动力传动中的直线往复运动往往是通过旋转运动在传动装置的作用下实现的。因此，频繁的高速和低速的传递运动装置的较好选择是直线开关磁阻电机(LSRM)。但是，这种电机很少得到运用，这是因为LSRM的数学模型很难准确建立，它的固有的牵引力脉动(类似于旋转开关磁阻电机的转矩脉动)也很难克服，因而控制起来比较困难。随着电力电子技术和数字技术的发展，直线开关磁阻电机以其简单结实的电机结构、优越的性能和经济指标，近年来受到学术界的极大关注，不少大学和研究机构都开展了研究工作，取得了一定的成就。本文在“通过先进的控制策略简化机械装置”的指导思想下，结合目前国际学术界的最新研究成果，对直线开关磁阻电机的理论、结构设计和系统仿真进行了一系列的研究。 本文从最基本的理论公式推导出直线开关磁阻电机的数学模型，并在此基础上结合具体参数进行电机的结构设计，分析了各参数的静态特性，推导出动态方程和传递函数，建立了非线性动态模型，利用该模型进行系统的动态特性分析，给出仿真结果；对系统进行优化，提出了一种简单可行的参数选择方法。仿真结果表明，其动态响应性能明显提高。在分析常用功率变换器的基础上，引进软开关技术，用来降低电机的损耗和脉动。采用TMS320VC33进行数据处理，给出了与DSP相连接的相关检测电路。 为了降低和消除开关磁阻电机的脉动和噪声，本文利用滑模变结构控制具有快速响应和对外部变化不灵敏等优点，设计了LSRM滑模变结构控制系统。仿真结果表明，其效果明显。 本文研究的目的在于把直线电机的结构和开关磁阻电机的原理和控制方式结合起来，对直线开关磁阻电机进行深入的分析，并在动态特性上进行较多的理论和仿真分析，在保持开关磁阻电机固有的优点上，进一步简化电机的结构，使之能在一些特殊场合使用，以提高整个传动系统的效率。 研究结果表明，直线开关磁阻电机的结构十分简单，控制策略相对成熟，因而直线开关磁阻电机的研究和推广运用是很有前途的。
上传时间： 2013-06-20
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开关磁阻电机（SR电机）驱动系统（SRD）是一种先进的机电一体化装置，但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有：由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源，因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理，推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算，不但减小了计算量，同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法，求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时，传统的非线性插值不但耗时，而且对有限元计算数据量要求高的问题，本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力，成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练，最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定；接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发，导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解；然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解，定性分析了影响振动振幅的各种因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型，分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果，证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上，对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真，综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标，对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真，通过非线性插值得到径向力的波形，然后对径向力波形进行了频谱分析，从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况，利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化，使得减振效果整体最佳，所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上，针对其不足之处，提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的，达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法，和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声，并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法，最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求，选用了不对称半桥功率电路拓扑结构；出于降低成本以及提高可靠性考虑，采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验，对比转矩测量值与转矩有限元计算值，验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验，对比各种实验结果，充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项：“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”（2001AA501421）。本文的研究是在该项目的资助下完成，并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间： 2013-07-05
