機械類開題研究報告模板

1、清華大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文開題報告學(xué)生姓名學(xué)號 07B0607021207B06070212指導(dǎo)教師系別機電工程學(xué)院專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化交稿日期教務(wù)處制一、開題報告畢業(yè)設(shè)計（論文）題目電動絞車課題背景和意義：背景：絞車winch又稱為卷揚機，引進荷蘭技術(shù)設(shè)計的絞車，精巧耐用。主要運 用于建筑、水利工程、林業(yè)、礦山、碼頭等的物料升降或平拖。絞車具有以下特點：通用性高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、起重大、使用轉(zhuǎn)移方便，被廣泛應(yīng)用于建筑、水利工程、林業(yè)、礦山、碼頭等的物料升降 或平拖，還可作現(xiàn)代化電控自動作業(yè)線的配套設(shè)備。有0.5噸350噸，分為快速和慢速兩種。其中高于 20噸的為大噸位絞車

2、，絞車可以單獨使用，也可作為起重、筑路和 礦井提升等機械中的組成部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用。絞車 主要技術(shù)指標(biāo)有額定負載、支持負載、繩速、容繩量等。絞車按照動力分為手動、電動、液壓三類。從用途上分類可分為建筑用絞車和船用絞車。絞車按照功能可以分為：船用絞車、工程絞車、礦用絞車、電纜絞車等等。按照卷筒形式分為單卷筒和和雙卷筒。按照卷筒分布形式有分為并列雙卷筒和前后雙卷筒電動絞車廣泛用于工作繁重和所需牽引力較大的場所。單卷筒電動絞車的電動機 經(jīng)減速機帶動卷筒，電動機與減速器輸入軸之間裝有制動器。為適應(yīng)提升、牽引和回 轉(zhuǎn)等作業(yè)的需要，還有雙卷筒和多卷筒裝置的絞車。一般額定載荷低于

3、10T的絞車可以設(shè)計成電動絞車。意義：目前中國絞車產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如質(zhì)量差、工作 效率低、資源消耗大、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大、維修繁瑣需高技術(shù)人員等 等。所以這次設(shè)計有以下意義。1）了解電動絞車的結(jié)構(gòu)、特點以及工作原理。2） 對絞車各部分的性能的提高有重大意義：盡可能好地滿足工藝要求、便于操作。 具有合理的強度與剛度，使用可靠，具有很好的經(jīng)濟性，重量輕，制造維修方便。3）培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計能力研究的主要內(nèi)容：1）確定油壓機的主要技術(shù)規(guī)格和工作圖。2）確定油壓機的總體方案設(shè)計。（工藝設(shè)計、原理圖設(shè)計、總體布局）3）對電動絞車各組成部分進行運動和結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料選

4、擇、零件強度與剛度的 校核。4）選擇電動機，計算卷筒各項參數(shù)，設(shè)計卷筒，減速機，制動機等部件的計算書5）電氣系統(tǒng)的設(shè)計。研究方法（或技術(shù)路線）：1）查閱相關(guān)文獻，搜集有關(guān)的資料。初步了解電動絞車的發(fā)展及應(yīng)用。2）通過進入工廠參觀實物，對電動絞車的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點有進一步的了解4）設(shè)計并制定出所有電動絞車結(jié)構(gòu)部件的尺寸，通過計算選取標(biāo)準(zhǔn)化零件。5）設(shè)計電動絞車的電氣系統(tǒng)。6）用CAD軟件畫出電動絞車的全部設(shè)計圖和零件圖。7）制作電動絞車各部件設(shè)計計算說明書預(yù)期結(jié)果:1）通過查閱和研究國內(nèi)外有關(guān)電動絞車的文獻，寫出了文獻綜述。3）完成電動絞車電氣系統(tǒng)的設(shè)計并畫出卷筒，減速機，制動器的設(shè)計圖和零

5、件圖。4）了解常用的CAD設(shè)計軟件，并能熟練運用一種 CAD軟件進行油壓機機械設(shè)計。4）進一步對電動絞車的結(jié)構(gòu)、原理、特點有了一個非常深入的了解5）自身的自主設(shè)計能力得到了鍛煉，具有了初步的科研、開發(fā)能力，為將來踏下結(jié)實的一步。進度計劃：1.任務(wù)分派：預(yù)計指導(dǎo)學(xué)生人數(shù)、安排指導(dǎo)教師第六學(xué)期十六周之前2.立題：指導(dǎo)教師填寫立題清調(diào)查表第七學(xué)期開學(xué)第一周3初審與修改：對指導(dǎo)教師的立題組織初審并修改第七學(xué)期第三周前4正式審題：對指導(dǎo)教師的報審表進行審查第七學(xué)期第五周前5學(xué)生選題：公布畢業(yè)設(shè)計課題組織學(xué)生選題第七學(xué)期第八周前6初定任務(wù)書：初步確定任務(wù)書內(nèi)容第七學(xué)期第十周前7課題調(diào)研：學(xué)生進行課題的文獻

