基于S7-200 PLC的步进电机运动控制系统设计

提出基于西门子S7-200 PLC的步进电机运动控制系统的设计与实现。由于S7-200系列PLC不支持圆弧插补功能,采用极限逼近的算法,利用PLC输出高速脉冲信号和方向信号驱动步进电动机进行画圆的工作,并通过系统的调试对该方法进行了验证。

垂直式重力储能系统的研究进展和关键技术

基于固体重物的重力储能技术因其不依赖水资源、选址灵活、效率高等优势,未来有望成为我国北方和西北缺水地区重要的储能技术之一,可以很好地满足大规模可再生能源电力并网对储能技术的需求。然而,由于固体重物的不可流动性和不连续性,重物启停和切换过程会对机械传动和电网系统造成冲击,是固体重力储能区别于抽水蓄能的重要特征。本文首先介绍了近年来国内外基于竖井和地面构筑物的垂直式重力储能技术的研发现状和示范工程,并进一步对垂直式重力储能系统垂直提升、水平转移和自动接驳机械传动技术,以及发电电动机和并网控制技术中存在的核心技术难题进行了分析,最后对垂直式重力储能技术未来的发展趋势进行了展望。研究表明,垂直式重力储能系统尽管技术方案较多,但在重载快速提升和转移、重物启停和切换过程控制、并网控制和能效提升等方面还存在诸多技术难题有待解决,后续通过技术提升可进一步降低系统建造成本并提高系统运行的效率和寿命,有望在近期获得一定的示范应用。

基于状态估计的轮毂电机驱动控制策略研究

为克服轮毂电机响应慢,控制精度和抗干扰性差的难题,本文在滑模控制(Sliding mode control,SMC)的基础上,开发基于转速和角度在线状态估计的超螺旋滑模(Super-twisting sliding mode control,STSMC)轮毂电机转速转矩联合控制策略。采用单移线工况,轮毂电机汽车匀速换变道时分别对各轮毂电机进行转速控制,满足阿克曼转向要求,变道后采用正弦过渡方法对各轮毂电机进行转矩控制,电机快速平滑输出期望转矩,车辆直线加速。为防止转速和角度传感器误差或者损坏,轮毂电机控制中采用最大相关熵平方根广义高阶容积卡尔曼算法(Maximum correlation entropy square root generalized high-order cubature Kalman filter,MCSRGHCKF)对转速和转子角度进行无传感器估计,实验测试得到转子角度估计误差为-0.05 rad,转速误差为0.3 r/min,满足电机控制要求。从电机启动到匀速运行阶段采用STSMC算法控制,转速超调量为6.33%,最大输出转矩为0.35 N·m,响应时间为0.22 s,稳态转速脉动为±0.5 r/min,转矩脉动为±0.01 N·m,相比PID和SMC算法,控制效果更佳。在转速切换转矩控制,转矩可按照正弦函数平滑过渡,最大超调仅为2.86%,电机运行平稳。

基于高频正交方波注入法的永磁同步电机控制研究

针对传统高频注入法解调过程复杂和观测精度受非理想因素时延影响的不足,提出一种基于高频正交方波注入法的零低速位置估计方法。首先,考虑估计旋转轴系注入的低可靠性,选择将高频信号注入静止轴系,采用简单代数运算提取出高频响应电流,通过解调正向虚拟高频响应电流初步估计转子位置;然后,针对主要非理想因素进行影响分析,在此基础上,通过解调负向虚拟高频响应电流提取出相位滞后角,完成补偿;最后,为避免启动阶段位置收敛错误,通过获取电感变化趋势判断出磁极极性。实验结果表明,所提算法在各类工况均能稳定收敛,且最大平均误差不超过1°,说明了算法的抗扰性以及准确性。

