無刷直流電機是一種性能優越、應用前景廣闊的電機，應用傳統的控制理論對其進行控制系統設計、分析的技術已經相對成熟，在此基礎上研發出的各種調速系統已經在工業生產中獲得廣泛應用。因此，無刷直流電機的進一步推廣應用，在很大程度上依賴于對一些先進控制策略的研究。 為了改進無刷直流電機調速系統的控制性能，本文基于灰色控制理論建立了無刷直流電機灰色PID控制調速系統模型。常規的PID控制以其結構簡單、可靠性高、易于工程實現等優點至今仍被廣泛采用。在系統模型參數變化不大的情況下，PID控制性能優良，但無刷直流電機是一種多變量、非線性的控制系統，傳統的PID控制器難以克服電機自身參數不確定和擾動帶來的轉速偏差問題，無法實現精確快速的控制。灰色控制器是在繼承經典PID控制器不依賴于對象模型優點的基礎上，通過改進經典PID固有缺陷而形成的新型控制器，性能優良并且算法簡單。該控制器設計不需要建立電機的精確數學模型，對參數變化和負載擾動不敏感。系統較好地實現了給定速度參考模型的自適應跟蹤，結構簡單，能適應環境變化，具有較強的魯棒性。 本文以灰色系統理論為基礎，把無刷直流電機的數學模型分為確定部分與不確定部分，對被控對象的不確定部分建立灰色模型，進行灰色預估補償，使控制系統的灰量得到一定程度的白化。對所提出的無刷直流電機灰色PID控制調速系統進行了仿真，對仿真結果給出理論分析；以TMS320F2812型DSP為核心控制器建立了無刷直流電機調速驅動系統。仿真和實驗結果表明，基于灰色PID控制算法的無刷直流電機調速系統受電機參數變化影響較小，具有較高的控制精度和魯棒性，表現出優良的動、靜態性能。
上傳時間： 2013-04-24
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混合動力電動汽車(HEV)作為降低城市汽車尾氣污染、減少油耗和調整能源結構的行業新技術，前景十分廣闊，日益受到人們的關注，其開發也成為新的熱點。驅動電機及其控制系統是HEV的核心部分，其性能的優劣很大程度上決定了車輛的動態性能，因此對其進行研究具有重要的理論意義和應用價值。 本文主要研究混合動力車用交流驅動電機控制系統，以高性能的數字信號處理器(DSP)為核心，采用轉子磁鏈定向矢量控制(FOC)算法，設計了一種基于DSP的交流驅動電機控制器。主要研究內容如下： 首先，在分析國內外研究狀況和比較幾種常用驅動電機的基礎上，結合HEV對驅動電機的特性要求，選擇交流異步電機作為HEV的驅動電機和基于轉子磁鏈定向的矢量控制技術作為系統開發方案。 其次，以交流異步電機的動態數學模型為基礎建立了轉子磁鏈位置的電流計算模型，實現交流電機轉矩和勵磁電流分量的有效解耦。結合矢量控制理論及電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術給出了混合動力車用驅動電機矢量控制系統結構框圖。 最后，以一臺5kw異步電機作為控制對象，搭建了系統主電路。系統控制電路以TMS32OLF2407A DSP為核心，由電流、電壓及速度等檢測模塊和CAN總線通信模塊組成。系統以CCS2集成開發環境為平臺，采用匯編語言編程，設計了基于DSP的矢量控制具體的軟件實現方法，實現了全數字化的HEV驅動電機矢量控制系統。論文給出了驅動電機運行的調試結果并進行了分析。 實驗表明該控制系統響應速度快，電壓利用率高，動態性能好，能夠滿足HEV對驅動電機動態和靜態性能的要求，對開發出低成本、高性能的電機驅動控制系統具有實用價值。
上傳時間： 2013-07-06