6、閱讀和調(diào)查研究第七學(xué)期第十三周前8組織開題報告：分組方式組織學(xué)生的開題報告會第七學(xué)期第十五周前9開展設(shè)計：正式開展畢業(yè)設(shè)計工作第七學(xué)期第十五周起10確定任務(wù)書：按實際設(shè)計狀況最終確定任務(wù)書第七學(xué)期第十七周前11中期檢查：檢查畢業(yè)設(shè)計的進展情況、找問題第七學(xué)期末12后期驗收：第八學(xué)期第十四周內(nèi)13組織答辯：第八學(xué)期第十五周起14.最終審定：指導(dǎo)教師意見:指導(dǎo)教師簽名：年 月 日系部意見審查結(jié)果：口 同意 口 不同意系主任簽名：年 月 日、閱讀文獻目錄序號文獻名文獻出處文獻發(fā)表時間1機械設(shè)計計算手冊化學(xué)工業(yè)出版社2009 年2機械設(shè)計基礎(chǔ)中國農(nóng)業(yè)科技出版社20023機械與設(shè)備機械工業(yè)出版社1999

7、.124電動機固定法欄德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會19605中國絞車設(shè)計與制造新特點建設(shè)科技2005 (12)6材料力學(xué)高等教育出版社19967現(xiàn)代控制技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社20018齒輪與減速機上?；ぴO(shè)計院19799提升機現(xiàn)存技術(shù)問題分析及其解 決方案工礦自動化200210電梯閉式回路節(jié)能型電液控制系 統(tǒng)研究浙江大學(xué)200511材料力學(xué)科學(xué)出版社196412米用負載壓力補償?shù)淖冾l調(diào)速液 壓電梯控制系統(tǒng)工程設(shè)計學(xué)報200213液壓電梯啟動平穩(wěn)性及其非線性 補償控制的研究機床與液壓199714中外減速機圖型設(shè)計展示與技術(shù) 創(chuàng)新及缺陷控制檢測國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)機床與液壓200715釜用立式減速機匯編HG/T3139

8、.10-2001 FP系列帶傳動減速機化學(xué)工業(yè)出版社200916異步電動機與變壓器浙江大學(xué)200117電動機原理與使用入門工程設(shè)計200918電器綜合測試系統(tǒng)與故障診斷技 術(shù)的研究吉林大學(xué)200219電氣工程原理與應(yīng)用（第四版高等教育200420電氣控制與PLC原理西女電子科技大學(xué)200821電氣工程原理與應(yīng)用電子工業(yè)出版社2003三、文獻綜述注意：學(xué)生閱讀文獻后，必須寫出3000字左右的綜述，作為開題內(nèi)容之一。（可增頁）電動絞車簡介：電動絞車廣泛用于工作繁重和所需牽引力較大的場所。單卷筒電動絞車的電動機 經(jīng)減速機帶動卷筒，電動機與減速器輸入軸之間裝有制動器。為適應(yīng)提升、牽引和回 轉(zhuǎn)等作業(yè)的需

9、要，還有雙卷筒和多卷筒裝置的絞車。一般額定載荷低于10T的絞車可以設(shè)計成電動絞車結(jié)構(gòu)組成：卷筒，減速機，制動器，電氣系統(tǒng)。1、卷筒設(shè)計的基本原則在右面的圖表中，彈簧卷筒水平放線”和 垂直放線”的兩種應(yīng)用方式都有表示。橫向電纜安裝：-可以向1或2個方向出線。-電纜在連續(xù)平面上拖拽或用間隔小于1m的支撐將電纜撐離地面。-安裝高度從電纜拖拽平面到卷筒中心不超過1m。-不考慮電纜轉(zhuǎn)向-運行速度為：10M/分鐘-60M/分鐘-最大加速度可達0.3 m/s²。垂直電纜安裝：-卷筒安裝在頂端-電纜出現(xiàn)方向垂直向下-運行速度為：10M/分鐘-40M/分鐘-最大加速度可達0.3 m/s²。-自由

