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： 2013-05-23
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异步电动机直接转矩控制技术是近年来发展起来的一种新型、高性能交流调速技术。它利用电压源型逆变器的工作过程，控制定子磁链的走或停，即调整定子磁链与转子磁链的夹角大小，从而对电机转矩进行直接控制以获得良好的动态性能。 论文首先探讨了直接转矩控制技术的现状和发展趋势，阐述了直接转矩控制的基本原理，分析了常用的圆形磁链轨迹控制方法，详细介绍了直接转矩控制系统主要模块的设计和实现。在分析交流异步电机动态数学模型、转矩和磁链计算方程的基础上，分析了直接转矩控制的异步电动机在低速运行时存在转矩脉动和转速波动较大的问题。基于占空比控制和离散占空比控制的异步电动机直接转矩控制方法，由电机电磁转矩公式和合成电压矢量理论推导了直接计算占空比的方法，在不影响系统各方面性能指标的情况下使降低转矩脉动的计算量大大减少，方便了计算和使用。两种方法均具有系统结构简单、占空比计算量小等优点。研究结果验证了这两种方法的正确性和有效性。在第一种方法中加入了单神经元控制器，使系统的动静态性能得到了提高。接着对利用空间电压矢量调制的直接转矩控制系统进行了研究。仿真结果表明此种方法能够有效的降低转矩脉动，使系统性能得到提高。 以TMS320F2812DSP为CPU搭建了直接转矩控制硬件实验平台，调试了硬件电路。编写了相关软件流程图和程序清单。
上传时间： 2013-04-24
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随着国内交流伺服电机等硬件技术逐步成熟，高运算能力的控制芯片与电机控制技术相结合，具有高效、节能和可移植性好等特点，这样使得交流伺服系统成为现代电机伺服驱动系统的一个发展趋势。 本文主要是基于MCU研究和设计了交流永磁电机位置伺服控制系统。针对三相永磁同步电机的物理方程，通过坐标转换，在d-q旋转坐标系下建立转矩方程，采用Id=0的矢量控制策略，建立一套完整的全数字交流位置伺服控制系统。 硬件方面，采用的是瑞萨公司专用电机控制Tiny系列芯片M30262F8作为控制芯片，并由三菱公司的第三代IPM模块PS21564实现功率驱动，简化了系统电路，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。由交流电流传感器检测三相定子绕组电流；由增量式磁性编码器检测永磁转子位置，并设计一种比较快速的转子初始检测方法。 软件方面，采用结构化语言C和单片机M16C汇编语言混编，实现了单片机初始化、三环控制、电流跟随型PWM控制，提高编写代码的效率，同时保证系统的实时控制性能；由软件方式实现经典PID控制和简单模糊控制相结合构成“串联校正”闭环控制系统，提高了系统的快速性和抗干扰能力。此外，本文对控制策略进行了研究，阐述了模糊PID控制策略；还介绍了SPWM、SVPWM和跟随型PWM调制。 实验结果表明，本文所设计的伺服控制系统能实现电机的启动，调速和定位等，并能达到系统的性能指标。
上传时间： 2013-05-19
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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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直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中，直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术，其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速，正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。虽然直接转矩控制的优势是矢量控制所不能实现的，但是直接转矩控制依然存在一系列不能忽视的问题。直接转矩控制采用两点式转矩和磁链滞环控制器，使转矩和磁链被控制在给定值的一定范围以内，这种控制方法不可避免地带来电机输出转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定等问题。直接转矩控制采用定子磁链定向，只用便于测量的定子电阻来估计定子磁链，这样在低速运行时会带来磁链估计的误差。虽然在全速范围内估计定子磁链运用低速时采用的电流-转速模型和高速时采用的电压-电流模型的合成模型，即电压-转速模型，然而两种模型的平滑切换又是一个新的问题。直接转矩控制在基频以下调速的理论和应用已经实现，在基频以上的弱磁调速范围内的理论和应用还需要进一步的研究。 为了解决这些问题，本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型，对传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统进行了研究。在传统直接转矩控制系统中，详细讨论了定子磁链估计的三种基本模型，设计了定子磁链估计的加权模型，使电机在全速运行的范围内都能够得到准确的定子磁链。针对转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定的问题，本文设计了两种改进的直接转矩控制系统。在基于占空比控制的直接转矩控制系统中，通过对一个采样周期内非零电压矢量作用时间占采样周期的占空比的优化，解决了转矩脉动过大的问题；在一个采样周期内，从非零电压矢量到零电压矢量的转换只有一次，实现了开关频率的恒定。在基于滑模变结构的直接转矩控制系统中，本文设计了转矩和磁链滑模变结构控制器代替传统直接转矩控制系统中的转矩和磁链滞环控制器；运用空间矢量脉宽调制技术，实现了开关频率的恒定。本文把传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统扩展到基频以上的弱磁范围内的异步电动机调速系统中，对其进行了相关研究。 为了验证上述各种控制系统的正确性和有效性，本文采用Matlab/Simulink仿真软件对其进行了仿真验证。针对传统直接转矩控制系统，对定子磁链估计的加权模型进行了仿真验证。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统，本文分别对负载转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证，并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形，本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明，两种改进的直接转矩控制系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统，依然能够减小转矩脉动和转速的稳态误差。
