电气工程及其自动化开题报告.docx
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电气工程及其自动化开题报告
珞药if/求兴粵
毕业设计（论文）开题报告
题目：
基于矢量控制的圆筒型直线电机调速系统设计
院（系）电气工程及自动化
专业电气工程及其自动化
学生辛忠有
学号1100610708
班号1006107
指导教师李立毅
开题报告日期2014年2月
哈尔滨工业大学教务处制
2005年9月
一、开题报告应包括下列主要内容：
1•课题来源及研究的目的和意义；
2•国内外在该方向的研究现状及分析；
3•主要研究内容；
4•研究方案及进度安排，预期达到的目标；
5•为完成课题已具备和所需的条件和经费；
6•预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；
7•主要参考文献。
二、对开题报告的要求
1•开题报告的字数应在3000字以上；
2.阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。
本学科
的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。
3.参考文献按在开题报告中出现的次序列出；
4.参考文献书写顺序：
序号作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：
引用起止页
三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。
四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。
指导教师评语：
1课题的背景及研究的目的和意义1
2圆筒型直线电机及其控制策略的研究现状及分析2
2.1国内外永磁直线电机的研究现状2
2.2交流电机控制策略的发展概况3
2.3永磁同步电机的矢量控制方式.4
3本文的主要研究内容5
4研究方案及进度安排、预期达到的目标6
4.1研究方案6
4.2进度安排10
4.3预期达到的目标11
5完成课题已具备和所需的条件及经费...11
6预期遇到的困难及解决方法11
参考文献...12
1课题的背景及研究的目的和意义
舵机是飞机、火箭和导弹等武器的航行控制系统中的关键组成部件，它的性能直接决定了航行器的运行特性。
传统的舵机伺服系统采用了旋转电机加滚轴丝杠的工作模式，这种结构增加了机械系统的复杂性并降低了系统的频率响应。
直线电机不需要中间传动机构，可直接把电能转变为直线运动的机械能；永磁同步电机与传统的感应电机相比，相同体积的永磁电机能够提供的推力远远比感应电机大，力能指标好，功率因数高。
应用永磁同步直线电机构成的直线电动舵机直接驱动伺服系统，结合了直线电机和永磁电机两者的优点，使舵机系统的结构更简单，重量更轻便，并且应用直线电机直接驱动也消除弹性形变对系统产生的影响，提高舵机系统运动的平稳性。
S.A.Evans针对直线电动舵机的工作特性，对直线电动舵机的本体结构的设计进行了优化⑴。
将其改进成圆柱对称的圆筒型直线电机的结构形式，如图1-1所示
险就爼子钝祁铁此定丁现
图1-1圆筒型直线电动舵机结构示意图
图1-2圆筒型永磁同步直线电机示意图
圆筒型永磁同步直线电机（TubularPermanentMagnetLinearMoto）是一种结构形式比较独特的新型直线电机，其截面示意图如图1-2所示。
圆筒型直线电机具备永磁同步直线电机的共同优点，又有其自身的特点⑵，概括如下：
1.结构简单圆筒型直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高。
2.无横向边缘效应横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱。
与
一般平板式相比，圆筒型直线电机不存在绕组端部，所以圆筒型直线电机不存在横向边缘效应，磁场沿周向均匀分布。
3.适合高速直线运动因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。
而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，可大大减小机械损耗，避免托缆、钢索、齿轮与皮带轮所造成的噪声，从而提高整体效率。
