考虑笼型转子趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化

针对无轴承异步电机启动和运行时趋肤效应带来的转子参数变化问题,该文提出了一种基于有限元计算和最小二乘原理的转子参数辨识方法。在分析电机悬浮机理和构建其有限元模型的基础上,计算了不同转子电流频率下转子的电阻、漏感值,获取趋肤系数变化曲线。基于数学模型推导分析了趋肤效应对电机转子磁场定向和悬浮控制的影响。采用最小二乘法对转子参数进行曲线拟合,提出一种考虑趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化,通过拟合辨识获得转子参数的实时值,提高控制系统转矩和悬浮性能,并搭建电机试验平台进行试验验证。试验结果表明,与未考虑趋肤效应的控制方法相比,采用转子参数辨识能够缩短电机转速响应时间0.05 s,响应速度提高了25%,并且电机转子的x、y方向位移幅值降低50%左右,具有良好的转矩特性和悬浮性能。该研究可为无轴承异步电机控制系统优化提供参考。     

无轴承异步电机非线性滤波器自适应逆解耦控制

针对无轴承异步电机(bearingless induction motor,BIM)多变量、非线性、强耦合的问题,提出了基于非线性自适应滤波器的无轴承异步电机自适应逆解耦控制策略。在分析了无轴承异步电机工作原理的基础上,推导出无轴承异步电机的数学模型,基于自适应逆控制原理,利用非线性自适应滤波器,分别建立转矩系统和悬浮系统的模型和逆模型。复制逆模型,将其串联在对应系统之前作为逆控制器,并采用变步长最小均方(least mean square,LMS)算法在线调整权值。相比于传统的磁场定向控制方法,此方法不必依靠转矩系统来传递磁链信息,从而避免了各自的控制策略之间的相互制约问题。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对无轴承异步电机的转子磁链、转速、转矩、悬浮响应进行了仿真分析。仿真结果证明了该方法的有效性,实现了无轴承异步电机旋转力与悬浮力之间的解耦,而且能够实现两自由度径向悬浮力之间、转速与转子磁链之间的动态解耦。该研究可为基于无轴承异步电机的农业生产设备的研发提供参考。     

基于自适应模糊神经网络的无轴承异步电机控制

针对无轴承异步电机多变量、非线性、强耦合等特点,为实现其稳定悬浮控制,提出了一种基于自适应模糊神经网络推理系统(adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的控制新策略。在分析无轴承异步电机径向悬浮力产生机理的基础上,推导出无轴承异步电机数学模型,基于ANFIS控制原理,完成了控制器设计,包括控制变量和隶属函数的选取、通过PID控制对输入输出数据的采集、根据选定的误差准则修正隶属函数参数以及采用Sugeno型ANFIS控制器训练FIS(fuzzy inference system)模型。基于MATLAB/Simulink仿真平台,对转速为6 000 r/min的无轴承异步电机控制系统的悬浮、转速、转矩响应进行了仿真分析。仿真结果表明该控制策略能在0.12 s内实现转子的稳定悬浮,且当负载转矩突变时,转子的悬浮性能并没有受到影响,转子径向偏移小于0.001mm。在转速突变后,控制系统也能较好的跟踪给定转速,稳定时的转速误差小于20 r/min,控制系统具有良好的动、静态性能。最后在无轴承异步电机控制系统试验平台上对所提策略开展了试验研究,试验结果同样表明,该控制策略能实现无轴承异步电机的稳定悬浮工作,转子径向位移峰峰值范围可以保持在80μm以内,系统响应快,鲁棒性强,控制精度较高,验证了该文提出的ANFIS控制方法的正确性和有效性。     

基于改进UKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

基于传统卡尔曼滤波器的转速估计方法依赖于系统的精确数学模型,但目前通用的无轴承异步电机的数学模型是一个近似模型,针对该问题该文提出一种以实际转速为基准的改进的无轴承异步电机转速估算方案:首先,用残差归一化处理自动更新渐消因子并将其引入增益矩阵,以减小系统模型偏差对估算精度的影响,增强滤波器的稳定性;其次,用遗传算法自动更新噪声矩阵,使其具备补偿作用,再次优化转速估算精度,最终将估算精度控制在5 r/min左右,干扰误差控制在10 r/min左右,可有效应对建模误差和参数扰动对转速估算的影响,具备较高的鲁棒性和估算精度。最后,用d SPACE试验平台证明了所提方案的正确性和可行性,该研究为无轴承异步电机无速度传感器控制提供参考。     

新型无轴承无刷直流电动机结构与模型研究

目前研究的无轴承电机均是将电机和转子悬浮磁路合为一体,两个磁场的叠加一方面容易造成磁饱和,使电机的承载能力下降,影响电机的稳定悬浮;另一方面电磁转矩与径向悬浮力之间具有很强的非线性耦合,而实现解耦控制是非常复杂的.将无刷直流电机的优点与磁悬浮轴承的优点结合,提出一种六自由度可控的无轴承无刷直流电动机结构,通过研究其悬浮原理和运行原理,建立了转子偏心时的精确数学模型和PWM(脉宽调制)调速的精确数学模型,经仿真测试,表明了这种电机结构的合理性.主要特点是承载能力高且电磁转矩控制与径向悬浮力的控制相互独立,无需复杂的非线性解耦控制.     

