永磁同步电机是同步电机的一个重要类型，其转子一般采用稀土永磁材料做激磁磁极，与传统同步电机相比，体积和重量大为减小，而且结构简单，运行可靠，维护更方便。现代电气传动控制的发展趋势之一是开发新的交流调速与伺服系统。无论在矢量控制还是标量控制中，转速与位置的闭环控制都需要在电机轴上安装一个速度传感器，但是由于速度传感器的引进不仅增加了成本，降低了系统可靠性，还存在安装问题，效果并不十分理想。因此高性能无速度传感器控制成为近年来电机研究的热点。 本文在系统介绍卡尔曼滤波器的基础上，将其引入到永磁同步电机无速度传感器状态观测中。由于永磁同步电机是一个强耦合的多阶非线性系统，本文采用了工程实际中普遍采用的泰勒展开式截断的方法，对电机方程线性化处理，将卡尔曼滤波算法推广至非线性系统，并加入了反映电机系统模型误差和环境干扰的系统噪声和测量噪声模型，形成扩展卡尔曼滤波算法。扩展卡尔曼滤波器将电机转子位置与转速作为系统状态变量进行实时估算，并将所得信息反馈到永磁同步电机控制系统中。通过仿真，与电机实际运行状态进行比较，证明了扩展卡尔曼滤波具有良好的动态跟踪能力和抗噪声能力。 针对扩展卡尔曼滤波算法在无速度传感器控制中存在的不足，本文给出了降阶线性卡尔曼滤波算法。降阶线性卡尔曼滤波算法重新选择了系统状态变量，建立新的完全线性化的系统方程，并且卡尔曼滤波算法中的系统协方差矩阵成为时不变序列，因此可以直接应用线性卡尔曼滤波算法。仿真结果证明，与扩展卡尔曼滤波算法相比，新的算法更加简单，减轻了繁重的参数调节任务，易于数字化实现，不仅具备扩展卡尔曼滤波算法的优势，而且在某些性能方面超越了扩展卡尔曼滤波算法。 通过分析得知，由于将系统模型不确定性与测量噪声体现在系统方程中，因此卡尔曼滤波算法在状态估算方面具有良好的性能。本文以降阶线性卡尔曼滤波 算法为理论基础，以永磁同步电机为对象，以数字信号处理器（DSP）为核心，设计了电机状态观测系统的设计方案。整个方案在不增加成本的基础上，充分利用数字信号处理器（DSP）丰富的资源和强大的运算能力，通过检测电机相电流，实时估算出电机转子位置与转速。本系统可以代替传统速度传感器，为电机控制系统提供转子位置和转速反馈信息。本文的下一步主要工作便是将此系统付诸实践，应用于实际工程中，对卡尔曼滤波算法在永磁同步电机无速度传感器控制方面的性能进行进一步研究。关键词：永磁同步电机；无速度传感器；卡尔曼滤波
上传时间： 2013-04-24
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随着全球汽车保有量的与日俱增，能源危机和环境污染正逐渐成为制约世界汽车工业发展的瓶颈。而新兴的混合动力汽车（HEV）在节能和排放上的优越性正逐步体现出来。由于采用“油、电”配合的方式来驱动车体，其所搭载电动机及其驱动控制系统的研究则成为混合动力汽车研发中的关键技术之一，它直接决定着整车的动力性，燃油经济性和排放指标。 论文首先比较了常见的几种电动汽车的性能，概括了混合动力汽车的优点，介绍了混合动力汽车电机及其控制系统技术的发展现状；其次探讨了几种常用交流电动机的性能优劣，由于永磁同步电机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能，本文混合动力汽车传动系统选用永磁同步电机；根据混合动力汽车所搭载电动机在功率和扭矩上的要求以及永磁同步电机在结构上的特点，选取了发动机电机系统的结构布置形式；论文建立了永磁同步电动机的数学模型，分析了永磁同步电动机矢量控制的原理；设计了基于TMS320F2812DSP的永磁同步电动机矢量控制系统，详细阐述了功率驱动电路，速度及位置检测电路，电流反馈及过流保护电路，CAN通讯模块等系统中重要的组成单元；软件采用模块化的结构，阐述了关键子程序如电流采集、位置检测程序和SVPWM产生子程序。 最后，搭建了实验平台，对硬件进行了调试和修改，通过样机及系统台架试验，取得了大量的实验数据，检验了所设计样机的特性，发现其制作过程中的不足，并实现了电机控制系统的闭环控制，从而达到了对混合动力汽车用永磁同步电动机控制系统的探索与研究的目的。
上传时间： 2013-05-22
