机器人原理的大作业

大作业永磁同步电机伺服系统中电机启动过程分析姓名：周伟学号：1022229班级：机制二班指导老师：沈伟一、作者简介 1二、名词解释 2三、文献索引 3四、作者写该文的目的 4五、作者对于永磁同步电机伺服系统的启动过程的研究 5六、永磁同步电机伺服系统的前景及应用 8七、永磁同步电机伺服系统的现状 12八、对永磁同步电机伺服系统的相关补充 14九、我对永磁同步电机伺服系统的启动过程的认识 15大作业永磁同步电机伺服系统中电机启动过程分析内容：一、作者简介邓智泉：男，1969年生，电机与电器专业教授，博士生指导教师。1993年、1996年分别在东北大学获得工学硕士学位和工学博士学位。1996年4月起在南京航空航天大学开始博士后阶段研究工作，研究课题为“异步电动机直接力矩控制系统的关键问题研究”，在此期间完成中国博士后科学基金资助课题“异步电动机的非线性自适应控制”的研主要科研成果。严仰光：1935年3月生，男，教授、博士生导师，我国著名航空电源专家，享受国务院政府特殊津贴专家，是航空电源航空科技（部级）重点实验室的创建者与首任主任。1958年毕业于南京航空学院（现南京航空航天大学）航空电机电器专业。长期从事航空电源系统电机与控制、功率变换技术的教学和科研工作。获国家技术发明二等奖、省部级技术发明一等奖、科技进步二、三等奖多项，获授权国家发明专利36项，发表学术论文300余篇，主编专著和教材三部。培养了一大批电力电子与电力传动、电机与电器领域的知名专家和企业家，包括航空电源公司董事长、大型民营电源公司董事长、长江学者特聘教授以及重点高校电气工程学科带头人等。陈荣：男，副教授。二、名词解释磁链：导电线圈或电流回路所链环的磁通量。磁链等于导电线圈匝数N与穿过该线圏各匝的平均磁通量φ的乘积，故又称磁通匝。反电势：电功率的计算公式，用电压乘以电流，这个公式是电功率的定义式，永远正确，适用于任何情况。对于纯电阻电路，如电阻丝、灯炮等，可以用“电流的平方乘以电阻”“电压的平方除以电阻”的公式计算，这是由欧姆定律推导出来的。但对于非纯电阻电路，如电动机等，只能用“电压乘以电流”这一公式，因为对于电动机等，欧姆定律并不适用，也就是说，电压和电流不成正比。这里就要说一下欧姆定律，当电流流过电阻时会发热，而这个公式就是Q=I^2*R。而IU是功率公式，当一个元件两端的电压为U，流过元件的电流为I时，这个元件消耗的电能就是UI，包括热能，机械能等所有转化成的能量。下文的反电动势就消耗了一部分电流做的功。这是因为电动机在运转时会产生“反电动势”。反电动势是由于线圈受到磁场的影响而对原电动势产生的一个相对抗的电动势。逆变器：逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。通过点烟器输出的车载逆变是20W、40W、80W、120W到150W功率规格。再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器。占空比：在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。三、文献索引孙立志，陆永平，邓召春。永磁同步电动机再生制动状态的分析与仿真【J】。微电机，1997，（6）：8-11.叶东，张锋奇，孙丽玲，等。稀土永磁同步电动机起动过程研究【J】.中国电机工程学报，1998,18（5）：335-340.李崇坚，王祥珩，李发海，等。磁场定向控制交交变频同步电机系统的数学模型【J】.清华大学学报（自然科学版），1995,35（4）：1-8.王成元。矢量控制交流伺服驱动电动机【M】.北京：机械工业出版社，1995.179-197.汤蕰缪，史乃，沈文豹。电机理论与运行【M】.北京：水利电力出版社，1984.291-303.张波，李忠，毛宗源。PWM逆变器供电的同步电机适量控制电流环的研究与设计【J】.控制理论与应用，1999,16（5）：664-668.KadjoudjM,BenbouzidMEH.Arobusthybridcurrentcontrolforpermanentmagentsynchronousmototdrive[A].IECON’01[C].Piscataway:IEEE,2001,2068-2073.陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)[M].北京：机械工业出版社，1999.56-94.黄健，许光瑜，陈德树。双轴励磁同步发电机的微分反馈非线性最优励磁控制[J].中国电机工程学报，1996,16（5）：341-357.四、作者写该文的目的针对永磁同步电机的启动问题，已有的研究并不全面，启动的动态过程是系统响应性能的重要方面，尤其是需频繁启/制动工作的伺服系统，启动过程的响应速度将直接影响整个系统的性能。本文中基于永磁同步电机dq坐标系上的数学模型，借助实验和仿真来研究磁场定向控制下电机的启动过程。五、作者对于永磁同步电机伺服系统的启动过程的研究如图，即为额定功率时电流稳态与动态响应及电机速度阶跃响应与电机某一项电流。对电机启动进行矢量控制：矢量控制下同步电机运行的向量图如图3所示；电机与逆变器连接的主电路见图4；电机启动过程可以分为3个阶段（见图5）。启动过程的仿真与试验验证：电机启动过程的速度电流波形如图6所示：（a）为仿真曲线，仿真对象参数与实验对象参数相同；（b）为空载试验波形；（c）为带上大惯性负载的试验波形。图中启动过程中实验的电流波形与仿真的电流波形有较大的差异，这是由于该波形为电机一相电流波形，且电机启动时刻是随机的，不能像仿真那样可以任意指定启动时刻。再观察大惯性负载启动过程，在电机速度接近给定速度时，由于电机反电势较大，电流环的动态跟随能力下降，电机速度响应过程平缓。为提高电机速度响应，应该将逆变器的最大占空比设置为接近1.图B为电机启动过程中电机速度与电机端电压的波形，从图中可以清晰地看出电机所处的工作状态，由于启动时电机电枢电流产生了超调，故在启动初始电压反向，使电流回落，即电流有一调整过程。在电机启动过程中，逆变器将由负载电流迅速增加到输出限幅电流。由于给逆变器供电的是单相二极管整流，电容滤波，所以供电电压将要下降。带载启动或系统设置较大限幅启动力矩时，在电机启动后期，速度接近给定速度，电源电压余量减小，致使电机电枢电流不能动态跟随给定值，电机速度响应将变缓，所以需要考虑直流侧电压的变化问题。