本文对永磁无刷直流电机恒功率弱磁研究进行了较为全面的从仿真到实验、从理论到实践的深入研究,同时对传统面贴式永磁无刷直流电机和复合转子结构的永磁无刷直流电机进行了详尽地理论分析,系统地提出了关于复合转子结构永磁无刷直流电机一套较为完善的理论.本文首先从BLDCM的导通规律和绕组结构入手,真实模拟了传统面贴式永磁无刷直流电机弱磁调速的物理过程,并获得其在恒转矩和恒功率模式下的解析表达式.从而直观的反映了BLDCM的弱磁机理,获得了影响其恒功率速度范围的关键参数.借鉴复合转子结构在永磁同步电机恒功率弱磁中的成功运用,将这种结构引入永磁无刷直流电机中,并完成了两台不同磁阻形式和功率、电压等级的原型样机的研制.针对原有d、q轴法的局限性,提出了真实模拟永磁无刷直流电机导电方式的场路结合法实现对永磁无刷直流电机的弱磁分析.在场路结合法分析的基础上,提出了磁阻段提高恒功率速度范围的真实原因,并进一步提出了采用永磁段、磁阻段双d轴错角以扩大转速范围的新思想,并在实践中验证了这种双轴空间错角技术的有效性.从而为复合转子结构永磁电机运行性能优化提供了新的可供选择的调节手段.
上传时间: 2013-08-02
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开关磁阻电机(SR电机)驱动系统(SRD)是一种先进的机电一体化装置,但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有:由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源,因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式,定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理,推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算,不但减小了计算量,同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法,求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时,传统的非线性插值不但耗时,而且对有限元计算数据量要求高的问题,本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力,成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练,最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定;接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发,导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解;然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解,定性分析了影响振动振幅的各种因素;最后利用基于能量法的有限元解法,通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型,分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型,分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果,证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上,对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真,综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标,对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真,通过非线性插值得到径向力的波形,然后对径向力波形进行了频谱分析,从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况,利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化,使得减振效果整体最佳,所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上,针对其不足之处,提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的,达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法,和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声,并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法,最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求,选用了不对称半桥功率电路拓扑结构;出于降低成本以及提高可靠性考虑,采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验,对比转矩测量值与转矩有限元计算值,验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验,对比各种实验结果,充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项:“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”(2001AA501421)。本文的研究是在该项目的资助下完成,并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间: 2013-07-05
