如果将直线电机3方向吸引力考虑在车辆设计中,我国工业控制计算机技术、产业和应用都有了很大的发展

【机械网】讯  随着社会的发展,各种智能化的产品日益走人寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制,小型直流电机应用相当广泛。  对直流电机的速度调节,我们可以采用多种办法,本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上,提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法。  1直流电机调速原理根据励磁方式不同,直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说,人为机械特性方程式为:Ke、K,――与电机有关的常数;Rad,Ra――电枢外加电阻、电枢内电阻;n0An理想空载转速、转速降。  分析(1)式可得,当分别改变%、和尺时,可以得到不同的转速〃,从而实现对速度的调节。由于=,当改变励磁电流(时,可以改变磁通量()的大小,从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制,电动机的励磁电流//和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节,故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻时,会使机械特性变软,导致电机带负载能力减弱。  对于他励直流电机来说,当改变电枢电压时,分析人为机械特性方程式,得到人为特性曲线如所示。理想空载转速%随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行,说明硬度不随电枢电压的变化而改变,电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时,可实现电机的无级调速。  基于以上特性,改变电枢电压,实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现,如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。  2PWM基本原理及其实现方法2.1PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。  在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。  如所示,在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。  设电机始终接通电源时,电机转速最大为=则电机的平均速度为肪冲信号由公式(2)可见,当我们改变占空比Dd/r时,就可以得到不同的电机平均速度从而达到调速的目的。严格地讲,平均速度K与占空比D并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系。  2.2实现方法PWM信号的产生通常有两种方法:一种是软件的方法;另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍,这里不做赘述。本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。  器7;和。通过控制定时器初值’和,从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器,而不同单片机的定时器具有不同的特点,即使是同一台单片机由于选用的晶振不同,选择的定时器工作方式不同,其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此,首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为/,定时器/计数器为yv位,则定时器初值与定时时间的关系为:N个机器周期的时钟数。  W随着机型的不同而不同。在应用中,应根据具体的机型给出相应的值。这样,我们可以通过设定不同的定时初值7,从而改变占空比/>,进而达到控制电机转速的目的。  2.3控制程序设计控制程序的设计有两种方法:软件延时法和计数法。软件延时法的基本思想是:首先求出占空比/>,再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t.,所以M=¢,A……然后,再断电ST个单位时间,所以M=t2/tQ.改变M和M的值,从而也就改变了占空比。计数法的基本思想是:当单位延时个数M求出之后,将其作为给定值存放在某存储单元中。在通电过程中,对通电单位时间的次数进行计数,并与存储器的内容进行比较。  若不相等,则继续输出控制脉冲,直到计数值与给定值相等,使电机断电。  3应用举例以89C51单片机为核心的油辊电机控制系统控制简图如所示。单片机按预定算法计算出定时初值,由软件转换成PWM信号,并由P3.输出,经放大器及固态继电器输出给电机,从而控制电机得电与失电。  软件采用计数法加软件延时法进行设计。如所示,单片机上电后,系统进入准备状态。当按动启动按钮后,判断P
