电压源型PWM逆变器在当前的工业控制中应用越来越广泛，在其应用领域中，交流电动机的运动控制是其很重要的组成部分。在PWM逆变器的控制过程中，设置死区是为了避免逆变器的同一桥臂的两个功率开关器件发生直通短路。尽管死区时间很短，然而当开关频率很高或输出电压很低时，死区将使逆变器输出电压波形发生很大畸变，进而导致电动机的电流发生畸变，电机附加损耗增加，转矩脉动加大，最终导致系统的控制性能降低，甚至可能导致系统不稳定。为此，需要对逆变器的死区进行补偿。本文针对连续空间矢量调制提出了一种改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法；针对断续空间矢量调制提出了通过改变空间矢量作用时间，来改变驱动信号脉冲宽度的补偿方法，并对这两种方法进行了理论分析和仿真研究。 本文首先详细分析了死区时间对逆变器输出电压和电流的影响，以及功率开关器件寄生电容对输出电压的影响。其次对已提出的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法进行了理论分析，该方法先计算出补偿电压，再对由零电流钳位现象引起的补偿电压极性错误进行校正，极性校正的参考量为d轴补偿电压的幅值，然而补偿电压的大小随电流的变化而变化，因此该方法存在电压极性校正时参考量为变化量的缺点，而且该方法只适用于id=0的控制方式，适用性较差。针对这些问题，本文提出了改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的补偿方法，改进后的方法是先对由零电流钳位现象引起的电流极性错误进行校正，然后再计算补偿电压的大小，电流极性校正时的参考量为三相电流极性函数转化到γ-坐标系的函数sγ的幅值，sγ的幅值与补偿电压大小无关为恒定值，而且适用于任何控制方式，适应性强。再次把改进的减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法应用到PMSM矢量控制系统中，采用MATLAB和Pspice两种方法进行了仿真研究，仿真结果验证了补偿方法的有效性。对两种仿真结果的对比分析，表明PSpice模型能更好的模拟逆变器的非线性特性。 最后，文章分析了连续空间矢量调制和断续空间矢量调制的输出波形的区别和死区对两种波形影响的不同。针对DSP芯片TMS320LF2407A硬件产生的断续SVPWM波，提出了根据电压矢量和电流矢量的相位关系，通过改变空间矢量作用时间，来改变驱动信号脉冲宽度，对其进行死区补偿的方法。给出了基本空间矢量作用时间调整的实现方法，并建立了MATLAB仿真模型，进行仿真研究，仿真结果验证了补偿方法的正确性和有效性。
上传时间： 2013-06-04
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本文首先简述了交流调速系统的发展和研究重点，介绍了异步电机调速系统的不同控制策略，详细论述了异步电机矢量控制系统的基本原理：异步电机的数学模型和坐标变换、矢量控制的基本方程式、转子磁链的观测方法、矢量控制的系统结构等，并重点分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的基本原理、控制算法以及在TMS320LF2407中的实现方法。 从工程实际应用出发，本文设计和开发了一套以DSP芯片TMS320LF2407为核心的有速度传感器异步电机矢量控制系统，并给出了硬件和软件的实现方法。该系统的功率电路采用电压型的交-直-交变压变频结构，由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM(PM15RSH120)逆变电路构成；控制电路以DSP芯片TMS320LF2407为核心，加上PWM信号发生电路、定子电流检测电路、直流母线电压检测电路、智能功率模块驱动电路、速度检测电路、系统保护电路等，构成了功能齐全的异步电机全数字化矢量控制系统。 在此基础上，本文对无速度传感器异步电机矢量控制系统进行了有益的探索。提出了改进的电压型转子磁链估算模型，消除了电压型转子磁链估算模型中纯积分环节所固有的漂移问题和积累误差对实际系统性能的影响。在传统型参考自适应系统基础上，将系统中原有的自适应调节机构用一个具有在线学习能力的模糊神经网络取代，提出一种基于模糊神经网络的异步电机转速估计方法，并给出了速度估计器的模糊神经网络结构和学习算法。最后对基于模糊神经网络转速估计的异步电机矢量控制系统进行了仿真，结果表明该系统具有良好的性能。
上传时间： 2013-07-02
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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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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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混合动力电动汽车(HEV)作为降低城市汽车尾气污染、减少油耗和调整能源结构的行业新技术，前景十分广阔，日益受到人们的关注，其开发也成为新的热点。驱动电机及其控制系统是HEV的核心部分，其性能的优劣很大程度上决定了车辆的动态性能，因此对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文主要研究混合动力车用交流驱动电机控制系统，以高性能的数字信号处理器(DSP)为核心，采用转子磁链定向矢量控制(FOC)算法，设计了一种基于DSP的交流驱动电机控制器。主要研究内容如下： 首先，在分析国内外研究状况和比较几种常用驱动电机的基础上，结合HEV对驱动电机的特性要求，选择交流异步电机作为HEV的驱动电机和基于转子磁链定向的矢量控制技术作为系统开发方案。 