在目前全球能源危機和溫室效應越來越嚴重的情況下，電動車(Electric Vehicle)以其無污染、低噪聲、效率高，便于操作等優點，越來越受到人們的青睞。本課題與華中科技大學辜承林教授聯合，為蘇州益高電動車輛制造有限公司設計旅游車無刷電機驅動系統。課題結合現代CPU技術、數字技術和電力電子技術，設計了一款以無位置傳感器無刷直流電機為動力的大功率汽車輪轂驅動控制器。 本課題采用辜老師設計的“橫向磁通無刷直流電動機”為控制對象。本文首先分析了無刷直流電機的數學模型和無位置傳感器的反電勢過零點檢測的基本原理，從整體上對控制系統的各個方面進行了討論并確定了整體設計方案。在課題中，本人采用DSP 2407A作為控制核心，以功率MOS管為逆變器件，研制出系統硬件，用C語言編制了系統軟件。鑒于該課題在大電流等級的無刷直流電機應用中，國內外尚無先例，本項目在開發實驗中，對無位置傳感器無刷電機的起動和反電勢過零檢測作了大量的研究工作，取得許多有益的科研實踐經驗。通過對電機的起動過程和位置檢測方法進行的一些有效改進措施，使得電機達到較好的運行性能和操控特性。 實驗結果表明本項目設計方案有效可行，研制的無位置傳感器無刷直流電機控制器達到設計的預期基本性能指標。
上傳時間： 2013-04-24
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高速電機由于轉速高、體積小、功率密度高，在渦輪發電機、渦輪增壓器、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具、空氣壓縮機、分子泵等許多領域得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電機由于效率高、氣隙大、轉子結構簡單，因此特別適合高速運行。高速永磁無刷直流電機是目前國內外研究的熱點，其主要問題在于：（1）轉子機械強度和轉子動力學；（2）轉子損耗和溫升。本文針對高速永磁無刷直流電機主要問題之一的轉子渦流損耗進行了深入分析。轉子渦流損耗是由定子電流的時間和空間諧波以及定子槽開口引起的氣隙磁導變化所產生的。首先通過優化定子結構、槽開口和氣隙長度的大小來降低電流空間諧波和氣隙磁導變化所產生的轉子渦流損耗；通過合理地增加繞組電感以及采用銅屏蔽環的方法來減小電流時間諧波引起的轉子渦流損耗。其次對轉子充磁方式和轉子動力學進行了分析。最后制作了高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。論文主要工作包括： 一、采用解析計算和有限元仿真的方法研究了不同的定子結構、槽開口大小、以及氣隙長度對高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的影響。對于2極3槽集中繞組、2極6槽分布疊繞組和2極6槽集中繞組的三臺電機的定子結構進行了對比，利用傅里葉變換，得到了分布于定子槽開口處的等效電流片的空間諧波分量，然后采用計及轉子集膚深度和渦流磁場影響的解析模型計算了轉子渦流損耗，通過有限元仿真對解析計算結果加以驗證。結果表明：3槽集中繞組結構的電機中含有2次、4次等偶數次空間諧波分量，該諧波分量在轉子中產生大量的渦流損耗。采用有限元仿真的方法研究了槽開口和氣隙長度對轉子渦流損耗的影響，在空載和負載狀態下的研究結果均表明：隨著槽開口的增加或者氣隙長度的減小，轉子損耗隨之增加。因此從減小高速永磁無刷電機轉子渦流損耗的角度考慮，2極6槽的定子結構優于2極3槽結構。 二、高速永磁無刷直流電機額定運行時的電流波形中含有大量的時間諧波分量，其中5次和7次時間諧波分量合成的電樞磁場以6倍轉子角速度相對轉子旋轉，11次和13次時間諧波分量合成的電樞磁場以12倍轉子角速度相對轉子旋轉，這些諧波分量與轉子異步，在轉子保護環、永磁體和轉軸中產生大量的渦流損耗，是轉子渦流損耗的主要部分。首先研究了永磁體分塊對轉子渦流損耗的影響，分析表明：永磁體的分塊數和透入深度有關，對于本文設計的高速永磁無刷直流電機，當永磁體分塊數大于12時，永磁體分塊才能有效地減小永磁體中的渦流損耗；反之，永磁體分塊會使永磁體中的渦流損耗增加。為了提高轉子的機械強度，在永磁體表面通常包裹一層高強度的非磁性材料如鈦合金或者碳素纖維等。