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传统的电梯门机采用的是直流或交流旋转电机来实现。前者调速性能好,但由于存在换向器、电磁火花和干扰,可靠性差;后者虽然电机结构相对简单,但控制复杂,性能差。两者都需要通过一些复杂的传动机构将电机旋转运动转换为直线运动以实现电梯门的开/关。 本文设计了一种采用扁平型直线感应电机驱动的电梯门机及其微机控制系统,提出了一种适用于该系统的恒压调频(CVVF)控制方式并设计了开/关门运行曲线;另外,通过Maxwell2D有限元软件分析了电机的磁场和起动推力特性。论文中给出了样机的实验结果,其性能已达到预定的要求。
上传时间: 2013-06-15
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以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”和“电动座椅控制系统设计”作为实际应用背景,分析了两种不同种类电动机的原理特性和控制方法,阐述了这两个系统的开发过程,研究了单片机在这两个系统中的应用,进一步挖掘了单片机在电机运动控制领域中的应用潜力。 文中分两个部分分别对这两个系统进行了介绍。在混合式步进电动机驱动控制系统部分,介绍了步进电动机的运行特性和控制方法,建立了仿真模型并对步进电动机各主要的运行特性进行了仿真研究,着重叙述了步进电动机多步距角控制、斩波恒流控制和升降频控制等控制功能,以及上位机控制软件的实现过程。电动座椅控制系统部分,首先阐述了无刷直流电动机的运行特性,建立了仿真模型并对先进PID控制方法在无刷直流电动机中的应用进行了仿真研究,着重阐述了位置记忆功能的实现过程。 实验结果表明,系统硬件和软件设计合理可行,圆满的完成了既定的开发任务,实现了所有的预定功能,且运行性能良好。混合式步进电动机驱动控制系统可以通过上位机和控制面板分别控制,可以驱动不同种类的步进电动机且具备多种控制功能。电动座椅控制系统将无刷直流电动机应用到了电动座椅领域,且实现了电动座椅的智能化。这些也正是本文的创新之处。另外,结构化的硬件设计方法及模块化的软件设计法使得系统具有较好的通用性和可扩展性。
上传时间: 2013-05-26
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由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,以及计算机技术和电力电子器件的不断发展,异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。在现代微机技术的快速发展下,计算机运行速度不断提高,指令的执行速度也达到了前所未有的高度,使得复杂算法应用计算机来进行实时运算、执行成为可能。经过最近十几年的应用开发,交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。 目前广泛研究应用的异步电动机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电动机矢量控制调速方法,相对于恒压频比控制和直接转矩控制,它有动态性能和低速性能好、调速范围宽等优点。 本文对异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述。通过对异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍,建立了异步电动机在不同坐标系上的数学模型,指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强藕合的非线性系统。 在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时,给出了矢量变换方法实现的步骤,并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了二相异步电功机的磁场定向原理后,介绍了转子磁链的计算方法并设计了转子磁链观测器。 详细地分析了磁通调节器,转矩调节器和转速调节器的工作原理,并设计了磁通调节器,转矩调节器,转速调节器。以DSP为控制核心,设计了异步电动机的矢量控制系统的硬件,并编制了软件程序。 运用MATLAB的工具软件SIMULINK对磁通闭环的矢量控制系统进行仿真,给出了仿真结果,并对仿真结果进行了分析。
上传时间: 2013-04-24
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论文针对两轮电动车辆(EV)用稀土永磁(REPM)无刷同步电动机(SM),分别进行了正弦波和方波两种工作方式下的控制技术研究。论文在全面分析正弦波和方波无刷电机工作原理、调速控制方法及其性能特点的基础上,分别对36VDC电动自行车和96VDC电动摩托车用稀土永磁无刷同步电动机进行了正弦波、方波驱动系统的构建和控制电路设计。 论文采用高集成度智能专用芯片与廉价的EEPROM配合作为核心控制单元,生成稳定的SPWM脉冲信号,构成36VDC正弦波驱动系统,其外围电路简单紧凑,克服了传统SPWM信号产生方法中微处理机程序容易“跑飞”和模拟系统复杂的缺陷。同时,采用专用PWM调制芯片和硬件逻辑器件构成96VDC方波驱动系统,采用宽范围输入电压的开关电源实现系统的控制供电,将直流电机系统常用的电流截止负反馈电路引入无刷电机驱动系统中,提高了大功率方波驱动系统的可靠性,其原理样机性能稳定,负载电流可达30A。 两种系统测试结果分析对比表明:相同结构的稀土永磁无刷同步电动机,采用正弦波或方波驱动控制各有利弊。正弦波驱动采用变频调速,电机运行平稳,利用弱磁调速,还可实现超高速恒功率运行,但易于失步;而方波驱动采用PWM调压调速,电机则具有良好的控制特性,机械特性较硬,起动转矩大,车辆提速快,适于爬坡,但转矩脉动较大。 综上所述,采用方波驱动更适合于两轮电动车辆的运行特点,论文介绍的方波驱动系统在电动车辆应用领域有着较好的发展前景。
上传时间: 2013-04-24
