該論文在研究永磁同步電動機運行原理的基礎上詳細討論了其變頻調速的理論并且設計了一套基于DSP的永磁同步電動機磁場定向矢量控制系統.永磁同步電動機相對感應電動機來說具有體積小、效率高以及功率密度大等優點,因此自從上個世紀80年代,隨著永磁材料性能價格比的不斷提高,以及電力電子器件的進一步發展,永磁同步電動機的研究也進入了一個新的階段.永磁同步電動機既區別于感應電動機又與電勵磁同步電動機相比有自身的特點,因此該論文首先從永磁同步電動機的本身出發,討論了其穩態運行原理,分析了永磁同步電動機的轉矩特性、功率特性及效率.矢量控制理論的發明是交流調速領域中的一個重大突破,該論文詳細討論了永磁同步電動機的矢量控制,在推導其精確數學模型的基礎上分析了矢量控制理論用于永磁同步電動機控制的幾種電路控制策略,包括了i<,d>=0控制、cosψ=1控制,以及最大轉矩/電流控制方式,并且開發出基于DSP的全數字永磁同步電動機的矢量控制系統,給出了其軟、硬件的設計方案.弱磁控制是永磁同步電動機矢量控制又一方面,論文分析了永磁同步電動機弱磁調速的原理以及弱磁擴速困難的原因,并由此提出了兩種特殊轉子結構的新弱磁方案.直接轉矩控制是繼矢量控制后交流調速領域的又一個高性能控制方法,論文最后討論了直接轉矩控制理論在永磁同步電動機控制上的運用,并使MATLAB工具對永磁同步電動機的直接轉矩控制系統進行了仿真研究,仿真結果表明,直接轉矩控制具有動態性能好,靜差小以及魯棒性好的特點.
上傳時間： 2013-07-06
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直流電動機具有運動效率高和調速性能好等諸多優點,但傳統的直流電動機均采用電刷,以機械方法進行換向,因而存在致命弱點,再加上制造成本高及維修困難等缺點,從而限制了它的應用范圍.近年來隨著永磁材料、現代電力電子技術、計算機技術和現代控制理論的迅猛發展而成熟起來的永磁無刷直流電動機(Brushless Direct Current Motor-BIDCM)具有體積小、重量輕、效率高、噪音低且可靠性高的特點,因而得到了廣泛的應用.該文研究的對象是由兩套三相無刷直流電動機組成的六相無刷直流電動機,每套繞組三相對稱,兩套繞組對應相之間相差30°電角度.重點研究六相無刷直流電機的轉矩特性和系統的可靠性.在分析無刷直流電動機電磁轉矩產生原理的基礎上,闡述了三相無刷直流電動機轉矩脈動的原因,在此基礎上提出六相無刷直流電動機.分析結果表明,六相無刷直流電動機的轉矩特性優于三相無刷直流電機,并且系統的可靠性也較高.該文對無刷直流電動機的工作原理進行了詳盡的分析,建立了三相和六相無刷直流電動機的數學模型.并利用MATLAB/SIMULINK軟件建立了三相和六相無刷直流電動機的系統仿真模型.該系統仿真模型采用雙閉環控制,內環為電流環(采用滯環調節),外環為速度環(采用PI調節).對所得的仿真結果進行分析,表明與理論分析相吻合,證明了六相無刷直流電動機仿真模型的正確性.對兩套繞組可能出現的故障進行仿真分析,結果表明六相無刷直流電動機具有較強的容錯能力.由此得出結論,該文提出的六相無刷直流電動機方案是可行的.由于繞組在電機的結構中占有相當重要的位置,該文利用槽號相位表,設計了三相和六相無刷直流電動機的繞組.對槽號的分配,線圈的連接作了詳細地說明.該文還對三相和六相無刷直流電動機定子繞組的磁勢進行了諧波分析,分析結果表明了六相無刷直流電動機定子繞組的磁勢高次諧波含量要少于三相無刷直流電動機.
