特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计.docx

特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计.docx

《特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计

摘要

本次的特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计是为水田仿生行走船板减阻项目提供一套可实现异步电机精准变频调速和测量船板在水田行进过程中的阻力值的控制系统。

目前，仿生减阻项目是表面减阻研究中一个热门方向，具有减少能源损耗、节约成本的作用，对现代化农业的发展具有重要作用。

特殊阻力特性负载交流电机变频调速系统设计主要是上位机通过RS485通讯，控制变频器的频率的升降，再由变频器控制电机，实现电机启动、正转、反转、加速和减速的功能；此外，上位机通过RS485通讯给拉力传感器发出读取数据信号，拉力传感器接收到上位机发出的信号，以MODBUS协议定义的数据格式向上位机发送当前的拉力值。

本设计为了能够提供一套精准调速系统，进行测速实验，并对实验数据进行分析。

数据分析结果显示，在同一实验环境下，25Hz-50Hz之间的频率区段实验所测得的数据呈线性分布。

为此对所测数据做线性回归分析，得到对应线性回归方程。

最后，只要已知所需仿生船板行进速度值，便可通过线性回归方程推算出该速度对应的计算频率值，最后通过频率微调键微调到该速度精准对应的频率值。

关键词：

变频调速精准调速拉力测量

SpecialResistanceCharacteristicLoadACMotorFrequencyControlSystemHardwareDesign

YanZhencheng

（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

Specialresistancecharacteristicsoftheloadacmotorvariablefrequencyspeedcontrolsystemdesignisforpaddyfieldbionicwalkingplankingdragreductionprojectstoprovideasetofcanrealizeaccurateasynchronousmotorfrequencycontrolofmotorspeedandmeasuringtheplankinginpaddyfieldintheprocessofmarchingresistancevalueofthecontrolsystem.Atpresent,thebionicdragreductionprojectisapopulardirectioninthestudyofsurfacedragreduction,whichhasthefunctionofreducingenergyconsumptionandsavingcost,whichplaysanimportantroleinthedevelopmentofmodernagriculture.

SpecialresistancecharacteristicloadacmotorvariablefrequencyspeedcontrolsystemdesignismainlyuppermachinethroughtheRS485communication,controltheriseandfallofthefrequencyoftheinverter,againbytheinvertercontrolmotor,motorstart,forward,inversion,thefunctionofaccelerationanddeceleration;Inaddition,thePCthroughtheRS485communicationtopullsensorsignalreadingdata,tensionsensorreceivesthesignalfromtheuppermachine,withMODBUSprotocoldefinesthedataformatupamachinetosendthecurrenttensionvalues.

Inordertobeabletoprovideasetofaccuratespeedcontrolsystem,theexperimentwascarriedoutandtheexperimentaldatawereanalyzed.Theresultsofdataanalysisshowthatthedatameasuredinthesameexperimentalenvironmentislinear.Inthispaper,linearregressionanalysisisperformedforthemeasureddata,andthecorrespondinglinearregressionequationisobtained.Intheend,aslongasthebionicplankingknownspeedvalue,canbecalculatedbylinearregressionequationsforthecorrespondingcalculationspeedfrequencyvalues,finallybyfrequencytuningkeytweakstothecorrespondingfrequencyspeedprecisionvalue.

Keywords:

FrequencycontrolofmotorspeedPrecisecontrolofmotorspeedTensionmeasuring

前言

1.1研究目的和意义

1.1.1课题背景

本课题是水田仿生行走船板减阻项目中的交流电机变频调速系统部分。

目前，表面减阻课题研究得出，表面减阻具有减少能源的消耗、节约成本等作用，成为现在一个研究的热点。

现代研究学者在多个领域运用仿生技术进行减阻，如蚯蚓，蜣螂等外形对其在土壤中行进阻力减小的作用、鱼和鳄鱼的表面鳞片减小在水中游泳的表面阻力等。

目前表面减阻研究较多的介质是水、空气和土壤。

在水田环境中，传统的车式行走工具在行进过程中会陷入泥层中，并且会扰动泥层，造成过大的表面阻力，不利于行走，同时会消耗很大能量，造成能源浪费。

因此，利用仿生技术的水田行走船板有着减小表面阻力、减小能耗的优点，取代传统车式行走工具，在水田行走领域有着可观的前景。

这在未来农业机械的发展也有着重要作用，特别是在智能化农业机械发展过程中，例如将表面减阻技术运用在水田插秧机等大型农业机械上，可以减小能量损耗，有利于智能农业机械的续航和提高运行寿命。

