[发明专利]一种能量控制的直流电机调速装置

权利要求书

1.一种能量控制的直流电机调速装置，其特征在于：包括调速主电路和控制电路，调速主电路包括直流电机(1)、工作电源(2)、可控开关(3)、二极管(4)、励磁电源(5)，工作电源(2)通过可控开关(3)与直流电机(1)的电枢绕组连接；二极管(4)并联在直流电机(1)的电枢绕组两端；励磁电源(5)与直流电机(1)的励磁绕组连接；

控制电路包括电压检测电路(6)、电流检测电路(7)、输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)、期望电流计算电路(13)、储能差值计算电路(14)、动能计算电路(15)、负载能量计算电路(16)、输出能量计算电路(17)、能量比较电路(18)、时钟电路(19)、逻辑驱动电路(20)、转速检测电路(21)，电压检测电路(6)与直流电机(1)的电枢绕组相并联，电压检测电路(6)输出端与输入能量计算电路(8)的对应输入端连接；电流检测电路(7)对直流电机(1)的电枢电流进行检测，电流检测电路(7)输出端分别与输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、转矩系数计算电路(12)的对应输入端连接；输入能量计算电路(8)的输出端分别与电磁转矩计算电路(10)、输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；电感储能计算电路(9)的一个输出端与电磁转矩计算电路(10)的对应输入端连接，另一个输出端与储能差值计算电路(14)的对应输入端连接；电磁转矩计算电路(10)的输出端分别与负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)的对应输入端连接；负载转矩计算电路(11)的输出端分别与期望电流计算电路(13)、负载能量计算电路(16)的对应输入端连接；转矩系数计算电路(12)的输出端与期望电流计算电路(13)的对应输入端连接；期望电流计算电路(13)的输出端与储能差值计算电路(14)的对应输入端连接；储能差值计算电路(14)的输出端与输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；动能计算电路(15)的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，动能计算电路(15)输出端与输出能量计算电路(17)的对应输入端连接；负载能量计算电路(16)的一个输入端接入外界提供的转速给定信号n，负载能量计算电路(16)输出端与能量比较电路(18)的对应输入端连接；输出能量计算电路(17)的输出端与能量比较电路(18)的对应输入端连接；能量比较电路(18)的输出端与逻辑驱动电路(20)的对应输入端连接；时钟电路(19)的输出端分别与能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、逻辑驱动电路(20)的对应输入端连接；逻辑驱动电路(20)的输出端与可控开关(3)的控制端连接；转速检测电路(21)对电机转速进行检测，转速检测电路(21)输出端分别与电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、动能计算电路(15)的对应输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种能量控制的直流电机调速装置，其特征在于：直流电机(1)将电能转化为机械能，并将转化的机械能传递给负载；

工作电源(2)为直流电机(1)的电枢绕组提供工作所需的电能；

可控开关(3)导通时，工作电源(2)为直流电机(1) 提供电能，可控开关(3)关断时，工作电源(2)停止为直流电机(1)供电；

当可控开关(3)关断时，二极管(4)为直流电机(1)的电枢电流提供续流通路；

励磁电源(5)为直流电机(1)的励磁绕组提供建立磁场所需的电能；

电压检测电路(6)对直流电机(1)的电枢绕组的端电压进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路(8)；

电流检测电路(7)对直流电机(1)的电枢电流进行检测，并将检测结果传递至输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、转矩系数计算电路(12)；

输入能量计算电路(8)根据电压检测电路(6)、电流检测电路(7)和时钟电路(19)传送的数据，计算从当前控制周期的初始时刻一直到当前时刻的时间段内工作电源(2)提供给直流电机(1)的电能W_in，并将电能W_in传递给电磁转矩计算电路(10)和输出能量计算电路(17)；