上傳時間： 2013-07-13
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隨著電力電子器件、永磁材料、微機、新型控制理論和電機理論的發展，無刷直流電機的技術優勢逐漸凸顯，近年來在各種驅動、伺服和控制領域得到了迅速的推廣應用。大功率無刷直流電機在國外已經成功應用于對系統效率、可靠性要求較高的場合，在國內，近年來也引起了廣泛興趣。本課題對大功率無刷直流電機進行預研，以兩臺無刷直流電機樣機為研究對象進行分析和電磁設計研究。首先計及電樞繞組電感，從分析換相過程入手，建立了三相星型六狀態工作模式下，電壓源型無刷直流電機的數學模型，并基于此模型，通過仿真和實驗，對該種無刷直流電機的電磁轉矩系數、反電勢系數、機械特性和電樞等效電阻等進行了深入研究，分析表明電樞繞組電感對上述各系數和特性存在較大影響，因此在大功率無刷直流電機設計和分析中，電樞繞組電感必須予以考慮。其次，本文對等效磁路法、電磁場有限元法和等效磁網絡法以及它們在無刷直流電機電磁設計中的應用進行了比較研究，提出了采用有限元法計算漏磁系數、計算極弧系數、電樞計算長度和氣隙系數，然后把它們應用到等效磁路法中進行空載特性計算，而采用電磁場有限元法分析負載特性的場路結合法。以此為基礎，編制了無刷直流電機電磁設計軟件，并將其應用于兩臺樣機的設計，通過與電磁場有限元法計算結果和實驗數據進行對比，驗證了該方法的準確性。最后對兩臺樣機的電樞反應及其影響進行了仿真和實驗研究，分析發現q軸電樞反應是影響切向磁化結構的無刷直流電機性能的主要因素，設計中需采取措施抑制q軸電樞反應的影響。
上傳時間： 2013-04-24
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傳統的直流電機一直在電機驅動系統中占據主導地位，但由于其本身固有的機械換向器和電刷導致電機容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人們探索低噪音、高效率并且大容量的驅動電機。隨著電力電子技術和微控制技術的迅猛發展而成熟起來的直流無刷電機具有體積小、重量輕、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特點，從而使其極有希望代替傳統的直流電機成為電機驅動系統的主流。 模糊控制器具有魯棒性好、抗干擾能力強的優點。論文提出了基于轉速環模糊邏輯控制理論的直流無刷電機的控制系統設計方案，保證了伺服控制系統具有優良的靜動態特性，因而滿足更多應用場合的需要。 論文具體包括以下幾個部分工作： 首先，從電機本體和控制角度出發，闡述了直流無刷電機在實際應用中需要解決的關鍵性問題：電磁轉矩脈動。詳細分析了電磁轉矩脈動產生的各種原因，特別是分析了相電流換向所產生的紋波轉矩脈動。 其次，本文對無刷直流電動機的工作原理進行了詳盡的分析，建立了三相無刷直流電動機的數學模型。并利用MATLAB/SIMULINK軟件建立了三相無刷直流電動機的控制系統仿真模型。仿真模型采樣的是電機控制系統中常用的雙環系統(轉速—電流雙閉環控制)。為了提高系統的靜動態特性，轉速外環采用模糊PI調節器，電流內環采用PI調節器。轉子位置通過直流無刷電機感應電勢檢測，仿真結果表明了該仿真模型控制系統與理論分析完全吻合，從而證明了模型的有效性。 然后，初步設計了伺服系統的實驗圖。以TI公司生產的TMS320LF2407數字信號處理器(DSP)作為整個控制電路的核心芯片，一臺40w的直流無刷電機作為被控對象，完成了伺服系統的轉速控制。 最后，對未來的工作給予了展望，并對全文的內容進行了總結。
上傳時間： 2013-04-24
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艦船、飛機、移動通訊、石油鉆井平臺等獨立系統中有許多交直流電力并存的場合，需要實現發供電系統的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品質。常規的電勵磁發電機因為帶有電刷使供電系統的運行安全存在隱患，并且勵磁機的使用增加了電機的體積和損耗。為使系統節能高效，本文設計并制作了應用于獨立交直流電力系統的交直流永磁同步發電機。永磁電機定子上帶有三套三相繞組，一套繞組用于提供交流電力，其余的兩套繞組相位互差30度電角度，接整流器為直流負載供電。