永磁同步电机是同步电机的一个重要类型，其转子一般采用稀土永磁材料做激磁磁极，与传统同步电机相比，体积和重量大为减小，而且结构简单，运行可靠，维护更方便。现代电气传动控制的发展趋势之一是开发新的交流调速与伺服系统。无论在矢量控制还是标量控制中，转速与位置的闭环控制都需要在电机轴上安装一个速度传感器，但是由于速度传感器的引进不仅增加了成本，降低了系统可靠性，还存在安装问题，效果并不十分理想。因此高性能无速度传感器控制成为近年来电机研究的热点。 本文在系统介绍卡尔曼滤波器的基础上，将其引入到永磁同步电机无速度传感器状态观测中。由于永磁同步电机是一个强耦合的多阶非线性系统，本文采用了工程实际中普遍采用的泰勒展开式截断的方法，对电机方程线性化处理，将卡尔曼滤波算法推广至非线性系统，并加入了反映电机系统模型误差和环境干扰的系统噪声和测量噪声模型，形成扩展卡尔曼滤波算法。扩展卡尔曼滤波器将电机转子位置与转速作为系统状态变量进行实时估算，并将所得信息反馈到永磁同步电机控制系统中。通过仿真，与电机实际运行状态进行比较，证明了扩展卡尔曼滤波具有良好的动态跟踪能力和抗噪声能力。 针对扩展卡尔曼滤波算法在无速度传感器控制中存在的不足，本文给出了降阶线性卡尔曼滤波算法。降阶线性卡尔曼滤波算法重新选择了系统状态变量，建立新的完全线性化的系统方程，并且卡尔曼滤波算法中的系统协方差矩阵成为时不变序列，因此可以直接应用线性卡尔曼滤波算法。仿真结果证明，与扩展卡尔曼滤波算法相比，新的算法更加简单，减轻了繁重的参数调节任务，易于数字化实现，不仅具备扩展卡尔曼滤波算法的优势，而且在某些性能方面超越了扩展卡尔曼滤波算法。 通过分析得知，由于将系统模型不确定性与测量噪声体现在系统方程中，因此卡尔曼滤波算法在状态估算方面具有良好的性能。本文以降阶线性卡尔曼滤波 算法为理论基础，以永磁同步电机为对象，以数字信号处理器（DSP）为核心，设计了电机状态观测系统的设计方案。整个方案在不增加成本的基础上，充分利用数字信号处理器（DSP）丰富的资源和强大的运算能力，通过检测电机相电流，实时估算出电机转子位置与转速。本系统可以代替传统速度传感器，为电机控制系统提供转子位置和转速反馈信息。本文的下一步主要工作便是将此系统付诸实践，应用于实际工程中，对卡尔曼滤波算法在永磁同步电机无速度传感器控制方面的性能进行进一步研究。关键词：永磁同步电机；无速度传感器；卡尔曼滤波
上传时间： 2013-04-24
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作为新一代直流输电技术，基于电压源换流器的高压直流输电凭借其独特的技术优点取得了飞速的发展，并已在新能源发电系统联网、电网非同步互联、无源系统供电、无功补偿等场合得到实际工程应用。在我国，VSC-HVDC的研究尚处于起步阶段。本论文着重开展了VSC-HVDC技术的数学建模和控制策略的研究。论文的主要工作和取得的创新性成果如下： 1．建立了系统标么值模型，分析了VSC-HVDC的运行原理和稳态功率特性。明确了系统主电路参数对运行特性的影响，在此基础上提出了一种功率定义下的换流电抗、直流电压和直流电容以及频域下的交流滤波器参数设计方法。 2．设计了一种基于无差拍控制的VSC-HVDC直接电流离散控制器。针对控制系统存在的VSC电压输出能力限制、PI控制器积分饱和现象和离散采样时间延迟问题，提出了相应的解决方法，推导了其电流内环控制器与功率外环离散控制器的设计原则。 3．推导了换流站网侧与VSC交流侧功率节点以及换流电抗与损耗电阻上的瞬时功率方程，在此基础上提出了一种换流站网侧功率节点控制并补偿换流电抗与损耗电阻消耗二倍频功率的不平衡控制策略，设计了该控制策略下的双序矢量控制器模型。同时针对传统dq软件锁相环在电压不平衡时锁相速度慢的缺点，提出了一种基于前置相序分解的频率自适应dq锁相环，提高了不平衡控制算法的动态性能与稳态特性。 4．