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论文分析了混合式步进电动机的工作原理和运行特性。采用简化的磁网络模型,推导了建立二相混合式步进电机数学模型的关系式。并对步进电机的多种驱动技术进行了详细的研究,着重分析和论述了正弦脉宽调制细分驱动技术。文中对整个系统的结构、硬件电路设计及驱动软件编程进行了研究和实现,并给出了系统性能实验结果。 步进电机的使用离不开步进电机驱动器,驱动器的优劣影响着步进电机的运行性能。传统的驱动方式侧重于使步进电机绕组电流以尽可能短的时间上升到额定值,以提高电机高速运行时的转矩,一般步距角较大,且造成低速运行时的振动和噪声加大。针对此问题,开发出一种新型的基于单片机的多细分二相混合式步进电机驱动器。该驱动器以二相混合式步进电动机的静态和动态运行特性为出发点,主要分为数字控制部分、GAL片逻辑综合信号处理单元、SG3525恒流控制电路、驱动功放电路、过流保护及反馈电路和系统供电电源模块等。采用专用集成芯片和可编程逻辑器件,以8位单片机AT89C51为控制核心,实现恒流控制、正/反转运行、过流保护和多档位细分等功能。在器件选型和软、硬件设计方面兼顾了性能与成本等因素,性价比较高且通用性强。 该驱动器样机已完成制作并进行了联调测试,文中给出了测试结果并对所测波形进行了分析。实验结果表明,系统硬件和软件设计合理可行,各项技术指标均达到了设计要求。它与混合式步进电动机配套可以明显地改善步进电动机的运行性能,拓宽其应用领域。
上传时间: 2013-06-07
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直接转矩控制技术,是继矢量控制技术之后出现的又一种新的控制思想,其控制手段直接,系统响应迅速,具有优良的静、动态特性,系统鲁棒性好,因而受到了普遍关注并得到了迅速发展。 本论文从交流调速技术的发展开始,分析了异步电机直接转矩控制的基本原理,推导了u-l、i-n两种磁链模型,并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析,然后推导了在全速范围都适用的u-n模型。u-n模型的特点是:低速下工作于i-n模型,高速下工作于u-i模型,高低速之间自然过渡,加之引入电流调节器对电流观测值进行补偿,大大提高了模型的观测精度。 然后以交流电力机车为例,介绍了直接转矩控制技术在交流调速系统中的应用,并根据电力机车的牵引特性,设计了不同的控制策略: (1)低速区:采用圆形磁链的直接转矩控制; (2)高速区:采用六边形磁链的直接转矩控制; (3)弱磁区:通过改变磁链给定值来调节转矩,实现恒功率调节。 同时应用MATLAB/SIMULINK软件建立了直接转矩控制系统的仿真模型,并得出了仿真结果,验证了该方法的正确性。 最后介绍了无速度传感器的直接转矩控制方法,推导了基于模型参考自适应(MRAS)理论的转子转速的辨识方法,建立了转子转速的辨识模型,并得到了仿真结果。
上传时间: 2013-04-24
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风能是可再生能源,世界各国越来越重视风能的开发和利用。国内外学者也开始研究高效率永磁电机在风力发电上的应用。在山东省科技厅资助下,本文研究了一种新型结构的双转子永磁发电机,其高运行效率和特殊的电机结构,使其在小型风力发电系统中存在着巨大优势。本文主要研究的内容如下: 第一部分首先给出了双转子永磁电机的基本结构、等效磁路、工作原理,然后对双转子永磁电机电枢反应电感参数进行计算。 第二部分对双转子永磁电机的空载感应电势进行解析计算和有限元分析验证。首先通过引入相对比磁导函数,给出了双转子永磁电机考虑齿槽效应时定子表面的磁场分布,并给出了相应的波形。然后采用矢量合成法推导了空载感应电势的表达式,为了验证空载电势解析法的正确性,本文采用有限元法对其分析计算。通过比较得出:解析法和有限元法吻合很好。最后,针对双转子电机的特殊结构,提出了三种改善电势波形的方法,并利用解析法对其进行分析,证明了这几种措施的可行性。 第三部分针对halbach磁体电机在风力发电系统中的潜在优势,主要研究了halbach磁体结构双转子电机的电势和齿槽转矩。首先给出了halbach阵列的基本原理,采用有限元法分析了halbach磁体结构双转子电机的磁场分布及空载电势波形,并对其进行了谐波分析。最后利用能量的虚位移法推导了双转子电机的齿槽转矩,对于halbach磁体双转子电机,提出了三种减小转矩脉动的方法,并通过有限元分析进行了比较,证明了这几种措施的可行性。 第四部分对双转子电机的设计进行了分析,提出了先分别设计内外电机再统一调整的设计方法,最后设计制作了样机,给出了样机图片。并对样机进行试验,测量不同转速下电机的空载电势波形,电机的电势-转速曲线,电机的负载电压-电流特性曲线,并测量了电枢反应电感数值,通过对比可以得出:试验值、解析值和有限元值吻合很好。
上传时间: 2013-08-04
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本文系统地论述了应用单片机开发步进电动机二维运动控制器的方法。该二维运动控制器的样品已经研制出来,经过实际运行测试,达到了设计要求,既能实现两轴独立运动控制,又能灵活方便地进行联动控制。由于控制软件对步进电动机采用了适当的自动调速方案,使得电机在运动过程中没有失步现象,运行平稳,定位精度高,重复定位性好。 本文所完成的主要工作有:(1)步进电动机驱动电路的研究。(2)系统控制方案设计。(3)硬件系统设计。单片机的选择、串行通信等电路设计。(4)软件系统设计。该控制器重点在于步进电动机的驱动电路硬件与控制软件的设计,以及上下位机串口通信的实现。本设计的控制环节由AT89S52单片机和环形分配器PMM8713构成,单片机采用RS-485标准的串口通信与上位机进行通信,利用PMM8713产生步进电动机运行和正反转的控制信号。驱动环节采用UC3842实现恒流驱动,给出特定的脉冲驱动信号,驱动功率管进行开通和关断,使步进电动机按照规定的轨迹和速度运行。软件部分由上位机软件和下位机软件共同组成。上位机软件用Visual Basic编制,界面友好,下位机软件用单片机汇编语言编制。上位机输入的指令经编译生成相应的目标代码并通过计算机串口发送到下位机中。下位机的功能:一是接收来自上位机的数据和命令;二是根据上位机发送的命令执行相应的动作;三是向上位机发送有关提示信息。 该控制系统在设计方面具有如下特点: 1.采用内部时钟方式产生步进电动机的驱动脉冲,而没有采用高速脉冲发生器等外部方式,用软件来实现,从而降低硬件成本。 2.硬件设计方面,尽可能地选择了标准化、模块化的电路,从而提高了设计的成功率和结构的灵活性。 3.尽可能选用了功能强、集成度高、通用性好、市场货源充足的电路或芯片。 控制器硬件结构简单,成本低廉,控制可靠,功能强大,使用方便,因而具有十分广阔的应用前景。
上传时间: 2013-05-16
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