葡萄防寒布平整卷收速度控制系统设计与试验

针对中国新疆地区葡萄防寒布平整卷收难的问题,该研究分析了防寒布平整卷收原理,并设计了葡萄防寒布平整卷收速度控制系统。该系统可自动检测防寒布的卷收状态,在平整卷收状态时采用增量式PID算法输出PWM(Pulse Width Modulation)信号,基于机具前进速度和布辊半径实现防寒布卷收速度的实时调节;在偏斜卷收状态时通过调节卷布辊轴转速改变卷布辊轴实时转速相对于目标转速的超前或滞后关系,使防寒布恢复平整卷收状态。通过在Simulink中建立电机PID控制模型进行仿真。通过直流电机转速静态标定试验得到电机转速与PWM信号占空比的对应关系。防寒布自动调偏性能试验验证了本文方法的可行性,优化得到激光开关传感器与防寒布边缘的距离为20mm。由直流电机转速调节性能试验对仿真试验结果进行校验,得到优化后的稳态响应时间约为0.4 s,响应延迟约为0.1 s。田间试验结果表明,防寒布卷收平整度均大于90%,平均为92.78%,满足防寒布卷收作业要求。研究结果可为葡萄防寒布回收机的设计与优化提供技术参考。     

基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验

为提升新疆地区玉米精量播种机作业效率、稳定高速工况下播种质量，该研究以气吸圆盘式玉米排种器为研究对象，设计了一种基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器。基于电机驱动排种控制系统硬件构成及工作原理，搭建了以STM32F103C8T6单片机为核心的功能电路。该单体驱动器工作时，由霍尔传感器采集播种机的作业速度，通过高精度光电旋转编码器实时反馈电机转速，利用增益调整型模糊PID算法使调速系统根据转速偏差和偏差变化率实时修正PID控制参数，使电机转速快速精准地跟随作业速度的变化。通过转速控制特性试验可知：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）频率为60 kHz时，电机具有良好的启动特性；电机转速在307～10 441 r/min范围内，电机实际转速变异系数均小于6.29%，具有较好的稳定性和线性度。电机调速试验结果表明：在设定电机目标转速为1 500 r/min时，模糊PID调速系统相比传统PID调速系统超调量降低0.4%，上升时间和调节时间分别缩短0.12和0.49 s，稳态误差减小0.3%；在种床带速度反馈周期T=1.0 s时，模糊PID动态调速精度较高、鲁棒性好。电机驱动排种台架试验结果表明：作业速度为8、10 km/h时，两种控制方式的播种性能指标差异较小；作业速度为12 km/h时，模糊PID控制的播种合格指数大于93.04%，重播指数小于5.13%，漏播指数小于1.83%；与传统PID控制方式相比合格指数均值提高2.50个百分点，重播指数均值降低0.85个百分点，漏播指数均值降低0.88个百分点，各播种性能指标均优于传统PID控制方式，适于高速播种作业。研究结果可为玉米高速精量播种机的研发设计提供参考。     

利用缸盖振动信号检测发动机功率的试验研究

用发动机缸盖的振动信号进行了发动机功率检测试验。基于LabVIEW建立的虚拟仪器系统，运用加速度传感器测定了发动机从怠速急加速到高速过程中的缸盖振动信号，对发动机怠速段、高速段的振动信号进行了频谱分析，同时对比分析了低频振动信号与发动机转动时测得的脉冲信号。结果表明，发动机缸盖振动加速度信号中低频振动信号的周期与发动机转动周期有确定的对应关系，用低频振动信号峰值点可以分离出发动机的转速，从而可根据无负荷测功角加速度原理得出发动机不同转速下的有效功率值，因此利用发动机缸盖振动信号进行功率检测的方法是有效可行的。     