对VSC阀在交流电网低电压故障下的过流现象进行分析并提出了一种考虑正负序分量影响的指令电流限制器，保证了故障限流效果。分析比较了VSC阀电流裕度穿越法和指令电流限制器穿越法的特性，在此基础上提出一种结合正负序指令电流限制器与控制模式切换的交流电网低电压穿越控制方法，从而解决交流电网低电压故障时系统稳定与VSC过流问题。 5．在分析现有VSC-HVDC拓扑的基础上，从降低电力电子器件直接串联数目、器件开关频率和简化主电路拓扑结构三个方面出发，将传统直流输电中常用的变压器隔离式多模块结构引入VSC-HVDC系统，并针对该模块级联式拓扑提出一种系统协调控制与模块独立运行相结合的新型控制策略。针对该拓扑下送端站存在的各模块直流侧电容电压均衡问题，提出了一种基于有功分量调节的直流侧电压控制方法。
上传时间： 2013-06-03
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本文分析了永磁同步直线电动机的运行机理与运行特性，并通过坐标变换，分别得出了电机在a—b—c，α—β、d—q坐标系下的数学模型。针对永磁同步直线电机模型的非线性与耦合特性，采用了次级磁场定向的矢量控制，并使id=0，不但解决了上述问题，还实现了最大推力电流比控制。为了获得平稳的推力，采用了SVPWM控制，并对它算法实现进行了研究。 针对速度环采用传统PID控制难以满足高性能矢量控制系统，通过对传统PID控制和模糊控制理论的研究，将两者相结合，设计出能够在线自整定的模糊PID控制器。将该控制器代替传统的PID控制器应用于速度环，以提高系统的动静态性能。 在以上分析的基础上，设计了永磁同步直线电机矢量控制系统的软、硬件。其中电流检测采用了新颖的电流传感器芯片IR2175，以解决温漂问题；速度检测采用了增量式光栅尺，设计了与DSP的接口电路，通过M/T法实现对电机的测速。最后在Matlab/Simlink下建立了电机及其矢量控制系统的仿真模型，并对分别采用传统PID速度控制器和模糊PID速度控制器的系统进行仿真，结果表明采用模糊PID控制具有更好的动态响应性能，能有效的抑制暂态和稳态下的推力脉动，对于负载扰动具有较强的鲁棒性。
上传时间： 2013-07-04
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交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化设备，如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术，但是要提高交流伺服系统的控制性能关键在于伺服控制器对电机动态和静态响应的控制，要获得良好的电机动、静态性能关键在于伺服控制器的控制算法。为此，本文开展了主要针对电机控制算法中的PID控制器参数整定算法研究。研究工作是基于黑龙江省科技攻关项目为支撑。 本论文在查阅大量文献资料的基础上，掌握了系统构成和基本控制原理，并分析了国内交流伺服存在的问题，设计了基于TI公司电机数字化控制芯片TMS320F2812的交流伺服控制器的控制单元；基于三菱公司智能化功率器件IPM设计了控制器的功率单元；以及电源单元和相关电路的保护单元。 基于电机矢量控制原理，构建了永磁同步电机的矢量控制模型，在原有研究的基本PID控制基础上，根据模糊控制的基本原理，研究了应用于电机控制的模糊参数自整定PID控制器设计原理，构建模糊参数自整定PID控制器的数学模型，并进行该系统的仿真研究和实际应用程序设计。 本文的重点是阐述模糊参数自整定PID控制器的设计原理和方法，利用基于模糊参数自整定PID控制器的交流伺服系统仿真模型，应用Matlab/Simulink仿真软件平台验证模型和算法的正确性，并与常规PID控制性能进行对比分析。在实际硬件平台验证了本文提出算法的可行性和正确性。 通过仿真和实际结果对比得出结论，模糊参数自整定PID控制器可以提高交流伺服系统的动态和静态性能。