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应用于电动汽车驱动领域的永磁同步电机交流驱动系统是由永磁同步电机、电力电子技术和控制技术相结合而形成的新型交流驱动系统。因其具有良好的运行性能而成为当代电气传动领域研究的热点之一。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高强耦合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，需要进行磁场解耦。矢量变换控制技术正好适用于永磁同步电机的这种特点。 本文在数字电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407的基础上，以永磁同步电机为研究对象，对其矢量控制技术进行了研究和设计。 首先课题根据永磁同步电机实际物理模型，分析推导得到了永磁同步电机的三相静止坐标系下及两相旋转坐标系下的数学模型。 接着课题对永磁同步电机运行特性进行了分析和研究。在此基础上，课题提出了一种新型的永磁同步电机矢量控制系统，在这个系统上，课题提出了应用不同矢量控制策略的矢量控制方法，并对其做了仿真验证。 结果表明，课题设计的系统以及应用不同矢量控制策略的矢量控制方法准确可行。 这个控制系统便于实现多种矢量控制方法，为永磁同步电机扩速增效提供了理论平台。 在理论分析、仿真通过基础上，课题对驱动系统的硬件和软件两个方面进行了具体的设计。 课题完成了DSP控制系统关键硬件电路的设计，并设计制作了一块应用SCALE模块的IGBT驱动电路，此驱动电路响应迅速、抗干扰性强，驱动性能优越。此外，课题完成了永磁同步电机矢量控制系统全数字化设计，调试通过了速度位置检测、电流检测、PI调节、坐标变换等应用模块。 课题最后对整个系统的做了全面的总结，并对今后的工作方向进行了展望。
上传时间： 2013-06-21
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使用二极管和晶闸管实现的不控和可控整流器，电流波形畸变给电网注入大量谐波和无功功率，造成严重的电网污染。随着电力电子技术的发展，人们开始研究PWM整流技术。电压型PWM整流器具有交流侧电流低谐波、高功率因数、直流电压输出稳定等诸多优点，因此，成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。由于PWM整流器具有以上优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。本论文对三相PWM整流器进行了研究，主要完成以下工作： 首先，对PWM整流器的工作原理做了介绍，给出了三相PWM整流器的拓扑结构，分析了PWM整流器的换流过程，给出了PWM整流器的数学模型，对交流侧电感和直流侧电容进行了设计。 其次，对电流滞环控制、电流PI控制、空间电压矢量控制三种控制方法分别进行了介绍、模型搭建和仿真分析。在直流电压的控制中加入分段PI控制，使超调量和稳态误差限制在很小的范围以内。在起动过程中串接入限流电阻，使起动电流限定允许范围以内。 最后，在进行了以上三种控制方式仿真后，针对电压空间矢量控制存在的电流误差问题，采用电流超前给定策略和基于旋转坐标系的空间电压矢量控制策略解决了电流误差问题。 仿真结果表明，论文所设计的三相电压型PWM整流器实现了高功率因数运行，实现了直流电压的稳定控制，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题，具有良好的工程实用价值。
上传时间： 2013-06-16
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由于日趋严重的环境问题以及风能利用的成本低廉和技术成熟等原因，风力发电成为电力系统中相对增长最快的新能源发电技术，发展风电成为改善电力系统经济运行极为重要的措施。近几年，风力发电机组单机容量和风电场建设规模都日益扩大，但风力的随机性和间歇性会对电力系统稳定运行产生一定的影响。因此对于含有风电场的电力系统，需要建立正确的风电场数学模型和进行风电场的短期风速预测。 首先，运用时间序列和神经网络相结合的预测方法，对风电场的风速序列进行短期预测。该方法用时间序列模型来选择神经网络的输入变量，而神经网络分别运用了BP和GRNN神经网络进行比较，发现使用时间序列结合GRNN网络预测效果比较令人满意，其对风电场和电力系统的稳定性运行具有重要的意义。 其次，建立了风速、风电机组和风电场的数学模型。风电机组的数学模型主要包括风力机模型、传动机构模型和异步发电机模型，仿真分析了风电机组对于风速的响应。在风电场模型研究中，考虑了尾流效应因素，风电场中各台风机位置处的风速并不相同，因此研究了风能分布的Jensen模型和Lissaman模型，并进行了案例计算分析，结果表明了风能分布模型在大规模风电场模型分析中的重要性。本文还提出了风电场等值模型的建立，降低了仿真研究的复杂性，使得分析大规模风电场并网运行成为可能。 最后，实现了包含风电场的电力系统潮流计算，采用牛顿—拉夫逊法极坐标形式的方法，为研究风电场稳定性运行提供了前提条件。同时提出了基于电力系统暂态稳定性分析的风电场穿透功率极限计算方法，并揭示了频率波动对风电场稳定运行的影响。
