某便攜式電動升降機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5650某便攜式電動升降機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)案例 140091.1便攜式電動升降機(jī)的整體結(jié)構(gòu) 2178681.2便攜式電動升降機(jī)的主要任務(wù) 2305571.3便攜式電動升降機(jī)用電機(jī)控制系統(tǒng)各模塊選型 4288442.3.1電機(jī)選型 4319742.3.2位置傳感器選型 8187382.3.3電源選型 9176832.4磁編碼器信號處理與仿真 10215241.3.1磁編碼器輸入信號 10287601.3.2磁編碼器輸入信號預(yù)校準(zhǔn) 1131081.3.3鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤法 12168101.3.4磁編碼器信號處理仿真 13138942.5便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制與仿真 15187112.5.1盤式永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 15281992.5.2盤式永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制策略 1661802.5.3便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 18311212.6便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)控制總方案 21302802.7小結(jié) 231.1便攜式電動升降機(jī)的整體結(jié)構(gòu)便攜式電動升降機(jī)采用高空繩索技術(shù)進(jìn)行救援，便攜式電動升降機(jī)的整體機(jī)構(gòu)圖如圖2-1所示，主要包括電池、電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、鎖扣、繩索、導(dǎo)繩器、阻尼機(jī)構(gòu)、雙向節(jié)流閥等。救援時(shí)，操作人員將鎖扣系在身上，把繩索穿接在轉(zhuǎn)盤上，通過導(dǎo)繩器連向高空固定點(diǎn)，操作人員調(diào)節(jié)雙向節(jié)流閥控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過減速齒輪與轉(zhuǎn)盤相連，從而控制上升的速度，到達(dá)高空營救點(diǎn)后，將被困人員救下，并將鎖扣同時(shí)系在操作人員自身和被困人員身上，在下降過程中，操作人員同樣通過調(diào)節(jié)雙向節(jié)流閥控制下降的速度。阻尼機(jī)構(gòu)是緊急情況下制動用的。圖2-1便攜式電動升降機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.2便攜式電動升降機(jī)的主要任務(wù)便攜式電動升降機(jī)按照用途分為軍用和民用兩種，軍用便攜式電動升降機(jī)是反恐突擊戰(zhàn)場的常用裝備，在處理突發(fā)事件時(shí)，反恐隊(duì)員從高空快速升降，他們只利用一根繩索，迅速突擊，利用軍用便攜式電動升降機(jī)，反恐隊(duì)員就能做到一手持槍，一手緊握裝備迅速上升或下降，軍用便攜式電動升降機(jī)被廣泛用于城市反恐作戰(zhàn)、海上反恐突擊、水上登船、水下登船等場合，深受各地執(zhí)法和特種部隊(duì)青睞。民用便攜式電動升降機(jī)被廣泛使用于各種高空工作環(huán)境，凡高空外墻清潔檢修、防水防漏、高樓招牌、燈具安裝、鐵柱鐵塔除銹油漆、大樓玻璃清潔、舞臺、劇場表演的燈具、音響安裝、甚至是檢修、風(fēng)力發(fā)電葉片維修檢測、橋梁、水壩及各種結(jié)構(gòu)體的非破壞性檢修、纜車檢修、油槽清潔檢修等高技術(shù)工作都經(jīng)常使用民用便攜式電動升降機(jī)來完成。除了各種環(huán)境的高空工作，便攜式電動升降機(jī)也在救難、消防救助單位的高樓拯救、纜車救援甚至是高山、雪地、水域救援等拯救工作中被大量使用。下面以民用便攜式電動升降機(jī)應(yīng)用在高樓拯救為例簡單介紹便攜式電動升降機(jī)的主要任務(wù)，當(dāng)高樓發(fā)生火災(zāi)或爆炸后，消防人員攜帶便攜式電動升降機(jī)到達(dá)高層營救點(diǎn)，將被困人員解救后一并返回地面，整個(gè)過程可以分為三個(gè)階段：上升階段、高空救援階段以及下降階段。上升階段如圖2-2（a）所示，消防人員調(diào)節(jié)雙向節(jié)流閥，使便攜式電動升降機(jī)向上運(yùn)動，電機(jī)此時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與速度方向相同，電機(jī)工作在電動狀態(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)高層營救點(diǎn)后，通過機(jī)械制動將便攜式電動升降機(jī)懸停在空中，此過程不涉及電機(jī)控制；下降階段如圖2-2（b）所示，消防人員調(diào)節(jié)雙向節(jié)流閥，使便攜式電動升降機(jī)向下運(yùn)動，電機(jī)此時(shí)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與速度方向相反，電機(jī)工作在制動狀態(tài)。