3.0是否高电平。然后,根据P3.0分别进人计数值与预定值比较环节,当计数值与预定值相等时,清计数寄存器,并置P
3.0为相反状态,进人延时程序。根据不同的加减速按钮,调整P3.0输出高低电平时的预定值,从而可以控制P3.0输出高低电平时的延时时间,进而控制电压的大小。控制程序成功的应用于纺织机油辊电机的加减速控制。  4结束语通过单片机来实现电机调整有多种途径。相对于其他用硬件或者硬软结合的方法实现对电机进行调整,采用PWM用纯软件的方法来实现调速过程,具有更大的灵活性和更低的成本,能够充分发挥单片机的效能,对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。对于软件,采用计数法加软件延时法进行设计的思路,为采用纯软件对电机速度的平滑调节提供了一种不错的解决方案,经过在“油辊电机控制系统”中的实际应用证明,能够取得满意的效果。【打印】
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【机械网】讯  研究开发直线电机在轨道车辆运用中的三维分析庞绍煌,耿明(广州市地下铁道总公司,广东广州510380)的设计概念带来重大的变化。通过对目前世界上直线电机车辆使用的实际业绩的分析,提出车辆质量可减轻的观点。  广州市地下铁道总公司建设事业总部车辆项目经理,从事广州地铁新线车辆的引进和技术、项目管理工作。  直线电机是一种将电能直接转换成直线运动,而不需通过任何中间转换机构的电机。城市轨道交通系统采用直线电机传动的优越性已被越来越多的人所认识,目前世界上已有7个城市相继建成了采用直线电机车辆的城市轨道交通系统。  直线电机的车辆较普通旋转电机车辆的优势就尽显出来了。直线电机的优点如目前所有书籍中介绍的,列车的牵引不再依靠轮轨的黏着作用,而是直接由转向架(一般作为定子)与线路(一般作为转子)的相互作用而产生,转穹半径小,可减少支撑轮半径,从而减小地铁隧道的断面面积,降低地铁造价等等,但这些都仅仅是从直线电机的牵引方向的一维概念中引伸出来的,笔者认为还必须重视直线电机的其他两维概念在直线电机车辆设计中的运用。  下面将从三维方向分析直线电机与旋转电机在有轮的车辆上的不同之处(见),然后再谈其对直线电机车辆设计方面以及轨枕上的影响。  1W方向(即牵引方向)对于鼠笼式异步电动机而言,电磁转矩可由下式表示:子折合电阻;r1一定子电阻X1―定子漏抗X2Y―转子折合漏抗S1=(n1-n)/,其中n1为同步转速,n为转子转速”f―定子绕组频率。  相对应的车辆制动为再生制动、电阻制动并配合转电机的车辆其空车轴重为)而直线电机若忽略纵向端部效应,采用其稳态方程,则可推算出电磁推力:级电阻和漏电感;T一极距;S2=(vs-V)/vs,其中vs为同步速度,4为实际速度;f2―次级频率;《1―初级角频率;Ci!1+LS/Lm,其中L’为初级漏电感,Lm为激磁电感。  电动机可在3个阶段中使用。现在有一种技术是在再生制动与机械制动之间插入移相制动(电磁制动状态),将动能消耗在感应板上(当Si,S2>1时),由于随着车辆的移动,这种热能能留在轨道上的感应板上而取代电阻制动,而普通旋转的电机难以承受这种散不去的热量。  +牵引方向概念已有一些书籍讨论,并引伸分析了目前众所周知的直线电机的优缺点,在此笔者就不进一步展开讨论。下面仅就另外两维概念(目前尚未有书籍在有轮车辆的实际运用中讨论)来展开讨论。  2y方向在普通旋转电机中由于电磁吸力对转子的对称性,互相平衡,电磁吸引力仅为转子的内力,在电机外表而言除了重力,电磁力外合力为零。而直线电机就大不相同,三维的电磁力都尽现在外面,初级对次级的电磁吸引力是相当大的(见表1)。但如何利用这种电磁吸引力,这就是笔者重点要阐述的问题。  为了确保脱轨系数,似乎只要将普通旋转电机车辆换上直线电机就行了,但从y方向来看,使用普通旋表1各公司实际运用中的直线电机三维力实测数据(kN(x轴向牵引力y轴向电磁吸引力j轴向横向剪切力A公司B公司C公司由于城市轨道交通在繁华市区穿行,站间距一般较短,约1km左右,因此站间运行时间必须要短才能实现其他地面交通工具无法实现的优势。初始加速度一般采用a加=1.0m/s2,而制动时一般采用a减=因此列车基本上是加速到最高速度后,匀速很短时间马上转入制动工况,直线电机的定子线圈始终都有很大的电流通过,也就是说y方向的吸引力的作用贯穿列车的整个运行过程。  