本文的主要工作是設計與開發了用于機床主軸直接驅動的全數字化永磁同步電動機矢量控制系統的軟硬件平臺，并利用該平臺進行了仿真和實驗研究，仿真和實驗結果驗證了該系統設計方案的可行性。 首先，詳細闡述了坐標變換理論，根據永磁同步電動機的本體結構推導了其在各坐標系下的數學模型，深入研究了永磁同步電動機的矢量控制原理和id=0控制策略，此外對空間電壓矢量脈寬調制(SVPWM)的基本原理和特性進行了研究。 其次，采用MATLAB軟件建立了電機系統的仿真模型。整個仿真系統包括PMSM模塊、Power Module模塊、測量模塊、坐標變換模塊、電流、轉速調節模塊和SVPWM模塊等。仿真結果驗證了矢量控制和SVPWM技術應用于本系統的可行性，同時為系統平臺設計提供了理論依據。 再次，為了提高系統的動靜態特性和減小轉動脈動，采用DSP TMS320F2812為核心進行了永磁同步電動機全數字矢量控制系統的軟硬件設計。系統硬件包括電流檢測、速度檢測、顯示電路、驅動電路、主電路和系統保護電路等；系統軟件由DSP編程實現，采用基于id=0的轉子磁場定向矢量控制方法，完成對永磁同步電動機的解耦控制。速度調節器和電流調節器采用常規PI控制算法，逆變器采用SVPWM控制策略。同時，給出了系統各模塊的軟件流程圖，包括系統初始化程序、速度和電流調節程序、SVPWM的實現以及功率驅動保護等子程序等。 最后，在實驗平臺上做了大量深入的實驗研究工作，并對試驗波形做了深入分析。結果表明，該系統具有能夠響應速度快，低轉速運行平穩和抗干擾能力強等優點，可以滿足主軸直接驅動要求。
上傳時間： 2013-05-18
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本文從課題要求和實際應用的角度出發,設計了以TMS320F240為核心的永磁同步電機矢量控制系統,詳細敘述了控制系統的搭建方法,并對永磁同步電機的初始位置檢測和死區補償作了理論的研究.本文的結構和主要研究內容如下:第一章介紹了永磁電機的原理、現狀和發展歷史.第二章對永磁同步電機的基本結構和數學模型做了詳細的介紹.介紹了永磁同步電機控制系統的主要組成部分電流環,轉速環和位置環的常見控制策略,這三個環之間的關系和如何綜合調節這三個環.控制系統采用的是矢量控制方法,本章最后詳細地分析了永磁同步電機的矢量控制策略,這種策略的軟件實現方法,并給出了基于MATLAB/SIMULINK的控制系統仿真.第三章從介紹了實際的電路設計,包括搭建以TMS320F240為核心的控制系統的搭建,智能功率模塊IPM的使用及控制的主要方法,控制面盤的設計.第四章分析了永磁同步電機控制系統中的一個主要問題:初始位置檢測.分析了現有的初始位置檢測的主要方法,并提出了一種利用永磁同步電機的凸極效應和非線性的磁化特性來估算轉子初始位置的方法.第五章介紹了矢量控制永磁同步電機矢量控制系統的死區補償問題.