4.易于调节和控制通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。
圆筒型直线电机所具有的优良性能，使其在工业自动化、机械、军事等各种往复直线运动应用场合均具有较为明显的技术优势和推广价值。
上述直线电动舵机系统就是其重要应用之一，除此之外，还可应用于电磁阀、往复运动的电磁泵、并联机床、电磁弹射器[3]以及电磁抽油机等装置[4]。
2圆筒型直线电机及其控制策略的研究现状及分析
关于直线电机的研究至今已有近三十年的历史。
近些年来，随着工农业环境的不断变化，对各种特殊结构特殊性能的电动机的需求越来越多，特别是在一些需要特殊动力驱动的场合，用以实现高效节能的目的。
相对于实际应用的直线电机可以做成平板型，圆筒型等，圆筒型直线电机由于自身的优势在一些场合得到了应用。
作为一个新型的技术产业，国内外很多专家和学者投身到这片领域中，其理论研究和实际应用的前景是诱人[5]。
2.1国内外永磁直线电机的研究现状
近些年，国外一些达国家开始把直线驱动系统代替传统的旋转电机加传动系统，取得了很大的成功。
国际上一些知名高校、研究所和电气企业基本上都在研究和开发直线电机以及驱动系统相关产品，其中主流产品为永磁直线电机。
如英国的谢菲尔德大学，Intramat公司、Copply公司等。
19世纪70年代初，日本人山田竹内从Maxwell电磁方程式出发分析推导了圆筒型永磁直线电机的气隙磁场、电磁推力及法向力的作用原理，但推导过程比较麻烦，计算公式也比较复杂后来逐渐探索出诸如有限元法、等效电路法等一系列分析测量磁场及推力的简便方法。
日本在1975年还进行了中低速磁浮列车中电磁阻力的详细分析和计算，并得出电磁阻力随电磁铁长度的增加而减小，国内西南交通大学也于1999年对EMS型磁浮列车运行阻力问题进行了论述[6-7]。
1993年9月，直线伺服电机直接驱动方式首次出现在国外机床的高速进给驱动系统上，在德国下萨克森州的首府汉诺威举办的欧洲机床博览会上展出了由德国ExCellO公司生产的XHC240加工中心，这是世界上第一台直线加工中心，3个进给轴均采用德国Indramat公司生产的感应式直线电机直接驱动进给部件，移动速度高达80m/min，加速度高达1g[8]。
德国Indramat公司研制成功了数字化的直线电机智能伺服驱动器，允许使用速度或加速度的前馈控制[9]。
2007年的中国国际机床展上，意大利普瑞玛工业公司采用永磁直线电机驱动的线切割机，可实现6g的加速度。
每分钟可切割超过1000个孔，远超过目前市场上600个孔最快的激光切割机切割速度[10]。
我国直线电机的研究与应用大约是从70年代才开始的，目前国内有许多单位和科研院所对直线电机展开了相关研究，如中科院电工研究所、浙江大学、西安交通大学等，取得了一定的成果。
在国内，清华大学依托国家科技攻关计划的资助，研制出永磁同步直线电机的交流伺服控制系统。
浙江大学成立了直线电机研究所，在理论及其应用方向取得了很大的成果，在机床等方面得到了应用。
沈阳工业大学依托国家自然基金的支持，研究制造了一批样机，取得了很大的进展。
上海交通大学在直线电机驱动的高速度、高精度运动平台方面，提出了改进型干扰观测器控制结构。
2.2交流电机控制策略的发展概况
目前交流电机采用的控制策略有多种，常用的传统控制方式有：
VVVF控制、矢量控制和直接转矩控制。
变压变频（VVVF）控制是由电机的静态模型得到的，因此它不强调动态性能，但因其控制结构简单、成本较低，比较适合应用在风机、水泵等对动态响应要求不高调速场合。
具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高；低频时，因定子漏磁阻抗压降所占份额比较显著，不能忽略，需要适当抬高电压以补偿定子压降。
矢量控制（vc）也称磁场定向控制。
1971年，由德国Blaschke等人首先提出了交流电机的矢量变换控制理论，从理论上解决了交流电机转矩的高性能控制问题。
它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。
其基本思想是在三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量并使两分量相互垂直，彼此相互独立然后再分别进行控制。
其优点在于不论在低速还是在高速，只要系统给定在该转速下所需要的电流波形，电机电流均能很好的响应，所得电流的交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机动态性能十分优异。
