微機電系統（MEMS）器件的構成涉及微電子、微機械、微動力、微熱力、微流體學、材料、物理、化學、生物等多個領域，形成了多能量域并交叉耦合。為其產品的建模、仿真以及優化設計帶來了較大的難度。由于靜電驅動的原理簡單使其成為MEMS器件中機械動作的主要來源。而梳齒結構在MEMS器件中有廣泛的應用：微諧振器、微機械加速度計、微機械陀螺儀、微鏡、微鑷、微泵等。所以做為MEMS的重要驅動方式和結構形式，靜電驅動梳齒結構MEMS器件的耦合場仿真分析以及優化設計對MEMS的開發具有很重要的意義。本課題的研究對靜電驅動梳齒結構MEMS器件的設計具有較大的理論研究意義。 本文的研究工作主要包括以下幾個方面： 1、采用降階宏建模技術快速求解靜電梳齒驅動器靜電－結構耦合問題，降階建模被用于表示微諧振器的靜態動態特性。論文采用降階建模方法詳細分析了靜電梳齒驅動器的各參數對所產生靜電力以及驅動位移的關系；并對靜電梳齒驅動器梳齒電容結構的靜電場進行分析和模擬，深入討論了邊緣效應的影響；還對微諧振器動態特性的各個模態進行仿真分析，并計算分析了前六階模態的頻率和諧振幅值。仿真結果表明降階建模方法能夠快速、準確地實現多耦合域的求解。 2、從系統角度出發考慮了各個子系統對叉指式微機械陀螺儀特性的影響，系統詳細地分析了與叉指狀微機械陀螺儀性能指標－靈敏度密切相關的結構特性、電子電路、加工工藝和空氣阻尼，并在此分析的基礎上建立了陀螺的統一多學科優化模型并對其進行多學科優化設計。將遺傳算法和差分進化算法的全局尋優與陀螺儀系統級優化相結合，證實了遺傳算法和差分進化算法在MEMS系統級優化中的可行性，并比較遺傳算法和差分進化算法的優化結果，差分進化算法的優化結果較大地改善了器件的性能。 3、從系統角度出發考慮了各個子系統對梳齒式微加速度計特性的影響，在對梳齒式微加速度計各個學科的設計要素進行分析的基礎上，對各個子系統分別建立相對獨立的優化模型，采用差分進化算法和多目標遺傳算法對其進行優化設計。證實了差分進化算法和多目標遺傳算法對多個子系統耦合的系統級優化的可行性，并比較了將多目標轉換為單目標進行優化和采用多目標進行優化的區別和結果，優化結果使器件的性能得到了改善。
上傳時間： 2013-05-15
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永磁同步發電機由于一系列高效節能的優點，在工農業生產、航空航天、國防和日常生活中得到廣泛應用，并且受到許多學者的關注，其研究領域主要涉及永磁同步發電機的設計、精確性能分析、控制等方面。 本課題作為國家自然科學基金項目《無刷無勵磁機諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的研究》的課題，主要研究永磁電機的電磁場空載和負載計算，求出永磁電機的電壓波形和電壓調整率，為分段式轉子的混合勵磁永磁電機的研究奠定基礎，主要做了以下工作： 首先介紹了永磁同步發電機的基本原理，包括永磁同步發電機的結構形式和永磁同步發電機的運行性能，采用傳統解析理論給出了電壓調整率的計算方法及外特性的計算模型；然后用有限元ANSYS對永磁同步發電機樣機進行實體建模，經過定義分配材料、劃分網格、加邊界條件和載荷、求解計算等，得到矢量磁位Az、磁場強度H、磁感應強度B等結果，直觀地看出電機內部的磁場分布情況。 其次根據電磁場計算結果，應用齒磁通法對其進行后處理。該方法求解轉子在一個齒距內不同位置處的磁場，以定子齒的磁通為計算單位，根據繞組與齒的匝鏈關系，計算出磁鏈隨時間的變化，進而得到永磁同步發電機空、負載時電壓大小及波形。通過計算結果寫實驗結果對比，驗證了齒磁通法的正確性，為計算永磁同步發電機各種性能特性提供有力工具。 最后，基于齒磁通法對永磁同步發電機的外特性進行了深入研究，定量分析了結構參數對外特性的影響規律，提出了有效降低電壓調整率的方法的是：增加氣隙長度g的同時，適當增加永磁體的磁化方向的長度hm；此外，要盡量的減少每相串聯匝數N和增大導線面積以減小阻抗參數。