杆的转角增加，在6s左右时，方向盘反向转动，这时扭力杆的转角位负值，在8.4s时方向盘完成了一次正向转动与反向转动，这时扭力杆的转角为0，10s~20s方向盘先是正向转动然后又反向回转，10s时方向盘反向转动，扭力杆转角为负值，且向相反反向增大，在13.85s时方向盘正向转动，所以扭力杆的转角朝正向增大，最后方向盘完成一次反向转动与正向转动，即一次回转，扭力杆的转角最终为0。

在图9中我们可以清晰的看到系统压力的变化情况，下面取其中的几个时间段来研究系统压力的变化情况。

在6s~8s这段时间里，我们看到方向盘反向转动，扭力杆转角为负值，且反向增加，因为突然换向，这时的系统压力有一个突然的减小，然后因为要克服外负载接着有着一个增加，在10s~12s时，因为方向盘继续朝着前一次的方向转动，所以系统压力直接就是呈现一个上升的趋势。

实际应用中，常见的助力转向有机械液压助力、电子液压助力、电动助力三种。

下面进行简单介绍。

机械式液压动力转向系统

机械液压助力是我们最常见的一种助力方式，它诞生于1902年，由英国人FrederickW.Lanchester发明，而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后，1951年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。

由于技术成熟可靠，而且成本低廉，得以普及。

机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。

这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向。

机械液压助力的方向盘与转向轮之间全部是机械部件连接，操控精准，路感直接，信息反馈丰富；

液压泵由发动机驱动，转向动力充沛，大小车辆都适用；

技术成熟，可靠性高，平均制造成本低。

但由于依靠发动机动力来驱动油泵，能耗比较高，所以车辆的行驶动力无形中就被消耗了一部分；

液压系统的管路结构非常复杂，各种控制油液的阀门数量繁多，后期的保养维护需要成本；

整套油路经常保持高压状态，使用寿命也会受到影响，这些都是机械液压助力转向系统的缺点所在。

电子液压助力转向系统

由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力，所以人们在机械液压助力的基础上进行改进，开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。

这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动，而是由电动机来驱动，并且在之前的基础上加装了电控系统，使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关，还与车速相关。

主要构件：

储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。

电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向助力系统的缺点。

它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。

简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；

汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率，是使用较为普遍的助力转向系统。

电动助力转向系统（EPS）

电动助力转向系统ElectronicPowerSteering，简称EPS。

电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。

电动助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及蓄电池电源所构成。

微电脑控制单元根据转向传感装置和车速传感器传出的信号，确定转向助力的大小和方向，并驱动电机辅助转向操作。

该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。

另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。