基于SVPWM的电动车能量控制和优化管理平台设计
这是一篇关于空间矢量脉宽调制,数字信号处理,矢量控制,LABVIEW的论文, 主要内容为随着人们对能源利用的要求越来越高,如何提高电动车能源的利用率,如何实现对直流无刷电机的优良控制,降低控制器的温升,延长控制器的寿命,变得十分重要。本文根据实际项目需要,设计了一种基于SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)的电动车能量控制和优化管理平台。设计实现了电动车能量的管理和数据采集处理规范化,为研发和检测工作提供了良好的平台。 首先,本论文简要阐述了电动车控制系统的基本组成结构。详细分析了电动车控制系统的特点,在此基础上,确定了基于空间矢量算法的电动车控制系统设计方案。电压空间矢量PWM(SVPWM)技术是从电动机角度出发的SPWM。电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的,电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系,此坐标系有3个轴,空间位置上互差120度,分别代表三相。三相定子相电压Va、V b、V c分别施加在三相绕组上,形成三个电压空间矢量Va、Vb、Vc。Va、Vb、Vc的方向始终在各相的轴线上,大小随时间按正弦规律变化。因此, Va、Vb、Vc的合成电压矢量u是一个以电源角频率ω速度旋转的空间矢量[1,2]。 其次,本论文提出了一种基于SVPWM提高电压利用率的电机控制方法,并给出了基于DSP的实现算法,在相同的直流母线电压下,采用SVPWM方式线性范围的输出最大基波相电压幅值是0.98倍的原始电源的相电压的幅值,而传统的SPWM输出最大基波相电压是0.85倍的原始电源的相电压的幅值。采用SVPWM方式有效地扩展了逆变器输出基波相电压的线性范围,是采用SPWM的1.15倍,有效提高了电源电压利用率。在高性能全数字化的矢量控制系统中,应用DSP处理器快速的运算能力和数据处理能力,空间电压矢量PWM技术实现更准确、方便,更接近理想正弦磁通控制。实验结果验证了该算法相对于传统SPWM方法的优越性[3]。 最后,本论文介绍了电动车能量控制管理平台的硬件与软件实现。详细介绍的SVPWM的实现方法,设计了基于LABVIEW的电动车能量管理平台的基本结构。给出了能量监控平台的设计界面,和功能描述。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言,又称为“G”语言。使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此,LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。利用LabVIEW可充分发挥计算机的能力,有强大的数据采集和数字信号处理,分析和数据保存功能。 本论文设计的基于SVPWM的电动车能量控制和优化管理平台,已经在实际项目中应用。实际运行效果良好,得到了用户的认可和好评。
基于STM32的医用动力刨削系统研究与设计
这是一篇关于动力刨削系统,矢量控制,无刷直流电机,LCD触摸屏的论文, 主要内容为动力刨削系统作为医疗领域重要的手术设备,由于其具有切口小、康复快和并发症少等优势,在神经外科、耳鼻喉科、骨科等外科手术中得到了广泛的应用。在国外市场上,相关动力刨削系统的技术已经趋于成熟,但在国内市场上,由于缺乏制造商、售后成本高、技术落后等原因,成为在国内医院推广使用的阻碍。因此,为解决动力刨削系统在国内市场面临的问题,本文研究并设计了一款动力刨削系统。本文的主要内容如下:1、基于动力刨削控制系统的工作原理、内部结构以及控制系统的功能需求,设计了动力刨削系统总体方案,并对重要的硬件设备选型进行了分析。