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电机矢量控制的相电流采样与滤波方法的研究

科技创新与应用 2015年第32期5卷 44-44,46页

作者：叶维民宁波韵升电控技术有限公司浙江宁波315040

电流的采样对电机矢量控制是非常重要的。在低成本应用场合,采用双电阻相电流采样的方法具有一定的优势。论文对双电阻相电流采样原理进行了阐述,并对相电流波形进行了分析,提出了适用的数字滤波方法。并经过实验验证了双电阻相电流采... 详细信息

电流的采样对电机矢量控制是非常重要的。在低成本应用场合,采用双电阻相电流采样的方法具有一定的优势。论文对双电阻相电流采样原理进行了阐述,并对相电流波形进行了分析,提出了适用的数字滤波方法。并经过实验验证了双电阻相电流采样原理的正确性和数字滤波方法的有效性。

关键词：电机矢量控制永磁同步电机电流采样数字滤波

永磁同步电机（PMSM）矢量控制调速系统的性能研究

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永磁同步电机（PMSM）矢量控制调速系统的性能研究

作者：马光羽浙江理工大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(PMSM)省去了励磁装置，取消了励磁系统的损耗，比其他的电励磁电机效率高，与此同时也省去励磁绕组和励磁电源，从而是自身的结构更加简单。与早期电机控制系统广泛使用的异步电机相比，永磁同步电机具有很多优点，例如：... 详细信息

永磁同步电机(PMSM)省去了励磁装置，取消了励磁系统的损耗，比其他的电励磁电机效率高，与此同时也省去励磁绕组和励磁电源，从而是自身的结构更加简单。与早期电机控制系统广泛使用的异步电机相比，永磁同步电机具有很多优点，例如：效率高，功率因数高，力矩比大等。所以随着近年来钕铁硼永磁材料的高温性能的提高和价格的降低以及电子技术的不断发展，永磁同步电机在国防、工农业生产和日常生活等方面得到更为广泛的应用，正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。永磁同步电机有很多的控制方法，每种控制方法都有自己的特点。本文将一种新型的低成本位置传感器（基于标定原理的磁编码器）加入到永磁同步电机的矢量控制系统中，并研究了系统方案的可行性以及性能指标。然后研究了id0的矢量控制方法在启动电流和速度跟随方面的性能，跟恒压频比(VF)控制方法进行对比之后说明id0矢量控制方法在控制永磁同步电机时优势，主要研究内容如下：（1）介绍了永磁同步电机的物理结构并从结构上分析了它具有上述一系列优点的根本原因。然后在电机模型分析中常用的三个坐标系中给出了永磁同步电机的数学模型。（2）分析了永磁同步电机（PMSM）矢量控制系统的各个模块的工作原理，详细介绍了新型磁编码器的工作原理，最后通过仿真软件进行仿真，证明方案的可行性。（3）在电动车驱动器上加入新型位置传感器进行了矢量控制系统实验，硬件平台包括了逆变电路、电流采样放大电路、位置信号检测电路等。软件开发通过CCS3.3开发平台编写程序，采用双闭环控制系统实现永磁同步电机的矢量控制，并对实验结果进行了分析。

关键词：永磁同步电机电机矢量控制新型低成本位置传感器 CCS3.3

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自主移动机器人路径规划仿真研究

自主移动机器人路径规划仿真研究

作者：胡梦辉太原科技大学

学位级别：硕士

近年来,自主移动机器人发展突飞猛进,受到各领域广泛关注,例如,物流、医疗、服务和家庭等,其中转向控制系统与路径规划相辅相成,即路径规划为转向控制系统提供了方向和目标,转向控制系统是实现路径规划的关键手段,因此转向控制精度和路... 详细信息

