本文的主要工作是设计与开发了用于机床主轴直接驱动的全数字化永磁同步电动机矢量控制系统的软硬件平台,并利用该平台进行了仿真和实验研究,仿真和实验结果验证了该系统设计方案的可行性。 首先,详细阐述了坐标变换理论,根据永磁同步电动机的本体结构推导了其在各坐标系下的数学模型,深入研究了永磁同步电动机的矢量控制原理和id=0控制策略,此外对空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的基本原理和特性进行了研究。 其次,采用MATLAB软件建立了电机系统的仿真模型。整个仿真系统包括PMSM模块、Power Module模块、测量模块、坐标变换模块、电流、转速调节模块和SVPWM模块等。仿真结果验证了矢量控制和SVPWM技术应用于本系统的可行性,同时为系统平台设计提供了理论依据。 再次,为了提高系统的动静态特性和减小转动脉动,采用DSP TMS320F2812为核心进行了永磁同步电动机全数字矢量控制系统的软硬件设计。系统硬件包括电流检测、速度检测、显示电路、驱动电路、主电路和系统保护电路等;系统软件由DSP编程实现,采用基于id=0的转子磁场定向矢量控制方法,完成对永磁同步电动机的解耦控制。速度调节器和电流调节器采用常规PI控制算法,逆变器采用SVPWM控制策略。同时,给出了系统各模块的软件流程图,包括系统初始化程序、速度和电流调节程序、SVPWM的实现以及功率驱动保护等子程序等。 最后,在实验平台上做了大量深入的实验研究工作,并对试验波形做了深入分析。结果表明,该系统具有能够响应速度快,低转速运行平稳和抗干扰能力强等优点,可以满足主轴直接驱动要求。
上传时间: 2013-05-18
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电动机在工农业生产中被广泛应用,但是其高故障率对工农业生产造成巨大的经济损失。因此,在分析传统电动机保护装置不尽完善的基础上,研制功能完善、可靠性高的电动机保护装置已经成为必要。 本文在查阅了大量文献资料的基础上,介绍了微机保护的发展历史、技术特点和发展方向,结合实际科研课题,在理论联系实际的基础上,设计并实现了硬件以TMS320F206处理器为核心,软件以傅氏算法为核心的新型电动机微机保护测控系统。 文中首先运用对称分量法对电动机的三相短路、两相短路、单相接地短路和断相等常见对称和不对称故障进行了分析,在结合电动机微机保护原理的基础上,提出了可靠性高、实用性强的电动机微机保护方案。然后根据微机保护系统的快速、准确的发展趋势和DSP数字信号处理芯片的特点,设计并实现了一种DSPTMS320F206+单片机8051双CPU结构的电动机微机保护测控装置。DSP作为主CPU芯片主要完成数据采集、数据处理和保护等功能,8051作为从CPU主要完成键盘处理、液晶显示处理和通讯等人机对话功能。此双CPU结构具有并行工作、分工合作的优点,既保证了继电保护的速动性、选择性、灵敏性和可靠性,又实现了实时测量的高精度。文中对此装置硬件系统的设计进行了详细的分析,并结合对微机保护数据处理算法和电动机微机保护原理的研究,设计了保护装置的软件系统,二者都采用了模块化的结构设计方法,可移植性强。 通过对设计成的保护装置样机进行调试和分析,初步验证了系统硬件部分和软件部分设计的正确性;通过静态模拟实验,初步验证了保护装置的可靠性。
上传时间: 2013-05-29
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本文的研究工作主要是围绕着变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究展开的.根据变速恒频双馈风力发电系统对交流励磁电源的要求,本文首先对目前适合用作交流励磁电源的六种变换器进行了详细深入地比较分析,认为在目前的电力电子技术条件下,两电平电压型双PWM变换器是可用作变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源的最具优势的一种变换器,而多电平与软开关技术的结合将是交流励磁电源的发展方向.对网侧PWM变换器的无电网电压传感器控制技术进行了研究,提出了一种基于虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器的矢量控制方案,解决了初始虚拟电网磁链准确观测的难点,使网侧PWM变换器不用对电网电压进行采样即可实现矢量控制,省去了电网电压传感器及其处理电路但并不影响其控制性能,仿真和实验结果验证了所提出方案的良好控制性能.在转子侧PWM变换器的研究中,在电网电压恒定的情况下对DFIG矢量形式的数学模型进行简化,进行了基于定子磁链定向和基于定子电压定向的转子电流环控制器的设计研究.深入分析了DFIG风力发电系统最大风能追踪的机理和实现的方案,设计了基于定子电压定向矢量控制、实现最大风能追踪、有功和无功功率解耦的DFIG的控制方案.最后,将变速恒频双馈风力发电运行研究拓展到了电网故障条件下的运行控制.建立了计及电网电压故障的变速恒频双馈风力发电系统完整仿真模型,为系统不间断运行的研究、改进控制策略的验证和其它探索性研究提供了一个很好的平台.
