永磁传动技术论文汇总十篇

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中图分类号：TH132.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0093-03

在机械工程领域，机械传动技术是机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平。为适应这一趋势，人们一般从以下方面对齿轮及蜗杆传动展开新的研究工作。一、应用现代材料科学技术，研究开发齿轮及蜗轮新材料；二、采用先进制造技术，不断完善高性能齿轮及蜗轮蜗杆齿廓成型技术，提高加工精度；三、运用计算机辅助设计技术，对齿轮及蜗轮蜗杆传动进行齿廓优化、参数优化及机构优化。

随着电子、信息和控制等技术向机械工程领域的不断渗透，传统的机械传动系统也发生了很大变化，跨越旧的机构组成概念，实现机电和控制有机结合的新型复合传动机构已成为机械科学领域的国际性前沿课题。机电集成超环面传动是一种集电、机、控制于一体的新型传动机构。

超环面机电传动系统机构由行星轮、环面蜗杆、环面定子和行星架组成。由于在结构上它具有蜗杆上一个外环面和定子上一个内环面两个环面，所以称其为超环面。同时，由于它是由电磁力替代了超环面行星蜗杆传动机构中的接触啮合力，所以称其为超环面机电传动机构。蜗杆环面上均匀分布螺旋槽，槽内安放电磁线圈，行星轮圆周上均匀安放弧形永磁体，环面定子内环面上均匀安置螺旋形永磁体。

与现有的超环面行星传动相比，它不仅具有环面蜗杆传动震动小、啮合齿数多、结构紧凑、体积小、重量轻、承载力高、传动功率及传动比范围广和传动效率高的优点，它在工作时，是用磁场力替代啮合力，具有无啮合、无和效率高等优点。超环面行星蜗杆传动机构在工作时需要配带电动机，而超环面机电传动机构不需要配带电动机。

在超环面行星蜗杆传动的加工制造方面，国内外的专家、学者一直在进行着不停的研究和探索。我国武汉水运工程学院陈定方教授、哈尔滨工业大学姚立纲博士都对该种传动的制造加工进行了深入的研究。燕山大学许立忠教授于1999年制成国内首台滚锥齿超环面传动试验样机，进行了台架实验，并取得良好的试验效果[6]，之后又对滚锥齿超环面行星蜗杆传动进行了优化设计，有效的减小了样机的体积和质量[7]。

实践证明， 超环面机电传动机构有着其他机构所不具备的很多优点。随着永磁传动技术的快速发展，用磁力线啮合代替机械啮合成为解决摩擦损耗的一个新思路。在实际的加工生产过程中，电动机可以有效的将电能转化为机械能，通常也作为驱动的目的使用，磁性是电动机工作的基础。

电动机是工业中的重负荷机器，有很多类型的电动机，每种类型的电动机都有自己各自的特征和优点。有些电动机是以恒定速度运行的，还有一些电动机会随着负载的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些则会由于负载的原因使其速度大幅度降低。

如图1所示为超环面传动机构简图，该机构由定子0、行星轮1、中心蜗杆2和行星架3组成。也正是由于在结构上它具有蜗杆2上一个外环面和定子0上一个内环面两个环面的原因才称之为超环面传动。

中心蜗杆2环面上均匀分布螺旋槽，槽内安放电磁线圈，行星轮1圆周上均匀安置弧形永磁体，环形定子0内环面上均匀安置螺旋形永磁体。由电机学和永磁理论可知在工作的时候，中心蜗杆2由硅钢片叠加而成，外表缠有电磁线圈，接通三相交流电产生空间旋转电磁场，驱动行星轮自转和公转，定子处也有磁场力驱动行星轮公转。

永磁行星轮齿N、S极相间、均匀地嵌在行星轮的圆周上。螺旋定子由若干个钢材或者永磁体制成的空间螺旋梁组成。螺旋梁均匀的嵌在定子支架上，用于吸引行星轮齿沿轨迹运动。

由于该系统是传统意义上的驱动系统和减速增矩系统的集成，因此该传动机构结构紧凑，可以在很小的空间内传递很大的扭矩，特别适合于航空和航天等尖端技术领域以及坦克潜艇等重要军事领域。

超环面机电传动机构传动部分，如图2所示，主要包括电枢蜗杆、永磁行星轮、永磁定子及行星架等部件。超环面机电传动蜗杆由铁心和电枢组成，蜗杆结构为由开口的硅钢片叠加而成，以便于减少涡流损耗，硅钢片中间由一根芯轴固定，外面呈现超环面的内环面部分。开口按一定的规律在内环面上加工出电枢槽，用以安放电枢导线。

超环面机电传动系统是在超环面行星蜗杆传动的基础上，对各个组成零件进行机电组合而得到。行星轮仍然是该传动的中心构件，根据行星轮的结构及运动特点，行星轮结构采用永磁励磁方式，永磁励磁与电流励磁相比，不需要励磁电流，不设电枢导线，结构简单，使用方便，可靠性高，在一定范围内，可以具有比电磁式更小的体积和重量，从而减小整个传动机构的重量和体积。

超环面机电传动机构在行星轮圆周上安置永磁体，N、S极由隔磁材料隔开，齿数为偶数，形成永磁行星轮；为了能更好地控制输入转矩，蜗杆采用电流励磁方式，三相交流电枢均匀地嵌于蜗杆表面，通过控制三相交流电的频率和强弱，进而控制整个机构的转速和力矩，电枢的缠绕方式取决于需要的磁极数目和行星轮齿数，在整体结构上类似于电动机的定子结构；为了获得较大的输出力矩，定子也采用稀土永磁励磁，结构简单， 便于加工， 解决了超环面行星蜗杆传动定子加工难的问题。

在超环面机电传动机构中， 分别存在两个磁回路， 对应于蜗杆与行星轮啮合和定子与行星轮啮合， 从原理上来说蜗杆与行星轮啮合相当于电动机， 蜗杆线圈通电产生旋转磁场带动行星轮转动， 这样行星轮上磁极的磁力线通过气隙到达蜗杆旋转磁场磁极， 蜗杆由硅钢片叠加而成， 磁力线通过硅钢片到达蜗杆的另一磁极，经过气隙回到行星轮磁极， 经过行星轮体完成磁力线的闭合。

超环面机电传动系统的主要优点就是能实现系统的内部减速，可以实现较大的传动比。我们把系统的传动比定义为：输入的旋转电磁场的转速与输出轴转速之比[1]。超环面机电传动的传动比计算分成两种情况：环面定子固定和行星架固定。

