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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隨著現代工業的迅猛發展，對作為工業裝備重要驅動源之一的伺服系統的性能提出了越來越高的要求。永磁同步電機( PMSM)作為交流伺服系統的執行元件具有結構簡單、功率密度高、效率高、易于散熱及維護保養等優點，正得到越來越廣泛地應用。要構建高性能的伺服系統，好的伺服控制系統則必不可缺，本論文主要圍繞高性能的永磁同步電流伺服控制系統這一主題展開研究。 根據永磁同步電機的動態dq數學模型，從實現高性能的轉矩控制出發，對永磁同步電機的矢量控制技術和直接轉矩控制技術等控制策略進行了比較分析。針對本伺服系統永磁同步電機的轉子結構特點，選用了具有線性控制轉矩特性，能獲得比較平穩轉矩輸出的基于轉子磁場定向的id=0的矢量控制策略，同時還介紹了該策略的重要組成部分空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)，并在MATLAB仿真平臺對所選控制方案進行了仿真研究。 對控制系統的軟件部分進行了設計，詳細分析了針對16位定點DSP控制器TMS320LF2407A的程序設計特點，建立了電機的標幺值模型，解決了變量的定標問題。并介紹了電機控制程序的總體結構以及相關模塊的詳細設計過程。 為實現高性能的伺服控制系統，使伺服系統輸出平滑的轉矩，本文還對電壓型PWM逆變器“死區效應”引入的轉矩脈動進行了分析，分析表明了在永磁同步電機矢量控制系統中，由“死區效應”造成的誤差電壓矢量與永磁同步電機轉子位置之間的關系，并應用一種實用的死區補償技術減小了轉矩脈動，提高了系統的性能。 最后在伺服系統實驗平臺上對伺服控制系統進行綜合調試，并在此基礎上做了大量的實驗研究，實驗結果表明系統性能可靠且擁有優良的調速性能。
上傳時間： 2013-06-18
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同步電動機以其可調的功率因數和輸出轉矩對電網電壓波動不敏感等良好的運行性能，在大功率電氣傳動領域獨占螯頭。同步電機雖然有很多優點，但它的最大缺點是起動困難。目前，大功率同步電機的軟起動大多采用靜止變頻器起動方式，但由于變頻器多采用晶閘管作為功率器件從而要依靠電動機產生的反電勢才能自行關斷并且輔助設備較多。而一旦逆變器換流失敗就會導致電動機起動失敗。針對晶閘管不能自行關斷的缺點，本文研究了一種以IGBT做為變頻器功率器件的轉速開環恒壓頻比控制的起動方法。 @@ 首先，根據同步電動機的工作原理對同步電動機的起動特性進行了詳細分析，并對全壓異步起動方法進行了仿真研究，得出了起動過程中電動機相電流、電磁轉矩等參數的變化曲線。針對異步起動過程中定子繞組產生過大沖擊電流的問題，提出了逐級變頻的轉速開環恒壓頻比控制同步電動機軟起動方法。闡述了逐級變頻開環控制同步電動機軟起動的原理，即通過逐級改變變頻器輸出頻率使轉子轉速跟隨定子旋轉磁場轉速逐級升高至額定值。推導出起動過程中變頻器逐級變化的頻率與電動機轉動慣量、電磁轉矩等參數的關系式。通過對一臺同步電動機做工頻起動和低頻起動的仿真研究，證明了同步電動機在低頻下依靠同步電磁轉矩自行起動的可行性。通過計算轉子轉速達到相應同步轉速的時間來確定變頻器逐級升高的電壓頻率隨時間的變化規律。然后，在采用電壓型交直交變頻器作為同步電機變頻電源的基礎上，設計了恒壓頻比逐級變頻軟起動的控制方案，利用MATLAB/SIMULINK構建了轉速開環恒壓頻比控制同步電動機軟起動的數學模型，對同步電動機的起動過程進行仿真試驗，并且分別對空載起動和負載起動過程進行了分析。仿真結果驗證了轉速開環控制同步電動機軟起動的可行性。 @@ 針對同步電動機起動后的并網問題進行了理論分析，并研究了相應的并網控制方案。應用MATLAB/SIMULINK對并網過程進行仿真試驗，給出并網瞬間電網電壓、同步電機相電流等參數變化曲線，從而驗證了并網方案的可行性。 @@ 最后，對所做工作進行了總結，并展望了大功率同步電動機的軟起動技術。 @@關鍵詞：同步電動機；軟起動；變頻器；恒壓頻比
上傳時間： 2013-05-26
