该论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统.永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点,因此自从上个世纪80年代,随着永磁材料性能价格比的不断提高,以及电力电子器件的进一步发展,永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段.永磁同步电动机既区别于感应电动机又与电励磁同步电动机相比有自身的特点,因此该论文首先从永磁同步电动机的本身出发,讨论了其稳态运行原理,分析了永磁同步电动机的转矩特性、功率特性及效率.矢量控制理论的发明是交流调速领域中的一个重大突破,该论文详细讨论了永磁同步电动机的矢量控制,在推导其精确数学模型的基础上分析了矢量控制理论用于永磁同步电动机控制的几种电路控制策略,包括了i<,d>=0控制、cosψ=1控制,以及最大转矩/电流控制方式,并且开发出基于DSP的全数字永磁同步电动机的矢量控制系统,给出了其软、硬件的设计方案.弱磁控制是永磁同步电动机矢量控制又一方面,论文分析了永磁同步电动机弱磁调速的原理以及弱磁扩速困难的原因,并由此提出了两种特殊转子结构的新弱磁方案.直接转矩控制是继矢量控制后交流调速领域的又一个高性能控制方法,论文最后讨论了直接转矩控制理论在永磁同步电动机控制上的运用,并使MATLAB工具对永磁同步电动机的直接转矩控制系统进行了仿真研究,仿真结果表明,直接转矩控制具有动态性能好,静差小以及鲁棒性好的特点.
上传时间： 2013-07-06
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直流电动机具有运动效率高和调速性能好等诸多优点,但传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,因而存在致命弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了它的应用范围.近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机(Brushless Direct Current Motor-BIDCM)具有体积小、重量轻、效率高、噪音低且可靠性高的特点,因而得到了广泛的应用.该文研究的对象是由两套三相无刷直流电动机组成的六相无刷直流电动机,每套绕组三相对称,两套绕组对应相之间相差30°电角度.重点研究六相无刷直流电机的转矩特性和系统的可靠性.在分析无刷直流电动机电磁转矩产生原理的基础上,阐述了三相无刷直流电动机转矩脉动的原因,在此基础上提出六相无刷直流电动机.分析结果表明,六相无刷直流电动机的转矩特性优于三相无刷直流电机,并且系统的可靠性也较高.该文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析,建立了三相和六相无刷直流电动机的数学模型.并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了三相和六相无刷直流电动机的系统仿真模型.该系统仿真模型采用双闭环控制,内环为电流环(采用滞环调节),外环为速度环(采用PI调节).对所得的仿真结果进行分析,表明与理论分析相吻合,证明了六相无刷直流电动机仿真模型的正确性.对两套绕组可能出现的故障进行仿真分析,结果表明六相无刷直流电动机具有较强的容错能力.由此得出结论,该文提出的六相无刷直流电动机方案是可行的.由于绕组在电机的结构中占有相当重要的位置,该文利用槽号相位表,设计了三相和六相无刷直流电动机的绕组.对槽号的分配,线圈的连接作了详细地说明.该文还对三相和六相无刷直流电动机定子绕组的磁势进行了谐波分析,分析结果表明了六相无刷直流电动机定子绕组的磁势高次谐波含量要少于三相无刷直流电动机.
上传时间： 2013-07-13
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随着电力电子器件、永磁材料、微机、新型控制理论和电机理论的发展，无刷直流电机的技术优势逐渐凸显，近年来在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速的推广应用。大功率无刷直流电机在国外已经成功应用于对系统效率、可靠性要求较高的场合，在国内，近年来也引起了广泛兴趣。本课题对大功率无刷直流电机进行预研，以两台无刷直流电机样机为研究对象进行分析和电磁设计研究。首先计及电枢绕组电感，从分析换相过程入手，建立了三相星型六状态工作模式下，电压源型无刷直流电机的数学模型，并基于此模型，通过仿真和实验，对该种无刷直流电机的电磁转矩系数、反电势系数、机械特性和电枢等效电阻等进行了深入研究，分析表明电枢绕组电感对上述各系数和特性存在较大影响，因此在大功率无刷直流电机设计和分析中，电枢绕组电感必须予以考虑。其次，本文对等效磁路法、电磁场有限元法和等效磁网络法以及它们在无刷直流电机电磁设计中的应用进行了比较研究，提出了采用有限元法计算漏磁系数、计算极弧系数、电枢计算长度和气隙系数，然后把它们应用到等效磁路法中进行空载特性计算，而采用电磁场有限元法分析负载特性的场路结合法。以此为基础，编制了无刷直流电机电磁设计软件，并将其应用于两台样机的设计，通过与电磁场有限元法计算结果和实验数据进行对比，验证了该方法的准确性。最后对两台样机的电枢反应及其影响进行了仿真和实验研究，分析发现q轴电枢反应是影响切向磁化结构的无刷直流电机性能的主要因素，设计中需采取措施抑制q轴电枢反应的影响。