实现纹波电流还原的PMSM端口模拟算法

电机模拟器作为一种模拟电机端口特性的三相电力电子装置,为电驱动系统的测试提供了高效的测试手段。电机模拟器还原目标电机端口特性的标志是精确还原目标电机的工作电流,现有研究实现了基波电流及较低阶次谐波电流的还原,但针对电机在电机控制器驱动下的高频纹波电流的还原仍严重依赖滤波电感与目标电机电感的匹配,降低了电机模拟器的通用性。为此,本文基于电路等效虚拟法将永磁同步电机等效电路拆分为两部分,一部分由电机模拟器实际电路代替,另一部分由控制算法模拟,并结合无差拍电流预测控制对控制差拍进行了补偿,提出了前馈解耦无差拍电流跟随策略。实验结果表明,基于新提出的永磁同步电机端口模拟算法,电机模拟器可以在不更换电感的情况下模拟不同参数的永磁同步电机,高频纹波电流的频域跟踪误差从传统策略的160%降低至20%,显著提高了电机模拟器对永磁同步电机端口特性的模拟精度。

基于自联想核回归算法的数据驱动电机控制

在电机控制领域,基于模型驱动的控制方法已经广为研究,随着计算机运算能力的提升,给大量数据计算带来了可能性。为进一步提升电机控制性能,研究了一种基于自联想核回归法算法的控制补偿策略,基于运行过程中的大量数据来校正补偿电机控制过程,以提升电机控制性能,平抑运行过程中的波动。通过理论以及仿真分析,该方法能较好完成电机运行控制,加上补偿后的控制策略能减小电流波动以及转矩脉动,有一定的控制补偿效果。此控制算法同样适用于其他电机控制策略的优化过程,有一定的参考价值。

虚拟直流电机荷电状态均衡控制

新型电力系统的惯性低,虚拟直流电机控制可以加强系统惯性和阻尼。多储能变换器应该考虑荷电状态(State of charge,SOC)均衡问题,提高系统稳定性。针对虚拟直流电机控制的多储能SOC均衡问题,利用直流电机机端电压和电枢电流的下垂特性,提出引入SOC离差及变均衡系数的变电枢电阻控制;针对下垂引起的电压偏移问题,采用虚拟直流电机转速补偿,用母线电容瞬时功率替代传统虚拟直流电机控制中电压PI控制,给定系统功率需求,减少比例积分环节个数。以两台蓄电池为例,在Simulink中进行仿真,并与参考文献的变电枢电阻函数对比可知,所提控制策略可抑制直流母线电压跌落,调节SOC均衡过程,提高其均衡速度和精度。

基于粒子群算法的电机控制策略研究

针对电机速度控制存在的响应慢、精度差等问题,采用PSO优化PID控制器参数实现对无刷直流电机的速度控制。构建了直流电机的数学模型与控制模型,在此基础上提出了PSO优化PID参数的流程。在MATLAB/Simulink平台下搭建无刷直流电机控制系统仿真模型,对比传统PID控制、GA优化PID参数控制、PSO优化PID参数控制3种电机控制策略在电机空载工况、转速发生阶跃变化工况、电机负载发生阶跃工况下的仿真结果。结果表明,PSO优化PID参数控制相对于其它两种控制策略,其转速响应速度快、抗负载干扰能力强。

基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制

针对传统滑模控制采用不连续的符号函数作为滑模面切换函数所引起的抖振问题,提出一种基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制方法,来削弱抖振,从而改善系统的动、静态性能。首先,设计了改进型滑模控制器和改进型滑模观测器的变结构控制系统。其次,采用连续的开关函数——双曲正切函数作为滑模面切换函数,并通过模糊逻辑控制对双曲正切函数的形状系数进行调整,减弱固定边界层厚度所引起的抖振。然后,运用李雅普诺夫第二定理证明所设计的控制系统的稳定性。最后,与其他方法相比,仿真结果证明了所提方法的可行性和有效性。

基于双侧电机同步转速调节的履带机器人直行控制研究

由于路面阻力不均衡使履带机器人双侧电机负载扰动不一致,造成两侧电机转速不同步,导致直行运动跑偏。因此,需要提高双电机的转速同步性能。针对路面扰动等因素,考虑到滑模控制算法对参数变化不敏感,且能够抑制一定范围内的不确定扰动。故基于交叉耦合控制方法加入滑模同步控制算法进行改进。将传统交叉耦合控制方法和改进的交叉耦合滑模同步控制方法进行对比仿真和实验。结果表明,突变扰动下,改进后同步误差和直行跑偏量得到明显减小,同步直行性能有了显著提高。