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伺服系統是一種輸出能夠快速而精確地響應外部的輸入指令信號的控制系統。伺服系統在工業控制和家用電氣、航空航天等領域的應用越來越廣泛。現代工業生產對伺服設備的性能也提出了越來越高的要求。因此，研制高性能、高可靠性的交流伺服系統有著十分重要的現實意義。 在伺服領域，永磁同步電機在結構特點和運行方式上具有比其它類型的傳統伺服電機更為優秀的運行性能和更廣泛的適用范圍，被越來越多的應用到交流伺服系統。以數字信號處理技術為基礎、以永磁同步電機為執行電機，采用高性能控制策略的全數字化永磁同步交流伺服控制系統必將成為伺服控制系統發展的趨勢。 本論文在研究永磁同步電動機運行原理的基礎上，詳細討論了磁場定向矢量控制理論，確定了id=0的控制策略和空間矢量脈寬調制(SVPWM)的電壓調制方法。本文采用TI公司生產的專門用于電機控制的數字信號控制芯片DSP(TMS320LF2407A)作為控制系統核心處理芯片，設計了一套基于DSP的全數字永磁同步電動機伺服控制系統。論文詳細論述了控制電路各部分及外圍輔助電路的設計和調試，包括功率驅動電路，供電電路與電源電路以及傳感器電路等等。軟件開發均在TI的CCStudl02.2集成開發環境下完成，軟件采用匯編語言編寫，完成了主程序模塊和子程序模塊設計，實現了電流A/D采樣、模型切換、轉速PI調節等功能，實現了位置、速度和電流雙閉環矢量控制，同時給出了主程序和各個子程序模塊的流程圖。 實驗結果表明，基于DSP實現的全數字化交流伺服系統具有響應速度快、速度超調小、轉矩脈動小等特點，具有良好的動靜態特性以及較高的精度。基本達到了課題預期的效果，從而證明了系統設計的可行性。
上傳時間： 2013-05-18
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繞組勵磁同步電機具有功率因數可調、效率高等優點，在工業大功率場合獲得了廣泛應用，因此研究和開發高性能的繞組勵磁同步電機驅動系統具有重大的經濟價值和社會效益。目前開發高性能繞組勵磁同步電機驅動系統所采用的控制方案主要有兩種：一種是直接轉矩控制（DTFC）；另一種是磁場定向矢量控制（FOC）。繞組勵磁同步電機的矢量控制策略具有控制結構簡單，物理概念清晰，電流、轉矩波動小，轉速響應迅速，易實現數字控制等優點。因此，在交流傳動領域中，越來越受到學者的關注。但是，無論在國內還是國外，交直交型繞組勵磁同步電機矢量控制系統的研究還缺乏全面深入的理論研究，還沒有建造起矢量控制系統的理論體系構架。本文對繞組勵磁同步電機矢量控制系統進行了初步的理論探討，并進行了詳細的實踐研究，為以后更深入、廣泛地研究此系統，打好堅實的基礎。本論文主要研究內容如下： @@ 通過廣泛的查找文獻，對幾種常見的同步電機傳動系統進行了綜述，分析了同步電機變頻調速原理，在此基礎上，講述了無傳感器技術在同步電機中的應用現狀。無傳感器技術主要有兩大類：基于基波量的檢測方法和基于外加信號的激勵法。隨后，對轉子初始位置的估計進行了綜述，其方法有：基于電機定子鐵芯飽和效應的轉子位置估計，高頻信號注入法，基于定子繞組感應電壓的估計法和基于相電感計算法等。繞組勵磁同步電機轉子初始位置估計的研究還很少。 @@ 對繞組勵磁同步電機矢量控制的理論進行了全面深入地研究，建立起矢量控制的理論體系構架。 @@ 首先，基于磁勢等效原理，將三相靜止交流信號等效變換為兩相旋轉直流信號，將交流電機等效為直流電機進行控制。在Clarke變換和Park變換的基礎上，得到凸極同步電機轉子磁場定向的電壓矩陣方程、功率方程和運動方程。根據上述方程，繪出dq軸的等值電路及矢量圖，得到狀態空間描述的dq軸數學模型。 @@ 其次，根據模型參考自適應原理，對同步電機轉速進行估計。忽略同步電機d軸阻尼繞組的作用，取同步轉速為零，得到同步電機αβ靜止坐標系下 的數學模型。將不含有轉子轉速信息的方程作為參考模型，將含有轉速參數的方程作為可調模型，根據波波夫超穩定性和正性原理，對轉子轉速進行估計。@@ 最后，根據模型參考自適應估計的轉子轉速，設計磁通觀測器來估計轉子磁通，實現磁通反饋閉環控制。磁通觀測器采用降維觀測器，僅對轉子磁通分量進行重構，并通過極點配置算法，合理配置觀測器的極點，使觀測器滿足系統的性能指標，達到磁通觀測的目的。 @@ 新穎的空間矢量脈寬調制算法。從空間矢量的基本概念入手，深入分析了定子三相對稱電壓與空間電壓矢量之間的關系。由三相電壓源型逆變器輸出電壓波形得到六個有效開關狀態矢量，這六個開關矢量和兩個零矢量合成一組等幅不同相的電壓空間矢量，去逼近圓形旋轉磁場。其次，根據空間電壓矢量所在的扇區，選擇相鄰有效開關矢量，在伏秒平衡的法則下，計算各有效開關矢量的作用時間。并且，探討了扇區判斷和扇區過渡問題，定性分析了空間矢量脈寬調制（SVPWM）的性能。最后，根據每個扇區中開關矢量作用時間，采用軟件構造法，在TMS320LF2407A硬件上實現了SVPWM。實驗結果表明，該算法簡單易實現，能夠有效的提高直流母線的電壓利用率，具有在低頻運行穩定，逆變器輸出電流正弦度好等優點。 @@ 空間矢量過調制算法的研究。在上述線性調制的基礎上，提出一種基于電壓空間矢量的過調制方法。過調制區域根據調制度分成兩種不同的模式，分別為模式Ⅰ（0．907
上傳時間： 2013-07-25
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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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