上传时间： 2013-04-24
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传统的直流电机一直在电机驱动系统中占据主导地位，但由于其本身固有的机械换向器和电刷导致电机容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。 模糊控制器具有鲁棒性好、抗干扰能力强的优点。论文提出了基于转速环模糊逻辑控制理论的直流无刷电机的控制系统设计方案，保证了伺服控制系统具有优良的静动态特性，因而满足更多应用场合的需要。 论文具体包括以下几个部分工作： 首先，从电机本体和控制角度出发，阐述了直流无刷电机在实际应用中需要解决的关键性问题：电磁转矩脉动。详细分析了电磁转矩脉动产生的各种原因，特别是分析了相电流换向所产生的纹波转矩脉动。 其次，本文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析，建立了三相无刷直流电动机的数学模型。并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了三相无刷直流电动机的控制系统仿真模型。仿真模型采样的是电机控制系统中常用的双环系统(转速—电流双闭环控制)。为了提高系统的静动态特性，转速外环采用模糊PI调节器，电流内环采用PI调节器。转子位置通过直流无刷电机感应电势检测，仿真结果表明了该仿真模型控制系统与理论分析完全吻合，从而证明了模型的有效性。 然后，初步设计了伺服系统的实验图。以TI公司生产的TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)作为整个控制电路的核心芯片，一台40w的直流无刷电机作为被控对象，完成了伺服系统的转速控制。 最后，对未来的工作给予了展望，并对全文的内容进行了总结。
上传时间： 2013-04-24
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舰船、飞机、移动通讯、石油钻井平台等独立系统中有许多交直流电力并存的场合，需要实现发供电系统的小型化、高功率密度、高可靠性以及高品质。常规的电励磁发电机因为带有电刷使供电系统的运行安全存在隐患，并且励磁机的使用增加了电机的体积和损耗。为使系统节能高效，本文设计并制作了应用于独立交直流电力系统的交直流永磁同步发电机。永磁电机定子上带有三套三相绕组，一套绕组用于提供交流电力，其余的两套绕组相位互差30度电角度，接整流器为直流负载供电。文中对电机的设计以及电机的基本性能进行探讨。为了减小永磁发电机的电压调整率，在电机的交轴与电机的永磁磁极尾部之间加一软磁材料，通过增加电机负载时的交轴电抗压降，来改善电机的电压调整率。 首先，针对永磁电机设计的特殊性，应用二维有限元法计算电机的电磁场以确定电机的主要尺寸，并讨论了不同软磁材料尺寸对电机的影响。文中还根据电磁场的计算结果，应用傅立叶级数计算了电机的空载感应电动势以用于预测电机的性能，使用能量摄动法计算了计及饱和、槽影响下的电机电感参数。考虑到永磁材料的温度性能问题，应用电磁场和温度场耦合的方式计算了电机稳态时的温度场。 然后，为了了解永磁同步发电机的主要电磁关系，研究了电机的数学模型，推导了考虑漏磁时具有三套互差一定电角度三相绕组的永磁发电机在dq0坐标系下的方程，可以看到，在dq0坐标系下电机的电感参数为常数。这样，利用这个特性，在对电机运行性能进行研究时，可以得到简化电磁方程。根据电机稳态运行时的方程，得到了电机的向量图。 因为带有多套绕组的永磁电机中含有较多的谐波，而采用dq0坐标系下的方程会忽略掉气隙磁场中的谐波分量，为了对电机的仿真更加精确，电机仿真时采用电机在ABC坐标系下的基本电磁方程。应用Matlab/SimPowerSystems中的模块搭建电机的仿真模型，永磁体的影响用感应电动势来表示。根据仿真结果与样机试验结果的比较发现，两者吻合良好。 另外，本文还设计了一台电励磁的交直流发电机，电磁设计结果表明，永磁电机在体积、重量、效率方面都很有优势。
上传时间： 2013-04-24
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变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的关注，有着良好的发展前景。本文致力于研究变速恒频风力发电技术，从分析其运行机理入手，比较了定桨距、变桨距和变速恒频风力发电的区别，选定双馈式变速恒频方案：它在低风速阶段主要进行变桨距调节追求最大风能捕获，高风速时通过控制双馈电机转子侧的电流，达到定子输出恒频和有功、无功的独立调节。变桨距风力机作为风能转换为机械能的设备，是风力发电系统的重要组成部分，它与风电场风能资源的匹配问题直接影响到了风力发电系统的运行特性。本文以风能理论为基础，探讨了风力机组设备的选型问题，建立起风速和风力机系统的数学模型。双馈异步电机是变速恒频风力发电系统的核心。本文分析了其基本运行特点，指出双馈发电机具有普通交流电机无法比拟的优点；研究了稳态电路和功率平衡关系，并详细推导出M-T-0坐标系下的5阶状态方程，建立起定子磁链定向矢量控制系统，实现了定子有功和无功的解耦控制，使电机控制简单化。变频器是双馈电机实现变速恒频运行的关键，本文选定了六脉波交-交变频器作为励磁电源。通过对其主电路结构、余弦交截法和触发脉冲产生原理等的进一步分析，建立起六脉波交-交变频器的数学模型，并处理了与变频器与发电机的接口问题。最后，利用Matlab6.5/Simulink5.0仿真软件，建立了系统各组成部分的仿真模型，并进行了仿真实验研究。仿真结果表明，所建模型是正确的，变速恒频风力发电系统具有良好的运行特性。
