永磁同步电机开题报告2文档格式.docx
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二十世纪八十年代以来,随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现,使永磁同步电机得到了很大的发展,世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮,在数控机床、工业机器人等小功率应用场合,永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。
永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善。
可以毫不夸张地说,永磁同步电机已在从小到大,从一般控制驱动到高精度的伺服驱动,从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现,而且前景会越来越明显[9,10]。
尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展,各种控制技术的应用也在逐步成熟,比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。
然而,在实际应用中,各种控制策略都存在着一定的不足,如低速特性不够理想,过分依赖于电机的参数等等。
因此,对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。
基于上述情况,对永磁同步电机伺服系统的仿真研究就有了重要的意义。
二、毕业设计(论文)研究现状和发展趋势(文献综述)
1.永磁同步电机的研究现状
早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究,特别是稳态特性和直接起动性能的研究。
永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速,然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步[13]。
上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。
逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同,但在大多数情况下无阻尼绕组。
1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特性、动态特性。
A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。
随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高,需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机,G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求,提出了现代永磁同步电机的设计方法[13]。
随着微型计算机技术的发展,永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。
D.Naunin等研制了一种永磁同步电机矢量控制系统,采用了十六位单片机8097作为控制计算机,实现了高精度、高动态响应的全数字控制。
八十年代末,九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。
永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分(PI)控制。
PI控制器具有结构简单,性能良好,对被控制对象参数变化不敏感等优点[14]。
1991年,R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。
早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。
电机在运行过程中,模型和参数是不断变化的,参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低。
现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能。
因此,将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域,可以大大提高调速系统的性能。
在这方面,运用的较为成功的控制技术主要有:
自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等[8]。
目前,国内外永磁交流伺服系统产品的厂家很多,如日本安川电机公司、Fanuc公司、三菱公司、松下公司,德国西门子公司、Rexroth公司、BOSCH公司,美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。
其中美国Kollmorgen公司I.D.(IndustrialDrives)工业驱动部分的Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平[3]。
国内由于资金和技术的限制,研究和产品多集中在低价位、性能较差的直流无刷电机上。
一些院校和研究所的永磁同步电机多为特殊设计,应用于航天、国防等的特殊场合的特种电动机。
北京四通、上海开通、西安微电机研究所和华中数控等少数单位研制出部分产品,但都未成规模,不具有与国外产品竞争的能力[7]。
2.永磁同步电机伺服系统的发展趋势
永磁同步电机伺服系统的发展与微处理器技术[11]、电力电子技术、传感器技术、PWM控制技术[6]、控制理论等密切相关,以下从上述几个方面把握一下永磁同步电机伺服系统的发展脉络。
2.1微处理器
随着微电子技术的发展,数字信号处理(DSP)以其快速的运算能力、高可靠性和丰富灵活的指令系统成为伺服控制领域的主流控制芯片。
作为伺服系统控制核心的DSP除了有中央处理单元,还有片内程序存储器、数据存储器以及片内外设。
