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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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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电动观光车是一种以车载蓄电池组作为动力电源、靠电机驱动车轮行驶、无污染的绿色交通工具，它的发展对于解决全球性的能源和环境问题具有非常重要的现实意义，是本世纪最有发展前途的绿色清洁汽车。同时，电动观光车行驶旅程较短，起动、制动比较频繁，这一方面需要有高功率密度的电机及其驱动系统，另一方面需要有较高比能量和比功率的电池管理系统以及能量回收功能。 本论文的主要任务是完成电动观光车设计的核心部分——驱动电机的设计。由于直流电机控制简单，造价低而且技术成熟，符合我国国情，因此在我国的电动车绝大多数仍然是直流驱动系统。本课题设计了满足现代电动观光车对电动机要求的，具有宽广调速范围、良好起制动性能和高效率的直流他励牵引电机。 本文首先分析了电动车的发展和国内外现状，以及电动车的结构和关键技术，重点对电动观光车常用的牵引电机作了性能比较，并确定选型；对这种电机的基本结构、主要技术要求和工作原理作了分析。基于以上技术要求，根据电机设计的基本原则和相关经验数据，完成了电机的电磁设计，得到较为理想的设计方案；由此运用AutoCAD和Pro/E软件绘制出全套直流他励牵引电机的机械加工图和三维装配图，研制了实验样机。文章的最后对所设计的电机进行了仿真和实验研究。 论文中设计出全套规范的电磁数据和机械CAD，不仅对同类电机的规范和改进具有重要意义，同时也对其它类型的牵引电机的设计具有一定的参考价值。具有广阔的应用前景。
上传时间： 2013-04-24
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目前，油田的开采都是通过抽油机抽取地下的石油，因此国内油田对抽油机的需求量非常大。然而，据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗，其中抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。驱动电动机是抽油机消耗电能的主要设备，年耗电量超过百亿KWh。所以对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造，最大限度地挖掘抽油机的节电潜力，可带来相当可观的经济效益。 采用超高转差电机作为抽油机的驱动电机，是现有改进抽油机系统的主要措施之一。这种电动机的特点是转子电阻较大，起动转矩得到有效提高，安装容量得以降低；机械特性软，遇到换相冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯性作用，减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓，峰值扭矩明显降低，从而改善了机、杆、泵的配合，提高了泵的充满系数，增加产液量，达到系统节能的目的。此外，抽油机的工作过程中，驱动电机有时会处于发电状态，对供电网的电能质量造成很大危害。超高转差率电机能够有效避免发电状态的出现，从而减小对供电网的冲击，保证供电质量。 本课题以抽油机节能改造中驱动电机节能为出发点，从超高转差率电动机的机械特性、起动转矩等方面，对该类型电动机驱动抽油机的优势进行了理论分析。此外，本文还从能量平衡的角度，以抽油机中的动能平衡理论为基础分析了电机转差率对抽油机节能的影响。 最后，本文结合抽油机运动分析和抽油机曲柄运动曲线，以抽油机载荷系数为目标函数，编写了优化计算程序，从而实现了对适合某一井况下抽油机的驱动电机的最优转差率的定量计算，并以此作为设计或者选配超高转差率电动机的依据。
上传时间： 2013-07-07