上傳時間： 2013-04-24
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v無刷直流電動機具有結構簡單、可靠性高、維護方便、運行效率高和調速性能好等優點，隨著微處理器技術、電力電子技術、控制理論，以及低成本、高磁能積永磁材料的發展，得到越來越廣泛的應用。無刷直流電動機采用無位置傳感器控制，電動機結構更加簡單，應用范圍擴大，相對于有位置傳感器控制優勢明顯。本論文圍繞無刷直流電動機的無位置傳感器控制進行較為系統和深入的研究。 首先，論文從基本電磁定律出發，在分析無刷直流電動機結構和工作原理的基礎上，建立了無刷直流電動機的數學模型，為分析無刷直流電動機無位置傳感器控制奠定基礎。 其次，根據無刷直流電動機反電勢過零檢測原理，對反電勢過零檢測法的各種實現方法進行研究，比較各種實現方法的優缺點，指出它們的適用范圍。在此基礎上，給出帶通濾波法及其簡化電路形式，提出使用帶通濾波器獲取反電勢三次諧波的方法。論文將直流電源負端電壓作為帶通濾波法和帶通濾波三次諧波法的參考電平。 論文對無刷直流電動機無位置傳感器控制中的關鍵問題-起動方法進行研究，在詳細分析“三段式”起動方法的實現過程的基礎上，給出了從外同步到自同步平穩切換的條件。論文在研究無刷直流電動機無位置傳感器控制換相方法的基礎上，提出了一種新的換相方法，提高了電動機運行平穩性和系統穩定性。在帶通濾波三次諧波法中使用該換相方法，無需對三次諧波積分即可得到換相時刻。 濾波器是反電勢法中反電勢過零檢測電路的重要組成部分。論文在分析無刷直流電動機端電壓信號特點的基礎上，給出濾波電路的技術要求，根據濾波器基本設計原理，分別對一階RC無源帶通濾波器和二階RC有源低通濾波器進行電路設計和參數計算，并通過實驗驗證理論分析和仿真結果。這些為通過檢測反電勢過零點獲得可靠的換相信號創造了條件。 論文還分析了無刷直流電動機無位置傳感器控制中產生轉子位置檢測誤差的原因，提出了相應的校正方法。通過分析無刷直流電動機的換相過程，建立了換相狀態的等效電路和數學模型，研究了轉子位置誤差引起的電動機超前、滯后換相現象，及其由此產生的非導通相環流，在理論分析的基礎上，進行了仿真計算，并與實驗結果對照分析。 功率器件的功率損耗分析在逆變器設計和提高控制系統的可靠性方面具有重要作用。論文構建了由IGBT組成的簡化逆變器模型，并進行仿真研究。針對不同的開關頻率和柵極電阻，定量計算了IGBT開關過程中各階段的功率損耗，給出了變化規律，對逆變器的設計具有重要的指導意義。最后，論文研制了基于反電勢過零檢測法的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統，控制系統由硬件和控制軟件兩部分組成。硬件部分包括主電源整流濾波電路、控制電源電路、反電勢過零檢測電路、驅動和逆變電路以及保護電路等，控制軟件包括電動機起動模塊(包括定位、加速、切換)、電動機運行控制模塊(包括過零檢測及校正、換相)和各保護功能模塊。對系統進行了調試，并對論文中所分析和提出的各種方法進行了相關的實驗研究，給出了實驗結果。
上傳時間： 2013-06-06
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高性能伺服控制系統日益廣泛地應用于現代工業、家用電器和國防等各個領域。采用先進控制策略和全數字控制技術的永磁同步電機伺服系統，已成為高性能伺服系統發展的主流方向。應用在交流伺服系統上的背景技術不斷進步，同時市場對伺服系統性能、成本及自適應能力的要求也不斷提高。 本文從詳細分析了永磁同步電機的數學模型和矢量控制的基本原理，選取了基于id=0轉子磁場定向矢量控制方式，采用電壓空間矢量（SVPWM）調制技術，建立了位置、轉速、電流三閉環控制的永磁同步電機伺服系統。針對伺服系統在運行過程中參數變化及負載擾動等問題，深入分析了連續與離散系統滑模變結構控制器設計的基本原則和方法，將滑模變結構控制與矢量控制相結合，改進了基于趨近率的單段滑模面變結構控制，設計了適用于矢量控制位置伺服系統的分段式滑模變結構控制器。在Matlab/Simulink7．1仿真環境和以Freescale MC56F8346DSP為核心的實驗系統平臺進行了詳盡的仿真和實驗研究。結果表明本系統滿足高性能伺服控制系統的基本要求，滑模變結構控制能夠有效應用于矢量控制伺服系統并提高其魯棒性。
上傳時間： 2013-07-18
