本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發(fā)電機分布式發(fā)電與能量轉換系統(tǒng)研究”(50437010)的部分研究內容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機領域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個：一是轉子的高速旋轉，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關鍵技術。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關鍵技術進行了深入地研究，主要包括以下內容： 首先，進行了高速永磁電機轉子的結構設計與強度分析。根據(jù)永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉子結構。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加的靜態(tài)預壓力抵消高速旋轉離心力產生的拉應力，使永磁體高速旋轉時仍承受一定的壓應力，從而保證永磁轉子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉子應力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，計算了永磁體和護套中的應力分布。該種轉子結構和強度計算方法已應用于高速永磁電機的樣機設計。 其次，進行了高速永磁轉子的剛度分析和磁力軸承—轉子系統(tǒng)的臨界轉速計算。基于電磁場理論分析了磁力軸承支承的各向同性，利用氣隙靜態(tài)偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度，在對高速電機轉子結構離散化的基礎上建立了磁力軸承—轉子系統(tǒng)的動力學方程，采用有限元法計算了高速永磁電機轉子的臨界轉速。利用該計算方法設計的1臺采用磁力軸承的高速電機，已成功實現(xiàn)60000r/min的運行。 再次，進行了高速永磁電機的定子設計，提出了一種新型環(huán)形繞組結構。環(huán)型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中，不但增加了定子表面的通風散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統(tǒng)2極電機繞組端部軸向過長的難題，使轉子軸向長度大為縮短，從而增加了高速永磁電機轉子系統(tǒng)的剛度。 然后，采用場路耦合以及解析與實驗相結合的方法，分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升，并對高速永磁發(fā)電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優(yōu)點是體積小和功率密度大，然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗，對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數(shù)測定。然后采用場路耦合的方法，分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉子護套和永磁體內的高頻附加損耗以及轉子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎上，計算了高速電機的溫升。最后，設計制造了一臺額定轉速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機，并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉速下空載運行時的定、轉子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結果的對比，部分驗證了高速永磁電機理論分析和設計方法的正確性。在此基礎上，提出一種高速永磁電機的改進設計方案，為進一步的研究工作打下了基礎。
標簽： 永磁電機 機械 電磁
上傳時間： 2013-04-24
