矢量控制作为一种先进的控制策略，是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，具有先进性、新颖性和实用性的特点。它是以交流电动机的双轴理论为依据，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量：一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。本文研究的是以TMS320LF2407ADSP和FPGA为控制核心的矢量控制变频调速系统。 分析了脉宽调制和矢量控制的原理与实现方法，从而建立了异步电动机的数学模型。对于矢量控制，分析了矢量控制的基本原理和控制算法，推导了三相坐标系、两相静止与旋转坐标系下的电机基本方程和矢量控制基本公式。同时在进行相应的坐标变换以后，得到了间接磁场定向型变频调速系统的矢量控制图，并结合TMS320LF2407ADSP完成了具体的实现方法，根据矢量控制的基本原理，设计了一种基于DSP和FPGA的SVPWM冗余系统。 在硬件方面，以TMS320LF2407ADSP和EP1C12Q240FPGA为控制器，两者之间通过双口RAMIDT7130完成数据的交换，并能在一方失控时另一方立即产生SVPWM波形。同时完成无线遥控、速度给定、数据显示以及电流、速度检测和保护等功能，也对变频调速系统的主电路、电源电路、FPGA配置电路、无线遥控电路、LCD显示电路、保护电路、电流和转速检测电路作了简单的介绍。在软件方面，给出了基于DSP的矢量控制系统软件流程图，并用C语言进行了编程。用硬件描述语言Verilog对FPGA进行了编程，并给出了相关的仿真波形。MATLAB仿真结果表明，本文研究的调速系统的矢量控制算法是成功的，并实现了对电机的高性能控制。
上传时间： 2013-07-09
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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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电动车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，电动车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在景区运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，本文主要设计的是电动游览车用异步电动机的驱动控制系统。 本文设计了以IGBT作为开关元器件的主电路结构，通过多次改进结构，并设计采用了具有硬件互锁功能的驱动电路，进一步提高了主电路的可靠性。以TI公司生产的TMS320LF2407A芯片为系统控制核心，设计了控制电路以及保护电路；编写了以矢量控制作为核心算法、空间电压矢量控制作为PWM控制方式的控制程序。通过研究单神经元矢量控制的原理，进行了仿真，验证了单神经元矢量控制具有更好的快速性、鲁棒性和自适应性。 通过大量的实验和实际现场装车调试证明，本文设计的异步电动机控制系统可靠性高，动态性能良好，控制简单，适合在蓄电池供电的逆变器应用场合(电动车)。
上传时间： 2013-04-24
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异步电动机变频调速系统的频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、工作效率等方面具有很大优点。随着电力电子技术和计算机技术的飞跃发展，以此为基础的交流电机变频调速技术也取得了长足的进步，基于SVPWM的异步电动机矢量控制系统作为现代交流传动控制的一个重要研究方向，逐渐成为研究的热点。 异步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性系统，虽然常规的PID控制算法简单、可靠性高，但对于异步电动机这样的非线性系统控制效果一般。模糊控制作为智能控制的一个重要的分支，由于不需要建立对象的精确数学模型，且具有良好的鲁棒性和非线性的控制特性，非常适用于异步电动机调速系统。本文以提高异步电动机的调速精度和改善电动机的使用效率为目标，基于SVPWM的控制原理，分别采用传统PID控制器和模糊PID控制器，应用在异步电动机的调速系统中。 本文首先介绍了异步电动机调速方法和逆变器的PWM控制方法。并阐述了矢量控制、坐标变换、空间电压矢量调制的基本原理，给出了异步电动机在不同坐标系下的数学模型，为设计异步电动机矢量控制系统奠定了基础。同时给出了传统PID控制器和模糊PID控制器模型。为验证控制效果，文中基于MATLAB/Simulink平台，建立了控制器的计算机仿真模型，给出了仿真结果，并对结果做了详细的分析。比较了传统PID控制和模糊PID控制的效果，由仿真结果可以看出采用模糊PID控制算法具有较大的优越性。 最后，以TI公司的DSP控制芯片TMS320F2812为控制核心，设计了异步电动机的控制系统，硬件系统主要包括主电路、功率驱动电路、电压、电流检测电路等电路。另外设计了控制软件，并给出了软件的流程图。通过实验测得的波形，验证了控制方法的正确性和有效性。
上传时间： 2013-05-17