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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。
上传时间： 2013-06-22
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本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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超声波电机(Ultrasonic Motor简称USM)是八十年代发展起来的新型微电机。本文针对超声波电机及其控制技术的研究现状和发展趋势,以我国研究技术相对比较成熟并有产业化前景的行波超声波电机(Traveling-wave Ultrasonic Motor简称TUSM)的伺服控制技术为研究对象,以直径60mm的行波超声波电机TUSM60为研究实例,在特性测试、动稳态性能分析,辨识模型建立、控制策略与控制算法的选择与实现等方面展开研究。本论具体的研究内容为： 在分析超声波电机研究历史和现状的基础上,结合国内外超声波电机特别是行波超声波电机控制技术的发展趋势,重点论述了行波超声波电机及其驱动控制技术的研究进展。 介绍行波超声波电机的基本结构,并从该电机的主要理论基础--压电原理、行波合成、接触模型出发,分析了行波超声波电机定子质点的运动方程.并结合定转子摩擦接触特点,分析了行波超声波电机的运行机理。 根据对行波超声波电机测试和高精度控制的要求,研制出基于双DSP和FPGA的超声波电机高性能测试控制平台。其中控制核心采用了双DSP结构,可以在对行波超声波电机进行控制的同时,将必要的参数读取出来进行分析和研究。为行波超声波电机瞬态特性分析以及控制策略、控制算法的深入研究打下了基础。 对电机的瞬态、稳态特性进行的测试,可以分析驱动频率、电压以及相位差等调节量对电机输出的影响。在此基础上进一步对行波超声波电机的调节方式、控制算法选择方面进行分析,并得到相应结论。 通过对实验数据的总结和归纳,利用系统辨识中的非参数方法,建立在特定频率条件下的近似线性模型。在行波超声波电机工作范围内,辨识若干组不同频率条件下的近似线性模型,将这些模型的参数进行二维或三维拟合,可以得到一个关于行波超声波电机传递函数的模型。辨识模型的建立为合理的选择和优化控制参数,控制效果的验证等提供了行之有效的手段。 在对行波超声波电机的速度控制、位置控制展开的研究中.首先利用遗传算法对常规PI恒转速控制的控制参数整定及修正方法进行了研究；利用神经元的在线自学习能力,研究和设计单神经元PID-PI转速控制器,提高控制系统对电机非线性和时变性的适应能力；为了消除在伺服控制中,单一调节量(驱动频率)情况下,低转速的跳跃问题,研究和讨论了多调节量分段控制方法,并利用模糊控制对控制方法的有效性进行了验证；在位置控制中,利用转速控制研究的结果,研究和设计了位置--速度双环(串级)控制器,实现了电机高精度位置伺服控制。 通过对已有控制系统的改进和简化,设计和研制了具有实用化价值行波超声波电机控制器：并将研究成果应用于针对核磁成像设备而设计的行波超声波电机随动控制系统中,同时尝试了将该控制器用于高精度X-Y两维定位平台。
上传时间： 2013-07-13
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高性能伺服控制系统日益广泛地应用于现代工业、家用电器和国防等各个领域。采用先进控制策略和全数字控制技术的永磁同步电机伺服系统，已成为高性能伺服系统发展的主流方向。应用在交流伺服系统上的背景技术不断进步，同时市场对伺服系统性能、成本及自适应能力的要求也不断提高。 本文从详细分析了永磁同步电机的数学模型和矢量控制的基本原理，选取了基于id=0转子磁场定向矢量控制方式，采用电压空间矢量（SVPWM）调制技术，建立了位置、转速、电流三闭环控制的永磁同步电机伺服系统。针对伺服系统在运行过程中参数变化及负载扰动等问题，深入分析了连续与离散系统滑模变结构控制器设计的基本原则和方法，将滑模变结构控制与矢量控制相结合，改进了基于趋近率的单段滑模面变结构控制，设计了适用于矢量控制位置伺服系统的分段式滑模变结构控制器。在Matlab/Simulink7．1仿真环境和以Freescale MC56F8346DSP为核心的实验系统平台进行了详尽的仿真和实验研究。结果表明本系统满足高性能伺服控制系统的基本要求，滑模变结构控制能够有效应用于矢量控制伺服系统并提高其鲁棒性。
上传时间： 2013-07-18