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超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是近二十年来发展起来的一种新原理微型电机，该类电机不同于传统的电磁感应电机，它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，借助弹性体谐振放大，通过摩擦耦合使运动体产生旋转或直线运动。这种电机具有结构紧凑、响应快、低速大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点，在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、汽车、航空航天等方面有着广泛的应用前景。 二十多年来超声波电机的研究取得了很大的进展，有些机型已经逐步产业化。为了适应超声波电机推广应用和产业化发展的需要，必须加强电机驱动控制技术的研究工作。目前，小型化、通用化、高性能的驱动电源和简单、实用的控制技术已成为国内外研究的热点。本文总结了国内外关于超声波电机的驱动控制技术以及其驱动电源的设计理论与经验，分析了电机的阻抗特性及其谐振频率漂移的影响因素。在此基础上，本文提出了基于保持电机驱动电压、电流间相位差恒定不变的频率跟踪方法，设计了一种新型的超声波电机驱动电源。 本文开展的主要研究工作如下： （1）简要介绍了超声波电机的基本原理、独特优点、发展历史以及本论文的选题意义和主要内容。 （2）分析了超声波电机的阻抗特性，在此基础上研究了电机频率漂移的原因及不利影响，总结了各种实现频率跟踪的方法。 （3）在理论分析的基础上，提出了基于保持超声波电机驱动电压、电流间相位差恒定不变的频率跟踪方法，该方法可以由锁相环CD4046实现。 （4）对所设计的超声波电机驱动电源进行实验，从实验结果可知该电源能够有效地驱动电机，并且频率跟踪的效果较好，电机转速的变化可稳定在4％左右。
上传时间： 2013-06-27
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微机电系统（MEMS）器件的构成涉及微电子、微机械、微动力、微热力、微流体学、材料、物理、化学、生物等多个领域，形成了多能量域并交叉耦合。为其产品的建模、仿真以及优化设计带来了较大的难度。由于静电驱动的原理简单使其成为MEMS器件中机械动作的主要来源。而梳齿结构在MEMS器件中有广泛的应用：微谐振器、微机械加速度计、微机械陀螺仪、微镜、微镊、微泵等。所以做为MEMS的重要驱动方式和结构形式，静电驱动梳齿结构MEMS器件的耦合场仿真分析以及优化设计对MEMS的开发具有很重要的意义。本课题的研究对静电驱动梳齿结构MEMS器件的设计具有较大的理论研究意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1、采用降阶宏建模技术快速求解静电梳齿驱动器静电－结构耦合问题，降阶建模被用于表示微谐振器的静态动态特性。论文采用降阶建模方法详细分析了静电梳齿驱动器的各参数对所产生静电力以及驱动位移的关系；并对静电梳齿驱动器梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟，深入讨论了边缘效应的影响；还对微谐振器动态特性的各个模态进行仿真分析，并计算分析了前六阶模态的频率和谐振幅值。仿真结果表明降阶建模方法能够快速、准确地实现多耦合域的求解。 2、从系统角度出发考虑了各个子系统对叉指式微机械陀螺仪特性的影响，系统详细地分析了与叉指状微机械陀螺仪性能指标－灵敏度密切相关的结构特性、电子电路、加工工艺和空气阻尼，并在此分析的基础上建立了陀螺的统一多学科优化模型并对其进行多学科优化设计。将遗传算法和差分进化算法的全局寻优与陀螺仪系统级优化相结合，证实了遗传算法和差分进化算法在MEMS系统级优化中的可行性，并比较遗传算法和差分进化算法的优化结果，差分进化算法的优化结果较大地改善了器件的性能。 3、从系统角度出发考虑了各个子系统对梳齿式微加速度计特性的影响，在对梳齿式微加速度计各个学科的设计要素进行分析的基础上，对各个子系统分别建立相对独立的优化模型，采用差分进化算法和多目标遗传算法对其进行优化设计。证实了差分进化算法和多目标遗传算法对多个子系统耦合的系统级优化的可行性，并比较了将多目标转换为单目标进行优化和采用多目标进行优化的区别和结果，优化结果使器件的性能得到了改善。
