永磁同步電機是同步電機的一個重要類型，其轉子一般采用稀土永磁材料做激磁磁極，與傳統同步電機相比，體積和重量大為減小，而且結構簡單，運行可靠，維護更方便。現代電氣傳動控制的發展趨勢之一是開發新的交流調速與伺服系統。無論在矢量控制還是標量控制中，轉速與位置的閉環控制都需要在電機軸上安裝一個速度傳感器，但是由于速度傳感器的引進不僅增加了成本，降低了系統可靠性，還存在安裝問題，效果并不十分理想。因此高性能無速度傳感器控制成為近年來電機研究的熱點。 本文在系統介紹卡爾曼濾波器的基礎上，將其引入到永磁同步電機無速度傳感器狀態觀測中。由于永磁同步電機是一個強耦合的多階非線性系統，本文采用了工程實際中普遍采用的泰勒展開式截斷的方法，對電機方程線性化處理，將卡爾曼濾波算法推廣至非線性系統，并加入了反映電機系統模型誤差和環境干擾的系統噪聲和測量噪聲模型，形成擴展卡爾曼濾波算法。擴展卡爾曼濾波器將電機轉子位置與轉速作為系統狀態變量進行實時估算，并將所得信息反饋到永磁同步電機控制系統中。通過仿真，與電機實際運行狀態進行比較，證明了擴展卡爾曼濾波具有良好的動態跟蹤能力和抗噪聲能力。 針對擴展卡爾曼濾波算法在無速度傳感器控制中存在的不足，本文給出了降階線性卡爾曼濾波算法。降階線性卡爾曼濾波算法重新選擇了系統狀態變量，建立新的完全線性化的系統方程，并且卡爾曼濾波算法中的系統協方差矩陣成為時不變序列，因此可以直接應用線性卡爾曼濾波算法。仿真結果證明，與擴展卡爾曼濾波算法相比，新的算法更加簡單，減輕了繁重的參數調節任務，易于數字化實現，不僅具備擴展卡爾曼濾波算法的優勢，而且在某些性能方面超越了擴展卡爾曼濾波算法。 通過分析得知，由于將系統模型不確定性與測量噪聲體現在系統方程中，因此卡爾曼濾波算法在狀態估算方面具有良好的性能。本文以降階線性卡爾曼濾波 算法為理論基礎，以永磁同步電機為對象，以數字信號處理器（DSP）為核心，設計了電機狀態觀測系統的設計方案。整個方案在不增加成本的基礎上，充分利用數字信號處理器（DSP）豐富的資源和強大的運算能力，通過檢測電機相電流，實時估算出電機轉子位置與轉速。本系統可以代替傳統速度傳感器，為電機控制系統提供轉子位置和轉速反饋信息。本文的下一步主要工作便是將此系統付諸實踐，應用于實際工程中，對卡爾曼濾波算法在永磁同步電機無速度傳感器控制方面的性能進行進一步研究。關鍵詞：永磁同步電機；無速度傳感器；卡爾曼濾波
上傳時間： 2013-04-24
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隨著全球汽車保有量的與日俱增，能源危機和環境污染正逐漸成為制約世界汽車工業發展的瓶頸。而新興的混合動力汽車（HEV）在節能和排放上的優越性正逐步體現出來。由于采用“油、電”配合的方式來驅動車體，其所搭載電動機及其驅動控制系統的研究則成為混合動力汽車研發中的關鍵技術之一，它直接決定著整車的動力性，燃油經濟性和排放指標。 論文首先比較了常見的幾種電動汽車的性能，概括了混合動力汽車的優點，介紹了混合動力汽車電機及其控制系統技術的發展現狀；其次探討了幾種常用交流電動機的性能優劣，由于永磁同步電機具有高效、高功率密度以及良好的調速性能，本文混合動力汽車傳動系統選用永磁同步電機；根據混合動力汽車所搭載電動機在功率和扭矩上的要求以及永磁同步電機在結構上的特點，選取了發動機電機系統的結構布置形式；論文建立了永磁同步電動機的數學模型，分析了永磁同步電動機矢量控制的原理；設計了基于TMS320F2812DSP的永磁同步電動機矢量控制系統，詳細闡述了功率驅動電路，速度及位置檢測電路，電流反饋及過流保護電路，CAN通訊模塊等系統中重要的組成單元；軟件采用模塊化的結構，闡述了關鍵子程序如電流采集、位置檢測程序和SVPWM產生子程序。 最后，搭建了實驗平臺，對硬件進行了調試和修改，通過樣機及系統臺架試驗，取得了大量的實驗數據，檢驗了所設計樣機的特性，發現其制作過程中的不足，并實現了電機控制系統的閉環控制，從而達到了對混合動力汽車用永磁同步電動機控制系統的探索與研究的目的。
