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篇（1）

中圖分類號：TH132.44 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0093-03

在機械工程領域，機械傳動技術是機械工程技術的重要組成部分，在一定程度上標志著機械工程技術的水平。為適應這一趨勢，人們一般從以下方面對齒輪及蝸桿傳動展開新的研究工作。一、應用現代材料科學技術，研究開發齒輪及蝸輪新材料；二、采用先進制造技術，不斷完善高性能齒輪及蝸輪蝸桿齒廓成型技術，提高加工精度；三、運用計算機輔助設計技術，對齒輪及蝸輪蝸桿傳動進行齒廓優化、參數優化及機構優化。

隨著電子、信息和控制等技術向機械工程領域的不斷滲透，傳統的機械傳動系統也發生了很大變化，跨越舊的機構組成概念，實現機電和控制有機結合的新型復合傳動機構已成為機械科學領域的國際性前沿課題。機電集成超環面傳動是一種集電、機、控制于一體的新型傳動機構。

超環面機電傳動系統機構由行星輪、環面蝸桿、環面定子和行星架組成。由于在結構上它具有蝸桿上一個外環面和定子上一個內環面兩個環面，所以稱其為超環面。同時，由于它是由電磁力替代了超環面行星蝸桿傳動機構中的接觸嚙合力，所以稱其為超環面機電傳動機構。蝸桿環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪圓周上均勻安放弧形永磁體，環面定子內環面上均勻安置螺旋形永磁體。

與現有的超環面行星傳動相比，它不僅具有環面蝸桿傳動震動小、嚙合齒數多、結構緊湊、體積小、重量輕、承載力高、傳動功率及傳動比范圍廣和傳動效率高的優點，它在工作時，是用磁場力替代嚙合力，具有無嚙合、無和效率高等優點。超環面行星蝸桿傳動機構在工作時需要配帶電動機，而超環面機電傳動機構不需要配帶電動機。

在超環面行星蝸桿傳動的加工制造方面，國內外的專家、學者一直在進行著不停的研究和探索。我國武漢水運工程學院陳定方教授、哈爾濱工業大學姚立綱博士都對該種傳動的制造加工進行了深入的研究。燕山大學許立忠教授于1999年制成國內首臺滾錐齒超環面傳動試驗樣機，進行了臺架實驗，并取得良好的試驗效果[6]，之后又對滾錐齒超環面行星蝸桿傳動進行了優化設計，有效的減小了樣機的體積和質量[7]。

實踐證明， 超環面機電傳動機構有著其他機構所不具備的很多優點。隨著永磁傳動技術的快速發展，用磁力線嚙合代替機械嚙合成為解決摩擦損耗的一個新思路。在實際的加工生產過程中，電動機可以有效的將電能轉化為機械能，通常也作為驅動的目的使用，磁性是電動機工作的基礎。

電動機是工業中的重負荷機器，有很多類型的電動機，每種類型的電動機都有自己各自的特征和優點。有些電動機是以恒定速度運行的，還有一些電動機會隨著負載的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些則會由于負載的原因使其速度大幅度降低。

如圖1所示為超環面傳動機構簡圖，該機構由定子0、行星輪1、中心蝸桿2和行星架3組成。也正是由于在結構上它具有蝸桿2上一個外環面和定子0上一個內環面兩個環面的原因才稱之為超環面傳動。

中心蝸桿2環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪1圓周上均勻安置弧形永磁體，環形定子0內環面上均勻安置螺旋形永磁體。由電機學和永磁理論可知在工作的時候，中心蝸桿2由硅鋼片疊加而成，外表纏有電磁線圈，接通三相交流電產生空間旋轉電磁場，驅動行星輪自轉和公轉，定子處也有磁場力驅動行星輪公轉。

永磁行星輪齒N、S極相間、均勻地嵌在行星輪的圓周上。螺旋定子由若干個鋼材或者永磁體制成的空間螺旋梁組成。螺旋梁均勻的嵌在定子支架上，用于吸引行星輪齒沿軌跡運動。

由于該系統是傳統意義上的驅動系統和減速增矩系統的集成，因此該傳動機構結構緊湊，可以在很小的空間內傳遞很大的扭矩，特別適合于航空和航天等尖端技術領域以及坦克潛艇等重要軍事領域。

超環面機電傳動機構傳動部分，如圖2所示，主要包括電樞蝸桿、永磁行星輪、永磁定子及行星架等部件。超環面機電傳動蝸桿由鐵心和電樞組成，蝸桿結構為由開口的硅鋼片疊加而成，以便于減少渦流損耗，硅鋼片中間由一根芯軸固定，外面呈現超環面的內環面部分。開口按一定的規律在內環面上加工出電樞槽，用以安放電樞導線。

超環面機電傳動系統是在超環面行星蝸桿傳動的基礎上，對各個組成零件進行機電組合而得到。行星輪仍然是該傳動的中心構件，根據行星輪的結構及運動特點，行星輪結構采用永磁勵磁方式，永磁勵磁與電流勵磁相比，不需要勵磁電流，不設電樞導線，結構簡單，使用方便，可靠性高，在一定范圍內，可以具有比電磁式更小的體積和重量，從而減小整個傳動機構的重量和體積。

超環面機電傳動機構在行星輪圓周上安置永磁體，N、S極由隔磁材料隔開，齒數為偶數，形成永磁行星輪；為了能更好地控制輸入轉矩，蝸桿采用電流勵磁方式，三相交流電樞均勻地嵌于蝸桿表面，通過控制三相交流電的頻率和強弱，進而控制整個機構的轉速和力矩，電樞的纏繞方式取決于需要的磁極數目和行星輪齒數，在整體結構上類似于電動機的定子結構；為了獲得較大的輸出力矩，定子也采用稀土永磁勵磁，結構簡單， 便于加工， 解決了超環面行星蝸桿傳動定子加工難的問題。

在超環面機電傳動機構中， 分別存在兩個磁回路， 對應于蝸桿與行星輪嚙合和定子與行星輪嚙合， 從原理上來說蝸桿與行星輪嚙合相當于電動機， 蝸桿線圈通電產生旋轉磁場帶動行星輪轉動， 這樣行星輪上磁極的磁力線通過氣隙到達蝸桿旋轉磁場磁極， 蝸桿由硅鋼片疊加而成， 磁力線通過硅鋼片到達蝸桿的另一磁極，經過氣隙回到行星輪磁極， 經過行星輪體完成磁力線的閉合。

超環面機電傳動系統的主要優點就是能實現系統的內部減速，可以實現較大的傳動比。我們把系統的傳動比定義為：輸入的旋轉電磁場的轉速與輸出軸轉速之比[1]。超環面機電傳動的傳動比計算分成兩種情況：環面定子固定和行星架固定。

磁齒輪的嚙合與普通齒輪的嚙合有根本的不同，普通齒輪嚙合時，靠接觸線或接觸點，通過接觸處材料的彈力傳遞機械力， 實現傳動；而磁齒輪嚙合實際上是兩個磁極的正對面相互對齊，靠彼此之間的磁力作用傳遞運動。根據電磁理論，電樞合力方向為齒槽面的法線方向，可分解為三個相互垂直方向的作用力，使行星輪發生自轉和公轉，帶動行星架轉動， 實現運動的輸出。