其次，以交流异步电机的动态数学模型为基础建立了转子磁链位置的电流计算模型，实现交流电机转矩和励磁电流分量的有效解耦。结合矢量控制理论及电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术给出了混合动力车用驱动电机矢量控制系统结构框图。 最后，以一台5kw异步电机作为控制对象，搭建了系统主电路。系统控制电路以TMS32OLF2407A DSP为核心，由电流、电压及速度等检测模块和CAN总线通信模块组成。系统以CCS2集成开发环境为平台，采用汇编语言编程，设计了基于DSP的矢量控制具体的软件实现方法，实现了全数字化的HEV驱动电机矢量控制系统。论文给出了驱动电机运行的调试结果并进行了分析。 实验表明该控制系统响应速度快，电压利用率高，动态性能好，能够满足HEV对驱动电机动态和静态性能的要求，对开发出低成本、高性能的电机驱动控制系统具有实用价值。
上传时间： 2013-07-06
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超级电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供超大功率并具有超长的寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此，为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡技术进行了研究，通过对现有均衡技术的分析和讨论，确定采用单电容均压方案，并利用DSP控制技术，设计了一个基于DSP控制的超级电容组电压均衡系统，解决超级电容器串联电压均衡问题。该系统主要由参数采集、PWM信号输出、开关网络控制等部分组成。系统以DSP为控制核心，采用了一只电解电容器作为中间电容传递能量，通过实时电压、电流及温度监测将采集到的信号，经A/D转换器后，送入DSP处理，系统根据得到的电压、电流信息判断电容的充放电状态，控制PWM信号的输出，进而驱动开关网络的切换，使能量在单体电容器之间快速传递，从而实现均压控制。最后，对该系统进行了仿真和实验研究，通过对上述数据的分析比较可以看出，采用此种方案进行均衡后，超级电容组单体的电压在充电过程中达到了较好的一致性。 本文设计的超级电容组电压均衡系统用于串联超级电容组的充放电均衡控制，既可实现静态均衡也可实现动态均衡。与其他均衡方案相比，该系统具有电压均衡速度快，均衡效果好的优点。
上传时间： 2013-04-24
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永磁同步发电机由于一系列高效节能的优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，并且受到许多学者的关注，其研究领域主要涉及永磁同步发电机的设计、精确性能分析、控制等方面。 本课题作为国家自然科学基金项目《无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机的研究》的课题，主要研究永磁电机的电磁场空载和负载计算，求出永磁电机的电压波形和电压调整率，为分段式转子的混合励磁永磁电机的研究奠定基础，主要做了以下工作： 首先介绍了永磁同步发电机的基本原理，包括永磁同步发电机的结构形式和永磁同步发电机的运行性能，采用传统解析理论给出了电压调整率的计算方法及外特性的计算模型；然后用有限元ANSYS对永磁同步发电机样机进行实体建模，经过定义分配材料、划分网格、加边界条件和载荷、求解计算等，得到矢量磁位Az、磁场强度H、磁感应强度B等结果，直观地看出电机内部的磁场分布情况。 其次根据电磁场计算结果，应用齿磁通法对其进行后处理。该方法求解转子在一个齿距内不同位置处的磁场，以定子齿的磁通为计算单位，根据绕组与齿的匝链关系，计算出磁链随时间的变化，进而得到永磁同步发电机空、负载时电压大小及波形。通过计算结果写实验结果对比，验证了齿磁通法的正确性，为计算永磁同步发电机各种性能特性提供有力工具。 最后，基于齿磁通法对永磁同步发电机的外特性进行了深入研究，定量分析了结构参数对外特性的影响规律，提出了有效降低电压调整率的方法的是：增加气隙长度g的同时，适当增加永磁体的磁化方向的长度hm；此外，要尽量的减少每相串联匝数N和增大导线面积以减小阻抗参数。通过改变电机的结构参数，对其电磁场进行计算，找到永磁电机电压调整率的变化规律，为加电励磁的混合励磁永磁电机做准备，达到稳定输出电压的目的。
上传时间： 2013-04-24
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近年来，随着工农业的迅速发展，世界能源消耗速度急剧增加。因此，新能源和节能技术的开发已经成为世界各国科技工作者的当务之急。而机车制动能量回收系统是目前国内外节能技术方面研究的热点之一。 超级电容作为一种新型电荷储能元件，具有大容量、大电流快速充放电、寿命长和无污染等特性。这些独特的优点使其在储能和能量回收方面有着广阔的应用前景。但是由于超级电容单体电压的差异，如不对其进行实时检测，在使用过程中将对整个组件的性能造成极大的影响。另外对超级电容内部特性的不了解也会对其使用造成障碍。 对超级电容电压检测方案的研究和对超级电容时域模型的研究，将为超级电容的电压均衡方案和超级电容的电参数分析提供支持，从而为整个能量回收系统的控制策略提供理论依据。因此以上两方面的研究将是整篇论文的核心内容。 本文采用模块化的设计理念，提出了一种兼顾均压的新型电压检测方案。在软件设计方面，对电压检测系统的软件架构进行分析，利用LabVIEW和ZLGCAN驱动函数包设计了友好的上位机软件监控界面。本文利用误差理论相关知识，对超级电容电压检测电路的误差精度进行了详细分析。 本文对两种超级电容时域模型进行建模和参数推导，并通过试验验证了所建模型的正确性。
上传时间： 2013-05-16
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