直接转矩控制（DTC）是德国鲁尔大学Depenbrock教授于1985年首先提出的,
随后日本的I.Tkahaashi等人也提出了类似的控制方法。
直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。
DTC系统转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，计算磁链的模型不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。
同时，受到开关器件开关速度的限制，实际的转矩响应的快速性有限。
而且低速时电流和转矩的脉动十分明显，制约了控制系统的调速范围［11］。
表2-1列出了上述三种控制方式的特点与性能的比较。
表2-1三种控制方案的调速性能比较
调速方案
调速范围
调速精度
低速特性
响应速度
变压变频控制
窄（1:
10）
低
差
较慢
矢量控制
比较宽（1:
20-200）
较咼
较好（连续）
较快
直接转矩控制
不够宽（1:
15-100）
较咼
较差（脉动）
快
圆筒直线电机直接驱动负载，与传统电动机传动的最大区别是取消了从电动机到工作台或转台之间的一切机械中间传动环节［12］。
由于无缓冲环节，外部的扰
动、负载的变化、电机参数的变化，以及直线电机固有的齿槽效应和端部效应产生的推力波动将直接作用在负载上［1引，所以系统往往需要采用高动态响应的伺服控制策略，以保证电机系统具有较强的抵抗负载扰动的能力。
这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。
转速、电流双闭环的矢量控制系统满足圆筒直线电机对高动态响应的要求，低速特性较好，可获得较宽的调速范围，所以在电机伺服控制中应用最广泛，技术也比较成熟。
2.3圆筒直线电机的矢量控制方式
1.id=0控制当永磁同步电机定子电枢电流的直轴分量在控制过程中始终等于0时，相当于等效直轴绕组开路不起作用。
因此，如果不考虑定子直轴电压分量，仅从交轴电压方程来看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机；定子电枢绕组中只有交轴电流分量iq，励磁磁链等于转子永磁磁极产生的磁链且恒定不变；等效交轴绕组中的励磁电势与转子角速度成正比，因为定子磁动势空间矢量与转子永磁体磁场空间矢量相互垂直，所以电磁转矩与交轴电枢电流成正比，对电机的控制就变得十分简单。
2.最大转矩/电流比控制最大转矩/电流比控制也称为单位电流电磁转矩最大控制。
它是永磁电机常用的控制策略。
使电机输出力矩在满足要求的条件下定子电流最小，减小了电机铜耗，有利于逆变器开关器件的工作；同时，由于定子工作电流小，可选用较小容量的变频器，可以有效地降低系统成本，缺点是功率因数随着输出力矩的增大下降较快。
这种控制方式在直驱式永磁同步风力发电机组中获得广泛利用[14]。
3.弱磁控制永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电机的调磁控制。
当他励直流电机端电压达到极限电压时，为使电机能恒功率运行于更高的转速，应降低电机的励磁电流，以保证电压的平衡。
永磁同步电机的励磁磁动势因由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁升速的目的。
在宽转速应用场合，弱磁控制得到了广泛的应用。
弱磁控制技术对于车用永磁同步电机的宽转速范围调速有着至关重要的作用[15]。
4.最大输出功率控制电机转速超过转折速度后，对定子电流矢量的控制转变为弱磁控制。
此时定子电流矢量沿着电压极限椭圆轨迹取值。
电机超过某一转速后，在任一给定的转速下，在电机电压极限椭圆轨迹上存在一点，该点所表示的定子电流矢量使电机的输入功率最大，相应的输出功率也最大[16]。
当采用id=0的控制方案时，电磁推力Fe和iq呈线性关系，只要对iq进行控制就达到了控制推力的目的。
而且，保持id=0可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出电磁推力。
或者说，在产生所需推力的情况下，只需最小的电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。
这正是本文采用这种控制策略的原因。
3本文的主要研究内容