上传时间： 2013-07-31
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近年来，在电气传动领域中三电平变频器得到了广泛的应用。三电平逆变器拓扑结构的出现为高电压、大功率变频器的实现提供了一个有效的途径。研究和开发三电平大功率变频器，无论在技术上还是在实际应用上都有十分重要的意义。本文围绕三电平大功率通用变频器的实用化技术进行了深入分析和研究。 论文首先介绍了三电平逆变器主电路的拓扑结构、控制要求、基本原理、特性和PWM控制策略以及调试中存在的问题和相关的解决方法。 中点电位不平衡是三电平拓扑结构的一个固有问题。针对这一问题，本论文分析了中点电压不平衡的根本原因，采用了一种基于滞环控制的电压平衡控制方法。该方法根据负载电流方向的不同组合，通过调整小矢量的冗余状态和作用时间，并充分考虑到中矢量对中点平衡的影响，动态调整两个电容器上的电压，同时，详细地分析了当参考电压矢量落到具有一种或两种冗余小矢量的小三角形区间时开关状态的选择、开关序列的顺序以及作用时间的分配。 基于载波的调制策略是三电平变频器采用的主要调制方式之一。本论文对所采用的基于载波的调制策略，作了深入分析，得出了相应的谐波特性。基于谐波总含量，对调制特性的优劣进行了比较，同时得出了不同载波调制策略输出电压谐波含量与调制度变化的对应关系，并通过实验和仿真对相关结果进行了验证。 主电路和控制电路的硬件设计将直接影响到变频器的运行性能。本论文介绍了在现场实际运行中变频器的主回路及其控制回路的硬件设计，采用理论计算与实践验证相结合的方法得出器件相关参数，并且针对变频器内外RCD缓冲电路在工作时所产生的电压不平衡作了分析，详细的给出了其缓冲吸收电路算法。 最后，把本文的部分研究结果应用于实际工业现场中，研制了690V/600kW的大功率中压变频器，给出了现场运行结果。运行结果表明该变频器输出波形良好，性能满足要求。
上传时间： 2013-08-03
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现如今，逆变器的脉冲宽度调制(PWM)技术作为一种最常见的调制方式在交流传动系统中广泛应用。采用PWM调制技术的最终目的在于追求逆变器输出电压、电流波形更接近正弦从而进一步控制负载电机的磁通正弦化。为了达到这些目的，很多种基于PWM原理的调制方法被相继提出并应用。 在铁道牵引调速系统中，逆变装置具有调速范围宽，输出频率变化快等特点，而逆变器本身器件的开关频率又不是很高。这种情况下，分段同步调制模式的使用有效地改善了变频器的输出，达到了减少谐波的目的。本文围绕分段同步调制在交流牵引传动系统中的应用进行研究，主要目的在于解决该调制模式应用中存在的切换点选择、切换震荡冲击等问题。文章详细讨论了分段调制模式下载波比和载波比切换点选取的原则，重点分析了分段同步调制模式下载波比切换点冲击电压的产生原因和危害，提出了改善电压电流冲击的方法，并在搭建的实验平台上验证了理论分析的正确性。此外，本文还对列车高速时载波比极低的极限情况下分段同步调制对变频器输出交流电压和直流回流电流谐波的改善情况进行了理论推导和仿真分析。 论文搭建了用于调制实验的3.7kW小功率电机实验平台，在开环的VVVF调速系统中进行了分段同步调制载波比切换实验；在Matlab/Simulink环境下搭建了分段同步调制模式下的电机牵引模型，进行了分段同步调制载波比切换仿真；实验和仿真结果表明，文章所提出的方法很好地完成了分段同步算法且有效抑制了可能发生的冲击，所得结果验证了理论分析的正确性。
上传时间： 2013-08-04
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矢量控制变频调速系统是国内当前电气传动和自动化领域研究的热点和技术攻坚的难点。矢量控制技术作为一种先进的控制策略，是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。其思想就是将异步电动机的数学模型通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以期达到独立控制电机转矩的效果。 本课题基于矢量控制的基本原理，采用TI公司最先进的电机控制专用DSP芯片TMS320F2812，开发出了一套基于转子磁链位置估计和转子速度估计的电流转速双闭环的转子磁场定向直接矢量控制变频调速系统，并实现了实际运行，初步达到了产品化的目标。