10、下垂的電纜長度 L0不考慮。三、卷筒和電纜的選擇如果應(yīng)用在如下極端特殊的環(huán)境，強烈建議跟我們聯(lián)系：-運行速度小于10 m/min-強烈震動-應(yīng)用在海上，鹽或者腐蝕性空氣中-溫度低于-15 C -急彎路徑-需要強制導(dǎo)向（見下欄）如果安裝了強制導(dǎo)向器必須保證導(dǎo)向器與卷筒之間的距離為卷筒寬度的6倍。彈簧卷筒必須安裝在電纜可以自由放出和卷起，并且沒有障礙物的位置上。強制 導(dǎo)向和尺寸太小的導(dǎo)向輪在任何情況下都不允許的。2.電動機的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機械速度變化的要求。一般電動機調(diào)軸入輸軸間中軸出輸速時其輸出功率會隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看，調(diào)速大致可分兩種：保持輸入功率不變。通過改變調(diào)速

11、裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動機的 轉(zhuǎn)速?？刂齐妱訖C輸入功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。電機、電動機、制動電機、變頻電機、調(diào)速電機、三相異步電動機、高壓電機、多速電機、雙速電機和防爆電機。3絞車采用電動機通過減速器，開式齒輪傳遞扭矩到達主軸，通過離合器帶動卷筒工 作。傳動方案1:減速器采用展開式二級閉式齒輪傳動，結(jié)構(gòu)簡單，在滿足中心距的條件下，由于齒 輪和軸的減少，傳動效率較高，但齒輪直徑大，加工精度不高，而且噪聲較大，大齒輪 在經(jīng)濟方面不理想，加工起來又比較困難，減速箱的體積比較大，不利于安裝。它的結(jié) 構(gòu)簡圖如圖1-1所示：1電動機2、聯(lián)軸器3、制動器4、減速器5、絞筒6、軸承7、開式齒輪傳

12、動方案2:減速器采用展開式三級閉式齒輪傳動，特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率高、容易制造、使用 壽命較長、維護方便，裝拆容易，工作可靠。高速級齒輪布置在遠離轉(zhuǎn)矩輸入端，這 樣，軸在轉(zhuǎn)矩下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形與軸在彎矩下產(chǎn)生的彎曲變形可部分地相互抵消，以減 緩沿齒寬載荷分布不均勻的現(xiàn)象在滿足中心距的條件下，傳動的齒輪的直徑可以取小， 這樣可以使傳動的傳動比較精確可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，而且滑移齒輪操作方便不費 力。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-2所示：圖1-21高速齒輪 2 軸承3 齒輪4 齒輪5 軸承6 齒輪7 軸承8 軸承9軸承10 輸出齒輪11 齒輪12 軸承13 軸承14 軸承2比較起來，方案2的三級閉式齒輪傳動比較

13、適合錨絞車的減速傳動，該機具有較強的 市場競爭力。傳動方案即：三級圓柱齒輪減速器+開式直齒輪3 制動器是具有使運動部件（或運動機械）減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能的裝 置。是使機械中的運動件停止或減速的機械零件。俗稱剎車、閘。制動器主要由制架、 制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間隙的自動調(diào)整裝置。為了減小制 動力矩和結(jié)構(gòu)寸制動器通常裝在設(shè)備的高速軸上，但對安全性要求較高的大型設(shè)備（如礦井提升機、電梯等）則應(yīng)裝在靠近設(shè)備工作部分的低速軸上。絞車安全使用規(guī)程1、 絞車必須按規(guī)范要求進行設(shè)置。其規(guī)格凈高不低于2.0M凈寬為2.4M，凈深為 2.0M。沿空送巷巷道根據(jù)巷道的實際情況而定，

14、以不影響安全操作為原則。2、 絞車施工盡可能采用風(fēng)鎬掘進，根據(jù)巷道的不同支護型式可采用木棚或工字鋼棚 支護。頂板完好時采用錨網(wǎng)支護，頂板破碎時采用架棚支護3、 11.4KW小絞車基礎(chǔ)均要采用砼澆注，其基礎(chǔ)規(guī)格為1.0 X.0 X1.0M。砼中水泥、黃 沙、石子（瓜子片）的配合比為1: 2: 2;水灰 比為0.4。4、 絞車采用架棚支護時，要由外向里逐架進行，棚與棚之間要用撐木或拉桿連成一個整體，腰、幫要接嚴背實。棚距不超過0.7M。采用錨網(wǎng)支護時，錨桿的排間距為800 X800 mm。5、絞車電機應(yīng)安裝在小絞車窩的里側(cè)，操作空間距不得少于0.8M ;操作按紐上架,2 2開關(guān)擺放整齊且不得妨礙人