近年来,自主移动机器人发展突飞猛进,受到各领域广泛关注,例如,物流、医疗、服务和家庭等,其中转向控制系统与路径规划相辅相成,即路径规划为转向控制系统提供了方向和目标,转向控制系统是实现路径规划的关键手段,因此转向控制精度和路径规划效率对于机器人的性能至关重要。论文围绕信号滤波、电机控制、路径规划等方面进行建模仿真,主要研究内容如下:(1)针对传统PID转向控制系统的输出存在的超调量大、易受干扰、响应速度慢等问题,本文提出了一种基于自适应无迹卡尔曼滤波的PID转向控制方法。为解决灰狼算法的优化结果存在无法达到目标精度的问题,对灰狼算法采用混沌策略、高斯扰动和贪婪策略优化其种群质量和全局搜索能力,通过改进灰狼算法实现PID控制器的参数自整定,解决传统PID参数调节精度不高的问题;对于传统卡尔曼滤波存在不能很好应用于非线性系统及参数初值影响滤波结果的问题,采用无迹卡尔曼滤波替代卡尔曼滤波并在时变噪声的前提条件下采用Sage-Husa噪声估计器实时估计和更新系统噪声与测量噪声的均值和协方差,以达到减小系统估计误差、增加滤波准确度和减少滤波发散。通过MATLAB软件进行建模仿真对比,证明了基于自适应无迹卡尔曼滤波的参数自整定PID转向控制系统准确性、鲁棒性、响应速度、超调量均得到较大改善。(2)同时为满足PID转向控制系统的动力来源输入的稳定性,本文设计了一种基于ADRC的无刷直流电机矢量控制系统。首先采用用力矩、速度、位置闭环控制和SVPWM调制技术使电机运行避免转矩和速度波动现象出现,最后将电机矢量控制系统的转速误差与时间的积分反馈电流环,通过仿真建模对比可知基于ADRC的无刷直流电机矢量控制系统的响应速度和抗干扰性均得到完善。(3)为解决基本遗传算法解析最优路径中存在的易陷入局部最优解、解析时间过长、迭代次数较大以及转折点较多等问题,借助JPS算法较强的局部搜索能力改善遗传算法在局部区域搜索能力不足的缺陷,遗传算法的交叉算子和变异算子使得融合算法具备全局搜索能力,JPS算法的独特的搜索规则增强了融合算法的局部搜索能力,利用改进自适应遗传算法的全局搜索能力改变JPS算法不能在复杂障碍物状况下解析最优路径的现象,以此提高自主移动机器人对动态环境进行路径规划的适应性。动静障碍物环境下的仿真表明,相比于单独利用JPS算法或改进自适应遗传算法,融合自适应遗传-跳点搜索算法可以有效减少运算执行次数、缩短寻优执行时间、提高算法寻优准确率。在规化路径中转向控制系统比原控制系统路径长度较短且偏离量更小。为解决转向控制系统精度问题,通过优化传感器和电机控制两个关键环节可以实现精度提升,本文利用自适应无迹卡尔曼滤波提高传感器接收数据精度,利用ADRC控制器提高电机控制精度。同时通过融合算法使得路径规划的效率得到提升。这些方法的综合应用为机器人转向控制和路径规划提供了有价值的参考。

关键词：动态障碍物卡尔曼滤波电机矢量控制路径规划

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伺服系统机械谐振抑制方法的研究与实现

伺服系统机械谐振抑制方法的研究与实现

作者：王昱忠中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所)

学位级别：硕士

三相永磁同步电机由于存在诸多优点,使其在交流伺服控制领域得到极其普遍的应用。在伺服电机驱动负载运行时,电机与负载间的连接装置传动轴往往不是完全刚性的,这就会引发伺服控制系统间的柔性传动,柔性传动必然会产生机械谐振。机械谐... 详细信息