上傳時間： 2013-05-23
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應用于電動汽車驅動領域的永磁同步電機交流驅動系統是由永磁同步電機、電力電子技術和控制技術相結合而形成的新型交流驅動系統。因其具有良好的運行性能而成為當代電氣傳動領域研究的熱點之一。 永磁同步電機是一個多變量、非線性、高強耦合的系統，其輸出轉矩與定子電流不成正比，而是復雜的函數關系，因此要得到好的控制性能，需要進行磁場解耦。矢量變換控制技術正好適用于永磁同步電機的這種特點。 本文在數字電機控制專用DSP芯片TMS320LF2407的基礎上，以永磁同步電機為研究對象，對其矢量控制技術進行了研究和設計。 首先課題根據永磁同步電機實際物理模型，分析推導得到了永磁同步電機的三相靜止坐標系下及兩相旋轉坐標系下的數學模型。 接著課題對永磁同步電機運行特性進行了分析和研究。在此基礎上，課題提出了一種新型的永磁同步電機矢量控制系統，在這個系統上，課題提出了應用不同矢量控制策略的矢量控制方法，并對其做了仿真驗證。 結果表明，課題設計的系統以及應用不同矢量控制策略的矢量控制方法準確可行。 這個控制系統便于實現多種矢量控制方法，為永磁同步電機擴速增效提供了理論平臺。 在理論分析、仿真通過基礎上，課題對驅動系統的硬件和軟件兩個方面進行了具體的設計。 課題完成了DSP控制系統關鍵硬件電路的設計，并設計制作了一塊應用SCALE模塊的IGBT驅動電路，此驅動電路響應迅速、抗干擾性強，驅動性能優越。此外，課題完成了永磁同步電機矢量控制系統全數字化設計，調試通過了速度位置檢測、電流檢測、PI調節、坐標變換等應用模塊。 課題最后對整個系統的做了全面的總結，并對今后的工作方向進行了展望。
上傳時間： 2013-06-22
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異步電動機直接轉矩控制技術是近年來發展起來的一種新型、高性能交流調速技術。它利用電壓源型逆變器的工作過程，控制定子磁鏈的走或停，即調整定子磁鏈與轉子磁鏈的夾角大小，從而對電機轉矩進行直接控制以獲得良好的動態性能。 論文首先探討了直接轉矩控制技術的現狀和發展趨勢，闡述了直接轉矩控制的基本原理，分析了常用的圓形磁鏈軌跡控制方法，詳細介紹了直接轉矩控制系統主要模塊的設計和實現。在分析交流異步電機動態數學模型、轉矩和磁鏈計算方程的基礎上，分析了直接轉矩控制的異步電動機在低速運行時存在轉矩脈動和轉速波動較大的問題。基于占空比控制和離散占空比控制的異步電動機直接轉矩控制方法，由電機電磁轉矩公式和合成電壓矢量理論推導了直接計算占空比的方法，在不影響系統各方面性能指標的情況下使降低轉矩脈動的計算量大大減少，方便了計算和使用。兩種方法均具有系統結構簡單、占空比計算量小等優點。研究結果驗證了這兩種方法的正確性和有效性。在第一種方法中加入了單神經元控制器，使系統的動靜態性能得到了提高。接著對利用空間電壓矢量調制的直接轉矩控制系統進行了研究。仿真結果表明此種方法能夠有效的降低轉矩脈動，使系統性能得到提高。 以TMS320F2812DSP為CPU搭建了直接轉矩控制硬件實驗平臺，調試了硬件電路。編寫了相關軟件流程圖和程序清單。