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超級電容器是一種具有高能量密度的新型儲能元器件，它可提供超大功率并具有超長的壽命，是一種兼備電容和電池特性的新型元件，在混合動力電動車、脈沖電源系統和應急電源等領域具有廣泛的應用前景。對于大功率儲能系統來說，為了滿足容量和電壓等級的需要，一般是由多個超級電容器串聯和并聯的組合方式構成。然而超級電容器在串并聯使用時，單體電容器參數的分散性是制約其壽命和可靠性的主要因素。因此，為了提高儲能效率，對超級電容器組合進行電壓均衡管理具有十分重要的意義。 本文針對超級電容器串聯使用時充電電壓的均衡問題，對超級電容器組充放電均衡技術進行了研究，通過對現有均衡技術的分析和討論，確定采用單電容均壓方案，并利用DSP控制技術，設計了一個基于DSP控制的超級電容組電壓均衡系統，解決超級電容器串聯電壓均衡問題。該系統主要由參數采集、PWM信號輸出、開關網絡控制等部分組成。系統以DSP為控制核心，采用了一只電解電容器作為中間電容傳遞能量，通過實時電壓、電流及溫度監測將采集到的信號，經A/D轉換器后，送入DSP處理，系統根據得到的電壓、電流信息判斷電容的充放電狀態，控制PWM信號的輸出，進而驅動開關網絡的切換，使能量在單體電容器之間快速傳遞，從而實現均壓控制。最后，對該系統進行了仿真和實驗研究，通過對上述數據的分析比較可以看出，采用此種方案進行均衡后，超級電容組單體的電壓在充電過程中達到了較好的一致性。 本文設計的超級電容組電壓均衡系統用于串聯超級電容組的充放電均衡控制，既可實現靜態均衡也可實現動態均衡。與其他均衡方案相比，該系統具有電壓均衡速度快，均衡效果好的優點。
上傳時間： 2013-04-24
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步進電動機是工業控制中常用的一種電機，其最大的優點是可以進行開環控制，無需位置和速度傳感器，并且具有很高的精度，因而在辦公設備和數控系統中獲得了廣泛的應用。混合式步進電機綜合了反應式和永磁式步進電機的優點，具有很高的效率和運行精度，性能優異，是本文的研究對象。然而，采用傳統控制方法進行開環控制的步進電機，運行噪聲大、易振動，嚴重時將導致失步。 實踐證明，細分控制可以有效的減小步進電機運行中的振動和噪聲，增加電機運行的平穩性。由于混合式步進電機的運行原理類似于同步電機，因而可以借鑒同步電機先進的控制方法來控制混合式步進電機。本文將同步電機常用的矢量控制應用到混合式步進電機控制中，實現了混合式步進電動機步距角的任意細分控制，取得了良好的效果。 文章分析了三相混合式步進電動機的工作原理，在忽略一些非線性因素的前提下，建立了三相混合式步進電機理想的數學模型，并根據數學模型提出了相應的控制方案。 以數字信號處理器TMS320LF2403A為核心，設計了三相混合式步進電機驅動器的硬件和軟件。數字PI調節器和空間矢量PWM技術是本控制系統的核心，文中詳細介紹了PI調節器和空間矢量PWM的原理及數字化實現。 最后介紹了系統的實驗裝置。實驗結果證實了控制方案的可行性，也表明了本課題設計的控制器具有優良的性能。
上傳時間： 2013-08-05
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在伺服系統中，為了實現高精度的控制，往往需要實時地檢測出電動機轉子的位置。用來檢測電動機轉子位置的角度傳感器主要有光電編碼器和旋轉變壓器。光電編碼器雖然能夠達到很高的精度，但是它的抗干擾性差，不宜應用在條件惡劣的場合中；相比較而言，旋轉變壓器（簡稱旋變）由于結構簡單，堅固耐用，抗干擾性強，能夠應用在各種條件惡劣的場合中，所以獲得了越來越廣泛的應用。 本文采用的旋變樣機是一種新型的磁阻式旋轉變壓器。分析了它的定轉子結構、定子繞組的連接方式以及轉子形狀的優化；并在此基礎上，推導出了它的正余弦輸出反電勢的表達式；最后在電磁場分析軟件Ansoft中，以樣機為原型建立了仿真模型，分析了它內部的電磁場分布以及正余弦輸出反電勢的波形。 其次，本文設計了一種以DSP為核心的R2D電路系統。它以振蕩電路產生的正弦波電壓信號作為旋變的激勵信號，加上相關的外圍電路，構成了旋轉變壓器一數字轉換器，解算出了旋變的軸角θ；并在此基礎上，分析了產生角度解算誤差的各種因素，同時計算出了旋變的轉速n。 最后，在上述解算方案的基礎上，本文又給出了第二種解算方案，即：DSP產生的方波經過濾波之后作為旋變的激勵信號，解算出了旋變的軸角θ；然后比較了這兩種解算方案的優缺點，重點分析了激勵信號中的諧波分量對正余弦輸出反電勢以及角度解算的影響。