工程车辆直线电机馈能悬架能量回收分析与参数优化

目的为了回收工程车辆在行驶过程中由于路面不平度引起的车身振动能量,同时解决馈能悬架系统的动力学性能和馈能性能不协调问题,方法首先,提出一种直线电机与减振器并联的馈能悬架系统结构,通过建立馈能悬架系统的二自由度动力学模型,利用天棚控制提高车辆的平顺性;其次,以悬架减振器阻尼作为优化设计变量,结合直线电机式馈能悬架的馈能性能、平顺性和安全性建立优化目标函数,采用遗传算法控制策略对馈能悬架的馈能性能进行优化,以获得全局最优解,解决馈能悬架的平顺性和馈能性能的协调问题;最后,通过MATLAB/Simulink对馈能悬架系统性能进行仿真。结果仿真结果表明:与被动悬架相比,天棚控制下的馈能悬架车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程均方根值分别减小25.40%,17.76%和32.58%;利用遗传算法对馈能悬架的动力性能和馈能协调性能优化,优化后馈能悬架的动力学性能相比优化前有一定恶化,但与被动悬架的动力学性能相比提高显著,而蓄电池平均回收能量提高了15.22%,馈能性能提高显著。结论本文提出的直线电机和减振器并联结构的馈能悬架系统装置能够回收工程车辆悬架系统的振动能量,采用遗传算法协调控制策略能够兼顾馈能悬架的动力学性能和馈能性能,并使馈能性能得到显著提高。

基于LDC1101的电涡流传感器设计

传统的模拟式电涡流传感器存在容易受到干扰、电路设计复杂的问题而利用现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)软件实现测量电路和输出信号的数字式电涡流传感器调试复杂的问题。针对以上问题,设计了基于LDC1101的数字化电涡流传感器,实现载波信号发生和测量信号解调于一体,并把测量结果通过SPI通信传输给控制器。每个传感器模块由1个LDC1101芯片、1个电涡流传感线圈和1个匹配电容组成。极大简化了电路设计以及调试难度。此传感器测量方法已用于无轴承永磁电机的悬浮控制中对转子磁钢的径向位置测量中。通过4只传感器安装在信号采集电路板上,差分测量然后计算出转子的x和y位置。试验结果表明,该方法分辨率高,可靠性好。

电磁发射用直线电机及其控制技术综述

电磁发射用直线电机是电磁发射系统的核心执行机构,为电磁发射提供驱动磁场和加速通道。近十年来,电磁发射用直线电机及其控制技术日趋成为直线电机领域较为热点的研究方向。该文归纳了电磁发射用直线电机的特点和关键技术,综述了电磁发射用直线电机及其控制技术的研究现状,探讨了电磁发射用直线电机的发展趋势和应用前景,旨在为电磁发射用直线电机的后续研究提供方向引导。

基于DCS-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统研究

为了有效调控机械臂运动幅度,避免柔性机械臂实际运动轨迹与目标轨迹发生较大的偏差,设计一种基于分散控制系统(DCS)-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统,它是一个集合了计算机、通信、显示和控制的计算机系统,该系统由过程控制和过程监控。通过DCS算法控制监测对象行为幅度并计算柔性机械臂惯性权重,利用DCS-惯性权重组合求解素数控制指标的具体数值,实现了对柔性机械臂运动轨迹控制系统的软件设计。实验结果表明,DCS-惯性权重组合算法作用下的机械臂末端坐标在横轴、纵轴、空间轴方向上的运动幅值均可以被控制在10个单位长度之内,并且在0.52 s内进入机械臂运动轨迹最佳控制状态,运动轨迹差值最大仅为0.01 rad,验证了该系统具备可行性和有效性。

船舶维修机械臂水下探伤系统稳定性分析

为了满足船舶远海航行时对于水下船体探伤的作业需求,基于自主设计的水下机械臂系统,在其末端执行机构安装水下摄像头,以代替潜水员下水进行探伤作业,并对搭建的水下维修机械臂探伤系统的操控稳定性进行了分析验证。首先,基于拉格朗日函数建立了水下机械臂探伤系统的动力学方程,并利用Fluent软件仿真计算出在不同流速下机械臂探伤系统各关节处所受的水阻力大小;然后,将计算所得各关节水阻力作为载荷添加至动力学仿真分析中,利用Matlab软件对水下维修机械臂探伤系统进行了动力学仿真,得到各关节在空气中和水下不同环境中的力矩,求得水阻力对各关节力矩的影响因子;最后,在空气中和水下两种环境中对机械臂探伤系统进行运动控制试验,实际的力矩反馈和流体模型的建立验证了水下维修机械臂探伤系统良好的操控稳定性,为运用于船舶远航实际水下探伤作业提供了数据和实验支持。