15、員操作。6、其它按作業(yè)規(guī)程中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。四、文獻翻譯注意：每個學(xué)生必須提交 15000個以上印刷符號、與課題研究密切相關(guān)的外文文獻的中文翻譯文章或者讀書報告。（可增頁）步進電機的振蕩、不穩(wěn)定以及控制摘要：本文介紹了一種分析永磁步進電機不穩(wěn)定性的新穎方法。結(jié)果表明，該種電機有 兩種類型的不穩(wěn)定現(xiàn)象：中頻振蕩和高頻不穩(wěn)定性。非線性分叉理論是用來說明局部不 穩(wěn)定和中頻振蕩運動之間的關(guān)系。一種新型的分析介紹了被確定為高頻不穩(wěn)定性的同步 損耗現(xiàn)象。在相間分界線和吸引子的概念被用于導(dǎo)出數(shù)量來評估高頻不穩(wěn)定性。通過使 用這個數(shù)量就可以很容易地估計高頻供應(yīng)的穩(wěn)定性。此外，還介紹了穩(wěn)定性理論。廣義 的方法給

16、出了基于反饋理論的穩(wěn)定問題的分析。結(jié)果表明，中頻穩(wěn)定度和高頻穩(wěn)定度可 以提咼狀態(tài)反饋。關(guān)鍵詞：步進電機，不穩(wěn)定，非線性，狀態(tài)反饋。1.介紹步進電機是將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬角度輸出的電磁增量運動裝置。其內(nèi)在的步 進能力允許沒有反饋的精確位置控制。也就是說，他們可以在開環(huán)模式下跟蹤任何步階位置，因此執(zhí)行位置控制是不需要任何反饋的。步進電機提供比直流電機每單位更高的 峰值扭矩。此外，它們是無電刷電機，因此需要較少的維護。所有這些特性使得步進電 機在許多位置和速度控制系統(tǒng)的選擇中非常具有吸引力，例如如在計算機硬盤驅(qū)動器和 打印機，代理表，機器人中的應(yīng)用等盡管步進電機有許多突出的特性，他們?nèi)栽馐苷袷幓?/p>

17、不穩(wěn)定現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴重地 限制其開環(huán)的動態(tài)性能和需要高速運作的適用領(lǐng)域。這種振蕩通常在步進率低于1000脈沖/秒的時候發(fā)生，并已被確認為中頻不穩(wěn)定或局部不穩(wěn)定1，或者動態(tài)不穩(wěn)定2。此外，步進電機還有另一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，也就是在步進率較高時，即使負荷扭矩小于其牽 出扭矩，電動機也常常不同步。該文中將這種現(xiàn)象確定為高頻不穩(wěn)定性，因為它以比在 中頻振蕩現(xiàn)象中發(fā)生的頻率更高的頻率出現(xiàn)。高頻不穩(wěn)定性不像中頻不穩(wěn)定性那樣被廣 泛接受，而且還沒有一個方法來評估它。中頻振蕩已經(jīng)被廣泛地認識了很長一段時間，但是，一個完整的了解還沒有牢固確 立。這可以歸因于支配振蕩現(xiàn)象的非線性是相當(dāng)困難處理的。大多數(shù)研究人員在線

18、性模 型基礎(chǔ)上分析它1。盡管在許多情況下，這種處理方法是有效的或有益的，但為了更好 地描述這一復(fù)雜的現(xiàn)象，在非線性理論基礎(chǔ)上的處理方法也是需要的。例如，基于線性 模型只能看到電動機在某些供應(yīng)頻率下轉(zhuǎn)向局部不穩(wěn)定，并不能使被觀測的振蕩現(xiàn)象更 多深入。事實上，除非有人利用非線性理論，否則振蕩不能評估。因此，在非線性動力學(xué)上利用被發(fā)展的數(shù)學(xué)理論處理振蕩或不穩(wěn)定是很重要的。值得指出的是，Taft和Gauthier3，還有Taft和Harned4使用的諸如在振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn) 象的分析中的極限環(huán)和分界線之類的數(shù)學(xué)概念，并取得了關(guān)于所謂非同步現(xiàn)象的一些非 常有啟發(fā)性的見解。盡管如此，在這項研究中仍然缺乏一個全