行星輪受力分析如圖3示，中心蝸桿表面上均勻排布N 極、S 極間隔的稀土永磁體， 定子的內環面上也均勻排布N 極、S極間隔的螺旋形稀土永磁體。當中心蝸桿的電樞接通三相交流電時， 在其周圍將產生旋轉磁場，行星輪在蝸桿和環面定子兩處將受到磁場力的共同作用，在這兩處磁場力的共同作用之下， 行星輪將在自轉的同時還繞中心蝸桿軸線公轉，支撐行星輪的行星架將在行星輪的驅動之下作自轉運動， 行星架的自轉運動就是該機構的輸出運動。

設行星輪輪齒在任一轉角ψi處與中心蝸桿嚙合， 即行星輪上一個永磁體與蝸桿旋轉磁場在這個位置有磁場力作用。Fni表示此刻行星輪受到的磁場力，即法向力。Fai和Fti分別表示其軸向分力和切向分力。在超環面機電傳動機構中， 行星輪上永磁體與蝸桿間氣隙非常小，如果把行星輪上均勻分布的永磁體當量為一段通電導體， 這個當量通電導體可以近似認為與中心蝸桿電磁場平行。那么可以得到中心蝸桿與行星輪之間的磁力作用， 如圖3所示的法向力Fni，即：

（1）

式中： Fni――中心蝸桿與行星輪之間的法向力N；

B――中心蝸桿旋轉磁場與行星輪永磁體磁場的合磁場強度， T；

L――行星輪上均勻分布永磁體的有效長度，mm；

Id――行星輪永磁體磁場當量電流強度， A 。

切向分力Fti提供行星輪自轉驅動力矩Ti， 軸向分力Fai驅動行星輪公轉， 行星輪自轉的同時要與定子嚙合。定子上螺旋分布的永磁體與行星輪上均勻分布的永磁體產生磁力， 這個磁力與在蝸桿處受到的磁力一樣， 可以分解為一個軸向分力F’ai和一個切向分力F’ti。F’ti施加行星輪自轉阻力矩T’1。T1與T’1大小相等。

超環面機電傳動機構中，行星架與所有行星輪中心軸連在一起，所有行星輪的公轉力矩共同形成行星架的輸出力矩。對于每一個行星輪，它的公轉力矩分為兩個部分，一部分是蝸桿處的軸向力對蝸桿中心軸形成的力矩，另外一部分是定子處的軸向力形成的力矩。這兩部分力矩共同形成一個行星輪的公轉力矩Tni。即：

（2）

式中，φ1――蝸桿嚙合點處的位置角，rad；

ψ1 ――定子嚙合點處的位置角，rad；

a――蝸桿與行星輪的中心距，mm。

超環面機電傳動機構輸出力矩具有以下特征：

1、輸出力矩與行星輪個數m，合磁場強度B，永磁體當量電流強度Id，行星輪永磁體的有效長度L，行星輪半徑R等因素成正比的關系。

2、當其他因素相同，改變行星輪齒數將改變嚙合時中心蝸桿對行星輪包圍的齒數，以及包圍齒數突變點的位置。但是，輸出力矩并不是隨著行星輪齒數的增加而增加的，因為行星輪齒數的增加并不一定能增加行星輪與中心蝸桿的嚙合。

桿上齒槽分布情況確定以后，線圈具體的纏繞方式可以參考電機繞組的纏繞方式。由于蝸桿布線槽形狀比較復雜，為提高齒槽的利用率，使繞線嵌線方便， 蝸桿繞組一般采用單層型式、鏈式繞組。

根據環面蝸桿與行星輪的嚙合情況，電樞分布有兩種形式：行星輪齒完全嚙合，和蝸桿齒完全嚙合兩種情況。無論采取何種嚙合方式最終產生的電磁齒與行星輪的齒都存在一定的嚙合關系。隨著a/R的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角減小，行星輪與蝸桿之間的嚙合齒數增加；隨著極對數的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角增加，極對數越多嚙合點也越多。

n=0時，表示行星輪和蝸桿全部完全嚙合。螺旋角的表達式可以統一，根據超環面機電傳動系統的正確嚙合條件方程式，可知超環面機電傳動必須滿足以下表達式：

（3）

中心蝸桿的極對數是成對出現的，有一個N極就必然有一個S極與其對應。所以中心蝸桿的齒數可以用極對數p表示，即Z2=2p，p取自然數。所以當中心蝸桿每增加一對極，通過行星輪與之嚙合的定子齒數就應增加兩個。用Z0表示定子齒數，可得定子齒數與極對數存在如下關系：

（4）

其中，p為環面蝸桿極對數，λ0為環面定子的螺旋角，λ2為蝸桿齒槽螺旋角，N為包含0的正整數。

綜上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之間的關系，在實際計算過程中由于行星輪轉角Φ1一直在變化，所以定子梁螺旋角和電樞螺旋角也一定隨之變化，但是變化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。

機械傳動在機械工程領域中占有重要的地位，隨著機械工業的發展，越來越需要集成化的傳動機構。本論文提出了一種新型復合傳動機構―超環面機電傳動機構，并對該機構從驅動機理、嚙合分析、傳動比分析及結構參數選擇與設計等方面進行了研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的實用價值。

參考文獻

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1.引言

近年來，隨著電力電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優點，在節約能源和環境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機的控制策略進行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統的各種控制策略發展方向。

2.永磁同步電機的數學模型

永磁同步電機（PMSM）的永磁體和繞組，繞組和繞組之間的相互影響，電磁之間的關系十分復雜，由于磁路飽和等非線性因素，建立精確的數學模型是很困難的。為了簡化PMSM的數學模型，我們通常作如下的假設：

（1）磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗;

（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響;

（3）三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布;

（4）電樞繞組在定子內表面均勻連續分布;

（5）驅動二極管和續流二極管為理想元件;

（6）轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。

對于永磁同步電機來說，即用固定轉子的參考坐標來描述和分析其穩態和動態性能是十分方便的。此時，取永磁體基波勵磁磁場軸線即永磁體磁極的軸線為d軸，而q軸逆時針方向朝前90o電角度。d軸與參考軸A之間夾角為。圖1為永磁同步電機（PMSM）矢量圖。

圖1 PMSM空間向量圖

Fig.1 Space vector diagram of PMSM

根據圖1所示向量圖進行坐標變換，滿足功率不變原則，得到在旋轉坐標系下PMSM的數學模型方程如下

（1）電壓方程

由三相靜止軸系ABC到同步旋轉軸系dq的變換得：

（1）

，Rs為定子相電阻，其中：

。

（2）磁鏈方程

（2）

式中為轉子（永磁體）在dq軸的磁鏈，，ud、uq，id、iq和、分別為dq軸的電流、電壓和磁鏈。、為dq軸的電感。

（3）轉矩方程

電磁轉矩的表達式為：

（3）

pn為極對數，定子磁鏈空間矢量，is為定子電流空間矢量。

3.恒壓頻比開環控制（VVVF）

恒壓頻比開環控制（VVVF）是為了得到理想的永磁同步電機轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的。 按照這種控制策略進行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現，轉速通過電源頻率進行控制。但同時，由于系統中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電機狀態，致使無法精確控制電磁轉矩：在突加負載或者速度指令時，容易發生失步現象;也沒有快速的動態響應特性。因此，恒壓頻比開環控制電機磁通而沒有控制電機的轉矩，控制性能差。通常只用于對調速性能要求一般的通用變頻器上。

