永磁无刷直流电动机是一种机械、电气、电子一体化的高技术产品，具有结构简单、运行可靠、使用寿命长等优点，在现代轻重工业中应用广泛。现代工业技术和生产需求的快速发展对永磁无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高，因此研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。 本文介绍了永磁无刷直流电动机控制系统的组成和研究方向，介绍了英飞凌XC167Cl高性能16位单片机，进而对永磁无刷直流电动机的类型进行了介绍，同时分析了永磁无刷直流电动机的工作原理，建立了比较完善的数学模型，并详细阐述了转矩脉动产生的原因和消除转矩脉动的一般方法。 本文设计并实现了基于英飞凌XC167Cl高性能16位单片机的转速和电流双闭环永磁无刷直流电动机控制系统。系统采用PWM方式实现对电机的控制。转速和电流双闭环数字PI器的应用使得控制系统具有良好的动态和静态性能。单片机和液晶显示与键盘给定模块之间的串行通信实现了控制系统信息在人机间的传输，为系统的调试带来了灵活性，也为控制系统中参数的实时监控和给定提供了方便。 在本文的最后，就采集到的部分波形，分析了实验结果，并提出了对本系统的总结和展望。 实验表明，本文所采用的英飞凌XC167Cl高性能16位单片机具有极高的性能，以其为核心的控制系统具有运行性能良好、调试方便、升级换代容易等特点，为后续的研究工作提供了实验基础和借鉴。
上传时间： 2013-05-25
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在目前全球能源危机和温室效应越来越严重的情况下，电动车(Electric Vehicle)以其无污染、低噪声、效率高，便于操作等优点，越来越受到人们的青睐。本课题与华中科技大学辜承林教授联合，为苏州益高电动车辆制造有限公司设计旅游车无刷电机驱动系统。课题结合现代CPU技术、数字技术和电力电子技术，设计了一款以无位置传感器无刷直流电机为动力的大功率汽车轮毂驱动控制器。 本课题采用辜老师设计的“横向磁通无刷直流电动机”为控制对象。本文首先分析了无刷直流电机的数学模型和无位置传感器的反电势过零点检测的基本原理，从整体上对控制系统的各个方面进行了讨论并确定了整体设计方案。在课题中，本人采用DSP 2407A作为控制核心，以功率MOS管为逆变器件，研制出系统硬件，用C语言编制了系统软件。鉴于该课题在大电流等级的无刷直流电机应用中，国内外尚无先例，本项目在开发实验中，对无位置传感器无刷电机的起动和反电势过零检测作了大量的研究工作，取得许多有益的科研实践经验。通过对电机的起动过程和位置检测方法进行的一些有效改进措施，使得电机达到较好的运行性能和操控特性。 实验结果表明本项目设计方案有效可行，研制的无位置传感器无刷直流电机控制器达到设计的预期基本性能指标。
上传时间： 2013-04-24
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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电流互感器是电力系统中最重要的高压设备之一。它被广泛应用于继电保护、系统监测、电力系统分析之中，关系到电力系统的安全性与可靠性。随着电力系统向高电压、大容量和数字化方向的发展，传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统发展的进一步要求。因此，研究基于计算机技术、现代通信技术及数字处理技术的以电子式电流互感器(ECT)为代表的、新型的高精度电流互感器成了大势所趋。在电子式电流互感器的应用研究中，ECT高压侧的电源问题是关键技术之一。 本文对国内外电子式电流互感器发展的现状进行了描述，并对已有的电子式电流互感器的高压侧供能方式进行了总结。论文根据本课题组所研究的电子式电流互感器的特点，对电子式电流互感器的高压侧供能系统的设计进行了研究，提出一种将两种供能方式结合使用的组合电源，并设计了这两种电源之间的切换方法。 本文首先设计了一种应用于高压电子式电流互感器的数字化激光电源，包括大功率激光器的驱动电路、基于16位低功耗单片机MSP430的过流保护电路和恒温控制电路、输入电路、显示电路、以及高压侧变换电路。其供能部分由低电位侧的大功率激光光源产生激光输出，经光纤将激光能量传输到达高电位侧的光电池，再由光电池进行光功率到电功率的光电变换后，形成满足光电电流互感器传感头部分所需的电压输出。实验结果表明，该电源可以提供稳定的6V电压，其功率不少于300mW。 本文又设计了了一种应用于高压侧电子装置中的CT电源方案：通过一个特制的电流互感器(CT)，直接从高压侧一次母线电流获取电能，凭借在CT和整流桥之间串联的一个电感，大大降低了施加在整流桥上的的感应电压并限制了CT的输出电流，起到了稳定电压和保护后续电路的作用。实验结果表明，该电源能输出稳定的5V直流电压，纹波不超过25mV。 最后，本文提出了一种将两种供能方式结合使用的组合电源，并设计了这两种电源之间的切换方法，解决了取电CT电源的死区问题，延长了激光器的使用寿命。