2、以无刷直流电机为被控对象,建立了手柄电机在两相/三相坐标系下的数学模型,设计了一种基于矢量控制策略的手柄电机控制器,该控制器的速度环采用自抗扰控制替代传统PI速度环控制,减小了速度环的输出波动;同时,电流环采用预测电流控制替代传统PI电流环控制,改善了扰动时系统的响应速度。仿真结果表明,相比于传统的PI控制方式,在该控制方法下,手柄电机启动时超调量更小、正常工作时转速精度更高。3、以Altium Designer和Protel99 SE为开发平台,对动力刨削控制系统的硬件电路进行了设计,包括电源电路、三相驱动逆变电路、电流采集电路、滴注电路、过流保护电路、脚踏开关电路等一系列硬件模块;以Keil u Vision5和Visual TFT软件为开发平台,完成了动力刨削控制系统电机控制软件和人机交互界面设计,并对软件各模块工作流程进行了分析。4、搭建了动力刨削系统样机,对所设计的电机驱动系统的位置传感器、端电压、相电压波形和LCD触摸屏的通信功能进行测试后,通过实验验证了样机在不同运行模式下的稳定性,并对样机的转速精度进行测试。测试结果表明所设计的手柄电机控制器能够提高系统的控制性能,符合设计参数指标,验证了该控制系统的可行性与合理性。
基于Halbach阵列的磁力驱动系统设计与控制方法研究
这是一篇关于电磁驱动系统,Halbach阵列,空载磁场分析,有限元分析,矢量控制的论文, 主要内容为半导体产业的发展对制造环境要求日益提高。磁悬浮传送技术无需机械接触,是生产车间实现无尘传送的理想解决方案。磁悬浮传送系统主要分为悬浮部分与驱动部分,想要实现稳定精确的传送工作,要求驱动部分具有扰动小、推力大、质量小的优点。针对上述需要,设计了基于Halbach阵列的磁力驱动系统,并且对所设计的驱动系统进行了控制方法研究。第一,对现有直驱式系统进行分析,由于永磁式磁力驱动系统拥有推力密度大,推力波动小等优点且是一种无接触式驱动,因此基于此原理对驱动系统展开设计。为了进一步减小推力波动,初级选用无铁芯结构,次级选用Halbach阵列。然后对驱动系统进行结构设计,动子初级部分包括结构设计与绕组电路设计,定子次级部分包括磁路设计与结构设计,并且选用了系统的信号反馈与辅助部件,初步确定了驱动系统的整体结构。第二,对所设计的磁力驱动系统,使用面电流法与等效磁化电流法进行了空载磁场解析分析,推导了空载反电动势的解析式。为了分析Halbach磁体阵列对驱动系统电磁性能的影响,使用有限元仿真软件定量分析了普通径向充磁、Halbach三段式充磁、Halbach五段式充磁三种不同次级结构的驱动系统电磁性能,包括空载气隙磁场、电磁力、空载反电动势、自感。分析表明了Halbach三段式次级可以有效提高驱动系统的电磁力,降低推力波动,而且有较高的永磁利用率,因此选用此种结构作为驱动系统的次级结构。进一步分析了驱动系统的重要尺寸参数与电磁力的关系,得到了驱动系统最优结构参数。第三,推导了磁力驱动系统在不同的坐标系下的数学模型,以及它们相互间的转换方式。基于空间矢量脉冲调制(SVPWM)对驱动系统进行控制。针对磁力驱动系统的电流、速度环设计了线性PI控制器,位移环设计了P控制器。进一步针对速度环设计了非线性滑模控制器。使用仿真软件分析了驱动系统在负载与空载时的速度与位移响应性能。最后分析比较了两种控制器的速度响应性能,结果表明使用滑模控制可以提高空载时速度响应性能。最后,加工装配了驱动系统样机,对样机的电气参数相间电阻与电感进行测量。对样机的动态性能进行了空载反电动势与推力常数测量实验,表明了样机有较优的性能。然后对系统实行了控制实验,分析了驱动系统的推力波动,以及空载与负载时的速度、位移响应性能。实验结果表明,样机输出的推力波动较小,保持在2.6%左右。样机的速度响应快、超调较小、运行稳定。样机的位移响应性能较好,在变速位移时与命令位移相位差较小,样机的定位精度为1μm。