4.矢量控制（VC）

七十年代中期，德國學者提出“交流電機磁場定向的控制原理”，即用矢量變換的方法研究交流電機的動態控制規律。矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電機內部的電磁過程，是建立在交流電機的動態數學模型基礎上的控制方法。它模仿對直流電機的控制技術，將交流電機的定子電流解禍成互相獨立的產生磁鏈的分量和產生轉矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現對交流電機的磁鏈控制和轉矩控制的完全解禍，從而達到理想的動態性能。使交流傳動的動、靜態特性有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量控制是目前高性能交流電機調速系統所采用的主要控制方法，具有很好的動態性能。然而這種控制技術本身還是存在一些缺陷的，受電機參數影響較大，由于電機參數在不同運行情況與環境的多變性，所以系統魯棒性不強;矢量控制的根本是實現類似直流電機的控制，因此需要進行復雜的解耦運算，增加了信號處理工作負荷，要求更高的硬件處理器配合;

5.直接轉矩控制（DTC）

1985年德國學者M.DepenBrock教授首次提出了磁鏈采用六邊形控制方案的直接轉矩控制理論。該方法只是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。因此，DTC大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。

轉差角頻率越大，轉矩越大。轉差角頻率增加，轉矩也增加。說明異步電機的轉矩和轉矩增長率都可以通過控制定子磁場對轉子的角頻率來控制。也就是說，異步電機DTC是建立在電機轉差角頻率控制的理論基礎上的。而同步電機并不存在這種轉差角頻率，正是由于這個原因，DTC策略在同步電機上沒有能夠快速地得到應用。直到1996年英國的French.C和Acarnley .P發表了關于PMSM的DTC的論文，1997年由澳大利亞的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解決了DTC控制策略在PMSM上應用的理論基礎。有了這個理論基礎，PMSM的DTC控制也成了眾多學者研究的一個熱點。

就目前而言，永磁同步電機控制的直接轉矩控制摒棄了矢量控制解耦的思想，將轉子磁通定向更換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及磁通角，達到控制轉矩的目的，具有控制手段直接、結構簡單高效、控制性能優良、動態響應迅速的特點。直接轉矩控制在克服了矢量控制弊端的同時，這種粗獷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，實際轉矩必然在上下限內脈動;再者調速范圍受限。在低速時，轉矩脈動會增加，而且定子磁鏈觀測值會不準。另外，電機參數的時變對直接轉矩控制也有影響。

6.結論

本文所闡述的永磁同步電機的控制方式是最基本的三種控制方式。通過文中的闡述，可以看出每種控制方式都有其利弊，可以根據設備的應用環境工況來選擇設備的控制方法。

同時隨著控制理論的不斷發展，學者們采用智能控制策略，如最優控制、遺傳算法、模糊控制等方法，用來克服每種控制方式的弊端，使得永磁同步電機的應該更加廣泛，充分發揮其體積小，損耗低，效率高等優點。

參考文獻

[1]王成元，周美文，郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅動電動機[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]李華德，楊立永，李世平.直接轉矩控制技術的新發展[J].工業大學，2001.

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中圖分類號： TM3 文獻標識碼： A 文章編號：

前言

直線驅動器主要定位于高精密加工伺服進給領域，因此它的高響應、高效率和高精度三項技術指標一直是國內外學者重點研究方向[1]。傳統的直線驅動器一般均采用旋轉伺服電機驅動滾珠絲杠螺母副來實現，或采用液壓系統（氣動系統）驅動液壓缸（氣缸）來實現。

本文提出了一種內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器，通過自主優化的控制算法將永磁同步電機高功率密度、高效率的優良性能充分發揮，從而克服采用傳統旋轉伺服電機的直線驅動器結構復雜，外形尺寸大等缺點，并獲得更高的驅動精度以及可控性。

1 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器的工作原理和基本結構

永磁同步電機相對于其他類型的旋轉伺服電機具有功率密度高、效率高、調速平穩等特點，更適合用于高速高精密加工伺服進給領域。

內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器主要由驅動器殼體、前后端蓋、定子、轉子、位置傳感器、滾珠絲杠、滾珠螺母等組成。具體結構如圖1所示。

驅動器采用自然冷卻方式，前端蓋1和后端蓋8通過螺栓與驅動器殼體2連接，定子4固定于驅動器殼體2的內部；轉子5安裝在空心轉子軸7上，轉子5兩側安裝有平衡環11，轉子軸7通過過渡軸套12與前軸承安裝軸3連接成一個整體，轉子軸7、過渡軸套12和前軸承安裝軸3組成的整體通過前軸承14和后軸承10與前后端蓋連接。轉子軸末端安裝有位置傳感器9，用來實時采集轉子的位置，反饋給驅動控制器。調節螺母13用來調整前部軸承14的游隙。軸承安裝軸3前端與滾珠螺母15連接，滾珠絲杠6位于空心轉子軸7的內部。

轉子結構如下圖2所示，轉子沖片19經過疊壓后由鉚釘16進行固定形成轉子鐵芯，轉子鐵芯外部沿圓周分布有磁鋼17，定子鐵芯兩端裝有有轉子扣套18，用來固定磁鋼17。

圖1內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器結構圖 圖2 轉子結構圖

直線驅動器工作時，轉子帶動轉子軸、過渡軸套、前軸承安裝軸、滾珠螺母等一起旋轉，滾珠絲杠不旋轉，從而可以得到滾珠絲杠的軸向直線運動，通過改變轉子的旋轉方向來改變絲杠的直線運動方向。

2內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器的控制實現

空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)由于其直流電壓利用率高，易于數字化實現等優點，己廣泛應用于交流伺服系統的全數字控制系統中[2]。內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器采用三相電壓型功率逆變器作為功率驅動單元，其硬件結構如圖3所示。

圖3 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器硬件結構示意圖

圖中，C為系統主電容組，直接接于系統直流母線兩端，需根據系統電壓及負載考慮其匹配參數，用于穩定系統直流母線的電壓波動，保證驅動器正常工作。

主控制板作為直線驅動器的核心，通過CAN與系統部件進行通訊，通過A/D端口采集電機溫度、功率器件溫度和電機輸入電流等信號，通過I/O端口接收前進/后退，開啟/關閉、溫度設定等信號，經旋轉變壓器測量接收旋轉變壓器位置信號由旋變解碼芯片U4對其進行解碼后傳遞給電機運行控制芯片U3使用。U3測量驅動電機M1的電流值并根據U4返回的驅動電機位置值、系統提供的一系列信號輸出SVPWM矢量控制波形至相應驅動板以控制電機M1的運行。

對于永磁同步電動調速控制策略則采用矢量變換控制。矢量控制技術不論在電機的低速運行區還是高速運行區，其抗擾特性、啟制動特性、穩速特性均達到或者超過直流調速系統，尤其在高精度傳動系統中其調速范圍已達100000：1，因此，特別適合于交流伺服傳動系統的控制[3-4]。

圖4 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器矢量控制框圖

如圖4所示為內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器矢量控制框圖，其控制過程為：

1)控制器接收來自上位機或數控系統的位置參考信號χ_Ref，與檢測元件檢測到的實際位置χ相比較得到位置偏差。為了減小偏差，位置調節器按實現設定好的調節規律(如PID控制、滑模控制等)，給出速度環參考信號v_Ref。

