在早期階段，直流調速系統在傳動領域中占統治地位。然而，從60年代后期開始，交流電動機在工業應用領域正在取代直流電動機，交流傳動變得越來越經濟和受歡迎。永磁交流伺服系統作為電氣傳動領域的重要組成部分，在工業、農業、航空航天等領域發揮越來越重大的作用。永磁同步電動機以其特點廣泛應用于中小功率傳動場合，成為研究的重要領域。然而，永磁同步電動機具有較大的轉動脈動，而對于這些應用場合，轉矩平滑通常是基本要求。因此，對永磁交流伺服系統的應用，必須考慮其轉矩脈動的抑制問題。本文針對電機傳動系統中參數變化對電機性能的影響，以永磁同步電機為例，圍繞如何通過參數辨識來提高永磁同步電動機的控制性能，借助自行開發的全數字永磁交流伺服系統平臺，對永磁同步電動機的磁場定向控制，參數辨識，神經網絡和擴展卡爾曼濾波在控制系統中的應用，抑制轉矩脈動，提高系統性能幾個方面展開深入的研究。 本文從永磁同步電動機及其控制系統的基本結構出發，對通過參數辨識抑制轉矩脈動進行了較為細致的分析。針對不同情況，通過改進電機的控制系統，提出了多種參數辨識方法。主要內容如下： 1、基于定子磁鏈方程，建立了永磁同步電動機的一般數學模型。經坐標變換，得出在靜止兩相（α—β）坐標系和旋轉兩相（d—q）坐標系下永磁同步電動機電壓方程和轉矩方程。 2、分析了永磁同步電動機id=0矢量控制系統的工作原理，介紹了永磁同步電動基于磁場定向的矢量控制的基本概念。經對永磁同步電動機系統進行分析，推導并建立了id=0控制時整個電機系統的數學模型。 3、基于超穩定性理論的模型參考自適應控制原理，設計了一種模型參考自適應控制系統，考慮電機參數的時變性，對永磁交流伺服系統的繞組電阻和電機負載轉矩辨識進行了研究，以保持系統的動態性能。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，對控制性能進行了驗證，仿真實驗證明這種方法的可行性。 4、人工神經網絡具有很強的學習性能，經過訓練的多層神經網絡能以任意精度逼近非線性函數，因此為非線性系統辨識提供了一個強有力的工具。本章針對永磁同步電機提出了一種以電機輸出轉速為目標函數的神經網絡控制方案，同時應用人工神經網絡理論建立和設計了負載轉矩擾動辨識的算法以及相應的控制系統的補償方法，并應用MATLAB軟件進行了計算機仿真，仿真證明和傳統的控制方法相比，以電機輸出轉速為指導值和目標函數的神經網絡控制方案能有效地提高神經網絡的收斂速度，能有效地改善控制系統的動態響應，具有跟蹤性能好和魯棒性較強等優點。 5、電機的參數會隨著溫升和磁路飽和發生變化，需進行在線實時辨識。本文利用電機的定子電流、電壓和轉速，采用遞推最小二乘法進行在線參數辨識，該方法不需要觀測的磁鏈信號，消除了磁鏈觀測和參數辨識的耦合。電機狀態方程由于存在狀態變量的乘積項，對電機參數辨識以后，仍然是非線性方程，為了對電機狀態方程進行狀態估計，得到電機的參數辨識值，本文采用擴展卡爾曼濾波進行狀態估計，對以上方法的仿真實驗得到了滿意的結果。 6、本文基于數字電機控制專用DSP自行開發了全數字永磁交流伺服系統平臺，通過軟件實現擴展卡爾曼濾波對電阻和磁鏈的估計，以及基于磁場定向的空間矢量控制算法，獲得了令人滿意的實驗結果，證明擴展卡爾曼濾波算法對電阻和磁鏈的實時估計是很準確的，由此構成的永磁交流伺服系統具有良好的靜、動態性能。
標簽： 電機 傳動系統 參數辨識
上傳時間： 2013-07-28