分析了不同電導率的包裹材料對轉子渦流損耗的影響。然后利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉子保護環和永磁體之間增加一層電導率高的銅環。有限元分析表明：盡管銅環中會產生渦流損耗，但正是由于銅環良好的導電性，其產生的渦流磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，使永磁體、轉軸以及保護環中的損耗顯著下降，整體上降低了轉子渦流損耗。分析了不同的銅環厚度對轉子渦流損耗的影響，研究表明轉子各部分的渦流損耗隨著銅屏蔽環厚度的增加而減小，當銅環的厚度達到6次時間諧波的透入深度時，轉子損耗減小到最小。 三、對于給定的電機尺寸，設計了兩臺電感值不同的高速永磁無刷直流電機，通過研究表明：電感越大，電流變化越平緩，電流的諧波分量越低，轉子渦流損耗越小，因此通過合理地增加繞組電感能有效的降低轉子渦流損耗。 四、研究了高速永磁無刷直流電機的電磁設計和轉子動力學問題。對比分析了平行充磁和徑向充磁對高速永磁無刷直流電機性能的影響，結果表明：平行充磁優于徑向充磁。設計并制作了兩種不同結構的轉子：單端式軸承支撐結構和兩端式軸承支撐結構。對兩種結構進行了轉子動力學分析，實驗研究表明：由于轉子設計不合理，單端式軸承支撐結構的轉子轉速達到40，000rpm以上時，保護環和定子齒部發生了摩擦，破壞了轉子動平衡，導致電機運行失敗，而兩端式軸承支撐結構的轉子成功運行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁無刷直流電機樣機和控制系統，進行了空載和負載實驗研究。對比研究了PWM電流調制和銅屏蔽環對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環能有效的降低轉子渦流損耗，使轉子損耗減小到不加銅屏蔽環時的1/2；斬波控制會引入高頻電流諧波分量，使得轉子渦流損耗增加。通過計算繞組反電勢系數的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環和不帶銅屏蔽環轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態溫度場有限元模型分析了轉子溫升，有限元分析和實驗計算結果基本吻合，驗證了銅屏蔽環的有效性。
上傳時間： 2013-05-18
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無刷直流電機是一種性能優越、應用前景廣闊的電機，應用傳統的控制理論對其進行控制系統設計、分析的技術已經相對成熟，在此基礎上研發出的各種調速系統已經在工業生產中獲得廣泛應用。因此，無刷直流電機的進一步推廣應用，在很大程度上依賴于對一些先進控制策略的研究。 為了改進無刷直流電機調速系統的控制性能，本文基于灰色控制理論建立了無刷直流電機灰色PID控制調速系統模型。常規的PID控制以其結構簡單、可靠性高、易于工程實現等優點至今仍被廣泛采用。在系統模型參數變化不大的情況下，PID控制性能優良，但無刷直流電機是一種多變量、非線性的控制系統，傳統的PID控制器難以克服電機自身參數不確定和擾動帶來的轉速偏差問題，無法實現精確快速的控制?；疑刂破魇窃诶^承經典PID控制器不依賴于對象模型優點的基礎上，通過改進經典PID固有缺陷而形成的新型控制器，性能優良并且算法簡單。該控制器設計不需要建立電機的精確數學模型，對參數變化和負載擾動不敏感。系統較好地實現了給定速度參考模型的自適應跟蹤，結構簡單，能適應環境變化，具有較強的魯棒性。 本文以灰色系統理論為基礎，把無刷直流電機的數學模型分為確定部分與不確定部分，對被控對象的不確定部分建立灰色模型，進行灰色預估補償，使控制系統的灰量得到一定程度的白化。對所提出的無刷直流電機灰色PID控制調速系統進行了仿真，對仿真結果給出理論分析；以TMS320F2812型DSP為核心控制器建立了無刷直流電機調速驅動系統。仿真和實驗結果表明，基于灰色PID控制算法的無刷直流電機調速系統受電機參數變化影響較小，具有較高的控制精度和魯棒性，表現出優良的動、靜態性能。