通過改變電機的結構參數，對其電磁場進行計算，找到永磁電機電壓調整率的變化規律，為加電勵磁的混合勵磁永磁電機做準備，達到穩定輸出電壓的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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在傳統的直線驅動場合，都是由旋轉電機提供原動力，再由絲杠、絲桿、齒條等中間機構轉換為直線運動。這樣的設置，不僅在中間傳動過程中消耗了大量的能量，而且摩擦產生的噪聲也非常明顯，同時也給系統的維護工作帶來了麻煩。 直線電機的出現可以使上述問題得到解決，由于具備直接將電能轉化為直線運動的能力，直線電機已經在機床驅動、集成電路組裝等場合逐漸取代了傳統的旋轉電機的位置。 自19世紀中期直線電機的概念被首次提出以來，經過孕育、實驗、開發和實用這四個階段的發展，并借助于電力電子技術，以及日漸成熟的直線電機控制技術，直線電機已經廣泛應用到了制造業、交通運輸業等各個方面。 與旋轉電機類似，按工作原理的不同，直線電機也有著各種類型，應用較多的是直線步進電機、直線同步電機和直線感應電機。其中直線步進電機更多的是應用在需要精確定位的場合，比如半導體工業；后兩者則被應用在需要連續和大推力的場合，比如機床。而直線同步電機，尤其是永磁直線同步電機，憑借更大的單位面積推力、更高的效率等優點受到了更多的青睞，與此同時，由于沒有了勵磁繞組，電機的整個結構也得以簡化。另一方面，我國豐富的稀土資源也為這種電機的發展提供了廣泛空間。 作為一種較為新穎的電機，目前國內仍缺乏系統化的永磁直線同步電機設計方案，尤其是電樞繞組部分。常用的方法仍是基于傳統的旋轉電機，例如使用雙層疊繞組方案。通過對實際電機的軟件模擬，我們發現這樣的設計思路的表現并不能令人滿意，比如造成了動子線圈槽滿率過大，電機設計難以形成系列化等缺點，而電機本身輸出推力的波動也較大。 針對傳統方案的一系列缺點，本文提出了一種新的永磁直線同步電機設計方案。該方案基于“單元電機”的概念，使用單層同心式線圈。當目標推力要求變化時，只需改變“單元電機”的數目和排列組合的方式，就可以達到改變的目的。而每個單元中的繞組連接方式則不需要改變，由此避免了繁瑣而復雜的繞組設計，這就給電機的系列化設計帶來了便捷。同時，單層繞組的使用也更方便嵌線，也更有利于降低銅耗，提高效率。 在完成單元電機設計任務的基礎上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的電磁場有限元分析軟件MagNet對電機的運行進行了模擬，并得到了電機的額定輸出推力曲線和反電動勢曲線，輸出推力曲線較之傳統方案也更平穩。體現了該設計方案的優越性。
上傳時間： 2013-06-29
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低壓電器電弧運動過程三維成像理論及運動機理研究在國內外取得了一定的進展，但作為一種新型電弧研究方法，特別是對電弧運動可視化方面的研究尚處于起步階段，其技術涉及到電器學、數值計算、圖像處理、計算機科學等眾多學科領域，加之電弧復雜的非線性特性及其瞬時特性，導致測量研究的困難，在電弧機理、性能分析和模型設計等方面都還不夠成熟、完善。所以，在電弧模型理論研究、電器電磁機構的三維有限元分析、電器的計算機輔助設計、電弧動態特性研究等方面，存在大量的工作要做。對這些問題的深入研究，可以更好地認識電器觸頭在整個運動過程中極其復雜的電、熱、磁、機械等一系列現象。 為了從不同角度觀察分析電弧在滅弧室中的動態運動過程，本文在研究開關電器電弧圖像增強及運動過程三維可視化的基礎上，分析電弧形成機理、電弧特性和運動形態的基本理論，進一步考慮其模型特性和電弧等離子體磁壓縮效應，建立其運動數學模型。電弧圖像需要的處理主要有：圖像數字化、圖像平滑、圖像分割、圖像邊緣檢測、圖像增強。