便攜式電動升降機(jī)的具體任務(wù)如下：協(xié)助操作人員快速安全到達(dá)高層事故現(xiàn)場或者高空作業(yè)現(xiàn)場；確保操作人員能安全平穩(wěn)地在高空開展工作；確保操作人員與被困人員安全到達(dá)地面。軍用便攜式電動升降機(jī)和民用便攜式電動升降機(jī)的工作任務(wù)大致相同，軍用便攜式電動升降機(jī)比民用便攜式電動升降機(jī)更強(qiáng)調(diào)速度，要求便攜式電動升降機(jī)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。（a）上升過程示意圖（b）下降過程示意圖圖2-2上升過程和下降過程示意圖1.3便攜式電動升降機(jī)用電機(jī)控制系統(tǒng)各模塊選型電機(jī)控制系統(tǒng)是便攜式電動升降機(jī)的核心系統(tǒng)，包括電源、電機(jī)、位置傳感器、驅(qū)動電路、供電電路等，下面結(jié)合便攜式電動升降機(jī)的工作環(huán)境和工作特點(diǎn)對各個(gè)部分進(jìn)行選型。電機(jī)選型近十幾年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，永磁電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.永磁同步電機(jī)取消了勵(lì)磁系統(tǒng)損耗，提高了效率。1.永磁同步電機(jī)取消了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。3.永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。4.永磁同步電機(jī)的尺寸和形狀靈活多樣。永磁同步電機(jī)按照磁通的方向又可分為徑向磁通永磁同步電機(jī)和軸向磁通永磁同步電機(jī)。世界上第一臺感應(yīng)電機(jī)即為軸向磁通感應(yīng)電機(jī)[【50】.柯思勤.盤式永磁電機(jī)的發(fā)展及前景[J].大功率變流技術(shù),2014(2).]。由于當(dāng)時(shí)沒有解決電動機(jī)軸承軸向力的問題,加上鐵芯制造工藝上的困難,軸向磁通電動機(jī)很快就被徑向磁場電機(jī)所取代。最近十幾年來由于采用微電子技術(shù)的現(xiàn)代化制造設(shè)備定轉(zhuǎn)子鐵芯沖卷機(jī)的發(fā)明,盤式永磁同步的生產(chǎn)工藝問題已基本得到解決，逐漸投入應(yīng)用[【50】.柯思勤.盤式永磁電機(jī)的發(fā)展及前景[J].大功率變流技術(shù),2014(2).【51】.侯書紅,亞爾·買買提.盤式電機(jī)在我國的發(fā)展及其展望[J].微特電機(jī),1998(4).圖2-3轉(zhuǎn)子永磁體排列結(jié)構(gòu)圖2-4盤式永磁同步電機(jī)的定子鐵心由于軸向磁通PMSM的定轉(zhuǎn)子都是圓盤形，定轉(zhuǎn)子的數(shù)量可以根據(jù)不同的需求來設(shè)計(jì)，大致將盤式永磁同步電機(jī)分為以下四種類型：1) 單定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最為簡單，定轉(zhuǎn)子均為平面圓盤形，中間有一個(gè)軸向氣隙，但需要推力軸承以保證轉(zhuǎn)子不致發(fā)生軸向竄動。2) 單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子位于中間，單定子與雙轉(zhuǎn)子組成雙氣隙。定子繞組一般采用環(huán)形繞組形式，分為有槽和無槽兩種。這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)定子制作簡單、電機(jī)漏感小、轉(zhuǎn)矩波動小，缺點(diǎn)是永磁體用量較多。3) 雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子位于中間，兩個(gè)定子對稱分布于轉(zhuǎn)子兩側(cè)，雙定子和單轉(zhuǎn)子組成雙氣隙。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)可獲得最小的轉(zhuǎn)動慣量和最優(yōu)的散熱條件，同時(shí)電機(jī)具有較大的額定轉(zhuǎn)矩[【52】.【52】.JangGH,ChangJH.Developmentofanaxial-gapspindlemotorforcomputerharddiskdrivesusingPCBwindinganddualairgaps[J].IEEETransactionsonMagnetics,2002,38(5):3297-3299.4) 多盤式結(jié)構(gòu)，多定子和多轉(zhuǎn)子交錯(cuò)排列組成多氣隙，這種結(jié)構(gòu)可提高電機(jī)的運(yùn)行效率、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，特別適合于大力矩直接傳動裝置。