基于转速电流自抗扰控制的永磁同步电机伺服进给系统设计
这是一篇关于永磁同步电机,滚珠丝杠,伺服进给系统,自抗扰控制,矢量控制的论文, 主要内容为在使用汉川XK714D数控铣床加工产品的过程中,传统PID控制的伺服进给系统受到滚珠丝杠侧的切削力、摩擦力等非线性因素影响,降低了控制系统的动态特性和鲁棒性,导致了实际输出与控制指令间存在偏差。针对此问题,本文创新性的将永磁同步电机与滚珠丝杠组合而成的伺服进给系统作为整体进行研究,借用自抗扰理论中扩张观测器能观测伺服进给系统的总扰动,非线性误差反馈控制率能消除伺服进给系统的总误差思想,设计了转速电流ADRC方法,消除了滚珠丝杠侧的非线性因素对伺服进给系统的影响。本文搭建了汉川XK714D数控铣床的X轴永磁同步电机伺服进给系统仿真模型,设计了永磁同步电机伺服进给系统实验平台,通过仿真与平台实验的方式,验证了转速电流ADRC方法可有效的提高伺服进给系统的动态特性和鲁棒性、提高系统的控制精度。首先,从永磁同步电机伺服进给系统的架构出发,深入分析了系统各部分的功能和运行方式,指明了汉川XK714D数控铣床的X轴永磁同步电机伺服进给系统存在的问题,明确了永磁同步电机与滚珠丝杠作为整体进行研究的意义。通过分析永磁同步电机与滚珠丝杠的数学模型,并将永磁同步电机伺服进给系统中的耦合关系通过结构框图形式进行展示,为永磁同步电机与滚珠丝杠组合而成的伺服进给系统作为整体进行研究提供了理论依据。其次,本文明确了汉川XK714D数控铣床的X轴永磁同步电机伺服进给系统的核心技术参数。针对该伺服进给系统采用传统PID控制方法所带来的问题,本文将永磁同步电机与滚珠丝杠组合而成的伺服进给系统作为整体进行研究,设计了转速电流ADRC方法,并根据核心技术参数设计传统PID控制器和转速电流ADRC控制器,通过对比传统PID控制和转速电流ADRC方法的仿真结果和平台实验结果,明确了转速电流ADRC方法具有更好的动态特性和鲁棒性,有利于提高系统的控制精度。最后,根据永磁同步电机伺服进给系统的技术要求,实现实验平台的硬件系统与软件系统设计。在软件设计中,针对转速电流ADRC模型复杂,多个控制环节使传统的面向过程编程方式难以满足系统实时性需求、程序耦合关系严重、不利于程序扩展等问题,采用了面向对象的编程方式进行程序设计,设计了多任务调度策略,通过将面向对象编程与多任务调度策略相结合,有效的提高了MCU资源利用率、提高了程序的运行效率。
基于Halbach阵列的磁力驱动系统设计与控制方法研究
这是一篇关于电磁驱动系统,Halbach阵列,空载磁场分析,有限元分析,矢量控制的论文, 主要内容为半导体产业的发展对制造环境要求日益提高。磁悬浮传送技术无需机械接触,是生产车间实现无尘传送的理想解决方案。磁悬浮传送系统主要分为悬浮部分与驱动部分,想要实现稳定精确的传送工作,要求驱动部分具有扰动小、推力大、质量小的优点。针对上述需要,设计了基于Halbach阵列的磁力驱动系统,并且对所设计的驱动系统进行了控制方法研究。第一,对现有直驱式系统进行分析,由于永磁式磁力驱动系统拥有推力密度大,推力波动小等优点且是一种无接触式驱动,因此基于此原理对驱动系统展开设计。为了进一步减小推力波动,初级选用无铁芯结构,次级选用Halbach阵列。然后对驱动系统进行结构设计,动子初级部分包括结构设计与绕组电路设计,定子次级部分包括磁路设计与结构设计,并且选用了系统的信号反馈与辅助部件,初步确定了驱动系统的整体结构。第二,对所设计的磁力驱动系统,使用面电流法与等效磁化电流法进行了空载磁场解析分析,推导了空载反电动势的解析式。