专辑类-传感器专辑-87册-901M 传感器原理-设计与应用（第三版）365页-16.4M.pdf
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专辑类-传感器专辑-87册-901M 传感器原理-设计与应用（第三版）-356页-10.9M-PDF版.zip
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开发和研制无铁心永磁电机是当前电机领域的一项重要课题，无铁心永磁电机可以解决传统有铁心电机存在的重量重、损耗高、振动噪声大等问题。开发无铁心永磁电机需要准确计算电机的参数和性能，而实现这一任务的重要前提是获得正确的磁场分布。无铁心永磁电机气隙外没有铁磁材料，其自身的结构特点决定了无铁心永磁电机的气隙磁场属于三维开域磁场，开域磁场工程问题的计算是近年来计算电磁学的研究热点之一。 本文的研究内容是国家高技术研究发展(863)计划项目“新型稀土永磁电机设计与集成技术”的关键技术之一。针对无铁心永磁电机的实际工程问题，计算方法的选择力求既能保证一定的计算精度，又能节约计算机内存和CPU时间。根据对各种开域电磁场计算方法的分析比较，本文将渐近边界条件法和有限元法结合解决无铁心永磁电机三维开域磁场计算问题。 本文主要由以下几部分组成： 第一部分为无铁心永磁电机三维开域磁场计算方法的研究。首先提出了基于标量磁位的渐近边界条件，建立了球形边界的标量磁位渐近边界条件数学模型。为了尽可能减少节点的数量，结合无铁心永磁电机的具体结构，推导了适合于盒形截断边界和圆柱形截断边界上简便易行的一阶和二阶标量渐近边界条件算子，该算子具有简单、有限元实施容易的特点。其次研究并建立了标量渐近边界条件与有限元法结合的三维开域静磁场的数学模型，并提出具体的实施方法，推导出相应的离散方程。通过对具有解析解的长方永磁体三维开域磁场的实例计算，验证了方法和所编程序的正确性，并将渐近边界条件法与截断法在计算精度和人工外边界距离方面做了比较。结果表明：在相同人工外边界情况下，渐近边界条件与截断边界条件相比，计算精度明显提高，二阶渐近边界条件明显优于一阶渐近边界条件。与截断法相比，渐近边界条件法更节约计算机内存和CPU时间，比较好地处理了计算量与计算精度之间的矛盾。 第二部分针对Halbach阵列内转子无铁心永磁电机三维开域磁场问题进行深入研究。利用渐近边界条件法，定量地计算了在定转子均无铁心的情况下电机内部及周围磁场的大小，总结出了Halbach阵列无铁心永磁电机磁场的空间分布规律。 第三部分针对不同拓扑结构的Halbach磁体阵列电机磁场问题进行对比研究。通过大量的计算，探讨了Halbach阵列永磁电机在转子无铁心情况下影响气隙磁密的各种因素，分析了不同Halbach磁体轴向长度对端部漏磁的影响规律，给出了无铁心永磁电机漏磁系数、电枢计算长度等主要设计参数随电机结构尺寸的变化规律。 第四部分针对具有试验数据的三种结构的无铁心永磁电机样机进行了计算和分析，计算结果与试验数据吻合，从而验证了渐近边界条件法处理三维开域磁场问题的有效性和实用性。
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本文简要介绍了无刷直流电动机的发展历程和未来的发展趋势。通过分析无刷直流电动机工作的基本原理和无刷直流电动机的数学模型，建立了基于Simulink的动态仿真模型。通过对无位置传感器无刷直流电动机转子位置检测算法的分析和磁链与转子位置的相应关系的分析，本文使用磁链关系函数判断转子位置的算法，并基于Simulink建立了算法模型进行仿真分析验证，从仿真得到的结果可知，此位置检测算法是可行的。 @@ 在文中进行了转矩脉动原因分析，并对换相转矩脉动进行补偿。在低速时采用电流滞环进行补偿，高速时采用单斩波调制方式进行补偿。通过对三段式启动方法的分析和结合本文所采用的转子位置检测算法，本文采用两步启动方式，通过仿真分析证明是可行的。分析了经典PID调节算法和专家PID调节算法。对传统PID控制中出现的问题，本文把变参数PID调节算法应用到无位置传感器无刷直流电动机控制上。并建立了仿真模型，进行仿真分析。从仿真分析的结果可知其控制性能优于传统的PID调节算法。 @@ 文中介绍了TMS320LF2407A芯片和IR2130功率集成驱动器的结构和特点。在系统硬件设计中以TMS320LF2407A芯片为核心，设计了控制系统电路、功率驱动电路、电流电压检测电路、功率管过电压保护电路、启动限流电路、转速调节电路。 @@ 在系统软件设计中，主要实现了电机的起停、转子位置计算、转速计算和转速闭环控制的功能。用DSP实现脉冲调制输出和信号采样。 @@关键词：无位置传感器；无刷直流电动机；间接位置检测；磁链关系函数
