无刷直流电机是随着电力电子技术的发展和高性能永磁材料的出现而迅速发展起来的一种新型机电一体化电机。随着无刷直流电机在各个领域的广泛应用，无位置传感器控制方法的优势越来越明显，特别是“反电势法”无刷直流电机控制方法已经发展成为最实用的无位置传感器控制方法。 论文在介绍常用的无位置传感器无刷直流电机控制方法的基础上，详细分析了“反电势法”无刷直流电机控制原理。深入研究了两种反电势过零检测方法，采用“直接反电势法”设计了反电势过零检测电路。该方法不需要引出电机中性点，通过选择PWM和导通控制策略，就能直接从电机端电压获得反电势过零点信号。它避免了开关高频调制产生的干扰，不需要对端电压进行滤波。建立了基于PSPICE软件的仿真模型并对其进行了仿真验证。以按摩椅用无刷直流电机为样机，设计了“直接反电势法”无刷直流电机控制系统的硬件电路，详细介绍了电路各个组成部分，同时给出了控制系统中所采用的软硬件抗干扰措施。 论文介绍了“直接反电势法”无刷直流电机控制常用的起动方法，深入讨论了“三段式”起动技术，对“三段式”起动技术中转子预定位、外同步加速和外同步到自同步的切换进行了详细的分析，并围绕“三段式”起动技术详细介绍了“直接反电势法”控制软件设计流程。 最后，通过实验验证了这种方法的可行性和正确性。
上传时间： 2013-05-23
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与传统的径向磁通圆柱式电机相比，轴向磁通的盘式无铁心永磁同步电机有着许多明显的优点：其结构较为简单，加工及装配费用低，电机运行可靠，不需励磁电流，提高了电机的效率和功率密度。盘式电机永磁化是一种发展趋势，而稀土材料是其首选的永磁材料。我国已研制出盘式永磁同步电机，但还处于试制阶段，要实现产品化，还有许多研究课题亟待解决。 本文主要针对该电机的气隙磁密进行分析，对影响气隙磁密的各种因素展开了研究。具体内容如下： 1) 回顾了永磁电机的研究历史、发展现状和主要应用，对永磁材料的性能及选取、聚磁技术、电机磁场计算所需理论和有限元软件进行了介绍。 2) 将电机内的电磁场、有限元软件和盘式无铁心永磁电机特殊结构相结合，设计出了近二十个有限元计算程序，组成一个针对盘式无铁心永磁同步电机的计算软件包，由这些计算程序出发，对盘式无铁心永磁同步电机进行一系列仿真分析计算。 在绘制气隙磁密三维分布图时，由于有限元软件在绘图方面的限制，需要将气隙磁密数据从有限元软件中导出到文本文件，再由其它数学工具进行气隙磁密的三维图形绘制。在这一过程中由于导出数据格式与绘图工具所需数据格式不能兼容，还需要对导出数据进行处理。由于有限元软件导出的数据量很大，如果对这些数据进行人工整理将增加大量的工作量，所以作者在研究过程中，针对导出数据的特点编写了一个Vb数据处理程序，使数据处理工作得到大大简化。 3) 在上述建立的软件包的基础上，对基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机进行了一系列系统分析，其中包括三维开域磁场分析、永磁体厚度对电机气隙磁密的影响及分析、永磁体宽度变化时气隙磁场分析、采用不同角度Halbach阵列时的气隙磁密分析、不同半径处气隙磁密分析，为在电机设计过程中永磁体的设计提供了依据。 4) 在对盘式无铁心永磁同步电机磁场进行详尽的分析的基础之上，本文提出了对该电机的新设计方案，并就此方案进行了建模分析，结果表明，此新方案所得到的气隙磁密比原结构的气隙磁密更为理想。此外，还对新模型从定性的角度进行了涡流损耗分析，分析表明其结构有利于减小涡流损耗。
上传时间： 2013-04-24
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永磁无刷直流电动机是一种机械、电气、电子一体化的高技术产品，具有结构简单、运行可靠、使用寿命长等优点，在现代轻重工业中应用广泛。现代工业技术和生产需求的快速发展对永磁无刷直流电动机控制系统的性能要求不断提高，因此研究具有响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电动机控制系统具有十分重要的意义。 本文介绍了永磁无刷直流电动机控制系统的组成和研究方向，介绍了英飞凌XC167Cl高性能16位单片机，进而对永磁无刷直流电动机的类型进行了介绍，同时分析了永磁无刷直流电动机的工作原理，建立了比较完善的数学模型，并详细阐述了转矩脉动产生的原因和消除转矩脉动的一般方法。 本文设计并实现了基于英飞凌XC167Cl高性能16位单片机的转速和电流双闭环永磁无刷直流电动机控制系统。系统采用PWM方式实现对电机的控制。转速和电流双闭环数字PI器的应用使得控制系统具有良好的动态和静态性能。单片机和液晶显示与键盘给定模块之间的串行通信实现了控制系统信息在人机间的传输，为系统的调试带来了灵活性，也为控制系统中参数的实时监控和给定提供了方便。 在本文的最后，就采集到的部分波形，分析了实验结果，并提出了对本系统的总结和展望。 实验表明，本文所采用的英飞凌XC167Cl高性能16位单片机具有极高的性能，以其为核心的控制系统具有运行性能良好、调试方便、升级换代容易等特点，为后续的研究工作提供了实验基础和借鉴。