基于盤式永磁同步電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，其具有以下特點(diǎn)：盤式永磁同步電機(jī)的軸向尺寸短，可適用于嚴(yán)格要求薄形安裝的場合；由于軸向尺寸較短，徑向尺寸較大，電機(jī)能夠獲得較大的散熱面積，無需加載水冷系統(tǒng)；盤式電機(jī)的電阻和電感一般相對較?。豢紤]到便攜式電動升降機(jī)的尺寸與安裝問題，本課題采用盤式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。便攜式電動升降機(jī)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2-1所示：表2-1便攜式電動升降機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值總重量M15kg尺寸(l×w×?)266mm*165mm*250mm工作負(fù)荷極限m180kg最大負(fù)荷極限m250kg最小上升速度v0.05m/s最大上升速度v0.37m/s最小下降速度v0m/s最大下降速度v0.37m/s由表2-1可知，盤式永磁同步電機(jī)的輸入功率為：P≥ 其中，η1為盤式永磁同步電機(jī)的效率，η設(shè)便攜式電動升降機(jī)的輪盤半徑為R，盤式永磁同步電機(jī)與便攜式電動升降機(jī)輪盤之間的減速比為i，則盤式永磁同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速nmaxn 盤式永磁同步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T 其中η3另外，便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)所帶的負(fù)載為位能性負(fù)載，電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)不可能采用弱磁控制，因此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不能太大，反電動勢系數(shù)也會比較小。海茵茨曼公司在幾十年來一直是著名的電力驅(qū)動器制造商，并且在升降機(jī)業(yè)界具有極強(qiáng)的專業(yè)性，本文選用海茵茨曼的盤式永磁同步電機(jī)作為便攜式電動升降機(jī)的驅(qū)動電機(jī)。根據(jù)以上分析，最終選用盤式永磁同步電機(jī)的型號為PMS080-36VDC-4500，其具體參數(shù)如表2-2所示，其實(shí)物圖如圖2-5所示。表2-2PMS080電機(jī)參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定功率1.25kW額定轉(zhuǎn)速4500rpm額定轉(zhuǎn)矩1.65Nm額定電壓24.4V額定電流39.7A直流側(cè)電壓36V最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩10Nm反電動勢系數(shù)4.48V/krpm定子電阻32.6m交直軸電感43μH電機(jī)極對數(shù)4轉(zhuǎn)動慣量0.000038kg?圖2-5PMS080-36VDC-4500外觀圖位置傳感器選型用作電機(jī)的位置傳感器的主要有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器以及磁編碼器等。旋變能夠按正弦、余弦、線性等函數(shù)關(guān)系將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號輸出，相比于采用光電技術(shù)的編碼器而言，具有耐熱、耐振、耐沖擊的特點(diǎn)，對惡劣工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，但體積較大。光電編碼器是一種經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)化成脈沖或數(shù)字量的傳感器，具有體積小、精度高、工作可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備中，但其對工作環(huán)境有較高要求，在惡劣環(huán)境下使用提出較高的保護(hù)要求。磁編碼器利用了磁感應(yīng)原理,適用于各種惡劣的工作環(huán)境,并且不需要對編碼器進(jìn)行屏蔽或者是密封，其原理是采用磁阻或者霍爾元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進(jìn)行測量，磁性材料角度或者位移的變化會引起一定阻值或者電壓的變化，通過放大電路對變化量進(jìn)行放大，通過單片機(jī)處理后輸出數(shù)字信號或者模擬信號，達(dá)到測量的目的[【53】.【53】.HaoS,YongL,HaoM.Studyonanovelabsolutemagneticencoder[C]//IEEEInternationalConferenceonRobotics&Biomimetics.IEEEComputerSociety,2009.圖2-6磁編碼器實(shí)物圖電源選型由于便攜式電動升降機(jī)是在垂直方向上移動的，所以采用攜帶式的電池作為整個(gè)升降機(jī)系統(tǒng)的供電源。