永磁無刷直流電動機是一種機械、電氣、電子一體化的高技術產品，具有結構簡單、運行可靠、使用壽命長等優(yōu)點，在現(xiàn)代輕重工業(yè)中應用廣泛。現(xiàn)代工業(yè)技術和生產需求的快速發(fā)展對永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的性能要求不斷提高，因此研究具有響應速度快、調節(jié)能力強、控制精度高的無刷直流電動機控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。 本文介紹了永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的組成和研究方向，介紹了英飛凌XC167Cl高性能16位單片機，進而對永磁無刷直流電動機的類型進行了介紹，同時分析了永磁無刷直流電動機的工作原理，建立了比較完善的數(shù)學模型，并詳細闡述了轉矩脈動產生的原因和消除轉矩脈動的一般方法。 本文設計并實現(xiàn)了基于英飛凌XC167Cl高性能16位單片機的轉速和電流雙閉環(huán)永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PWM方式實現(xiàn)對電機的控制。轉速和電流雙閉環(huán)數(shù)字PI器的應用使得控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。單片機和液晶顯示與鍵盤給定模塊之間的串行通信實現(xiàn)了控制系統(tǒng)信息在人機間的傳輸，為系統(tǒng)的調試帶來了靈活性，也為控制系統(tǒng)中參數(shù)的實時監(jiān)控和給定提供了方便。 在本文的最后，就采集到的部分波形，分析了實驗結果，并提出了對本系統(tǒng)的總結和展望。 實驗表明，本文所采用的英飛凌XC167Cl高性能16位單片機具有極高的性能，以其為核心的控制系統(tǒng)具有運行性能良好、調試方便、升級換代容易等特點，為后續(xù)的研究工作提供了實驗基礎和借鑒。
上傳時間： 2013-05-25
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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(yōu)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(lián)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(tǒng)。課題結合現(xiàn)代CPU技術、數(shù)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)硬件，用C語言編制了系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(yōu)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(huán)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(tǒng)，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(shù)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(tài)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(yōu)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(huán)、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(shù)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(shù)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(huán)和永磁體之間增加一層電導率高的銅環(huán)。有限元分析表明：盡管銅環(huán)中會產生渦流損耗，但正是由于銅環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)厚度的增加而減小，當銅環(huán)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(yōu)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(huán)和定子齒部發(fā)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(tǒng)，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(huán)對轉子損耗的影響，研究表明：銅屏蔽環(huán)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(huán)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(shù)的方法，得到了不同控制方式下帶銅屏蔽環(huán)和不帶銅屏蔽環(huán)轉子永磁體溫度。采用簡化的暫態(tài)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(huán)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(yōu)越、應用前景廣闊的電機，應用傳統(tǒng)的控制理論對其進行控制系統(tǒng)設計、分析的技術已經相對成熟，在此基礎上研發(fā)出的各種調速系統(tǒng)已經在工業(yè)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(tǒng)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(tǒng)模型。常規(guī)的PID控制以其結構簡單、可靠性高、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點至今仍被廣泛采用。在系統(tǒng)模型參數(shù)變化不大的情況下，PID控制性能優(yōu)良，但無刷直流電機是一種多變量、非線性的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制器難以克服電機自身參數(shù)不確定和擾動帶來的轉速偏差問題，無法實現(xiàn)精確快速的控制。灰色控制器是在繼承經典PID控制器不依賴于對象模型優(yōu)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(yōu)良并且算法簡單。該控制器設計不需要建立電機的精確數(shù)學模型，對參數(shù)變化和負載擾動不敏感。系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了給定速度參考模型的自適應跟蹤，結構簡單，能適應環(huán)境變化，具有較強的魯棒性。 本文以灰色系統(tǒng)理論為基礎，把無刷直流電機的數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)受電機參數(shù)變化影響較小，具有較高的控制精度和魯棒性，表現(xiàn)出優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。
上傳時間： 2013-04-24
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本課題提出了一套采用直流斬波技術的永磁無刷直流電機的調速控制系統(tǒng)。一方面研制了一種新穎的端電壓邏輯換相控制策略，它通過分析電機三相繞組端電壓的大小關系得出控制逆變橋開關管導通的信號。結合電機預定位起動原理，設計出的端電壓邏輯信號分析處理電路，有效克服了電機起動的困難，確保電機的順利起動，并在實驗結果中得到了論證。這種完全用硬件電路來實現(xiàn)電機的電子換相，無疑大大降低了控制系統(tǒng)的成本，具有一定的實用價值。另一方面采用直流斬波技術的無刷直流電機調速系統(tǒng)，從而大大減小了電流的脈動。本文闡述的方法不但適用于一般的三相四線制無刷直流電機，還適用于三相三線制的電機,從而擴大了其應用的范圍。 本論文先對無位置傳感器永磁無刷直流電動機的結構和基本原理進行了詳細的介紹；然后分別著重介紹了兩個部分的設計工作：無刷直流電機的驅動控制和采用直流斬波技術的調速系統(tǒng)；最后給出了相關的實驗結果和結論。 根據上述設計方案設計的無位置傳感器永磁無刷直流電動機調速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電機的平滑起動、無振動和失步現(xiàn)象，具有良好的調速性能。
