超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是近二十年来发展起来的一种新型驱动装置,该电机不同于传统的电磁感应电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动.这种电机的具有响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点,在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景.随着超声波电机的推广应用和产业化发展的需要,对超声波电机的驱动和控制技术的研究就非常必要了,小型化、通用化、高性能的驱动电源和简单而又实用的控制技术已成为国内外研究的热点.该文对于单一的定位控制,研究一种简单且控制精度高的控制算法,结合所研制的纵扭复合型超声波电机样机,实现了高精度(0.010度)的定位控制,另对基于高性能DSP的驱动电源进行了初步的探讨和研究,研制了通用性较高的驱动电源.该文开展的主要研究工作和取得的成果如下:1.简要地介绍了超声波电机的原理、发展历史和特点,重点分析了超声波电机驱动电源和定位控制的研究进展和存在的问题,从而引出该硕士论文的研究意义和主要内容.2.从理论和实验上揭示这种电机具有的高分辨率和步进特性实质,提出了利用此特性实现高精度的定位控制策略——步进定位法,并分析了影响其定位精度的因素,结合所研制的纵扭复合型超声波电机样机,实现了高精度(0.010度)的定位控制,并确定了相关控制参数的选择准则.3.简要介绍了常用开关变换器结构,设计了以MOSFET为开关器件的半桥式逆变功率电路.介绍了高性能DSP(TMS320LF2407)为核心的控制信号发生电路和以UC3842为控制芯片的可调压直流电源,结合控制电路和功率变换电路获得了驱动超声波电机所需两项幅值、频率、相位可调的交变方波,具有较高的通用性,为进一步开展运用较复杂控制策略的超声波电机位置和速度伺服控制研究打下一定基础.
上传时间： 2013-04-24
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随着电力电子器件、永磁材料、微机、新型控制理论和电机理论的发展，无刷直流电机的技术优势逐渐凸显，近年来在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速的推广应用。大功率无刷直流电机在国外已经成功应用于对系统效率、可靠性要求较高的场合，在国内，近年来也引起了广泛兴趣。本课题对大功率无刷直流电机进行预研，以两台无刷直流电机样机为研究对象进行分析和电磁设计研究。首先计及电枢绕组电感，从分析换相过程入手，建立了三相星型六状态工作模式下，电压源型无刷直流电机的数学模型，并基于此模型，通过仿真和实验，对该种无刷直流电机的电磁转矩系数、反电势系数、机械特性和电枢等效电阻等进行了深入研究，分析表明电枢绕组电感对上述各系数和特性存在较大影响，因此在大功率无刷直流电机设计和分析中，电枢绕组电感必须予以考虑。其次，本文对等效磁路法、电磁场有限元法和等效磁网络法以及它们在无刷直流电机电磁设计中的应用进行了比较研究，提出了采用有限元法计算漏磁系数、计算极弧系数、电枢计算长度和气隙系数，然后把它们应用到等效磁路法中进行空载特性计算，而采用电磁场有限元法分析负载特性的场路结合法。以此为基础，编制了无刷直流电机电磁设计软件，并将其应用于两台样机的设计，通过与电磁场有限元法计算结果和实验数据进行对比，验证了该方法的准确性。最后对两台样机的电枢反应及其影响进行了仿真和实验研究，分析发现q轴电枢反应是影响切向磁化结构的无刷直流电机性能的主要因素，设计中需采取措施抑制q轴电枢反应的影响。
上传时间： 2013-04-24
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作为数控机床、机器人等的重要组成部分，随着加工制造、汽车等行业的发展，永磁交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。同时随着功率电子器件和微处理器的进步，伺服系统也逐步向全数字化方向发展，全数字化系统具有可靠性高、实现新控制策略容易、功能丰富等优点。 本文论述了永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制的最新发展，分析了从基础理论到最新的控制算法的有关永磁同步电机空间矢量控制的许多问题。在对永磁同步电动机(PMSM)的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上，本文在PMSM 的电压空间矢量的弱磁控制方面做了大量的理论和实验研究，提出一种基于空间矢量PWM (SVPWM)的PMSM 定子磁链弱磁控制定方法，在电机转速达到基本转速之前采用最大转矩/电流策略控制，超过基本转速之后采用弱磁扩速的电流控制策略，使电机具有更大的调速空间，该策略可实现电压矢量近似连续调节，有效减小了PMSM 的转矩脉动，提高了系统的性能，仿真结果证明了这一结论。 在上述工作的基础上，研制开发了一套基于TMS320LF2407A 的高性能全数字永磁交流调速系统。该系统以空间矢量PWM 控制为核心。
