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范文开题报告
毕业设计(论文)开题报告
题目:
基于DSP的永磁同步电动机矢量控制系统研究
院系:
应用技术学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
0786班
学生姓名:
周琳
学号:
指导教师:
颜渐德
年月日
开题报告填写要求
1.开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。
此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。
2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见。
3.“文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于10篇(不包括辞典、手册),其中至少应包括1篇外文资料;对于重要的参考文献应附原件复印件,作为附件装订在开题报告的最后。
4.统一用A4纸,并装订单独成册,随《毕业设计(论文)说明书》等资料装入文件袋中。
毕业设计(论文)开题报告
1.文献综述:
结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2500字以上的文献综述,文后应列出所查阅的文献资料。
文献综述
0引言
随着材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、微电子技术的快速发展及电动机制造工艺水平的逐步提高,数控和精密机床也大量应用永磁电机;永磁同步电机(PMSM)交流伺服控制系统在工业领域也具有越来越广泛的应用前景。
永磁同步电动机因其优良的性能和多样结构,在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域得到广泛应用。
为获得高性能、高精度的执行效果,需使用变频电源对永磁同步电动机进行驱动和控制。
因此,永磁同步电动机调速控制系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。
永磁同步电动机具有转动惯量小、响应速度快、效率高和功率密度高等优点。
但是永磁同步电动机存在非线性、时变性和强耦合的特点,因此采用经典的基于对象模型的控制算法难以得到有效的控制。
从改善永磁同步电动机系统的性能出发,采用矢量控制策略,实现了直轴电流和的解耦,同时将SVPWM控制应用到系统的闭环控制中,从而简化了系统设计并实现了宽范围调速。
目前永磁同步电机几乎遍及航空、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。
如永磁电机已经占据汽车工业的丰体部分;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用而广、类型多;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少,如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机,洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。
随着高性能永磁材料价格和电动机转子制造价格降低,以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高,永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用。
可以毫不夸张地说,永磁同步电动机己从小到大,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。
1矢量控制
1971年,德国西门子公司的提出矢量控制理论(FieldOrientedControl,FOC),使交流电机控制理论狭得质的飞跃。
矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考坐标系中的量,参照直流电机的控制思想,完成电机转矩的控制。
矢量控制方法首先应用在感应电机上,但很快被移植到永磁同步电机上。
事实上,在永磁同步电机上更容易实现矢量控制,因为永磁同步电机在矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流,而且控制受参数(丰要是转子参数)的影响也小。
目前,矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用,其地位已经超过了它在异步电机中的地位。
磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应,精确的速度控制,零速时可实现全负载。
但是,矢量控制系统需要确定转子磁链,要进行坐标变换,运算量很大,而且还要考虑电机转子参数变动的影响,使得系统比较复杂,这是矢量控制存在的不足之处。
矢量控制的基本思想是:
在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律,磁场定向坐标通过矢量变换,将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量,并使这两个分量相互垂直,彼此独立,然后分别调节,以获得像直流电动机一样良好的动态特性。
因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。
矢量控制的目的是改善转矩控制性能,最终的实施是对
,
的控制。
由于定子侧的物理量都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,因此调节、控制和计算都不方便。
需借助复杂的坐标变换进行矢量控制,而且对电动机参数的依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果大打折扣。
2永磁同步电动机的结构
永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成。