上传时间： 2013-04-24
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异步电动机直接转矩控制技术是近年来发展起来的一种新型、高性能交流调速技术。它利用电压源型逆变器的工作过程，控制定子磁链的走或停，即调整定子磁链与转子磁链的夹角大小，从而对电机转矩进行直接控制以获得良好的动态性能。 论文首先探讨了直接转矩控制技术的现状和发展趋势，阐述了直接转矩控制的基本原理，分析了常用的圆形磁链轨迹控制方法，详细介绍了直接转矩控制系统主要模块的设计和实现。在分析交流异步电机动态数学模型、转矩和磁链计算方程的基础上，分析了直接转矩控制的异步电动机在低速运行时存在转矩脉动和转速波动较大的问题。基于占空比控制和离散占空比控制的异步电动机直接转矩控制方法，由电机电磁转矩公式和合成电压矢量理论推导了直接计算占空比的方法，在不影响系统各方面性能指标的情况下使降低转矩脉动的计算量大大减少，方便了计算和使用。两种方法均具有系统结构简单、占空比计算量小等优点。研究结果验证了这两种方法的正确性和有效性。在第一种方法中加入了单神经元控制器，使系统的动静态性能得到了提高。接着对利用空间电压矢量调制的直接转矩控制系统进行了研究。仿真结果表明此种方法能够有效的降低转矩脉动，使系统性能得到提高。 以TMS320F2812DSP为CPU搭建了直接转矩控制硬件实验平台，调试了硬件电路。编写了相关软件流程图和程序清单。
上传时间： 2013-04-24
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随着电力电子技术的发展，交流电源系统的电能质量问题受到越来越多的关注。传统的整流环节广泛采用二极管不控整流和晶闸管相控整流电路，向电网注入了大量的谐波及无功，造成了严重的污染。提高电网侧功率因数以及降低输入电流谐波成为一个研究热点。功率因数校正技术是减小用电设备对电网造成的谐波污染，提高功率因数的一项有力措施。本文所做的主要工作包括以下几部分： 1.分析了单位功率因数三相桥式整流的工作原理，这种整流拓扑从工作原理上可以分成两部分：功率因数补偿网络和常规整流网络。在此基础上，为整流电路建立了精确的数学模型。 2.这种单位功率因数三相桥式整流的输入电感是在额定负载下计算出的，当负载发生变化时，其功率因数会降低。针对这种情况，提出了一种新的控制方法。常规整流网络向电网注入的谐波可以由功率因数补偿网络进行补偿，所以输入功率因数相应提高。负载消耗的有功由电网提供，补偿网络既不消耗有功也不提供任何有功。根据功率平衡理论，可以确定参考补偿电流。双向开关的导通和关断由滞环电流控制确定。在这一方法的控制下，双向开关工作在高频下，因此输入电感值相应降低。仿真和实验结果都表明：新的控制方法下，负载变化时，输入电流仍接近于正弦，功率因数接近1。 3.根据IEEE-519标准对谐波电流畸变率的要求，为单位功率因数三相桥式整流提出了另一种控制方法。该方法综合考虑单次谐波电流畸变率、总谐波畸变率、功率因数、有功消耗等性能指标，并进行优化，推导出最优电流补偿增益和相移。将三相负载电流通过具有最优电流补偿增益和相移的电流补偿滤波器，得到补偿后期望的电网电流，驱动双向开关导通和关断。仿真和实验都收到了满意的效果，使这一整流桥可以工作在较宽的负载范围内。 4.单位功率因数三相桥式整流中直流侧电容电压随负载的波动而波动，为提高其动、静态性能，将简单自适应控制应用到了直流侧电容电压的控制中，并提出利用改进的二次型性能指标修改自适应参数的方法，可以在实现对参考模型跟踪的同时又不使控制增量过大，与常规的PI型简单自适应控制相比在适应律的计算中引入了控制量的增量和状态误差在k及k+1时刻的采样值。利用该方法为直流侧电压设计了控制器，并进行了仿真与实验研究，结果表明与PI型适应律相比，新的控制器能提高系统的动态响应性能，负载变化时系统的鲁棒性更强。