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隨國民經濟的飛速發(fā)展，用電量的日益增加，電網的經濟運行已是一個不可忽視的問題。因此，如何降低網損，提高電力系統(tǒng)的輸電效率，保證電力系統(tǒng)的經濟運行是電力系統(tǒng)面臨的實際問題，也是電力系統(tǒng)研究的主要方向之一。 電力系統(tǒng)在運行過程中，由于感性負載的存在，使電網無功功率大量增加。另外，近些年來，國民經濟各部門大力推廣使用各種新型的電力電子整流裝置，他們在減少能量耗損的同時，也帶來了功率因數(shù)下降、電壓波動、閃變、三相不平衡以及諧波干擾等問題。其最終結果都是使配電設備的使用效能得不到充分發(fā)揮，設備的附加功耗增加。因此，進行有效的無功功率補償，提高功率因數(shù)是電網及電力系統(tǒng)安全經濟運行的重要保證。毫無疑問，無功功率補償?shù)难芯縿菰诒匦小?我國與世界上發(fā)達國家相比，無論從電網功率因數(shù)還是補償深度來看，都有較大差距，因此在我國大力推廣無功補償技術尤為迫切。 對于實際應用的MCR，要求能夠自動控制。本文采用以單片機為核心的控制器方案，包括檢測電路、控制電路、觸發(fā)電路、鍵盤顯示電路和通信電路等。檢測電路用于檢測變壓器二次側的電壓和電流并獲耿同步信號；控制電路根據(jù)相應的控制策略，對檢測信號和給定輸入量進行計算，給出控制信號；觸發(fā)電路根據(jù)控制信號輸出的控制信號產生相應觸發(fā)角的晶閘管觸發(fā)脈沖；鍵盤可用來輸入各種控制指令，顯示電路可以直觀的輸出系統(tǒng)的各種狀態(tài)；通信電路提供與控制站的數(shù)據(jù)交換，以便實現(xiàn)電力系統(tǒng)的集中控制。 文中對補償器模型進行了實驗驗證，實驗結果與文中分析一致，說明了本文補償理論的正確性和可行性。
標簽： 電力系統(tǒng) 可控電抗器 無功功率
上傳時間： 2013-06-22
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永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)作為交流伺服系統(tǒng)的主流，在工業(yè)生產自動化領域中應用廣泛、前景廣闊。永磁同步伺服電動機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個伺服系統(tǒng)的性能。因此，精心設計性能優(yōu)異的永磁同步伺服電動機具有重要的理論意義和應用價值。本課題系統(tǒng)研究了永磁同步伺服電動機的本體設計，包括設計方法、性能計算、有限元分析、參數(shù)計算、控制仿真、實驗測試等。 首先，綜述和分析了永磁同步伺服電動機的研究現(xiàn)狀、存在問題和發(fā)展前景，研究了永磁同步伺服電動機的設計特點和方法。開發(fā)了永磁同步伺服電動機的電磁計算程序，結合有限元計算數(shù)值的校正，完成對樣機的性能計算，計算結果較為準確。 接著，深入分析永磁同步伺服電動機的氣隙磁場，得到充磁方式、極弧系數(shù)、不均勻氣隙、永磁體厚度等因素對氣隙磁場的影響，繪制了各因素對氣隙磁場基波和諧波總量影響的曲線，通過優(yōu)化設計，得到了明顯改善的正弦氣隙磁場。并拓展研究總結了不同永磁體形狀和尺寸對永磁直流電動機在換向和性能上的影響，取得有實用價值的研究成果。 然后，基于Ansoft、MagNet電磁分析軟件建立了永磁同步伺服電動機的有限元分析模型，深入研究了電機的反電勢波形、穩(wěn)態(tài)運行性能和齒槽轉矩，計算了直、交軸同步電抗等重要參數(shù)。建立了永磁同步伺服電動機Id=0控制的Matlab/simulink仿真模型，并進行了仿真研究。 最后，對永磁同步伺服電動機進行了實驗測試和分析，包括反電勢波形與磁場波形測試、性能曲線測試、直交軸同步電抗的測量。對測試結果與設計結果進行了比較分析，驗證了設計方法的正確性。
標簽： 永磁同步 伺服 電動機
上傳時間： 2013-08-04
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本文致力于可并聯(lián)運行的斬控式單相交流斬波變換器的研究。交交變換技術作為電力電子技術一個重要的領域一直得到人們的關注，但大都將目光投向AC-DC-AC兩級變換上面。AC/AC直接變換具有單級變換、功率密度高、拓撲緊湊簡單、并聯(lián)容易等優(yōu)勢，并且具有較強擴展性，故而在工業(yè)加熱、調光電源、異步電機啟動、調速等領域具有重要應用。斬控式AC/AC 電壓變換是一種基于自關斷半導體開關器件及脈寬調制控制方式的新型交流調壓技術。 本文對全數(shù)字化的斬控式AC/AC 變換做了系統(tǒng)研究，工作內容主要有：對交流斬波電路的拓撲及其PWM方式做了詳細的推導，著重對不同拓撲的死區(qū)效應進行了分析，并且推導了不同負載情況對電壓控制的影響。重點推導了單相Buck型變換器和Buck-Boost 變換器的拓撲模型，并將單相系統(tǒng)的拓撲開關模式推導到三相的情況，然后分別對單相、三相的情況進行了Matlab仿真。建立了單相Buck 型拓撲的開關周期平均意義下的大信號模型和小信號模型，指導控制器的設計。建立了適合電路工作的基于占空比前饋的電壓瞬時值環(huán)、電壓平均值環(huán)控制策略。在理論分析和仿真驗證的基礎上，建立了一臺基于TMS320F2808數(shù)字信號處理器的實驗樣機，完成樣機調試，并完成各項性能指標的測試工作。
