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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电子式互感器与传统电磁式互感器相比，在带宽、绝缘和成本等方面具有优势，因而代表了高电压等级电力系统中电流和电压测量的一种极具吸引力的发展方向。随着信息技术的发展和电力市场中竞争机制的形成，电子式互感器成为人们研究的热点；越来越多的新技术被引入到电子式互感器设计中，以提高其工作可靠性，降低运行总成本，减小对生态环境的压力。本文围绕电子式互感器实用化中的关键技术而展开理论与实验研究，具体包括新型传感器、双传感器的数据融合算法、数字接口、组合式电源、低功耗技术和自监测功能的实现等。 目前电子式电流互感器(ECT)大多数采用单传感器开环结构，对每个环节的精度和可靠性的要求都很高，严重制约了ECT整体性能的提高，影响其实用化。本文介绍了新型传感器～铁心线圈式低功率电流传感器(LPET)和印刷电路板(PCB)空心线圈及其数字积分器，在此基础上设计了一种基于LPCT和PCB空心线圈的组合结构的新型电流传感器。该结构具有并联的特点，结合了这两种互感器的优点，采用数据融合算法来处理两路信号，实现高精度测量和提高系统可靠性，并探索出辨别LPET饱和的新方法。试验和仿真结果表明，这种新型电流传感器可以覆盖较大的电流测量范围，达到IEC 60044-8标准中关于测量(幅值误差)、保护(复合误差)和暂态响应(峰值)的准确度要求，能够作为多用途电流传感器使用。 在电子式电压互感器方面，基于精密电阻分压器的新型传感器在原理、结构和输出信号等方面与传统的电压互感器有很大不同，本文设计了一种可替代10kV电磁式电压互感器的精密电阻分压器。通过试验研究与计算分析，得出其性能主要受电阻特性和杂散电容的影响，并给出了减小其误差的方法。测试结果表明，设计的10kV精密电阻分压器的准确度满足IEC 60044-7标准要求，可达0.2级。 电子式互感器的关键技术之一是内部的数字化以及其标准化接口，本文以10kV组合型电子式互感器为对象设计了一种实用化的数字系统。以精密电阻分压器作为电压传感器，电流传感器则采用基于数据融合算法的LPCT和PCB空心线圈的组合结构。本文首先解决了互感器间的同步与传感器间的内部同步问题，进而依照IEC61850-9-1标准，实现了组合型电子式互感器的100M以太网接口。 电子式电流互感器在高电压等级的应用研究中，ECT高压侧的电源问题是关键技术之一。论文首先分析了两种电源方案：取电CT电源和激光电源。取电CT电源通过一个特制的电流互感器(取电CT)，直接从高压侧母线电流中获取电能。在取电CT和整流桥之间设计一个串联电感，大大降低了施加在整流桥上的的感应电压并限制了取电CT的输出电流，起到了稳定电压和保护后续电路的作用。激光电源方案以先进的光电转换器、半导体激光二极管和光纤为基础，单独一根上行光纤同时完成供能和控制信号的传输，在不影响光供能稳定性的情况下，数据通信完成在短暂的供能间隔中。在高电位端控制信号通过在能量变换电路中增加一个比较器电路被提取出来。本文还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。作为综合应用实例，设计并完成了以LPCT为传感器、由组合电源供能、采用低功耗技术的高压电子式电流互感器。互感器高压侧的一次转换器能够提供两路传感器数据通道，并且具有温度补偿和采集通道的自校正功能，在更宽温度、更大电流范围内保证了极高的测量精度：互感器低电位端的二次转换器具有数字和模拟接口，可以接收数据并发送命令来控制一次转换器，包括同步和校正命令在内的数据信号可以通过同一根供能光纤传送到一次转换器。该互感器具有在线监测功能，这种预防性维护和自检测功能够提示维护或提出警告，提高了可靠性。系统测试表明：具有低功耗光纤发射驱动电路的一次转换器平均功耗在40mw以下：上行光纤中通信波特率可以达到200kb/s，下行光纤中更是高达2Mb/s；系统准确度同时满足IEC6044-8标准对0.2S级测量和5TPE级保护电子式互感器的要求。
上传时间： 2013-06-09