上传时间： 2013-06-15
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无功补偿对于现代电力系统的运行与稳定性来说是必不可少的。静止无功发生器(SVG)经过了三十多年的发展,已经在无功补偿技术上得到广泛的应用。它具备优越的动态性能,可以大大提高电力系统的电压调整能力和系统稳定性,进而提高电力系统的输电能力。在我国,充分发挥SVG的作用,显得尤为迫切。 本文论述了SVG的发展概况,研究了SVG的工作原理,对大容量的主电路结构进行了比较分析,并在此基础上建立了SVG的稳态数学模型和标幺值数学模型。然后,阐述了瞬时无功功率理论,给出了无功电流检测的具体算法,并利用MATLAB仿真软件对该算法进行了仿真实现。接下来研究比较了SVG的两种传统控制策略,介绍了几种PWM触发技术,其中着重研究了空间矢量PWM(SVPWM)的算法。利用MATLAB仿真软件对基于传统电流间接闭环控制算法的SVG进行了系统级仿真实现,在与电流直接控制的SVG仿真结果做对比后,指出各自的补偿特点。文章重点在结合以上算法各自的优缺点、电网本身的大扰动和电力系统对SVG控制性能的严格要求后,给出了一种新型电压电流双闭环的控制方法。其中电流内环采用瞬时无功电流的PI反馈控制,PI值根据系统数学模型中iq△δ的比例关系,采用了齐格勒-尼柯尔斯法则进行整定；而电压外环则采用系统动态电压的智能遗传PI反馈控制,利用智能遗传算法对PI值进行整定。用MATLAB/SIMULINK分别对两个环节的控制算法进行了仿真,并针对外环控制器的遗传PI算法,与PI算法的仿真结果做了对比,证明了遗传PI的优越性,为基于双闭环控制的SVG系统级仿真打下了基础。最后,文章利用MATLAB/SIMULINK/PSB对新型电压电流双闭环系统的SVG进行了仿真实现,并对在电网不同情况下的补偿效果与传统电流间接控制的SVG进行了分析与比较。仿真结果表明该控制方式具有更好的动态性能。
上传时间： 2013-04-24
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由于高频PWM整流器可以提供正弦化低谐波的输入电流，可控功率因数，及双向能量流动，因此得到越来越广泛的应用。网侧单电感滤波会带来一些问题，首先要想得到较好的滤波效果，必须增大电感值，这样系统的动态性能会变差，而且成本增加。另外，整流器的功率比较大时，交流侧的滤波的损耗也会增大。为了解决上述问题，本文研究了基于LCL滤波的高频PWM整流器。在交流侧应用LCL 滤波器可以减少电流中的高次谐波含量,并在同样的谐波要求下,相对纯电感型滤波器可以降低电感值的大小，提高系统的动态响应。 文章首先对高频PWM整流器的工作原理做了详细的介绍，并对基于L和LCL两种不同的滤波器，分别在ABC静止坐标系，αβ静止坐标系和dq旋转坐标系中建立了数学模型。文章中将L滤波的电压型三相PWM整流器的控制方法应用于LCL滤波情况。基于dq轴模型，提出了双闭环的控制策略，电流内环采用前馈解耦控制。为了提高电流的跟随性能，按照典型Ⅰ型系统设计电流调节器。为了提高电压环的抗干扰性，按照典型Ⅱ型系统设计电压调节器。 文章还详细讨论了LCL滤波器带来的谐振问题，以及参数设计方法，列出了实际系统LCL滤波器参数的设计步骤。文章在MATLAB/SIMULINK环境下建立了PWM整流器仿真模型对系统进行了仿真，按照文章提出的理论设计的仿真系统具有良好的动态和稳态性能。 文章最后基于TMS320LF2407A设计了整流器装置的控制系统硬件和软件，并得到了初步实验结果，能满足控制要求，从而验证了控制方案的正确性。
上传时间： 2013-07-01