F吸为初级对次级的电磁吸引力,F吸m+甚至会大于直线电机的牵引力,也就是说每辆车两台直线电机(160~180kW/台)的F吸ma+达10t,占了普通旋转电机车辆空车重的1/4.因此电磁吸引力给出了两刃的问题,如果仅沿用老的普通旋转电机车辆的思维设计,必然不能将车轮的轮径减小,因为轮径跟轴重有直接的关系。根据数据统计(见),在轴重不变的情况下,车轮踏面的剥离发生率,随车轮踏面受力处压强的增加而增加。  也就是说失去了减小车辆高度及减小隧道挖掘面积的优势。从另一方面来看,则芫全不同。首先从脱轨系数分析入手,来分析这两种类型电机的不同之处。  0.6(直线电机车辆)F吸的存在为直线电机车辆的减重提供了重要的依据,而F吸所做的功W功可以用下式来表示角,由于F吸在直线轨道上是垂直于车辆的运动方向的,通常情况下0因此F吸是不需消耗功率的力,而是一种将转向架吸向感应板的力。如果在直线电机车辆的设计中能运用这种新的概念,就能在保证脱轨系数小于0.6的情况下,尽可能的减少车辆的质量,以减少运营能耗,降低噪声,减小轮径以及使转向架一系簧下的质量减少,结构紧凑,从而最终达到减少车辆质量,降低车辆设计高度,减小隧道断面尺寸,节省建设投资的目的。所以在与轨道的接口中,轨枕的受力不同(见)。故对于直线电机车辆来说不能只考虑车辆质量P.作为对在3方向分析的辅证,从各直线电机车辆制造公司公布的业绩中可以看出,对于不同公司生产的几乎相同尺寸和功率的直线电机车辆,其空车质量最大竟相差近10t/辆。笔者假设按照一辆车定员载客180人,平均每人体重为60kg来计算,则负载质量为00:200:10800kg,即10.8
5重。可以看出,如果将直线电机3方向吸引力考虑在车辆设计中,其使每辆空车减轻101质量后再加上180人的定员载荷,几乎与原来没有考虑吸引力的每辆空车的质量相等。  3z方向对于=方向,笔者在此提出一个转向架“磁迫导”的新概念,这是直线电机带来的另一优点。由于车辆设计时,机械中心线在静止停放在平直轨道的状态下与磁中心线是重合的;而在运动状态下,电磁场的作用使得直线电机定子(初级)的机械中心线有磁吸引自动对中感应板(次级)机械中心线的作用(见)。  <定子中心线转子,直线电机定子、转子自动对中的z方向吸引力示意图这无形中有效起到抑制车辆蛇行运动的作用,再配以自导径向转向架,对减少轮缘磨耗以及减少车轮踏面偏磨将有积极作用,并有利于车辆快速通过较小的曲线半径,降低轮缘与轨道的冲击噪声,同时也可以减去转向架有关的抑制蛇行运动的设备。从表1可以看到这个z方向的力Fm达到1kN.【打印】
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【机械网】讯  工业自动控制系统装置制造指用于工业产品制造或加工过程中,连续自动测量、控制材料或产品的温度、压力、粘度等变量的工业控制用计算机系统、仪表和装置的制造。  我国工业自动控制系统装置制造行业自20世纪80年代开始起步。1983年,国家计算机系列正式普及和发展规划工业控制计算机;1989年,对全国工业控制计算机机型优选,选出包括工业控制微机系统、单回路调节器、可编程控制器和工业控制功能模块的21个优选机型;1990年,组织完成首次全国工业炉窑控制系统的优选,共选出工业锅炉、水泥机立窑和小氮肥三种炉窑21套获奖的控制系统。目前,我国工业控制计算机技术、产业和应用都有了很大的发展,工控机行业已经形成。  我国的工业自动化发展道路,大多是在引进设备的同时相继的引进各种工业控机系统,并开始自己设计控制系统和装置,进行消化吸收和二次开发应用。也有一些厂家引进国外技术,与外商合作合资组装生产国外产品,并逐步实现国产化。党的“十六大”提出“以信息化带动工业化,走新型工业化道路”,这为我国的自动化产业的发展增加了新的市场面。  20世纪90年代以来,中国工业自动控制系统装置制造行业销售规模增速一直保持在20%以上,前瞻产业研究院发布的《中国工业自动控制系统装置制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示,2014年行业市场规模达近3304亿元。  前瞻产业研究院分析认为,产业升级、民生诉求和节能环保三大因素将给未来工业自动控制系统在新兴领域市场发展创造更多的发展机会。因此,在目前工业自动控制系统传统需求市场放缓的情形下,前瞻产业研究院认为投资者不妨提前布局新兴产业,加大在新兴市场需求产品的研发投资,在未来获得竞争优势。  随着系列国家重点工程项目的实施,工业自动控制系统装置制造行业日益得到政府的重视和扶持。此外,前瞻产业认为,“十三五”期间,中国将要继续实施和重新启动重点工程,这些工程给工业自动控制系统装置制造行业带来巨大商机,政策的支持对工业自动控制系统装置制造行业构成了直接利好。【打印】
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