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在工農業生產和自動控制方面,經常要用到低速驅動,以前一般采用電動機加減速器或永磁感應子式電動機來實現,但是他們存在著很多缺點和不足。隨著分數槽繞組結構的提出,分數槽永磁同步電機在低速驅動領域的應用越來越廣泛。本文將對這種特殊結構的電機進行詳細的介紹和分析。 分數槽繞組和整數槽繞組是電機繞組的兩種重要形式。本文首先從電機結構和繞組電感兩個方面對分數槽繞組電機和整數槽繞組電機進行比較,以加深對分數槽繞組結構的理解。分數槽繞組也存在對稱性問題,即并不是所有的分數槽繞組都是各相對稱的,接下來本文給出了分數槽繞組的對稱條件,為分數槽繞組電機的設計提供依據。在分數槽電機中,節距y=1的分數槽繞組是一種非常重要的繞組,是中小型永磁電機和永磁交流伺服電機使用最多的的分數槽繞組,本文將對這種繞組形式進行詳細介紹,為了便于以后分析和應用,還將給出這類電機常用的極槽配合和繞組的各種參數。整數槽電機60°相帶繞組的排列比較簡單,分數槽電機則顯的比較復雜,本文將具體介紹兩種繞組排列方法來解決這一問題。
上傳時間： 2013-04-24
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永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor)因功率密度大、效率高、過載能力強、控制性能優良等優點，在中小容量調速系統和高精度調速場合發展迅速。但由于永磁同步電機的磁場具有獨特的交叉耦合和交叉飽和現象，且其控制系統是一個強非線性、時變和多變量系統，要實現高精度調速就需對其控制策略進行深入研究。 永磁同步電機調速系統中，位置傳感器的存在使得系統成本增加、結構復雜、可靠性降低，所以永磁同步電機的無位置傳感器控制成為一個新的研究熱點。本文擬借助于神經網絡良好的逼近能力，實現永磁同步電機的無位置傳感器控制。 人工神經網絡(Neural Network)可以逼近任意復雜非線性映射，具有很強的自學習自適應能力，十分適合于解決復雜的非線性控制問題。其中，BP神經網絡是目前廣泛應用的神經網絡之一，得到了較為深入的研究，其結構簡單，需要離線確定的參數少、泛化能力強、逼近精度高、實時性強，采用BP神經網絡實現永磁同步電機的調速控制具有重要意義。 文中提出了基于BP神經網絡的永磁同步電機自適應調速控制策略，建立了一種包含辨識網絡和控制網絡的雙神經網絡結構控制系統。辨識網絡在線動態辨識系統輸出并對控制網絡參數進行調整，控制網絡與PI控制方法相結合實現永磁同步電機自適應轉速控制。仿真結果表明，該系統動態響應快、實時性較強、精度較高。 文中提出了一種基于混合訓練算法的BP神經網絡永磁同步電機無位置傳感器控制方法。采用混沌優化和梯度下降法相結合的混合算法對BP神經網絡進行離線訓練后，將其用于永磁同步電機的轉子位置角在線估計。結果表明，該訓練算法可以有效地加快神經網絡收斂速度，且估計的轉子位置角誤差較小、精度較高。 文中建立了以TMS320F2812芯片為核心的永磁同步電機調速控制系統，并進行了相應的軟硬件設計，為實現永磁同步電機的各種控制策略奠定了實驗基礎。DSP控制系統為神經網絡訓練提供樣本，為研究永磁同步電機的自適應調速控制和轉子位置角估計創造了條件。
上傳時間： 2013-07-03
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電子式互感器與傳統電磁式互感器相比，在帶寬、絕緣和成本等方面具有優勢，因而代表了高電壓等級電力系統中電流和電壓測量的一種極具吸引力的發展方向。隨著信息技術的發展和電力市場中競爭機制的形成，電子式互感器成為人們研究的熱點；越來越多的新技術被引入到電子式互感器設計中，以提高其工作可靠性，降低運行總成本，減小對生態環境的壓力。本文圍繞電子式互感器實用化中的關鍵技術而展開理論與實驗研究，具體包括新型傳感器、雙傳感器的數據融合算法、數字接口、組合式電源、低功耗技術和自監測功能的實現等。 目前電子式電流互感器(ECT)大多數采用單傳感器開環結構，對每個環節的精度和可靠性的要求都很高，嚴重制約了ECT整體性能的提高，影響其實用化。本文介紹了新型傳感器～鐵心線圈式低功率電流傳感器(LPET)和印刷電路板(PCB)空心線圈及其數字積分器，在此基礎上設計了一種基于LPCT和PCB空心線圈的組合結構的新型電流傳感器。該結構具有并聯的特點，結合了這兩種互感器的優點，采用數據融合算法來處理兩路信號，實現高精度測量和提高系統可靠性，并探索出辨別LPET飽和的新方法。試驗和仿真結果表明，這種新型電流傳感器可以覆蓋較大的電流測量范圍，達到IEC 60044-8標準中關于測量(幅值誤差)、保護(復合誤差)和暫態響應(峰值)的準確度要求，能夠作為多用途電流傳感器使用。 