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矢量控制一直是电机控制领域的热门话题。本文以异步电机为研究对象，以矢量控制的解耦思想为基础，采用自动控制的有关方法，对矢量控制进行了探讨，着重研究了矢量控制系统中控制器的设计。 @@ 本文对矢量控制和自动控制的相关理论进行了简单的介绍，包括矢量控制的原理、坐标变换、控制系统的性能指标等。按照矢量控制的解耦思想将耦合的交流电机模拟为解耦的直流电机进行控制，解耦后的交流电机可对转子磁链和转速进行独立控制。在设计磁链控制器和速度控制器时，通过使用自动控制的相关原理，使得转子磁链和电机转速达到了预期的性能要求。本文使用的设计方法是先在连续域下设计控制器，然后将其离散化为数字控制器，并对连续域下的控制器和离散域下的控制器进行了仿真和比较。电机转速是本文的一个重要参数，文中专门设计了转速实验，并对测量结果进行了误差分析。最后，对本文设计方法的不足之处进行了简单的说明，也给出了对应的改善方法。 @@ 仿真表明，本文设计的矢量控制系统达到了良好的控制效果。 @@关键字：矢量控制、磁链调节器、速度调节器
上传时间： 2013-06-17
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同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能，在大功率电气传动领域独占螯头。同步电机虽然有很多优点，但它的最大缺点是起动困难。目前，大功率同步电机的软起动大多采用静止变频器起动方式，但由于变频器多采用晶闸管作为功率器件从而要依靠电动机产生的反电势才能自行关断并且辅助设备较多。而一旦逆变器换流失败就会导致电动机起动失败。针对晶闸管不能自行关断的缺点，本文研究了一种以IGBT做为变频器功率器件的转速开环恒压频比控制的起动方法。 @@ 首先，根据同步电动机的工作原理对同步电动机的起动特性进行了详细分析，并对全压异步起动方法进行了仿真研究，得出了起动过程中电动机相电流、电磁转矩等参数的变化曲线。针对异步起动过程中定子绕组产生过大冲击电流的问题，提出了逐级变频的转速开环恒压频比控制同步电动机软起动方法。阐述了逐级变频开环控制同步电动机软起动的原理，即通过逐级改变变频器输出频率使转子转速跟随定子旋转磁场转速逐级升高至额定值。推导出起动过程中变频器逐级变化的频率与电动机转动惯量、电磁转矩等参数的关系式。通过对一台同步电动机做工频起动和低频起动的仿真研究，证明了同步电动机在低频下依靠同步电磁转矩自行起动的可行性。通过计算转子转速达到相应同步转速的时间来确定变频器逐级升高的电压频率随时间的变化规律。然后，在采用电压型交直交变频器作为同步电机变频电源的基础上，设计了恒压频比逐级变频软起动的控制方案，利用MATLAB/SIMULINK构建了转速开环恒压频比控制同步电动机软起动的数学模型，对同步电动机的起动过程进行仿真试验，并且分别对空载起动和负载起动过程进行了分析。仿真结果验证了转速开环控制同步电动机软起动的可行性。 @@ 针对同步电动机起动后的并网问题进行了理论分析，并研究了相应的并网控制方案。应用MATLAB/SIMULINK对并网过程进行仿真试验，给出并网瞬间电网电压、同步电机相电流等参数变化曲线，从而验证了并网方案的可行性。 @@ 最后，对所做工作进行了总结，并展望了大功率同步电动机的软起动技术。 @@关键词：同步电动机；软起动；变频器；恒压频比
上传时间： 2013-05-26
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目前离心机的变频控制，采用的多是通用变频器，没有自主开发的离心机专用的交流调速控制器。同时，在控制方法上采用的主要还是V/F控制以及矢量控制，而效率更高，性能更好的直接转矩控制方法则还没有得到广泛的应用。直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，获得转矩的高动态性能。直接转矩控制，控制结构简单、控制手段直接、信号处理的物理概念明确、转矩响应迅速，限制在一拍内，是一种具有高动态响应的交流调速系统。本文通过对直接转矩控制系统原理的分析、软硬件的设计制作、系统的调试试验，得到以下结论: ⑴直接转矩控制系统，控制手段直接、信号处理的物理概念明确、转矩动态响应迅速； ⑵直接转矩控制系统中，低速阶段转矩脉动明显，通过采用异步电动机适应全速的U-I模型，以及扇区细化等，可以有效减小转矩脉动;由于转矩和磁链采用离散的两点式调节，即使在高速运行阶段转矩也有轻微的脉动，通过细分磁链扇区，采用空间矢量脉宽调制技术可以有效减小脉动，提高系统控制性能； ⑶直接转矩控制系统中，检测环节及其重要，特别是电压、电流的检测。无论采用哪种电机模型，电压和电流都是最主要的参数，准确的电压、电流检测能够增加电机模型的正确性，为控制提供基本的保障； ⑷直接转矩控制系统中，对电机参数的要求简单，只需要知道电动机定子电阻，因此直接转矩控制系统的鲁棒性强，易于移植。
上传时间： 2013-04-24
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直接转矩控制技术(DTC)是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术，它采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制异步电机的转矩和磁链，采用定子磁场定向，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而能够快速而准确地控制异步电动机的转矩和磁链，以获得转矩的高动态性能。目前在高速离心机行业，普遍采用通用型变频器，其通用性好，但参数较多，价格较贵，为了降低成本增强控制性能，本文利用直接转矩控制技术的优点，采用直接转矩控制策略设计并制作了针对高速离心机的专用变频器。 