新能源汽车的驱动电机系统研究和设计

通过改变新能源汽车的能源消耗方式,能提高节能减排工作效果,促进新能源开发利用工作顺利进行,保证社会经济实现可持续发展。科学技术的发展决定着新能源汽车的研发进程,驱动电机系统作为新能源汽车的关键点,涉及新能源汽车研发的核心技术,相关人员要注重新能源汽车的驱动电机系统研究和设计,提高设计的合理性。

纳米材料中的界面现象

在课程教学中融入科学前沿实例不仅可以阐明所学基本原理的实际意义,还可以为基本原理的灵活应用提供范例,启发学生独立思考能力。界面化学是物理化学课程中的重要学习内容,但由于在常规尺度的多相体系中界面现象并不显著,学生对该部分知识常有忽视。近年来纳米材料已成为国内外研究的热点。纳米材料由于其高界面分子比例而表现出更为显著的界面现象。将界面化学的基本原理应用于纳米材料的研究中,已取得了一系列令人瞩目的成果。本文首先对附加压力、接触角等相关界面现象的基本原理进行梳理,然后分别介绍根据这些基本原理所发展出的分子马达、光控微流控器件、液体门控技术以及超疏水表面四项科技突破。

基于径向基函数神经网络算法的高频转阀阀芯稳定性

针对伺服电机驱动高频转阀时受液动力矩变化影响造成高频输出精度下降的问题,以液压马达作为动力源,提出一种基于径向基函数神经网络算法的转阀阀芯转速控制策略。首先,搭建高频转阀阀芯转速控制系统的数学模型;其次根据数学模型在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行仿真分析;最后建立高频转阀转速控制系统实验台,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行实验研究和理论验证。结果表明:与常规PID控制方法相比,基于径向基函数神经网络的高频转阀转速控制策略转速控制系统阶跃响应所需调整时间最少为0.16 s,超调量小;三角波与正弦波转速跟踪误差均值下降最大值分别为46.51%、53.69%;6 MPa、10 MPa下,转速稳态误差均值分别下降34.92%、38.26%。径向基函数神经网络算法有效提高了高频转阀阀芯转速控制精度。

农用推杆电机行程控制算法研究

研究实现了一种农用推杆电机的低成本行程控制算法。该算法基于霍尔计数原理,通过给普通农用推杆电机加装2个霍尔传感器使得电机运行时输出2路方波信号来实现。电机运行时每转一圈会触发霍尔传感器输出一个脉冲信号,2路信号具有90°的相位差,通过2路信号的相位关系可判断出电机的正反转状态并据此对脉冲信号进行加数计数或减数计数,算法根据用户设置的行程百分比、霍尔计数值以及全行程霍尔计数总值实现电机行程的自动控制。该算法具有行程控制稳定可靠、实现成本低、适用于农业高湿多尘环境等优点,可应用于设施农业和大田农业中相关设备的现场自动控制以及基于农业物联网的远程精准控制。

期望扇区三矢量模型预测电流控制

三矢量模型预测电流控制需要依次计算6扇区电压矢量的作用时间,再由价值函数选取期望电压矢量,存在计算量大的缺点。本文提出一种基于期望扇区的三矢量模型预测电流控制,以快速确定期望电压矢量。首先,建立d-q轴的三矢量电流模型,给出其三矢量作用时间;然后,令预测电流为期望电流,可以获得期望电压矢量,并利用Clark变换得到α-β轴的期望电压矢量;最后,利用反正切函数求得期望电压矢量角度,确定期望电压矢量所在的期望扇区,得到期望三矢量及其作用时间。仿真和实验表明,该方法能够保持很好的控制系统性能。同时,该方法只需一次计算期望电压矢量角度即可确定期望三矢量及其作用时间,比传统三矢量方法有效缩短了算法执行时间约60%。