上传时间： 2013-04-24
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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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横向磁通电机是近些年来出现的一种新型结构的电机，由于其转矩密度和功率密度大的优点受到了广泛的关注，但我国对该种电机的研究尚处于起步阶段。 本课题是国家863计划项目——“新型稀土永磁电机设计与集成技术(课题编号：2002AA324020)”中有关横向磁通永磁同步电动机的部分。本课题的目标就是要充分发挥横向磁通电机功率密度和转矩密度大的优点，克服其功率因数低的缺点，对横向磁通永磁同步电动机的磁场进行计算、分析，找出功率因数偏低的原因，并提出相应的改进方法和建议。在此基础上进行样机的研制，对理论成果进行验证，并力争样机在性能和工艺指标上有所突破，部分指标达到国际领先水平。 本文介绍了横向磁通永磁电机的特点及运行原理，并按照不同的分类方式介绍了横向磁通电机的各种结构。三维磁场的有限元计算十分复杂、计算量大，因此传统电机均采用简化的二维磁场进行计算。但是横向磁通电机由于结构特殊，无法采用简化的二维磁场的计算方法进行分析。因此本文利用ANSYS软件建立了样机模型，对样机进行了三维电磁场分析。在电磁场计算的基础上，进行了电机空载反电势，空载漏磁系数，电磁转矩等相关参数的计算，讨论了横向磁通永磁同步电动机的结构变化对参数的影响。本文特别针对横向磁通永磁电机功率因数较低这一问题进行了分析，找出了功率因数偏低的原因，提出了相应的改善方法和建议，对横向磁通电机的理论研究和设计应用分析方法进行了探讨。本文利用电磁场计算的结果，完成了电机运行特性仿真，克服了采用传统磁路等效的方法带来的误差。最后，通过与样机测试结果的对照研究，验证和完善分析方法，并为进一步获得性能更加优异的样机奠定了基础。
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开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor，SRM)具有结构简单、工作可靠、效率高和成本较低等优点，在很多领域都显示出强大的竞争力，但是位置传感器的存在不仅削弱了SRM结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性，增加了成本，探索实用的无位置传感器检测转子位置的方案成为开关磁阻电机驱动系统(SwitchedReluctanceMotorDrive，SRD)研究的热点。SRM高度非线性的电磁特性决定了在精确的数学模型基础上实现无位置传感器控制十分困难，而人工神经网络的出现为解决这个问题提供了新的思路。径向基函数(RadialBasisFunction，RBF)神经网络是一种映射能力极强的前向型神经网络，具有收敛速度快、全局逼近能力强等优点。本文提出一种利用自适应RBF神经网络对SRM进行控制的新方法，所采用的RBF神经网络以电机绕组的相电流、磁链作为输入，转子位置作为输出，通过离线和在线相结合的方法对网络进行训练，建立SRM电流、磁链与转子位置之间的非线性映射，从而实现SRM的无位置传感器控制。 常规的PID控制以其结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点至今仍被广泛采用。在系统模型参数变化不大的情况下，PID控制效果良好，但当被控对象具有高度非线性和不确定性时，仅靠PID调节效果不好。对于SRM，它的电磁关系高度非线性，固定参数的PID调节器无法得到很理想的控制性能指标。