2)將速度環參考信號v_Ref與電機實際運行速度v進行比較，得到速度偏差。以速度偏差為輸入，速度調節器按一定的調節規律給出電流環的參考輸入i_Ref；

3)根據d、q軸電流偏差，經電流調：竹器調節得到參考電壓空間矢量的d、q坐標系分量；

4)經逆Park變換，將參考電壓空間矢量的d、q坐標系分量轉化為α、β坐標系分量；

5)經SVPWM變換，由參考電壓空間矢量的α、β坐標系分量調制輸出SVPWM波形，控制電壓型逆變器調制三相初級繞組的電壓，改變繞組電流。從而改變電動機的加速度、速度和位置。

進一步分析，采用矢量控制的直線驅動器構成了電流環、速度環和位置環的三環全數字反饋。電流環接受速度調節器的輸出，控制電流矢量的幅值和相對于定子磁場的位置，從而控制電動機的推力大小和方向；速度環則克服驅動器運行時受到自身推力波動、非線性摩擦力、負載變化以及參數時變的影響，使電機快速而準確地跟蹤位置環調節器的輸出；位置環則用于消除內環調節偏差及其他未知因素的影響，使驅動器準確跟蹤系統發出的位置指令，從而獲得預期的加工軌跡。

3結論

本文提出的內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器，克服了現有的采用旋轉伺服電機驅動滾珠絲杠螺母副的直線驅動器結構復雜，外形尺寸大等缺點,并大大提高其驅動精度和可控性。通過對直線驅動器機械結構性能的優化設計，實現最佳慣量匹配,進而保證伺服驅動電機的工作性能和滿足傳動系統對控制指令的快速響應要求。通過對直線驅動器驅動控制算法的深入研究，實現由位置、速度和電流構成的三環反饋全部數字化、軟件處理數字PID，進而實現伺服進給系統運動的準確性以及靈活性。

參考文獻

[1]G. Brandenburg, S. Bruckl, J. Dormann, et al. Comparative investigation of rotary and linear moor feed drive systems for high precision machine tools．In：International Workshop on Advanced Motion Control, AMC．Nagoya, Jpn: IEEE，Piscataway, NJ，USA，2000，384-389.

[2]F. Blaschke. Principle of field orientation as used in the new Transvektor control system for induction machines, (Das Prinzip der Feldorientierung. die Grundlage fuer die TRANSVEKTOR-Regelung yon Drehfeldmaschinen)，1971，45(10).

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交流傳動系統之所以發展得如此迅速，和一些關鍵性技術的突破性進展有關。它們是功率半導體器件（包括半控型和全控型）的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機控制技術以及微型計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術。為了進一步提高交流傳動系統的性能，國內外有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開：

1采用新型功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術

功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優點是當電動機處于制動（發電）狀態時，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節能調速中也有應用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統中占有主導地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發電）狀態時，回饋到直流側的再生電能難以回饋給交流電網，要實現這部分能量的回饋，網側不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯、采用PWM控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或“PWM整流器”）。網側變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續可調，輸入電流（網側電流）波形基本為正弦，功率因數保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發展動向，但成本問題限制了它的發展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數低的缺點，只能用于低速（低頻）大容量調速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環節，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現輸入功率因數為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。

隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統中應用日趨廣泛，PWM技術的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術可分為三大類：正弦PWM、優化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致大的開關損耗，而且大功率器件如GTO的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優化PWM技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最優PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優化PWM技術的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關頻率相關的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產生振動而發出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統的穩定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM技術。

2應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論

交流傳動系統中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩態方程出發研究其控制特性，動態控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現交流電動機磁通和轉矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統逐步走向實用化。目前高動態性能的矢量控制變頻器已經成功地應用在軋機主傳動、電力機車牽引系統和數控機床中。此外，為了解決系統復雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術的發展，現代控制理論中的各種控制方法也得到應用，如二次型性能指標的最優控制和雙位模擬調節器控制可提高系統的動態性能，滑模（Slidingmode）變結構控制可增強系統的魯棒性，狀態觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態信息，自適應控制則能全面地提高系統的性能。另外，智能控制技術如模糊控制、神經元網絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統中，以提高控制的精度和魯棒性。

3廣泛應用微電子技術

篇（5）

引言

稀土永磁電動機具有高效節能的顯著優點，應用范圍正日益遍及國防、航空航天、工農業生產和日常生活的諸多領域，發展潛力巨大。相較于電勵磁電動機，稀土永磁電動機結構特殊且種類多樣，傳統的設計理論和分析方法已難以適應高性能電機研發的要求，需要綜合運用多學科理論和現代設計手段，進行創新研究。傳統設計模式得到的產品，在工況相對固定的應用場合，能夠表顯出良好的技術性能，但在永磁同步電動機實際運用的過程中，其振動與噪聲始終沒有得到有效解決，甚至會對其實際運行的穩定性產生不利的影響。為此，針對永磁同步電動機設計當中的關鍵技術研究十分有必要，同樣也逐漸成為國民經濟發展的關鍵增長點。因此，本文在電機和電磁場理論的基礎上，結合實際工程應用問題，對永磁同步電動機的工作工程中的振動和噪聲問題進行實驗分析研究，并提出具體解決改善措施。論文的工作主要集中在以下幾個方面：（1）測試裝置與系統的實驗，選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉子動態特性展開全面測試。（2）永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析，通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形。（3）對噪聲頻譜的分析，當11kW永磁同步電動機處于空載狀態時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發現，峰值多出一，而具體的原因就是受負載增加的影響，導致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。

以下是詳細實驗過程：

1 永磁同步電動機應用特性的實驗分析――以振動與噪聲為實驗對象

1.1 測試裝置與系統的實驗

選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉子動態特性展開全面測試。

1.2 永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析

通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形[1]。

1.3 對噪聲頻譜的分析

當11kW永磁同步電動機處于空載狀態時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發現，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。

2 改善永磁同步電動機應用特性的具體措施

2.1 有效降低力波

第一，繞組選擇要科學。在選擇定子繞組的過程中，最好選擇諧波磁動勢不高的，像是正弦繞組，能夠有效地降低噪聲。第二，將定子槽與轉子槽的開口寬度減小。通過半閉口槽亦或是閉口槽能夠使氣隙磁導諧波有效降低。與此同時，為了能夠實現轉矩脈動的降低，就需要采用槽開口寬度增大的方式。第三，氣隙磁通密度適當減少。因為徑向力和氣隙磁密平方呈現出正比例關系，而振幅和徑向力同樣呈正相關關系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的關系[2]。在這種情況下，磁通的密度如果相對較高，那么不僅只是聲功率隨之提高，同樣還會影響系統運轉的效果，分叉與混沌現象的發生幾率會更高。然而，一旦減小氣隙磁密，還會使電動機的自重增加。在這種情況下，應當綜合考慮多種因素來進行設計。

2.2 磁場應對稱

在永磁同步電動機實際運行的過程中，如果轉子偏心很容易引起低階徑向力，導致電動機自身的噪聲不斷增加[3]。在這種情況下，不僅要對加工工藝與裝配工藝進行合理地控制，同樣采取定子并聯繞組的方式，也能夠避免因轉子不同心而帶來的噪聲，這樣就能夠確保各級磁通處于一致狀態，有效地規避了磁拉力出現的不平衡性，使得振動與噪聲的產生幾率下降。