永磁同步电动机的定子是指电动机在运行状态下静止不动的部分,其与异步电动机定子结构相似,主要是由硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。
对其三相对称的绕组通入三相对称的空间电流就可以得到一个旋转的圆形空间磁场,旋转磁场的转速被称为同步转速
,其中,
为定子电流频率,
为电动机的极对数。
永磁同步电动机的转子是指电动机在运行状态下可以自由旋转的部分,采用磁性材料组成,如钕铁硼等,不再需要额外的直流励磁电路。
这样的永磁稀土材料具有很高的剩余磁通密度和很大的矫顽力,加上它的磁导率与空气磁导率相仿,对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大,可以很大程度上的减少电枢反应。
永磁同步电机转子按其形状可以分为两类:
凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。
它们的根本不同在于转子磁极所在位置,凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面,因为永磁材料的磁导率很接近空气磁导率,所以在交轴(
轴)和直轴(
轴)上的电感基本相同。
隐极式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴的内部,因此交轴的电感大于直轴的电感,并且,除了电磁转矩外,还有磁阻转矩存在。
为了使得永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形,其转子磁钢形状呈抛物线状,使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。
定子电枢采用短距分布式绕组,能最大限度地消除谐波磁动势。
永磁体转子产生恒定的电磁场。
当定子通以三相对称的正弦波交流电时,则产生旋转的磁场。
两种磁场相互作用产生的电磁力,推动转子旋转。
如果能改变定子三相电源的频率和相位,就可以改变转子的速度和位置。
因此对三相永磁同步伺服电机的控制也和对三相异步电动机的控制相似,采用矢量控制。
并且不要对转子进行绕组和坐标变换,从而使得三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异步电机的控制要简单。
3仿真模型
随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀上永磁材料的快速发展,永磁同步电机(PMSM)得以迅速推广应用。
PMSM以其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大等特点,得到了越来越广泛的应用和重视。
随着PMSM应用领域的不断拓宽,对电机控制系统的设计要求也越来越高,既要考虑成本低廉、控制算法合理,又需兼顾控制性能好、开发周期短等特点。
因此,如何建立有效的PMSM控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题。
计算机仿真技术能有效地验证控制系统的设计思想,特别是在采用电力半导体器件对电机进行交流调速的分析研究中,计算机仿真技术已成为重要研究手段。
MATLAB/SIMULINK是一种优秀的系统仿真土具软件,它具有模块化、可封装、可重载、而向结构图编程以及高度可视化等特点,可大大捉高系统仿真的效率和可靠性。
矢量控制系统具有可连续控制、调速范围宽等优点,且在简化矢量变换控制系统方面已获满意的结果,为此矢量变换控制系统仍为现代交流调速的重要方向之一。
目前,国内外在异步电机的建模与控制已基本成熟,而对永磁同步电机的控制和建模则有大量的工作需要做。
本文运用MATLAB/SIMULINK建立永磁同步电机矢量控制系统仿真模型,并进行了控制仿真研究,为进一步的实际研究奠定理论基础。
4结语
永磁同步电机是一个多变量、非线性、高强耦合的系统,其输出转矩与定子电流不成正比,而是复杂的函数关系,因此要得到好的控制性能,需要进行磁场解耦。
矢量交换控制技术正好适用于永磁同步电机的这种特点。
在直流电机、交流异步电机、交流同步电机三大电机形式中,永磁同步电动机因其优良的性能和多样的结构,在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域中得到广泛应用。
为获得高性能、高精度的执行效果,需要使用变频电源对永磁同步电动机进行驱动和控制。
因此,永磁同步电动机控制系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。
参考文献
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毕业设计(论文)开题报告
2.开题报告:
一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施
开题报告
一、课题的目的与意义
(1)PMSM矢量控制系统是一种高性能的交流伺服系统。
由于PMSM具有结构简单、体积小,重量轻、效率高、过载能力大、转动惯量小以及转矩脉动小等优点,并且利用矢量控制思想PMSM容易实现线性的转矩电流特性,所以由PMSM构成的交流伺服系统能够达到很好的控制性能。
(2)我国是世界第一稀土大国,稀土的总储量约占全球稀土资源的80%。
目前稀土永磁同步电机已经在航空航天多种型号中得到成功的应用,同时多种民用稀土永磁同步电机正在逐步走向规模化生产,所以对稀土永磁同步电机控制系统的研究对国民经济和国防建设的发展都具有非常重大的战略价值。
(3)微处理器的发展促进了电力电子系统中数字技术的应用,即采用软件技术,提供了更大的灵活性和更好的性能。
电机控制系统的数字化是现代调速系统发展的方向之一。
数字控制克服了模拟控制的缺点,易于实现先进控制策略同时数字控制的硬件简单,体积小、重量轻而且能耗小。
新型微处理器的执行速度有助于增加采样速度、带宽,从而达到与模拟控制器可比的数值,抗负载扰动的能力也得到加强。
处理器的高速运算能力使得人们有可能实现复杂的实时控制算法,如状态反馈控制、最优控制、状态观测器、Kalman滤波器以及具有高采样速度的自适应控制。
下一代基于专家系统、神经网络和模糊逻辑的智能控制器也将会采用高级处理器和ASIC加以实现。
(4)智能控制技术的发展是学科发展的一个新阶段。