本论文的研究对象为200N圆筒型直线电机，直流母线电压为96V，额定电流为25A，额定转速0.1m/s。
本论文定位于研究圆筒直线电机直接驱动系统的双闭环矢量控制方法。
研究内容主要包括以下几个方面：
1.分析本课题研究的背景和意义，介绍国内外圆筒直线电机及其控制策略的研究现状和发展概况，比较永磁同步直线电机不同控制策略的特点。
在此基础上选择了双闭环矢量控制的控制策略，及电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的开关器件控制方法，构建圆筒直线电机控制系统。
2.圆筒直线电机矢量控制系统设计。
研究圆筒直线电机的结构和工作原理，建立圆筒直线电机在旋转坐标系下的数学模型，研究三相静止坐标系、两相静止
坐标系和同步旋转坐标系之间的坐标变换方法，设计基于矢量控制理论的圆筒直线电机控制系统。
3.空间矢量脉宽调制的方法及实现。
研究SVPWM的原理以及控制算法的实现步骤以及方法，在MATLAB/Simulink环境下进行仿真验证SVPWM控制系统设计的合理性。
4.双闭环调节器的设计。
内环为电流环，外环为速度环，内外环都采用PI调
节器。
设计并计算PI调节器各个参数并在仿真和实验中调试。
5.基于DSP芯片TMS320F2808实现矢量控制算法，在圆筒直线电机驱动控制测试平台上调试矢量控制算法，对系统的电流响应，转速响应以及定子电流波形进行测试，分析说明实验结果。
4研究方案及进度安排，预期达到的目标
4.1研究方案
4.1.1圆筒直线电机调速系统采取的控制策略
本课题采取id=0的双闭环矢量控制策略。
id=0时，从电机端口看，相当于一台他励直流电机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，可知，id=0控制时，电磁推力Fe和iq呈线性关系，只要对iq进行
控制就达到了控制电磁推力的目的；id=0控制的空间矢量图如图4-1a）所示，时间相量图如图4-1b）所示。
从图中可以看出，反电动势相量E。
与定子电流相量Is同
相，此时单位定子电流产生的转矩值最大，从而使电机铜耗下降，效率有所提高这也是本课题采用id=0控制的原因。
a）矢量图b）相量图
图4-1id=0控制的矢量图和相量图
图4-2为id=0控制系统原理框图，系统的控制过程如下：
（1）动子位置和速度检测装置检测动子的位置信号入和速度信号n,速度信号经速度调节器PI调节输出q轴电流指令信号iq，而d轴电流指令信号id=0；
（2）电气检测装置对电机三相电流ia、ib、ic进行检测，利用位置角信号进行坐标变换，计算出实际的dq轴电流信号id和iq,指令电流信号与实际电流信号比较后，分别得出直轴与交轴电流分量的误差信号儿二id-id和Aiq=iq-iq，然后根
据电流调节器控制算法分别获得直轴与交轴电压指令信号Ud和uq；
（3）直轴和交轴电压指令信号Ud和uq，经过Park逆变换得到静止两相坐标
系统中的电压指令信号U；和U3,后利用空间矢量调制技术获得实际三相电压
SVPWM信号，控制逆变器开关状态，从而保证电机按照指令信号的要求工作。
4.1.2空间矢量脉宽调制方法及实现
（1）SVPWM原理
如图4-3所示的是一个典型的电压型PWM逆变器原理图。
利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合、以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运动轨迹为目标，就可以产生谐波较少且直流电源电压利用率较高的输出电压［17］。
udc
~22
1fTo
udc
2
Da
Sb
c
b
D+
D；
Sc
Dc
Db
《i-
Sa
Sb
sc
图4-3PWM逆变器原理图
图中6个功率开关管，当上桥臂开关管开”状态时（此时下桥臂开关管是关”
状态），开关状态为“1；当下桥臂开关管为开”状态时（此时上桥臂开关管是关”状态），开关状态为“0”3个桥臂只有1和0两种状态，因此会形成000、001、010、011、100、101、110、111共8种开关模式。
其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以这两种开关模式为零状态。
当零矢量作用于电机时不形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成相应磁链矢量[18]。
由8种开
关模式得出的八个矢量就成为基本电压空间矢量，相邻的非零矢量间隔60度。