在電子式電壓互感器方面，基于精密電阻分壓器的新型傳感器在原理、結構和輸出信號等方面與傳統的電壓互感器有很大不同，本文設計了一種可替代10kV電磁式電壓互感器的精密電阻分壓器。通過試驗研究與計算分析，得出其性能主要受電阻特性和雜散電容的影響，并給出了減小其誤差的方法。測試結果表明，設計的10kV精密電阻分壓器的準確度滿足IEC 60044-7標準要求，可達0.2級。 電子式互感器的關鍵技術之一是內部的數字化以及其標準化接口，本文以10kV組合型電子式互感器為對象設計了一種實用化的數字系統。以精密電阻分壓器作為電壓傳感器，電流傳感器則采用基于數據融合算法的LPCT和PCB空心線圈的組合結構。本文首先解決了互感器間的同步與傳感器間的內部同步問題，進而依照IEC61850-9-1標準，實現了組合型電子式互感器的100M以太網接口。 電子式電流互感器在高電壓等級的應用研究中，ECT高壓側的電源問題是關鍵技術之一。論文首先分析了兩種電源方案：取電CT電源和激光電源。取電CT電源通過一個特制的電流互感器(取電CT)，直接從高壓側母線電流中獲取電能。在取電CT和整流橋之間設計一個串聯電感，大大降低了施加在整流橋上的的感應電壓并限制了取電CT的輸出電流，起到了穩定電壓和保護后續電路的作用。激光電源方案以先進的光電轉換器、半導體激光二極管和光纖為基礎，單獨一根上行光纖同時完成供能和控制信號的傳輸，在不影響光供能穩定性的情況下，數據通信完成在短暫的供能間隔中。在高電位端控制信號通過在能量變換電路中增加一個比較器電路被提取出來。本文還提出了一種將兩種供能方式結合使用的組合電源，并設計了這兩種電源之間的切換方法，解決了取電CT電源的死區問題，延長了激光器的使用壽命。作為綜合應用實例，設計并完成了以LPCT為傳感器、由組合電源供能、采用低功耗技術的高壓電子式電流互感器。互感器高壓側的一次轉換器能夠提供兩路傳感器數據通道，并且具有溫度補償和采集通道的自校正功能，在更寬溫度、更大電流范圍內保證了極高的測量精度：互感器低電位端的二次轉換器具有數字和模擬接口，可以接收數據并發送命令來控制一次轉換器，包括同步和校正命令在內的數據信號可以通過同一根供能光纖傳送到一次轉換器。該互感器具有在線監測功能，這種預防性維護和自檢測功能夠提示維護或提出警告，提高了可靠性。系統測試表明：具有低功耗光纖發射驅動電路的一次轉換器平均功耗在40mw以下：上行光纖中通信波特率可以達到200kb/s，下行光纖中更是高達2Mb/s；系統準確度同時滿足IEC6044-8標準對0.2S級測量和5TPE級保護電子式互感器的要求。
上傳時間： 2013-06-09
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永磁同步電動機交流伺服系統作為交流伺服系統的主流，在工業生產自動化領域中應用廣泛、前景廣闊。永磁同步伺服電動機作為伺服系統的執行機構，其性能的優劣在很大程度上決定了整個伺服系統的性能。因此，精心設計性能優異的永磁同步伺服電動機具有重要的理論意義和應用價值。本課題系統研究了永磁同步伺服電動機的本體設計，包括設計方法、性能計算、有限元分析、參數計算、控制仿真、實驗測試等。 首先，綜述和分析了永磁同步伺服電動機的研究現狀、存在問題和發展前景，研究了永磁同步伺服電動機的設計特點和方法。開發了永磁同步伺服電動機的電磁計算程序，結合有限元計算數值的校正，完成對樣機的性能計算，計算結果較為準確。 接著，深入分析永磁同步伺服電動機的氣隙磁場，得到充磁方式、極弧系數、不均勻氣隙、永磁體厚度等因素對氣隙磁場的影響，繪制了各因素對氣隙磁場基波和諧波總量影響的曲線，通過優化設計，得到了明顯改善的正弦氣隙磁場。并拓展研究總結了不同永磁體形狀和尺寸對永磁直流電動機在換向和性能上的影響，取得有實用價值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet電磁分析軟件建立了永磁同步伺服電動機的有限元分析模型，深入研究了電機的反電勢波形、穩態運行性能和齒槽轉矩，計算了直、交軸同步電抗等重要參數。建立了永磁同步伺服電動機Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并進行了仿真研究。 最后，對永磁同步伺服電動機進行了實驗測試和分析，包括反電勢波形與磁場波形測試、性能曲線測試、直交軸同步電抗的測量。對測試結果與設計結果進行了比較分析，驗證了設計方法的正確性。
上傳時間： 2013-08-04