论文提出了一种基于RBF神经网络在线辨识的SRM单神经元PID自适应控制新方法。该方法针对开关磁阻电机的非线性，利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成开关磁阻电机的单神经元自适应控制器，不但结构简单，而且能适应环境变化，具有较强的鲁棒性。同时构造了一个RBF网络对系统进行在线辨识，建立其在线参考模型，由单神经元控制器完成控制器参数的自学习，从而实现控制器参数的在线调整，能取得更好的控制效果。 仿真及实验结果表明，自适应RBF神经网络能够实现电机的准确换相，从而实现了电机的无位置传感器控制；基于RBF神经网络在线辨识的单神经元自适应控制能够达到在线辨识在线控制的目的，控制精度高，动态特性好，具有较好的自适应性和鲁棒性。
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永磁同步电机(PMSM)是一种性能优越、应用前景广阔的电机。永磁同步电机调速系统是以永磁同步电机为控制对象，采用变压变频技术对电机进行调速的控制系统。因其具有能耗低、可靠性高、控制精确等优点，在许多领域得到广泛的应用。然而，转子无阻尼绕组的PMSM的采用变频技术开环运行时，系统不太稳定，电机效率有所下降，转子温升高，易造成钕铁硼永磁体退磁，危及电机安全运行，有时甚至还会出现失步现象，系统无法运行。PMSM控制系统稳定运行控制都是建立在闭环控制基础之上的，因此如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。当前，在大多数调速驱动系统中，最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器。但这些传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在一些特殊及控制精度要求不很高的场合，无传感器控制将会得到广泛的应用。它通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量，通过特定的观测器策略估算转子位置，提取永磁转子的位置和速度信息，完成闭环控制。本文以无位置传感器PMSM控制系统作为研究对象，介绍了永磁同步电机的结构及其数学模型，详细地阐述了空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的理论基础及其波形的产生机制，并对闭环控制策略进行了研究。鉴于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407控制芯片出色的性能和丰富的外设资源，使用该芯片设计了控制系统的硬件系统和软件系统，通过对整个控制系统的试验调试，实现了永磁同步电机的无位置传感器控制。 本文借助于MATLAB建立了永磁同步电机的仿真数学模型，并根据空间矢量脉宽调制的工作原理，构建了永磁同步电机调速控制系统的仿真模型。系统采用αβ定子静止坐标系下的数学模型，依据滑模变结构控制原理，对永磁电机的转子位置角θe和转速ωe进行实时在线估算，不断修正估算位置^θe，控制定子旋转磁场与转子磁场垂直并保持与转子同步旋转，实现电机的闭环调速运行。理论分析和仿真结果表明，所提出的永磁同步电机无传感器控制方法具有较强的鲁棒性和令人满意的性能。
上传时间： 2013-04-24
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交流电动机是一个多变量、高阶、强耦合的非线性系统，不象直流电机那样易于控制转矩，采用矢量控制技术可解决传统交流调速的难题，使交流电机可以按直流电机的控制规律来进行控制，而无传感器矢量控制技术由于可以省去速度传感器，使相应的交流调速系统变得简便、廉价和可靠，所以成为当前研究的热点，本论文工作就是这方面的一个尝试。 论文首先介绍了矢量控制技术的基本理论。对感应电动机在三相静止坐标系下强耦合和互感变参数的数学模型，通过坐标变换，导出感应电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，然后将同步坐标系按转子磁场定向，实现了对转子磁链和转矩的分别控制，从而可以按直流电机的控制规律来控制交流电机。 