上傳時間： 2013-04-24
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本文致力于可并聯運行的斬控式單相交流斬波變換器的研究。交交變換技術作為電力電子技術一個重要的領域一直得到人們的關注，但大都將目光投向AC-DC-AC兩級變換上面。AC/AC直接變換具有單級變換、功率密度高、拓撲緊湊簡單、并聯容易等優勢，并且具有較強擴展性，故而在工業加熱、調光電源、異步電機啟動、調速等領域具有重要應用。斬控式AC/AC 電壓變換是一種基于自關斷半導體開關器件及脈寬調制控制方式的新型交流調壓技術。 本文對全數字化的斬控式AC/AC 變換做了系統研究，工作內容主要有：對交流斬波電路的拓撲及其PWM方式做了詳細的推導，著重對不同拓撲的死區效應進行了分析，并且推導了不同負載情況對電壓控制的影響。重點推導了單相Buck型變換器和Buck-Boost 變換器的拓撲模型，并將單相系統的拓撲開關模式推導到三相的情況，然后分別對單相、三相的情況進行了Matlab仿真。建立了單相Buck 型拓撲的開關周期平均意義下的大信號模型和小信號模型，指導控制器的設計。建立了適合電路工作的基于占空比前饋的電壓瞬時值環、電壓平均值環控制策略。在理論分析和仿真驗證的基礎上，建立了一臺基于TMS320F2808數字信號處理器的實驗樣機，完成樣機調試，并完成各項性能指標的測試工作。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著國內交流伺服電機等硬件技術逐步成熟，高運算能力的控制芯片與電機控制技術相結合，具有高效、節能和可移植性好等特點，這樣使得交流伺服系統成為現代電機伺服驅動系統的一個發展趨勢。 本文主要是基于MCU研究和設計了交流永磁電機位置伺服控制系統。針對三相永磁同步電機的物理方程，通過坐標轉換，在d-q旋轉坐標系下建立轉矩方程，采用Id=0的矢量控制策略，建立一套完整的全數字交流位置伺服控制系統。 硬件方面，采用的是瑞薩公司專用電機控制Tiny系列芯片M30262F8作為控制芯片，并由三菱公司的第三代IPM模塊PS21564實現功率驅動，簡化了系統電路，縮小了系統的體積，提高了系統的可靠性。由交流電流傳感器檢測三相定子繞組電流；由增量式磁性編碼器檢測永磁轉子位置，并設計一種比較快速的轉子初始檢測方法。 軟件方面，采用結構化語言C和單片機M16C匯編語言混編，實現了單片機初始化、三環控制、電流跟隨型PWM控制，提高編寫代碼的效率，同時保證系統的實時控制性能；由軟件方式實現經典PID控制和簡單模糊控制相結合構成“串聯校正”閉環控制系統，提高了系統的快速性和抗干擾能力。此外，本文對控制策略進行了研究，闡述了模糊PID控制策略；還介紹了SPWM、SVPWM和跟隨型PWM調制。 實驗結果表明，本文所設計的伺服控制系統能實現電機的啟動，調速和定位等，并能達到系統的性能指標。
上傳時間： 2013-05-19
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本文分別建立了三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標系、兩相靜止坐標系和兩相同步旋轉坐標系中的數學模型，對三相電壓型PWM整流器多種電流控制策略進行了研究和對比，并對三相電壓型PWM整流器控制系統的設計進行了研究。 通常情況下，PWM整流器控制系統需要用到交流電壓、電流傳感器以及直流電壓傳感器，以實現直流電壓和交流電流的雙閉環控制。