基于SRD的升降橫移式立體車庫(kù)運(yùn)行可行性分析

廖玲玲，肖素梅，肖湘菲

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

立體車庫(kù)是根據(jù)物流系統(tǒng)中物料自動(dòng)傳輸原理，利用多層高架式倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存放車輛的一種大型停車設(shè)備。如何使立體車庫(kù)運(yùn)行效率更高，車主等待時(shí)間更短［1］是當(dāng)前研究立體車庫(kù)的重要課題之一。在目前市場(chǎng)上，小型車庫(kù)利用帶常閉式制動(dòng)器的三合一減速電機(jī)作為動(dòng)力源［2］，電機(jī)做恒速運(yùn)動(dòng)，以犧牲車主等待時(shí)間為代價(jià)來(lái)減小運(yùn)行始末的慣性沖擊。另有部分立體車庫(kù)引入了變頻調(diào)速，設(shè)定電機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度曲線［2］，利用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比變頻調(diào)速或者利用轉(zhuǎn)速閉環(huán)滑差頻率控制轉(zhuǎn)矩［3］來(lái)調(diào)速，兩種調(diào)速方式都能獲得一個(gè)較平滑快速的車庫(kù)運(yùn)行速度，避免產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流。變頻調(diào)速相對(duì)恒速運(yùn)動(dòng)，無(wú)疑提高了車庫(kù)的運(yùn)行效率，但從表1的對(duì)比情況可以看出，變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)弱于開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，特別是在立體車庫(kù)這種低速轉(zhuǎn)運(yùn)條件下，變頻調(diào)速成本較高、電機(jī)使用壽命較短。故本文提出利用開關(guān)磁阻電機(jī)取代目前常用的三合一減速電機(jī)、交流變頻調(diào)速技術(shù)，以電流、位置雙閉環(huán)控制取代現(xiàn)有電機(jī)的開環(huán)或單閉環(huán)控制，不但降低成本，也使得運(yùn)動(dòng)精度更高，并給出可行性分析。

表1 變頻調(diào)速與SRD對(duì)比表Table 1 The com parison between Variable frequency and SRD

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor SRM)采用雙凸極鐵心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固。其利用磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極軸線不重合時(shí)，轉(zhuǎn)子將在磁阻力的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨于磁阻最小的位置，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)［4］。

圖1 三相6/4開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)(其中一相)Fig.1 The structure of Three － phase 6/4 SRM(Only one phase)

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Driver，SRD)則是由開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、功率變換器、反饋采樣環(huán)節(jié)和控制器組成的機(jī)電一體化的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其工作流程如圖2所示。

圖2 SRD工作流程Fig.2 The Engineering process of SRD

SRM是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是區(qū)別于其他電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率變換器提供SRM運(yùn)行所需要的能量，一般是蓄電池或交流經(jīng)整流后得到的直流電。采樣反饋環(huán)節(jié)包括轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和相電流檢測(cè)?？刂破魇钦紫到y(tǒng)的核心，處理反饋信息，計(jì)算轉(zhuǎn)速，然后發(fā)出控制信號(hào)給功率變換器，實(shí)現(xiàn)功率變換器對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型

式中，U，i，R依次為電機(jī)定子相電壓、相電流和相電阻;θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置角;Ψ(i，θ)為電機(jī)定子的相繞組磁鏈。式(1)中，定子各相繞組端電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)

開關(guān)磁阻電機(jī)基本方程為［4－5］之和。開關(guān)磁阻電機(jī)定子由硅鋼片制成，電阻較小，若忽略相電阻R時(shí)，則式(1)可簡(jiǎn)寫為:

其中:

式(3)中，SRM磁鏈Ψ(i，θ)是一個(gè)關(guān)于繞組相電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。而SRM在電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

(4)式中，J，β分別為 SRM轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦因數(shù)。

3 立體車庫(kù)電機(jī)仿真模型

3.1 立體車庫(kù)電機(jī)選擇

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的升降橫移式立體車庫(kù)橫移速度6～8 m/min，一個(gè)車位跨度2 m左右，則橫移時(shí)間約19 s，而升降速度為4～5 m/min，按平均層間距1.8 m計(jì)算，一層所需升降時(shí)間約21 s，隨著層數(shù)的增多，升降時(shí)間所需更多，當(dāng)有兩名及兩名以上車主進(jìn)行存取車，則后到車主的等待時(shí)間則會(huì)更長(zhǎng)。一般升降橫移式立體車庫(kù)不超過(guò)五層，以每層1.8 m計(jì)算，升到頂層有7.2 m，故在升降方向?qū)F(xiàn)有的電機(jī)換成開關(guān)磁阻電機(jī)，并引入其相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)。而車位橫移時(shí)，載車板下的4個(gè)滾輪沿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)速度較快，且每次橫移只需移動(dòng)一個(gè)車位寬度的距離，橫移時(shí)間較短，采用恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)也不會(huì)占用過(guò)多時(shí)間，為節(jié)省成本，橫移電機(jī)無(wú)需換成開關(guān)磁阻電機(jī)。

立體車庫(kù)的升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)提升載車板實(shí)現(xiàn)的。考慮傳動(dòng)中各部件的效率如下:鏈傳動(dòng)效率 η鏈=0.97，軸承效率 η軸承=0.99，齒輪效率 η齒=0.97，則 η總=0.931。