其次，论文基于同步轴系下的感应电动机电压磁链方程式，提出了一种感应电动机按转子磁场定向的矢量控制方法，利用在同步轴系中T轴电流的误差信号实现对电机速度的估算，这种速度估算方法结构简单，有一定的自适应能力。同时在该无传感器矢量控制系统中，由于采用了经典的PI调节器，使得控制系统更为简单易行。 论文利用MATLAB建立了该无传感器矢量控制系统的仿真模型。为提高系统的适应性和仿真结果的准确性，仿真模型采用了标么值系统，并考虑了控制周期和采样信号周期对仿真结果的影响。讨论了离散控制引起的相位补偿问题，使仿真结果更接近实际工程系统。 最后，通过仿真进一步验证了本文提出的无传感器矢量控制系统的正确性和可行性，也证明了速度估计模型对速度估计准确，且对参数的变化有较强的鲁棒性。
上传时间： 2013-06-02
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开关磁阻电机是电机技术与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产物，既具有结构简单坚固、成本低、容错能力强，耐高温等优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性能，目前己经在多个工业部门得到应用。因此，开关磁阻电机在驱动调速领域有着良好的发展前景。本论文在对前人成果的广泛了解和研究基础上，以philip公司生产的LPC2101为主控芯片，充分利用其高速运算能力和面向电机控制的高效控制能力，设计并制作了SRM控制器与系统软件。本文以开关磁阻电机的调速控制策略及其控制实现方法为主要研究内容，对开关磁阻电机的数学模型、功率变换器技术、控制策略、控制方案的实现进行了全面深入的研究。 全文的研究工作分为五个部分，第一部分介绍了开关磁阻电机调速系统的构成及基本工作原理，综述了开关磁阻电机的国内外发展现状、特点及研究动向，总结了开关磁阻电机系统存在的技术问题，提出了本文的研究目的和主要研究内容。 第二部分引用并讨论了SR电动机的基本数学模型和准线性数学模型，然后基于此重点分析了与电动机运行特性密切相关的相电流波形与转子角位移的函数关系，最后根据课题所关心的控制系统设计，在理论分析的基础上提出了SR电动机控制方案并进行了原理性分析，对SR电动机各个运行阶段的特点进行分析并初步提出控制方案。 第三部分对SR电动机调速系统的硬件设计进行了详细说明，主要包括以LPC2101为核心的控制系统的研究与设计，根据SR电机的控制特点，尽可能地开发了LPC2101的硬件资源和软件资源，使控制系统具有很高的控制精度和灵活性，然后对功率变换器进行了设计和制作，分析了各种主电路形式的优缺点，采用了新型IGBT功率管作为主开关元器件，使功率变换器结构得到简化，设计了IGBT的功率驱动电路，并专门设计了电压钳位电路和诸如过压、过流保护等保护单元，保证了整个系统安全可靠地运行，然后分析了SR电动机控制系统位置传感器检测电路设计、电流及电压斩波电路设计、电流检测及保护电路设计等。 第四部分主要介绍了系统的总体控制思想，分析了各个运行阶段的控制策略，对控制策略的软件实现进行了设计，并给出了软件实现的具体流程图，直观地体现了软件编程思想。最后，对系统进行了实验研究及分析。目前，该控制系统已调试完毕，基本实现预期功能。 本文对以ARM为控制核心的开关磁阻电动机控制系统进行了研究，得出了基于有位置传感器检测的控制方案。针对SR电机的控制特点，充分利用了ARM的硬件资源，采用PID数字调节，发出相通断信号和PWM信号，并和电流、电压等保护信号相结合，实现对主功率元件的通断控制。并且设计了相应的外围硬件检测、保护、控制及人机接口电路，使控制系统结构紧凑，可靠性高；系统的控制软件设计，采用模块化的程序设计方法，增强了系统的可读性及可维护性，实现了一种电压斩波和电流斩波控制相结合的控制方式;结合系统的硬件设计，开发了相应的软件模块，使系统具有完善的保护和控制性能。 本系统经过试验，调速范围可达100～2000转/分，效率较高，性能优良，验证了控制思想和控制方法的正确性。
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