主要的工作如下： (1)从电机数学模型和坐标系变换入手，采用电流转速双闭环的转子磁场定向直接矢量控制方案，深入探讨了SVPWM和矢量控制的基本原理，并完成了调速系统的功能框图； (2)基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812和MITSUBISHI的IPM模块PM50RSA120，设计了调速系统的硬件电路，包括控制电路，驱动电路，电源电路和操作面板电路等； (3)设计了基于转子磁链位置估计和速度估计的电流转速双闭环的转子磁场定向直接矢量控制变频调速系统的软件部分，给出了调速系统的软件流程图和各子模块的具体实现； (4)采用先进的自适应Fuzzy-PI调节器来代替传统的PI调节器作为速度控制器，取得了较好的控制效果； (5)搭建了整个变频调速实验平台，进行了整机测试，给出了实验结果和结论。 该系统已经成功应用于矢量变频器成品生产中，在北京天华博实电气有限公司的变频器生产车间进行了相应的实验。实验表明，该系统具有良好的动静态性能，运行稳定，抗干扰能力强，获得用户好评，不失为一套具有先进性、新颖型、实用性的高性能变频调速系统。
上传时间： 2013-05-25
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异步电机无速度传感器矢量控制技术提高了交流传动系统的可靠性，降低了系统的实现成本。准确辨识电机转速是实现无速度传感器矢量控制的关键。 本文对无速度传感器矢量控制系统进行了研究，建立了异步电动机无速度传感器电压解耦矢量控制系统和基于模型参考自适应(MRAS)的无速度传感器矢量控制系统。基于MRAS的无速度传感器矢量控制系统利用电动机定子电压方程和电流方程得到电动机转速的模型参考自适应辨识算法，在此基础上建立了一个改进的变参数MRAS速度辨识数学模型，并利用Matlab软件对基于该速度辨识模型的无速度传感器异步电动机矢量控制系统在不同的情况下进行了详细的仿真研究。仿真结果验证了该改进的变参数MRAS速度辨识模型具有令人满意的辨识精度和动态性能。 基于MRAS的转速估算理论从本质上来说属于基于电机理想模型的转速估算方案，该方法依赖于电机参数，而电机参数在电机运动过程中变化很大，因而给出了对电机的一些定、转子参数进行实时辨识方法，以保持系统的动、静态性能。 在传统型模型参考自适应系统基础上，将系统中原有的自适应调节机构用一个具有在线学习能力的人工神经网络取代，提出一种基于神经网络的异步电机转速估计方法，并给出了速度估计器的神经网络结构和学习算法。最后对基于神经网络转速估计的异步电机矢量控制系统进行了仿真，结果表明该系统具有良好的性能。 简单介绍了基于DSP的异步电机无速度传感器矢量控制系统的硬件结构以及软件系统的设计。
上传时间： 2013-05-30
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目前，能源危机与环境污染已经备受关注，被各个国家提上纪事日程。在众多的新能源中，风能以它可再生、清洁、无污染等特点受到人们的青睐。在风力发电技术上也从独立型逐渐向并网型转变，因此并网技术已成为主流。由于变速恒频具有发电量大，对风电场风速的变化适应性好具有较高的叶尖速比等优点，所以变速恒频必然会取代恒速恒频。实现变速恒频的风力发电机组有很多种，其中永磁同步直驱式风力发电机由于不需要齿轮箱，因而改善风能转换效率，减小维护，降低了噪音，提高可靠性，本文以永磁同步直驱式发电系统为研究对象。 本文针对永磁同步直驱式发电双PWM变换器系统，首先在对变速恒频理论研究的基础上，对风力机的数学模型进行了分析，完成了对风力机的最大风力跟踪模拟仿真。由于发电机发出的电随着风速的不断变化，因此就靠控制变换器来实现恒压恒频的电压并送入电网。其次在对永磁同步发电机和变换器的数学模型研究的基础上提出了对整流侧和电网侧变换器分开控制，控制整流器来控制发电机的转速，控制逆变器来实现稳压和恒频的向电网输送电压。并对逆变器侧的直流电容和电感选值给出了范围，在这些理论基础上对逆变器进行了MATLAB/SIMULINK仿真，给出了仿真结果。在前面理论分析的基础上，针对逆变器部分做了硬件和软件的设计。选用智能功率模块(IPM)作为逆变器，采用霍尔电压、电流传感器实现了对电压电流的采样，控制器选用TMS320F2407A，并制作了对采样信号处理电路板、PWM信号处理电路板和传感器电路板，编写了程序。
上传时间： 2013-06-16
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