电感储能计算电路(9)根据电流检测电路(7)和时钟电路(19)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出电枢电感在当前控制周期初始时刻时的电感储能值W_L0和当前储能变化差值ΔW_L10，并将ΔW_L10的数值传递给电磁转矩计算电路(10)，将W_L0的数值传递给储能差值计算电路(14)，公式中L_a为电枢电感值、I₁为当前时刻的电枢电流值、I₀为当前控制周期初始时刻时的电枢电流值；

电磁转矩计算电路(10)根据输入能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、时钟电路(19)、转速检测电路(21)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出直流电机(1)的电磁转矩T_em，并将计算结果传送至负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)，公式中矩t₁为当前的时间、t₀为当前控制周期初始时刻对应的时间、Ω₁为直流电机(1)的当前机械角速度；

负载转矩计算电路(11)根据电磁转矩计算电路(10)、时钟电路(19)、转速检测电路(21)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出直流电机(1)的总负载转矩T_L，并将计算结果传送至期望电流计算电路(13)、负载能量计算电路(16)，公式中Ω₀为直流电机(1)在t₀时刻的机械角速度；

转矩系数计算电路(12)的功能是根据电磁转矩计算电路(10)、电流检测电路(7)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出转矩系数k_T，并将计算结果传送至期望电流计算电路(13)；

期望电流计算电路(13)根据负载转矩计算电路(11)、转矩系数计算电路(12)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出在当前总负载转矩不变的情况下，直流电机(1)稳态运行时的电枢电流数I_ref，并将计算结果传送至储能差值计算电路(14)；

储能差值计算电路(14)根据期望电流计算电路(13)、电感储能计算电路(9)传送过来的数据，利用如下公式：

计算出直流电机(1)电枢电感的期望储能变化差值ΔW_Lref，并将计算结果传送至输出能量计算电路(17)；

动能计算电路根据外界提供的转速给定信号n和时钟电路(19)传送过来的周期信号，利用如下公式:

计算出直流电机(1)转子动能的变化差值ΔE，并将计算结果传送至输出能量计算电路(17)，公式中Ω_ref为与转速给定信号n相对应的机械角速度，公式中J为直流电机(1)的转子转动惯量；

负载能量计算电路(16)根据外界提供的转速给定信号n和负载转矩计算电路(11)传送过来的总负载转矩T_L，利用如下公式:

W_Load＝T_LΩ_refΓ

计算出在一个控制周期时间段内总负载转矩所消耗的能量W_Load，并将计算结果传送至能量比较电路(18)，公式中Γ为一个控制周期所对应的时间，控制周期所对应的时间为常数；

输出能量计算电路(17)根据输入能量计算电路(8)、储能差值计算电路(14)、动能计算电路(15)传送过来的数据，利用如下公式：

W_out＝W_in-ΔW_Lref-ΔE

计算出输出能量W_out，并将计算结果传送至能量比较电路(18)；

能量比较电路(18)根据负载能量计算电路(16)和输出能量计算电路(17)传送过来的数据完成比较运算和输出控制，即当W_out＜W_Load时，电路输出高电平信号，而当W_out≥W_Load时，电路则输出低电平信号，能量比较电路(18)输出的电平信号传送至逻辑驱动电路(20)；

时钟电路(19)产生固定的时钟信号，并将该时钟信号传送至能量计算电路(8)、电感储能计算电路(9)、电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、逻辑驱动电路(20)，以确保这五个电路的时钟能够准确同步；

逻辑驱动电路(20)将能量比较电路(18)输出的电平信号进行电气隔离和功率放大处理后，传送至可控开关(3)的驱动控制端，当能量比较电路(18)的输出电平一旦由高电平变为低电平后，逻辑驱动电路(20)的输出将一直保持为低电平直至本控制周期结束，等到下一个控制周期开始时，逻辑驱动电路(20)的输出再与能量比较电路(18)的输出保持一致；

转速检测电路(21)对直流电机(1)的转速进行检测，并将检测结果传送至电磁转矩计算电路(10)、负载转矩计算电路(11)、动能计算电路(15)。