磁齿轮的啮合与普通齿轮的啮合有根本的不同，普通齿轮啮合时，靠接触线或接触点，通过接触处材料的弹力传递机械力， 实现传动；而磁齿轮啮合实际上是两个磁极的正对面相互对齐，靠彼此之间的磁力作用传递运动。根据电磁理论，电枢合力方向为齿槽面的法线方向，可分解为三个相互垂直方向的作用力，使行星轮发生自转和公转，带动行星架转动， 实现运动的输出。

行星轮受力分析如图3示，中心蜗杆表面上均匀排布N 极、S 极间隔的稀土永磁体， 定子的内环面上也均匀排布N 极、S极间隔的螺旋形稀土永磁体。当中心蜗杆的电枢接通三相交流电时， 在其周围将产生旋转磁场，行星轮在蜗杆和环面定子两处将受到磁场力的共同作用，在这两处磁场力的共同作用之下， 行星轮将在自转的同时还绕中心蜗杆轴线公转，支撑行星轮的行星架将在行星轮的驱动之下作自转运动， 行星架的自转运动就是该机构的输出运动。

设行星轮轮齿在任一转角ψi处与中心蜗杆啮合， 即行星轮上一个永磁体与蜗杆旋转磁场在这个位置有磁场力作用。Fni表示此刻行星轮受到的磁场力，即法向力。Fai和Fti分别表示其轴向分力和切向分力。在超环面机电传动机构中， 行星轮上永磁体与蜗杆间气隙非常小，如果把行星轮上均匀分布的永磁体当量为一段通电导体， 这个当量通电导体可以近似认为与中心蜗杆电磁场平行。那么可以得到中心蜗杆与行星轮之间的磁力作用， 如图3所示的法向力Fni，即：

（1）

式中： Fni――中心蜗杆与行星轮之间的法向力N；

B――中心蜗杆旋转磁场与行星轮永磁体磁场的合磁场强度， T；

L――行星轮上均匀分布永磁体的有效长度，mm；

Id――行星轮永磁体磁场当量电流强度， A 。

切向分力Fti提供行星轮自转驱动力矩Ti， 轴向分力Fai驱动行星轮公转， 行星轮自转的同时要与定子啮合。定子上螺旋分布的永磁体与行星轮上均匀分布的永磁体产生磁力， 这个磁力与在蜗杆处受到的磁力一样， 可以分解为一个轴向分力F’ai和一个切向分力F’ti。F’ti施加行星轮自转阻力矩T’1。T1与T’1大小相等。

超环面机电传动机构中，行星架与所有行星轮中心轴连在一起，所有行星轮的公转力矩共同形成行星架的输出力矩。对于每一个行星轮，它的公转力矩分为两个部分，一部分是蜗杆处的轴向力对蜗杆中心轴形成的力矩，另外一部分是定子处的轴向力形成的力矩。这两部分力矩共同形成一个行星轮的公转力矩Tni。即：

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式中，φ1――蜗杆啮合点处的位置角，rad；

ψ1 ――定子啮合点处的位置角，rad；

a――蜗杆与行星轮的中心距，mm。

超环面机电传动机构输出力矩具有以下特征：

1、输出力矩与行星轮个数m，合磁场强度B，永磁体当量电流强度Id，行星轮永磁体的有效长度L，行星轮半径R等因素成正比的关系。

2、当其他因素相同，改变行星轮齿数将改变啮合时中心蜗杆对行星轮包围的齿数，以及包围齿数突变点的位置。但是，输出力矩并不是随着行星轮齿数的增加而增加的，因为行星轮齿数的增加并不一定能增加行星轮与中心蜗杆的啮合。

杆上齿槽分布情况确定以后，线圈具体的缠绕方式可以参考电机绕组的缠绕方式。由于蜗杆布线槽形状比较复杂，为提高齿槽的利用率，使绕线嵌线方便， 蜗杆绕组一般采用单层型式、链式绕组。

根据环面蜗杆与行星轮的啮合情况，电枢分布有两种形式：行星轮齿完全啮合，和蜗杆齿完全啮合两种情况。无论采取何种啮合方式最终产生的电磁齿与行星轮的齿都存在一定的啮合关系。随着a/R的增加，蜗杆电枢和定子梁的螺旋角减小，行星轮与蜗杆之间的啮合齿数增加；随着极对数的增加，蜗杆电枢和定子梁的螺旋角增加，极对数越多啮合点也越多。

n=0时，表示行星轮和蜗杆全部完全啮合。螺旋角的表达式可以统一，根据超环面机电传动系统的正确啮合条件方程式，可知超环面机电传动必须满足以下表达式：

（3）

中心蜗杆的极对数是成对出现的，有一个N极就必然有一个S极与其对应。所以中心蜗杆的齿数可以用极对数p表示，即Z2=2p，p取自然数。所以当中心蜗杆每增加一对极，通过行星轮与之啮合的定子齿数就应增加两个。用Z0表示定子齿数，可得定子齿数与极对数存在如下关系：

（4）

其中，p为环面蜗杆极对数，λ0为环面定子的螺旋角，λ2为蜗杆齿槽螺旋角，N为包含0的正整数。

综上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之间的关系，在实际计算过程中由于行星轮转角Φ1一直在变化，所以定子梁螺旋角和电枢螺旋角也一定随之变化，但是变化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。

机械传动在机械工程领域中占有重要的地位，随着机械工业的发展，越来越需要集成化的传动机构。本论文提出了一种新型复合传动机构―超环面机电传动机构，并对该机构从驱动机理、啮合分析、传动比分析及结构参数选择与设计等方面进行了研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的实用价值。

参考文献

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1.引言

近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。

2.永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设：

（1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗;

（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;

（3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;

（4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;

（5）驱动二极管和续流二极管为理想元件;

（6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。

对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。

图1 PMSM空间向量图

Fig.1 Space vector diagram of PMSM

根据图1所示向量图进行坐标变换，满足功率不变原则，得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下

（1）电压方程

由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得：

（1）

，Rs为定子相电阻，其中：

。

（2）磁链方程

（2）

式中为转子（永磁体）在dq轴的磁链，，ud、uq，id、iq和、分别为dq轴的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。