2.3 斜槽與斜極的控制

對于永磁同步電動機來說，將其定子鐵心以斜槽的形式制作出來，能夠確保徑向力波始終沿著電動機的長度方向軸線來移動[4]。這樣一來，其沿著軸線方向的平均徑向力就會隨之下降，同時，附加轉矩以及噪聲也會隨之降低，然而，實際的附加損耗卻并不會下降。

2.4 定子動態振幅與聲振幅的合理減少

第一，要科學增加阻尼。可以在永磁同步電動機的定子鐵心以及機座中適當地涂上阻尼材料，與此同時，使用清漆亦或是環氧樹脂，實現定子疊片的有效粘結[5]。基于此，應當對定子鐵心以及機座間存在的間隙進行及時填充，這樣也能夠使電動機阻尼不斷增加。第二，聲輻射效率的減少。在對永磁同步電動機聲輻射功率進行計算的過程中，主要是相對聲強輻射系數和無窮大平板聲強公式相乘[6]。其中，相對聲強輻射的系數和電動機的定子長徑比以及振動模態階數等存在緊密的聯系。為此，在立波階數的增加，使聲強輻射系數減少，可以有效地控制噪聲。

3 結束語

綜上所述，永磁同步電動機在實踐應用中的作用十分重要，所以，對其應用特性的研究具有重要的現實意義。電動機振動過大不僅會對運行可靠程度帶來負面影響，同樣還會引發噪聲。因而，文章將稀土永磁同步電動機作為重點研究對象，并且以振動和噪聲兩個特性為例，闡述了控制這兩種特性的可行性方式，以期為永磁同步電動機的正常運轉提供有價值的參考依據，充分發揮其自身的功用。

參考文獻

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[3]王家軍.速度指定位置跟蹤雙永磁同步電動機的反推控制[J].控制理論與應用，2015，32（2）：202-209.

篇（6）

中圖分類號：TH137.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）06-0110-02

1 引言

伺服驅動器（servo drives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。

伴隨著電機由有刷電機、無刷電機以及永磁同步電機的發展歷程，伺服驅動器相應經歷了模擬電路、8位單片機模數混合電路及高性能DSP電機專用控制解決方案等發展階段。伺服進給系統的調速范圍寬、定位精度高、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性、快速響應無超調、低速大轉矩，過載能力強、可靠性高等諸多特點對控制芯片提出了更高的要求。

2 DSP電路設計

伺服驅動器選用微芯公司高性能16位數字信號控制器dsPIC 30F4011作為無刷電機的主控芯片，它集DSP的高速運算處理能力與電機常用檢測接口于一體，成為很多伺服方案的首選。DSP在伺服系統中主要承擔對實時輸入數據按照某種控制規律、算法實時地計算、處理并且存儲，最后將實時結果輸出。DSP的性能對整個伺服系統的控制性能起著至關重要的作用，因此選擇一款合適的DSP芯片變得尤為重要，整個伺服驅動器硬件都是圍繞DSP來設計的。

2.1 dsPIC30F4011芯片及功能

dsPIC30F4011是伺服驅動器的主控芯片。是Microchip公司為滿足高性能，高精度伺服要求而推出的一款電機專用芯片，如圖1所示，外設資源比較豐富。

dsPIC30F4011采用改進的哈佛架構，能提供最高30MIPS的工作速度[1]，指令寬度為24，16位的數據總線寬度，2KB數據RAM，48KB程序FLASH，除此之外：

（1）高灌/拉電流I/O引腳，25mA/25mA。

（2）5個16位定時器/計數器，需要時可組合成32位定時器。

（3）10位高速模數轉換器（ADC）模塊。

（4）6路PWM輸出，邊沿對齊或中心對齊，3個占空比發生器，輸出可改寫。

（5）可用于帶霍爾傳感器電機的輸入捕捉模塊。

（6）可用于進行速度和位置測量的正交編碼器接口（QEI），A相、B相、索引脈沖三輸入信號。

（7）通用異步收發器（UART）模塊。

2.2 dsPIC30F4011開發環境及工具

dsPIC30F4011的開發環境由MPLAB IDE代碼編輯器和ICD2程序下載和調試器構成，前者主要完成控制程序代碼編輯、修改，經編譯生成Hex文件后，通過ICD2下載到器件中，也可以使用ICD2進行調試。

3 伺服驅動器軟件的研究

3.1 伺服系統控制程序總體框架

無刷直流電機位置伺服系統主要由無刷電機、功率驅動模塊、電子換相單元、光電編碼器、原點位置傳感器、RS-485總線通訊單元[43]等組成。如圖2。

3.2 伺服驅動器控制系統功能的實現

由于電流、速度、位置各環的比例，積分系數值是在電機啟動前通過串口設置的，在電機運行過程中也隨時可以更改，增強了系統的穩定性，減小了超調，縮短了響應時間[4]。從而實現了無刷電機高要求的控制系統。

4 結語

本課題來源在于研究dsPIC30F4011做為控制核心芯片解決了伺服驅動器的調速范圍寬、定位精度高、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性、快速響應無超調、低速大轉矩，過載能力強、可靠性高等諸多特點在設計與運用的問題。從而提高了生產率和加工質量，也滿足了定位精度高，響應速度快的要求。

參考文獻

[1]孫振源.基于dspic30F4011的BLDC模糊自適應PID控制研究[D].青島：青島大學碩士學位論文，2011：35.

篇（7）

1.前言

永磁同步電動機（PMSM）因其高功率密度、高轉矩和免維修等原因，廣泛應用于高效驅動領域。六相永磁同步電動機發展了三相永磁同步電動機的結構，多應用于船舶電動推進等領域，它相對于普通永磁同步電動機而言有諸多優勢，如船舶推進系統中，電流諧波最低次數要比一般三相電機高，降低了諧波幅值，提高了系統穩定性，減小轉矩脈動，提高了電機工作效率，同時減小了轉子諧波損耗，另外一旦發生缺相等故障，系統仍然可以繼續運行。因此，六相永磁同步電動機驅動系統的開發和應用受到國內外的關注。[1]

隨著電力電子技術的發展，電機變頻調速系統在各種領域迅速發展和應用。直接轉矩控制策略是在矢量控制策略之后最新興起的變頻調速技術，具有結構簡單，動態響應快，魯棒性強等優點。該技術最早是二十世紀80年代由德國教授Depenbrock和日本學者Takahashi分別提出的。主要應用于感應電機控制系統。于90年代末由L Zhong、M.F.Rahman和Y.W.Hu等人將其應用到永磁同步電機控制中。[2，3，4]

本文所介紹的這種六相永磁同步電機具有六相不對稱的結構，是一種船舶推進用電機。在Simulink中沒有對應的模型。文章對六相電機模型進行分析同時進行了建立數學模型，并用Simulink對電機進行建模并封裝。本文使用Simulink對不對稱六相永磁同步電機直接轉矩控制系統設計和仿真。同時對直接轉矩控制系統進行建模，完成整個系統的搭建，同時加入空間電壓矢量控制提高系統穩態轉矩和電流，降低轉矩脈動，并且對仿真結果進行了簡單分析。