上传时间： 2013-06-08
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在伺服系统中，为了实现高精度的控制，往往需要实时地检测出电动机转子的位置。用来检测电动机转子位置的角度传感器主要有光电编码器和旋转变压器。光电编码器虽然能够达到很高的精度，但是它的抗干扰性差，不宜应用在条件恶劣的场合中；相比较而言，旋转变压器（简称旋变）由于结构简单，坚固耐用，抗干扰性强，能够应用在各种条件恶劣的场合中，所以获得了越来越广泛的应用。 本文采用的旋变样机是一种新型的磁阻式旋转变压器。分析了它的定转子结构、定子绕组的连接方式以及转子形状的优化；并在此基础上，推导出了它的正余弦输出反电势的表达式；最后在电磁场分析软件Ansoft中，以样机为原型建立了仿真模型，分析了它内部的电磁场分布以及正余弦输出反电势的波形。 其次，本文设计了一种以DSP为核心的R2D电路系统。它以振荡电路产生的正弦波电压信号作为旋变的激励信号，加上相关的外围电路，构成了旋转变压器一数字转换器，解算出了旋变的轴角θ；并在此基础上，分析了产生角度解算误差的各种因素，同时计算出了旋变的转速n。 最后，在上述解算方案的基础上，本文又给出了第二种解算方案，即：DSP产生的方波经过滤波之后作为旋变的激励信号，解算出了旋变的轴角θ；然后比较了这两种解算方案的优缺点，重点分析了激励信号中的谐波分量对正余弦输出反电势以及角度解算的影响。
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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果园收获作业机械化、自动化是广大果农们关注的热点问题，开展果树采摘机器人研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的历史意义。 果树采摘机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，它是由机械手固定在履带式移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。本文在国家“863”高技术项目“果树采摘机器人关键技术研究”支持下，以自行设计的机器人机械结构为研究对象，对果树采摘机器人的控制系统进行了分析、研究和设计，设计了视觉伺服控制器，并对采摘机器人避障技术进行了探讨。主要工作如下： 首先，分析了果树采摘机器人机械结构，介绍了机器人运动学理论，根据自行设计的5自由度机械臂机械特性，采用几何结构算法，建立了果树采摘机器人机械臂的正、逆运动学方程。 其次，基于开放、先进和可靠的考虑，采用开放式结构设计机器人的控制系统。在开放式控制系统设计中，主要对果树采摘机器人硬件组成部分主控计算机、运动控制器、数据采集卡等进行了选型设计。在分析果树采摘机器人工作环境和工作特性的基础上，设计了果树采摘机器人的外围传感器。 再次，根据果树采摘机器人机械结构和控制系统结构组成，设计了PID控制器，应用于机器人视觉伺服控制，实现果树采摘机器人的实时控制。在详细论述关节式机器人避障方法的基础上，对果树采摘机器人避障方法进行了初步的探讨，提出了采用C—空间法实现采摘机器人实时避障。 最后，建立了传感器实验平台，通过实验验证了所设计传感器的正确性。利用固高PAN&TILT两维数控转台和实地拍摄的苹果图像，对所提出的控制方法通过转台控制实验进行了验证。
上传时间： 2013-08-05