市場上常用的移動電池分為三種：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池[【54】.【54】.王珊珊.輪式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué),2013.鉛蓄電池價(jià)格低，無“記憶效應(yīng)”，但能量比很小，內(nèi)阻大，自放電電流較大，維護(hù)復(fù)雜，需要有良好的通風(fēng)環(huán)境，抗震性能較差。鎳氫電池有記憶效應(yīng)，但沒有鎳鎘電池電池那么明顯，其電量儲備比鎳鎘電池多30%，使用壽命更長，并且對環(huán)境無污染。但是，鎳氫電池的價(jià)格比鎳鎘電池要貴。鋰電池在重量優(yōu)勢最大，在同樣容量下其重量更為輕巧。其內(nèi)阻比鎳氫低，所以使用效果更好，更能適應(yīng)大電流的放電。幾乎沒有記憶效應(yīng)，可以隨充隨用。不過在價(jià)格上，比鎳氫電池要高。綜合考慮這幾種電池的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案需求分析整個(gè)系統(tǒng)的供電需求，本課題采用鋰電池作為便攜式電動升降機(jī)的動力電池。鋰電池的電壓等級要與盤式永磁同步電機(jī)等級相一致且滿足電機(jī)電壓變化的要求。電池組的總電壓要大于等于電機(jī)的額定電壓，由1.4.2小節(jié)可知盤式永磁同步電機(jī)的額定電壓為36V，因此鋰電池的電壓選擇36V。便攜式電動升降機(jī)的行駛完全依賴鋰電池的能量，鋰電池容量越大，可以實(shí)現(xiàn)的續(xù)駛里程越長，但是電池的體積和重量也越大，會影響到便攜式電動升降機(jī)的整體性能。假設(shè)當(dāng)便攜式電動升降機(jī)以0.37m/s的速度上升時(shí)候，最多可以上升300米，此時(shí)盤式永磁同步電機(jī)的功率為1.25kW。根據(jù)功率計(jì)算公式P=UI，可以得到該工況下，電流為34.72A。而電池電量的計(jì)算公式為：W=式中：η為電池效率，It為放電電流，t 在該工況下，由于電流可以近似為一常數(shù)值，同時(shí)便攜式電動升降機(jī)是在勻速0.37m/s的狀態(tài)下運(yùn)行的，因此公式（1.5）可以簡化為：W= 取鋰電池的電池效率為0.9，可以算出鋰電池的額定電量為：W=34.72?300 通過以上分析計(jì)算，并且為鋰電池的選定增加一定的余量，最終確定電池的參數(shù)如表2-3所示：表2-3動力電池的基本參數(shù)參數(shù)數(shù)值電池容量10Ah電池額定電壓36V總重量1.5Kg循環(huán)壽命大于等于800次驅(qū)動電路和供電電路將在第六章作詳細(xì)介紹。磁編碼器信號處理與仿真當(dāng)便攜式消防升降機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，磁編碼器會輸出兩路跟隨軸的角位置變化的正弦信號，精確的角度位置信息是消防升降機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。1.3.1磁編碼器輸入信號磁傳感器的實(shí)際信號不僅包含一對正弦波，還包含誤差因子。為了不失一般性，它們可以用公式(1.7)來描述，其中As和Ac分別是正弦和余弦的振幅;Bs和Bc是偏移量;δ為正弦和余弦信號之間的相移;U 圖2-7顯示了正弦信號受到幅度誤差、偏移量或相移影響時(shí)的一些三角圓情況，圖2-8顯示了非理想輸入信號與理想信號之間的位置結(jié)果，圖2-9顯示了非理想輸入信號與理想信號之間的位置誤差。圖2-7正弦信號的三角圓圖2-8合成位置波形圖2-9位置誤差 由圖2-7~圖2-9可知，當(dāng)磁編碼器的信號帶有幅度誤差、偏移量或者相移時(shí)，解碼出來的位置信號會與理想的位置信號有一定的誤差，這將會對盤式永磁同步電機(jī)的控制帶來影響，因此必須對磁編碼器信號進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)。1.3.2磁編碼器輸入信號預(yù)校準(zhǔn)這一步將使ADC的輸入信號歸一化到范圍[-1,1]，并消除其相移。首先，為了對正弦信號進(jìn)行歸一化，我們確定每個(gè)信號的最大值和最小值，從這些值，我們可以很容易地計(jì)算出每個(gè)信號的振幅和偏移量的方程：A 其中，AXmax、AXmin分別為正弦信號和余弦信號的最大值和最小值，通過式（U 經(jīng)過歸一化后，Usin和Ucos信號仍然存在相位差δ，一般來說，δ對于每個(gè)不同的磁編碼器變化很小，所以我們可以假設(shè)δ是一個(gè)常數(shù)。在不損失一般性的前提下，忽略噪聲，UsN，UcN【55】.HoangHV,LeHT,JeonJW.Anewapproachbased-onadvancedadaptivedigitalPLLforimprovingtheresolutionandaccuracyofmagneticencoders[C]//IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobots&Systems.DBLP,2008.u 我們可以通過式（1.11）來消除這些信號的相位差：u 其中，φ=θ+π+2δ 由于假設(shè)δ為常數(shù)，所以A1和A2也被認(rèn)為是常數(shù)。