利用傳感器可以快速、便捷地獲得電壓電流參數，但也導致了系統體積大、成本較高，并降低了系統運行可靠性。為此，本文研究和總結了三相電壓型PWM整流器無交流電流傳感器的三種控制策略：基于直流側電流檢測的控制策略、基于直流電壓檢測的控制策略和基于狀態空間平均技術的控制策略。并通過Matlab中的Simulink仿真軟件對前兩種控制策略進行了仿真驗證分析。 在以上理論的分析基礎上，本文設計并實現了一套以TMS320F2812 DSP為控制核心的無交流電流傳感器的PWM整流器的控制系統的解決方案，包括控制系統的硬件解決方案和軟件解決方案，搭建了實驗平臺并進行了調試。
上傳時間： 2013-04-24
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直接轉矩控制技術在電力機車牽引、汽車工業以及家用電器等工業控制領域得到了廣泛的應用。在運動控制系統中，直接轉矩控制作為一種新型的交流調速技術，其控制思想新穎、控制結構簡單、控制手段直接、轉矩響應迅速，正在運動控制領域中發揮著巨大的作用。雖然直接轉矩控制的優勢是矢量控制所不能實現的，但是直接轉矩控制依然存在一系列不能忽視的問題。直接轉矩控制采用兩點式轉矩和磁鏈滯環控制器，使轉矩和磁鏈被控制在給定值的一定范圍以內，這種控制方法不可避免地帶來電機輸出轉矩脈動過大和逆變器開關頻率不恒定等問題。直接轉矩控制采用定子磁鏈定向，只用便于測量的定子電阻來估計定子磁鏈，這樣在低速運行時會帶來磁鏈估計的誤差。雖然在全速范圍內估計定子磁鏈運用低速時采用的電流-轉速模型和高速時采用的電壓-電流模型的合成模型，即電壓-轉速模型，然而兩種模型的平滑切換又是一個新的問題。直接轉矩控制在基頻以下調速的理論和應用已經實現，在基頻以上的弱磁調速范圍內的理論和應用還需要進一步的研究。 為了解決這些問題，本文針對異步電動機在兩相靜止坐標系下的數學模型，對傳統直接轉矩控制系統和兩種改進的直接轉矩控制系統進行了研究。在傳統直接轉矩控制系統中，詳細討論了定子磁鏈估計的三種基本模型，設計了定子磁鏈估計的加權模型，使電機在全速運行的范圍內都能夠得到準確的定子磁鏈。針對轉矩脈動過大和逆變器開關頻率不恒定的問題，本文設計了兩種改進的直接轉矩控制系統。在基于占空比控制的直接轉矩控制系統中，通過對一個采樣周期內非零電壓矢量作用時間占采樣周期的占空比的優化，解決了轉矩脈動過大的問題；在一個采樣周期內，從非零電壓矢量到零電壓矢量的轉換只有一次，實現了開關頻率的恒定。在基于滑模變結構的直接轉矩控制系統中，本文設計了轉矩和磁鏈滑模變結構控制器代替傳統直接轉矩控制系統中的轉矩和磁鏈滯環控制器；運用空間矢量脈寬調制技術，實現了開關頻率的恒定。本文把傳統直接轉矩控制系統和兩種改進的直接轉矩控制系統擴展到基頻以上的弱磁范圍內的異步電動機調速系統中，對其進行了相關研究。 為了驗證上述各種控制系統的正確性和有效性，本文采用Matlab/Simulink仿真軟件對其進行了仿真驗證。針對傳統直接轉矩控制系統，對定子磁鏈估計的加權模型進行了仿真驗證。仿真結果表明所設計的定子磁鏈的加權模型能夠在電機運行的全速范圍內準確地估計定子磁鏈。針對基于占空比控制的直接轉矩控制系統和基于滑模變結構的直接轉矩控制系統，本文分別對負載轉矩有擾動和無擾動、給定轉速為恒定值和不為恒定值四種情況進行了仿真驗證，并分別和傳統直接轉矩控制系統的仿真結果進行了對比。仿真結果表明，兩種改進的直接轉矩控制系統均能有效的減小轉矩脈動和轉速的穩態誤差。針對電機運行在基頻以上的弱磁調速情形，本文運用三種不同的直接轉矩控制方法分別進行了仿真驗證。仿真結果表明，兩種改進的直接轉矩控制系統在弱磁調速范圍內依然優于傳統直接轉矩控制系統，依然能夠減小轉矩脈動和轉速的穩態誤差。