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三相逆变器作为交流供电电源的主要部分，广泛地应用于电动车、电力设备、产业设备、交通车辆等领域。逆变器的并联控制技术以其广泛的应用前景也得到越来越深入地研究。人们对逆变电源的要求越来越高，高性能、高可靠性的大功率逆变器就是当今逆变电源的发展趋势之一。提高逆变电源容量主要有两个途径，设计大功率的逆变器和采用逆变器并联技术实现电源模块化。 为此，本文以两台400kVA组合式三相逆变器为对象，采用全数字化控制方式，主要研究了大功率三相逆变器的波形控制技术和并联控制技术。本文围绕大功率组合式三相逆变器，对其主电路结构、系统的数学模型、波形控制技术以及并联系统模型、并联控制方案进行了较为详细的分析和研究。分析了适用于大功率的组合式三相逆变器结构，并给出了400kVA组合式三相逆变器的主电路设计。建立和分析了组合式三相逆变器在ABC、αβ、dq 坐标系下的数学模型。针对大功率组合式三相逆变器，采用在dq 坐标系下的三相电压闭环统一控制方案。为了使大功率三相逆变器得到较好的输出电压波形质量，采用PID 瞬时值电压反馈控制和重复控制并联结合的控制方案。分析了PID 控制器和重复控制器的原理，并针对400kVA 三相逆变器的系统性能，给出了相应数字PID 控制器和重复控制器的设计。并利用Matlab 建立了系统的仿真模型，给出了理论研究结果。提出了有效提高系统动态性能的两种方法：加负载电流前馈和动态过程中强制改变改变调制比。介绍了大功率三相逆变器的短路限流保护技术，提出了采用瞬时值限流电路和单独的软件限流环相结合的方案，保证大功率三相逆变器在短路时自动限流保护。对两台大功率三相逆变器组成的并联系统的结构、环流特性及逆变器的输出功率进行了分析。详细分析了输出阻抗特性不同时，逆变器环流和输出功率分配的差异，得出了输出阻抗对环流和功率影响的一般规律。针对大功率三相逆变器并联系统，采用基于功率误差的分散逻辑控制方案。分析了基于功率误差的分散逻辑控制原理，逆变器输出功率的检测和母线信号综合的脉宽调制原理。根据400kVA 三相逆变器并联系统的输出阻抗特性，采用了无功调节输出电压幅值和同步锁相实现相位同步的并联控制策略。 本文最后在两台400kVA组合式三相逆变器样机上得到了实验验证。实验结果进一步验证了大功率三相逆变器的波形控制和并联控制策略有效可行性。
上传时间： 2013-07-03
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电力电子系统的集成化是现今电力电子技术发展的趋势，系统的模块化和标准化技术是目前电力电子领域的重要研究方向。研究基于电力电子网络的变流系统，对复杂电力电子装置的系统级集成具有重要意义，是电力电子系统集成技术的基本组成部分。本文从变流系统的功率流和信息流双重分布性的角度出发。对电力电子系统网络（Power Electronics System Network，PES—Net）的模型和变流系统的通信需求进行分析，提出实时电力电子系统网络（Real—time power electronics system network，RT—PES—Net）；并对基于新网络的分布式控制及管理方案和模块化软件方案等内容进行系统的研究，提出基于栈操作的实时软件构建方案。本文的研究将为变流系统的控制结构和软件方案标准化提供参考和理论依据，为应用系统的集成提供解决方案。 复杂中大功率变流系统是网络化分布式控制系统的应用对象。首先，论文以复杂系统为研究对象，分析了应用系统的功率流和信息流在空间结构上的对偶关系和双重分布的特性；在电力电子集成模块（Power Electronics Building Blocks，PEBB）的基础上，研究了变流系统的网络化分布式控制方案，并得出系统组构的初步构想，总结出适合复杂电力电子系统集成的标准化理论。 接着，论文对电力电子网络模型进行了研究。分析了现有各类总线网络和目前用于电力电子应用系统的网络，从结构、速率和协议等各个方面将两类网络进行了系统的对比。