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混合动力电动汽车(HEV)作为降低城市汽车尾气污染、减少油耗和调整能源结构的行业新技术，前景十分广阔，日益受到人们的关注，其开发也成为新的热点。驱动电机及其控制系统是HEV的核心部分，其性能的优劣很大程度上决定了车辆的动态性能，因此对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文主要研究混合动力车用交流驱动电机控制系统，以高性能的数字信号处理器(DSP)为核心，采用转子磁链定向矢量控制(FOC)算法，设计了一种基于DSP的交流驱动电机控制器。主要研究内容如下： 首先，在分析国内外研究状况和比较几种常用驱动电机的基础上，结合HEV对驱动电机的特性要求，选择交流异步电机作为HEV的驱动电机和基于转子磁链定向的矢量控制技术作为系统开发方案。 其次，以交流异步电机的动态数学模型为基础建立了转子磁链位置的电流计算模型，实现交流电机转矩和励磁电流分量的有效解耦。结合矢量控制理论及电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术给出了混合动力车用驱动电机矢量控制系统结构框图。 最后，以一台5kw异步电机作为控制对象，搭建了系统主电路。系统控制电路以TMS32OLF2407A DSP为核心，由电流、电压及速度等检测模块和CAN总线通信模块组成。系统以CCS2集成开发环境为平台，采用汇编语言编程，设计了基于DSP的矢量控制具体的软件实现方法，实现了全数字化的HEV驱动电机矢量控制系统。论文给出了驱动电机运行的调试结果并进行了分析。 实验表明该控制系统响应速度快，电压利用率高，动态性能好，能够满足HEV对驱动电机动态和静态性能的要求，对开发出低成本、高性能的电机驱动控制系统具有实用价值。
上传时间： 2013-07-06
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超级电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供超大功率并具有超长的寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此，为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡技术进行了研究，通过对现有均衡技术的分析和讨论，确定采用单电容均压方案，并利用DSP控制技术，设计了一个基于DSP控制的超级电容组电压均衡系统，解决超级电容器串联电压均衡问题。该系统主要由参数采集、PWM信号输出、开关网络控制等部分组成。系统以DSP为控制核心，采用了一只电解电容器作为中间电容传递能量，通过实时电压、电流及温度监测将采集到的信号，经A/D转换器后，送入DSP处理，系统根据得到的电压、电流信息判断电容的充放电状态，控制PWM信号的输出，进而驱动开关网络的切换，使能量在单体电容器之间快速传递，从而实现均压控制。最后，对该系统进行了仿真和实验研究，通过对上述数据的分析比较可以看出，采用此种方案进行均衡后，超级电容组单体的电压在充电过程中达到了较好的一致性。 本文设计的超级电容组电压均衡系统用于串联超级电容组的充放电均衡控制，既可实现静态均衡也可实现动态均衡。与其他均衡方案相比，该系统具有电压均衡速度快，均衡效果好的优点。
上传时间： 2013-04-24
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在早期阶段，直流调速系统在传动领域中占统治地位。然而，从60年代后期开始，交流电动机在工业应用领域正在取代直流电动机，交流传动变得越来越经济和受欢迎。永磁交流伺服系统作为电气传动领域的重要组成部分，在工业、农业、航空航天等领域发挥越来越重大的作用。永磁同步电动机以其特点广泛应用于中小功率传动场合，成为研究的重要领域。然而，永磁同步电动机具有较大的转动脉动，而对于这些应用场合，转矩平滑通常是基本要求。因此，对永磁交流伺服系统的应用，必须考虑其转矩脉动的抑制问题。本文针对电机传动系统中参数变化对电机性能的影响，以永磁同步电机为例，围绕如何通过参数辨识来提高永磁同步电动机的控制性能，借助自行开发的全数字永磁交流伺服系统平台，对永磁同步电动机的磁场定向控制，参数辨识，神经网络和扩展卡尔曼滤波在控制系统中的应用，抑制转矩脉动，提高系统性能几个方面展开深入的研究。 本文从永磁同步电动机及其控制系统的基本结构出发，对通过参数辨识抑制转矩脉动进行了较为细致的分析。