19、面的數(shù)學(xué)分析。本文一種 新的數(shù)學(xué)分被開發(fā)了用于分析步進電機的振動和不穩(wěn)定性。本文的第一部分討論了步進電機的穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，中頻振蕩可定性為一種 非線性系統(tǒng)的分叉現(xiàn)象（霍普夫分叉）。本文的貢獻之一是將中頻振蕩與霍普夫分叉聯(lián) 系起來，從而霍普夫理論從理論上證明了振蕩的存在性。高頻不穩(wěn)定性也被詳細討論 了，并介紹了一種新型的量來評估高頻穩(wěn)定。這個量是很容易計算的，而且可以作為一 種標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測高頻不穩(wěn)定性的發(fā)生。在一個真實電動機上的實驗結(jié)果顯示了該分析工具 的有效性。本文的第二部分通過反饋討論了步進電機的穩(wěn)定性控制。一些設(shè)計者已表明，通過 調(diào)節(jié)供應(yīng)頻率5 ，中頻不穩(wěn)定性可以得到改善。特別是 Pi

20、ckup和Russell 6，7都在頻率調(diào)制的方法上提出了詳細的分析。在他們的分析中，雅可比級數(shù)用于解決常微分 方程和一組數(shù)值有待解決的非線性代數(shù)方程組。此外，他們的分析負責(zé)的是雙相電動 機，因此，他們的結(jié)論不能直接適用于我們需要考慮三相電動機的情況。在這里，我們 提供一個沒有必要處理任何復(fù)雜數(shù)學(xué)的更簡潔的穩(wěn)定步進電機的分析。在這種分析中， 使用的是d-q模型的步進電機。由于雙相電動機和三相電動機具有相同的d-q模型，因此，這種分析對雙相電動機和三相電動機都有效。迄今為止，人們僅僅認識到用調(diào)制方 法來抑制中頻振蕩。本文結(jié)果表明，該方法不僅對改善中頻穩(wěn)定性有效，而且對改善高 頻穩(wěn)定性也有效。2.

21、動態(tài)模型的步進電機本文件中所考慮的步進電機由一個雙相或三相繞組的跳動定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。一 個極對三相電動機的簡化原理如圖1所示。步進電機通常是由被脈沖序列控制產(chǎn)生矩形波 電壓的電壓源型逆變器供給的。這種電動機用本質(zhì)上和同步電動機相同的原則進行作 業(yè)。步進電機主要作業(yè)方式之一是保持提供電壓的恒定以及脈沖頻率在非常廣泛的范圍 上變化。在這樣的操作條件下，振動和不穩(wěn)定的問題通常會出現(xiàn)。圖1.三相電動機的圖解模型用q-d框架參考轉(zhuǎn)換建立了一個三相步進電機的數(shù)學(xué)模型。下面給出了三相繞組電壓方程Va=Ria+L*di a/dt - M*dib/dt- M*dic/dt+d入pm/dt ,Vb=Rib+L

22、*di b/dt - M*dia/dt- M*dic/dt+d入pm/dt ,Vc=Ric+L*di c/dt - M*dia/dt- M*dib/dt+d入pm/dt,(1)其中R和L分別是相繞組的電阻和感應(yīng)線圈，并且M是相繞組之間的互感線圈。入pma入pmband入pmc是應(yīng)歸于永磁體 的相的磁通，且可以假定為轉(zhuǎn)子位置的正弦函 數(shù)如下入pm=入1 sin(N 0 ),入 pmb= X 1 sin(N 0 -2 /3),入 pmc=X 1 sin(N 0 -2 /3),(2)其中N是轉(zhuǎn)子齒數(shù)。本文中強調(diào)的非線性由上述方程所代表，即磁通是轉(zhuǎn)子位置的非 線性函數(shù)。使用Q ,d轉(zhuǎn)換，將參考框架由固

23、定相軸變換成隨轉(zhuǎn)子移動的軸(參見圖2)。矩陣從 a,b,c框架轉(zhuǎn)換成q,d框架變換被給出了 8cos(N&) cos(NO )十=y ) (心)泗(N#(N# - - 書 siiHsiiH NG _ 氣)例如，給出了 q,d參考里的電壓在a,b,c參考中，只有兩個變量是獨立的(ia+ib+ic=O)，因此，上面提到的由三個變量轉(zhuǎn)化為兩個變量是允許的。在電壓方程(1)中應(yīng)用上述轉(zhuǎn)換，在q,d框架中獲得轉(zhuǎn)換后的電壓方程為Vq=Riq+L1*di q/dt+NL 1i d 3 +N入 1 w ,Vd =Ri d+Li*di d/dt - NLi q w , (5)ITi1? J=TfL如-圖2, a