为了分析Halbach磁体阵列对驱动系统电磁性能的影响,使用有限元仿真软件定量分析了普通径向充磁、Halbach三段式充磁、Halbach五段式充磁三种不同次级结构的驱动系统电磁性能,包括空载气隙磁场、电磁力、空载反电动势、自感。分析表明了Halbach三段式次级可以有效提高驱动系统的电磁力,降低推力波动,而且有较高的永磁利用率,因此选用此种结构作为驱动系统的次级结构。进一步分析了驱动系统的重要尺寸参数与电磁力的关系,得到了驱动系统最优结构参数。第三,推导了磁力驱动系统在不同的坐标系下的数学模型,以及它们相互间的转换方式。基于空间矢量脉冲调制(SVPWM)对驱动系统进行控制。针对磁力驱动系统的电流、速度环设计了线性PI控制器,位移环设计了P控制器。进一步针对速度环设计了非线性滑模控制器。使用仿真软件分析了驱动系统在负载与空载时的速度与位移响应性能。最后分析比较了两种控制器的速度响应性能,结果表明使用滑模控制可以提高空载时速度响应性能。最后,加工装配了驱动系统样机,对样机的电气参数相间电阻与电感进行测量。对样机的动态性能进行了空载反电动势与推力常数测量实验,表明了样机有较优的性能。然后对系统实行了控制实验,分析了驱动系统的推力波动,以及空载与负载时的速度、位移响应性能。实验结果表明,样机输出的推力波动较小,保持在2.6%左右。样机的速度响应快、超调较小、运行稳定。样机的位移响应性能较好,在变速位移时与命令位移相位差较小,样机的定位精度为1μm。
无人救生圈用永磁同步电机矢量控制系统设计与实现
这是一篇关于永磁同步电机,无人救生圈,矢量控制,位置检测,PI控制的论文, 主要内容为据我国卫生部的不完全估计,全国每年约有6万人死于溺水,传统的人工救援手段救援效率低、安全性差。无人救生圈可以在水中稳定快速地前进,有助于在溺水时提供高效的救援。而电机驱动系统是电动无人救生圈的核心,其性能将直接影响无人救生圈在航程、扭矩输出、安全可靠性等方面的整体性能。由此可见,研究和掌握电机驱动系统的高端控制技术,尤其是提高系统的效率和稳定性至关重要。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)具有重量轻、噪声低、体积小、功率密度高等特点,非常适合无人救生圈的应用。首先,论文以永磁同步电机的物理结构、数学模型和工作原理为基础,利用电机的各项参数推导出电机的电压、电流、转矩等表达式。电机采用矢量控制,通过分析PMSM的转换过程,给出了Clack变换、Park变换的实际意义以及转换公式,清晰的对PMSM矢量控制进行了介绍。对于电机的位置检测,论文采用滑模观测器和高频电压注入相结合的方式来估算电机转子的位置,效果稳定且高效。此外,还使用改进粒子群算法对PI控制参数进行了整定,提高了控制系统的稳定性。另外还通过分析三相逆变器的功率开关元件,采用七段式的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)以使电机获得理想圆形磁链轨迹。其次,论文以TMS320F28027芯片为核心搭建控制器硬件系统。硬件设计电路主要包括电流检测、硬件保护、外围接口等功能模块,实现了原理图和印刷线路板(Printed Circuit Board,PCB)的设计,并对硬件电路进行了测试。在软件层面,论文采用矢量控制的策略完成了控制器软件层面的设计。控制器软件主要模块包括主程序、各级中断程序、保护程序和SVPWM程序等。此外,还采用了速度PI和电流PI双闭环控制,提高了系统稳定性。最后,对控制器进行了系统测试,使用额定功率测试了PMSM的转速和转矩以及电机启动阶段的波动,在户外分别进行了空载测试和负载测试。实验结果表明,该控制器能够按照设定速度运行,调速响应迅速,并且运行稳定,达到了预期的设计要求。
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