（3）转矩方程

电磁转矩的表达式为：

（3）

pn为极对数，定子磁链空间矢量，is为定子电流空间矢量。

3.恒压频比开环控制（VVVF）

恒压频比开环控制（VVVF）是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。 按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩：在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此，恒压频比开环控制电机磁通而没有控制电机的转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。

4.矢量控制（VC）

七十年代中期，德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解祸，从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、静态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法，具有很好的动态性能。然而这种控制技术本身还是存在一些缺陷的，受电机参数影响较大，由于电机参数在不同运行情况与环境的多变性，所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机的控制，因此需要进行复杂的解耦运算，增加了信号处理工作负荷，要求更高的硬件处理器配合;

5.直接转矩控制（DTC）

1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此，DTC大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

转差角频率越大，转矩越大。转差角频率增加，转矩也增加。说明异步电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是说，异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机并不存在这种转差角频率，正是由于这个原因，DTC策略在同步电机上没有能够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于PMSM的DTC的论文，1997年由澳大利亚的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，初步解决了DTC控制策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础，PMSM的DTC控制也成了众多学者研究的一个热点。

就目前而言，永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及磁通角，达到控制转矩的目的，具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗犷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，实际转矩必然在上下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。

6.结论

本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中的阐述，可以看出每种控制方式都有其利弊，可以根据设备的应用环境工况来选择设备的控制方法。

同时随着控制理论的不断发展，学者们采用智能控制策略，如最优控制、遗传算法、模糊控制等方法，用来克服每种控制方式的弊端，使得永磁同步电机的应该更加广泛，充分发挥其体积小，损耗低，效率高等优点。

参考文献

[1]王成元，周美文，郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电动机[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2]李华德，杨立永，李世平.直接转矩控制技术的新发展[J].工业大学，2001.

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中图分类号： TM3 文献标识码： A 文章编号：

前言

直线驱动器主要定位于高精密加工伺服进给领域，因此它的高响应、高效率和高精度三项技术指标一直是国内外学者重点研究方向[1]。传统的直线驱动器一般均采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副来实现，或采用液压系统（气动系统）驱动液压缸（气缸）来实现。

本文提出了一种内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，通过自主优化的控制算法将永磁同步电机高功率密度、高效率的优良性能充分发挥，从而克服采用传统旋转伺服电机的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点，并获得更高的驱动精度以及可控性。

1 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的工作原理和基本结构

永磁同步电机相对于其他类型的旋转伺服电机具有功率密度高、效率高、调速平稳等特点，更适合用于高速高精密加工伺服进给领域。

内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器主要由驱动器壳体、前后端盖、定子、转子、位置传感器、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成。具体结构如图1所示。

驱动器采用自然冷却方式，前端盖1和后端盖8通过螺栓与驱动器壳体2连接，定子4固定于驱动器壳体2的内部；转子5安装在空心转子轴7上，转子5两侧安装有平衡环11，转子轴7通过过渡轴套12与前轴承安装轴3连接成一个整体，转子轴7、过渡轴套12和前轴承安装轴3组成的整体通过前轴承14和后轴承10与前后端盖连接。转子轴末端安装有位置传感器9，用来实时采集转子的位置，反馈给驱动控制器。调节螺母13用来调整前部轴承14的游隙。轴承安装轴3前端与滚珠螺母15连接，滚珠丝杠6位于空心转子轴7的内部。

转子结构如下图2所示，转子冲片19经过叠压后由铆钉16进行固定形成转子铁芯，转子铁芯外部沿圆周分布有磁钢17，定子铁芯两端装有有转子扣套18，用来固定磁钢17。

图1内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器结构图 图2 转子结构图

直线驱动器工作时，转子带动转子轴、过渡轴套、前轴承安装轴、滚珠螺母等一起旋转，滚珠丝杠不旋转，从而可以得到滚珠丝杠的轴向直线运动，通过改变转子的旋转方向来改变丝杠的直线运动方向。

2内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的控制实现

空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)由于其直流电压利用率高，易于数字化实现等优点，己广泛应用于交流伺服系统的全数字控制系统中[2]。内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器采用三相电压型功率逆变器作为功率驱动单元，其硬件结构如图3所示。

图3 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器硬件结构示意图

图中，C为系统主电容组，直接接于系统直流母线两端，需根据系统电压及负载考虑其匹配参数，用于稳定系统直流母线的电压波动，保证驱动器正常工作。

主控制板作为直线驱动器的核心，通过CAN与系统部件进行通讯，通过A/D端口采集电机温度、功率器件温度和电机输入电流等信号，通过I/O端口接收前进/后退，开启/关闭、温度设定等信号，经旋转变压器测量接收旋转变压器位置信号由旋变解码芯片U4对其进行解码后传递给电机运行控制芯片U3使用。U3测量驱动电机M1的电流值并根据U4返回的驱动电机位置值、系统提供的一系列信号输出SVPWM矢量控制波形至相应驱动板以控制电机M1的运行。

对于永磁同步电动调速控制策略则采用矢量变换控制。矢量控制技术不论在电机的低速运行区还是高速运行区，其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速系统，尤其在高精度传动系统中其调速范围已达100000：1，因此，特别适合于交流伺服传动系统的控制[3-4]。

图4 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图

如图4所示为内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图，其控制过程为：

1)控制器接收来自上位机或数控系统的位置参考信号χ_Ref，与检测元件检测到的实际位置χ相比较得到位置偏差。为了减小偏差，位置调节器按实现设定好的调节规律(如PID控制、滑模控制等)，给出速度环参考信号v_Ref。

2)将速度环参考信号v_Ref与电机实际运行速度v进行比较，得到速度偏差。以速度偏差为输入，速度调节器按一定的调节规律给出电流环的参考输入i_Ref；

3)根据d、q轴电流偏差，经电流调：竹器调节得到参考电压空间矢量的d、q坐标系分量；

4)经逆Park变换，将参考电压空间矢量的d、q坐标系分量转化为α、β坐标系分量；

5)经SVPWM变换，由参考电压空间矢量的α、β坐标系分量调制输出SVPWM波形，控制电压型逆变器调制三相初级绕组的电压，改变绕组电流。从而改变电动机的加速度、速度和位置。

进一步分析，采用矢量控制的直线驱动器构成了电流环、速度环和位置环的三环全数字反馈。电流环接受速度调节器的输出，控制电流矢量的幅值和相对于定子磁场的位置，从而控制电动机的推力大小和方向；速度环则克服驱动器运行时受到自身推力波动、非线性摩擦力、负载变化以及参数时变的影响，使电机快速而准确地跟踪位置环调节器的输出；位置环则用于消除内环调节偏差及其他未知因素的影响，使驱动器准确跟踪系统发出的位置指令，从而获得预期的加工轨迹。