上傳時間： 2013-04-24
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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。
上傳時間： 2013-07-28
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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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隨著我國現代化的大力發展，對能源的需求越來越多，但是能源危機卻已成為全球性的問題，在眾多能源當中，電能是人類生活中最重要的能源，如何節約電能，提高電能利用率是我們必須人力解決的問題。本文就超級電容儲能系統在地鐵中的應用進行了研究，提出了相應的控制策略并對其進行了建模論證。 文中首先對現有的幾種儲能裝置進行了簡單的介紹，分析了儲能系統的發展現狀和趨勢，后來還介紹了地鐵供電和地鐵車輛的一些情況，對應用對象進行了一定的研究；然后對超級電容的特點和一些應用特性進行了分析，結合地鐵的實際工況，提出了能量回收系統的控制策略。 最后，利用Matlab仿真工具對能量回收系統進行了建模和仿真，驗證了系統控制策略的正確性。在文章的末尾，還通過一些調查數據對超級電容能量回收系統實際應用中可能碰到的問題進行了討論。 隨著超級電容的快速普及和發展，超級電容器儲能及應用技術的研究將是一個很有潛力的發展方向，具有很高的市場潛力和應用價值。
上傳時間： 2013-07-26
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隨著能源危機日趨嚴重，新能源的開發與節能技術的研究日趨迫切，而新型儲能元件—超級電容器的應用為能量回收開辟了一條新的道路。 作為新型儲能器件，超級電容器擁有其它儲能器件無法比擬的優點—充放電速度快、功率密度高、使用壽命長。但由于其額定電壓很低，一般為1V～3V，因此使用時需多節串聯以達到實用電壓值，而電容單體參數不一致必然導致單體電壓不平衡。長此以往，勢必嚴重影響超級電容組壽命及其工作可靠性。 本文從超級電容器結構與工作原理入手，詳細闡述了其各種特性，分析和比較了目前存在的各種電壓均衡電路，確定了適合能量回收系統中超級電容組的電壓均衡策略，提出了如下兩種方法： 一種是運用飛渡電容轉移能量的思想，在飛渡電容與超級電容器之間加入DC/DC變換器，對超級電容器恒流充放電，保證了電壓均衡電路快速性。 針對超級電容器單體電壓低造成的DC/DC變換器恒流控制困難的問題，本文采用了新型開關電源芯片LTC3425及LTC3418實現了恒流輸出，仿真及試驗結果驗證了該方法的有效性。 另一種方法為基于變壓器的電壓均衡法，該方法引入全橋逆變器和高頻變壓器構成了一種新穎的電壓均衡電路。此方法容易獲得超級電容器串聯組平均電壓值，使得對低于平均電壓值的超級電容器充電非常方便。此方法以較低成本實現了電壓均衡目的，并通過仿真和試驗驗證了該方法的有效性。 以上兩種方法均通過能量內部轉移來完成電壓均衡，達到了較高的均衡效率，適合用于能量回收系統中超級電容組的電壓均衡。
上傳時間： 2013-06-08
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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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