1.1.2研究目的

本课题重点在于设计一套交流电机变频调速系统和精确调速方法。

在水田仿生行走船板减阻项目中，用于测量仿生船板在低速行进过程中，不同等级速度时船板与泥面之间的阻力。

通过对相同低速行进状态下不同底面仿生花纹的阻力数据进行分析，对比各种仿生花纹在低速行进状态下的测量阻力，可以得到最佳减阻效果的表面仿生花纹。

此外，通过对不同低速行进状态下的阻力数据进行分析，得到在船板底部仿生花纹相同的条件下，船板低速前进最节省能耗的速度，达到最佳减阻效果。

1.1.3研究意义

设计交流电机变频调速系统对仿生船板行进阻力测试实验，将变频调速技术理论结合实际运用于创新项目中，提高测试数据的准确性和可靠性。

此外，水田作业的农业机械目前还处于发展创新状态。

目前，在水田上行走的农机主要是车式农机，而且表面阻力很大，能耗高。

交流电机变频调速系统对仿生船板行进阻力测试实验为未来水田农业机械的发展提供一个重要参考，在节省能耗方面有着重大意义。

随着智能化的发展，未来的农业机械将以智能农业机械为主，在以电能为主要能量来源的智能农机的角度来看，表面减阻技术可以减少能耗，提高智能农机的续航能力和运行寿命，在未来农业机械发展有着光明的前景。

1.2研究现状及趋势

1.2.1变频调速最新成果

电机已是日常生活生产中不可或缺的一部分，电机最具代表性的有直流电机和交流电机。

交流电动机相比于直流电动机具有结构简单、成本低廉、操作便利、运行可靠等优势，因此在传动领域有着更加广泛的应用（李志华等，2002；王建峰等，2012）。

电机调速是电机控制的重要的一部分，结合工作效率问题，目前是逐渐在采用交流电机调速取代直流电机调速的时候（韩旺，2001）。

而交流电机调速的主要方式之一是变频调速。

目前，研究交流电机变频调速的方法是当前电机控制的热门课题之一。

目前国内交流电机变频调速研究主要在创新控制电路方面以及提高变频调速系统精确控制稳定性方面。

王昆等（2017）利用STM32F103ZET6微控制器产生SPWM信号脉冲控制全控器件进而控制三相交流异步电机实现变频调速。

除此之外目前最常使用的控制方式有数字信号处理器（DSP）和可编程控制器（PLC）。

DSP采用f/V比恒定控制方式编程，在实现变频调速的同时，还有良好的动态响应（杨亮，2010；黄俊，2017）。

PLC有极强的抗干扰能力，相对单片机等可靠性极高，PLC和变频器通过通信协议连接，编程控制逆变器的输出，达到变频调速的效果（戴铭，2017）。

在可编程控制的控制系统中，交流电动机变频调速的控制方式选择尤其重要，就现在技术水平而言，最常用的是F/V比恒定控制和转差频率控制，研究最多的是矢量控制和直接转矩控制。

杭兵（2017）提出一种随机零矢量PWM算法的简化脉冲调试算法对电机进行变频调速，但目前仅处于仿真阶段。

直接转矩控制不需要进行过多的矢量计算，由于计算简单的特点，相比矢量控制，更适合进行数字化控制变频调速（王坤等，2017；姚勇，2017；朱振杰，2017）。

颜洪雷（2017）绘制了直接转矩控制交流电机原理图，并以异步电动机的动态特性为基础建立数学模型，以此计算依据绘制控制电路图和编写直接转矩控制相关的控制程序。

在提高变频系统精确控制方面，通过数学建模建立二维平面的定位控制算法分析，对动态转速反馈数据进行处理，通过多段曲线拟合后寻找最优参数，从而得出电机拖动变频调速实时精确控制（朱建红等，2017）。

1.2.2变频调速发展趋势

交流电动机变频调速随着控制技术的发展，再加上经济性、可靠性等原因，慢慢取代直流电动机成为电机拖动首选。

未来交流电动机变频调速的重心依然落在控制技术方面的提升和控制方法的创新，随着电子产业的不断发展，控制电路运行速度不断提高，变频调速将越来越精确和稳定，这是交流电机变频调速趋势所在。