利用智能控制的非线性,变结构,自寻优等各种功能来克服控制系统中变参数与非线性等不利因素,可以提高系统的鲁棒性。
目前智能控制在控制系统应用中较为成熟的有模糊控制和神经网络控制,而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段,以消除参数变化和扰动的影响。
虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果,但是有许多问题尚待解决,如智能控制器主要凭经验设计,对系统性能(如稳定性和鲁棒性)缺少客观的理论预见性,且设计一个系统需获取大量数据,设计出的系统容易产生振荡;另外,交流传动智能控制系统非常复杂,它的实现依赖于DSP,FPGA等电子控制器件的高速化。
二、课题发展现状和前景展望
在直流电机、交流异步电机、交流同步电机三大电机形式中,永磁同步电动机因其优良的性能和多样的结构,在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域中得到广泛应用。
为获得高性能、高精度的执行效果,需要使用变频电源对永磁同步电动机进行驱动和控制。
因此,永磁同步电动机控制系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。
近10多年来,各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究,利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。
其关键在于在线获取速度信息,在保证较高控制精度的同时,满足实时控制要求。
速度估算的方法,除了根据数学模型计算电动机转速外,目前应用较多还有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。
无传感器控制技术不需要检测硬件,也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦,提高丁系统可靠性,降低了成本,因而很有研究价值。
在控制技术方而,初期的交流调速系统均采用模拟控制器,因为要完成诸如矢量变换等复杂的在线运算,所以电路十分复杂。
从80年代开始,控制器经历了s位微机、16位微机到32位微机和高速数字信号处理器((DigitalSignalProcessor-DSP)三个阶段的发展,实现了系统的全数字化控制,不但使控制电路大大简化,改善了系统的可靠性、可使用性、可维修性((Reliabiliyt,Availability,Serviceabiliyt-RAS),而且使交流调速系统的功能更加完善,使用更加方便,以致进入90年代后交流电动机及其控制系统正在取代直流电动机成为电力传动系统的主流。
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。
电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体,称为变频器(变频调速装置)。
交流电机的不同,繁衍出不同的交流调速系统。
因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。
目前较常用的有三种方案,它们是异步电动机交流调速系统、开关磁阻电动机交流调速系统和永磁同步电动机交流调速系统。
现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展;现代控制理论的发展和应用,电力电子技术的发展和应用,微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。
三、课题主要内容和要求
(1)掌握矢量控制的基本原理。
(2)掌握永磁同步电动机矢量控制系统。
(3)利用MATLAB软件仿真,分析。
(4)硬件设计及软件设计
四、研究方法、步骤和措施
1、研究方法
就永磁同步电动机矢量控制系统的一般原理、参数计算及其运行特性的一些研究方法进行讨论,以明确永磁同步电动机矢量控制系统的设计思路。
分析永磁同步电动机的结构,在此基础上建立起数学模型、确定永磁同步电机矢量控制策略,再完成永磁同步电动机的硬件设计、软件设计、最后进行仿真试验。
贯彻国家的技术经济政策,并注意所设计的电动机的经济性和可靠性。
在认真进行调查研究的同时注意理论与实际、设计与工艺相结合,设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。
既要努力使产品满足用户要求,又要尽可能降低生产成本。
2、步骤和措施
(1)准备阶段
熟悉课题、收集资料和数据,了解所选课题的必备知识,要求和设计步骤,对设计课题进行可行性分析并形成相应的文档。
(2)设计阶段
首先分析永磁同步电动机的结构,并在其结构的基础上建立起数学模型。
永磁同步电动机有三种数学模型:
在三相静止坐标系(UVW)的、两相静止坐标系(
)的和旋转坐标系(
)的数学模型,弗讨论了其在三种坐标系下的数学方程以及相互转化关系。
然后讨论永磁同步电机的基本控制策略,并在此基础上确定了永磁同步电机的矢量控制策略,再讨论空间矢量脉宽调制原理及其实现,最后完成了电流环Pl控制器和速度环PI控制器的设计。
再完成永磁同步电机控制器的硬件设计,它是以数字信号处理器DSP为核心,增量式光电编码器为位置传感器的永磁同步电机闭环调速控制系统。
系统各主要模块的软件程序的设计思路及其实现方法,包括位置和速度计算、数字PI调节器的软件实现、坐标变换的软件实现、电流的采样与滤波等,最后仿真建立了一个电流、速度双闭环的控制系统MATLAB仿真模型,分析永磁同步电机矢量控制策略能否实现。
(3)课题研究、设计及仿真实验
对课题进行深入研究,综合考虑。
以提高利用率,改善性能指标,促使智能化等优化设计为目标,结合实际,从各方面进行合理改造。
并进行相应试验。
毕业设计(论文)开题报告
指导教师意见:
1.对“文献综述”的评语:
2.对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计(论文)结果的预测:
指导教师:
年月日
所在专业审查意见:
负责人:
年月日
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