24、,b,c和d,q參考框架其中L1 =L+M,且w是電動機的速度。有證據(jù)表明，電動機的扭矩有以下公式T =3/2N 入 ii q.(6)轉(zhuǎn)子電動機的方程為J*d w/dt=3/2*N 入 iiq- Bf w - Tl,(7)如果B是粘性摩擦系數(shù)，和Tl代表負荷扭矩(在本文中假定為恒定)。為了構(gòu)成完整的電動機的狀態(tài)方程，我們需要另一種代表轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)變量。為此，通常使用滿足下列方程的所謂的負荷角S 8DS /dt= w - w 0,(8)其中W0是電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。方程(5),( 7),和(8)構(gòu)成電動機的狀態(tài)空間模 型，其輸入變量是電壓Vq和Vd.如前所述，步進電機由逆變器供給，其輸出電壓不是

25、正弦 電波而是方波。然而，由于相比正弦情況下非正弦電壓不能很大程度地改變振蕩特性和 不穩(wěn)定性(如將在第3部分顯示的，振蕩是由于電動機的非線性)，為了本文的目的我們 可以假設(shè)供給電壓是正弦波。根據(jù)這一假設(shè)，我們可以得到如下的Vq和VdVq=VCOS(N S),Vd =Vsin(N S ) ,(9)其中V是正弦波的最大值。上述方程，我們已經(jīng)將輸入電壓由時間函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)函 數(shù)，并且以這種方式我們可以用自控系統(tǒng)描繪出電動機的動態(tài)，如下所示。這將有助于 簡化數(shù)學(xué)分析。0 0NW0 0FUX)FUX) = =根據(jù)萬程(5),( 7),和(8),電動機的狀態(tài)空間模型可以如下寫成矩陣式? =F(X,u)=A

26、X +Fn (X)+Bu ,(10)其中X=iqidco S T, u= co訂I T定義為輸入，且co i=N o是供應(yīng)頻率。輸入矩陣 B被定義為_ _ 0 00 0 c c0 00 0B 0 0-1/J-1/J-/N0 0矩陣A是F(.)的線性部分，如下-R/L0 0 -A/Xi/Li-A/Xi/Li 0 00 0-BfU1 1Fn(X)代表了 F(.)的線性部分，如下-Nlda)-F-F屮血 + Vm/L sin(A5Jsin(A5J0 00 0輸入端u獨立于時間，因此，方程(10)是獨立的。在F(X,u)中有三個參數(shù)，它們是供應(yīng)頻率 o i,電源電壓幅度V和負荷扭矩TI。這些參 數(shù)影響

27、步進電機的運行情況。在實踐中，通常用這樣一種方式來驅(qū)動步進電機，即用因 指令脈沖而變化的供應(yīng)頻率 o 1來控制電動機的速度，而電源電壓保持不變。因此，我們 應(yīng)研究參數(shù)o 1的影響。3.分叉和中頻振湯，設(shè)o =o 0,得出方程(10)的平衡ti+ Tf)N8Q = 一 甲 + arccosZ_ Jg + R N iz土 2m申arccosZlg + RNki(ix)土 2rn7iid = ( Vm sin(5Q) + NLa)Qlq)/R.where, m = 0, 1* 2,The temi 7. is the transferred impedance gien by Z = J/fl +

28、阿 】.(ID(12)(13)(14)(15)Tabls J. Theof athree-phasethree-phase stepperstepper motormotorN50R0 285Ll1.05 mHkl1,77 x IQ-3 Vs1.9 x 10 Nius.ra.dJ400 2CM1-3.14V且是它的相角， =arctan（ 3 1LI/R） .（16）方程（12）和（13）顯示存在著多重均衡，這意味著這些平衡永遠不能全局穩(wěn)定。人們 可以看到，如方程（12）和（13）所示有兩組平衡。第一組由方程（12）對應(yīng)電動機的 實際運行情況來代表。第二組由方程（13）總是不穩(wěn)定且不涉及到實際

29、運作情況來代 表。在下面，我們將集中精力在由方程（12）代表的平衡上。注意：請將外文文獻原文復(fù)印件附在后面。Oscillation,Oscillation, InstabilityInstability andand ControlControl ofof StepperStepper MotorsMotorsLIYU CAO and HOWARD M. SCHWARTZDepartme nt of Systems and Computer Engin eeri ng, Carlet onUni versity,1125 Colonel By Drive,Keywords:Ottawa, ON