上传时间： 2013-06-05
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本课题提出了一套采用直流斩波技术的永磁无刷直流电机的调速控制系统。一方面研制了一种新颖的端电压逻辑换相控制策略，它通过分析电机三相绕组端电压的大小关系得出控制逆变桥开关管导通的信号。结合电机预定位起动原理，设计出的端电压逻辑信号分析处理电路，有效克服了电机起动的困难，确保电机的顺利起动，并在实验结果中得到了论证。这种完全用硬件电路来实现电机的电子换相，无疑大大降低了控制系统的成本，具有一定的实用价值。另一方面采用直流斩波技术的无刷直流电机调速系统，从而大大减小了电流的脉动。本文阐述的方法不但适用于一般的三相四线制无刷直流电机，还适用于三相三线制的电机,从而扩大了其应用的范围。 本论文先对无位置传感器永磁无刷直流电动机的结构和基本原理进行了详细的介绍；然后分别着重介绍了两个部分的设计工作：无刷直流电机的驱动控制和采用直流斩波技术的调速系统；最后给出了相关的实验结果和结论。 根据上述设计方案设计的无位置传感器永磁无刷直流电动机调速控制系统，可以实现电机的平滑起动、无振动和失步现象，具有良好的调速性能。
上传时间： 2013-04-24
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绕组励磁同步电机具有功率因数可调、效率高等优点，在工业大功率场合获得了广泛应用，因此研究和开发高性能的绕组励磁同步电机驱动系统具有重大的经济价值和社会效益。目前开发高性能绕组励磁同步电机驱动系统所采用的控制方案主要有两种：一种是直接转矩控制（DTFC）；另一种是磁场定向矢量控制（FOC）。绕组励磁同步电机的矢量控制策略具有控制结构简单，物理概念清晰，电流、转矩波动小，转速响应迅速，易实现数字控制等优点。因此，在交流传动领域中，越来越受到学者的关注。但是，无论在国内还是国外，交直交型绕组励磁同步电机矢量控制系统的研究还缺乏全面深入的理论研究，还没有建造起矢量控制系统的理论体系构架。本文对绕组励磁同步电机矢量控制系统进行了初步的理论探讨，并进行了详细的实践研究，为以后更深入、广泛地研究此系统，打好坚实的基础。本论文主要研究内容如下： @@ 通过广泛的查找文献，对几种常见的同步电机传动系统进行了综述，分析了同步电机变频调速原理，在此基础上，讲述了无传感器技术在同步电机中的应用现状。无传感器技术主要有两大类：基于基波量的检测方法和基于外加信号的激励法。随后，对转子初始位置的估计进行了综述，其方法有：基于电机定子铁芯饱和效应的转子位置估计，高频信号注入法，基于定子绕组感应电压的估计法和基于相电感计算法等。绕组励磁同步电机转子初始位置估计的研究还很少。 @@ 对绕组励磁同步电机矢量控制的理论进行了全面深入地研究，建立起矢量控制的理论体系构架。 @@ 首先，基于磁势等效原理，将三相静止交流信号等效变换为两相旋转直流信号，将交流电机等效为直流电机进行控制。在Clarke变换和Park变换的基础上，得到凸极同步电机转子磁场定向的电压矩阵方程、功率方程和运动方程。根据上述方程，绘出dq轴的等值电路及矢量图，得到状态空间描述的dq轴数学模型。 @@ 其次，根据模型参考自适应原理，对同步电机转速进行估计。忽略同步电机d轴阻尼绕组的作用，取同步转速为零，得到同步电机αβ静止坐标系下 的数学模型。将不含有转子转速信息的方程作为参考模型，将含有转速参数的方程作为可调模型，根据波波夫超稳定性和正性原理，对转子转速进行估计。@@ 最后，根据模型参考自适应估计的转子转速，设计磁通观测器来估计转子磁通，实现磁通反馈闭环控制。磁通观测器采用降维观测器，仅对转子磁通分量进行重构，并通过极点配置算法，合理配置观测器的极点，使观测器满足系统的性能指标，达到磁通观测的目的。 @@ 新颖的空间矢量脉宽调制算法。