除此之外，随着新能源和新材料的开发利用，如现在各种电子芯片和电力晶体管都是由硅为主要材料进行生产制造，而目前研究人员正在研究用碳化硅取代硅进行生产，使生产的晶体管拥有更强的硬度、更小的体积和更小的能耗。

相信在未来，随着新能源和新材料行业的发展，控制电路可以进一步微小化，电动机和变频器可能由现在的各自独立模块化实现一体化，使电动机的变频调速操作更简单方便和更加节能。

理论分析

2.1异步电动机原理

现实生活中，大部分的交流电动机都是异步电动机。

异步电动机具有结构简单容易制作、造价低廉又坚固实用、同时具备较高的运行效率等优点，所以成为生产生活中的重要设备。

目前我国的异步电动机使用总容量占总拖动容量的绝大部分。

根据生产实践经验，本次变频调速系统设计采用三相异步电动机。

三相异步电动机，顾名思义，就是转子的实际转速小于旋转磁场转速。

三相异步电动机的定子和转子没有直接的电气联系，主要是在定子与转子的间隙中产生圆形旋转磁场，在磁场的作用下，带动转子转动。

异步电动机定子转子实际电路图如图1：

图1异步电动机定子转子实际电路图

其中U1为定子相电压；I1为定子相电流；E1为定子的感应电动势；r1、x1分别为定子端的漏阻和漏抗；E2s、I2s、r2和x2分别为转子侧电磁感应产生的感应电动势、转子电流、转子漏阻和漏抗；f1和f2分别为定子频率和转子频率。

由于异步电动机转子转速小于同步转速，所以存在异步电动机转差率s，即异步电动机转子转速与同步转速之差与同步转速的比定义为异步电动机的转差率。

而转子频率f2与定子频率f1之间的关系为f2=sf1，可见，转子频率与定子频率和转差率成正比，当已知定子频率和异步电动机转差率，便能得出对应的转子频率。

为了定量分析定子转子之间的各种关系，需要将没有电气联系的电机定子转子通过归算统一等效到一个电路中。

为了归算的需要，需要做以下的理想假设：

忽略磁饱和、忽略铁损和忽略谐波影响。

在理想条件下，将转子归算到定子侧，可得到异步电动机等效电路图，由于三相异步电动机三相对称，所以其分析只需取其中一相进行分析。

异步电动机等效电路图如图2：

图2异步电动机等效电路图

其中U1为定子相电压；I1为定子相电流；E1为定子的感应电动势；r1、x1分别为定子端的漏阻和漏抗；rm和xm分别为励磁电阻和励磁电抗；I0为励磁电流；E2’、I2’、r2’和x2’分别为转子侧各参数归算到定子侧的归算值；RL为机械负载的等效电阻，即异步电动机输出的机械功率等于RL上所消耗的功率。

2.2异步电动机转速计算

电机调速是电机控制的重要的一部分，其原理是通过直接控制电机转矩来控制电机速度。

通过电气控制交流电源的频率改变定子绕组感应电动势，继而产生感应电流，在感应电势和电流的作用下产生电磁转矩和旋转磁场，从而改变电机速度（沈耀，2017）。

而交流电机调速的主要方式是变频调速。

变频是指将电力系统所提供的50Hz交流电，通过由晶闸管等电力电子器件构成的主电路，控制可控器件的控制端，使输出端输出所需频率的交流电。

除此之外，电机极对数也会对电机转速造成影响，在频率一定的条件下，电机极对数越多，电机转速越慢，电机极对数越少，电机转速越块。

电机转速通过频率和电机极对数控制的公式即同步转速计算公式如式1：

（1）

其中n0为电机同步转速；f为系统频率；p为电机极对数。

而异步电动机转子转速小于同步转速，其计算公式如式2：

（2）

其中n为转子转速；s为转差率。

因为电动机的级数是出厂时便确定，而转差率一般数值小且变化不大，一般异步电动机在额定负载下转差率也都在6%以下，因此转差率可处理成常数，所以异步电动机的转子转速与输入频率成正比。

因此改变异步电动机的输入频率，就可以改变电机转子的转速。

2.3变频器原理

交流电机变频调速最核心的装置是变频器。

大多数变频器主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路以及其它相关的电路组成，也有少数变频器不需要中间直流环节，直接实现交流-交流变频。

整流电路主要是对电网交流电源进行整流，直流中间电路用于平滑滤波整流电路的输出结果，而逆变电路将直流中间电路输出的直流电压（电流）转换为具有所需频率的交流电压（电流）（黄戈里，2016）。