上传时间: 2013-06-17
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v无刷直流电动机具有结构简单、可靠性高、维护方便、运行效率高和调速性能好等优点,随着微处理器技术、电力电子技术、控制理论,以及低成本、高磁能积永磁材料的发展,得到越来越广泛的应用。无刷直流电动机采用无位置传感器控制,电动机结构更加简单,应用范围扩大,相对于有位置传感器控制优势明显。本论文围绕无刷直流电动机的无位置传感器控制进行较为系统和深入的研究。 首先,论文从基本电磁定律出发,在分析无刷直流电动机结构和工作原理的基础上,建立了无刷直流电动机的数学模型,为分析无刷直流电动机无位置传感器控制奠定基础。 其次,根据无刷直流电动机反电势过零检测原理,对反电势过零检测法的各种实现方法进行研究,比较各种实现方法的优缺点,指出它们的适用范围。在此基础上,给出带通滤波法及其简化电路形式,提出使用带通滤波器获取反电势三次谐波的方法。论文将直流电源负端电压作为带通滤波法和带通滤波三次谐波法的参考电平。 论文对无刷直流电动机无位置传感器控制中的关键问题-起动方法进行研究,在详细分析“三段式”起动方法的实现过程的基础上,给出了从外同步到自同步平稳切换的条件。论文在研究无刷直流电动机无位置传感器控制换相方法的基础上,提出了一种新的换相方法,提高了电动机运行平稳性和系统稳定性。在带通滤波三次谐波法中使用该换相方法,无需对三次谐波积分即可得到换相时刻。 滤波器是反电势法中反电势过零检测电路的重要组成部分。论文在分析无刷直流电动机端电压信号特点的基础上,给出滤波电路的技术要求,根据滤波器基本设计原理,分别对一阶RC无源带通滤波器和二阶RC有源低通滤波器进行电路设计和参数计算,并通过实验验证理论分析和仿真结果。这些为通过检测反电势过零点获得可靠的换相信号创造了条件。 论文还分析了无刷直流电动机无位置传感器控制中产生转子位置检测误差的原因,提出了相应的校正方法。通过分析无刷直流电动机的换相过程,建立了换相状态的等效电路和数学模型,研究了转子位置误差引起的电动机超前、滞后换相现象,及其由此产生的非导通相环流,在理论分析的基础上,进行了仿真计算,并与实验结果对照分析。 功率器件的功率损耗分析在逆变器设计和提高控制系统的可靠性方面具有重要作用。论文构建了由IGBT组成的简化逆变器模型,并进行仿真研究。针对不同的开关频率和栅极电阻,定量计算了IGBT开关过程中各阶段的功率损耗,给出了变化规律,对逆变器的设计具有重要的指导意义。最后,论文研制了基于反电势过零检测法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统,控制系统由硬件和控制软件两部分组成。硬件部分包括主电源整流滤波电路、控制电源电路、反电势过零检测电路、驱动和逆变电路以及保护电路等,控制软件包括电动机起动模块(包括定位、加速、切换)、电动机运行控制模块(包括过零检测及校正、换相)和各保护功能模块。对系统进行了调试,并对论文中所分析和提出的各种方法进行了相关的实验研究,给出了实验结果。
上传时间: 2013-06-06
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电压源型PWM逆变器在当前的工业控制中应用越来越广泛,在其应用领域中,交流电动机的运动控制是其很重要的组成部分。在PWM逆变器的控制过程中,设置死区是为了避免逆变器的同一桥臂的两个功率开关器件发生直通短路。尽管死区时间很短,然而当开关频率很高或输出电压很低时,死区将使逆变器输出电压波形发生很大畸变,进而导致电动机的电流发生畸变,电机附加损耗增加,转矩脉动加大,最终导致系统的控制性能降低,甚至可能导致系统不稳定。为此,需要对逆变器的死区进行补偿。本文针对连续空间矢量调制提出了一种改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法;针对断续空间矢量调制提出了通过改变空间矢量作用时间,来改变驱动信号脉冲宽度的补偿方法,并对这两种方法进行了理论分析和仿真研究。 本文首先详细分析了死区时间对逆变器输出电压和电流的影响,以及功率开关器件寄生电容对输出电压的影响。其次对已提出的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法进行了理论分析,该方法先计算出补偿电压,再对由零电流钳位现象引起的补偿电压极性错误进行校正,极性校正的参考量为d轴补偿电压的幅值,然而补偿电压的大小随电流的变化而变化,因此该方法存在电压极性校正时参考量为变化量的缺点,而且该方法只适用于id=0的控制方式,适用性较差。针对这些问题,本文提出了改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的补偿方法,改进后的方法是先对由零电流钳位现象引起的电流极性错误进行校正,然后再计算补偿电压的大小,电流极性校正时的参考量为三相电流极性函数转化到γ-坐标系的函数sγ的幅值,sγ的幅值与补偿电压大小无关为恒定值,而且适用于任何控制方式,适应性强。