上傳時間： 2013-04-24
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由于電動助力轉向（EPS）系統具有高性能、高效率、低成本、節能環保等優點，隨著汽車電子技術的發展，電動助力轉向技術逐漸取代傳統的液壓助力轉向（HPS），成為轉向助力技術的主流。 @@ 本文在詳細了解EPS系統性能要求和工作原理的基礎上，對各種已有的EPS助力電機進行了總結和比較。對比結果表明，無刷直流電機（BLDC）憑借其顯著的優點，成為EPS助力電機的較優選擇。 @@ 無刷直流電機作為一種由電動機本體和驅動器組成的機電一體化產品，與傳統的直流電機一樣，具有良好的起動和調速性能，并且由于用電子換向取代了機械換向，不存在傳統直流電機的換向火花和機械噪聲，在許多性能要求比較高的場合已得到普遍應用。隨著電力電子技術、計算機技術的發展，其應用范圍還在進一步擴展。然而，BLDC電機作為EPS系統的助力電機也并非全無缺點。永磁電機中固有的齒槽轉矩的存在，以及由于采用120°換向工作模式造成的轉矩波動，都會嚴重影響EPS系統的操控性能。 @@ 本課題針對無刷直流電機在汽車電動助力轉向系統中的應用，根據EPS系統對助力電機的要求，設計了一臺轉向助力用永磁無刷直流電動機，并使用有限元方法對電機性能進行了分析。為了反映參數變化對電機性能的影響，從而為電機的設計提供指導，我們還用場路耦合的解析算法對電機性能進行了分析。在分析結果的基礎上，對永磁電機中的齒槽轉矩進行了研究，并針對樣機提出了齒槽轉矩的削弱方法，然后使用三維有限元的方式對所提出的方法進行了仿真驗證。 @@ 根據EPS系統的工作原理，探討了助力電機的控制策略，并設計了帶傳感器的無刷直流電機的控制系統。分別完成控制系統硬件和軟件的設計，并進行了相關實驗，結果表明基本達到了設計的目標。 @@關鍵詞：EPS、無刷直流電機、電機設計與優化、有限元、控制器設計
上傳時間： 2013-07-29
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無刷直流電機以體積小、重量輕、效率高、調速性能好、無換向火花及無勵磁損耗等諸多優點被大量應用于家電、交通、醫療器械、數控機床及機器人等領域，現代工業的快速發展對無刷直流電機控制系統的性能要求也越來越高?？梢灶A見，隨著永磁材料和電力電子器件價格進一步的降低，無刷直流電機驅動理論的研究不斷深入，無刷直流電機的應用前景將更加廣泛。 本文通過閱讀大量文獻資料，介紹了無刷直流電機的發展現狀、研究動態及工作原理等。在控制策略上，采用了基于智能控制思想的模糊控制，其特點是不依賴于對象模型，利用制定的控制規則進行了模糊推理從而獲得合適的控制量。運用Matlab/Simulink對控制系統進行了建模和仿真，其中速度環采用模糊PI調節，電流環采用傳統的PI調節，為后面的實驗提供了理論分析的基礎。 結合無刷直流電機的結構，利用電機內部的霍爾元件檢測轉子位置。根據模糊控制器的設計方法，給出了模糊控制查詢表。采用TI公司的數字信號處理器TMS320F2812作為主控芯片，在硬件上設計了整流電路、逆變電路、驅動電路、調理及保護電路等；在DSP軟件開發環境CCS下，采用C語言和匯編語言進行了混合編程，實現了轉子位置信號的讀取、PWM波的產生、AD采樣、速度模糊PI調節及電流調節等功能。 通過對整個控制系統的軟硬件聯合調試，進行了相關實驗。相對傳統的控制系統，采用模糊PI控制的系統具有響應速度快、超調量小、穩定性好等優點。實驗結果表明了無刷直流電機模糊控制系統設計的正確性。最后對整個設計進行了總結，對后續的工作給出了自己的見解。
上傳時間： 2013-04-24