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超聲波電機（Ultrasonic Motor，簡稱USM）是近二十年來發展起來的一種新原理微型電機，該類電機不同于傳統的電磁感應電機，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，借助彈性體諧振放大，通過摩擦耦合使運動體產生旋轉或直線運動。這種電機具有結構緊湊、響應快、低速大力矩、不受電磁干擾、斷電自鎖等優點，在微型機械、機器人、精密儀器、家用電器、汽車、航空航天等方面有著廣泛的應用前景。 二十多年來超聲波電機的研究取得了很大的進展，有些機型已經逐步產業化。為了適應超聲波電機推廣應用和產業化發展的需要，必須加強電機驅動控制技術的研究工作。目前，小型化、通用化、高性能的驅動電源和簡單、實用的控制技術已成為國內外研究的熱點。本文總結了國內外關于超聲波電機的驅動控制技術以及其驅動電源的設計理論與經驗，分析了電機的阻抗特性及其諧振頻率漂移的影響因素。在此基礎上，本文提出了基于保持電機驅動電壓、電流間相位差恒定不變的頻率跟蹤方法，設計了一種新型的超聲波電機驅動電源。 本文開展的主要研究工作如下： （1）簡要介紹了超聲波電機的基本原理、獨特優點、發展歷史以及本論文的選題意義和主要內容。 （2）分析了超聲波電機的阻抗特性，在此基礎上研究了電機頻率漂移的原因及不利影響，總結了各種實現頻率跟蹤的方法。 （3）在理論分析的基礎上，提出了基于保持超聲波電機驅動電壓、電流間相位差恒定不變的頻率跟蹤方法，該方法可以由鎖相環CD4046實現。 （4）對所設計的超聲波電機驅動電源進行實驗，從實驗結果可知該電源能夠有效地驅動電機，并且頻率跟蹤的效果較好，電機轉速的變化可穩定在4％左右。
標簽： 頻率 自動跟蹤 電機驅動電源
上傳時間： 2013-06-27
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微機電系統（MEMS）器件的構成涉及微電子、微機械、微動力、微熱力、微流體學、材料、物理、化學、生物等多個領域，形成了多能量域并交叉耦合。為其產品的建模、仿真以及優化設計帶來了較大的難度。由于靜電驅動的原理簡單使其成為MEMS器件中機械動作的主要來源。而梳齒結構在MEMS器件中有廣泛的應用：微諧振器、微機械加速度計、微機械陀螺儀、微鏡、微鑷、微泵等。所以做為MEMS的重要驅動方式和結構形式，靜電驅動梳齒結構MEMS器件的耦合場仿真分析以及優化設計對MEMS的開發具有很重要的意義。本課題的研究對靜電驅動梳齒結構MEMS器件的設計具有較大的理論研究意義。 本文的研究工作主要包括以下幾個方面： 1、采用降階宏建模技術快速求解靜電梳齒驅動器靜電－結構耦合問題，降階建模被用于表示微諧振器的靜態動態特性。論文采用降階建模方法詳細分析了靜電梳齒驅動器的各參數對所產生靜電力以及驅動位移的關系；并對靜電梳齒驅動器梳齒電容結構的靜電場進行分析和模擬，深入討論了邊緣效應的影響；還對微諧振器動態特性的各個模態進行仿真分析，并計算分析了前六階模態的頻率和諧振幅值。仿真結果表明降階建模方法能夠快速、準確地實現多耦合域的求解。 2、從系統角度出發考慮了各個子系統對叉指式微機械陀螺儀特性的影響，系統詳細地分析了與叉指狀微機械陀螺儀性能指標－靈敏度密切相關的結構特性、電子電路、加工工藝和空氣阻尼，并在此分析的基礎上建立了陀螺的統一多學科優化模型并對其進行多學科優化設計。將遺傳算法和差分進化算法的全局尋優與陀螺儀系統級優化相結合，證實了遺傳算法和差分進化算法在MEMS系統級優化中的可行性，并比較遺傳算法和差分進化算法的優化結果，差分進化算法的優化結果較大地改善了器件的性能。 3、從系統角度出發考慮了各個子系統對梳齒式微加速度計特性的影響，在對梳齒式微加速度計各個學科的設計要素進行分析的基礎上，對各個子系統分別建立相對獨立的優化模型，采用差分進化算法和多目標遺傳算法對其進行優化設計。證實了差分進化算法和多目標遺傳算法對多個子系統耦合的系統級優化的可行性，并比較了將多目標轉換為單目標進行優化和采用多目標進行優化的區別和結果，優化結果使器件的性能得到了改善。