現(xiàn)目前，載車板總重量m載≈500 kg，容車規(guī)格一般m容車≤1 800 kg，則可得升降需要的拉力F＞(m載+m容車)g，取 g=9.8 m/s2，故F＞22 540 N。

為提高立體車庫(kù)的運(yùn)行效率，利用開關(guān)磁阻電機(jī)良好的調(diào)速性能，將立體車庫(kù)的升降運(yùn)行速度提高1.5 倍，則取升降速度v=7.2 m/min，即v=0.12 m/s，同時(shí)考慮傳動(dòng)中的各種摩擦阻力，使載荷增大10%，則電機(jī)的額定功率:

選用6/4三相開關(guān)磁阻電機(jī)，額定功率4 kW。根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值［4］，電機(jī)額定功率4 kW時(shí)，電子轉(zhuǎn)子直徑約30 mm，額定轉(zhuǎn)速:

根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算［4－5］:

考慮傳動(dòng)中的各種摩擦，則阻力轉(zhuǎn)矩為:

故Tem＞TL，所選電機(jī)完全可行。

圖3 SRD仿真模型Fig.3 The simulationmodel of SRD

3.2 建立電機(jī)仿真模型

根據(jù)文獻(xiàn)［4－5］中開關(guān)磁阻電機(jī)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Ansoft軟件中Rmxprt建立三相6/4開關(guān)磁阻電機(jī)有限元模型［6］，得到電機(jī)的磁化曲線等非性線數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 6/4開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈曲線Fig.4 The flux curve of 6/4 SRM

根據(jù)Ansoft計(jì)算結(jié)果，在Matlab 2010b Simulink中找到 SimPowerSystems庫(kù)下的Machines，找到開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched reluctantmotor)模型，雙擊該模型，將設(shè)置參數(shù)選用 6/4，Generic modle［7］，其中，電機(jī)參數(shù)設(shè)置項(xiàng)中最大電流為480 A，最大磁鏈為1.804 2 V·s。

3.3 仿真結(jié)果

仿真電機(jī)帶載，初速度為0的加速與設(shè)計(jì)速度8 rad/s的減速過(guò)程，仿真時(shí)間為2 s，電機(jī)加速曲線如圖5所示，在1 s時(shí)，速度已達(dá)到穩(wěn)定，在小范圍8～10 rad/s內(nèi)波動(dòng)，加速過(guò)程較快。電機(jī)轉(zhuǎn)矩亦有所波動(dòng)，如圖6所示。減速過(guò)程如圖7所示，在0.9 s時(shí)，速度已減為零，而此時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)矩與加速過(guò)程類似，阻力轉(zhuǎn)矩上下波動(dòng)，如圖8所示。

圖5 開關(guān)磁阻電機(jī)加速曲線Fig.5 The acceleration curve of SRM

圖6 開關(guān)磁阻電機(jī)加速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線Fig.6 The acceleration torque fluctuation curve of SRM

圖7 開關(guān)磁阻電機(jī)減速曲線Fig.7 The deceleration curve of SRM

圖8 開關(guān)磁阻電機(jī)減速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線Fig.8 The deceleration torque fluctuation curve of SRM

4 結(jié)論

經(jīng)仿真分析，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能良好，電機(jī)響應(yīng)快速。在立體車庫(kù)載車板停車條件下，SRD能快速完成升降過(guò)程中的加減速過(guò)程，達(dá)到設(shè)計(jì)提升現(xiàn)有速度1.5倍的預(yù)期效果，即SRD作為升降橫移式立體車庫(kù)動(dòng)力源完全可行。但電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，可能會(huì)造成立體車庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)。故根據(jù)此次仿真結(jié)果，在后期工作中應(yīng)注重電機(jī)控制策略的優(yōu)化。 找到適合立體車庫(kù)運(yùn)行的控制策略，如針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的模糊控制技術(shù)［8］、直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(Direct Instantaneous Torque Control簡(jiǎn)稱 DITC)［9］等，以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使車庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行中快速平穩(wěn)，安全性能更好。

［1］付翠玉，關(guān)景泰.立體車庫(kù)發(fā)展的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，9(9):156.

［2］董冬，郭佑民，辜琳麗.基于 PLC與變頻器結(jié)合的立體車庫(kù)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電技術(shù)，2011，(5):92－94.

［3］劉增高.立體車庫(kù)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.天津:天津理工大學(xué)，2008.

［4］吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.110 －128.

［5］吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.2 －87.

［6］李浩.開關(guān)磁阻電機(jī)的性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［D］.天津.河北工業(yè)大學(xué)，2010.

［7］程勇.基于 Matlab開關(guān)磁阻電機(jī)模型的調(diào)速系統(tǒng)仿真［J］.煤礦機(jī)電，2011，(5):29 －33.

［8］HOANG L H.A versatile nonlinear switched reluctance motor model in Simulink using realistic and analytical magnetization characteristics［J］.IEEE Electrical and Computer Engineering，2005，1556 －1561.

［9］吳紅星，趙哲.抑制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制方法綜述［J］.微電機(jī)，2010，(43):78－84.

［10］王廣洲.開關(guān)磁阻電機(jī)低速階段轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2012.