上传时间： 2013-05-25
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在目前全球能源危机和温室效应越来越严重的情况下，电动车(Electric Vehicle)以其无污染、低噪声、效率高，便于操作等优点，越来越受到人们的青睐。本课题与华中科技大学辜承林教授联合，为苏州益高电动车辆制造有限公司设计旅游车无刷电机驱动系统。课题结合现代CPU技术、数字技术和电力电子技术，设计了一款以无位置传感器无刷直流电机为动力的大功率汽车轮毂驱动控制器。 本课题采用辜老师设计的“横向磁通无刷直流电动机”为控制对象。本文首先分析了无刷直流电机的数学模型和无位置传感器的反电势过零点检测的基本原理，从整体上对控制系统的各个方面进行了讨论并确定了整体设计方案。在课题中，本人采用DSP 2407A作为控制核心，以功率MOS管为逆变器件，研制出系统硬件，用C语言编制了系统软件。鉴于该课题在大电流等级的无刷直流电机应用中，国内外尚无先例，本项目在开发实验中，对无位置传感器无刷电机的起动和反电势过零检测作了大量的研究工作，取得许多有益的科研实践经验。通过对电机的起动过程和位置检测方法进行的一些有效改进措施，使得电机达到较好的运行性能和操控特性。 实验结果表明本项目设计方案有效可行，研制的无位置传感器无刷直流电机控制器达到设计的预期基本性能指标。
上传时间： 2013-04-24
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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无刷直流电机是一种性能优越、应用前景广阔的电机，应用传统的控制理论对其进行控制系统设计、分析的技术已经相对成熟，在此基础上研发出的各种调速系统已经在工业生产中获得广泛应用。因此，无刷直流电机的进一步推广应用，在很大程度上依赖于对一些先进控制策略的研究。 为了改进无刷直流电机调速系统的控制性能，本文基于灰色控制理论建立了无刷直流电机灰色PID控制调速系统模型。常规的PID控制以其结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点至今仍被广泛采用。在系统模型参数变化不大的情况下，PID控制性能优良，但无刷直流电机是一种多变量、非线性的控制系统，传统的PID控制器难以克服电机自身参数不确定和扰动带来的转速偏差问题，无法实现精确快速的控制。灰色控制器是在继承经典PID控制器不依赖于对象模型优点的基础上，通过改进经典PID固有缺陷而形成的新型控制器，性能优良并且算法简单。该控制器设计不需要建立电机的精确数学模型，对参数变化和负载扰动不敏感。系统较好地实现了给定速度参考模型的自适应跟踪，结构简单，能适应环境变化，具有较强的鲁棒性。 本文以灰色系统理论为基础，把无刷直流电机的数学模型分为确定部分与不确定部分，对被控对象的不确定部分建立灰色模型，进行灰色预估补偿，使控制系统的灰量得到一定程度的白化。对所提出的无刷直流电机灰色PID控制调速系统进行了仿真，对仿真结果给出理论分析；以TMS320F2812型DSP为核心控制器建立了无刷直流电机调速驱动系统。仿真和实验结果表明，基于灰色PID控制算法的无刷直流电机调速系统受电机参数变化影响较小，具有较高的控制精度和鲁棒性，表现出优良的动、静态性能。
上传时间： 2013-04-24
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本课题提出了一套采用直流斩波技术的永磁无刷直流电机的调速控制系统。一方面研制了一种新颖的端电压逻辑换相控制策略，它通过分析电机三相绕组端电压的大小关系得出控制逆变桥开关管导通的信号。结合电机预定位起动原理，设计出的端电压逻辑信号分析处理电路，有效克服了电机起动的困难，确保电机的顺利起动，并在实验结果中得到了论证。这种完全用硬件电路来实现电机的电子换相，无疑大大降低了控制系统的成本，具有一定的实用价值。另一方面采用直流斩波技术的无刷直流电机调速系统，从而大大减小了电流的脉动。本文阐述的方法不但适用于一般的三相四线制无刷直流电机，还适用于三相三线制的电机,从而扩大了其应用的范围。 本论文先对无位置传感器永磁无刷直流电动机的结构和基本原理进行了详细的介绍；然后分别着重介绍了两个部分的设计工作：无刷直流电机的驱动控制和采用直流斩波技术的调速系统；最后给出了相关的实验结果和结论。 根据上述设计方案设计的无位置传感器永磁无刷直流电动机调速控制系统，可以实现电机的平滑起动、无振动和失步现象，具有良好的调速性能。
上传时间： 2013-04-24