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永磁同步發電機由于一系列高效節能的優點，在工農業生產、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用，并且受到許多學者的關注，其研究領域主要涉及永磁同步發電機的設計、精確性能分析、控制等方面。 本課題作為國家自然科學基金項目《無刷無勵磁機諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的研究》的課題，主要研究永磁電機的電磁場空載和負載計算，求出永磁電機的電壓波形和電壓調整率，為分段式轉子的混合勵磁永磁電機的研究奠定基礎，主要做了以下工作： 首先介紹了永磁同步發電機的基本原理，包括永磁同步發電機的結構形式和永磁同步發電機的運行性能，采用傳統解析理論給出了電壓調整率的計算方法及外特性的計算模型；然后用有限元ANSYS對永磁同步發電機樣機進行實體建模，經過定義分配材料、劃分網格、加邊界條件和載荷、求解計算等，得到矢量磁位Az、磁場強度H、磁感應強度B等結果，直觀地看出電機內部的磁場分布情況。 其次根據電磁場計算結果，應用齒磁通法對其進行后處理。該方法求解轉子在一個齒距內不同位置處的磁場，以定子齒的磁通為計算單位，根據繞組與齒的匝鏈關系，計算出磁鏈隨時間的變化，進而得到永磁同步發電機空、負載時電壓大小及波形。通過計算結果寫實驗結果對比，驗證了齒磁通法的正確性，為計算永磁同步發電機各種性能特性提供有力工具。 最后，基于齒磁通法對永磁同步發電機的外特性進行了深入研究，定量分析了結構參數對外特性的影響規律，提出了有效降低電壓調整率的方法的是：增加氣隙長度g的同時，適當增加永磁體的磁化方向的長度hm；此外，要盡量的減少每相串聯匝數N和增大導線面積以減小阻抗參數。通過改變電機的結構參數，對其電磁場進行計算，找到永磁電機電壓調整率的變化規律，為加電勵磁的混合勵磁永磁電機做準備，達到穩定輸出電壓的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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在傳統的直線驅動場合，都是由旋轉電機提供原動力，再由絲杠、絲桿、齒條等中間機構轉換為直線運動。這樣的設置，不僅在中間傳動過程中消耗了大量的能量，而且摩擦產生的噪聲也非常明顯，同時也給系統的維護工作帶來了麻煩。 直線電機的出現可以使上述問題得到解決，由于具備直接將電能轉化為直線運動的能力，直線電機已經在機床驅動、集成電路組裝等場合逐漸取代了傳統的旋轉電機的位置。 自19世紀中期直線電機的概念被首次提出以來，經過孕育、實驗、開發和實用這四個階段的發展，并借助于電力電子技術，以及日漸成熟的直線電機控制技術，直線電機已經廣泛應用到了制造業、交通運輸業等各個方面。 與旋轉電機類似，按工作原理的不同，直線電機也有著各種類型，應用較多的是直線步進電機、直線同步電機和直線感應電機。其中直線步進電機更多的是應用在需要精確定位的場合，比如半導體工業；后兩者則被應用在需要連續和大推力的場合，比如機床。而直線同步電機，尤其是永磁直線同步電機，憑借更大的單位面積推力、更高的效率等優點受到了更多的青睞，與此同時，由于沒有了勵磁繞組，電機的整個結構也得以簡化。另一方面，我國豐富的稀土資源也為這種電機的發展提供了廣泛空間。 作為一種較為新穎的電機，目前國內仍缺乏系統化的永磁直線同步電機設計方案，尤其是電樞繞組部分。常用的方法仍是基于傳統的旋轉電機，例如使用雙層疊繞組方案。通過對實際電機的軟件模擬，我們發現這樣的設計思路的表現并不能令人滿意，比如造成了動子線圈槽滿率過大，電機設計難以形成系列化等缺點，而電機本身輸出推力的波動也較大。 針對傳統方案的一系列缺點，本文提出了一種新的永磁直線同步電機設計方案。該方案基于“單元電機”的概念，使用單層同心式線圈。當目標推力要求變化時，只需改變“單元電機”的數目和排列組合的方式，就可以達到改變的目的。而每個單元中的繞組連接方式則不需要改變，由此避免了繁瑣而復雜的繞組設計，這就給電機的系列化設計帶來了便捷。同時，單層繞組的使用也更方便嵌線，也更有利于降低銅耗，提高效率。 在完成單元電機設計任務的基礎上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的電磁場有限元分析軟件MagNet對電機的運行進行了模擬，并得到了電機的額定輸出推力曲線和反電動勢曲線，輸出推力曲線較之傳統方案也更平穩。體現了該設計方案的優越性。
上傳時間： 2013-06-29
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