三相永磁同步电机由于存在诸多优点,使其在交流伺服控制领域得到极其普遍的应用。在伺服电机驱动负载运行时,电机与负载间的连接装置传动轴往往不是完全刚性的,这就会引发伺服控制系统间的柔性传动,柔性传动必然会产生机械谐振。机械谐振的存在会使伺服控制系统的转速与电磁转矩发生明显且持续的震荡现象,这样就会影响到当前控制系统的控制精度、响应速度等,同时在某种程度上会限制系统频带响应宽度的提升,严重时会致使系统失稳、传动连接装置损伤及断轴等情况发生,使伺服装置达不到预先设计的目标。因此,对于伺服系统机械谐振抑制问题的研究变将得极为重要及迫切。本文首先阐述了伺服控制系统中机械谐振问题的国内外发展的状况及存在的问题;学习研究了伺服电机控制相关理论,建立伺服电机对应的数学模型去探讨平台中电机矢量控制的原理与方法;通过建立简化的电机-负载二惯量数学模型来分析机械谐振在伺服控制系统中产生的机理,分析并讨论了负载电机惯量比与传动轴刚度系数对机械谐振的影响情况。谐振频率点的准确辨识是谐振被动抑制的关键。接下来文中研究了伺服系统中谐振频率特性辨识方法,包括直接测量法、扫频法、转速电流分析法等。扫频法是对给定的像chirp信号之类的含丰富频率成分的激励信号的辨识,属于离线频率特性辨识;转速电流分析法是对当系统谐振发生时采集转速误差信号或交轴电流信号后进行FFT频谱分析的方法,属于在线谐振频率辨识。本文采用在线谐振特性辨识并在matlab仿真验证了该方法的正确性。随后基于前面的分析,设计了一种基于自适应陷波滤波器的伺服系统谐振抑制方案,提出了陷波滤波器各个参数的确定方法。将该方案在matlab中进行了仿真验证,速度环的转速振荡得到了很好的抑制。最后将前面设计的方案在DSP芯片为TMS320F28335上进行软件编程验证。先将速度环转速调节为500rad/s,使其产生谐振振荡现象;之后加入设计好的谐振抑制算法观察到速度振荡明显减弱。实验结果表明该方案的可行性与有效性。

关键词：伺服系统电机矢量控制机械谐振谐振特征提取 IIR陷波滤波器

高速列车牵引传动系统直流电压脉动抑制方法的研究

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高速列车牵引传动系统直流电压脉动抑制方法的研究

作者：徐龙北京交通大学

学位级别：硕士

高速列车牵引传动系统中，由于采用单相四象限整流器给直流侧供电，使得直流侧电压中含有频率为10OHz的二次脉动谐波分量。本文首先比较了我国现有的四种高速列车牵引传动系统主电路，分析了对直流脉动电压的两种不同处理方式。本文还... 详细信息

高速列车牵引传动系统中，由于采用单相四象限整流器给直流侧供电，使得直流侧电压中含有频率为10OHz的二次脉动谐波分量。本文首先比较了我国现有的四种高速列车牵引传动系统主电路，分析了对直流脉动电压的两种不同处理方式。本文还从功率平衡原理出发，分析了牵引传动系统中间直流电压二次脉动的产生原因，讨论了脉动电压与牵引功率及主电路参数的关系。由于直流脉动分量的存在，将会对牵引电机产生不利影响，必须通过引入新的控制环节进行处理。本文基于开关函数模型，详细分析了直流电压脉动对牵引逆变器输出电压及电机电流、转矩的影响，此时电机电压及电流中存在与基波频率和脉动频率有关的低次谐波，并进而引起电机转矩的脉动。根据分析结果，本文研究了两种抑制脉动影响的控制方法，分别适用于牵引电机的不同工况。低速时由于载波比较高，通过修正牵引逆变器的调制波幅值可实现占空比的校正，抑制直流脉动的影响;高速时载波比减小，则通过修正调制波的频率进行脉动抑制。本文基于PSIM仿真软件，搭建了异步牵引电机矢量控制模型，并在此基础上对两种脉动抑制方案进行了仿真研究。在理论研究和仿真验证的基础上，本文最后对基于Myway硬件平台的牵引传动试验系统进行了硬、软件设计，完成了低速PwM调制和高速方波工况下的异步电机控制实验，实验结果表明了本文提出的两种脉动抑制方案的有效性。