再次把改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法应用到PMSM矢量控制系统中,采用MATLAB和Pspice两种方法进行了仿真研究,仿真结果验证了补偿方法的有效性。对两种仿真结果的对比分析,表明PSpice模型能更好的模拟逆变器的非线性特性。 最后,文章分析了连续空间矢量调制和断续空间矢量调制的输出波形的区别和死区对两种波形影响的不同。针对DSP芯片TMS320LF2407A硬件产生的断续SVPWM波,提出了根据电压矢量和电流矢量的相位关系,通过改变空间矢量作用时间,来改变驱动信号脉冲宽度,对其进行死区补偿的方法。给出了基本空间矢量作用时间调整的实现方法,并建立了MATLAB仿真模型,进行仿真研究,仿真结果验证了补偿方法的正确性和有效性。
上传时间: 2013-06-04
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永磁无刷直流电动机是一种机械、电气、电子一体化的高技术产品,具有结构简单、运行可靠、使用寿命长等优点,在现代轻重工业中应用广泛。现代工业技术和生产需求的快速发展对永磁无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高,因此研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。 本文介绍了永磁无刷直流电动机控制系统的组成和研究方向,介绍了英飞凌XC167Cl高性能16位单片机,进而对永磁无刷直流电动机的类型进行了介绍,同时分析了永磁无刷直流电动机的工作原理,建立了比较完善的数学模型,并详细阐述了转矩脉动产生的原因和消除转矩脉动的一般方法。 本文设计并实现了基于英飞凌XC167Cl高性能16位单片机的转速和电流双闭环永磁无刷直流电动机控制系统。系统采用PWM方式实现对电机的控制。转速和电流双闭环数字PI器的应用使得控制系统具有良好的动态和静态性能。单片机和液晶显示与键盘给定模块之间的串行通信实现了控制系统信息在人机间的传输,为系统的调试带来了灵活性,也为控制系统中参数的实时监控和给定提供了方便。 在本文的最后,就采集到的部分波形,分析了实验结果,并提出了对本系统的总结和展望。 实验表明,本文所采用的英飞凌XC167Cl高性能16位单片机具有极高的性能,以其为核心的控制系统具有运行性能良好、调试方便、升级换代容易等特点,为后续的研究工作提供了实验基础和借鉴。
上传时间: 2013-05-25
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目前,油田的开采都是通过抽油机抽取地下的石油,因此国内油田对抽油机的需求量非常大。然而,据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,其中抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。驱动电动机是抽油机消耗电能的主要设备,年耗电量超过百亿KWh。所以对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造,最大限度地挖掘抽油机的节电潜力,可带来相当可观的经济效益。 采用超高转差电机作为抽油机的驱动电机,是现有改进抽油机系统的主要措施之一。这种电动机的特点是转子电阻较大,起动转矩得到有效提高,安装容量得以降低;机械特性软,遇到换相冲击载荷时,转速下降,靠曲柄惯性作用,减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓,峰值扭矩明显降低,从而改善了机、杆、泵的配合,提高了泵的充满系数,增加产液量,达到系统节能的目的。此外,抽油机的工作过程中,驱动电机有时会处于发电状态,对供电网的电能质量造成很大危害。超高转差率电机能够有效避免发电状态的出现,从而减小对供电网的冲击,保证供电质量。 本课题以抽油机节能改造中驱动电机节能为出发点,从超高转差率电动机的机械特性、起动转矩等方面,对该类型电动机驱动抽油机的优势进行了理论分析。此外,本文还从能量平衡的角度,以抽油机中的动能平衡理论为基础分析了电机转差率对抽油机节能的影响。 最后,本文结合抽油机运动分析和抽油机曲柄运动曲线,以抽油机载荷系数为目标函数,编写了优化计算程序,从而实现了对适合某一井况下抽油机的驱动电机的最优转差率的定量计算,并以此作为设计或者选配超高转差率电动机的依据。
上传时间: 2013-07-07