从空间矢量的基本概念入手，深入分析了定子三相对称电压与空间电压矢量之间的关系。由三相电压源型逆变器输出电压波形得到六个有效开关状态矢量，这六个开关矢量和两个零矢量合成一组等幅不同相的电压空间矢量，去逼近圆形旋转磁场。其次，根据空间电压矢量所在的扇区，选择相邻有效开关矢量，在伏秒平衡的法则下，计算各有效开关矢量的作用时间。并且，探讨了扇区判断和扇区过渡问题，定性分析了空间矢量脉宽调制（SVPWM）的性能。最后，根据每个扇区中开关矢量作用时间，采用软件构造法，在TMS320LF2407A硬件上实现了SVPWM。实验结果表明，该算法简单易实现，能够有效的提高直流母线的电压利用率，具有在低频运行稳定，逆变器输出电流正弦度好等优点。 @@ 空间矢量过调制算法的研究。在上述线性调制的基础上，提出一种基于电压空间矢量的过调制方法。过调制区域根据调制度分成两种不同的模式，分别为模式Ⅰ（0．907
上传时间： 2013-07-25
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本文简要介绍了无刷直流电动机的发展历程和未来的发展趋势。通过分析无刷直流电动机工作的基本原理和无刷直流电动机的数学模型，建立了基于Simulink的动态仿真模型。通过对无位置传感器无刷直流电动机转子位置检测算法的分析和磁链与转子位置的相应关系的分析，本文使用磁链关系函数判断转子位置的算法，并基于Simulink建立了算法模型进行仿真分析验证，从仿真得到的结果可知，此位置检测算法是可行的。 @@ 在文中进行了转矩脉动原因分析，并对换相转矩脉动进行补偿。在低速时采用电流滞环进行补偿，高速时采用单斩波调制方式进行补偿。通过对三段式启动方法的分析和结合本文所采用的转子位置检测算法，本文采用两步启动方式，通过仿真分析证明是可行的。分析了经典PID调节算法和专家PID调节算法。对传统PID控制中出现的问题，本文把变参数PID调节算法应用到无位置传感器无刷直流电动机控制上。并建立了仿真模型，进行仿真分析。从仿真分析的结果可知其控制性能优于传统的PID调节算法。 @@ 文中介绍了TMS320LF2407A芯片和IR2130功率集成驱动器的结构和特点。在系统硬件设计中以TMS320LF2407A芯片为核心，设计了控制系统电路、功率驱动电路、电流电压检测电路、功率管过电压保护电路、启动限流电路、转速调节电路。 @@ 在系统软件设计中，主要实现了电机的起停、转子位置计算、转速计算和转速闭环控制的功能。用DSP实现脉冲调制输出和信号采样。 @@关键词：无位置传感器；无刷直流电动机；间接位置检测；磁链关系函数
上传时间： 2013-04-24
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随着电力电子技术的发展，各类电力电子装置应运而生，这些产品在出厂前需要根据不同的需要进行相应的测试和校验。传统的负载测试存在着能耗大、灵活性差等诸多缺点，已经越来越不能满足各种测试场合的要求，特别是一些要求用动态变化的负载、非线性负载、具有负阻特性的负载以及有源负载等测试场合。因此针对这一问题，本文利用电力电子技术结合计算机技术、控制技术等设计了一种通用的交流电子负载模拟装置，以满足各种测试场合的要求。 @@ 交流电子负载是一种可以模拟真实负载的电力电子装置，它不但可以模拟传统的线性负载，也可以模拟各种非线性负载、有源负载等其他形式的负载。目前国内外对电子负载的研究还不成熟，有些是使交流电源按照一定的功率放电，但是输出电流却与真实负载测试下的电流有较大的差别；而有些虽然能够准确控制电源的放电电流取得和真实负载一样的效果，但试验电能完全被消耗掉，造成很大的浪费。本文研究的新型交流电子负载克服了以上电子负载方案的缺点，可以满足各种试验场合的测试需求，能够在很大程度上减少能量浪费，丰富试验样式且节约试验成本。 @@ 本文分析了能馈式交流电子负载的模拟原理，确定了采用中间直流环节的交-直-交主电路结构，其一端接待测交流电源，另一端接低压交流电网。前级负载模拟环节和后级能量回馈环节均采用可四象限运行的电压型PWM（Pulse Width Modulation）变换器。负载模拟环节直接与待测电源连接，采用电流滞环瞬时值比较方式，使电源输出的实际电流信号准确、快速的跟踪其指令电流信号值，使得电子负载对待测电源呈现设定的负载形式，完成电子负载的模拟功能；能量回馈环节与电网连接，通过控制输出电流与电网电压同频、同相位，实现试验电能的单位功率因数回馈电网的目的，变换器的控制采用常规的双闭环控制方式，电流内环控制实际电流跟踪指令值的变化，电压外环通过控制输出电流的大小使直流侧母线电压稳定为设定指令值。 @@ 电子负载系统在负载模拟部分通过人机接口设定具体负载形式和负载属性，为了更加准确快速的得到电流指令信号值，文中采用更加直接的数值计算方 法，由数字信号处理器实时计算出该给定负载模式下的指令电流值。使用交流小信号分析法得到了系统的频域方块图，并对主电路元件参数以及调节器进行了优化设计。针对大功率开关管开关频率存在的限制，本文提出了几种提高电流跟踪精度的改进方法，取得了良好的效果。整个系统在PSIM平台上进行了不同工作模式下的仿真，仿真结果表明方案切实可行。最后依据仿真方案设计基于TMS320F2812的控制系统和功率电路，使用PROTEL软件进行了原理图的绘制。@@关键词：电子负载；能量回馈；电压型变换器；滞环PWM电流控制；双闭环；PWM整流器
上传时间： 2013-05-26
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无刷直流电动机利用电子换相器代替了直流电动机的机械电刷和换向器，不但具有直流电机的调速性能，而且体积小、效率高，在许多领域已得到了广泛应用。采用无位置传感器控制技术，不但可以克服有位置传感器的诸多弊端，而且还进一步拓展了无刷直流电动机的应用领域。近些年来，无位置传感器无刷直流电动机控制技术成为大家研究的热点之一。 本课题紧扣研究热点，以方波无刷直流电动机为控制对象，设计了一套无位置传感器无刷直流电动机控制系统。该系统采用TMS320LF2407ADSP芯片作为控制核心，运用反电动势过零点检测原理和预定位与升频升压相结合的启动方法，实现无位置传感器无刷直流电动机的控制。为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环控制。 首先，本文研究了无刷直流电动机的基本结构、性能、工作原理及数学模型，利用数学模型在Matlab/Simulink环境中建立无刷直流电动机的仿真模型。接着，给出了系统总体的设计方案，对控制系统设计中的几个关键技术--反电动势过零点及其相位补偿原理、启动、单神经元PID转速控制器以及PWM产生电路进行了深入的研究。 然后，根据控制系统总体方案和系统功能要求，进行软硬件设计。在硬件设计中，主要进行了DSP最小系统、电流和转子位置检测电路、IR2130驱动电路等方面电路的设计。在软件设计中，主要设计出了主程序和A/D中断程序。其中，主程序包括DSP系统设置、变量初始化、电机正反转选择、电机启动、速度计算及显示等方面程序；A/D中断程序包括反电动势计算、换相时刻计算、电流转速调节子程序等方面程序。 最后，经实验结果表明，电机启动快速、稳定，具有较宽的调速范围。同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。
上传时间： 2013-07-08
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随着自动化技术的发展和城市化进程的加快，照明用电占人类总发电量的比重也越来越大，对电子镇流器的要求也越来越高，即功率因数高低的要求更加明确，功率因数高低已成为综合衡量整流设备的一个重要指标。 本次课题采用功率因数控制芯片UC3854为核心，设计了一种较宽电压输入范围、固定电压输出的250W的AC/DC变换器。对该变换器所用的有源功率因数校正（APFC）系统与UC3854芯片的原理和结构做了详细的分析与讨论，介绍了UC3854的管脚排列及功能。所设计的以UC3854为核心的有源功率因数校正器能在90V～220V的宽电压输入范围内得到稳定的380V直流电压输出，并使功率因数达到0.99以上。 MATLAB强大的信号分析处理能力对高效地设计APFC系统及整定各个环节的参数带来了极大便利。本文同时也采用MATLAB设计实现了一个有源功率因数校正器的仿真，用SIMULINK已有模块模拟了UC3854的控制过程，给出了仿真电路和波形。 本文创新性的将系统工程引入APFC电路中，将系统工程中的建模分析和状态空间法应用到此次设计的系统中，使得此次工程设计提升到了抽象的数学概念上。用数学模型可以表达出主电路的工作原理，从状态空间法中找出了改变系统动态性能的相应参数，为此类电路的设计提供了理论依据。
上传时间： 2013-05-24
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