20世紀90年代以來，為了緩解能源和環境對人類生活和社會發展的壓力，世界各國都投入了大量資金開發電動汽車。在日本、美國、法國等汽車強國已經開發出一些商品化的電動汽車。我國在“十五”期間，國家電動汽車重大科技專項確立以燃料電池汽車、混合電動汽車、純電動汽車以及相關的多能源動力總成控制、驅動電機、動力蓄電池及燃料電池等關鍵零部件研發。 與其它驅動電機相比，永磁同步電動機具有高效率、高功率密度和良好的控制特性，受到人們的普遍關注，越來越多地應用于電動汽車的驅動裝置中。本文課題以印度REVA公司小型純電動汽車驅動用永磁同步電動機及其控制器為研究對象，對永磁同步電動機本體及控制器硬件進行了比較深入的研究，設計并制作了永磁同步電動機試驗樣機以及基于TMS320LF2407A DSP的永磁同步電動機控制器，在此基礎上展開了初步試驗研究。 本文首先比較了當前常用電動汽車驅動電機的特點，并綜述了電力電子和計算機控制技術在汽車驅動中的應用；然后分析永磁同步電機氣隙磁場對電機性能的影響，針對電動汽車驅動電機的特點，提出了T形轉子永磁同步電動機，不僅使永磁同步電動機的氣隙磁場接近正弦同時解決了高速運行時磁鋼的固定問題；同時，制作了基于TMS320LF2407A DSP和IPM模塊的永磁同步電動機矢量控制器，并對控制器進行了驅動無刷直流電動機的負載實驗和永磁同步電機的空載實驗；最后，分析永磁同步電機矢量控制的數學模型，并建立了永磁同步電機的SVPWM驅動的仿真模型，進行了id=0的矢量控制系統仿真，研究了永磁同步電機參數對系統動態響應的影響。
上傳時間： 2013-07-23
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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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本文分析了永磁同步直線電動機的運行機理與運行特性，并通過坐標變換，分別得出了電機在a—b—c，α—β、d—q坐標系下的數學模型。針對永磁同步直線電機模型的非線性與耦合特性，采用了次級磁場定向的矢量控制，并使id=0，不但解決了上述問題，還實現了最大推力電流比控制。為了獲得平穩的推力，采用了SVPWM控制，并對它算法實現進行了研究。 針對速度環采用傳統PID控制難以滿足高性能矢量控制系統，通過對傳統PID控制和模糊控制理論的研究，將兩者相結合，設計出能夠在線自整定的模糊PID控制器。將該控制器代替傳統的PID控制器應用于速度環，以提高系統的動靜態性能。 在以上分析的基礎上，設計了永磁同步直線電機矢量控制系統的軟、硬件。其中電流檢測采用了新穎的電流傳感器芯片IR2175，以解決溫漂問題；速度檢測采用了增量式光柵尺，設計了與DSP的接口電路，通過M/T法實現對電機的測速。最后在Matlab/Simlink下建立了電機及其矢量控制系統的仿真模型，并對分別采用傳統PID速度控制器和模糊PID速度控制器的系統進行仿真，結果表明采用模糊PID控制具有更好的動態響應性能，能有效的抑制暫態和穩態下的推力脈動，對于負載擾動具有較強的魯棒性。
上傳時間： 2013-07-04
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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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在實際應用中，對永磁同步電機控制精度的要求越來越高。尤其是在機器人、航空航天、精密電子儀器等對電機性能要求較高的領域，系統的快速性、穩定性和魯棒性能好壞成為決定永磁同步電機性能優劣的重要指標。傳統電機系統通常采用PID控制，其本質上是一種線性控制，若被控對象具有非線性特性或有參變量發生變化，會使得線性常參數的PID控制器無法保持設計時的性能指標；在確定PID參數的過程中，參數整定值是具有一定局域性的優化值，并不是全局最優值。實際電機系統具有非線性、參數時變及建模過程復雜等特點，因此常規PID控制難以從根本上解決動態品質與穩態精度的矛盾。永磁同步電機是典型的多變量、參數時變的非線性控制對象。先進控制方法(諸如智能控制、優化算法等)研究應用的發展與深入，為控制復雜的永磁同步電機系統開辟了嶄新的途徑。由于先進控制方法擺脫了對控制對象模型的依賴，能夠在處理不精確性和不確定性問題中有可處理性、魯棒性，因而將其引入永磁同步電機控制已成為一個必然的趨勢。本文根據系統實現目標的不同，選取相應的先進控制方法，并與PID控制相結合，對永磁同步電機各方面性能進行有針對性的優化，最終使其控制精度得到顯著的提高。