关键词：牵引传动系统单相四象限整流器二次脉动牵引逆变器牵引电机电机矢量控制

基于多电机驱动的矿用电铲挖掘轨迹跟踪控制研究

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基于多电机驱动的矿用电铲挖掘轨迹跟踪控制研究

作者：张国贺中国矿业大学

学位级别：硕士

目前,我国矿用电铲主要是人工来操作,对于不同样貌的矿堆,由于现有技术水平的不足,工作人员操作庞大的机构很难对矿用电铲目标挖掘轨迹进行准确跟踪。因此,本文依托于课题组国家自然科学基金《适应复杂环境的大型矿用电铲协同设计与智... 详细信息

目前,我国矿用电铲主要是人工来操作,对于不同样貌的矿堆,由于现有技术水平的不足,工作人员操作庞大的机构很难对矿用电铲目标挖掘轨迹进行准确跟踪。因此,本文依托于课题组国家自然科学基金《适应复杂环境的大型矿用电铲协同设计与智能作业研究》,以矿用电铲挖掘系统为研究对象,结合运动学分析、动力学分析、电机矢量控制、模糊PID控制和交叉耦合控制等理论,开展基于多电机驱动的矿用电铲挖掘轨迹跟踪控制研究,设计了矿用电铲挖掘轨迹控制参数—提升速度和推压速度的规划方法,对多电机调速系统提出了不同的控制策略,完成了对目标挖掘轨迹跟踪的实验。首先,介绍了矿用电铲挖掘机构的系统组成和工作原理,建立矿用电铲挖掘轨迹方程,分析矿用电铲挖掘机构驱动电机速度与挖掘轨迹的联系。以矿用电铲挖掘系统为研究对象,基于D-H方法构建矿用电铲挖掘机构运动学模型,为下文挖掘轨迹控制参数的规划提供有力支持。基于拉格朗日方程法,构建矿用电铲挖掘机构动力学模型,分析矿用电铲挖掘机构在工作时的受力情况,并为下文求取挖掘物料的能耗情况提供支持。其次,基于动力学模型,以矿用电铲挖掘物料单位质量的能量消耗为原则,确定一条较优的挖掘轨迹作为目标挖掘轨迹。利用数学知识和挖掘机构运动学模型,研究与分析挖掘机构末端执行器与关节变量间的关系,将得到的挖掘机构关节变量的变化转化为矿用电铲挖掘轨迹控制参数的变化,最终规划出可以对目标挖掘轨迹进行跟踪的推压电机速度和提升电机速度,并将该控制参数规划方法在MATLAB软件中进行仿真分析,验证其正确性。然后,分析矿用电铲挖掘机构驱动电机数学模型,建立电机矢量控制系统,引入模糊PID控制单电机转速,引入交叉耦合控制器解决双电机转速同步控制问题。将所建立的多电机调速系统控制模型在MATLAB中进行仿真分析,验证本文提出的电机转速控制策略的有效性。最后,搭建矿用电铲挖掘轨迹跟踪实验平台,分别进行单电机转速控制、双电机转速同步控制、多电机转速协同控制的实验,并以多电机转速控制系统为基础,对矿用电铲挖掘轨迹跟踪进行实验。结果表明,本文提出的电机转速控制策略对多电机系统的转速控制有极大的改善。本文提出的研究思路可以对矿用电铲挖掘轨迹进行准确跟踪。

关键词：挖掘轨迹跟踪电机矢量控制模糊PID控制交叉耦合控制

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动车组直流电压二次脉动影响的抑制策略研究

动车组直流电压二次脉动影响的抑制策略研究

作者：马雪艳北京交通大学

学位级别：硕士

由于动车组电气传动系统采用单相交流输入,整流后直流母线电压中含有二倍于电网频率的脉动成分,电机受该脉动成分的影响,容易出现损耗增加、发热及机械抖动等问题。本文针对动车组直流电压二次脉动影响展开研究,研究应用于牵引电机控制... 详细信息