电路中一个高性能的微处理器控制着变频器的运行。

微处理器通过接口电路收集各种检测信号和参数设定值，对输入的信号进行处理，并且有加减速速率调节和运算处理能力。

多数逆变电路采用全控器件，所以变频器逆变电路主要依靠驱动电路提供驱动信号控制全控器件的开关进行换流。

而电动机的工作状态会由信号检测电路反馈给可编程控制器，经过可编程控制器处理后转换输出成可控器件控制端所需的控制信号，达到控制变频输出的目的。

在工程实际运用中，变频器的种类很多，但是工作原理大同小异，区别在于会根据实际工程需要在结构设计和电路设计上有所区分。

目前，变频器根据换流形式的不同分为交流-交流变频器和交流-直流-交流变频器两大类。

交流-交流变频器是直接将一种频率的交流电转换成另一种频率的交流电，由于这种变频器不需要经过中间直流环节，因此不需要进行整流和逆变，所以变频效率高，但由于这种处理方式使得变频器频率可调范围小，经交流-交流变频器处理后的输出电压频率最高只有输入电压频率的一半，所以电动机无法实现高速运行。

因此这种变频方式只适合低速运行环境，应用范围小。

而交流-直流-交流变频器是将电网输入的工频交流电先经过整流变成直流电再根据频率需要逆变成对应频率的交流电，所以又称间接变频器。

由于这种变频器的频率调节范围广，可以进行高速运行，使用范围广，因此是目前最常用的变频器之一。

交流-直流-交流变频器又可根据中间直流环节的电压电流形式不同而分为电流型变频器和电压型变频器。

电流型变频器是在整流电路中采用电感进行缓冲无功功率，抑制电流的变化；电压型变频器是在整流电路中采用电容进行缓冲无功功率，抑制电压变化。

在工程应用中，大部分电动机都是以交流电压作为输入源提供电能，其目的是采用电压源控制交流电动机可以忽略负载功率因数和换流环节带来的影响。

而电压型变频器内阻小，可以将变频器的输出端看作电压源，因此电压型变频器是工程中最常用的变频器之一。

2.4变频调速控制方式

交流电动机变频调速控制方式主要有F/V比恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制四种。

F/V比恒定控制是异步电动机变频调速中最常用的控制方式。

F/V比恒定控制，即采用恒定的电动势频率比的控制方式，是目前多数逆变器广泛采用的控制方式；转差频率控制是根据异步电动机转矩与转差频率的正比关系，控制电枢电流来对电机转矩进行控制；矢量控制是将转子磁通密度作为空间的参考坐标，将静止坐标系装换为旋转坐标系，即对定子电流中的转矩分量和励磁电流分量转化为标量，最后对标量进行分析处理。

虽然这种控制方式相当理想，但将矢量转换成标量需要大量运算，因此对系统运算器的要求极高，在实际生产中很难实现；直接转矩控制是结合交流电动机转矩的需要，选择恰当的定子电压空间矢量，以完成对电动机电磁转矩的快速响应（岑仕诚，2017）。

2.5SPWM技术

脉宽调制（PWM）技术是实现电机变频调速的重要技术，主要作用是用控制电路输出信号波，控制主电路半导体可控器件的开关从而实现逆变器的变频控制。

采用等脉宽PWM调制技术实现频率变换，输出的三相交流电压（电流）将会带有大量谐波，所以输出矩形波对电机的危害很大，不利于电机正常运行（齐元瑞等，2017）。

传统的固定调制PWM存在着在开关频率整数倍数附近谐波的集簇效应容易造成电机的机械振动和电磁噪声（BelmansRJMetal.，1987；Trzynadlowski，2006）。

因此，在进行脉宽调制时，按照正弦规律来调整脉冲序列的占空比，这样输出的三相交流电压（电流）波形更接近正弦波，谐波分量小，这种PWM技术称为SPWM技术。

所以整流电路采使用三相桥式不可控整流电路，就可最方便实现交直变换，而逆变桥式电路可用控制电路输出SPWM信号波控制其中的可控电力电子器件导通和关断，实现直交的变换，最终实现频率变换。

而SPWM是以电源为目标进行变频，产生一个可变频变压的电源，随着SPWM技术的发展，衍生出SVPWM技术，该技术是将逆变电路与异步电动机看成整体建立模型，模型相对简单，也便于微控制器的控制处理（LiawCM，2000）。