上传时间： 2013-04-24
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本课题来源于企业委托开发项目：大功率两电平矢量控制变频器的开发。课题以感应电动机变频调速系统的产品化开发为目标，对感应电动机参数离线辨识技术和控制器进行了研究和试验。本人除了参加整体系统的设计和制作任务外，独立完成了参数离线辨识工作。文章介绍了一种实用的参数离线辨识方法，在综合各种控制策略基础上给出了一套基于DSP的数字化解决方案，通过整机进行了软硬件调试，实现了设计目标。为产品化打下一定的基础。 论文第1章介绍了矢量控制以及坐标变换，分析了电动机参数对矢量控制的影响，通过Matlab仿真了电动机参数变化对变频器输出的影响。 第2章对辨识主要介绍了参数辨识的算法，对感应电机静态数学模型进行了化简，得到各个参数与电压电流之间的关系方程。通过单相直流试验和单相交流试验辨识电动机参数。采用迭代算法计算出非线性方程的数值，还介绍了一种基于电压电流瞬时值计算电动机功率因数的方法。 第3章对控制器进行了研究，对当前比较先进的自抗扰控制，自适应控制，基于非线性的逆控制等控制策略进行了综述。最后对基于PI转速调节器的间接矢量控制系统进行了仿真，并给出了仿真结果。 第4章介绍了实验室自主开发的基于TI公司DSP TMS320F2812的通用交流调速试验装置。根据通用试验装置的设计要求设计了控制板电路，电源板电路，功率板电路等电路，进行了调试，并应用到试验之中，性能达到要求。 第5章介绍了整个系统的功能软件设计和功能试验结果，给出了部分程序流程图和装置的基本功能试验波形。 最后就课题的研究进行了整体总结，为将来的后续研究提出建议。
上传时间： 2013-06-25
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跑步运动是人们喜爱的运动方式之一，借助电动跑步机进行跑步运动简单方便，已成为新的运动时尚。电动跑步机已经成为一种大众健身器材，市场前景极为广阔。 目前电动跑步机大多采用有刷直流电动机或交流变频电机作为驱动电机，本文研究采用外转子直接驱动无刷直流电动机的电动跑步机。其主要优点在于：一是省去了传统电动跑步机的减速机构，系统结构简单，运行可靠，效率高；二是无刷电机驱动具有优良的调速和控制性能，可以提升电动跑步机品质，实现智能化；三是无刷电机驱动性价比高，更具市场竞争力。因此，进行电动跑步机外转子无刷直流电动机驱动及控制系统的研究具有较高的理论意义和工程实用价值。 本文首先综述了电动跑步机及其电机驱动的现状、发展趋势以及外转子无刷计特点、分数槽绕组及其控制器；应用电机磁场有限元软件MAGNEFORCE研究了不同极/槽配合无刷电机的磁场分布和不同极弧系数对电机性能的影响；在此基础上试制了电动跑步机外转子无刷直流电动机样机并进行初步性能试验；运用MATLAB对外转子无刷直流电动机进行系统仿真分析。
上传时间： 2013-04-24
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永磁同步电机(PMSM)因其无需励磁电流、运行效率和功率密度高,在交流调速系统中被广泛的应用,但PMSM高性能的矢量控制需要精确的转子位置和速度信号来实现磁场定向。在传统控制中,一般采用机械式传感器来检测转子位置和转速,但是机械式传感器存在诸如成本高、可靠性低、不易维护等问题,使得无速度/位置传感器控制技术成为永磁同步电机控制中的热点问题。虽然目前已有较多的研究成果,但是所采用的方法大多是基于电机基波方程的分析,一般不适用于低速甚至零速,并且对电机参数较为敏感,鲁棒性差。本文正是为了解决这个问题,而采用高频信号注入法实现转子位置估算,这种方法适合于低速甚至零速,对电机参数的变化不敏感,鲁棒性强。主要做了如下的工作： 首先详细介绍了永磁同步电机三种基本结构,在建立了旋转坐标系下永磁同步电机数学模型的基础上叙述了其矢量控制原理,分析了各种现有的永磁同步电机无速度/位置传感器控制策略；其次在永磁同步电机矢量控制的基础上详细讨论了旋转高频电压信号注入法与脉振高频电压信号注入法提取转子位置的基本原理,并在此基础上利用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了整个永磁同步电机无速度/位置传感器矢量控制系统的模型,进行了仿真研究,仿真结果验证了控制算法的正确性。最后利用TI公司推出的数字信号处理器DSP芯片TMS320F2812,实现了基于脉振高频信号注入法的永磁同步电机无速度/位置传感器的实验运行,实验结果验证了这种方法适合于低速运行,对电机参数的变化不敏感,鲁棒性强。
上传时间： 2013-06-06
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混合动力汽车作为解决汽车节能、降低排放的汽车工业新技术，具有低污染和低油耗的特点，尤其在油价日益攀高的今天，成为国内外汽车发展的新热点。驱动控制器作为混合动力汽车中的主要部件，在混合动力汽车中起到至关重要的作用，对其进行研究具有重要的理论和现实意义。 本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发电机/电动机一体化技术的发展现状；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，因此该电机成为本课题混合动力汽车传动中所使用的电机，论文建立了永磁电动机的数学模型，分析了矢量控制原理；在矢量控制原理的基础上，设计出了基于TMS320F2812的永磁同步电机矢量控制系统的硬件结构，详细阐述了旋转变压器及其解码芯片在系统中的角度和速度的检测原理以及系统中其他重要的单元。设计了系统的软件结构，详细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：使用UG软件设计出控制器的壳体。最后进行了实验研究，给出SVPWM波形、相电流波形，进行了全文总结，提出了下一步工作的建议。
上传时间： 2013-05-21
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