30、K1S 5B6, Canada(Received: 18 February 1998 。 accepted: 1 December 1998) Abstract. A novel approach to analyzing instability in permanent-magnet stepper motors is presented. It is shownthat there are two kinds of unstable phenomena in this kind ofmotor: mid-frequency oscillation and high- frequencyin

31、stability. Nonlinear bifurcation theory is used to illustrate the relationship between local instability and midfrequency oscillatory motion. A novel analysis is presented to analyze the loss of synchronism phenomenon,which is identified as high-frequency instability. The concepts of separatrices an

32、d attractors in phase-space areused to derive a quantity to evaluate the high-frequency instability. By using this quantity one can easily estimatethe stability for high supply frequencies. Furthermore, a stabilization method is presented. A generalized approachto analyze the stabilization problem b

33、ased on feedback theory is given. It is shown that the mid-frequency stabilityand the high-frequency stability can be improved by state feedback.Stepper motors, instability, nonlinearity, state feedback.1. IntroductionStepper motors are electromagnetic incremental-motion devices which convert digita

34、l pulseinputs to analog angle outputs. Their inherent stepping ability allows for accurate positioncontrol without feedback. That is, they can track any step position in open-loop mode, consequentlyno feedback is needed to implement position control. Stepper motors deliver higherpeak torque per unit

35、 weight than DC motors。 in addition, they are brushlessmachines andtherefore require less maintenance. All of these properties have made stepper motors a veryattractive selection in many position and speed control systems, such as in computer hard diskdrivers and printers, XY-tables, robot manipulat

36、ors, etc.Although stepper motors have many salient properties, they suffer from an oscillation orunstable phenomenon. This phenomenon severely restricts their open-loop dynamic performanceand applicable area where high speed operation is needed. The oscillation usuallyoccurs at stepping rates lower

37、than 1000 pulse/s, and has been recognized as a mid-frequencyinstability or local instability 1, or a dynamic instability 2. In addition, there is anotherkind of unstable phenomenon in stepper motors, that is, the motors usually lose synchronismat higher stepping rates, even though load torque is le

38、ss than their pull-out torque. This phenomenonis identified as high- frequency instability in this paper, because it appears at muchhigher frequencies than the frequencies at which the mid-frequency oscillation occurs. Thehigh-frequency instability has not been recognized as widely as mid-frequency

39、instability,and there is not yet a method to evaluate it.Mid-frequency oscillation has been recognized widely for a very long time, however, acomplete understanding of it has not been well established. This can be attributed to thenonlinearity that dominates the oscillation phenomenon and is quite d

40、ifficult to deal with.384 L. Cao and H. M. Schwartz Most researchers have analyzed it based on a linearized model 1. Although in many cases,this kind of treatments is valid or useful, a treatment based on nonlinear theory is neededin order to give a better description on this complex phenomenon. For

41、 example, based on alinearized model one can only see that the motors turn to be locally unstable at some supply frequencies, which does not give much insight into the observed oscillatory phenomenon. Infact, the oscillation cannot be assessed unless one uses nonlinear theory.Therefore, it is signif

42、icant to use developed mathematical theory on nonlinear dynamics tohandle the oscillation or instability. It is worth noting that Taft and Gauthier 3, and Taft andHarned 4 used mathematical concepts such as limit cyclesand separatrices in the analysis ofoscillatoryand unstable phenomena, and obtaine

43、d some very instructive insights into the socalledloss of synchronous phenomenon. Nevertheless, there is still a lack of a comprehensivemathematical analysis in this kind of studies. In this paper a novel mathematical analysis isdeveloped to analyze the oscillations and instability in stepper motors

44、.The first part of this paper discusses the stability analysis of stepper motors. It is shownthat the mid-frequency oscillation can be characterized as a bifurcation phenomenon (Hopfbifurcation) of nonlinear systems. One of contributions of this paper is to relate the midfrequencyoscillation to Hopf

45、bifurcation, thereby, the existence of the oscillation is proved theoretically by Hopf theory. High-frequency instability is also discussed in detail, and anovel quantity is introduced to evaluate high-frequency stability. This quantity is very easy to calculate, and can be used as a criteria to pre

46、dict the onset of the high- frequency instability.Experimental results on a real motor show the efficiency of this analytical tool.The second part of this paper discusses stabilizing control of stepper motors throughfeedback. Several authors have shown that by modulating the supply frequency 5, the