因此，很容易找到兩個(gè)乘數(shù)K1,K2滿足K1?A1≈K2u通過磁編碼器輸入信號預(yù)校準(zhǔn)，能夠最大程度地減小相移誤差、偏移量誤差以及振幅誤差，為鎖相環(huán)提供了良好的輸入信號。1.3.3鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤法閉環(huán)跟蹤法計(jì)算量小，細(xì)分精度高，可以提高了采樣頻率和精度。該方法原理和旋轉(zhuǎn)變壓解碼芯片類似，通過構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，計(jì)算出正余弦時(shí)間角度與辨識的角度的誤差，來調(diào)整辨識的角度，誤差信號的計(jì)算為：E== 當(dāng)θ=?較小時(shí)，式（1.13）簡化為：E≈ 磁編碼器信號預(yù)處理后的信號中仍然含有許多高頻噪聲，通過采用低通濾波器可將信號中的高頻噪聲濾除，基于這個(gè)思想，得到鎖相環(huán)閉環(huán)跟蹤法的控制框圖如圖2-10所示。圖2-10鎖相環(huán)控制框圖如圖2-10所示，磁編碼器的正余弦信號經(jīng)過單片機(jī)XMC4400中的ADC同步采樣后得到最原始的磁編碼器信號usin和ucos，再經(jīng)過信號預(yù)校準(zhǔn)，送入到低通濾波器后，得到濾出高頻信號并且經(jīng)過預(yù)校準(zhǔn)的兩路信號us和uc。根據(jù)式（1.13），將相位誤差信號經(jīng)過鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器，得到估計(jì)的相位值φ，為了快速得到sinφ和cos1.3.4磁編碼器信號處理仿真根據(jù)圖2-10中的鎖相環(huán)控制框圖，在MATLAB/Simulink中搭建出磁編碼器信號處理仿真模型如圖2-11所示，輸入信號為頻率，首先將其轉(zhuǎn)換為角度，然后通過公式轉(zhuǎn)變?yōu)榇啪幋a器信號，再通過自動標(biāo)定算法推算出信號的標(biāo)定參數(shù)，再對所得信號進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，最后通過兩個(gè)低通濾波器送入到鎖相環(huán)中進(jìn)行解算。圖2-11磁編碼器信號處理仿真模型 為了真實(shí)模擬磁編碼器的輸入信號，本節(jié)仿真中的輸入模型為：u 其中randn()是隨機(jī)噪聲函數(shù)。仿真中的輸入信號為頻率，初始時(shí)刻頻率為20Hz，在t=0.1s時(shí)頻率階躍為80Hz，仿真時(shí)間為0.3s。 在MATLAB中畫出模擬的磁編碼器信號如圖2-12所示：圖2-12模擬的磁編碼器信號信號經(jīng)過第一個(gè)周期后，自動標(biāo)定算法檢測到標(biāo)定參數(shù)，如圖2-13所示。取t=0.15s時(shí)刻的標(biāo)定參數(shù)值如表2-5所示。圖2-13自動標(biāo)定算法標(biāo)定的參數(shù)表2-4t=0.15s標(biāo)定參數(shù)值參數(shù)值相對誤差A(yù)1.05480.457%B0.03010.333%A0.95480.505%B-0.02010.500%δ0.07901.25% 通過圖2-13以及表2-4中的標(biāo)定參數(shù)值可知，信號經(jīng)過一個(gè)周期（約為0.06s）后，自動標(biāo)定算法能夠快速標(biāo)定好參數(shù)，并且標(biāo)定的參數(shù)值與式（1.15）所給定的真實(shí)信號的參數(shù)相比，相對誤差控制在1%左右，并且在t=0.1s輸入信號的頻率由20Hz階躍為80Hz時(shí)，自動標(biāo)定參數(shù)的值基本沒有改變，說明自動標(biāo)定算法具有穩(wěn)定、精確的特點(diǎn)。 信號經(jīng)過自動標(biāo)定算法后，通過式（1.8）~式（1.12）進(jìn)行歸一化處理，得到鎖相環(huán)輸出角度的正余弦曲線如圖2-14所示，鎖相環(huán)輸出角度與輸入角度對比如圖2-15所示。圖2-14鎖相環(huán)輸出角度的正余弦曲線圖2-15鎖相環(huán)輸出角度與輸入角度對比 對比圖2-12與2-14可知，經(jīng)過預(yù)校準(zhǔn)，磁編碼器信號的幅值變?yōu)?1,1的正余弦信號，通過低通濾波器能夠有效地濾出磁編碼器信號中的高頻噪聲。由圖2-11可知，鎖相環(huán)的輸出信號在t=0.06s之前的誤差比較大，這是因?yàn)樽詣訕?biāo)定算法標(biāo)定參數(shù)需要一個(gè)時(shí)間過程，此時(shí)解析出來的信號與原始的給定信號誤差比較大，所以導(dǎo)致鎖相環(huán)的輸出誤差較大，在t=0.06s后，自動標(biāo)定算法標(biāo)定的參數(shù)穩(wěn)定后，鎖相環(huán)的輸出信號能夠快速且準(zhǔn)確地跟隨磁編碼器信號的角度。便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制與仿真盤式永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型盤式永磁同步電機(jī)的氣隙磁場在空間上的分布正弦性較好，使得電機(jī)的反電動勢更加接近正弦波。