3结论

本文提出的内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，克服了现有的采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点,并大大提高其驱动精度和可控性。通过对直线驱动器机械结构性能的优化设计，实现最佳惯量匹配,进而保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应要求。通过对直线驱动器驱动控制算法的深入研究，实现由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，进而实现伺服进给系统运动的准确性以及灵活性。

参考文献

[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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交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开：

1采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或“PWM整流器”）。网侧变流器采用PWM控制的变频器称为“双PWM控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。

随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM技术。

2应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论

交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，VVVF控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控制理论中的各种控制方法也得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态性能，滑模（Slidingmode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。

3广泛应用微电子技术

篇（5）

引言

稀土永磁电动机具有高效节能的显著优点，应用范围正日益遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活的诸多领域，发展潜力巨大。相较于电励磁电动机，稀土永磁电动机结构特殊且种类多样，传统的设计理论和分析方法已难以适应高性能电机研发的要求，需要综合运用多学科理论和现代设计手段，进行创新研究。传统设计模式得到的产品，在工况相对固定的应用场合，能够表显出良好的技术性能，但在永磁同步电动机实际运用的过程中，其振动与噪声始终没有得到有效解决，甚至会对其实际运行的稳定性产生不利的影响。为此，针对永磁同步电动机设计当中的关键技术研究十分有必要，同样也逐渐成为国民经济发展的关键增长点。因此，本文在电机和电磁场理论的基础上，结合实际工程应用问题，对永磁同步电动机的工作工程中的振动和噪声问题进行实验分析研究，并提出具体解决改善措施。论文的工作主要集中在以下几个方面：（1）测试装置与系统的实验，选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。（2）永磁同步电动机振动与噪声信号的分析，通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形。（3）对噪声频谱的分析，当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

以下是详细实验过程：

1 永磁同步电动机应用特性的实验分析――以振动与噪声为实验对象

1.1 测试装置与系统的实验

选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。

1.2 永磁同步电动机振动与噪声信号的分析

通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形[1]。

1.3 对噪声频谱的分析

当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一个，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

2 改善永磁同步电动机应用特性的具体措施

2.1 有效降低力波

第一，绕组选择要科学。在选择定子绕组的过程中，最好选择谐波磁动势不高的，像是正弦绕组，能够有效地降低噪声。第二，将定子槽与转子槽的开口宽度减小。通过半闭口槽亦或是闭口槽能够使气隙磁导谐波有效降低。与此同时，为了能够实现转矩脉动的降低，就需要采用槽开口宽度增大的方式。第三，气隙磁通密度适当减少。因为径向力和气隙磁密平方呈现出正比例关系，而振幅和径向力同样呈正相关关系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的关系[2]。在这种情况下，磁通的密度如果相对较高，那么不仅只是声功率随之提高，同样还会影响系统运转的效果，分叉与混沌现象的发生几率会更高。然而，一旦减小气隙磁密，还会使电动机的自重增加。在这种情况下，应当综合考虑多种因素来进行设计。

2.2 磁场应对称

在永磁同步电动机实际运行的过程中，如果转子偏心很容易引起低阶径向力，导致电动机自身的噪声不断增加[3]。在这种情况下，不仅要对加工工艺与装配工艺进行合理地控制，同样采取定子并联绕组的方式，也能够避免因转子不同心而带来的噪声，这样就能够确保各级磁通处于一致状态，有效地规避了磁拉力出现的不平衡性，使得振动与噪声的产生几率下降。

2.3 斜槽与斜极的控制

对于永磁同步电动机来说，将其定子铁心以斜槽的形式制作出来，能够确保径向力波始终沿着电动机的长度方向轴线来移动[4]。这样一来，其沿着轴线方向的平均径向力就会随之下降，同时，附加转矩以及噪声也会随之降低，然而，实际的附加损耗却并不会下降。

2.4 定子动态振幅与声振幅的合理减少

第一，要科学增加阻尼。可以在永磁同步电动机的定子铁心以及机座中适当地涂上阻尼材料，与此同时，使用清漆亦或是环氧树脂，实现定子叠片的有效粘结[5]。基于此，应当对定子铁心以及机座间存在的间隙进行及时填充，这样也能够使电动机阻尼不断增加。第二，声辐射效率的减少。在对永磁同步电动机声辐射功率进行计算的过程中，主要是相对声强辐射系数和无穷大平板声强公式相乘[6]。其中，相对声强辐射的系数和电动机的定子长径比以及振动模态阶数等存在紧密的联系。为此，在立波阶数的增加，使声强辐射系数减少，可以有效地控制噪声。

3 结束语

综上所述，永磁同步电动机在实践应用中的作用十分重要，所以，对其应用特性的研究具有重要的现实意义。电动机振动过大不仅会对运行可靠程度带来负面影响，同样还会引发噪声。因而，文章将稀土永磁同步电动机作为重点研究对象，并且以振动和噪声两个特性为例，阐述了控制这两种特性的可行性方式，以期为永磁同步电动机的正常运转提供有价值的参考依据，充分发挥其自身的功用。

参考文献

[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，刘卫国，等.高阶滑模消抖控制在永磁同步电动机中的应用[J].电机与控制学报，2012，16（2）：7-11，18.

[2]姬芬竹，高峰.电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006（04）.

[3]王家军.速度指定位置跟踪双永磁同步电动机的反推控制[J].控制理论与应用，2015，32（2）：202-209.