电机专用DSP芯片具备:
(1)用于定时中断的通用定时器;
(2)位置检测用正交编码脉冲电路和计数器;
(3)用于过流保护、智能功率模块(IPM)保护、Z脉冲等的外部用户中断,以及事件管理器中断和系统中断;
(4)电压、电流检测用ADC模块;
(5)内嵌的PWM产生电路和死区设置电路;
(6)正反转、启停等用数字I\O端口;
(7)用于变量显示和参数修改的通讯接口;
(8)防止程序“跑飞”或“死机”的看门狗电路;
(9)系统保护用复位电路。
2.2电力电子器件[15]
在电机控制中,电力电子器件及其装置时实现弱电控制的关键所在,随着新型可关断器件的实用化,使得高频化PWM技术成为可能。
目前,主要采用的功率器件是IGBT和IPM,IGBT的应用使控制系统的性能有了很大提高:
(1)IGBT具有高输入阻抗和低通道压降的优点,驱动电路功率减少,开关器件发热减少;
(2)高载波控制,在脉宽调制中利于逆变器输出调制波波形;
(3)安全工作区宽、开关时间短,开关频率高,电机控制中可以达到20kHz,使之超过人耳的听觉范围,实现了电机运行的静音;
(4)驱动电路简单,保护容易。
2.3传感器
永磁电机伺服系统为了进行闭环控制,需要有位置、速度和电流传感器等。
通常位置传感器要完成系统的转子位置控制检测,而且同时实现电机速度测量,常用的位置传感器有光电编码器和旋转变压器等。
光电编码器的优点是数据处理简单、信号噪声容限大、容易实现高分辨率、检测精度高,缺点是不耐冲击及振动、容易受温度变化影响、适应环境能力较差。
按脉冲与对应位置关系,分为增光式光电编码器和绝对式光电编码器,前者输出两路正交的方波信号,脉冲对应角位移增量,角位移的基准点由每转输出一个的Z脉冲确定,后者在旋转码盘上制成8-12个码道,用不同的数码指示转子磁极位置[4,5]。
2.4PWM控制技术
电压源型PWM技术利用功率开关器件的开通和关断把直流电压变成一系列宽度不等的矩形电压脉冲序列,通过改变脉冲宽度和输出周期实现变压和变频。
PWM控制技术大体上课分为三大类:
正弦波形PWM、优化PWM和随机PWM。
正弦波形PWM按照追求正弦波形的物理量不同,分为电压正弦(即通常的SPWM)、电流正弦PWM(即通常的电流值环控制)和磁通正弦PWM(即通常的SVPWM)。
SVPWM即空间矢量PWM,它从电机的角度出发,着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场,即正弦磁通。
由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理,所得模型简单、便于微处理器实时控制,并具有转矩脉动小、噪声低,直流电压利用率高的优点,因此,成为近年来最受欢迎的调制方法[4,17]。
三、毕业设计(论文)研究方案及工作计划(含工作重点与难点及拟采用的途径)
1.毕业设计(论文)研究方案
论文首先建立要交流永磁同步电机系统的数学模型,并对转子磁链定向矢量控制、空间矢量PWM波形的产生、电流回路和速度回路的调节等控制方法进行了Matlab仿真研究[12],验证了这些实现方法的可行性,为实际系统的实现和调试提供了理论依据。
其次,要分析并改正原设计硬件电路上存在的一些问题,使驱动电路能正常工作。
在此基础上,采用矢量控制、电压空间矢量PWM控制、PI调节等方法实现具有位置、速度、电流三个回路的交流永磁同步电机伺服系统的控制。
本文要对这些方法进行较详细的论述[2]。
最后要对系统进行实验研究并得出结论。
2毕业设计(论文)工作计划
2.1工作重点、难点
(1)永磁同步电机伺服系统模型的建立;
(2)各种控制器的设计方法,例如永磁同步电机的位置闭环反馈控制设计方法,给出实验结果;
(3)矢量控制系统的结构、实现及仿真;
(4)矢量控制系统调制方法(SVPWM方法分析、比较及实现);
(5)永磁同步电机电流环、速度环、位置环的控制方法;
(6)MATLAB中SIMULINK的操作及实验结果的分析。
2.2具体工作计划
第一周了解课题研究内容,查阅相关资料
第二周收集整理与课题相关的资料,进行开题报告的撰写
第三周完成外文翻译,修改并完成开题报告
第四周根据开题报告的内容,计划并列写论文目录
第五周掌握永磁同步电机的工作原理及结构特点
第六周学习永磁同步电机的矢量控制原理
第七周学习并建立永磁同步电机的矢量控制的数学模型
第八周掌握SPVWM(电压空间矢量PWM技术)的原理
第九周掌握伺服系统的电流环、速度环、位置环的原理及设计
第十周熟悉MATLAB中SIMULINK的操作并建立坐标变换模块
第十一周利用MATLAB对永磁同步电机控制矢量进行仿真
第十二周利用MATLAB对永磁同步电机伺服系统电流环、速度环、位置环进行仿真
第十三周对所做的仿真系统进行反复调试
第十四周对仿真结果进行比较分析、总结
第十五周撰写论文
第十六周撰写论文
第十七周对论文格式进行修改,完成论文
第十八周对论文进行演示并毕业答辩
(四)主要参考文献(不少于10篇,期刊类文献不少于7篇,应有一定数量的外文文献,至少附一篇引用的外文文献(3个页面以上)及其译文)
[1]唐亚苏.电动车及其电机的发展概况[J].电动汽车.1996
(2):
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[2]赵艳花,李春娟.基于模糊PID的机器人视觉伺服控制[J].工业控制与应用,2009.28(03):
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[3]黄伟忠,宋春华.永磁交流伺服电机国内外市场概况[J].微特电机.2009
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[4]孙环阳,黄筱调,洪荣晶,裴亮.永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究[J].机械设计与制造,2010,(03):
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[5]赵辉,鲁超,岳友军.基于三电平逆变器的永磁同步电机控制策略研究[J].电气自动化,2010,
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