上传时间： 2013-05-15
上传用户：zhangjinzj
低压电器电弧运动过程三维成像理论及运动机理研究在国内外取得了一定的进展，但作为一种新型电弧研究方法，特别是对电弧运动可视化方面的研究尚处于起步阶段，其技术涉及到电器学、数值计算、图像处理、计算机科学等众多学科领域，加之电弧复杂的非线性特性及其瞬时特性，导致测量研究的困难，在电弧机理、性能分析和模型设计等方面都还不够成熟、完善。所以，在电弧模型理论研究、电器电磁机构的三维有限元分析、电器的计算机辅助设计、电弧动态特性研究等方面，存在大量的工作要做。对这些问题的深入研究，可以更好地认识电器触头在整个运动过程中极其复杂的电、热、磁、机械等一系列现象。 为了从不同角度观察分析电弧在灭弧室中的动态运动过程，本文在研究开关电器电弧图像增强及运动过程三维可视化的基础上，分析电弧形成机理、电弧特性和运动形态的基本理论，进一步考虑其模型特性和电弧等离子体磁压缩效应，建立其运动数学模型。电弧图像需要的处理主要有：图像数字化、图像平滑、图像分割、图像边缘检测、图像增强。本文提出一种基于小波变换的图像增强和直方图的图像增强算法，在保留电弧弧柱强特征的同时，突出显示电器动触头图像特征使增强后的电弧图像适合人类的视觉特征，为电弧动态过程分析和电弧可视化模型的构建提供有效的分析基础，并取得良好的电弧图像增强效果。本文构造了基于比色测温原理的电弧辐射拾取、图像采集、同步控制、数据处理等硬件装置，对试验采集装置进行了标定；将医学上成功应用的计算机层析成像理论，应用于对电弧进行三维温度场重建的研究，构造可单面阵CCD采集三组六路投影辐射强度的实验装置，通过对触头边缘检测的手段精确定位于不同光路中电弧的位置，对辐射拾取光路进行校准，编制了系统软件，实现电弧三维温度场的重建。研究数学模拟计算方法，提出了适合低压电器电弧数学模型计算的方法。用计算机求解获得以前依靠实验才能获得的开断波形及运动过程，将理论分析、试验研究和计算机仿真有机结合起来，使产品设计更加科学和准确，可以大大减少设计周期，减少试验的盲目性和费用，有利于提高电器产品的技术性能，对于新产品开发，优化灭弧室设计及模拟实验，具有十分重要的意义。
上传时间： 2013-04-24
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由于电动助力转向（EPS）系统具有高性能、高效率、低成本、节能环保等优点，随着汽车电子技术的发展，电动助力转向技术逐渐取代传统的液压助力转向（HPS），成为转向助力技术的主流。 @@ 本文在详细了解EPS系统性能要求和工作原理的基础上，对各种已有的EPS助力电机进行了总结和比较。对比结果表明，无刷直流电机（BLDC）凭借其显著的优点，成为EPS助力电机的较优选择。 @@ 无刷直流电机作为一种由电动机本体和驱动器组成的机电一体化产品，与传统的直流电机一样，具有良好的起动和调速性能，并且由于用电子换向取代了机械换向，不存在传统直流电机的换向火花和机械噪声，在许多性能要求比较高的场合已得到普遍应用。随着电力电子技术、计算机技术的发展，其应用范围还在进一步扩展。然而，BLDC电机作为EPS系统的助力电机也并非全无缺点。永磁电机中固有的齿槽转矩的存在，以及由于采用120°换向工作模式造成的转矩波动，都会严重影响EPS系统的操控性能。 @@ 本课题针对无刷直流电机在汽车电动助力转向系统中的应用，根据EPS系统对助力电机的要求，设计了一台转向助力用永磁无刷直流电动机，并使用有限元方法对电机性能进行了分析。为了反映参数变化对电机性能的影响，从而为电机的设计提供指导，我们还用场路耦合的解析算法对电机性能进行了分析。在分析结果的基础上，对永磁电机中的齿槽转矩进行了研究，并针对样机提出了齿槽转矩的削弱方法，然后使用三维有限元的方式对所提出的方法进行了仿真验证。 @@ 根据EPS系统的工作原理，探讨了助力电机的控制策略，并设计了带传感器的无刷直流电机的控制系统。分别完成控制系统硬件和软件的设计，并进行了相关实验，结果表明基本达到了设计的目标。 @@关键词：EPS、无刷直流电机、电机设计与优化、有限元、控制器设计