上傳時間： 2013-04-24
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矢量控制變頻調速系統是國內當前電氣傳動和自動化領域研究的熱點和技術攻堅的難點。矢量控制技術作為一種先進的控制策略，是在電機統一理論、機電能量轉換和坐標變換理論的基礎上發展起來的，具有先進性、新穎性和實用性的特點。其思想就是將異步電動機的數學模型通過坐標變換，將定子電流矢量分解為按轉子磁場定向的兩個直流分量并分別加以控制，從而實現磁通和轉矩的解耦控制，以期達到獨立控制電機轉矩的效果。 本課題基于矢量控制的基本原理，采用TI公司最先進的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812，開發出了一套基于轉子磁鏈位置估計和轉子速度估計的電流轉速雙閉環的轉子磁場定向直接矢量控制變頻調速系統，并實現了實際運行，初步達到了產品化的目標。主要的工作如下： (1)從電機數學模型和坐標系變換入手，采用電流轉速雙閉環的轉子磁場定向直接矢量控制方案，深入探討了SVPWM和矢量控制的基本原理，并完成了調速系統的功能框圖； (2)基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812和MITSUBISHI的IPM模塊PM50RSA120，設計了調速系統的硬件電路，包括控制電路，驅動電路，電源電路和操作面板電路等； (3)設計了基于轉子磁鏈位置估計和速度估計的電流轉速雙閉環的轉子磁場定向直接矢量控制變頻調速系統的軟件部分，給出了調速系統的軟件流程圖和各子模塊的具體實現； (4)采用先進的自適應Fuzzy-PI調節器來代替傳統的PI調節器作為速度控制器，取得了較好的控制效果； (5)搭建了整個變頻調速實驗平臺，進行了整機測試，給出了實驗結果和結論。 該系統已經成功應用于矢量變頻器成品生產中，在北京天華博實電氣有限公司的變頻器生產車間進行了相應的實驗。實驗表明，該系統具有良好的動靜態性能，運行穩定，抗干擾能力強，獲得用戶好評，不失為一套具有先進性、新穎型、實用性的高性能變頻調速系統。
上傳時間： 2013-05-25
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跑步運動是人們喜愛的運動方式之一，借助電動跑步機進行跑步運動簡單方便，已成為新的運動時尚。電動跑步機已經成為一種大眾健身器材，市場前景極為廣闊。 目前電動跑步機大多采用有刷直流電動機或交流變頻電機作為驅動電機，本文研究采用外轉子直接驅動無刷直流電動機的電動跑步機。其主要優點在于：一是省去了傳統電動跑步機的減速機構，系統結構簡單，運行可靠，效率高；二是無刷電機驅動具有優良的調速和控制性能，可以提升電動跑步機品質，實現智能化；三是無刷電機驅動性價比高，更具市場競爭力。因此，進行電動跑步機外轉子無刷直流電動機驅動及控制系統的研究具有較高的理論意義和工程實用價值。 本文首先綜述了電動跑步機及其電機驅動的現狀、發展趨勢以及外轉子無刷計特點、分數槽繞組及其控制器；應用電機磁場有限元軟件MAGNEFORCE研究了不同極/槽配合無刷電機的磁場分布和不同極弧系數對電機性能的影響；在此基礎上試制了電動跑步機外轉子無刷直流電動機樣機并進行初步性能試驗；運用MATLAB對外轉子無刷直流電動機進行系統仿真分析。
上傳時間： 2013-04-24
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