由于动车组电气传动系统采用单相交流输入,整流后直流母线电压中含有二倍于电网频率的脉动成分,电机受该脉动成分的影响,容易出现损耗增加、发热及机械抖动等问题。本文针对动车组直流电压二次脉动影响展开研究,研究应用于牵引电机控制的二次脉动影响抑制策略,并通过理论分析和仿真验证该策略的有效性和可行性。针对二次脉动产生机理及主电路拓扑数学模型构建展开研究。通过对主电路关键元件的分析计算,推导主电路的数学模型,构建可用于MATLAB仿真及HIL的模型,通过与Simscape中电路模型进行对照,验证模型的准确性;对直流电压二次脉动的产生及影响机理进行理论推导,通过仿真对其进行验证。针对二次脉动影响的基本抑制策略展开研究。进行电机频域分析,分别研究低调制深度与高调制深度的二次脉动影响的抑制策略,结合电机矢量控制,基于脉宽调制及脉动电压采样两个关键问题的分析,在牵引传动系统主电路模型基础上,编写电机控制程序,研究直流电压二次脉动下的电机矢量控制方法。针对牵引电机全速度范围脉宽调制下的抑制策略优化展开研究。针对不同运行速度下的脉宽调制方法进行介绍和推导,分析直流电压二次脉动对脉宽调制的影响及抑制策略应用效果;结合抑制策略、仿真模型和控制程序,进行全速范围内脉宽调制的程序编写,优化抑制策略在电机中的应用,通过仿真验证应用效果。针对抑制策略在低开关频率下的直流电压采样展开研究。对直接采样的缺陷进行了分析;建立直流电压预测控制模型,对重复控制中的内模进行改进,分析改进选取方法,确定补偿器形式及参数,构建基于重复控制的周期性电压预测模型。并通过仿真验证预测效果和电机控制效果。图75幅,表1个,参考文献57篇。

关键词：动车组二次脉动电机矢量控制脉宽调制预测采样

滑动结合面进给系统摩擦特性与动力学行为研究

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滑动结合面进给系统摩擦特性与动力学行为研究

作者：梁正雄西安理工大学

学位级别：硕士

滑动结合面进给系统是重载精密级数控机床的重要组成部分,受驱动加速度突变以及结合面摩擦力影响在启停换向等运动状态变化阶段,滑台沿进给方向产生的振动现象不但影响零件的加工质量,甚至会造成刀具崩刃以及机床夹具松动。为研究影响... 详细信息

滑动结合面进给系统是重载精密级数控机床的重要组成部分,受驱动加速度突变以及结合面摩擦力影响在启停换向等运动状态变化阶段,滑台沿进给方向产生的振动现象不但影响零件的加工质量,甚至会造成刀具崩刃以及机床夹具松动。为研究影响滑台运动精度的因素,本文以滑动结合面进给系统为研究对象,建立结合面动态摩擦模型,分析摩擦力非线性特性、电机驱动方式对滑台动力学行为的影响规律。首先,通过UMT-TriboLab摩擦磨损实验机进行摩擦静动态特性实验研究,得到摩擦动态特性本质为惯性特征,与结合面相对运动的加速度有关。为描述进给系统启动阶段摩擦力连续经历从零经最大静摩擦至动摩擦的特性,通过LuGre模型中结合面间接触鬃毛弹性变形来模拟摩擦状态,采用粒子群算法辨识LuGre模型六项静动态参数。在Simulink中建立滑动结合面摩擦动力学模型,发现在结合面切向施加小于静摩擦力的阶跃力时,结合面鬃毛等效为无质量弹簧阻尼系统,受到阶跃力激励时结合面鬃毛变形以及摩擦力会产生振荡收敛现象同时造成滑台切向的振动现象。为分析结合面摩擦力对滑动进给系统动力学行为的影响,建立进给系统集中质量模型,进行Simulink-ADAMS摩擦动力学联合仿真研究,得到摩擦预滑移阶段阻尼特性降低启动阶段滑台振动现象,摩擦Stribeck负阻尼特性加剧滑台启动阶段振动现象。另外分析到电机驱动加加速度产生的惯性力激励是造成滑台沿进给方向上振动的原因之一,当电机采用驱动加速度频域幅值较小的S型速度曲线驱动时,由于该曲线对滑台产生较小的惯性力激励,因此滑台进给方向上的振动现象也小于梯形曲线。针对S型速度曲线受若干运动参数约束影响的问题,本文基于目标运动过程中任一运动状态时间区间恒大于等于零原则,提出电机速度曲线规划方法。针对滑动结合面进给系统,实验验证仿真中提出的通过采用驱动加速度频域幅值较低的速度曲线降低滑台启动阶段沿进给方向振动的方法。发现电机采用三阶S型速度曲线驱动时滑台运动过程中跟踪误差小于梯形速度曲线。针对实验获得滑台跟踪误差未表现出与驱动加速度有关的问题,建立进给系统电机控制模型,仿真得到与实验相同的滑台跟踪误差与驱动速度正相关规律,因此认为进给系统伺服环内误差是影响进给系统运动精度的原因之一。本文针对滑动结合面进给系统,通过实验仿真结合方式分析结合面摩擦力、电机驱动参数以及速度曲线对进给系统动力学行为的影响,研究成果对于减小滑动工作台进给方向振动与跟踪误差,提高滑动进给系统运动精度和稳定性方面有一定参考价值。