標簽： MEMS 靜電 分
上傳時間： 2013-05-15
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異步電動機變頻調速系統的頻率范圍、動態響應、調速精度、低頻轉矩、工作效率等方面具有很大優點。隨著電力電子技術和計算機技術的飛躍發展，以此為基礎的交流電機變頻調速技術也取得了長足的進步，基于SVPWM的異步電動機矢量控制系統作為現代交流傳動控制的一個重要研究方向，逐漸成為研究的熱點。 異步電動機調速系統是一個多變量、強耦合的非線性系統，雖然常規的PID控制算法簡單、可靠性高，但對于異步電動機這樣的非線性系統控制效果一般。模糊控制作為智能控制的一個重要的分支，由于不需要建立對象的精確數學模型，且具有良好的魯棒性和非線性的控制特性，非常適用于異步電動機調速系統。本文以提高異步電動機的調速精度和改善電動機的使用效率為目標，基于SVPWM的控制原理，分別采用傳統PID控制器和模糊PID控制器，應用在異步電動機的調速系統中。 本文首先介紹了異步電動機調速方法和逆變器的PWM控制方法。并闡述了矢量控制、坐標變換、空間電壓矢量調制的基本原理，給出了異步電動機在不同坐標系下的數學模型，為設計異步電動機矢量控制系統奠定了基礎。同時給出了傳統PID控制器和模糊PID控制器模型。為驗證控制效果，文中基于MATLAB/Simulink平臺，建立了控制器的計算機仿真模型，給出了仿真結果，并對結果做了詳細的分析。比較了傳統PID控制和模糊PID控制的效果，由仿真結果可以看出采用模糊PID控制算法具有較大的優越性。 最后，以TI公司的DSP控制芯片TMS320F2812為控制核心，設計了異步電動機的控制系統，硬件系統主要包括主電路、功率驅動電路、電壓、電流檢測電路等電路。另外設計了控制軟件，并給出了軟件的流程圖。通過實驗測得的波形，驗證了控制方法的正確性和有效性。
標簽： 異步電動機 變頻調速系統
上傳時間： 2013-05-17
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矢量控制一直是電機控制領域的熱門話題。本文以異步電機為研究對象，以矢量控制的解耦思想為基礎，采用自動控制的有關方法，對矢量控制進行了探討，著重研究了矢量控制系統中控制器的設計。 @@ 本文對矢量控制和自動控制的相關理論進行了簡單的介紹，包括矢量控制的原理、坐標變換、控制系統的性能指標等。按照矢量控制的解耦思想將耦合的交流電機模擬為解耦的直流電機進行控制，解耦后的交流電機可對轉子磁鏈和轉速進行獨立控制。在設計磁鏈控制器和速度控制器時，通過使用自動控制的相關原理，使得轉子磁鏈和電機轉速達到了預期的性能要求。本文使用的設計方法是先在連續域下設計控制器，然后將其離散化為數字控制器，并對連續域下的控制器和離散域下的控制器進行了仿真和比較。電機轉速是本文的一個重要參數，文中專門設計了轉速實驗，并對測量結果進行了誤差分析。最后，對本文設計方法的不足之處進行了簡單的說明，也給出了對應的改善方法。 @@ 仿真表明，本文設計的矢量控制系統達到了良好的控制效果。 @@關鍵字：矢量控制、磁鏈調節器、速度調節器
標簽： 異步電機 分 矢量控制系統
上傳時間： 2013-06-17
