随着现代工业的迅猛发展，对作为工业装备重要驱动源之一的伺服系统的性能提出了越来越高的要求。永磁同步电机( PMSM)作为交流伺服系统的执行元件具有结构简单、功率密度高、效率高、易于散热及维护保养等优点，正得到越来越广泛地应用。要构建高性能的伺服系统，好的伺服控制系统则必不可缺，本论文主要围绕高性能的永磁同步电流伺服控制系统这一主题展开研究。 根据永磁同步电机的动态dq数学模型，从实现高性能的转矩控制出发，对永磁同步电机的矢量控制技术和直接转矩控制技术等控制策略进行了比较分析。针对本伺服系统永磁同步电机的转子结构特点，选用了具有线性控制转矩特性，能获得比较平稳转矩输出的基于转子磁场定向的id=0的矢量控制策略，同时还介绍了该策略的重要组成部分空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，并在MATLAB仿真平台对所选控制方案进行了仿真研究。 对控制系统的软件部分进行了设计，详细分析了针对16位定点DSP控制器TMS320LF2407A的程序设计特点，建立了电机的标幺值模型，解决了变量的定标问题。并介绍了电机控制程序的总体结构以及相关模块的详细设计过程。 为实现高性能的伺服控制系统，使伺服系统输出平滑的转矩，本文还对电压型PWM逆变器“死区效应”引入的转矩脉动进行了分析，分析表明了在永磁同步电机矢量控制系统中，由“死区效应”造成的误差电压矢量与永磁同步电机转子位置之间的关系，并应用一种实用的死区补偿技术减小了转矩脉动，提高了系统的性能。 最后在伺服系统实验平台上对伺服控制系统进行综合调试，并在此基础上做了大量的实验研究，实验结果表明系统性能可靠且拥有优良的调速性能。
上传时间： 2013-06-18
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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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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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变频器在各行各业中的各种设备上迅速普及应用，已成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量以及推动技术进步的主要手段之一，是国民经济和生活中普遍需要的新技术。但是现有变频器的调制算法尚存在一些缺点，如开关损耗大和共模电流大等，因此有必要研究和设计高性能调制算法的变频控制器。鉴于此，开展了以下工业变频器高性能调制算法为对象的研究内容： 在阐述了工业变频器系统的结构、调制算法、调速算法的基础上，结合数学模型，分析了共模电压产生的原理、共模电流其影响和危害，给出了共模电压和共模电流的关系。总结其他的抑制共模电压的方案基础上，提出一种新的共模电压抑制SVPWM；还阐述了死区产生的原因及其影响，以及死区补偿的原理并将上述两个调制算法利用MATLAB/SIMULINK软件对该系统给予了全面的仿真分析。 变频器硬件部分设计包括整流滤波电路、逆变器功率电路、上电保护电路、DSP控制系统及其外围电路、IGBT驱动及保护电路以及反激式开关电源，对于传感器检测滤波电路的具体电路参数设计，是在PSPICE上仿真基础上得出。并在考虑成本、EMC、效率等因素后考虑完成了所有硬件相关的原理图绘制和PCB绘制； 变频器软件部分设计包括主程序、键盘扫描程序、系统状态处理程序、PWM发送中断程序、电机启动函数、电压调整程序、AD采样中断程序以及故障保护中断程序。在实现一般SVPWM的基础上，根据之前理论和仿真得到的共模电压抑制SVPWM、以及死区补偿算法，将这两个对SVPWM进行改进的调制算法在硬件平台上实现。 在硬件电路完成设计的各个阶段，逐渐编制相应的控制程序，并进行调试，并完成整个程序的编制和调试。此外，还调试了系统所需的反激式开关电源。整个系统调试中遇到了很多问题，如键盘消除抖动问题、共模电压抑制SVPWM出现的直通现象等。最终完成了工业变频器样机，并且采用的是文章中研究的调制算法，效果良好，达到设计的目的； 提出了一种将有源功率因数校正(PFC)技术引用到串级调速中来提高定子侧功率因数的新方法。通过建立电动机折算到转子侧的等值电路，重点分析了有源PFC技术代替传统串级调速系统中的不控整流桥后，系统可以等效为转子串电阻调速。得到了等效串电阻的计算公式和变化趋势，对电动机功率因数、电磁转矩脉动也进行了分析，发现能够比传统串级调速时有所提升。鉴于电动机转子侧电势频率非常低，分析了有源PFC的具体实现的特殊考虑和参数选取方法，并基于对称平衡的Scott变压器和两个单相有源PFC电路实现了绕线电动机转子侧的三相有源低频PFC，得到超低纹波的直流输出电压。利用MATLAB建立了完整的仿真平台，所得结果验证了理论分析的正确性。
上传时间： 2013-07-09
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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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随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展。交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理。交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代伺服控制系统的一个发展趋势。由于感应电机具有结构坚固，制造容易，价格低廉等优势，因而感应电机伺服系统具有很好的发展前景，代表了将来交流伺服技术的发展方向。 首先，本文结合大量的文献资料，总结和分析了当前交流伺服系统的发展现状，明确了加强开发交流感应电机伺服系统的意义。 其次，深入研究了矢量控制的坐标变换理论和交流感应电机的数学模型。在此基础阐述了基于转子磁场定向的矢量控制原理，建立其相应的控制方程。结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理，提出了交流伺服系统的控制方案。 再次，本研究以DSP TMS320F2812A为核心控制单元，以一体化智能功率模块(ASIPM)为功率电路主体，基于模块化设计原则设计和实现了一台软、硬件结合的全数字化控制系统；并对设计中的一些关键环节进行了理论研究和实践探索。 最后，对感应电机伺服系统进行了试验研究。本文通过实验分析，验证了系统设计方案的有效性和可行性，并指出了系统进一步的改进方向。
上传时间： 2013-06-01
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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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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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