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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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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无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机.随着无刷直流电机在各个领域的广泛应用,其常用的带位置传感器控制方法显露出了越来越多的局限性,而无位置传感器控制方法,特别是"反电势法"无位置传感器控制方法则渐渐受到了人们的青睐.论文在详细介绍了"反电势法"无位置传感器无刷直流电机控制原理的基础上,对"反电势法"无位置传感器无刷直流电机控制系统的核心部分——反电势过零检测电路的设计进行了详细的分析和研究,给出了设计中几个关键之所在.另外,论文以变频空调压缩机用无刷直流电机为样机,设计了一套基于"反电势法"的无位置传感器无刷直流电机控制系统,该控制系统以Motorola公司的MC68HC908MR32单片机为核心.文中介绍了系统的各个组成部分,给出了相应的抗干扰措施."三段式"起动技术是"反电势法"控制中常用的起动方法,也是"反电势法"控制中的一个关键环节.文中对"三段式"起动技术中转子定位、外同步加速和外同步到自同步的切换进行了详细的分析和讨论,指出了各部分的难点,给出了相应的解决方法."反电势法"控制中不可避免的会存在转子位置误差,论文对这种误差产生的原因进行了分析,提出了减少转子位置误差的方法.论文还介绍了"反电势法"无位置传感器无刷直流电机控制中几种常用的数字滤波算法,给出了该控制系统中采用这些算法的程序源代码.在控制系统设计的基础上,论文介绍了"反电势法"无位置传感器无刷直流电机控制系统的调试运行过程,讨论了调试中出现的问题并提出了解决方法.最后,文中给出了系统运行中的电压、反电势过零点等信号的实测波形.调试结果表明,该系统稳定可靠,具有良好的调速性能,达到了预期的效果.
上传时间： 2013-06-09
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无刷直流电机,是随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速成熟起来的一种机电一体化电机.随着无刷直流电机在各个领域的广泛应用,其常用的带位置传感器控制方法暴露出了越来越多的局限性.同时,随着计算机技术和电子技术的不断发展,基于高性能数字信号处理器的"状态观测器"法无位置传感器控制则渐渐成为研究的热点.论文在详细介绍了"扩展卡尔曼滤波法"无位置传感器无刷直流电机控制原理的基础上,建立了基于"扩展卡尔曼滤波法"无位置传感器无刷直流电机控制系统模型,对模型中误差造成的原因作出了定性和定量的分析,给出了解决的办法.另外,论文以Texas Instrument公司的TMS320LF2407A数字信号处理器为核心,设计了一套基于"扩展卡尔曼滤波法"的无位置传感器无刷直流电机控制系统,并给出了各模块的设计电路.文中介绍了系统的各个组成部分,并给出了系统的抗干扰措施."三段式"起动技术是无传感器无刷直流电机控制中的常用起动方法,也是"扩展卡尔曼滤波法"控制中的一个重要环节.文中对"三段式"起动技术中转子定位、外同步加速和外同步到自同步的切换三部分进行了详细的分析和讨论,指出了各部分的难点,给出了相应的解决方法.基于"扩展卡尔曼滤波法"的控制系统中包含了大量的运算和多路的AD采集,因此不可避免存在系统和测量误差以及干扰噪声,论文着重对系统误差、量测误差和干扰噪声三个方面作了详细的分析,并提出了解决的方法.对于噪声信号的数字化处理,论文探讨了常用的几种数字滤波算法并给出了仿真波形.在前面所设计的控制系统的基础上,论文介绍了"扩展卡尔曼滤波法"无位置传感器无刷直流电机控制系统的运行调试过程,分析了调试中出现的问题并提出了解决的方法.最后,文中给出了系统调试中的电压、反电势以及相电流等信号的实测波形,并与仿真结果作了比较分析.
上传时间： 2013-07-30
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在传统的直线驱动场合，都是由旋转电机提供原动力，再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。这样的设置，不仅在中间传动过程中消耗了大量的能量，而且摩擦产生的噪声也非常明显，同时也给系统的维护工作带来了麻烦。 直线电机的出现可以使上述问题得到解决，由于具备直接将电能转化为直线运动的能力，直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合逐渐取代了传统的旋转电机的位置。 自19世纪中期直线电机的概念被首次提出以来，经过孕育、实验、开发和实用这四个阶段的发展，并借助于电力电子技术，以及日渐成熟的直线电机控制技术，直线电机已经广泛应用到了制造业、交通运输业等各个方面。 与旋转电机类似，按工作原理的不同，直线电机也有着各种类型，应用较多的是直线步进电机、直线同步电机和直线感应电机。其中直线步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合，比如半导体工业；后两者则被应用在需要连续和大推力的场合，比如机床。而直线同步电机，尤其是永磁直线同步电机，凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优点受到了更多的青睐，与此同时，由于没有了励磁绕组，电机的整个结构也得以简化。另一方面，我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提供了广泛空间。 作为一种较为新颖的电机，目前国内仍缺乏系统化的永磁直线同步电机设计方案，尤其是电枢绕组部分。常用的方法仍是基于传统的旋转电机，例如使用双层叠绕组方案。通过对实际电机的软件模拟，我们发现这样的设计思路的表现并不能令人满意，比如造成了动子线圈槽满率过大，电机设计难以形成系列化等缺点，而电机本身输出推力的波动也较大。 针对传统方案的一系列缺点，本文提出了一种新的永磁直线同步电机设计方案。该方案基于“单元电机”的概念，使用单层同心式线圈。当目标推力要求变化时，只需改变“单元电机”的数目和排列组合的方式，就可以达到改变的目的。而每个单元中的绕组连接方式则不需要改变，由此避免了繁琐而复杂的绕组设计，这就给电机的系列化设计带来了便捷。同时，单层绕组的使用也更方便嵌线，也更有利于降低铜耗，提高效率。 在完成单元电机设计任务的基础上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的电磁场有限元分析软件MagNet对电机的运行进行了模拟，并得到了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线，输出推力曲线较之传统方案也更平稳。体现了该设计方案的优越性。