方案设计

3.1系统设计

本系统设计采用的通讯方式和通讯协议分别是RS485通讯和MODBUS通讯协议。

主要设计内容是上位机通过RS485通讯，控制变频器的频率的升降，再由变频器控制电机，实现电机启动、正转、反转、加速和减速的功能；此外，上位机通过RS485通讯给拉力传感器发出读取数据信号，拉力传感器接收到上位机发出的信号，以MODBUS协议定义的数据格式向上位机发送当前的拉力值。

系统设计图如图3：

图3系统设计图

3.2硬件设计

3.2.1主电路设计

主电路采用交流220V电压作为输入电源，通过变频器变频之后，将变频后输出的低频交流电压接入三相交流电机，电机在低频状态下运行。

主电路电路图如图4：

图4主电路图

3.2.2三相交流电机选型

根据实验需求，由于水田仿生行走船板减阻项目实验条件是在低速状态下拖动仿生船板，而且电机拖动船板需要较大的拉力，因此电机选型需要选择扭矩大，转速低的三相交流电机。

而工程上常用的电机扭矩计算公式如式3：

（3）

其中T为电机扭矩，P为电机功率，n为电机转速。

由式3可知，选择的电机级数越多，电机转矩就越小，转速越低，相对的电机扭矩就越大。

考虑电机节能效率，为此本次设计选择异步电动机型号为YE2-90S-6，级数为6级，功率为0.75kw，效率为70.41%，额定转速为912r/min，转差率为8.8%。

选型的电机如图5：

图5电机YE2-90S-6

3.2.3变频器选型

变频器是三相交流电机变频调速的核心元件，是控制电机转速精确变化的核心。

为了忽略负载功率因数和换流环节带来的影响，本次设计选用电压型变频器。

目前已有的变频技术有四种：

F/V比恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。

考虑到变频准确性问题和操作简便性问题，最优的变频方式应该选择F/V比恒定控制方式；而考虑到算法优化问题，最理想的控制方式应选矢量控制方式。

而根据水田仿生行走船板减阻项目实验要求，需要电机在低速状态下拖动仿生船板，为此选择的变频器的输出电压最高频率只能是三相交流电机的额定频率50Hz，并且电机调速方式采取降频调速方式，以此降低三相交流电机的转速，提高电机扭矩，增强电机的拖动能力。

另外，为实现变频调速系统的整个操作全在上位机完成，该变频器应该具备有通讯总线。

综上考虑，结合变频器额定电压和功率选择，本次变频器选型选择如图6：

图6变频器

该变频器额定电压220V，额定功率2.2kw，具有F/V比恒定控制方式和矢量控制方式，可实现精确调频，同时具备RS485通讯总线，支持MODBUS通讯协议，具备上位机开发条件。

同时变频器频率调节范围为0Hz-50Hz，最小刻度为0.1Hz可实现降频调速。

3.2.4拉力传感器选型

由于水田粘性大，船板在水田中低速行走所受阻力较大，所以在选择拉力传感器时应选择较大量程的拉力传感器。

本次设计选择量程为100kg的称重传感器代替拉力传感器，在同一量纲对比下，该传感器可以代替对水田船板的行进阻力进行测量。

该拉力传感器内部是由电阻应变片和普通电阻组成的桥式电路，当拉力传感器受到挤压或拉伸时，电阻应变片的阻值将被改变，并根据变化程度将所对应的拉力值保存到数据寄存器中。

拉力传感器如图7：

图7拉力传感器

拉力传感器所采集的拉力数据需要通过数字称重变送器才能以MODBUS数据格式由RS485通讯接口将数据传送到上位机。

数字称重变送器将以毫伏信号输出的传感器经隔离放大转换成标准直流信号后，将数据信号通过RS485通讯接口以MODBUS数据格式传送出去。

数字称重变送器如图8：

图8数字称重变送器

3.3软件设计

3.3.1通讯协议

本次设计所选择的变频器支持RS485通讯。

RS485是具有远距离传输数据和抗大电子噪声的特点，有很好的抗干扰能力的通讯方式，是工程中常用的通讯方式。

本次RS485接线采用两线式接线，相对于四线式接线方式这种点对点通讯方式来说，二线式接线方式采用的是总线式拓扑结构，具备一对多的通讯能力，有更好的拓展空间。

但RS485通讯是半双工通讯方式，接收数据和发送数据必须分开进行，实际应用中存在一定缺陷。

而上位机与下位机只要采用USB转485接口转换