2.不對稱六相永磁同步電機的數學模型

六相PMSM數學模型與三相電動機很相似，為使分析方便，假設：①不考慮鐵心飽和效應；②渦流和磁滯損耗忽略不計；③轉子不設阻尼繞組；④認為每相繞組完全對稱，定子電流、轉子磁場對稱分布；⑤近似認為反電動勢波形為正弦。[5，6]

坐標變換。

在PMSM瞬態運行過程中，對電機運行狀態方程的求解和電機動態分析相當困難，主要原因是電機轉子在磁、電結構上不對稱，以及電機的電磁參數（電壓、電流、磁鏈、轉矩）的微分形式具有多種表達方式。因而在此采用坐標變換，通過消除時變參數，將變系數轉化為常系數來求解，進而簡化運算和分析過程。

本文采用兩相旋轉坐標系（dd-qq坐標系）來對PMSM電機的穩態性能進行分析，同時也可以對其瞬態性能進行分析。本文所采用的坐標系與定子磁場保持同步狀態，dd軸滯后qq軸90°，dd軸的取向與轉子總磁鏈的方向一致，成為轉子磁場坐標系，A、B、C、D、E、F坐標系統與dd-qq坐標系的關系如下為六相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣可以表示為式（1）：

（1）

經過坐標變換可得，d-q坐標系下六相PMSM定子側的電壓方程、同時六相永磁同步電動機的磁鏈方程和轉矩方程如式（2）-式（6）。

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

其中：Ud、Uq為d、q定子的電壓分量；id、iq為d、q軸定子的電流分量；、、為d、q軸定子磁鏈分量；Ld、Lq為d、q軸電感分量；R為定子電阻；np為極對數；為同步角速度；為永磁體磁鏈；p為微分算子。

通過6/2變換，極大的簡化了兩相旋轉坐標系下的六相PMSM的數學模型，降低了微分方程階數，d軸磁鏈和q軸磁鏈不再是角度的函數，這為六相永磁同步電機的高性能轉矩控制打下了堅實的基礎。

在仿真過程中由于Simulink中沒有現成的六相永磁同步電機模型，于是根據數學模型式（1）～（6）建立了六相永磁同步電機電機模型并對其進行了封裝封裝。

3.不對稱六相永磁同步電機的直接轉矩控制系統構成

對于永磁同步電機的直接轉矩控制，其主要思想是在保證定子磁鏈幅值恒定的前提下，根據電機的負載角和電磁轉矩的正比關系，通過控制定子磁鏈的旋轉方向來控制負載角進而控制電機的電磁轉矩。是定子磁鏈與轉子磁鏈矢量相對于A軸的空間電角度的空間相位差。不對稱六相永磁同步電機直接轉矩控制系統組成結構如圖1所示，系統包括：電動機模塊、逆變器模塊、坐標變換模塊、定子磁鏈觀測模型、轉矩估測模型、磁鏈和轉矩的滯環比較器模塊，定子磁鏈分區表、以及電壓空間矢量表。[7]

通過公式（6）可知，改變相應的定子電壓矢量以控制定子磁鏈的旋轉方向進而調節負載角的大小，最終能夠得到所需要的電機電磁轉矩。

基于SVPWM不對稱六相永磁同步電機直接轉矩控制系統中不同磁鏈矢量之間的關系如圖2。通過分析對不對稱六相永磁同步電機的磁鏈矢量與電壓矢量之間的關系，最終得到參考的電壓矢量的計算公式。

（7）

（8）

圖2 直接轉矩控制系統中磁鏈矢量關系圖

定子磁鏈的估測采用U-I模型，通過檢測出定子電壓、電流計算出定子磁鏈。同時根據定子電流和定子磁鏈，可以估測出電磁轉矩。

磁鏈滯環模塊所示，它是用來控制定子磁鏈幅值，使電動機容量得到充分的利用。磁鏈滯環模塊采用兩點式調節，輸入量為磁鏈給定值和磁鏈幅值的觀測值，輸出量為磁鏈開關量，其值為0或者1。轉矩滯環模塊的結構圖，它的任務是實現對轉矩的直接控制，轉矩滯環模塊為三種輸出開關量，輸入量為轉矩給定值和轉矩估測值，輸出量為轉矩的開關量，其值為±1和0。

不對稱六相PMSM-DTC優選空間電壓矢量的構建和開關表的確定：

根據不同的導通模式，六相電機變頻器輸出有64種空間電壓矢量組合，包括16個零電壓矢量以及如圖2所示的48種電壓矢量，可以看作是四個同心正12邊形。本文選取了最外環的十二個電壓矢量（即為：v9、v11、v27、v37、v45、v41、v26、v18、v22、v54、v52、v56）可以獲得的調速性能，以及更快的轉矩響應和磁鏈變化。本文采用最外環的十二個電壓矢量角分線作為分區邊界的分區方式。最終得到的開關表如表1所示。

利用Simulink的查表模塊實現開關表設計及查表功能，實現電壓開關矢量的控制信號的輸出器仿真模塊的結構框圖如圖3所示。

基于不對稱六相永磁同步電動機直接轉矩控制系統的原理，在Matlab2012a境下利用Simulink仿真工具，搭建基于不對稱六相永磁同步電動機直接轉矩控制系統的仿真模型，整體設計框圖如圖4所示。

圖3 表結構框圖

圖4 基于Simulink的

六相永磁同步電動機直接轉矩控制系統的仿真模型

4.仿真驗證

PMSM參數設定：定子電阻，d-q軸等效電感，轉子磁鏈，轉動慣量，粘滯系數，極對數

圖5 基于SVM不對稱六相永磁同步電機

直接轉矩控制仿真波形

圖6 常規六相永磁同步電機直接轉矩控制轉矩波形

圖5中（a）、（b）、（c）分別為該系統空載啟動、0.2s時突加負載20N·m的轉速、相電流、轉矩仿真波形。圖5（d）為負載的定子磁鏈軌跡。圖6為常規六相永磁同步電機直接轉矩控制系統空載啟動的轉矩實驗波形。可以看出，由于將SVM引入六相永磁同步電機的直接轉矩控制中，使得穩態轉矩和穩態電流得到了徹底的改善。

5.結論

本文給出了不對稱六相永磁同步電動機直接轉矩控制與驅動在MATLAB/Simulink仿真框圖。給出了不對稱六相永磁同步電機在不同坐標系下的磁鏈方程、電壓方程和轉矩方程，從磁鏈方程和轉矩方程，可以證明不對稱六相永磁同步電機直接轉矩控制的基本原理與三相永磁同步電機是基本一致的，根據直接轉矩控制的基本原理對不對稱六相永磁同步電機直接轉矩控制進行了詳細的建模。為了完全補償系統轉矩和定子磁鏈誤差，將SVM引入不對稱六相永磁同步電機的直接轉矩控制中，用以增加電壓矢量的數量，在改善穩態性能的同時，也使得逆變器的開關頻率變為近似恒定。仿真結果顯示，在直接轉矩控制方案下，該永磁同步電動機驅動系統具有結構簡單，穩定性，快速跟蹤的性能優點。SVPWM允許逆變器在過調制區域運行。與傳統的系統相比，該控制策略考慮逆變器作為一個單獨的單元，大大降低了系統復雜性。仿真結果最后得出DTC-SVPWM技術具有獨特的PMSM驅動的良好的動態特性。定子磁鏈軌跡趨近磁鏈圓，具有快速的轉矩響應。