標簽： 單相交流 斬波 變換器
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社會發(fā)展對內燃機車柴油機安全、節(jié)能、低污染等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的機械式控制已很難滿足這些新要求。對機車柴油機采用電子控制技術成為當前提高柴油機乃至整車性能的一種有效方法。柴油機電子控制技術包含的范圍很廣，其中標定技術決定了電控系統(tǒng)中最佳控制參數(shù)的獲取，從而影響著柴油機的工作性能，而噴油泵特性的標定是標定眾多內容中首先要解決的問題，因此本文將機車柴油機電控系統(tǒng)中的油量特性標定作為研究重點，首先對電控單體泵的組成和原理進行了分析，確定了其作為機車應用的合理性；其次完成了電子燃油噴射控制單元的設計，并對其實驗方法進行了研究。 噴油泵在匹配任何一種類型柴油機之前，其數(shù)學模型和控制特性應該基本確定，能不能使得被匹配的柴油機性能達到最佳水平，將取決于能否通過有效的標定方法來獲得準確的噴油控制參數(shù)。本文在電子控制單元基本功能完成的基礎上，充分利用現(xiàn)場總線技術的優(yōu)勢，在實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層接口的同時，針對標定應用進行了擴展，制訂出一套完整的通信協(xié)議，并開發(fā)出上位機標定軟件，使得電子控制單元與上位機之間建立起了良好的通信平臺。標定系統(tǒng)的建立同時為機車故障診斷技術帶來了新思路，本文提出了一種基于分布式機車控制網絡的故障診斷策略，多個智能化節(jié)點可以共同來完成復雜的故障診斷操作，性能完備的網絡構成和通訊協(xié)議使得大量故障信息的交互顯得有條不紊。這種思路，對電控系統(tǒng)乃至整車的故障診斷技術的發(fā)展產生著深遠的影響。 方案的確定，軟硬件的設計，實驗方法的分析，都必須結合真正的臺架實驗，在實驗過程中不斷的改進。本文最后，介紹了在機車廠單體泵試驗臺上進行的電磁閥驅動和油泵特性標定實驗，從中獲得了機車柴油機電控系統(tǒng)研究的寶貴經驗，為后期的柴油機匹配實驗打下了堅實的基礎。
標簽： 機車 電控 柴油機
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目前，數(shù)字信號處理廣泛應用于通信、雷達、聲納、語音與圖像處理等領域，信號處理算法理論己趨于成熟，但其具體硬件實現(xiàn)方法卻值得探討。FPGA是近年來廣泛應用的超大規(guī)模、超高速的可編程邏輯器件，由于其具有高集成度、高速、可編程等優(yōu)點，大大推動了數(shù)字系統(tǒng)設計的單片化、自動化，縮短了單片數(shù)字系統(tǒng)的設計周期、提高了設計的靈活性和可靠性，在超高速信號處理和實時測控方面有非常廣泛的應用。本文對FPGA的數(shù)據(jù)采集與處理技術進行研究，基于FPGA在數(shù)據(jù)采樣控制和信號處理方面的高性能和單片系統(tǒng)發(fā)展的新熱點，把FPGA作為整個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的控制核心。主要研究內容如下： FPGA的單片系統(tǒng)研究。針對數(shù)據(jù)采集與處理，對FPGA進行選型，設計了基于FPGA的單片系統(tǒng)的結構。把整個控制系統(tǒng)分為三個部分：多通道采樣控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，存儲控制模塊。 多通道采樣控制模塊的設計。利用4片AD7506和一片AD7862對64路模擬量進行周期采樣，分別設計了通道選擇控制模塊和A/D轉換控制模塊，并進行了仿真，完成了基于FPGA的多通道采樣控制。 數(shù)據(jù)處理模塊的設計。FFT算法在數(shù)字信號處理中占有重要的地位，因此本文研究了FFT的硬件實現(xiàn)結構，提出了用FPGA實現(xiàn)FFT的一種設計思想，給出了總體實現(xiàn)框圖。分別設計了旋轉因子復數(shù)乘法器，碟形運算單元，存儲器，控制器，并分別進行了仿真。重點設計實現(xiàn)了FFT算法中的蝶形處理單元，采用了一種高效乘法器算法設計實現(xiàn)了蝶形處理單元中的旋轉因子乘法器，從而提高了蝶形處理器的運算速度，降低了運算復雜度。理論分析和仿真結果表明，狀態(tài)機控制器成功地對各個模塊進行了有序、協(xié)調的控制。 存儲控制模塊的設計。利用閃存芯片K9K1G08UOA對采集處理后的數(shù)據(jù)進行存儲，設計了FPGA與閃存的硬件連接，設計了存儲控制模塊。 本文對FFT算法的硬件實現(xiàn)進行了研究，結合單片系統(tǒng)的特點，把整個系統(tǒng)分為多通道采樣控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，存儲控制模塊進行設計和仿真。設計采用VHDL編寫程序的源代碼。仿真測試結果表明，此FPGA單片系統(tǒng)可完成對實時信號的高速采集與處理。