篇（6）

中图分类号：TH137.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0110-02

1 引言

伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

伴随着电机由有刷电机、无刷电机以及永磁同步电机的发展历程，伺服驱动器相应经历了模拟电路、8位单片机模数混合电路及高性能DSP电机专用控制解决方案等发展阶段。伺服进给系统的调速范围宽、定位精度高、有足够的传动刚性和高的速度稳定性、快速响应无超调、低速大转矩，过载能力强、可靠性高等诸多特点对控制芯片提出了更高的要求。

2 DSP电路设计

伺服驱动器选用微芯公司高性能16位数字信号控制器dsPIC 30F4011作为无刷电机的主控芯片，它集DSP的高速运算处理能力与电机常用检测接口于一体，成为很多伺服方案的首选。DSP在伺服系统中主要承担对实时输入数据按照某种控制规律、算法实时地计算、处理并且存储，最后将实时结果输出。DSP的性能对整个伺服系统的控制性能起着至关重要的作用，因此选择一款合适的DSP芯片变得尤为重要，整个伺服驱动器硬件都是围绕DSP来设计的。

2.1 dsPIC30F4011芯片及功能

dsPIC30F4011是伺服驱动器的主控芯片。是Microchip公司为满足高性能，高精度伺服要求而推出的一款电机专用芯片，如图1所示，外设资源比较丰富。

dsPIC30F4011采用改进的哈佛架构，能提供最高30MIPS的工作速度[1]，指令宽度为24，16位的数据总线宽度，2KB数据RAM，48KB程序FLASH，除此之外：

（1）高灌/拉电流I/O引脚，25mA/25mA。

（2）5个16位定时器/计数器，需要时可组合成32位定时器。

（3）10位高速模数转换器（ADC）模块。

（4）6路PWM输出，边沿对齐或中心对齐，3个占空比发生器，输出可改写。

（5）可用于带霍尔传感器电机的输入捕捉模块。

（6）可用于进行速度和位置测量的正交编码器接口（QEI），A相、B相、索引脉冲三输入信号。

（7）通用异步收发器（UART）模块。

2.2 dsPIC30F4011开发环境及工具

dsPIC30F4011的开发环境由MPLAB IDE代码编辑器和ICD2程序下载和调试器构成，前者主要完成控制程序代码编辑、修改，经编译生成Hex文件后，通过ICD2下载到器件中，也可以使用ICD2进行调试。

3 伺服驱动器软件的研究

3.1 伺服系统控制程序总体框架

无刷直流电机位置伺服系统主要由无刷电机、功率驱动模块、电子换相单元、光电编码器、原点位置传感器、RS-485总线通讯单元[43]等组成。如图2。

3.2 伺服驱动器控制系统功能的实现

由于电流、速度、位置各环的比例，积分系数值是在电机启动前通过串口设置的，在电机运行过程中也随时可以更改，增强了系统的稳定性，减小了超调，缩短了响应时间[4]。从而实现了无刷电机高要求的控制系统。

4 结语

本课题来源在于研究dsPIC30F4011做为控制核心芯片解决了伺服驱动器的调速范围宽、定位精度高、有足够的传动刚性和高的速度稳定性、快速响应无超调、低速大转矩，过载能力强、可靠性高等诸多特点在设计与运用的问题。从而提高了生产率和加工质量，也满足了定位精度高，响应速度快的要求。

参考文献

[1]孙振源.基于dspic30F4011的BLDC模糊自适应PID控制研究[D].青岛：青岛大学硕士学位论文，2011：35.

篇（7）

1.前言

永磁同步电动机（PMSM）因其高功率密度、高转矩和免维修等原因，广泛应用于高效驱动领域。六相永磁同步电动机发展了三相永磁同步电动机的结构，多应用于船舶电动推进等领域，它相对于普通永磁同步电动机而言有诸多优势，如船舶推进系统中，电流谐波最低次数要比一般三相电机高，降低了谐波幅值，提高了系统稳定性，减小转矩脉动，提高了电机工作效率，同时减小了转子谐波损耗，另外一旦发生缺相等故障，系统仍然可以继续运行。因此，六相永磁同步电动机驱动系统的开发和应用受到国内外的关注。[1]

随着电力电子技术的发展，电机变频调速系统在各种领域迅速发展和应用。直接转矩控制策略是在矢量控制策略之后最新兴起的变频调速技术，具有结构简单，动态响应快，鲁棒性强等优点。该技术最早是二十世纪80年代由德国教授Depenbrock和日本学者Takahashi分别提出的。主要应用于感应电机控制系统。于90年代末由L Zhong、M.F.Rahman和Y.W.Hu等人将其应用到永磁同步电机控制中。[2，3，4]

本文所介绍的这种六相永磁同步电机具有六相不对称的结构，是一种船舶推进用电机。在Simulink中没有对应的模型。文章对六相电机模型进行分析同时进行了建立数学模型，并用Simulink对电机进行建模并封装。本文使用Simulink对不对称六相永磁同步电机直接转矩控制系统设计和仿真。同时对直接转矩控制系统进行建模，完成整个系统的搭建，同时加入空间电压矢量控制提高系统稳态转矩和电流，降低转矩脉动，并且对仿真结果进行了简单分析。

2.不对称六相永磁同步电机的数学模型

六相PMSM数学模型与三相电动机很相似，为使分析方便，假设：①不考虑铁心饱和效应；②涡流和磁滞损耗忽略不计；③转子不设阻尼绕组；④认为每相绕组完全对称，定子电流、转子磁场对称分布；⑤近似认为反电动势波形为正弦。[5，6]

坐标变换。

在PMSM瞬态运行过程中，对电机运行状态方程的求解和电机动态分析相当困难，主要原因是电机转子在磁、电结构上不对称，以及电机的电磁参数（电压、电流、磁链、转矩）的微分形式具有多种表达方式。因而在此采用坐标变换，通过消除时变参数，将变系数转化为常系数来求解，进而简化运算和分析过程。

本文采用两相旋转坐标系（dd-qq坐标系）来对PMSM电机的稳态性能进行分析，同时也可以对其瞬态性能进行分析。本文所采用的坐标系与定子磁场保持同步状态，dd轴滞后qq轴90°，dd轴的取向与转子总磁链的方向一致，成为转子磁场坐标系，A、B、C、D、E、F坐标系统与dd-qq坐标系的关系如下为六相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵可以表示为式（1）：

（1）

经过坐标变换可得，d-q坐标系下六相PMSM定子侧的电压方程、同时六相永磁同步电动机的磁链方程和转矩方程如式（2）-式（6）。

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

其中：Ud、Uq为d、q定子的电压分量；id、iq为d、q轴定子的电流分量；、、为d、q轴定子磁链分量；Ld、Lq为d、q轴电感分量；R为定子电阻；np为极对数；为同步角速度；为永磁体磁链；p为微分算子。

通过6/2变换，极大的简化了两相旋转坐标系下的六相PMSM的数学模型，降低了微分方程阶数，d轴磁链和q轴磁链不再是角度的函数，这为六相永磁同步电机的高性能转矩控制打下了坚实的基础。