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由于電動助力轉向（EPS）系統具有高性能、高效率、低成本、節能環保等優點，隨著汽車電子技術的發展，電動助力轉向技術逐漸取代傳統的液壓助力轉向（HPS），成為轉向助力技術的主流。 @@ 本文在詳細了解EPS系統性能要求和工作原理的基礎上，對各種已有的EPS助力電機進行了總結和比較。對比結果表明，無刷直流電機（BLDC）憑借其顯著的優點，成為EPS助力電機的較優選擇。 @@ 無刷直流電機作為一種由電動機本體和驅動器組成的機電一體化產品，與傳統的直流電機一樣，具有良好的起動和調速性能，并且由于用電子換向取代了機械換向，不存在傳統直流電機的換向火花和機械噪聲，在許多性能要求比較高的場合已得到普遍應用。隨著電力電子技術、計算機技術的發展，其應用范圍還在進一步擴展。然而，BLDC電機作為EPS系統的助力電機也并非全無缺點。永磁電機中固有的齒槽轉矩的存在，以及由于采用120°換向工作模式造成的轉矩波動，都會嚴重影響EPS系統的操控性能。 @@ 本課題針對無刷直流電機在汽車電動助力轉向系統中的應用，根據EPS系統對助力電機的要求，設計了一臺轉向助力用永磁無刷直流電動機，并使用有限元方法對電機性能進行了分析。為了反映參數變化對電機性能的影響，從而為電機的設計提供指導，我們還用場路耦合的解析算法對電機性能進行了分析。在分析結果的基礎上，對永磁電機中的齒槽轉矩進行了研究，并針對樣機提出了齒槽轉矩的削弱方法，然后使用三維有限元的方式對所提出的方法進行了仿真驗證。 @@ 根據EPS系統的工作原理，探討了助力電機的控制策略，并設計了帶傳感器的無刷直流電機的控制系統。分別完成控制系統硬件和軟件的設計，并進行了相關實驗，結果表明基本達到了設計的目標。 @@關鍵詞：EPS、無刷直流電機、電機設計與優化、有限元、控制器設計
標簽： EPS 汽車 無刷直流電動機
上傳時間： 2013-07-29
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非接觸電能傳輸技術是一門新興的能量傳輸技術，它集合了電力電子能量傳輸技術、磁場耦合技術以及現代控制理論。由于這種電能傳輸方式沒有接觸摩擦，可減少對設備的損傷，不會產生易引燃引爆的火花，解決了給移動設備特別是在惡劣環境下，工作設備的供電問題。在交通運輸、航空航天、機器人、醫療器械、照明、便攜式電子產品、礦井和水下應用等場合有著廣泛的應用前景。本文對非接觸電能傳輸技術進行了理論和實驗研究。主要研究內容如下： ⑴介紹了非接觸電能傳輸技術的國內外研究現狀，發展前景，基本原理與所涉及到的關鍵技術。 ⑵通過建立漏感模型，對采用各種補償方式時，補償電容的選擇進行了分析與研究，并對不同補償方式時，負載對系統傳輸效率的影響進行了分析。 ⑶介紹了PWM調制硬開關技術、軟開關技術，比較分析了應用于無接觸電能傳輸系統主變換器的幾種逆變器拓撲結構，詳細分析了移相全橋變換器的工作原理，在此基礎上，對變換器進行改進，提出了基于移相全橋控制的諧振變換器，并對變換器的工作原理進行了詳細分析。 ⑷對系統原副邊主電路的主要參數進行了分析與設計，對松耦合變壓器的結構選擇、主要參數進行了分析與設計。 ⑸分別用通用DSP芯片TMS320F2812和專用控制芯片UC3875對系統的控制電路進行了設計。 ⑹對系統進行了仿真研究，在仿真成功的基礎上，采用UC3875控制方案制作了實驗樣機，進行了實驗研究。
標簽： 非接觸 電能傳輸
上傳時間： 2013-07-19