由以上分析可知，盤式永磁同步電機(jī)更好地滿足了d、q軸數(shù)學(xué)模型的假設(shè)條件，盤式永磁同步電機(jī)空間矢量如圖2-16所示。圖2-16盤式永磁同步電機(jī)空間矢量圖盤式永磁同步電機(jī)在d、q軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為[【56】.【56】.王曉遠(yuǎn),王曉光.盤式無鐵心永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(18):2952-2959.uψ 式中，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度，ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為d、q軸坐標(biāo)系下的等效電壓、電流、電感；d、q軸上的等效電阻相等，id=iq= 將（1.17）代入（1.16），可得：u 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：T式中，pm為電機(jī)極對數(shù)。因?yàn)楸P式永磁同步電機(jī)交、直軸電感一樣，即Ld=T 由公式（1.20）可以看出，對于盤式永磁同步電機(jī)來說，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值與定子電流iq盤式永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制策略盤式永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換，將三相定子電流分解為互相垂直的兩個(gè)分量，分別控制定子電流矢量的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制[【57】.【57】.王恩德,黃聲華.表貼式永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(033):82-88.根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，通過對定子電流q軸分量iq的控制，即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。又因?yàn)殡姍C(jī)的交、直軸電感相等，所以id=0控制即為最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，可以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大化[【58】.李兵強(qiáng),林輝.面裝式永磁同步電機(jī)電流矢量直接控制技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(S1):288-294.圖2-17所示為id=0控制方式的矢量圖，反電動勢e0與定子電流is相位相同。對盤式永磁同步電機(jī)來說，此種控制方式下的轉(zhuǎn)矩電流比最大，銅耗最小，效率最高【59】.OliveiraAC,JacobinaCB,LimaAMN.ImprovedDead-TimeCompensationforSinusoidalPWMInvertersOperatingatHighSwitchingFrequencies[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(4):2295-2304.圖2-17id 圖2-18所示為盤式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖。圖中，n和θ為電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子角位置，ia、ib、ic分別為三相定子電流瞬時(shí)值，id、iq為d、q軸坐標(biāo)系下的電流分量。系統(tǒng)外環(huán)為速度環(huán)，速度調(diào)節(jié)器輸出電流給定值；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量參考值[【60】.萬文斌,徐衍亮,唐任遠(yuǎn).永磁同步電動機(jī)的高性能電流控制器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000(12):25-28.]。電流參考值【60】.萬文斌,徐衍亮,唐任遠(yuǎn).永磁同步電動機(jī)的高性能電流控制器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000(12):25-28.圖2-18盤式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真速度曲線決定了便攜式電動升降機(jī)系統(tǒng)的舒適度，其應(yīng)滿足給定速度、加速度保持連續(xù)，且加速度變化率無突變的要求。理想的便攜式電動升降機(jī)運(yùn)行速度曲線的加減速的運(yùn)行過程保持對稱，其中，速度為為正時(shí)表示升降機(jī)的上升過程，中間速度為0時(shí)表示升降機(jī)停止在空中的救援過程，速度為負(fù)表示升降機(jī)的下降過程，給定速度對時(shí)間的積分即為便攜式電動升降機(jī)一趟行程的運(yùn)行距離，因此控制系統(tǒng)只需保證盤式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子速度能穩(wěn)定地跟隨規(guī)劃好的速度曲線，即可獲得良好的控制效果。