標簽： FPGA 數(shù)據(jù)采集 處理技術
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全數(shù)字調制解調技術具有多速率、多制式、智能性等特點，這極大的提高了通信系統(tǒng)的靈活性和通用性，符合未來通信技術發(fā)展的方向。 本文從如下幾個方面對全數(shù)字調制解調器進行了深入系統(tǒng)研究：1，在介紹全數(shù)字調制解調器的發(fā)展現(xiàn)狀和研究QPSK通信調制解調方式的基礎上，依據(jù)軟件定性仿真分析了QPSK正交調制解調系統(tǒng)，設計出了滿足系統(tǒng)要求的實現(xiàn)電路框圖并選定了芯片；2，在完成了基于FPGA芯片實現(xiàn)QPSK調制解調的算法方案設計基礎上，利用VHDL語言完成了芯片程序的設計，并對其進行了調試和功能仿真；3，利用設計出的調制解調器與選定的AD、DA、正交調制解調芯片，完成了QPSK通信系統(tǒng)的硬件電路的設計并完成了調制電路的研制；4，完成電路的信息速率大于300Kbps，產生的中頻信號中心頻率70MHz，帶寬500KHz，滿足系統(tǒng)設計要求，由于時間關系解調電路仍在調試中。 本文基于FPGA實現(xiàn)的QPSK數(shù)字調制解調器具有體積小、集成度高和軟件可升級等優(yōu)點，這為設計高集成和高靈活性的通信系統(tǒng)提供了技術基礎。
標簽： QPSK FPGA 基帶 通信設計
上傳時間： 2013-07-08
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隨著當今生產力的發(fā)展和技術的進步，生產設備的自動化程度越來越高，傳統(tǒng)的監(jiān)控手段已不能滿足生產自動化、智能化和網絡化的需求。智能巡檢終端作為生產安全的重要輔助設備，能在復雜環(huán)境下實現(xiàn)對多設備多信號量的實時采集和處理，可以作為解決生產設備安全運行的主要手段之一。近來年嵌入式技術以其強大的處理能力、高度的可靠性在微控制領域的應用越來越廣泛。無線通信技術，特別是GPRS無線網絡技術的快速發(fā)展。使互聯(lián)網等寬帶數(shù)據(jù)網絡與無線通信網絡實現(xiàn)互聯(lián)，能夠大大提高無線監(jiān)控效率。在分析研究了當前國內、外設備巡檢系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并結合嵌入式技術和GPRS無線網絡通訊技術的基礎上，根據(jù)實際項目企業(yè)的具體生產要求，論文提出了一種基于GPRS無線通信技術與嵌入式技術的無線智能設備巡檢系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用三星公司的ARM920TS3C2410芯片作為系統(tǒng)處理器，處理器從外部傳感器采集到的相關數(shù)據(jù)，如：溫度、濕度、壓力等，通過SIM—300GRPS無線通訊模塊的AT命令將數(shù)據(jù)通過無線網絡傳送到移動運營商GPRS網絡中，然后將數(shù)據(jù)傳送到生產監(jiān)控中心(指定IP地址或域名)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以通過專門軟件對從各監(jiān)控點傳遞的數(shù)據(jù)作出分析處理，并通過GPRS網絡將相關控制命令反饋給各個監(jiān)控點。 本課題主要工作集中在兩個方面：一方面是GPRS無線收發(fā)設備硬件實現(xiàn)，在這一部分涉及到模塊硬件功能設計、無線模塊、嵌入式處理器的選型；另一方面是軟件設計，給出了系統(tǒng)軟件開發(fā)流程，完成了各模塊的開發(fā)工作。研究和試驗表明，該系統(tǒng)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠的特點，能滿足遠程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需求。
標簽： ARMGPRS 無線智能 巡檢 終端設計
上傳時間： 2013-06-01