明确了电力电子系统网络（PES—Net）的定义，分析并总结复杂电力电子实时系统所需网络必需具备的条件。根据现有网络技术背景，综合控制结构和网络需求，提出了电力电子系统网络（PES—Net）的模型。 为满足变流系统的实时控制，论文对分布式控制结构的通信需求进行了研究。以网络控制系统（Networked Control System，NCS）为背景，对变流器系统控制信息延时因素进行了分析；通过对典型电力电予系统的分析，归纳和总结了系统的控制功能和控制内容，对系统不同层次的控制任务进行了响应时间需求分析和网络的分层配置；通过对仿真结果的分析，研究了应用系统内模块控制信息延时对不同应用系统的性能影响和对开关频率的限制。根据变流系统对控制延时的接受程度，将电力电子复杂系统归为两大类：1）零延时系统；2）定延时系统。针对上述两类系统，论文给出了电力电子网络（PES—Net）的通道容量和应用系统开关周期的计算方法。 论文对开放式、分布式的电力电子系统网络（PES—Net）的硬件组成和同步方案进行了研究，提出新的实时网络和系统级集成方案。根据主节点和从节点的控制任务需求，分别从功能和系统结构的角度对开放式网络的硬件构成进行研究；根据控制系统的接口需求分析，对节点的通用性设计进行重点讨论。针对网络的同步问题，本文分析了简单有效的解决方法，即基于数据结构的同步补偿方案；此外，论文提出基于实时高速电力电子系统同络（RT-PES-Net）的同步方案，研究适合变流器实时控制的网络结构和相应的硬件配置。根据应用控制和通信系统所需的各种操作，论文对实时网络的管理进行了讨论，研究了信息帧管理和相应的硬件设置，并对各种工作模式下所需的通信时间进行了计算和比较。基于实时网络系统及其管理方案，论文给出了组构以PEBB为基础的变流系统的方案。 论文对基于RT-PES-Net的模块化软件方案进行了研究。首先，将控制软件与功率硬件进行解耦，使得软件设计与硬件部分分离。在分析电力电子软件特性的前提下，论文提出基于栈操作的模块化软件方案，增加子程序实时构件的内聚性；对软件模块化的通用性进行研究，分析模块接口参数和变量的申明和配置，并研究参数的定标，对构件进行分类；分析子程序实时构件在执行速度上的优点。论文对电力电子系统控制软件（Powerr Electronics System Control Software，PES-CS）的组构和集成进行研究，简化软件主框架。 最后，论文分别对RT-PES-Net和模块化软件方案进行了相应的实验研究和分析。论文对提出的实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）进行了通信实验，将新网络拓扑对变流系统的延时影响与旧网络系统的延时影响进行比较，总结新网络系统在控制实时性、提高开关频率、网络可扩展性和管理灵活度等方面的优势。论文针对RT-PES-Net进行应用研究，验证该网络可解决网络通信失步所造成的问题。论文对基于通用型实时构件和栈操作的模块化软件方案进行实验验证，为标准化软件库的建立和系统级集成提供参考方案。 网络化的控制结构研究是复杂电力电子系统级集成研究的关键。本课题针对复杂变流系统提出了实时电力电子系统网络（RT-PES-Net），并以该网络为基础对分布式控制结构及相应的网络化管理方案和模块化软件方案展开一系列研究，为电力电子控制系统提供标准化、开放式的网络参考体系，并以此结构来快速构建终端复杂变流系统，为实现标准的应用系统组构提供参考方案，有助于解决电力电子标准化推广所面临的难题。论文为应用系统的即插即用和动态重构提供了研究基础，从而为最终实现复杂变流器的应用系统级集成提供系统化的理论和方法依据。同时，论文的研究开拓了电力电子系统集成和标准化研究的一个新方向。
上传时间： 2013-06-15
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