启动时，电压下降数值和启动时相对整流桥的工作时刻及电机转动惯量有关，转动惯量越大，电压下降越多。如果启动对应整流桥输出电流的相邻波形之间，此时仅由滤波电容供电，电压将有较大下降。如果启动过程对应整流输出电流时刻，则此时除电容外，电源还给电机启动提供电能，电压下降数值将减小。电机空载启动过程中电压波形的变化见图8所示稳态值为.因而，失量控制下永磁同步电机的启动是一比较复杂的过程，电机将经历电流建立、线性加速和速度调整3个阶段，其中线性加速阶段决定电机启动过程的时间长短，需要充分利用电机潜力以提高电机的响应速度。在电流建立阶段，电流的上升速率主要取决于直流母线电压，但上升并非线性。速度线性上升阶段，电机速度的增加与加速力矩成正比，与电机轴联负载转动惯量成反比，应尽可能充分发挥电机潜力，设置高的启动转矩，可以有效地减小启动时间。速度调整阶段应尽量避免系统振荡及系统过阻尼，以使系统快速进入稳定，这可以通过调整速度调节器的比例积分系数增设转速微分负反馈来解决。在整个启动运行过程中，需要电机电流实时跟随给定电流，则电流调节器需要有良好的动态跟随性能。启动过程中，直流电压的下降主要取决于电机及轴联负载机械惯性及电容数值。需要合理选择滤波电容及整流电路供电方式。六、永磁同步电机伺服系统的前景及应用现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机(包括无刷直流电动机)三大类，它们的综合特性比较见表2。按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。1、定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、\o"压缩机"压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。例如，家用\o"空调"空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100，则永磁无刷直流电动机的体积为38.6，重量为34.8，用铜量为20.9，用铁量为36.5，效率提高10以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还较少有应用。2、调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又轻易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置;其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW～300kW,体积比同容量异步电动机小1～2个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。3、精密控制驱动①高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。②信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的要害部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是非凡高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1～0.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的哟观念慈同步电动机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机已在从小到大，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。参考网址：/share_news/410529.html七、永磁同步电机伺服系统的现状早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人对永磁同步电机的直接起动方面做了大量的研究工作。在上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电机进行了深入的研究，其供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但多数情况下无阻尼绕组。并在该时期发表了大量的有关永磁同步电机数学模型、稳态特性、动态特性的研究论文。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。可设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机。

近年来微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

九十年代初期，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁同步电机伺服驱动。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。

随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）;基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。参考网址：/dianzijixie/080728/15233877.html八、对永磁同步电机伺服系统的相关补充采用正弦波的永磁同步电动机可根据永磁体在转子E放置的位置分为三种：一是永磁体埋在转子内的内磁式永磁同步电动机，如图8所示，为一台4极，径向充磁的内磁式永磁同步电动机：二是永磁体安放在转子表面的外磁式永磁同步电动机；第三种是永磁体嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步电动机．如图9所示。九、我对永磁同步电机伺服系统的启动过程的认识矢量控制下电机的启动有三个阶段：电流建立阶段线性加速阶段速度调整阶段在转子磁场定向控制方式下，电枢电流与反电势同相，机电刘聪电势高端流进，低端流出，