理想的7段式S型曲線如圖2-19所示。圖2-19理想7段式S型速度曲線如圖2-19所示，便攜式電動升降機(jī)的整個(gè)營救過程可分為三個(gè)階段，分別是上升階段、高空靜止救援階段和下降階段，高空靜止救援階段是通過機(jī)械制動將便攜式電動升降機(jī)懸停在空中的，此階段不涉及電機(jī)控制，上升階段和下降階段的速度給定曲線為理想7段式S型曲線，曲線由7小段構(gòu)成，依次為圓角啟動段、勻加速段、圓角加速段、勻速段、圓角減速段、勻減速段和圓角?？慷?。本文的目標(biāo)主要是考量電機(jī)轉(zhuǎn)速對給定速度的快速準(zhǔn)確地跟隨，速度曲線采用按時(shí)間規(guī)劃的7段式S型曲線，不涉及基于運(yùn)行距離的速度曲線動態(tài)規(guī)劃。根據(jù)上述雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在MATLAB/Simulink中搭建了便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，采用鋰電池進(jìn)行供電，其整體仿真模型如圖2-20所示。仿真中電機(jī)參數(shù)取課題所用的盤式永磁同步電機(jī)參數(shù)，鋰電池參數(shù)如表2-5所示。圖2-15盤式永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模型表2-5鋰電池參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定電壓36V額定容量10Ah初始電量80%為真實(shí)模擬便攜式電動升降機(jī)的救援過程，以操作人員體重為60kg計(jì)算，加上便攜式電動升降機(jī)自身的重量為15kg總共75kg，則折算到盤式永磁同步電機(jī)側(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T分別對上升過程和下降過程進(jìn)行仿真。上升過程仿真條件：帶載啟動，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.8N?m，采用圖2-21中的理想七段S型給定速度曲線，仿真時(shí)間為16s，得到的仿真結(jié)果如圖2-21，2-22所示；下降過程仿真條件：帶載啟動，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1.6N?m，采用圖2-23中的理想七段S型給定速度曲線，在t=8s時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?.8N?m（模擬下降過程發(fā)生突發(fā)情況），仿真時(shí)間為16s，得到的仿真結(jié)果如圖2-23，2-24所示。圖2-21上升過程速度曲線圖2-22上升過程電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖2-23下降過程速度曲線圖2-24下降過程鋰電池電流曲線由圖2-21可知，上升階段盤式永磁同步電機(jī)的速度能夠很好地跟隨理想S型速度曲線，但由圖2-22可以看出上升過程中盤式永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動較大，波動范圍在0.62~0.92Nm。由圖2-23可知，下降過程t=0時(shí)刻，盤式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)到接近-40轉(zhuǎn)/分鐘，經(jīng)過0.2s后盤式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定速度曲線重合，下降過程t=8s時(shí)刻，受負(fù)載突變的影響，盤式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速從-4000轉(zhuǎn)/分鐘減小到-3985轉(zhuǎn)/分鐘，經(jīng)過0.25s后速度重新恢復(fù)為-4000轉(zhuǎn)/分鐘。圖2-24中，鋰電池電流為正表示放電，鋰電池電流為負(fù)表示充電，下降速度越快，負(fù)載越大，系統(tǒng)所釋放的重力勢能越多，回饋電流越大。便攜式電動升降機(jī)用盤式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)控制總方案根據(jù)1.6小節(jié)中的模擬仿真結(jié)果，并結(jié)合便攜式電動升降機(jī)特定的工作環(huán)境出發(fā)，傳統(tǒng)的盤式永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)可能存在以下問題：（1）由圖2-22可知，上升過程中的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動較大，這會給操作人員和被救人員帶來極不舒適的使用體驗(yàn)，甚至?xí)砜謶值那榫w。（2）圖2-23中的速度嚴(yán)重超調(diào)現(xiàn)象，雖