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无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高和转动惯量小等优点，另外它还具有和直流电机一样的调速特性，而没有直流电机复杂的机械换相设备，所以被广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等工业领域，现代工业的快速发展对无刷直流电机控制系统的性能提出了更高的要求。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机控制系统具有十分重要的意义。 直接转矩控制是一种高性能的电机控制方法，它已经成熟的应用在感应电机和永磁同步电机上，实现了优良的稳态性能和动态响应特性。本文通过大量的文献资料阅读，对无刷直流电机及其相关技术的发展、现状和趋势有了一个比较全面的理解，在此基础上，详细分析了无刷直流电机的数学模型，并提出了一套相应的直接转矩控制方案，建立了仿真和试验平台，进行了仿真分析和实验研究，获得了有价值的研究成果。 本文的主要研究内容包括： (1)详细分析了无刷直流电机的运行机理和数学模型，在此基础上阐述无刷直流电机直接转矩控制的基本控制机理，包括基于逆变器二二导通模式的空间电压矢量的定义和针对无刷直流电机具有非正弦波反电动势这一特点而推导的转矩计算公式等。 (2)提出了一套无刷直流电机直接转矩控制的具体实施方案，并根据这套方案建立了基于Simulink(Matlab)的无刷直流电机直接转矩控制的仿真模型，对所提出的控制方案进行了仿真分析。仿真结果验证了该方案在理论上的可行性。 (3)在理论研究的基础之上，设计研制了一套基于DSP+IPM的无刷直流电机直接转矩控制实验系统，编写了控制程序软件，进行了无刷直流电机直接转矩控制的实验。实验结果达到了预期的要求，证实了直接转矩控制在改善无刷直流电机动态调速性能上的优势。 本论文开展了继异步电机和永磁同步电机之后对无刷直流电机实现直接转矩控制的探索性研究工作。通过理论分析、计算机仿真和实验得出了一些有意义的经验和结论，为课题的进一步深入开展奠定了基础。
上传时间： 2013-07-11
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在实际应用中，对永磁同步电机控制精度的要求越来越高。尤其是在机器人、航空航天、精密电子仪器等对电机性能要求较高的领域，系统的快速性、稳定性和鲁棒性能好坏成为决定永磁同步电机性能优劣的重要指标。传统电机系统通常采用PID控制，其本质上是一种线性控制，若被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化，会使得线性常参数的PID控制器无法保持设计时的性能指标；在确定PID参数的过程中，参数整定值是具有一定局域性的优化值，并不是全局最优值。实际电机系统具有非线性、参数时变及建模过程复杂等特点，因此常规PID控制难以从根本上解决动态品质与稳态精度的矛盾。永磁同步电机是典型的多变量、参数时变的非线性控制对象。先进控制方法(诸如智能控制、优化算法等)研究应用的发展与深入，为控制复杂的永磁同步电机系统开辟了崭新的途径。由于先进控制方法摆脱了对控制对象模型的依赖，能够在处理不精确性和不确定性问题中有可处理性、鲁棒性，因而将其引入永磁同步电机控制已成为一个必然的趋势。本文根据系统实现目标的不同，选取相应的先进控制方法，并与PID控制相结合，对永磁同步电机各方面性能进行有针对性的优化，最终使其控制精度得到显著的提高。为达到对永磁同步电机进行性能优化的研究目的，文中首先探讨了正弦波永磁同步电机和方波永磁同步电机的运行特点及控制机理，通过建立数学模型，对相应的控制系统进行了整体分析。针对永磁同步电机非线性、强耦合的特点，设计了矢量控制方式下的永磁同步电机闭环反馈控制系统。结合常规PID控制，将模糊控制、遗传算法、神经网络和人工免疫等多种先进控制方法应用于永磁同步电机调速系统、伺服系统和同步传动系统的控制器设计中，以满足不同控制系统对电机动、静态性能的要求以及对调速性能或跟随性能的侧重。实验结果表明，采用先进控制方法的永磁同步电机具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的鲁棒性能；与传统PID控制相比，系统的控制精度得到了明显提高。研究结果验证了先进控制方法应用于永磁同步电机性能优化的有效性和实用性。
上传时间： 2013-04-24
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PWM(脉冲宽度调制)是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，也是变频技术的核心，同时在机床，液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。PWM技术已经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器对于基础理论的发展和技术的改进都有十分重要的意义。 论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。