本文介绍了异步电动机和逆变器的基本数学模型，分析了异步电机直接转矩控制的基本原理，以及直接转矩控制系统的基本组成，对直接转矩控制系统进行了仿真研究，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真系统，介绍了仿真模型的各组成部分，包括3/2变换、定子磁链、电机转矩观测模型、转矩调节器、磁链调节器、扇区判断、开关表选择等，给出了系统加减负载和加减转速仿真结果，仿真结果表明了其磁链轨迹近似为圆形，系统具有良好的动态和稳态性能，同时证明了建立的转矩和磁链观测模型以及控制算法的正确性和可行性。根据仿真实现方法以及结果的指导，设计并制作了整个系统的硬件电路，包括主电路(单相整流、滤波、制动电路、启动限流电路、逆变电路)、控制电路(DSP、驱动隔离放大、采样)并对各器件进行选型，给出了硬件各部分电路图；最后介绍了系统的软件流程以及各模块的程序实现，系统的软件部分采用C语言进行编程，实现了定子相电流的采样、定子相电压的计算、定子磁链的计算和开关信号的输出等功能。在分别对硬件和软件各部分进行调试后，进行了系统的联合调试，以TMS320F2808作为控制器，在一台功率为1.5KW的交流异步电机上实现了直接转矩控制。
上传时间： 2013-05-31
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函数发生器又名任意波形发生器，是一种常用的信号源，广泛应用于通信、雷达、导航等现代电子技术领域。信号发生器的核心技术是频率合成技术，主要方法有：直接模拟频率合成、锁相环频率合成（PLL）、直接数字合成技术（DDS）。DDS是开环系统，无反馈环节，输出响应速度快，频率稳定度高。因此直接数字频率合成技术是目前频率合成的主要技术之一，其输出信号具有相对较大的带宽、快速的相位捷变、极高的相位分辨率和相位连续等优点。本文的主要工作是采用SOPC结合虚拟仪器技术，进行DDS智能函数发生器的研制。 本文介绍了虚拟仪器技术的基本理论，简要阐述了仪器驱动程序、VISA等相关技术。对SOPC技术进行了深入的研究：SOPC技术是基于可编程逻辑器件的可重构片上系统，它作为SOC和CPLD/FPGA相结合的一项综合技术，结合了两者的优点，集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环、存储器、I/O接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决SOC方案，而且设计周期短，设计成本低，非常适合本设计的应用。本文还对基于DDS原理的设计方案进行了分析，介绍了DDS的基本理论以及数学综合，在研究DDS原理的基础上，利用SOPC技术，在一片FPGA芯片上实现了整个函数发生器的硬件集成。 本文就函数发生器的设计制定了整体方案，对软硬件设计原理及实现方法进行了具体的介绍，包括整个系统的硬件电路，SOPC片上系统和PC端软件的设计。在设计中，LabVIEW波形编辑软件和函数发生器二者采用异步串口进行通信。利用LabVIEW的强大功能，把波形的编辑，系统的设置放到计算机上完 成，具有人机界面友好、系统升级方便、节约硬件成本等诸多优势。同时充分利用了FPGA内部大量的逻辑资源，将DDS模块和微处理器模块集成到一个单片FPGA上，改变了传统的系统设计思路。通过对系统仿真和实际测试，结果表明该智能型函数发生器不仅能产生理想的输出信号，还具有集成度高、稳定性好和扩展性强等优点。关键词：智能型函数发生器，虚拟仪器，可编程片上系统，直接数字合成技术，NiosⅡ处理器。
上传时间： 2013-07-09
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直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术，它采用空间矢量的分析方法，在定子坐标系下计算并控制转矩和磁链，以获得转矩的高动态性能。比较于矢量控制，它省去了复杂的矢量变换，克服了对电机转子参数的依赖性，具有转矩响应快的优点。然而，异步电动机的直接转矩控制系统存在转矩、电流和磁链脉动较大，开关频率不恒定的问题。本文在传统直接转矩控制的基础上，针对其存在的缺点提出了基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略。 这种新型的直接转矩控制策略使空间矢量脉宽调制技术和直接转矩控制技术相结合。把电动机和PWM逆变器看成一体，使电动机获得赋值恒定的近似理想的圆形磁场，解决其转矩、电流、磁链脉动大，开关频率不恒定的问题。在论文撰写的过程中做了如下工作： 根据电机原理和坐标变换理论，建立定子正交α—β两相静止坐标系下的异步电动机的数学模型，包括电机的磁链模型、转矩模型和运动方程。 设计PI控制器，该控制器把转矩和磁链误差信号转换成参考电压，然后通过坐标变换把参考电压变换成SVPWM模块所需的指令电压，对SVPWM模块进行控制。 设计SVPWM控制模块，其中设计了期望电压空间矢量的合成方法，矢量区段的判断，计算了开关器件的导通时间和时刻。 通过理论分析和设计各个模块，组成了控制系统逆变器部分的仿真模型。在MATLAB/SIMULINK仿真工具箱中搭建仿真模型，通过设置合理的仿真参数、电机参数、给定量参数以及PI控制器的控制参数对系统进行仿真研究，从而在理论上验证系统设计的正确性。 仿真实验结果证明了这种基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制方法可以有效改善直接转矩控制系统的性能。减小传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动，并使逆变器工作在恒定的开关频率。最后总结论文所做的研究工作，并展望了今后的研究重点和方向。
上传时间： 2013-04-24
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