关键词： LuGre摩擦模型集中质量模型 S型速度曲线电机矢量控制

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改进型准Z源逆变器的研究

改进型准Z源逆变器的研究

作者：单硕硕东北农业大学

学位级别：硕士

逆变器在能源转换与能量传递过程中起着必不可少的作用。传统电压型逆变器是降压型逆变器。在输入电压变动范围较大的场合必须在前级增加DC/DC变换器,这导致系统的传输效率降低。另外,电压型逆变器不允许上下桥臂同时导通,否则会发生短... 详细信息

逆变器在能源转换与能量传递过程中起着必不可少的作用。传统电压型逆变器是降压型逆变器。在输入电压变动范围较大的场合必须在前级增加DC/DC变换器,这导致系统的传输效率降低。另外,电压型逆变器不允许上下桥臂同时导通,否则会发生短路,损坏逆变器,因此必须在上下桥臂开关信号中加入死区时间,但死区时间的加入会引起输出波形的畸变。为了克服传统电压型逆变器的不足,提出了Z源逆变器。Z源逆变器是一种升降压型逆变器,以单级结构实现升降压,允许上下桥臂同时导通,无须加入死区时间,显著提高了可靠性,逐渐替代了传统电压型逆变器,并被广泛运用在分布式发电系统、电机驱动系统、不间断供电系统、混合电力汽车中。然而Z源逆变器存在升压能力有限,输入电流不连续,电容电压应力大等缺陷,严重制约了Z源逆变器的应用和发展。针对Z源逆变器的不足,本文提出了改进型准Z源逆变器—SB/SL-q ZSI拓扑结构,详细分析了其工作原理,阐述了SB/SL-q ZSI较其它Z源逆变器的性能优势。通过对SB/SL-q ZSI的Matlab仿真和实验,验证了该新型SB/SL-q ZSI的正确性和优越性。为了克服Z源逆变器调制策略的不足,本文提出了一种减小电感电流纹波的改进型直通分段SVPWM,并与Z源逆变器常用的几种调制策略进行了优缺点的比较,分析了改进型直通分段SVPWM减小电感电流纹波的原理。设计了直流母线电压闭环控制策略,搭建了SB/SL-q ZSI的小信号模型,分析了阻抗网络中电感、电容参数变化对系统动态性能的影响。研究了将SB/SL-q ZSI拓扑结构、改进型直通分段SVPWM以及直流母线电压闭环控制策略应用到电机矢量控制中。研究了输入电压跌落对电机机械特性的影响,搭建了基于SB/SL-q ZSI的电机矢量控制仿真模型,验证了其对电机动力性能的改善作用。

关键词：改进型准Z源逆变器 Z源网络直流分段SVPWM 电机矢量控制