任意波形的合成是课题设计的一个难点，也是影响系统性能的关键因素之一。论文中波形合成采用直接数字频率合成(DDS)技术来实现。DDS技术以相位为地址，通过查找离散幅度数据进行波形合成，具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点，而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率，是目前波形合成的主流方法。 实现PWM发生器的设计方法有多种。在综合比较了单片机、DSP、ARM等常用开发工具特点的基础上，本文提出了一种以可编程逻辑器件(PLD)为主体，单片机辅助配合的设计方法。随着计算机技术和微电了技术的迅速发展，可编程逻辑器件的集成度和容量越来越大，基于PLD的设计方法正逐步成为一种主流于段，是近些年来电子系统设计的一个热点。整个系统分为模拟波形产生、单片机控制电路、FPGA内部功能模块三大部分。FPGA部分的设计是以Altera公司的Quartus Ⅱ软件为开发平台，采用VHDL语言为主要输入手段来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，目标载体选用性价比比较高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；单片机控制电路主要负责控制字的设置和显示，波形数据的接受与发送；用MATLAB软件完成仟意波形的绘制和模拟任务。 论文共分五章，详细介绍了课题的背景、PWM发生器的发展和应用以及选题的目的和意义等，论述了系统设计方案的可行性，对外围电路和FPAG内部功能模块的设计方法进行了具体说明，并对仿真结果、系统的性能、存在的问题和改进方法等进行了分析和阐述。整个设计满足PWM发生器的任务和功能要求，设计方法可行。
上传时间： 2013-04-24
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盘式永磁同步电动机属于轴向磁场电机，目前，该类电机在国外已经得到了迅速发展，作为一种现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机己广泛应用于机器人等机电一体化产品中。由于该类电机具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子无损耗、转子的转动惯量小、机电时间常数小、转矩/重量比大、低速运行平稳、可以制成多气隙组合式结构进一步提高转矩等特点，其在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合具有广阔的应用前景，是一种理想的驱动装置。 本课题作为国家863计划项目《新型稀土永磁电机设计及集成技术》2002AA324020中的一部分，该项目的主要工作是进行新型结构钕铁硼永磁电机——盘式无铁心永磁同步电动机的设计与集成技术研究，开发出一种新型钕铁硼永磁电机，解决相应的整机设计和集成技术问题。本文中提出的基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机是在盘式永磁同步电动机的基础上，将无铁心结构和Halbach型永磁体阵列应用到其中，从而使得电机的质量大为减轻，功率密度提高，振动噪声降低，效率提高。 基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机其磁路结构和电磁负荷分布与传统电机完全不同，常规电机的某些设计规则不能直接应用到该结构电机的设计当中，本文主要针对这种结构的电机进行了分析与计算。分析了不同结构Halbach阵列下的气隙磁场，以及相关参数的计算，给出了初步的样机设计数据，并对样机的加工工艺进行了探讨，在总结、借鉴相关电机设计方法的基础上，针对盘式无铁心永磁同步电动机自身的特点，编制了一套电磁计算程序，该程序还有待通过大量样机的试验，来总结和完善。 我国稀土资源丰富，然而，由于技术经济上的问题，国产永磁交流伺服电动机至今未能大量应用。与此同时，高性能的永磁交流伺服电动机及系统大量依靠进口，我国每年进口的工程装备当中，仅数控机床因国产电机和系统不能满足要求而每年需要进口的就达22亿美元以上。本项目的完成将改变这类产品主要依靠进口的局面，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，其经济效益和社会效益是十分巨大的。
上传时间： 2013-04-24
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