基于sigmoid滤波器的永磁轮毂电机自抗扰控制

相比燃油拖拉机,电动拖拉机具有节能高效、绿色清洁的优点。分布式驱动电动拖拉机结构简单、控制维度多,能进一步提高电动拖拉机的工作效率和作业精度。但是电机检测转速噪声导致轮毂电机速度波动严重,复杂路面及多种作业工况下进一步加剧了上述问题,严重降低了拖拉机的作业质量。针对上述问题,该研究提出一种基于sigmoid滤波器的线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control,LADRC）以提高轮毂电机的转速稳定性和抗扰动能力。该控制策略在传统LADRC的基础上引入sigmoid滤波器至扩张状态观测器（extended state observer,ESO）,根据输入噪声信号误差变化改变滤波器带宽,以抑制观测误差中的中高频干扰信号,同时避免滤波器积分环节对轮毂电机速度跟踪快速性的影响,具有较快的收敛性。搭建试验平台对所提出控制策略进行试验验证,结果表明：与传统LADRC策略相比,本文所提控制策略在变速和变载工况下的转速脉动分别减小了32%和41.67%,i_q电流脉动分别减小了6.25%和4.17%,可在快速、准确跟踪给定转速的同时,显著提高轮毂电机驱动系统的噪声抑制性能,为复杂环境下电动拖拉机高精度作业提供技术参考。     

联合收割机清选损失传感器谷粒冲击信号的混沌检测

该文利用混沌算法来实现联合收割机清选损失谷粒冲击信号的检测,以达到降低清选损失检测系统成本、提高系统可靠性的目的。应用LS-DYNA仿真谷粒冲击传感器的过程,得到谷粒以3 m/s的速度冲击传感器时的位移信号;建立了单Duffing振子检测系统和双耦合Duffing检测系统的simulink仿真模型;得到2个检测系统对正弦信号幅值的检测下限;利用周期图像法检测白噪声的功率谱密度,得到2个检测系统白噪声的临界功率谱密度;同时加入信号和白噪声,检测出两个检测系统的信噪比,双耦合Duffing振子检测系统可以检测出单颗谷粒的冲击,可以发现Duffing振子检测系统在微弱信号检测方面比传统时域检测方法有更大的优越性。该研究可以应用于联合收割机谷物清选损失的检测。     

笼型异步磁力耦合器机械特性与试验

为有效解决目前机械传动系统中选用电机时功率裕度过大而普遍存在的能源利用效率较低问题,提出一种基于三相异步电机鼠笼转子的异步磁力耦合器(squirrel cage asynchronous magnetic coupler,SCAMC)。结合SCAMC具体结构特点,采用标量磁位法及二维场边界条件,建立气隙磁场数理模型;在气隙磁通密度中引入时间变量,推导出感生电流随时间变化的表达式;基于电流叠加性,将笼条电流折算到转子表面,并沿圆周方向对感生电流所形成的洛伦兹力进行积分,建立了SCAMC的电磁转矩模型。基于上述理论及技术基础,设计并制造出一台37 k W SCAMC样机,并对其机械特性进行理论计算、仿真验证及试验测试。结果表明:转差率相同时,所得的仿真及试验数据与理论计算值相比,误差不超过5%;SCAMC与同容量的三相异步电机相比,线性工作区更宽,过载能力更强,但其机械特性偏软,可有效缓解负载对电机的冲击。该研究可为磁力耦合器在大惯量、难启动及经常性过载机械设备中的应用提供参考。     

锤片磨损对粉碎机转子振动影响的虚拟样机仿真

锤片磨损会破坏锤片式粉碎机转子的平衡,加剧转子振动。该文的研究目的是基于虚拟样机技术探讨锤片磨损对转子振动的影响规律。采用MDT和vN4D建立了SFSP112×30型锤片式粉碎机转子的虚拟样机模型,对不同锤片磨损情况下粉碎机转子的振动进行了仿真。结果表明：锤片磨损后,转子振动频率组成变化不大,而振动幅值和强度变化较大,其中低频段振动强度增强,高频段振动强度降低;导致转子质心径向偏移的锤片磨损使转子振动幅值和强度均变大,而导致质心轴向偏移的磨损对转子振动影响不大;同样由于转子质心的径向偏移,转子受迫振动频率强度增加较多。因此,为了降低转子运转时的振动,最好避免转子质心发生径向偏移。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