在仿真过程中由于Simulink中没有现成的六相永磁同步电机模型，于是根据数学模型式（1）～（6）建立了六相永磁同步电机电机模型并对其进行了封装封装。

3.不对称六相永磁同步电机的直接转矩控制系统构成

对于永磁同步电机的直接转矩控制，其主要思想是在保证定子磁链幅值恒定的前提下，根据电机的负载角和电磁转矩的正比关系，通过控制定子磁链的旋转方向来控制负载角进而控制电机的电磁转矩。是定子磁链与转子磁链矢量相对于A轴的空间电角度的空间相位差。不对称六相永磁同步电机直接转矩控制系统组成结构如图1所示，系统包括：电动机模块、逆变器模块、坐标变换模块、定子磁链观测模型、转矩估测模型、磁链和转矩的滞环比较器模块，定子磁链分区表、以及电压空间矢量表。[7]

通过公式（6）可知，改变相应的定子电压矢量以控制定子磁链的旋转方向进而调节负载角的大小，最终能够得到所需要的电机电磁转矩。

基于SVPWM不对称六相永磁同步电机直接转矩控制系统中不同磁链矢量之间的关系如图2。通过分析对不对称六相永磁同步电机的磁链矢量与电压矢量之间的关系，最终得到参考的电压矢量的计算公式。

（7）

（8）

图2 直接转矩控制系统中磁链矢量关系图

定子磁链的估测采用U-I模型，通过检测出定子电压、电流计算出定子磁链。同时根据定子电流和定子磁链，可以估测出电磁转矩。

磁链滞环模块所示，它是用来控制定子磁链幅值，使电动机容量得到充分的利用。磁链滞环模块采用两点式调节，输入量为磁链给定值和磁链幅值的观测值，输出量为磁链开关量，其值为0或者1。转矩滞环模块的结构图，它的任务是实现对转矩的直接控制，转矩滞环模块为三种输出开关量，输入量为转矩给定值和转矩估测值，输出量为转矩的开关量，其值为±1和0。

不对称六相PMSM-DTC优选空间电压矢量的构建和开关表的确定：

根据不同的导通模式，六相电机变频器输出有64种空间电压矢量组合，包括16个零电压矢量以及如图2所示的48种电压矢量，可以看作是四个同心正12边形。本文选取了最外环的十二个电压矢量（即为：v9、v11、v27、v37、v45、v41、v26、v18、v22、v54、v52、v56）可以获得的调速性能，以及更快的转矩响应和磁链变化。本文采用最外环的十二个电压矢量角分线作为分区边界的分区方式。最终得到的开关表如表1所示。

利用Simulink的查表模块实现开关表设计及查表功能，实现电压开关矢量的控制信号的输出器仿真模块的结构框图如图3所示。

基于不对称六相永磁同步电动机直接转矩控制系统的原理，在Matlab2012a境下利用Simulink仿真工具，搭建基于不对称六相永磁同步电动机直接转矩控制系统的仿真模型，整体设计框图如图4所示。

图3 表结构框图

图4 基于Simulink的

六相永磁同步电动机直接转矩控制系统的仿真模型

4.仿真验证

PMSM参数设定：定子电阻，d-q轴等效电感，转子磁链，转动惯量，粘滞系数，极对数

图5 基于SVM不对称六相永磁同步电机

直接转矩控制仿真波形

图6 常规六相永磁同步电机直接转矩控制转矩波形

图5中（a）、（b）、（c）分别为该系统空载启动、0.2s时突加负载20N·m的转速、相电流、转矩仿真波形。图5（d）为负载的定子磁链轨迹。图6为常规六相永磁同步电机直接转矩控制系统空载启动的转矩实验波形。可以看出，由于将SVM引入六相永磁同步电机的直接转矩控制中，使得稳态转矩和稳态电流得到了彻底的改善。

5.结论

本文给出了不对称六相永磁同步电动机直接转矩控制与驱动在MATLAB/Simulink仿真框图。给出了不对称六相永磁同步电机在不同坐标系下的磁链方程、电压方程和转矩方程，从磁链方程和转矩方程，可以证明不对称六相永磁同步电机直接转矩控制的基本原理与三相永磁同步电机是基本一致的，根据直接转矩控制的基本原理对不对称六相永磁同步电机直接转矩控制进行了详细的建模。为了完全补偿系统转矩和定子磁链误差，将SVM引入不对称六相永磁同步电机的直接转矩控制中，用以增加电压矢量的数量，在改善稳态性能的同时，也使得逆变器的开关频率变为近似恒定。仿真结果显示，在直接转矩控制方案下，该永磁同步电动机驱动系统具有结构简单，稳定性，快速跟踪的性能优点。SVPWM允许逆变器在过调制区域运行。与传统的系统相比，该控制策略考虑逆变器作为一个单独的单元，大大降低了系统复杂性。仿真结果最后得出DTC-SVPWM技术具有独特的PMSM驱动的良好的动态特性。定子磁链轨迹趋近磁链圆，具有快速的转矩响应。

参考文献

[1]Jaswant Singh，Bindeshwar Singh，Investigation of Pe-rformance Parameters of PMSM Drives using DTC-SVPWM Technique，IEEE Trans.Engineering and Systems（SCES），2012 Students Conference on.Publication Year：2012，Page（s）：1-6.

[2]Rahman，M.F.Zhong，L.Khiang Wee LimA direct torque-controlled interior permanent magnet synchronous motor drive incorporating field weakening，Industry Applications，IEEE Transactions onDigital Object Identifier：10.1109/28.738985 Publication Year：1998，Page（s）：1246-1253.

[3]Rahman，M.F.Zhong，L.Lim，K.W.Rahman，M.A.A direct torque controlled permanent magnet synchronous motor drive without a speed sensor，Electric Machines and Drives，1999. International Conference IEMD，99Publication Year：1999，Page（S）：123-125.

[4]欧阳红林.多相永磁同步电动机调速系统控制方法的研究[D].湖南大学博士学位论文，2005：1-2.

[5]E.A.Klingshirn.High Phas e Induction Motor-Prat I：Description and Considerations.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems.1983，102（1）：47-53.

[6]E.A.Klingshirn.High Phas e Induction Motor-Prat II：Experimental Results.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems.1983，102（1）：54-59.

[7]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008（8）.