文中對電機的設計以及電機的基本性能進行探討。為了減小永磁發電機的電壓調整率，在電機的交軸與電機的永磁磁極尾部之間加一軟磁材料，通過增加電機負載時的交軸電抗壓降，來改善電機的電壓調整率。 首先，針對永磁電機設計的特殊性，應用二維有限元法計算電機的電磁場以確定電機的主要尺寸，并討論了不同軟磁材料尺寸對電機的影響。文中還根據電磁場的計算結果，應用傅立葉級數計算了電機的空載感應電動勢以用于預測電機的性能，使用能量攝動法計算了計及飽和、槽影響下的電機電感參數。考慮到永磁材料的溫度性能問題，應用電磁場和溫度場耦合的方式計算了電機穩態時的溫度場。 然后，為了了解永磁同步發電機的主要電磁關系，研究了電機的數學模型，推導了考慮漏磁時具有三套互差一定電角度三相繞組的永磁發電機在dq0坐標系下的方程，可以看到，在dq0坐標系下電機的電感參數為常數。這樣，利用這個特性，在對電機運行性能進行研究時，可以得到簡化電磁方程。根據電機穩態運行時的方程，得到了電機的向量圖。 因為帶有多套繞組的永磁電機中含有較多的諧波，而采用dq0坐標系下的方程會忽略掉氣隙磁場中的諧波分量，為了對電機的仿真更加精確，電機仿真時采用電機在ABC坐標系下的基本電磁方程。應用Matlab/SimPowerSystems中的模塊搭建電機的仿真模型，永磁體的影響用感應電動勢來表示。根據仿真結果與樣機試驗結果的比較發現，兩者吻合良好。 另外，本文還設計了一臺電勵磁的交直流發電機，電磁設計結果表明，永磁電機在體積、重量、效率方面都很有優勢。
上傳時間： 2013-04-24
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變速恒頻風力發電技術因其高效性和實用性正受到越來越多的關注，有著良好的發展前景。本文致力于研究變速恒頻風力發電技術，從分析其運行機理入手，比較了定槳距、變槳距和變速恒頻風力發電的區別，選定雙饋式變速恒頻方案：它在低風速階段主要進行變槳距調節追求最大風能捕獲，高風速時通過控制雙饋電機轉子側的電流，達到定子輸出恒頻和有功、無功的獨立調節。變槳距風力機作為風能轉換為機械能的設備，是風力發電系統的重要組成部分，它與風電場風能資源的匹配問題直接影響到了風力發電系統的運行特性。本文以風能理論為基礎，探討了風力機組設備的選型問題，建立起風速和風力機系統的數學模型。雙饋異步電機是變速恒頻風力發電系統的核心。本文分析了其基本運行特點，指出雙饋發電機具有普通交流電機無法比擬的優點；研究了穩態電路和功率平衡關系，并詳細推導出M-T-0坐標系下的5階狀態方程，建立起定子磁鏈定向矢量控制系統，實現了定子有功和無功的解耦控制，使電機控制簡單化。變頻器是雙饋電機實現變速恒頻運行的關鍵，本文選定了六脈波交-交變頻器作為勵磁電源。通過對其主電路結構、余弦交截法和觸發脈沖產生原理等的進一步分析，建立起六脈波交-交變頻器的數學模型，并處理了與變頻器與發電機的接口問題。最后，利用Matlab6.5/Simulink5.0仿真軟件，建立了系統各組成部分的仿真模型，并進行了仿真實驗研究。仿真結果表明，所建模型是正確的，變速恒頻風力發電系統具有良好的運行特性。
上傳時間： 2013-07-14
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在國內，目前工控領域廣泛用到的伺服系統(包括伺服電機和伺服驅動器)有整套購買國外某一個廠商的，也有自己開發電機，然后購買國外的伺服驅動器來配置伺服系統。前一種情況伺服電機與驅動器之間的整合程度是比較高，而后一種情況伺服電機的設計容易忽視與之配套的伺服驅動器的控制策略以及伺服驅動器的輸出電壓，輸出電流特點，很容易造成所設計的伺服電機不能充分發揮其性能以及材料的不合理利用。本文討論了作為伺服電機用的永磁同步電動機在整合伺服驅動器控制方式和輸出電壓、電流特性下的設計過程。 本文首先簡要介紹了永磁同步電動機作為伺服電機較其他類型的電機的優勢，接著以永磁同步電動機作為伺服電機，對給定指標要求的永磁同步電動機，在永磁體分別采用表面安裝和內置兩種轉子磁路結構時進行了場路結合的設計與分析，分析了在磁場定向控制方式下兩種轉子磁路結構的永磁同步電動機的工作特性、轉矩脈動等。得出了永磁體表面安裝轉子磁路結構的永磁同步電動機作為伺服電機時更適合磁場定向控制運行的結論。 此外，從已經成功設計了的永磁同步電動機出發，整合所設計的永磁同步電動機將要采用的驅動器其控制方式，并在一些有依據的假設前提下確定了電機的能量包函數(包括功率、轉速等一些額定指標)與一些主要尺寸函數表達式。初步得出了一種行之有效的、快速確定使用同一套定轉子沖片伺服電機尺寸的方法。 最后試制了樣機以及其在伺服驅動器下進行了實驗，并比較分析了實驗和理論分析的結果。