上传时间： 2013-07-14
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在国内，目前工控领域广泛用到的伺服系统(包括伺服电机和伺服驱动器)有整套购买国外某一个厂商的，也有自己开发电机，然后购买国外的伺服驱动器来配置伺服系统。前一种情况伺服电机与驱动器之间的整合程度是比较高，而后一种情况伺服电机的设计容易忽视与之配套的伺服驱动器的控制策略以及伺服驱动器的输出电压，输出电流特点，很容易造成所设计的伺服电机不能充分发挥其性能以及材料的不合理利用。本文讨论了作为伺服电机用的永磁同步电动机在整合伺服驱动器控制方式和输出电压、电流特性下的设计过程。 本文首先简要介绍了永磁同步电动机作为伺服电机较其他类型的电机的优势，接着以永磁同步电动机作为伺服电机，对给定指标要求的永磁同步电动机，在永磁体分别采用表面安装和内置两种转子磁路结构时进行了场路结合的设计与分析，分析了在磁场定向控制方式下两种转子磁路结构的永磁同步电动机的工作特性、转矩脉动等。得出了永磁体表面安装转子磁路结构的永磁同步电动机作为伺服电机时更适合磁场定向控制运行的结论。 此外，从已经成功设计了的永磁同步电动机出发，整合所设计的永磁同步电动机将要采用的驱动器其控制方式，并在一些有依据的假设前提下确定了电机的能量包函数(包括功率、转速等一些额定指标)与一些主要尺寸函数表达式。初步得出了一种行之有效的、快速确定使用同一套定转子冲片伺服电机尺寸的方法。 最后试制了样机以及其在伺服驱动器下进行了实验，并比较分析了实验和理论分析的结果。
上传时间： 2013-05-30
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本文对超声波电机驱动控制系统进行了研究。全文主要内容如下：系统介绍了超声波电机的特点、研究历史和主要应用，概述了超声波电机驱动控制技术的研究现状。在介绍压电陶瓷逆压电效应与压电振子谐振特性的基础上，阐述了超声波电机的运行机理及调速原理。介绍了环状行波型超声波电机的基本结构及工作原理。研制了基于DSP的超声波电机驱动控制系统，为超声波电机控制技术的研究提供了一个通用实验平台。通过光电编码器检测超声波电机的速度，研制了利用速度反馈来进行频率调整的频率跟踪控制器，实现了采用频率P调节的超声波电机速度稳定性控制。实现了大外径(80mm)环状行波型超声波电机的高精度位置检测。研制了基于DSP的超声波电机位置控制系统，完成了采用相位差P控制方案进行精密定位控制的实验研究。
上传时间： 2013-05-21
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动力传动中的直线往复运动往往是通过旋转运动在传动装置的作用下实现的。因此，频繁的高速和低速的传递运动装置的较好选择是直线开关磁阻电机(LSRM)。但是，这种电机很少得到运用，这是因为LSRM的数学模型很难准确建立，它的固有的牵引力脉动(类似于旋转开关磁阻电机的转矩脉动)也很难克服，因而控制起来比较困难。随着电力电子技术和数字技术的发展，直线开关磁阻电机以其简单结实的电机结构、优越的性能和经济指标，近年来受到学术界的极大关注，不少大学和研究机构都开展了研究工作，取得了一定的成就。本文在“通过先进的控制策略简化机械装置”的指导思想下，结合目前国际学术界的最新研究成果，对直线开关磁阻电机的理论、结构设计和系统仿真进行了一系列的研究。 本文从最基本的理论公式推导出直线开关磁阻电机的数学模型，并在此基础上结合具体参数进行电机的结构设计，分析了各参数的静态特性，推导出动态方程和传递函数，建立了非线性动态模型，利用该模型进行系统的动态特性分析，给出仿真结果；对系统进行优化，提出了一种简单可行的参数选择方法。仿真结果表明，其动态响应性能明显提高。在分析常用功率变换器的基础上，引进软开关技术，用来降低电机的损耗和脉动。采用TMS320VC33进行数据处理，给出了与DSP相连接的相关检测电路。 为了降低和消除开关磁阻电机的脉动和噪声，本文利用滑模变结构控制具有快速响应和对外部变化不灵敏等优点，设计了LSRM滑模变结构控制系统。仿真结果表明，其效果明显。 本文研究的目的在于把直线电机的结构和开关磁阻电机的原理和控制方式结合起来，对直线开关磁阻电机进行深入的分析，并在动态特性上进行较多的理论和仿真分析，在保持开关磁阻电机固有的优点上，进一步简化电机的结构，使之能在一些特殊场合使用，以提高整个传动系统的效率。 研究结果表明，直线开关磁阻电机的结构十分简单，控制策略相对成熟，因而直线开关磁阻电机的研究和推广运用是很有前途的。
上传时间： 2013-06-20
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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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