為達到對永磁同步電機進行性能優化的研究目的，文中首先探討了正弦波永磁同步電機和方波永磁同步電機的運行特點及控制機理，通過建立數學模型，對相應的控制系統進行了整體分析。針對永磁同步電機非線性、強耦合的特點，設計了矢量控制方式下的永磁同步電機閉環反饋控制系統。結合常規PID控制，將模糊控制、遺傳算法、神經網絡和人工免疫等多種先進控制方法應用于永磁同步電機調速系統、伺服系統和同步傳動系統的控制器設計中，以滿足不同控制系統對電機動、靜態性能的要求以及對調速性能或跟隨性能的側重。實驗結果表明，采用先進控制方法的永磁同步電機具有較好的動態性能、抗擾動能力以及較強的魯棒性能；與傳統PID控制相比，系統的控制精度得到了明顯提高。研究結果驗證了先進控制方法應用于永磁同步電機性能優化的有效性和實用性。
上傳時間： 2013-04-24
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永磁同步電機(PMSM)因其無需勵磁電流、運行效率和功率密度高,在交流調速系統中被廣泛的應用,但PMSM高性能的矢量控制需要精確的轉子位置和速度信號來實現磁場定向。在傳統控制中,一般采用機械式傳感器來檢測轉子位置和轉速,但是機械式傳感器存在諸如成本高、可靠性低、不易維護等問題,使得無速度/位置傳感器控制技術成為永磁同步電機控制中的熱點問題。雖然目前已有較多的研究成果,但是所采用的方法大多是基于電機基波方程的分析,一般不適用于低速甚至零速,并且對電機參數較為敏感,魯棒性差。本文正是為了解決這個問題,而采用高頻信號注入法實現轉子位置估算,這種方法適合于低速甚至零速,對電機參數的變化不敏感,魯棒性強。主要做了如下的工作： 首先詳細介紹了永磁同步電機三種基本結構,在建立了旋轉坐標系下永磁同步電機數學模型的基礎上敘述了其矢量控制原理,分析了各種現有的永磁同步電機無速度/位置傳感器控制策略；其次在永磁同步電機矢量控制的基礎上詳細討論了旋轉高頻電壓信號注入法與脈振高頻電壓信號注入法提取轉子位置的基本原理,并在此基礎上利用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了整個永磁同步電機無速度/位置傳感器矢量控制系統的模型,進行了仿真研究,仿真結果驗證了控制算法的正確性。最后利用TI公司推出的數字信號處理器DSP芯片TMS320F2812,實現了基于脈振高頻信號注入法的永磁同步電機無速度/位置傳感器的實驗運行,實驗結果驗證了這種方法適合于低速運行,對電機參數的變化不敏感,魯棒性強。
上傳時間： 2013-06-06
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隨著家用空調的普及應用，空調已日漸成為耗能大戶。我國經濟建設多年來高速發展，正面臨能源日益緊張的問題，由于空調節能尚有空間，因此人們普遍關注空調節能技術。在家用空調的各種節能技術中，直流壓縮機變頻驅動是發展的主流方向。從驅動方式上看，直流壓縮機可以采用方波控制或矢量控制。與方波控制相比，矢量控制的空調直流壓縮機具有噪聲低、振動小、效率高等特點，更加符合節能和環保的發展方向。 本文主要研究了適用于空調壓縮機負載的無轉子位置傳感器永磁同步電機矢量控制方法。首先從電機的基本方程入手，詳細推導了永磁同步電機矢量控制的數學模型。詳細分析了各種電流控制策略特點，提出了采用適合直流壓縮機驅動的MTPA控制方式。 其次提出了具有凸極效應的壓縮機永磁同步電機的一種簡化模型，得到了適用于IPMSM的滑模觀測器，解決了IPMSM在αβ坐標系中應用滑模觀測器困難的問題。針對壓縮機運行特點，采用全維狀態觀測器方法，實現IPMSM反電動勢的觀測，根據反電動勢計算出電機轉子位置和轉速，實現了無傳感器矢量控制。本文詳細分析了全維狀態觀測器的極點配置方法，通過將四個極點配置在相同位置，簡輕了計算量，也便于實現。 第三，由于反電動勢估算法在電機低轉速下不能正確估算轉子位置，無法正常閉環起動，本文提出了一種簡單的用于直流壓縮機的起動方法，實現了壓縮機的可靠起動。同時在深入分析電機等效模型的基礎上，給出了一種簡單的電機參數測量方法，通過簡單測量和計算，得到系統實現無傳感器永磁同步電機矢量控制所需的電感、電阻及反電動勢系數等關鍵參數。 最后通過MATLAB/Simulimk7.1仿真軟件對基于滑模觀測器和基于全維觀測器的永磁同步電機矢量控制方法進行了仿真驗證，設計了以TMS320F2403數字信號處理器為控制核心的直流壓縮機矢量控制實驗平臺，并進行了大量的實驗驗證。仿真及實驗結果證明了本文理論分析和所提方法的正確性，并已應用于實際的直流壓縮機矢量控制系統。
上傳時間： 2013-06-13