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本文簡要介紹了無刷直流電動機的發展歷程和未來的發展趨勢。通過分析無刷直流電動機工作的基本原理和無刷直流電動機的數學模型，建立了基于Simulink的動態仿真模型。通過對無位置傳感器無刷直流電動機轉子位置檢測算法的分析和磁鏈與轉子位置的相應關系的分析，本文使用磁鏈關系函數判斷轉子位置的算法，并基于Simulink建立了算法模型進行仿真分析驗證，從仿真得到的結果可知，此位置檢測算法是可行的。 @@ 在文中進行了轉矩脈動原因分析，并對換相轉矩脈動進行補償。在低速時采用電流滯環進行補償，高速時采用單斬波調制方式進行補償。通過對三段式啟動方法的分析和結合本文所采用的轉子位置檢測算法，本文采用兩步啟動方式，通過仿真分析證明是可行的。分析了經典PID調節算法和專家PID調節算法。對傳統PID控制中出現的問題，本文把變參數PID調節算法應用到無位置傳感器無刷直流電動機控制上。并建立了仿真模型，進行仿真分析。從仿真分析的結果可知其控制性能優于傳統的PID調節算法。 @@ 文中介紹了TMS320LF2407A芯片和IR2130功率集成驅動器的結構和特點。在系統硬件設計中以TMS320LF2407A芯片為核心，設計了控制系統電路、功率驅動電路、電流電壓檢測電路、功率管過電壓保護電路、啟動限流電路、轉速調節電路。 @@ 在系統軟件設計中，主要實現了電機的起停、轉子位置計算、轉速計算和轉速閉環控制的功能。用DSP實現脈沖調制輸出和信號采樣。 @@關鍵詞：無位置傳感器；無刷直流電動機；間接位置檢測；磁鏈關系函數
上傳時間： 2013-04-24
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無刷直流電動機利用電子換相器代替了直流電動機的機械電刷和換向器，不但具有直流電機的調速性能，而且體積小、效率高，在許多領域已得到了廣泛應用。采用無位置傳感器控制技術，不但可以克服有位置傳感器的諸多弊端，而且還進一步拓展了無刷直流電動機的應用領域。近些年來，無位置傳感器無刷直流電動機控制技術成為大家研究的熱點之一。 本課題緊扣研究熱點，以方波無刷直流電動機為控制對象，設計了一套無位置傳感器無刷直流電動機控制系統。該系統采用TMS320LF2407ADSP芯片作為控制核心，運用反電動勢過零點檢測原理和預定位與升頻升壓相結合的啟動方法，實現無位置傳感器無刷直流電動機的控制。為了提高系統的調速性能，控制方法采用了轉速、電流雙閉環控制。 首先，本文研究了無刷直流電動機的基本結構、性能、工作原理及數學模型，利用數學模型在Matlab/Simulink環境中建立無刷直流電動機的仿真模型。接著，給出了系統總體的設計方案，對控制系統設計中的幾個關鍵技術--反電動勢過零點及其相位補償原理、啟動、單神經元PID轉速控制器以及PWM產生電路進行了深入的研究。 然后，根據控制系統總體方案和系統功能要求，進行軟硬件設計。在硬件設計中，主要進行了DSP最小系統、電流和轉子位置檢測電路、IR2130驅動電路等方面電路的設計。在軟件設計中，主要設計出了主程序和A/D中斷程序。其中，主程序包括DSP系統設置、變量初始化、電機正反轉選擇、電機啟動、速度計算及顯示等方面程序；A/D中斷程序包括反電動勢計算、換相時刻計算、電流轉速調節子程序等方面程序。 最后，經實驗結果表明，電機啟動快速、穩定，具有較寬的調速范圍。同時，該系統還具有結構簡單、可靠性高等特點，具有廣泛的應用前景。
上傳時間： 2013-07-08
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隨著人們生活水平的提高，肥胖逐漸成為一種社會疾病，肥胖容易使人患上阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥，嚴重影響生活質量，嚴重時甚至危及生命。研制性能良好低成本的呼吸機有很好的實際意義。本論文論述了一種基于dsPIC30F3010控制器及無刷直流電機(BrushlessDirectCurrentMotor，簡稱BLDCM)的呼吸機控制器，實現了反電勢法無位置傳感器無刷直流電機的運行控制。 論文從基本電磁定律出發，分析了無刷直流電動機結構和工作原理，建立了無刷直流電動機的數學模型，在此基礎上詳細分析了“反電勢法”無刷直流電機控制原理，深入研究了三種反電勢過零檢測方法，并對檢測電路移相產生的轉子位置誤差進行了分析，給出了補償方法。 對無刷直流電動機無位置傳感器控制中的關鍵問題——起動方法進行研究，介紹了“反電勢法”無刷直流電機控制常用的起動方法，深入討論了“三段式”起動技術。針對傳統“三段式”起動的缺點，論文提出了一種新的外同步到自同步的切換方式。 綜合上述，本系統以dsPIC30F3010單片機為控制器，設計了“反電勢法”無刷直流電機無位置傳感器控制系統的硬件電路，詳細介紹了電路各個組成部分的工作原理，同時介紹了控制系統中采用的硬件抗干擾措施。結合dsPIC30F3010的特點，充分利用其片內的資源，設計了系統的軟件。實驗結果表明系統能夠控制電機順利起動，而且實現了電機正確的換相和穩定的運行。