標簽： 無位置傳感器 控制系統(tǒng) 無刷直流
上傳時間： 2013-04-24
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由于電動助力轉向（EPS）系統(tǒng)具有高性能、高效率、低成本、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，隨著汽車電子技術的發(fā)展，電動助力轉向技術逐漸取代傳統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點，成為EPS助力電機的較優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)展，其應用范圍還在進一步擴展。然而，BLDC電機作為EPS系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的應用，根據EPS系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)。分別完成控制系統(tǒng)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(yōu)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(yōu)點被大量應用于家電、交通、醫(yī)療器械、數(shù)控機床及機器人等領域，現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展對無刷直流電機控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高。可以預見，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(fā)展現(xiàn)狀、研究動態(tài)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(guī)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(tǒng)進行了建模和仿真，其中速度環(huán)采用模糊PI調節(jié)，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI調節(jié)，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(shù)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(fā)環(huán)境CCS下，采用C語言和匯編語言進行了混合編程，實現(xiàn)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(jié)及電流調節(jié)等功能。 通過對整個控制系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調試，進行了相關實驗。相對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，采用模糊PI控制的系統(tǒng)具有響應速度快、超調量小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。實驗結果表明了無刷直流電機模糊控制系統(tǒng)設計的正確性。最后對整個設計進行了總結，對后續(xù)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(fā)展歷程和未來的發(fā)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(shù)學模型，建立了基于Simulink的動態(tài)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(shù)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(huán)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(jié)算法和專家PID調節(jié)算法。對傳統(tǒng)PID控制中出現(xiàn)的問題，本文把變參數(shù)PID調節(jié)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(yōu)于傳統(tǒng)的PID調節(jié)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(tǒng)硬件設計中以TMS320LF2407A芯片為核心，設計了控制系統(tǒng)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(jié)電路。 @@ 在系統(tǒng)軟件設計中，主要實現(xiàn)了電機的起停、轉子位置計算、轉速計算和轉速閉環(huán)控制的功能。用DSP實現(xiàn)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(shù)
標簽： DSP 無位置傳感器 控制系統(tǒng)設計
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(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)無位置傳感器無刷直流電動機的控制。為了提高系統(tǒng)的調速性能，控制方法采用了轉速、電流雙閉環(huán)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(shù)學模型，利用數(shù)學模型在Matlab/Simulink環(huán)境中建立無刷直流電動機的仿真模型。接著，給出了系統(tǒng)總體的設計方案，對控制系統(tǒng)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(tǒng)總體方案和系統(tǒng)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(tǒng)、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(tǒng)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(jié)子程序等方面程序。 最后，經實驗結果表明，電機啟動快速、穩(wěn)定，具有較寬的調速范圍。同時，該系統(tǒng)還具有結構簡單、可靠性高等特點，具有廣泛的應用前景。
標簽： 無位置傳感器 控制系統(tǒng) 無刷直流電動機
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(xiàn)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(fā)，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(shù)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(tǒng)“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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的軟件。實驗結果表明系統(tǒng)能夠控制電機順利起動，而且實現(xiàn)了電機正確的換相和穩(wěn)定的運行。
上傳時間： 2013-07-26
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