上傳時間： 2013-05-30
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本文對超聲波電機驅動控制系統進行了研究。全文主要內容如下：系統介紹了超聲波電機的特點、研究歷史和主要應用，概述了超聲波電機驅動控制技術的研究現狀。在介紹壓電陶瓷逆壓電效應與壓電振子諧振特性的基礎上，闡述了超聲波電機的運行機理及調速原理。介紹了環狀行波型超聲波電機的基本結構及工作原理。研制了基于DSP的超聲波電機驅動控制系統，為超聲波電機控制技術的研究提供了一個通用實驗平臺。通過光電編碼器檢測超聲波電機的速度，研制了利用速度反饋來進行頻率調整的頻率跟蹤控制器，實現了采用頻率P調節的超聲波電機速度穩定性控制。實現了大外徑(80mm)環狀行波型超聲波電機的高精度位置檢測。研制了基于DSP的超聲波電機位置控制系統，完成了采用相位差P控制方案進行精密定位控制的實驗研究。
上傳時間： 2013-05-21
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動力傳動中的直線往復運動往往是通過旋轉運動在傳動裝置的作用下實現的。因此，頻繁的高速和低速的傳遞運動裝置的較好選擇是直線開關磁阻電機(LSRM)。但是，這種電機很少得到運用，這是因為LSRM的數學模型很難準確建立，它的固有的牽引力脈動(類似于旋轉開關磁阻電機的轉矩脈動)也很難克服，因而控制起來比較困難。隨著電力電子技術和數字技術的發展，直線開關磁阻電機以其簡單結實的電機結構、優越的性能和經濟指標，近年來受到學術界的極大關注，不少大學和研究機構都開展了研究工作，取得了一定的成就。本文在“通過先進的控制策略簡化機械裝置”的指導思想下，結合目前國際學術界的最新研究成果，對直線開關磁阻電機的理論、結構設計和系統仿真進行了一系列的研究。 本文從最基本的理論公式推導出直線開關磁阻電機的數學模型，并在此基礎上結合具體參數進行電機的結構設計，分析了各參數的靜態特性，推導出動態方程和傳遞函數，建立了非線性動態模型，利用該模型進行系統的動態特性分析，給出仿真結果；對系統進行優化，提出了一種簡單可行的參數選擇方法。仿真結果表明，其動態響應性能明顯提高。在分析常用功率變換器的基礎上，引進軟開關技術，用來降低電機的損耗和脈動。采用TMS320VC33進行數據處理，給出了與DSP相連接的相關檢測電路。 為了降低和消除開關磁阻電機的脈動和噪聲，本文利用滑模變結構控制具有快速響應和對外部變化不靈敏等優點，設計了LSRM滑模變結構控制系統。仿真結果表明，其效果明顯。 本文研究的目的在于把直線電機的結構和開關磁阻電機的原理和控制方式結合起來，對直線開關磁阻電機進行深入的分析，并在動態特性上進行較多的理論和仿真分析，在保持開關磁阻電機固有的優點上，進一步簡化電機的結構，使之能在一些特殊場合使用，以提高整個傳動系統的效率。 研究結果表明，直線開關磁阻電機的結構十分簡單，控制策略相對成熟，因而直線開關磁阻電機的研究和推廣運用是很有前途的。
上傳時間： 2013-06-20
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開關磁阻電機（SR電機）驅動系統（SRD）是一種先進的機電一體化裝置，但是其較大的振動噪聲和轉矩脈動問題制約了SRD的廣泛應用。本文以減小SR電機振動噪聲和轉矩脈動為主題展開理論分析和實驗研究。主要內容有：由于徑向力引起的定子徑向振動是SR電機噪聲的主要根源，因此徑向力的分析和計算是研究SR電機振動噪聲的基礎。本文利用磁通管法推導出徑向力的解析表達式，定性分析了徑向力與電機結構參數等之間的關系。根據虛位移原理，推導出基于矢量磁勢的電磁力計算公式。該計算方法求解電磁力時只需進行一次磁場計算，不但減小了計算量，同時計算精度較傳統虛位移法高。利用這一計算方法，求出了實驗樣機的轉矩及徑向力的精確數值解。針對在SRD性能仿真時，傳統的非線性插值不但耗時，而且對有限元計算數據量要求高的問題，本文利用人工神經網絡強大的非線性模型辨識能力，成功進行了SR電機磁鏈反演和轉矩計算的模型訓練，最后建立了基于人工神經網絡的SR電機精確解析數學模型。