地鐵列車牽引轉矩控制是影響列車安全可靠運行的重要因素，牽引變流模塊是整個列車交流傳動系統的核心設備，而牽引轉矩控制又是最關鍵的部分。本文以某城市國產化地鐵列車為研究對象，主要針對牽引轉矩控制方案進行研究并通過設計列車通信網絡對牽引轉矩實施監測。 論文首先介紹地鐵列車牽引轉矩控制的研究現狀，分析目前高性能交流調速方法在地鐵列車牽引轉矩控制中的應用現狀。并簡要介紹了網絡監測技術的研究現狀和CANopen總線協議在軌道交通車輛中的國內外應用現狀。 采用可編程邏輯控制器PLC及其子模塊構建了通信網絡的硬件結構，并設計了通信網絡軟件。對CANopen的通信報文進行了具體設計，實現了應用層協議CANopen的功能。 根據實際運行的需求，對牽引電機轉矩控制、牽引逆變器的PWM控制方式進行了研究。采用帶轉矩內環的轉速、磁鏈閉環矢量控制方法，應用帶定時調制環節的滯環電流比較PWM和優化脈沖控制方案分段對逆變器進行PWM控制。通過設計牽引系統與CANopen網絡的數據接口，實現了通信網絡對牽引控制效果的監測，并對牽引特性曲線進行分析；選取特性曲線上的特定工作點，對牽引控制效果進行了分析說明。測試結果表明本文討論的牽引矢量控制和PWM控制方案能夠很好地滿足列車運營對牽引轉矩的要求。 目前，該系統正在進行線路運行調試和性能改進，準備交付用戶進行商業線路運營，具有很好的工程應用價值。
上傳時間： 2013-08-02
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直接轉矩控制技術是繼矢量控制技術之后交流調速領域中新興的控制技術，它采用空間矢量的分析方法，在定子坐標系下計算并控制轉矩和磁鏈，以獲得轉矩的高動態性能。比較于矢量控制，它省去了復雜的矢量變換，克服了對電機轉子參數的依賴性，具有轉矩響應快的優點。然而，異步電動機的直接轉矩控制系統存在轉矩、電流和磁鏈脈動較大，開關頻率不恒定的問題。本文在傳統直接轉矩控制的基礎上，針對其存在的缺點提出了基于空間矢量脈寬調制的直接轉矩控制策略。 這種新型的直接轉矩控制策略使空間矢量脈寬調制技術和直接轉矩控制技術相結合。把電動機和PWM逆變器看成一體，使電動機獲得賦值恒定的近似理想的圓形磁場，解決其轉矩、電流、磁鏈脈動大，開關頻率不恒定的問題。在論文撰寫的過程中做了如下工作： 根據電機原理和坐標變換理論，建立定子正交α—β兩相靜止坐標系下的異步電動機的數學模型，包括電機的磁鏈模型、轉矩模型和運動方程。 設計PI控制器，該控制器把轉矩和磁鏈誤差信號轉換成參考電壓，然后通過坐標變換把參考電壓變換成SVPWM模塊所需的指令電壓，對SVPWM模塊進行控制。 設計SVPWM控制模塊，其中設計了期望電壓空間矢量的合成方法，矢量區段的判斷，計算了開關器件的導通時間和時刻。 通過理論分析和設計各個模塊，組成了控制系統逆變器部分的仿真模型。在MATLAB/SIMULINK仿真工具箱中搭建仿真模型，通過設置合理的仿真參數、電機參數、給定量參數以及PI控制器的控制參數對系統進行仿真研究，從而在理論上驗證系統設計的正確性。 仿真實驗結果證明了這種基于空間矢量脈寬調制的直接轉矩控制方法可以有效改善直接轉矩控制系統的性能。減小傳統直接轉矩控制中的磁鏈和轉矩脈動，并使逆變器工作在恒定的開關頻率。最后總結論文所做的研究工作，并展望了今后的研究重點和方向。
上傳時間： 2013-04-24
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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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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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交流伺服技術是研制開發各種先進的機電一體化設備，如工業機器人、數控機床、加工中心等的關鍵性技術，但是要提高交流伺服系統的控制性能關鍵在于伺服控制器對電機動態和靜態響應的控制，要獲得良好的電機動、靜態性能關鍵在于伺服控制器的控制算法。為此，本文開展了主要針對電機控制算法中的PID控制器參數整定算法研究。研究工作是基于黑龍江省科技攻關項目為支撐。 本論文在查閱大量文獻資料的基礎上，掌握了系統構成和基本控制原理，并分析了國內交流伺服存在的問題，設計了基于TI公司電機數字化控制芯片TMS320F2812的交流伺服控制器的控制單元；基于三菱公司智能化功率器件IPM設計了控制器的功率單元；以及電源單元和相關電路的保護單元。 基于電機矢量控制原理，構建了永磁同步電機的矢量控制模型，在原有研究的基本PID控制基礎上，根據模糊控制的基本原理，研究了應用于電機控制的模糊參數自整定PID控制器設計原理，構建模糊參數自整定PID控制器的數學模型，并進行該系統的仿真研究和實際應用程序設計。 本文的重點是闡述模糊參數自整定PID控制器的設計原理和方法，利用基于模糊參數自整定PID控制器的交流伺服系統仿真模型，應用Matlab/Simulink仿真軟件平臺驗證模型和算法的正確性，并與常規PID控制性能進行對比分析。在實際硬件平臺驗證了本文提出算法的可行性和正確性。 通過仿真和實際結果對比得出結論，模糊參數自整定PID控制器可以提高交流伺服系統的動態和靜態性能。
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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隨著現代電機技術、現代電力電子技術、微電子技術、控制技術及計算機技術等支撐技術的快速發展，先前困擾著交流伺服系統的電機控制復雜、調速性能差等問題取得了突破性的進展。交流伺服系統的性能日漸提高，價格趨于合理。交流伺服系統取代直流伺服系統尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅動領域成了現代伺服控制系統的一個發展趨勢。由于感應電機具有結構堅固，制造容易，價格低廉等優勢，因而感應電機伺服系統具有很好的發展前景，代表了將來交流伺服技術的發展方向。 首先，本文結合大量的文獻資料，總結和分析了當前交流伺服系統的發展現狀，明確了加強開發交流感應電機伺服系統的意義。 其次，深入研究了矢量控制的坐標變換理論和交流感應電機的數學模型。在此基礎闡述了基于轉子磁場定向的矢量控制原理，建立其相應的控制方程。結合空間矢量脈寬調制(SVPWM)的原理，提出了交流伺服系統的控制方案。 再次，本研究以DSP TMS320F2812A為核心控制單元，以一體化智能功率模塊(ASIPM)為功率電路主體，基于模塊化設計原則設計和實現了一臺軟、硬件結合的全數字化控制系統；并對設計中的一些關鍵環節進行了理論研究和實踐探索。 最后，對感應電機伺服系統進行了試驗研究。本文通過實驗分析，驗證了系統設計方案的有效性和可行性，并指出了系統進一步的改進方向。
上傳時間： 2013-06-01
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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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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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