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顯示技術被定義為新世紀世界朝陽產業(yè)之一。幾十年來，LED顯示技術成為一項使用最廣泛和最普及的技術，由于其極高的性價比、高亮度、主動發(fā)光等特性，使得LED構成的大屏幕已經被廣泛的應用于車站、碼頭、廣場等各種場合以及各企事業(yè)單位，成為各單位、部門很好的信息發(fā)布與交流工具。傳統(tǒng)的顯示技術以簡單的8位或者16位單片微控制器為核心，其運算速度、內存容量、存儲空間和通訊方式等方面存在著很大的局限性，很難實現(xiàn)高難度圖文動態(tài)特技顯示和高灰度級顯示，并且無法滿足信息容量大和處理速度很高的場所。 本文在分析LED顯示控制原理、灰度級實現(xiàn)以及彩色顯示實現(xiàn)原理的基礎上，制定了ARM+FPGA的LED點陣顯示控制方案，采用三星公司S3C2410芯片上的LCD顯示接口，設計了顯示數(shù)據(jù)重組、非線性占空比γ反校正等邏輯，結合FPGA技術實現(xiàn)了高性能的LED點陣顯示控制；同時研究了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在實驗基礎上詳細論述基于Linux操作系統(tǒng)的幀緩存設備模塊加載模式下的控制技術，并開發(fā)基于ARM平臺的LED顯示屏播放以及管理應用程序。 本文的創(chuàng)新之處在于提出并系統(tǒng)研究了改善LED顯示效果的數(shù)據(jù)重組技術以及非線性占空比下的γ反校正技術，并通過軟硬件調試系統(tǒng)達到預期顯示效果。
標簽： ARM LED 顯示控制 技術研究
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隨著國民經濟的快速發(fā)展，我國對于電力的需求和依賴性也越來越大。同時，對變電站及電網的安全和穩(wěn)定也提出了更高的要求。2008年的南方冰雪災害造成了電力設施及輸電線路的重大損失，嚴重危害了電網的正常工作，影響了人民的正常生活和工廠的正常運行。電力部門需要一種能夠實時監(jiān)控變電站設備的監(jiān)控系統(tǒng)，第一時間監(jiān)測到電力設備的損壞和人為因素的破壞，迅速做出處理，將損失減小到最低值。隨著電力部門網路化的全面普及，各個變電站有了相應的通訊網絡，使得監(jiān)控系統(tǒng)網絡傳輸成為可能。 課題探索了低功耗、高性能、低成本并具有豐富芯片資源的嵌入式處理器和內核精簡、性能強悍、源碼開放及開發(fā)成本低的操作系統(tǒng)，設計和實現(xiàn)了基于ARM9和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對變電站設備的實時視頻監(jiān)控、紅外線監(jiān)測和煙霧火災探測等功能。系統(tǒng)硬件采用模塊化設計，主控制器模塊采用三星公司的S3C2410A高性能芯片作為嵌入式微處理器，設計了外圍接口電路和其它外圍設備電路；視頻監(jiān)控模塊采用OV511系列USB攝像頭進行圖像采集；紅外線防盜監(jiān)測模塊采用熱釋電紅外線傳感器配合菲涅爾透鏡設計了報警電路；煙霧火災探測模塊采用Motorola公司生產的離子型煙霧檢測芯片MC14468，設計了監(jiān)測電路。系統(tǒng)軟件開發(fā)分兩層，下層軟件開發(fā)構建了交叉編譯環(huán)境，移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)并利用Video4Linux API庫函數(shù)接口完成了視頻圖像采集程序的設計，同時對攝像頭驅動程序進行了提取和編譯；上層軟件開發(fā)實現(xiàn)了對采集的視頻數(shù)據(jù)在網絡中傳輸，使用Visual C++設計了客戶端監(jiān)控應用界面，實現(xiàn)人機交互，并對所采集視頻圖像進行了最優(yōu)化處理。 課題針對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足進行改進，集視頻監(jiān)控、紅外線防盜監(jiān)測和火災報警等功能于一體，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)和計算機網絡的優(yōu)勢，設計出了功能豐富，性能優(yōu)良的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。提高了變電站運行和維護的安全性及可靠性，并逐步實現(xiàn)了電網的可視化監(jiān)控和調度，使電網調控運行更為安全、可靠。
標簽： ARM 電站監(jiān)控 系統(tǒng)研究
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