上传时间： 2013-06-29
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低压电器电弧运动过程三维成像理论及运动机理研究在国内外取得了一定的进展，但作为一种新型电弧研究方法，特别是对电弧运动可视化方面的研究尚处于起步阶段，其技术涉及到电器学、数值计算、图像处理、计算机科学等众多学科领域，加之电弧复杂的非线性特性及其瞬时特性，导致测量研究的困难，在电弧机理、性能分析和模型设计等方面都还不够成熟、完善。所以，在电弧模型理论研究、电器电磁机构的三维有限元分析、电器的计算机辅助设计、电弧动态特性研究等方面，存在大量的工作要做。对这些问题的深入研究，可以更好地认识电器触头在整个运动过程中极其复杂的电、热、磁、机械等一系列现象。 为了从不同角度观察分析电弧在灭弧室中的动态运动过程，本文在研究开关电器电弧图像增强及运动过程三维可视化的基础上，分析电弧形成机理、电弧特性和运动形态的基本理论，进一步考虑其模型特性和电弧等离子体磁压缩效应，建立其运动数学模型。电弧图像需要的处理主要有：图像数字化、图像平滑、图像分割、图像边缘检测、图像增强。本文提出一种基于小波变换的图像增强和直方图的图像增强算法，在保留电弧弧柱强特征的同时，突出显示电器动触头图像特征使增强后的电弧图像适合人类的视觉特征，为电弧动态过程分析和电弧可视化模型的构建提供有效的分析基础，并取得良好的电弧图像增强效果。本文构造了基于比色测温原理的电弧辐射拾取、图像采集、同步控制、数据处理等硬件装置，对试验采集装置进行了标定；将医学上成功应用的计算机层析成像理论，应用于对电弧进行三维温度场重建的研究，构造可单面阵CCD采集三组六路投影辐射强度的实验装置，通过对触头边缘检测的手段精确定位于不同光路中电弧的位置，对辐射拾取光路进行校准，编制了系统软件，实现电弧三维温度场的重建。研究数学模拟计算方法，提出了适合低压电器电弧数学模型计算的方法。用计算机求解获得以前依靠实验才能获得的开断波形及运动过程，将理论分析、试验研究和计算机仿真有机结合起来，使产品设计更加科学和准确，可以大大减少设计周期，减少试验的盲目性和费用，有利于提高电器产品的技术性能，对于新产品开发，优化灭弧室设计及模拟实验，具有十分重要的意义。
上传时间： 2013-04-24
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随着当今科学技术的迅猛发展，数字图像处理技术正在各个行业得到广泛的应用，而FPGA技术的不断成熟改变了通常采用并行计算机或数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等作为嵌入式处理器的惯例。可编程逻辑器件(FPGA)凭借其较低的开发成本、较高的并行处理速度、较大的灵活性及其较短的开发周期等特点，在图像处理系统中有独特的优势。 本文提出了一种基于FPGA的图像采集处理系统解决方案，并选用低成本高性能的Altera公司的CycloneIII系列FPGA EP3C40F324为核心，设计开发了图像采集处理的软硬件综合系统。文章阐述了如何在FPGA中嵌入NiosII软核处理器并完成图像采集处理系统功能的设计方案。硬件电路上，系统设计了三块电路板：FPGA核心处理板、图像采集卡、图像显示卡，其中通过I2C总线对采集卡的工作模式进行配置，在采集模块控制下，将采集到的图像数据存储到SDRAM；根据VGA显示原理及其时序关系，设计了VGA显示输出控制模块，合成了VGA工作的控制信号，又根据VGA显示器的工业标准，合成VGA接口的水平和帧同步信号。逻辑硬件上，应用SOPCBuilder工具生成了FPGA内部的逻辑硬件功能模块，定制了NiosII IP core、CMOS图像采集模块、VGA Controller及其I2C总线接口，系统各模块间通过Avalon总线连接起来。软件部分，在NiosII内核处理器上实现了彩色图像颜色空间转换、二值化、形态学腐蚀处理及其目标定位等算法。实验结果证明了本文提出的方案及算法的正确性，可行性。
上传时间： 2013-08-05
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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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运动控制卡是数控系统的重要组成部分，是上位机与驱动执行部件的之间的一座桥梁。数控加工中的定位控制的精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制卡密切相关。目前，国内研制的运动控制卡与国外专业性公司研制的先进的开放式运动控制卡相比还有较大差距。因此，对于运动控制卡的研究与开发具有很大的现实意义。 本文对运动控制卡的各种实现方案作了深入的比较，对于运动控制卡的发展趋势进行了探讨。在分析数控系统对于运动控制卡需求的基础上，提出了一种基于DSP的PCI总线运动控制卡的实现方案。该方案具有通用性好、软件易于修改升级、调试方便等特点。 文中对这一方案的具体实现做了详细的分析，给出了系统的整体结构设计，软硬件组成情况。详尽阐述了运动控制电路、总线接口电路、驱动器接口电路等硬件电路的设计过程，以及运动控制卡的制作过程。论述了DSP上的程序结构，并具体分析了插补算法、速度控制算法等在DSP上的实现方法。对PC机上的运动控制卡的驱动程序的模型以及编写方法做了介绍。 通过对制成样板的调试表明，运动控制卡具有良好的性能。
上传时间： 2013-07-29
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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