上传时间： 2013-07-29
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选相控制开关又称同步开关或相控开关，其实质就是控制开关在电压或电流的期望相位完成合闸或分闸，以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高开关的开断能力。本论文首先分析了提高断路器可靠性的途径，介绍了相控开关的研究意义及其优点；相控开关的基本原理和分合闸操作过程，为同步开关选相控制器的设计提供了理论依据。 永磁操动机构是近几年正在发展的一种新型操动机构，它利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在分合闸位置，而无需任何传统机械脱扣锁扣装置。它机构零部件少，结构简单，使断路器动作的可靠性大大提高。二次控制回路采用电子控制模块，动作迅速并可以实现精确时间控制，采用开关电源输入范围宽，输入输出用光耦隔离，功耗低，极大地提高了可靠性，使永磁机构真空断路器成为真正意义的免维护智能化断路器。单线圈永磁机构结构简单、体积小，在中压领域得到越来越广泛的应用。相控真空开关采用三相独立操动的单线圈永磁机构，其操作电源为由大功率电力电子器件控制的储能大容量电容器，通过多次的测试结果表明单线圈永磁机构能很好地满足相控开关的要求，是相控开关的理想选择。 本文详细介绍了以Mega16为控制核心的单线圈永磁机构智能控制器，这种控制系统集保护、控制、开关量监测等功能于一体。可实现对电容电压实时显示，具有过电流速断保护、过电压和欠电压保护、闭锁以及报警等功能。 通过相关试验测试，表明本系统已经初步达到了设计所要达到的预期效果，为以后的研究以及同步控制系统的完善和优化提供了有益的经验和参考。
上传时间： 2013-07-02
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现实生活中的语音不可避免的要受到周围环境的影响，背景噪声例如机械噪声、街头音乐噪音，其他说话者的话音等均会严重地影响语音信号的质量：此外传输系统本身也会产生各种噪声，因此接收端的信号为带噪语音信号。混叠在语音信号中的噪声按类别可分为环境噪声等的加法性噪声及电器线路干扰等的乘法性噪声；按性质可分为平稳噪声和非平稳噪声。 语音增强的根本目的就是净化语音质量。把不需要的噪音减低到最小程度。但是由于噪音的复杂性，很难归纳出一个统一的特征，因此不可能寻求一种算法完全适应于所有的噪音消除，因此语音增强是一个复杂的工程。 有关抗噪声技术的研究以及实际环境下的语音信号处理系统的开发，在国内外已经成为语音信号处理非常重要的研究课题，已经作了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。本文仅对加性噪声下的语音增强技术做了较为仔细的讨论，我们先给出语音信号处理的基本理论，它是语音增强算法研究和实现的理论基础，在此基础总结了自适应信号处理技术的特点以及在语音增强方面的应用。选取工程领域最常用的自适应LMS滤波算法和RLS滤波算法作为研究对象，提出了利用最小均方误差意义下自适应滤波器的输出信号与主通道噪声信号的等效关系，得到滤波器最佳自适应参数的方法，并分析了在平稳和非平稳噪声环境下，L M S滤波器族和R L S滤波器在不同噪音输入下的权系数收敛速度、权系数稳定性、跟踪输入信号的能力和信噪比的改善等特性。 研究了MATLAB语言程序设计和使用MALTLAB对语音算法进行仿真、并输入了多种实际环境下的噪音进行滤波仿真并对仿真的结果进行比较和分析。总结出了LMS、NLMS、SIGN-ERROR-LMS、RLS自适应滤波器在语音滤波方面的特点 和应用情况。 最后在MATLAB仿真的基础上，利用Altera公司的Cyclone2系列FPGA芯片和多种EDA工具，完成了L M S自适应滤波器的FPGA设计。 关键词：语音增强，背景噪音，自适应滤波器，LMS，RLS，FPGA
上传时间： 2013-04-24
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