项目基金：教育部博士学科点科研基金项目（项目编号：20102102110001）；辽宁省科技厅攻关项目（项目编号：2010220038）。

篇（8）

摄像机拍摄的图像是由被拍摄物发射光（反射光）及背景光两部分组成。在摄像机已经确定下来的情况下，一般采用通过改变曝光参数的方法，调整目标成像的亮度来改善目标的成像质量。但是在实际使用中，受被拍摄物体的亮度、运动方式、背景环境等多种因素影响，摄像机的曝光参数的调节有时比较困难，特别是物体本身亮度较强的情况下，参与成像的主要光谱对应的光强太大，使得摄像机接收CCD饱和，而目标轮廓对应的成像光谱光强较弱，所以轮廓不清晰。只靠摄像机自身降低曝光参数来进行目标的清晰成像并不是那么容易，因此，仅仅依靠调整曝光参数是无法从根本上解决成像质量清晰与否的问题，需要设计一套载有不同波段滤光片的滤波转动装置，采用步进电机驱动的转盘来装夹滤光片，滤波装置与摄影机时序匹配。本文中设计的滤波载盘旋转时，不拍摄；电机停转时，摄影机工作。滤波转动装置通过选择适当的高通、低通或带通滤波片，将干扰目标成像的光谱成分滤除，使目标在图像中的对比度得到改善。

1 滤波装置的组成

滤波装置是将装载不同波长性能滤光片的转轮置于摄影或摄像机之前，在摄影、摄像机工作时，控制转轮，使不同波长的光成像，比较成像的质量，决定滤光波长。

本套装置选用常规摄像机，考虑到目标距离摄影点很远，使用伽利略系统，目镜放大倍数为10倍，焦距为25mm，物镜焦距为900mm，总角放大倍数为36倍，有连拍功能。滤波装置由机械载片转盘、步进电机驱动器、控制电路以及显示设备组成。

主要完成以下功能：

（1）控制机能够带动转盘在0.5s内转动72°。

（2）完成转动后滞留一段时间，继续下一步，滞留时间以0.1s为单位可调。

（3）运行速度、加速度可调，转动角度以0.9°为单位可调。

（4）具有显示功能，显示参数设置信息以及电机运行信息。

（5）具备串口功能，可以方便进行程序烧写，并可与上位机交互通信及控制。

2 步进电机驱动控制装置

2.1 步进电机选型

摄像机带动转盘转动，对电机要求较高，不仅启动速度要快，而且停止后定位要准确，但在设计时发现转盘的转动惯量较大，不易停止下来。通过实验发现，采用永磁式步进电机可以满足本装置中对电机的要求：电机既可满足带动转盘高速运动的同时，又可满足在停止时转盘定位准确无过冲现象，同时功率消耗较小。

步进电机型号定为：85BYGH-201。

2.2 控制电路设计

步进电机控制方框图如图2所示。

为了保证本装置结构简单、运行可靠，经过论证，步进电机控制器采用STC89C52单片机芯片，能够满足本装置使用要求。该系统能够发出脉宽、频率、脉冲个数均可控制的方波，控制电机运行，并且还可以利用串口对单片机进行程序的烧写，对其功能可以进一步扩展。其整体的电路图如图3所示。

采用SMC1602A液晶显示器，能够将滤波装置的参数设置及工作状态实时显示出来，供操作人员实时监控。操作人员可以通过操作液晶显示器面板的控制按键，实现装置控制参数的显示、设置、电机运行和停止等功能。如图4所示是按键控制电路图。

2.3 软件设计

单片机采用多中断系统，分析判断中断标志位，确定有无中断以及中断方式，确定中断方式后再通过查询方式判断具体工作模式，最后执行相对应程序。软件控制流程如图5所示。

3 实验分析

采用普通摄像机加装本滤波装置，滤波片滤光范围在300nm至1200nm之间，对150米以外的物体做光谱采集，不漏掉目标，干扰光不进入系统，电机带动转盘按照预设程序，与摄像系统配合，依次拍下目标光谱信息。本滤波装置正确地在外场采集了目标光谱。如图6为拍摄照片滤波对比效果图。

综上实验结果，从图中可以看出，滤波装置正常工作，滤波效果达到预期目标。

4 结束语

本套滤波装置采用步进电机传动，脉冲频率控制转速，脉冲个数控制转角，使曝光与传动匹配。结构简单易行，用常规摄影摄像仪器、滤光片，经过光谱滤波后改进像质效果很明显，得到较好的像质。

参考文献

[1]崔星.机电混合驱动系统特性与参数匹配研究[D].北京：北京理工大学机械与车辆学院，2009.

[2]姚荣斌，孙红兵.基于STC89C51RC的转速测量系统设计[D].连云港师范高等专科学校学报，2007（04）：84 -87.

[3]刘保延等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[4]冯晓，刘仲恕.电机与电器控制[M].北京：机械出版社，2005.

[5]王诣，尤丽华.基于AT89S51单片机的步进电机控制系统的研究[D].无锡：江南大学机械工程学学术论文，2005.

作者简介

篇（9）

不论社会经济如何飞速，对于电机的控制在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦缺少了电机的控制，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对电机控制系统提出了更高的要求，需要满足及时、准确、安全等特性。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。

目前的单片机广泛的应用在很多的场合，在以下的民用电子产品、计算机系统、智能仪表、工业控制、网络与通信的智能接口、军工领域、办公自动化等领域有广泛的应用。本次的电机控制系统设计使用单片机控制电路实现对电机的控制。

本文采用AT89C51单片机作为硬件核心实现对电机进行控制，通过采集电路采集电机的速度信息，并与设定的速度进行比较，产生偏差信号，偏差信号通过PID调节器调节电机转速，保证电机的恒转速运行。

AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：8位CPU；内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次；完全静态操作：0Hz～24Hz，可输出时钟信号；三级加密程序存储器；128B×8的片内数据存储器（RAM）；32根可编程I/O线；2个16位定时/计数器；中断系统有6个中断源，可编为两个优先级；一个全双工可编程串行通道；可编程串行UART通道；具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式。

1电机控制系统的硬件设计

对于电机的整流电路在实际的应用过程中已经非常成熟，因此可以参考相关的电机设计资料，在本论文中就不做相应的赘述。

1.1功率驱动模块

功率驱动模块是电机控制系统的一个重要组成部分，在本文的电机控制系统中，采用的是IR公司的IRAMS10UP60A，这款集成电路具有硬件电路简单，并且稳定性和安全性、可靠性高等特点。在这款电路中具有自举电路和过温过流保护，这样能够保证闭环速度控制系统的功能。

1.2检测电路

在本篇论文中采用的是无刷直流电机自带的霍尔元件式的位置传感器，霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。