基
本电压空间矢量图如图4-4所示。
U2（010）
II
5（011匚；6（111）
U6（110）
U4T4
6（100）
U㈣丁
V
图4-4基本电压空间矢量图
空间矢量PWM技术实质上就是通过适当的组合基本空间矢量的开关状态来
近似输出的参考电压矢量Uout。
在一个PWM周期内，对于任意输出的参考电压矢
量Uout都可以由8个基本电压矢量来合成
（2）控制算法的实现
SVPWM控制算法实现主要有三个步骤：
1选择基本电压矢量：
将平面分为6个扇区，根据参考电压所处的扇区，选择两个相邻的基本电压矢量用于合成参考电压矢量。
2确定每个电压矢量的作用时间：
根据矢量投影原理，确定非零矢量作用时间，剩余时间由零矢量来作用。
3确定每个电压矢量的作用次序：
任意一次电压矢量的变化只能有一个桥臂的开关管状态发生变化，即二进制矢量表示中只有一位发生变化。
4.1.3双闭环的设计
（1）电流环的设计
圆筒直线电机调速系统速度环和电流环双闭环结构，电流环作为系统的内环，速度环作为系统的外环。
圆筒直线电机矢量控制最终归结为对机定子电流的控制。
各环的最优化性能的发挥依靠于系统内环的优化，因此电流环是双闭环控制的核心环节，它是提高系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。
电流环控制对象为：
电压型PWM逆变器、电机电枢回路、电流采样和滤波电路。
这里将PWM逆变器简化为时间常数为％和控制增益为Kv的一阶惯性环节。
由于电流反馈信号
中含有较多的谐波分量，因此电流反馈信号都要经过滤波。
为了补偿滤波环节对电流惯性的影响，在电流给定的输入端设置了给定信号滤波器，且电流给定滤波时间常数与反馈滤波时间常数相等，同为T圆筒直线电机本身电枢回路可以看成
图4-5电流环控制环路
一个包含电阻和电感的一阶惯性环节，可以得到电流环的控制环路。
*+
其中PI调节公式为:
PI
=K（丄）=Ki
TiS
jS1
（4-1）
由图可以得到电流环开环传递函数为：
丄
筍+1Kv1R/,c、
G（s）=Ki」vJ（4-2）
iSTvS1s1丄s1
R
电流环最终校正为I型系统。
（2）速度环的设计
图4-6速度环控制环路
速度环的开环传递函数为:
（4-3）
S=2Ks©$1,•雪sS1
JssTcS1TsS1Jss[TcTs1]
可简化:
Gis二
Ks1
s2Ts1
（4-4）
速度环校正为U型系统
4.2进度安排
2013年12月20日-2014年2月：
查阅相关文献，了解研究现状，确定研究方案；
2014年2月17日-2014年2月24日：
研究所查找的资料，撰写开题报告；
2014年2月27日：
开题答辩；
2014年3月-2014年4月：
研究圆筒直线电机工作原理和数学模型，设计永磁
同步直线电机双闭环矢量控制系统，完成控制系统的MATLAB建模；
2014年4月-2014年5月：
实现矢量控制软件算法，在圆筒直线电机驱动控制测试平台上进行实物实验；
2014年5月-2014年5月30日：
撰写论文，准备答辩。
4.3预期达到的目标
通过对永磁同步直线电机的数学模型建立，深刻理解其工作原理，并掌握矢量控制的控制策略。
在Simulink仿真软件中，学会如何建立科学合理的仿真模型,学会如何调整各项参数。
在控制芯片上编写矢量控制的算法并通过实物调试，测试设计的控制系统的性能，并加以改进直到满足各项指标。
5完成课题已具备和所需的条件及经费
通过查阅大量的文献资料，对圆筒直线电机和矢量控制的控制策略已经有了初步的认识，明确了将要完成的目标和需要克服的难点。
并且初步已经基本完成了双闭环矢量控制系统仿真模型搭建工作。
实验室现已具备200N圆筒直线电机，实物图如图5-1所示
驱动控制器，如图5-2所示
图5-1圆筒直线电机
图5-2圆筒直线电机驱动控制器
6预期遇到的困难及解决方法
（1）刚接触圆筒直线电机，对其结构和工作原理还不是十分理解，建立数学模型有些困难，需要研究文献资料。
（2）Simulink使用不是十分熟练，搭建双闭环控制系统仿真模型可能会遇到困难；仿真模型中存在大量的参数，如PID参数、开关频率、仿真方法的设定等。
这些参数调整起来需要多次尝试，调整完善的道路会比较曲折。
（3）DSP芯片还没有系统的学习过，如何在编写矢量控制算法将是重点解决的问题。
（4）实物调试更加困难，需要不断地尝试。
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