47、midfrequency instability can be improved. In particular, Pickup and Russell 6, 7 have presenteda detailed analysis on the frequency modulation method. In their analysis, Jacobi series wasused to solve a ordinary differential equation, and a set of nonlinear algebraic equations hadto be solved numeri

48、cally. In addition, their analysis is undertaken for a two-phase motor,and therefore, their conclusions cannot applied directly to our situation, where a three- phasemotor will be considered. Here, we give a more elegant analysis for stabilizing stepper motors,where no complex mathematical manipulat

49、ion is needed. In this analysis, ad - q model ofstepper motors is used. Because two-phase motors and three-phase motors have the same q - d model and therefore, the analysis is valid for both two-phase and three-phase motors.Up to date, it is only recognized that the modulation method is needed to s

50、uppress the midfrequencyoscillation. In this paper, it is shown that this method is not on ly valid to improvemid-freque ncy stability, but also effective to improve high-freque ncystability.2. Dyn amic Model of Stepper MotorsThe stepper motor con sidered in this paper con sists of a salie nt stator

51、 with two-phase or threephasew indin gs, and aperma nen t-mag net rotor. A simplified schematic of a three-phase motorwith one pole-pair is shown in Figure 1. The stepper motor is usually fed by a voltage-source in verter, which is con trolled by a seque nee of pulses and produces square-wave voltag

52、es. This motor operates esse ntially on the same prin ciple as that of synchronous motors. One of majoroperati ng manner for stepper motors is that suppl ying voltage is kept con sta nt and freque ncy of pulses is cha nged at a very wide ran ge. Un der this operat ing con diti on, oscillation andins

53、tability problems usually arise.Figure 1. Schematic model of a three-phase stepper motor.A mathematical model for a three-phase stepper motor is established usingq -d framerefere nee tran sformatio n. The voltage equatio ns for three-phase windings are give n byva=Ria+L*di a/dt -M*di b/dt -M*di c/dt

54、 +dXimdt ,vb=Rib+L*di b/dt -M*dia/dt -M*dic/dt + dXpm/dt ,vc= Ri c+ L*di c/dt-M*dia/dt-M*dib/dt+dXpm/dt ,where R and L are the resista nee and in ducta nee of the phase windin gs, andMis the mutualinductanee between the phase windings._pna, _pnb and _pnc arethe flux-l in kages of thephases due to th

55、e perma nent magn et, and can be assumed to be sinu soidfun cti ons of rotorpositi on _ as follow入pma=入1 sin(N 0),入 pmb= X i sin(N 0 -2 /3),入 pme= X i sin(N 0 - 2 /3),where N is nu mber of rotor teeth. The non li nearity emphasized in this paperis represe nted bythe above equati ons, that is, the fl

56、ux-l in kages are non li near fun cti ons of the rotor positi on.By using the q。 d transformation, the frame of referenee is changed from the fixed phaseaxes to the axes moving with the rotor (refer to Figure 2).Transformation matrix from the a。b。e frame to the q。d frame is given by 8cos(NO) cos(AT0

57、cos(AT0 學(xué))cos(7V0cos(7V0 十卑) sm(N0) sinsin(旳-琴)sin(sin(NBNB 十和For example, voltages in theq。 d referenee are given byIn the a。b。e referenee, only two variables are independent (ia C ib C ieD 0)。therefore, theabove transformation from three variables to two variables is allowable. Applying the abovet

58、ran sformatio n to the voltage equati ons (1), the tran sferred voltage equati onin the q。d frameean be obtained asvq=Riq+Li*di q/dt+ NL ii d w + N 入 i w ,v=Rid+Li*di d/dt - NLi q w ,(5)where Li D L CM, and ! is the speed of the rotor.It can be shown that theFigure 2. a , b, e and d, q reference fra

59、me.motor s torque has the following form 2T =3/2N 入 ii qThe equation of motion of the rotor is written asJ*d 3 /dt = 3/2*N 入 iiq- Bf 3 Tl,where Bf is the coefficient of viscous friction, andTl represents loadtorque, which is assumedto be a constant in this paper.In order to constitute the complete s

60、tate equation of the motor, we need another statevariable that represents the position of the rotor. For this purpose the so called load angle _ 8 is usually used, which satisfies the following equationDS /dt =3 - 3 o,where ! 0 is steady-state speed of the motor. Equations (5), (7), and (8) constitu