自动补苗装置精准定位自适应模糊PID控制

为实现补苗装置精准定位控制,解决自动移栽作业过程中因穴盘缺苗和取苗投苗失败而导致的漏栽问题,采用自适应Fuzzy-PID控制算法来实现钵苗输送的步进定位控制。构建了步进电机角速度控制传递函数的数学模型,设计了自适应Fuzzy-PID控制器及其模糊规则,通过MATLAB的Simulink模块建立了基于模糊PID控制器的步进电机系统角速度控制模型,以阶跃信号作为激励信号,自适应模糊PID控制和PID控制的仿真试验表明:PID控制的响应时间为7 s,出现超调量为0.1的振荡,通过调整PID控制器参数增大比例系数,系统响应时间缩短为2.2 s,系统响应速度明显加快,且未出现振荡环节;自适应模糊PID的响应时间为0.12 s,步进电机系统快速到达阶跃响应的稳态值,步进电机角速度控制稳定,角速度响应快,满足钵苗输送的定位要求。自动补苗试验结果表明:在植苗频率为40、50与60株/min时,补苗成功率分别为100%,100%、95.8%,且只要光纤传感器检测到漏苗信号,基于自适应Fuzzy-PID控制的步进电机系统快速响应,补苗控制系统都能准确及时地进行自动补苗。该研究可为解决自动移栽机田间作业的漏栽问题提供参考。     

低速大扭矩水压马达的配流性能分析及试验

为了提高低速大扭矩水压马达的容积效率,以马达的配流副为研究对象,基于力平衡方程及流量方程,建立了配流体端面与转子端面间的泄漏流量损失和功率损失的数学模型。以配流体转子间的水膜厚度、介质温度和马达转速等为性能指标,分析了不同供流方式下间隙、温度和转速对其性能的影响。研究结果表明:间隙越大,配流体转子端面的泄漏流量损失和功率损失越大,温度越高,功率损失越大,同时内环供流时水压马达的性能要优于外环供流。因此,减小水膜厚度,降低水温,可减小配流副的泄漏流量损失和功率损失,提高水压马达的容积效率及马达性能。综合考虑,配流间隙控制在4~5μm较为合适,水温控制在室温(20±5)℃状态下为宜。同时基于上述研究,设计加工出低速大扭矩水压马达物理样机,并对样机的性能进行了加载试验测试,得到了相应的性能曲线,试验结果表明:加工完成的水压马达样机在带载时的容积效率最高可达到90.97%,机械效率最高可达到93.59%,从而验证了所研制的低速大扭矩水压马达原理正确可行,也证明了上述研究结果的正确性,解决了低速大扭矩水压马达的设计理论及关键技术问题。该研究为低速大扭矩水压马达进一步的产品化提供了参考。     

电动轮式移动小车控制系统设计与试验

为了实现电动轮式移动小车能在实际不同的负载和路况下可以稳定的运行工作,该文研制了小车的四轮独立驱动的电机驱动和四轮转向控制系统,该系统由主控制芯片STM32F103RCT6对移动小车进行解算得出4个驱动轮的速度,然后对每个驱动电机进行转矩分配,控制4台用于驱动的无刷直流轮毂电机、2台转向直流电机以及2台制动用直流电机,使得小车实现直线行驶、转向和原地转向;通过单片机ATMEGA48PA控制4台无刷直流轮毂电机换相;采用驱动芯片IR2113驱动场效应管FQA140N10,并利用电机内部霍尔传感器输出的脉冲信号检测无刷直流电机的速度,采用放大器LM358搭建过载保护电路。试验结果表明,所开发的小车驱动控制系统实现了四轮电子差速与转矩分配,移动小车能在水泥路面、干泥土路面、斜坡和草地上稳定可靠运行,小车限速20 km/h,爬坡度为8°。在空载情况下能匀速运行8~10 h,带额定负载250 kg情况下能匀速运行4~5 h,有较好的负载性能,满足农业运输及农田作业的需求,减轻人的体力劳动,提高生产效率。该研究可为应用于田间作业的电动移动小车的机械设计及电气控制系统设计提供参考。     

单泵多马达传动系统输出转矩特性分析与试验

为了使单泵多马达系统的输出转矩更加平稳,以双作用叶片泵和双作用双定子马达组成的传动系统为例,利用波动系数分析了在输入油液存在波动的前提下双作用双定子马达的输出转矩的特性,并搭建了单泵多马达传动系统试验平台。试验结果表明:多马达受到脉动油液作用后,在不同的工作方式下输出特性不同。当泵和马达波动周期一致时,其中内外马达差动工作时输出的转矩脉动最小,其转矩不均匀系数约为1.5%~1.9%。滞后角不同对内外马达并联工作时输出的转矩脉动影响较大,其转矩不均匀系数值最大时约为1.9%~2.7%,大于其他3种工作方式的转矩不均匀系数值。合理地调整滞后角可以使内外马达并联工作时输出转矩的转矩不均匀系数值小于内马达或外马达单独工作时的转矩不均匀系数值,降至1.9%~2%,也可使马达整体的输出转矩脉动降低,说明滞后角对马达输出的转矩脉动有很大的影响。该研究可为减小马达转矩脉动和单泵多马达传动系统的设计与应用提供参考。