本文提出一種基于小波變換的圖像增強和直方圖的圖像增強算法，在保留電弧弧柱強特征的同時，突出顯示電器動觸頭圖像特征使增強后的電弧圖像適合人類的視覺特征，為電弧動態過程分析和電弧可視化模型的構建提供有效的分析基礎，并取得良好的電弧圖像增強效果。本文構造了基于比色測溫原理的電弧輻射拾取、圖像采集、同步控制、數據處理等硬件裝置，對試驗采集裝置進行了標定；將醫學上成功應用的計算機層析成像理論，應用于對電弧進行三維溫度場重建的研究，構造可單面陣CCD采集三組六路投影輻射強度的實驗裝置，通過對觸頭邊緣檢測的手段精確定位于不同光路中電弧的位置，對輻射拾取光路進行校準，編制了系統軟件，實現電弧三維溫度場的重建。研究數學模擬計算方法，提出了適合低壓電器電弧數學模型計算的方法。用計算機求解獲得以前依靠實驗才能獲得的開斷波形及運動過程，將理論分析、試驗研究和計算機仿真有機結合起來，使產品設計更加科學和準確，可以大大減少設計周期，減少試驗的盲目性和費用，有利于提高電器產品的技術性能，對于新產品開發，優化滅弧室設計及模擬實驗，具有十分重要的意義。
上傳時間： 2013-04-24
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異步電動機變頻調速系統的頻率范圍、動態響應、調速精度、低頻轉矩、工作效率等方面具有很大優點。隨著電力電子技術和計算機技術的飛躍發展，以此為基礎的交流電機變頻調速技術也取得了長足的進步，基于SVPWM的異步電動機矢量控制系統作為現代交流傳動控制的一個重要研究方向，逐漸成為研究的熱點。 異步電動機調速系統是一個多變量、強耦合的非線性系統，雖然常規的PID控制算法簡單、可靠性高，但對于異步電動機這樣的非線性系統控制效果一般。模糊控制作為智能控制的一個重要的分支，由于不需要建立對象的精確數學模型，且具有良好的魯棒性和非線性的控制特性，非常適用于異步電動機調速系統。本文以提高異步電動機的調速精度和改善電動機的使用效率為目標，基于SVPWM的控制原理，分別采用傳統PID控制器和模糊PID控制器，應用在異步電動機的調速系統中。 本文首先介紹了異步電動機調速方法和逆變器的PWM控制方法。并闡述了矢量控制、坐標變換、空間電壓矢量調制的基本原理，給出了異步電動機在不同坐標系下的數學模型，為設計異步電動機矢量控制系統奠定了基礎。同時給出了傳統PID控制器和模糊PID控制器模型。為驗證控制效果，文中基于MATLAB/Simulink平臺，建立了控制器的計算機仿真模型，給出了仿真結果，并對結果做了詳細的分析。比較了傳統PID控制和模糊PID控制的效果，由仿真結果可以看出采用模糊PID控制算法具有較大的優越性。 最后，以TI公司的DSP控制芯片TMS320F2812為控制核心，設計了異步電動機的控制系統，硬件系統主要包括主電路、功率驅動電路、電壓、電流檢測電路等電路。另外設計了控制軟件，并給出了軟件的流程圖。通過實驗測得的波形，驗證了控制方法的正確性和有效性。
上傳時間： 2013-05-17
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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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隨著電力電子技術、微處理器技術以及控制技術的發展，基于轉子磁鏈定向的交流電機矢量控制系統以其優良的性能受到了廣泛應用。采用SVPWM逆變器的異步電動機矢量控制系統在轉速參考值變化或者負載轉矩參考值變化的動態情況下，參考電壓矢量可能會超出基本空間矢量構成的正六邊形，此時便出現動態過調制，需要用過調制策略將超出的電壓矢量重新限定在正六邊形邊界內。不同的過調制策略會給整個系統帶來不同的動態性能，本文在對過調制策略進行完善的基礎上，針對三種過調制策略對交流電動機動態性能的影響進行了研究，并對其機理進行了理論分析與探討。 @@ 本文首先以三相異步電動機在兩相靜止坐標系下的動態方程為基礎，按照轉子磁鏈定向，設計了轉子磁鏈觀測器，完成了勵磁電流分量和轉矩電流分量的解耦，并構建了基于SVPWM的異步電動機矢量控制系統的MATLAB仿真模型。在矢量控制中，電流控制對系統性能具有重要影響。為了改善系統性能，所設計的矢量控制系統采用了同步電流控制，并對反電勢進行了前饋補償。 @@ 在分析了現有的三種過調制策略之后，對過調制策略進行了完善，并構建了異步電動機矢量控制系統的過調制仿真模型。過調制中，當原參考電壓矢量位于正六邊形中任意兩個扇區交界附近時，過調制策略2和3所得到的新電壓矢量仍會超出正六邊形邊界，過調制算法不再適用于此區域。針對以上不足，本文對過調制策略2和3進行了完善，使過調制算法適用于所有區域。采用完善后的過調制策略對轉速參考值變化和負載轉矩參考值變化的異步電動機矢量控制系統進行仿真，發現在加速與加載的條件下，過調制策略2的動態性能好于過調制策略1，而過調制策略3的動態性能最佳，具有最小的動態響應時間，暫態性能優良；在減載的條件下，過調制策略1和2能夠很快的進入穩定狀態，但是過調制策略3卻出現問題，動態響應時間很長，說明此策略具有一定的局限性。 @@ 本文深入探討了三種過調制策略導致不同動態性能的內在機理，通過對三種過調制策略中電壓矢量的幅值和相位進行分析，理論上解釋了出現不同動態響應時間的原因。出現過調制時，過調制策略2中新電壓矢量的幅值總是大于過調制策略1中新電壓矢量的幅值，所以動態性能更好。在加速和加 載條件下，過調制策略3中新電壓矢量的相位總是超前于過調制策略1和2中新電壓矢量的相位，因此可以獲得更快的動態響應，暫態性能更佳。但是在減載條件下，過調制策略3中新電壓矢量與原電壓矢量間的相位關系處于無規律的超前滯后狀態，導致過調制策略3出現問題，動態響應時間很長，說明此過調制策略有其不足之處，有待于改進。@@關鍵詞：SVPWM；矢量控制；過調制；動態性能
上傳時間： 2013-06-27
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該系統是一款磁卡閱讀存儲器，根據用戶要求解決了普通閱讀器只能實時連接計算機，不能單獨使用的問題。而且針對作為特殊用途的磁卡，要求三道磁道都記錄數據，并且第三磁道記錄格式與標準規定的記錄格式不同時，系統配套的應用程序對其做了正確譯碼、顯示。 @@ 整個系統包括單片機控制的閱讀存儲器硬件部分，和配套使用的計算機界面應用程序軟件部分。其中硬件電路包括磁條譯碼芯片、外部存儲器芯片、串口電平轉換芯片等等，所有的工作過程都是由單片機控制。我們這里選用紫外線擦除的87C52單片機，電路使用的集成電路芯片都是采用SMT封裝器件，極大縮小了讀存器的體積，使用簡單，攜帶方便。 @@ 磁條譯碼芯片采用的是中青科技有限公司出品的M3-230.LQ F/2F解碼器集成電路。該IC實現了磁信號到電信號的轉換。外部存儲器則是使用的8K Bytes的24LC65集成芯片，擴展8片，總容量達到8×8K。 @@ MAXIM公司出品的MAX232實現了單片機TTL電平到RS232接口電平的轉換，從而與計算機串口實現硬件連接。 @@ 計算機界面顯示程序采用當今使用最廣的面向對象編程語言Visual Basic 6.0版本(以后簡稱VB)，并且使用VB帶有的串口通信控件MScomm，通過設置其屬性，使其和下位機單片機協議保持一致，進而進行正確的串口通信。關于磁道上數據記錄的譯碼，則是通過對每條磁道上數據記錄進行多次實驗，認真分析，進而得到了各條磁道各自的編碼規則，按照其規則對其譯碼顯示。這部分程序也是通過VB編程語言實現的。另外，計算機應用程序部分還實現了對下位機讀存器的擦除控制。 @@關鍵詞：磁卡，閱讀存儲器，單片機，串口通信，track3數據譯碼
上傳時間： 2013-08-05