上傳時間： 2013-07-26
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無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高和轉動慣量小等優點，另外它還具有和直流電機一樣的調速特性，而沒有直流電機復雜的機械換相設備，所以被廣泛應用于伺服控制、數控機床、機器人等工業領域，現代工業的快速發展對無刷直流電機控制系統的性能提出了更高的要求。因此，研究具有響應速度快、調節能力強、控制精度高的無刷直流電機控制系統具有十分重要的意義。 直接轉矩控制是一種高性能的電機控制方法，它已經成熟的應用在感應電機和永磁同步電機上，實現了優良的穩態性能和動態響應特性。本文通過大量的文獻資料閱讀，對無刷直流電機及其相關技術的發展、現狀和趨勢有了一個比較全面的理解，在此基礎上，詳細分析了無刷直流電機的數學模型，并提出了一套相應的直接轉矩控制方案，建立了仿真和試驗平臺，進行了仿真分析和實驗研究，獲得了有價值的研究成果。 本文的主要研究內容包括： (1)詳細分析了無刷直流電機的運行機理和數學模型，在此基礎上闡述無刷直流電機直接轉矩控制的基本控制機理，包括基于逆變器二二導通模式的空間電壓矢量的定義和針對無刷直流電機具有非正弦波反電動勢這一特點而推導的轉矩計算公式等。 (2)提出了一套無刷直流電機直接轉矩控制的具體實施方案，并根據這套方案建立了基于Simulink(Matlab)的無刷直流電機直接轉矩控制的仿真模型，對所提出的控制方案進行了仿真分析。仿真結果驗證了該方案在理論上的可行性。 (3)在理論研究的基礎之上，設計研制了一套基于DSP+IPM的無刷直流電機直接轉矩控制實驗系統，編寫了控制程序軟件，進行了無刷直流電機直接轉矩控制的實驗。實驗結果達到了預期的要求，證實了直接轉矩控制在改善無刷直流電機動態調速性能上的優勢。 本論文開展了繼異步電機和永磁同步電機之后對無刷直流電機實現直接轉矩控制的探索性研究工作。通過理論分析、計算機仿真和實驗得出了一些有意義的經驗和結論，為課題的進一步深入開展奠定了基礎。
上傳時間： 2013-07-11
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由于永磁無刷直流電機既具備交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又兼有普通有刷直流電機調速特性好、運行效率高的優點，因此它在當今國民經濟各個領域得到了越來越廣泛的應用。本文對基于DSP的無刷直流電機控制系統進行了設計和研究。 本論文首先回顧了無刷直流電機的產生、發展歷程，介紹了目前的熱點研究方向和最新研究成果。 第二章對無刷直流電機的組成環節、結構、工作原理、運行特性進行了分析，并且建立了無刷直流電機的數學模型，對其控制方法進行了討論。同時，DSP控制器由于其高速的處理能力和豐富的片上資源，已經廣泛的應用于電機控制領域。 第三章介紹了TI的高性能DSP芯片 TMS320LF2407A的結構和性能，提出了基于 TMS320LF2407A 的 BLDCM 的控制方案，并且對系統的相關環節進行了討論和分析。 第四、五兩章分別完成了硬件和軟件的設計。此系統是基于PWM技術和PID算法的雙閉環控制系統。硬件電路包括了控制電路、主電路、檢測電路、保護電路幾個部分；軟件采用模塊化的編程思想，編制了各程序模塊的控制流程圖，并論述了其實現方面的若干問題。 第六章給出了系統的仿真實驗結果及分析。 第七章對全文內容進行了總結，并對無刷直流電機控制系統提出了展望。
上傳時間： 2013-04-24
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