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雙向DC/DC變換器（Bi-directionalDC/DCconverters）是能夠根據需要調節能量雙向傳輸的直流/直流變換器。隨著科技的發展，雙向DC/DC變換器的應用需求越來越多，正逐步應用到無軌電車、地鐵、列車、電動車等直流電機驅動系統，直流不間斷電源系統，航天電源等場合。一方面，雙向DC/DC變換器為這些系統提供能量，另一方面，又使可回收能量反向給供電端充電，從而節約能量。 大多數雙向DC/DC變換器采用復雜的輔助網絡來實現軟開關技術，本文所研究的Buck/Boost雙向的DC/DC變換器從拓撲上解決器件軟開關的問題；由于Buck/Boost雙向DC/DC變換器的電流紋波較大，這會帶來嚴重的電磁干擾，本文結合Buck/Boost雙向DC/DC變換器拓撲與磁耦合技術使電感電流紋波減小；由于在同一頻率下不同負載時電流紋波不同，本文在控制時根據負載改變PWM頻率，從而使輕載時的電流紋波均較小。 本文所研究的雙向DC/DC變換器采用DSP處理器進行控制，其原因在于：目前沒有專門用于控制該Buck/Boost雙向DC/DC變換器的控制芯片，而DSP具有多路的高分辨率PWM，通過對DSP寄存器的配置可以實現Buck/Boost雙向DC/DC變換器的控制PWM；DSP具有多路高速的A/D轉換接口，并可以通過配合PWM完成對反饋采樣，具備一定的濾波功能。 本文所研究的數字雙向DC/DC變換器實現了在Buck模式下功率MOSFET的零電壓開通及零電壓關斷，電感電流的交迭使其電感輸出端電流紋波明顯變小，輕載時PWM頻率的提升也使得電流紋波變小。
標簽： F2808 2808 320F DCDC
上傳時間： 2013-06-08
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本文以單元機組協調控制系統為研究對象，在分析了協調控制系統特性的基礎上，總結了實際運行的協調控制系統中存在的問題和影響控制效果的原因。把汽包鍋爐單元機組簡化為一個具有雙輸入、雙輸出的被控對象以及做了一些合理假設的前提下對協調控制系統建立的動態數學模型進行分析。 從快速滿足電網負荷指令的需求，抑制各種干擾，保證機組的穩定運行的中心任務出發，首次提出采用智能PID控制器作為汽機的主控制器，解決常規單自由度PID控制器不能兼顧目標跟蹤特性和抗干擾特性的問題，并在一定程度上解決了協調控制系統對鍋爐前饋回路過分依賴的問題。 針對鍋爐對象大遲延特性，利用模糊預估策略對過程的輸出進行預測。補償了鍋爐側純延遲帶來的不利影響；而且還具備了模糊控制不依賴于系統的數學模型，具有對系統參數變化不敏感，對于非線性、時變時滯等特性，呈現出較好的魯棒性等特點，當出現較大的誤差時，可以把系統從很大的偏離中拉回來，提高了系統的響應速度和安全性。仿真試驗表明采用模糊預估能夠降低系統的超調，取得較好的控制效果。 由于單元機組中的鍋爐與汽機為強耦合系統，為了實現一對一的單一控制，決定采用神經網絡多變量解禍控制，通過仿真證明，達到了很好的解耦效果。 為了從全局上優化系統的控制行為，采用模糊控制策略對鍋爐和汽機的指令進行智能化的調整和約束。根據不同的負荷階段、主要參數的變化情況及時調整有關的指令，使協調控制系統向著有利于全局優化的方向調節。 本文將神經網絡、模糊控制思想引入協調控制系統，并在此基礎上構造神經網絡、模糊自適應控制的智能PID控制方案。通過理論分析和仿真實驗證明了這一控制方法在電廠協調控制系統中的實用價值，和傳統的PID控制比較，這種智能控制算法有效的提高了負荷的響應速率，保證了系統的品質，取得了很好的控制效果。
標簽： 火電廠 單元機組 協調控制
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
標簽： 卡爾曼 濾波算法 永磁同步電機
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