通过遮光盘的齿部的遮挡与不遮挡，使霍尔元件产生高、低电平信号，从而提供了电动机的转子位置信息。当电机转轴逆时针转动时，遮光盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”（高电平）；当齿部离开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”（低电平），这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。

1.3电流采样设计

2电机控制系统软件设计

3结论

随着性能高的微处理器的出现，采用高性能的处理器可以简化系统的设计，同时还能够提高系统的安全性、可靠性。根据这种方法设计的电机控制系统与传统的电机控制系统相比较在成本上具有很大的优势。本文利用ATMEL公司的AT89C51的单片机，设计出了相应的硬件和软件系统，在系统的软件设计中，采用了模块化的设计思想，并给出了相应的设计流程，这种芯片式的电机控制系统设计，简化了设计的时间，降低了开发成本，能够很好的实现系统的功能。

参考文献：

篇（10）

阳极作为铝电解的心脏，它的质量好坏，不但影响电解槽的平稳生产，还影响着电解的各项经济技术指标，如：阳极消耗、电能消耗、铝液质量；同时还对节能减排指标中的烟气排放有着直接的影响。

炭阳极组装车间是把电解返回的残极进行电解质清理、残极压脱、磷铁环压脱，并把焙烧块和铝导杆—钢爪组用熔化的磷生铁进行连接成为具有一定机械强度、较小比电阻的整体，同时对残极进行破碎，破碎后的残极返回成型车间供配料使用。

其质量控制主要有：残极料中灰分、磷生铁的控制；浇铸质量及组装块表面附着的磷生铁、填充焦的控制；磷生铁的配比控制。

一、 阳极炭块中灰分、磷生铁产生的原因

1、 灰分产生的原因：

1）软残极产生

残极是阳极炭块在铝电解生产中使用以后换下的残余部分，其表面覆盖有氧化铝和氟化盐，将其清理掉后经破碎返回成型作为阳极材料的原料，以提高生阳极的体积密度、降低空气渗透率、提高抗压强度等。但由于残极在电解槽上高温电解质中使用了近30天，其表面层硬度较小、空隙度大、抗氧化性能较差、着火点低等，此部分软残极进入成型配料后，将对阳极质量带来很大的影响，造成电解更大的损失。

2）收尘系统产生

残极压脱、破碎时产生的大量粉料经收尘系统收尘后进入残极皮带，最终返到阳极下到工序成型生产线，导致阳极Si 元素含量增加。这些收尘粉料杂质含量高、性状疏松、假比重小、理化性能低劣，对电解的阳极净耗、电流效率影响较大，不应上线参与阳极生产。

另外工作现场、工序卫生清扫等产生的脏料也会带入一部分灰分。

2、 铁含量增加产生的原因：

1） 残极中携带有部分未分离的磷铁

残极压脱时，少量与残极结合紧密的磷铁被压脱下来，这部分磷铁在残极皮带上未被电磁除铁器清除下来或除铁器上的铁未及时清理，被残极挂掉，从而进入成型配料生产线，致使阳极铁含量增加。

措施：将电磁除铁器改为永磁体除铁器。

2） 浇铸后阳极表面磷生铁清理不干净

阳极组装块在浇铸站浇铸时，会产生少部分外溢铁水，飞溅到阳极表面上和铁珠落入炭碗内，人工清理外溢冷凝铁，碎铁屑和铁珠靠人工清理费时费力，而且清扫不干净，这部分铁将进入电解生产线，导致铝液铁含量增高。

二、 改进措施

1、 加装软残极清理机，清除残极表面上的软残极及灰分

电解返回的残极经电解质清理机（钢球抛丸机）或人工电解质清理后，其残极上部及底部仍有1—2mm的软残极，本机能有效的清除这部分软残极。

本机由电机、传动装置、钢刷、残极推车机、收尘系统等部份组成，如图1所示：

图1、清理机总装示意图

电解返回的残极经装卸站上链后，在电解质清理机前的道叉上装设一套残极厚度自动检测装置，厚度大于400mm的残极进入旁通链，小于400mm的进入清理机进行清理。

本清理机安装于电解质清理机后的钢结构架上，顶部接收尘管道，底部有皮带输送机，当残极由悬链输送机送入本机，残极推车机的入口侧夹板被导杆抬起，当导杆全部进入夹具后，入口侧夹板在重力作用下自动把导杆夹紧，同时导杆压下残极推车机的气缸控制开关，气缸拖动推车机及带残极的导杆向前移动进入清理室。高压压缩空气间隙喷吹，清除残极表面灰分及电解质；电机拖动清理滚筒高速旋转，钢刷采用钢丝绳，由于离心力的作用，残极上的电解质层被钢丝绳刮削清除干净。当气缸拖动推车机及带残极的导杆清刷完毕后，由于出口侧夹板被固定机架上的挡块抬起，带残极的导杆由悬链输送机拖走，同时导杆不再压迫气缸控制开关，气缸自动换向并快速返回，完成一个清刷工作循环，进入待机状态，由于是在链不停顿自动清理，钢刷靠离心力的作用，因此可以自动适应小于400mm的厚、薄残极的软残极清除。该机各部件的示意图如下：

图2、 残极推车机示意图

2、 装设阳极组装块表面碎铁、杂质清吹装置

方案：用一个两个出口，一个进气口的储气包，装两个二位二通先导式电磁换向阀，从悬链道叉检测开关上引出一个电信号控制电磁换向阀的动作。组装好的阳极由悬链输送至检测开关检测的位置，电磁换向阀动作，8个喷吹头分别对4个炭碗的两侧进行喷吹清扫。

由于喷吹清扫会产生大量的扬尘，清扫位置必须制作一个密封仓，把阳极块密封，而且须有除尘装置。除尘装置由除尘器引一收尘口至密封仓，收集吹扫中引起的扬尘。

三、 结束语

1、 电解铝用软残极清理机，能够有效地清除残极表面附着的电解质层，给下道工序提供合格的残极，由于外部有收尘系统，该机不对外部环境造成污染，而且噪音小，结构简单实用、制造费用低廉，清理效果好，维护方便，为自制软残极清理提供了新的思路。

2、 阳极组装块表面碎铁、杂质清吹装置，能够有效的吹扫组装块表面附着的炭粉及炭碗内的碎铁，由于是在链自动吹扫，不必增加其他附属工艺设施，降低了阳极组装块的生产成本，提高了原铝质量。

四、 参考文献