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随着电力电子技术的迅速发展和推广应用，利用计算机仿真对电力电子电路进行分析和研究得到了日益广泛的重视。尽管目前一些仿真软件都有比较强大的功能，可以利用它们来完成某些电力电子装置的某些分析工作，但是由于器件模型的限制和电力电子装置负载的复杂性，使得这些软件并不能完成对于电力电子装置所要进行的所有分析要求，特别是当其被用于电力电子装置故障运行的仿真。针对上述问题，本论文在研究器件建模方法和装置仿真方法的基础上，运用C++语言开发了一个可专门用于电力电子装置仿真分析的程序。 本课题首先对于各种电力电子器件进行建模。在对各种元器件特性深入研究的基础上利用已知的电路原理和建模方法，抓住各具体电力电子器件的主要特征，建立其电路及逻辑仿真模型。由于本论文中研究的是电力电子装置作为一个整体的特性，所以在对器件电路模型的建模过程采用高层次的电路模型，即理想开关模型和双极性电阻模型。器件的逻辑模型则是通过皮特里网络来实现，根据仿真的目的可建立不同精细程度的逻辑模型。因为器件逻辑模型的建模过程中采取的逐步细化的原则与面向对象程序设计中自顶而下，逐步求精的思想不谋而合，所以在仿真程序中采用C++语言对所建立的器件模型进行描述。 针对电力电子装置的非线性，病态特性和其负载的复杂性，使用阶段仿真的思想进行程序设计。确定了仿真程序的总体结构，并实现了程序的模块化设计。利用通用的状态变化检测模块和兼容性检测模块在程序中确定电路结构发生变化的精确时刻，它们独立于具体的电路结构。状态方程模块和输出方程模块虽然与具体的电路结构相关，但是亦可将其设计为模块的形式，针对不同的电路结构仅需改变模块中对于状态方程和输出方程的描述。鉴于数值计算方法对于仿真结果的重要性，本论文中讨论了几种数值积分方法的特点及适用范围，并在程序用编写了几种常用的算法，以供用户选择。通过对于瓦格纳斩波器、三相全控整流桥和三相半控整流桥的仿真验证仿真程序的正确性和实用性。
上传时间： 2013-07-16
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电气化铁道牵引网在网络拓扑结构、电气元件上具有特殊性，开展数学模型和电气参数研究对掌握其电气性能具有重要意义。 本文主要介绍了电气化铁道牵引网基波与谐波的模型建立与电气参数计算。 借用电力系统中的成熟计算方法，并结合牵引网的拓扑结构和导线的特殊性，阐述了多导体传输线的串联阻抗和并联导纳矩阵的计算方法，给出了计算实例。 各种供电方式的牵引网都可等效成多导体传输线的供电网络，网络上的各种电气参数均可视为串联元件和并联元件。牵引网的均匀多导体传输线采用等值Ⅱ型电路，对其它各种串联与并联元件也分别建模。 用C＃语言编制了牵引网模型仿真计算软件，实现了谐波在牵引网中的分布计算。为计算程序设计了良好的人机界面，通过界面可以完成牵引网的参数输入与外部数据读取，计算结果再用.csv格式输出。其中，详细介绍了LU三角算法。 最后，结合京哈线蓟县南牵引变电所供电区段高次谐波谐振测试，分析了牵引网参数对高次谐波谐振的影响，说明了谐振的原因并给出了治理措施。利用程序进行了仿真计算，验证了程序的可用性。
上传时间： 2013-07-23
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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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微机电系统（MEMS）器件的构成涉及微电子、微机械、微动力、微热力、微流体学、材料、物理、化学、生物等多个领域，形成了多能量域并交叉耦合。为其产品的建模、仿真以及优化设计带来了较大的难度。由于静电驱动的原理简单使其成为MEMS器件中机械动作的主要来源。而梳齿结构在MEMS器件中有广泛的应用：微谐振器、微机械加速度计、微机械陀螺仪、微镜、微镊、微泵等。所以做为MEMS的重要驱动方式和结构形式，静电驱动梳齿结构MEMS器件的耦合场仿真分析以及优化设计对MEMS的开发具有很重要的意义。本课题的研究对静电驱动梳齿结构MEMS器件的设计具有较大的理论研究意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1、采用降阶宏建模技术快速求解静电梳齿驱动器静电－结构耦合问题，降阶建模被用于表示微谐振器的静态动态特性。论文采用降阶建模方法详细分析了静电梳齿驱动器的各参数对所产生静电力以及驱动位移的关系；并对静电梳齿驱动器梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟，深入讨论了边缘效应的影响；还对微谐振器动态特性的各个模态进行仿真分析，并计算分析了前六阶模态的频率和谐振幅值。仿真结果表明降阶建模方法能够快速、准确地实现多耦合域的求解。 2、从系统角度出发考虑了各个子系统对叉指式微机械陀螺仪特性的影响，系统详细地分析了与叉指状微机械陀螺仪性能指标－灵敏度密切相关的结构特性、电子电路、加工工艺和空气阻尼，并在此分析的基础上建立了陀螺的统一多学科优化模型并对其进行多学科优化设计。将遗传算法和差分进化算法的全局寻优与陀螺仪系统级优化相结合，证实了遗传算法和差分进化算法在MEMS系统级优化中的可行性，并比较遗传算法和差分进化算法的优化结果，差分进化算法的优化结果较大地改善了器件的性能。 3、从系统角度出发考虑了各个子系统对梳齿式微加速度计特性的影响，在对梳齿式微加速度计各个学科的设计要素进行分析的基础上，对各个子系统分别建立相对独立的优化模型，采用差分进化算法和多目标遗传算法对其进行优化设计。证实了差分进化算法和多目标遗传算法对多个子系统耦合的系统级优化的可行性，并比较了将多目标转换为单目标进行优化和采用多目标进行优化的区别和结果，优化结果使器件的性能得到了改善。
上传时间： 2013-05-15
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