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本文主要的研究為對轉永磁無刷直流電動機控制問題，對轉永磁無刷直流電動機在艦船、水下航行器等對轉推進系統中有著廣泛的應用前景。它具有無刷直流電動機的一切優點：功率密度大、調速性能好、運行效率高、結構簡單、運行可靠、維護方便等等。其與普通的永磁無刷直流電動機的差別僅僅在于原來靜止的電樞部分和旋轉的永磁體部分都可以相對于靜止部分旋轉，即有兩個轉子，根據作用力與反作用力的原理，兩個轉子受到的電磁轉矩在任意時刻都是大小相等、方向相反的。因此兩個轉子必將沿著相反的方向旋轉。 論文主要工作和創新點如下： 1)介紹了對轉永磁無刷直流電機與普通永磁無刷直流電機的區別、優點及應用，詳細分析了其工作原理，并建立對轉永磁無刷直流電機本體的數學模型，接著利用MATLAB/Simulink建立對轉永磁無刷直流電機的仿真模型。 2)研究了無位置傳感器對轉永磁無刷直流電機的控制方法。采用基于DSP的三次諧波過零點檢測方法來檢測電機轉子的位置與轉速，采用數字鎖相環對三次諧波過零點進行90°延遲： 3)控制系統采用雙閉環控制，即速度環與電流環來組成調速控制系統，其中速度環采用了基于改進的BP神經網絡PID自適應控制，電流環采用滯環控制，并對整個系統進行仿真。 4)在仿真研究的基礎上，本文進行了以TMS320I~F2407A的DSP芯片為控制核心的無位置傳感器對轉永磁無刷直流電機數字控制系統的軟硬件設計。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著永磁同步電機在許多領域得到廣泛應用，對永磁同步電機的研究成為一種必然的發展趨勢，具有實際的意義和價值。本文采用TI公司專用于電機控制的TMS320F240型數字信號處理器作為核心，開發了全數字化的永磁同步電機矢量控制調速系統的軟件，并在改進的清華電機控制試驗平臺上進行了帶機試驗，結果驗證了系統設計方案的可行性。 本文首先深入的研究了永磁同步電機的矢量控制理論，建立了永磁同步電機數學模型，并在此基礎上討論了永磁同步電機的矢量控制調速方案；然后，以清華電機控制試驗平臺為基礎介紹了控制系統硬件結構，其中主要論述了控制電路各部分及外圍輔助電路的設計和調試。在硬件的基礎上，軟件采用匯編語言編程，實現了轉速和電流雙閉環矢量控制，并給出了系統主程序和PWM下溢中斷處理程序流程圖，永磁同步電機矢量控制的主要控制策略如轉子相位的初始化、電流采樣、速度位置采樣、矢量坐標變換、sinθ、cosθ值生成、PI調節、空間電壓矢量(SVPWM)模塊等都是在PWM下溢中斷服務子程序中完成的。為達到數值的統一，對軟件中所采用的參數進行了定標。最后在基于硬件平臺的基礎上，對軟件進行帶機調試，試驗表明電機能快速響應并跟蹤給定轉速，從而證明整個系統設計的正確性。 另外，本文還在MATLAB／SIMULINK的基礎上，建立采用模糊神經網絡控制器的永磁同步電機的仿真模型，仿真結果表明：該控制系統具有較好的位置響應和抗干擾能力強。 在論文的最后，對全文的工作做了總結。
上傳時間： 2013-07-27
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隨著電力電子技術、微處理器技術、控制理論及永磁材料等技術的快速發展，以永磁同步電機作為控制對象的傳動領域得到了越來越廣泛的關注，隨著FPGA的技術的普及和廣泛應用，使得各種先進的控制算法得以實現，于是數字化、智能化的永磁交流控制器成為必然的發展趨勢和當前的研究熱點。本文的主要工作就是圍繞數字化的永磁同步電機控制器研究來展開。首先深入研究了永磁同步電機的數學建模方法及電機控制策略問題。在對永磁同步電機的數學模型進行了推導的基礎上，在PSIM仿真軟件中建立了永磁同步電機的電機模型，提出了一種永磁同步電機傳統控制系統仿真建模的新方法。其次對常用的數字脈寬調制方法進行了數學推導，并對滑?？刂评碚摵褪噶靠刂七M行了深入的研究分析，將滑模變結構控制應用于永磁同步電機的調速系統中，改善了傳統PI控制器參數整定繁瑣、系統魯棒性差的缺點，仿真結果驗證了該系統設計方案的優越性。最后在永磁同步電機建模仿真的基礎上，根據永磁同步電機控制器的設計要求及FPGA的特點，提出永磁同步電機控制器的的設計方案。按照FPGA模塊化設計思想，將整個系統進行了合理的劃分，分別對SVPWM、Park變換、SMC、反饋速度測量等重要模塊的FPGA硬件實現算法進行了深入的研究。各模塊在Modelsim平臺上完成功能仿真后并下載到Spartan-3E開發板上完成硬件驗證，驗證結果表明：永磁同步電機在低速和高速時都能穩定運行，從而證實了本設計方案的可行性。
上傳時間： 2013-04-24
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