因為SR電機本體結構形式的選擇問題與振動噪聲大小有著密切的關系。本文從噪聲輻射和振動幅值角度探討了SR電機主要尺寸的確定；接著從對稱性、力波階數等角度研究了SR電機相數及繞組連接方式、極數、并聯支路數的選擇問題。并對一些常用的降低電機機械噪聲的措施和方法進行了綜述。系統振動特性的研究對于減小振動噪聲十分重要。本文從振動系統的運動方程出發，導出了從激振力到振動加速度的傳遞函數和系統的自由振動解；然后利用機電類比法得出了SR電機定子系統的固有頻率以及振動振幅的解析解，定性分析了影響振動振幅的各種因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通過建立不同的散熱筋結構形式、高度、根數以及形狀的SR電機三維有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散熱的散熱筋結構是高度高、根數多、上窄下寬的梯形截面的周向散熱筋的結論。通過建立不同繞組裝配工藝下的SR電機三維有限元模型，分析得出了加強繞組剛度可以提高系統低階固有頻率的結論。通過比較實驗樣機的模態分析結果和運行實驗結果，證實了模態分析的有效性。仿真是計算SRD系統性能和預估電機振動的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系統的非線性動態仿真模型的基礎上，對SRD系統進行了穩態性能仿真、動態性能仿真以及負載突變仿真。接著利用穩態性能仿真，綜合考慮最大平均轉矩和效率這兩個優化目標，對SR電機的開關角進行了優化。最后結合由磁場有限元計算得到的徑向力數據表和穩態性能仿真，通過非線性插值得到徑向力的波形，然后對徑向力波形進行了頻譜分析，從而找到其主要的諧波分量。在電機設計階段避免徑向力波主要頻譜分量與SR電機定子的固有頻率接近而引起共振是降低SR電機噪聲的首要條件。合適的控制策略對于SR電機減振降噪是必不可少的。本文理論推導出三步換相法的時間參數取值公式。仿真證明本取值公式較原先文獻的結論在阻尼比較小時有更好的減振效果。針對SR電機運行中可能出現多個模態振形被激發出來的情況，利用數值優化法對三步換相法的時間參數進行了優化，使得減振效果整體最佳，所提的數值優化方法對兩步換相法同樣有效。在分析已有的直接瞬時轉矩控制的基礎上，針對其不足之處，提出了轉矩定頻控制取代內滯環的方法、開始重疊區域的轉矩控制方法、最佳開關角度二次優化法和時間參數優化的三步換相法等新的控制方案。動態仿真證明這些方案是切實有效的，達到了預期效果。最后在直接瞬時轉矩控制的每一次轉矩斬波都使用三步換相法，和在相關斷時刻根據實際電平靈活選用兩步或三步換相法以減小電機振動噪聲，并提出了考慮減振要求的開關頻率設計方法，最終形成了一套完整的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略。設計并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR電機控制器。根據控制策略要求，選用了不對稱半橋功率電路拓撲結構；出于降低成本以及提高可靠性考慮，采用了MOSFET雙路并聯電路方案。在控制軟件中實現了本文所提出的降低SR電機振動噪聲和轉矩脈動控制策略。本文最后對實驗樣機進行了靜態轉矩的測量實驗，對比轉矩測量值與轉矩有限元計算值，驗證了磁場有限元計算的有效性。然后對實驗樣機進行了空載與負載、電流控制與轉矩控制、低速斬波與高速單波、是否采用兩步或三步換相法等一系列對比運行實驗，對比各種實驗結果，充分證實了本文所提出的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略的有效性。本課題組承擔了國家十·五863計劃電動汽車重大專項：“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制系統”（2001AA501421）。本文的研究是在該項目的資助下完成，并且本文關于電機本體結構形式、散熱筋結構和機械降噪措施等的結論已在該項目的60kW實驗樣機上得到證實。
上傳時間： 2013-07-05
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