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在早期阶段,直流调速系统在传动领域中占统治地位。然而,从60年代后期开始,交流电动机在工业应用领域正在取代直流电动机,交流传动变得越来越经济和受欢迎。永磁交流伺服系统作为电气传动领域的重要组成部分,在工业、农业、航空航天等领域发挥越来越重大的作用。永磁同步电动机以其特点广泛应用于中小功率传动场合,成为研究的重要领域。然而,永磁同步电动机具有较大的转动脉动,而对于这些应用场合,转矩平滑通常是基本要求。因此,对永磁交流伺服系统的应用,必须考虑其转矩脉动的抑制问题。本文针对电机传动系统中参数变化对电机性能的影响,以永磁同步电机为例,围绕如何通过参数辨识来提高永磁同步电动机的控制性能,借助自行开发的全数字永磁交流伺服系统平台,对永磁同步电动机的磁场定向控制,参数辨识,神经网络和扩展卡尔曼滤波在控制系统中的应用,抑制转矩脉动,提高系统性能几个方面展开深入的研究。 本文从永磁同步电动机及其控制系统的基本结构出发,对通过参数辨识抑制转矩脉动进行了较为细致的分析。针对不同情况,通过改进电机的控制系统,提出了多种参数辨识方法。主要内容如下: 1、基于定子磁链方程,建立了永磁同步电动机的一般数学模型。经坐标变换,得出在静止两相(α—β)坐标系和旋转两相(d—q)坐标系下永磁同步电动机电压方程和转矩方程。 2、分析了永磁同步电动机id=0矢量控制系统的工作原理,介绍了永磁同步电动基于磁场定向的矢量控制的基本概念。经对永磁同步电动机系统进行分析,推导并建立了id=0控制时整个电机系统的数学模型。 3、基于超稳定性理论的模型参考自适应控制原理,设计了一种模型参考自适应控制系统,考虑电机参数的时变性,对永磁交流伺服系统的绕组电阻和电机负载转矩辨识进行了研究,以保持系统的动态性能。利用Matlab/Simulink建立仿真模型,对控制性能进行了验证,仿真实验证明这种方法的可行性。 4、人工神经网络具有很强的学习性能,经过训练的多层神经网络能以任意精度逼近非线性函数,因此为非线性系统辨识提供了一个强有力的工具。本章针对永磁同步电机提出了一种以电机输出转速为目标函数的神经网络控制方案,同时应用人工神经网络理论建立和设计了负载转矩扰动辨识的算法以及相应的控制系统的补偿方法,并应用MATLAB软件进行了计算机仿真,仿真证明和传统的控制方法相比,以电机输出转速为指导值和目标函数的神经网络控制方案能有效地提高神经网络的收敛速度,能有效地改善控制系统的动态响应,具有跟踪性能好和鲁棒性较强等优点。 5、电机的参数会随着温升和磁路饱和发生变化,需进行在线实时辨识。本文利用电机的定子电流、电压和转速,采用递推最小二乘法进行在线参数辨识,该方法不需要观测的磁链信号,消除了磁链观测和参数辨识的耦合。电机状态方程由于存在状态变量的乘积项,对电机参数辨识以后,仍然是非线性方程,为了对电机状态方程进行状态估计,得到电机的参数辨识值,本文采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计,对以上方法的仿真实验得到了满意的结果。 6、本文基于数字电机控制专用DSP自行开发了全数字永磁交流伺服系统平台,通过软件实现扩展卡尔曼滤波对电阻和磁链的估计,以及基于磁场定向的空间矢量控制算法,获得了令人满意的实验结果,证明扩展卡尔曼滤波算法对电阻和磁链的实时估计是很准确的,由此构成的永磁交流伺服系统具有良好的静、动态性能。
上传时间: 2013-07-28
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本课题提出了一套采用直流斩波技术的永磁无刷直流电机的调速控制系统。一方面研制了一种新颖的端电压逻辑换相控制策略,它通过分析电机三相绕组端电压的大小关系得出控制逆变桥开关管导通的信号。结合电机预定位起动原理,设计出的端电压逻辑信号分析处理电路,有效克服了电机起动的困难,确保电机的顺利起动,并在实验结果中得到了论证。这种完全用硬件电路来实现电机的电子换相,无疑大大降低了控制系统的成本,具有一定的实用价值。另一方面采用直流斩波技术的无刷直流电机调速系统,从而大大减小了电流的脉动。本文阐述的方法不但适用于一般的三相四线制无刷直流电机,还适用于三相三线制的电机,从而扩大了其应用的范围。 本论文先对无位置传感器永磁无刷直流电动机的结构和基本原理进行了详细的介绍;然后分别着重介绍了两个部分的设计工作:无刷直流电机的驱动控制和采用直流斩波技术的调速系统;最后给出了相关的实验结果和结论。 根据上述设计方案设计的无位置传感器永磁无刷直流电动机调速控制系统,可以实现电机的平滑起动、无振动和失步现象,具有良好的调速性能。
上传时间: 2013-04-24
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上传时间: 2013-06-02
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