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目前離心機的變頻控制，采用的多是通用變頻器，沒有自主開發的離心機專用的交流調速控制器。同時，在控制方法上采用的主要還是V/F控制以及矢量控制，而效率更高，性能更好的直接轉矩控制方法則還沒有得到廣泛的應用。直接轉矩控制技術，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(Bang-Bang控制)產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，獲得轉矩的高動態性能。直接轉矩控制，控制結構簡單、控制手段直接、信號處理的物理概念明確、轉矩響應迅速，限制在一拍內，是一種具有高動態響應的交流調速系統。本文通過對直接轉矩控制系統原理的分析、軟硬件的設計制作、系統的調試試驗，得到以下結論: ⑴直接轉矩控制系統，控制手段直接、信號處理的物理概念明確、轉矩動態響應迅速； ⑵直接轉矩控制系統中，低速階段轉矩脈動明顯，通過采用異步電動機適應全速的U-I模型，以及扇區細化等，可以有效減小轉矩脈動;由于轉矩和磁鏈采用離散的兩點式調節，即使在高速運行階段轉矩也有輕微的脈動，通過細分磁鏈扇區，采用空間矢量脈寬調制技術可以有效減小脈動，提高系統控制性能； ⑶直接轉矩控制系統中，檢測環節及其重要，特別是電壓、電流的檢測。無論采用哪種電機模型，電壓和電流都是最主要的參數，準確的電壓、電流檢測能夠增加電機模型的正確性，為控制提供基本的保障； ⑷直接轉矩控制系統中，對電機參數的要求簡單，只需要知道電動機定子電阻，因此直接轉矩控制系統的魯棒性強，易于移植。
上傳時間： 2013-04-24
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直接轉矩控制技術(DTC)是繼矢量控制技術之后交流調速領域中新興的控制技術，它采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制異步電機的轉矩和磁鏈，采用定子磁場定向，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，從而能夠快速而準確地控制異步電動機的轉矩和磁鏈，以獲得轉矩的高動態性能。目前在高速離心機行業，普遍采用通用型變頻器，其通用性好，但參數較多，價格較貴，為了降低成本增強控制性能，本文利用直接轉矩控制技術的優點，采用直接轉矩控制策略設計并制作了針對高速離心機的專用變頻器。 本文介紹了異步電動機和逆變器的基本數學模型，分析了異步電機直接轉矩控制的基本原理，以及直接轉矩控制系統的基本組成，對直接轉矩控制系統進行了仿真研究，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真系統，介紹了仿真模型的各組成部分，包括3/2變換、定子磁鏈、電機轉矩觀測模型、轉矩調節器、磁鏈調節器、扇區判斷、開關表選擇等，給出了系統加減負載和加減轉速仿真結果，仿真結果表明了其磁鏈軌跡近似為圓形，系統具有良好的動態和穩態性能，同時證明了建立的轉矩和磁鏈觀測模型以及控制算法的正確性和可行性。根據仿真實現方法以及結果的指導，設計并制作了整個系統的硬件電路，包括主電路(單相整流、濾波、制動電路、啟動限流電路、逆變電路)、控制電路(DSP、驅動隔離放大、采樣)并對各器件進行選型，給出了硬件各部分電路圖；最后介紹了系統的軟件流程以及各模塊的程序實現，系統的軟件部分采用C語言進行編程，實現了定子相電流的采樣、定子相電壓的計算、定子磁鏈的計算和開關信號的輸出等功能。在分別對硬件和軟件各部分進行調試后，進行了系統的聯合調試，以TMS320F2808作為控制器，在一臺功率為1.5KW的交流異步電機上實現了直接轉矩控制。
上傳時間： 2013-05-31
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