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现代轧钢机的机组容量日益增大，其有功、无功负荷变动异常剧烈。由于大部分设备供电多半采用晶闸管整流装置，使电网中谐波增大，功率因数降低，出现较大的电压波动。因此研究轧钢厂供电系统电能质量的基本内容—无功补偿与谐波抑制，对提高企业供电可靠性、降低损耗、提高用电设备出力等具有重要意义。由于通用的电力分析软件不具备设计功能，因此有必要开发一套无功补偿装置设计和电能质量分析的专业软件。 该文详细分析了轧钢供电系统各个谐波源产生的谐波特点和功率因数特点，研究了广泛应用于轧钢供电系统的TCR+FC型静止无功补偿装置的补偿特性和结构特点。以此为理论基础，从软件工程的角度，开发了一套动态补偿仿真软件，其中包括人机交互界面、电力模型和运算模型等。人机交互界面是用户与软件的接口，而电力模型和运算模型是内置在软件内，对用户不可见。用户在界面上输入系统参数，通过界面调用运算模型可以自动地设计TCR+FC型静止无功补偿装置的各滤波支路和TCR支路的电路参数，除此之外，通过界面调用电力模型，用户可以从界面上读取该系统补偿前后的电能质量。 因此，该软件既是一个设计软件，又是分析软件，不仅能设计静止无功补偿装置的各支路具体电路参数，为实际轧钢系统的静止无功补偿装置的设计提供理论参考，还能对系统投入SVC前后的电能质量的变化做出详细的对比分析。 最后，以科学研究领域广泛应用的PSCAD/EMTDC软件为测试工具，在其中建立相应的电力模型。通过比较在两个软件中仿真得到的轧钢机负载曲线、电压电流波形、电压波动、谐波、功率因数等，证实了该动态软件的正确性。
上传时间： 2013-04-24
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对供电系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统运行安全性。钢铁企业一直就是用电大户，具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性、工作连续性和自动化程度高等特点，存在功率因数低、电压波动等问题。研究钢铁企业的无功补偿，对企业提高供电可靠性，节能减排，降低损耗，提高用电设备效率，保证产品质量有着非常重要的意义。 本文选用目前工程上应用最为广泛的动态补偿装置静止无功功率补偿器，即SVC对钢铁企业负荷进行无功补偿。考察了轧钢企业的负荷特点，对比了各种补偿装置的优缺点，在此基础上提出了FC—TCR型SVC做为钢铁企业的无功补偿装置。 本文根据特定的现场参数，提出了FC—TCR型SVC装置的设计框架，建立了潮流计算和SVC装置的数学模型，给出了含有SVC补偿装置的电力系统潮流计算的计算方法，计算了SVC装置的FC和TCR各支路参数，对一次设备进行选型，最后提出了一套完整的SVC系统设计方案。仿真结果表明，采用本方案的SVC系统有效提高了供电系统的功率因数，抑制了电压波动，表明方案设计中的支路配置，参数设置和设备选型是合理的。 从基于瞬时无功功率理论的补偿装置触发角度的算法出发，研究了SVC装置动态补偿的实现方法。本文还提出了动态补偿SVC监控系统和晶闸管触发系统的硬件实现。 为了验证SVC系统设计的合理性，搭建了SVC的模拟试验平台，对一次系统，监控系统，光电触发系统进行了联合调试，调试结果达到了设计预期目标。
上传时间： 2013-06-22
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我国电网无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。冲击性负荷更会使得电网无功功率不平衡，将导致系统电压的巨大波动、善变，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定性被破坏事故。 FC+TCR型静止无功补偿装置响应速度快，可以动态补偿无功功率，提高系统功率因数，抑制系统电压波动和闪变，因此在电气化铁路、电弧炉、轧机等的负荷无功补偿上得到广泛应用。中小用户由于成本高较少使用，但中小用户无功补偿容量及市场巨大，研制适合中小用户的FC+TCR型静止无功补偿装置很有必要。基于此目的，本文研制一台10kV FC+TCR型静止无功补偿装置，并以此为研究对象进行设计理论研究工作。 本文根据负荷无功功率的变化情况，计算了静止无功补偿装置的主电路参数，设计配备了高电位取能触发板和BOD过电压保护板。选择以TMS320F2812为核心的嵌入式控制板为主要部件，设计信号接入电路和晶闸管触发脉冲形成电路，构成最基本的静止无功补偿控制器。 基于瞬时无功补偿理论和不平衡负荷的平衡化原理（Steinmetz原理），建立补偿电纳计算模型，通过电压电流瞬时值采样计算需要补偿的瞬时无功功率和电纳，根据补偿电纳通过查表方法求得晶闸管的控制角，并将其应用到静止无功补偿装置样机中。仿真结果表明，算法是快速有效和准确的，主电路的参数是合理的，具有实际工程应用价值。
上传时间： 2013-08-02
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