针对不同情况，通过改进电机的控制系统，提出了多种参数辨识方法。主要内容如下： 1、基于定子磁链方程，建立了永磁同步电动机的一般数学模型。经坐标变换，得出在静止两相（α—β）坐标系和旋转两相（d—q）坐标系下永磁同步电动机电压方程和转矩方程。 2、分析了永磁同步电动机id=0矢量控制系统的工作原理，介绍了永磁同步电动基于磁场定向的矢量控制的基本概念。经对永磁同步电动机系统进行分析，推导并建立了id=0控制时整个电机系统的数学模型。 3、基于超稳定性理论的模型参考自适应控制原理，设计了一种模型参考自适应控制系统，考虑电机参数的时变性，对永磁交流伺服系统的绕组电阻和电机负载转矩辨识进行了研究，以保持系统的动态性能。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，对控制性能进行了验证，仿真实验证明这种方法的可行性。 4、人工神经网络具有很强的学习性能，经过训练的多层神经网络能以任意精度逼近非线性函数，因此为非线性系统辨识提供了一个强有力的工具。本章针对永磁同步电机提出了一种以电机输出转速为目标函数的神经网络控制方案，同时应用人工神经网络理论建立和设计了负载转矩扰动辨识的算法以及相应的控制系统的补偿方法，并应用MATLAB软件进行了计算机仿真，仿真证明和传统的控制方法相比，以电机输出转速为指导值和目标函数的神经网络控制方案能有效地提高神经网络的收敛速度，能有效地改善控制系统的动态响应，具有跟踪性能好和鲁棒性较强等优点。 5、电机的参数会随着温升和磁路饱和发生变化，需进行在线实时辨识。本文利用电机的定子电流、电压和转速，采用递推最小二乘法进行在线参数辨识，该方法不需要观测的磁链信号，消除了磁链观测和参数辨识的耦合。电机状态方程由于存在状态变量的乘积项，对电机参数辨识以后，仍然是非线性方程，为了对电机状态方程进行状态估计，得到电机的参数辨识值，本文采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计，对以上方法的仿真实验得到了满意的结果。 6、本文基于数字电机控制专用DSP自行开发了全数字永磁交流伺服系统平台，通过软件实现扩展卡尔曼滤波对电阻和磁链的估计，以及基于磁场定向的空间矢量控制算法，获得了令人满意的实验结果，证明扩展卡尔曼滤波算法对电阻和磁链的实时估计是很准确的，由此构成的永磁交流伺服系统具有良好的静、动态性能。
上传时间： 2013-07-28
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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
上传用户：ljmwh2000
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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近年来，随着工农业的迅速发展，世界能源消耗速度急剧增加。因此，新能源和节能技术的开发已经成为世界各国科技工作者的当务之急。而机车制动能量回收系统是目前国内外节能技术方面研究的热点之一。 超级电容作为一种新型电荷储能元件，具有大容量、大电流快速充放电、寿命长和无污染等特性。这些独特的优点使其在储能和能量回收方面有着广阔的应用前景。但是由于超级电容单体电压的差异，如不对其进行实时检测，在使用过程中将对整个组件的性能造成极大的影响。另外对超级电容内部特性的不了解也会对其使用造成障碍。 对超级电容电压检测方案的研究和对超级电容时域模型的研究，将为超级电容的电压均衡方案和超级电容的电参数分析提供支持，从而为整个能量回收系统的控制策略提供理论依据。因此以上两方面的研究将是整篇论文的核心内容。 本文采用模块化的设计理念，提出了一种兼顾均压的新型电压检测方案。在软件设计方面，对电压检测系统的软件架构进行分析，利用LabVIEW和ZLGCAN驱动函数包设计了友好的上位机软件监控界面。本文利用误差理论相关知识，对超级电容电压检测电路的误差精度进行了详细分析。 本文对两种超级电容时域模型进行建模和参数推导，并通过试验验证了所建模型的正确性。
上传时间： 2013-05-16
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