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項目基金：教育部博士學科點科研基金項目（項目編號：20102102110001）；遼寧省科技廳攻關項目（項目編號：2010220038）。

篇（8）

攝像機拍攝的圖像是由被拍攝物發射光（反射光）及背景光兩部分組成。在攝像機已經確定下來的情況下，一般采用通過改變曝光參數的方法，調整目標成像的亮度來改善目標的成像質量。但是在實際使用中，受被拍攝物體的亮度、運動方式、背景環境等多種因素影響，攝像機的曝光參數的調節有時比較困難，特別是物體本身亮度較強的情況下，參與成像的主要光譜對應的光強太大，使得攝像機接收CCD飽和，而目標輪廓對應的成像光譜光強較弱，所以輪廓不清晰。只靠攝像機自身降低曝光參數來進行目標的清晰成像并不是那么容易，因此，僅僅依靠調整曝光參數是無法從根本上解決成像質量清晰與否的問題，需要設計一套載有不同波段濾光片的濾波轉動裝置，采用步進電機驅動的轉盤來裝夾濾光片，濾波裝置與攝影機時序匹配。本文中設計的濾波載盤旋轉時，不拍攝；電機停轉時，攝影機工作。濾波轉動裝置通過選擇適當的高通、低通或帶通濾波片，將干擾目標成像的光譜成分濾除，使目標在圖像中的對比度得到改善。

1 濾波裝置的組成

濾波裝置是將裝載不同波長性能濾光片的轉輪置于攝影或攝像機之前，在攝影、攝像機工作時，控制轉輪，使不同波長的光成像，比較成像的質量，決定濾光波長。

本套裝置選用常規攝像機，考慮到目標距離攝影點很遠，使用伽利略系統，目鏡放大倍數為10倍，焦距為25mm，物鏡焦距為900mm，總角放大倍數為36倍，有連拍功能。濾波裝置由機械載片轉盤、步進電機驅動器、控制電路以及顯示設備組成。

主要完成以下功能：

（1）控制機能夠帶動轉盤在0.5s內轉動72°。

（2）完成轉動后滯留一段時間，繼續下一步，滯留時間以0.1s為單位可調。

（3）運行速度、加速度可調，轉動角度以0.9°為單位可調。

（4）具有顯示功能，顯示參數設置信息以及電機運行信息。

（5）具備串口功能，可以方便進行程序燒寫，并可與上位機交互通信及控制。

2 步進電機驅動控制裝置

2.1 步進電機選型

攝像機帶動轉盤轉動，對電機要求較高，不僅啟動速度要快，而且停止后定位要準確，但在設計時發現轉盤的轉動慣量較大，不易停止下來。通過實驗發現，采用永磁式步進電機可以滿足本裝置中對電機的要求：電機既可滿足帶動轉盤高速運動的同時，又可滿足在停止時轉盤定位準確無過沖現象，同時功率消耗較小。

步進電機型號定為：85BYGH-201。

2.2 控制電路設計

步進電機控制方框圖如圖2所示。

為了保證本裝置結構簡單、運行可靠，經過論證，步進電機控制器采用STC89C52單片機芯片，能夠滿足本裝置使用要求。該系統能夠發出脈寬、頻率、脈沖個數均可控制的方波，控制電機運行，并且還可以利用串口對單片機進行程序的燒寫，對其功能可以進一步擴展。其整體的電路圖如圖3所示。

采用SMC1602A液晶顯示器，能夠將濾波裝置的參數設置及工作狀態實時顯示出來，供操作人員實時監控。操作人員可以通過操作液晶顯示器面板的控制按鍵，實現裝置控制參數的顯示、設置、電機運行和停止等功能。如圖4所示是按鍵控制電路圖。

2.3 軟件設計

單片機采用多中斷系統，分析判斷中斷標志位，確定有無中斷以及中斷方式，確定中斷方式后再通過查詢方式判斷具體工作模式，最后執行相對應程序。軟件控制流程如圖5所示。

3 實驗分析

采用普通攝像機加裝本濾波裝置，濾波片濾光范圍在300nm至1200nm之間，對150米以外的物體做光譜采集，不漏掉目標，干擾光不進入系統，電機帶動轉盤按照預設程序，與攝像系統配合，依次拍下目標光譜信息。本濾波裝置正確地在外場采集了目標光譜。如圖6為拍攝照片濾波對比效果圖。

綜上實驗結果，從圖中可以看出，濾波裝置正常工作，濾波效果達到預期目標。

4 結束語

本套濾波裝置采用步進電機傳動，脈沖頻率控制轉速，脈沖個數控制轉角，使曝光與傳動匹配。結構簡單易行，用常規攝影攝像儀器、濾光片，經過光譜濾波后改進像質效果很明顯，得到較好的像質。

參考文獻

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[2]姚榮斌，孫紅兵.基于STC89C51RC的轉速測量系統設計[D].連云港師范高等專科學校學報，2007（04）：84 -87.

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[4]馮曉，劉仲恕.電機與電器控制[M].北京：機械出版社，2005.

[5]王詣，尤麗華.基于AT89S51單片機的步進電機控制系統的研究[D].無錫：江南大學機械工程學學術論文，2005.

作者簡介

篇（9）

不論社會經濟如何飛速，對于電機的控制在人們正常生活和生產中起著重要的作用。一旦缺少了電機的控制，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產事故及損失，從而對電機控制系統提出了更高的要求，需要滿足及時、準確、安全等特性。如果仍然使用人工方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障，由此必須進行自動化控制系統的改造。

目前的單片機廣泛的應用在很多的場合，在以下的民用電子產品、計算機系統、智能儀表、工業控制、網絡與通信的智能接口、軍工領域、辦公自動化等領域有廣泛的應用。本次的電機控制系統設計使用單片機控制電路實現對電機的控制。

本文采用AT89C51單片機作為硬件核心實現對電機進行控制，通過采集電路采集電機的速度信息，并與設定的速度進行比較，產生偏差信號，偏差信號通過PID調節器調節電機轉速，保證電機的恒轉速運行。

AT89C51單片機溫度測控儀采用Atmel公司的AT89C51單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳。該單片機采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術制造，與美國Intel公司生產的MCS—51系列單片機的指令和引腳設置兼容。其主要特征如下：8位CPU；內置4K字節可重復編程Flash，可重復擦寫1000次；完全靜態操作：0Hz～24Hz，可輸出時鐘信號；三級加密程序存儲器；128B×8的片內數據存儲器（RAM）；32根可編程I/O線；2個16位定時/計數器；中斷系統有6個中斷源，可編為兩個優先級；一個全雙工可編程串行通道；可編程串行UART通道；具有兩種節能模式：閑置模式和掉電模式。

1電機控制系統的硬件設計

對于電機的整流電路在實際的應用過程中已經非常成熟，因此可以參考相關的電機設計資料，在本論文中就不做相應的贅述。

1.1功率驅動模塊

功率驅動模塊是電機控制系統的一個重要組成部分，在本文的電機控制系統中，采用的是IR公司的IRAMS10UP60A，這款集成電路具有硬件電路簡單，并且穩定性和安全性、可靠性高等特點。在這款電路中具有自舉電路和過溫過流保護，這樣能夠保證閉環速度控制系統的功能。

1.2檢測電路

在本篇論文中采用的是無刷直流電機自帶的霍爾元件式的位置傳感器，霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。

通過遮光盤的齒部的遮擋與不遮擋，使霍爾元件產生高、低電平信號，從而提供了電動機的轉子位置信息。當電機轉軸逆時針轉動時，遮光盤的齒部進入霍爾傳感器定子內，此時由于永磁塊的磁力線被齒部所短路，磁力線不穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“1”（高電平）；當齒部離開時，磁力線穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“0”（低電平），這樣，根據這三個霍爾元件的輸出狀態，就可以準確地確定轉子的磁極位置。

1.3電流采樣設計

2電機控制系統軟件設計

3結論

隨著性能高的微處理器的出現，采用高性能的處理器可以簡化系統的設計，同時還能夠提高系統的安全性、可靠性。根據這種方法設計的電機控制系統與傳統的電機控制系統相比較在成本上具有很大的優勢。本文利用ATMEL公司的AT89C51的單片機，設計出了相應的硬件和軟件系統，在系統的軟件設計中，采用了模塊化的設計思想，并給出了相應的設計流程，這種芯片式的電機控制系統設計，簡化了設計的時間，降低了開發成本，能夠很好的實現系統的功能。

參考文獻：

篇（10）

陽極作為鋁電解的心臟，它的質量好壞，不但影響電解槽的平穩生產，還影響著電解的各項經濟技術指標，如：陽極消耗、電能消耗、鋁液質量；同時還對節能減排指標中的煙氣排放有著直接的影響。

炭陽極組裝車間是把電解返回的殘極進行電解質清理、殘極壓脫、磷鐵環壓脫，并把焙燒塊和鋁導桿—鋼爪組用熔化的磷生鐵進行連接成為具有一定機械強度、較小比電阻的整體，同時對殘極進行破碎，破碎后的殘極返回成型車間供配料使用。

其質量控制主要有：殘極料中灰分、磷生鐵的控制；澆鑄質量及組裝塊表面附著的磷生鐵、填充焦的控制；磷生鐵的配比控制。

一、 陽極炭塊中灰分、磷生鐵產生的原因

1、 灰分產生的原因：

1）軟殘極產生

殘極是陽極炭塊在鋁電解生產中使用以后換下的殘余部分，其表面覆蓋有氧化鋁和氟化鹽，將其清理掉后經破碎返回成型作為陽極材料的原料，以提高生陽極的體積密度、降低空氣滲透率、提高抗壓強度等。但由于殘極在電解槽上高溫電解質中使用了近30天，其表面層硬度較小、空隙度大、抗氧化性能較差、著火點低等，此部分軟殘極進入成型配料后，將對陽極質量帶來很大的影響，造成電解更大的損失。

2）收塵系統產生

殘極壓脫、破碎時產生的大量粉料經收塵系統收塵后進入殘極皮帶，最終返到陽極下到工序成型生產線，導致陽極Si 元素含量增加。這些收塵粉料雜質含量高、性狀疏松、假比重小、理化性能低劣，對電解的陽極凈耗、電流效率影響較大，不應上線參與陽極生產。

另外工作現場、工序衛生清掃等產生的臟料也會帶入一部分灰分。

2、 鐵含量增加產生的原因：

1） 殘極中攜帶有部分未分離的磷鐵

殘極壓脫時，少量與殘極結合緊密的磷鐵被壓脫下來，這部分磷鐵在殘極皮帶上未被電磁除鐵器清除下來或除鐵器上的鐵未及時清理，被殘極掛掉，從而進入成型配料生產線，致使陽極鐵含量增加。

措施：將電磁除鐵器改為永磁體除鐵器。

2） 澆鑄后陽極表面磷生鐵清理不干凈

陽極組裝塊在澆鑄站澆鑄時，會產生少部分外溢鐵水，飛濺到陽極表面上和鐵珠落入炭碗內，人工清理外溢冷凝鐵，碎鐵屑和鐵珠靠人工清理費時費力，而且清掃不干凈，這部分鐵將進入電解生產線，導致鋁液鐵含量增高。

二、 改進措施

1、 加裝軟殘極清理機，清除殘極表面上的軟殘極及灰分

電解返回的殘極經電解質清理機（鋼球拋丸機）或人工電解質清理后，其殘極上部及底部仍有1—2mm的軟殘極，本機能有效的清除這部分軟殘極。

本機由電機、傳動裝置、鋼刷、殘極推車機、收塵系統等部份組成，如圖1所示：

圖1、清理機總裝示意圖

電解返回的殘極經裝卸站上鏈后，在電解質清理機前的道叉上裝設一套殘極厚度自動檢測裝置，厚度大于400mm的殘極進入旁通鏈，小于400mm的進入清理機進行清理。

本清理機安裝于電解質清理機后的鋼結構架上，頂部接收塵管道，底部有皮帶輸送機，當殘極由懸鏈輸送機送入本機，殘極推車機的入口側夾板被導桿抬起，當導桿全部進入夾具后，入口側夾板在重力作用下自動把導桿夾緊，同時導桿壓下殘極推車機的氣缸控制開關，氣缸拖動推車機及帶殘極的導桿向前移動進入清理室。高壓壓縮空氣間隙噴吹，清除殘極表面灰分及電解質；電機拖動清理滾筒高速旋轉，鋼刷采用鋼絲繩，由于離心力的作用，殘極上的電解質層被鋼絲繩刮削清除干凈。當氣缸拖動推車機及帶殘極的導桿清刷完畢后，由于出口側夾板被固定機架上的擋塊抬起，帶殘極的導桿由懸鏈輸送機拖走，同時導桿不再壓迫氣缸控制開關，氣缸自動換向并快速返回，完成一個清刷工作循環，進入待機狀態，由于是在鏈不停頓自動清理，鋼刷靠離心力的作用，因此可以自動適應小于400mm的厚、薄殘極的軟殘極清除。該機各部件的示意圖如下：

圖2、 殘極推車機示意圖

2、 裝設陽極組裝塊表面碎鐵、雜質清吹裝置

方案：用一個兩個出口，一個進氣口的儲氣包，裝兩個二位二通先導式電磁換向閥，從懸鏈道叉檢測開關上引出一個電信號控制電磁換向閥的動作。組裝好的陽極由懸鏈輸送至檢測開關檢測的位置，電磁換向閥動作，8個噴吹頭分別對4個炭碗的兩側進行噴吹清掃。

由于噴吹清掃會產生大量的揚塵，清掃位置必須制作一個密封倉，把陽極塊密封，而且須有除塵裝置。除塵裝置由除塵器引一收塵口至密封倉，收集吹掃中引起的揚塵。

三、 結束語

1、 電解鋁用軟殘極清理機，能夠有效地清除殘極表面附著的電解質層，給下道工序提供合格的殘極，由于外部有收塵系統，該機不對外部環境造成污染，而且噪音小，結構簡單實用、制造費用低廉，清理效果好，維護方便，為自制軟殘極清理提供了新的思路。

2、 陽極組裝塊表面碎鐵、雜質清吹裝置，能夠有效的吹掃組裝塊表面附著的炭粉及炭碗內的碎鐵，由于是在鏈自動吹掃，不必增加其他附屬工藝設施，降低了陽極組裝塊的生產成本，提高了原鋁質量。

四、 參考文獻