无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高和转动惯量小等优点，另外它还具有和直流电机一样的调速特性，而没有直流电机复杂的机械换相设备，所以被广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等工业领域，现代工业的快速发展对无刷直流电机控制系统的性能提出了更高的要求。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机控制系统具有十分重要的意义。 直接转矩控制是一种高性能的电机控制方法，它已经成熟的应用在感应电机和永磁同步电机上，实现了优良的稳态性能和动态响应特性。本文通过大量的文献资料阅读，对无刷直流电机及其相关技术的发展、现状和趋势有了一个比较全面的理解，在此基础上，详细分析了无刷直流电机的数学模型，并提出了一套相应的直接转矩控制方案，建立了仿真和试验平台，进行了仿真分析和实验研究，获得了有价值的研究成果。 本文的主要研究内容包括： (1)详细分析了无刷直流电机的运行机理和数学模型，在此基础上阐述无刷直流电机直接转矩控制的基本控制机理，包括基于逆变器二二导通模式的空间电压矢量的定义和针对无刷直流电机具有非正弦波反电动势这一特点而推导的转矩计算公式等。 (2)提出了一套无刷直流电机直接转矩控制的具体实施方案，并根据这套方案建立了基于Simulink(Matlab)的无刷直流电机直接转矩控制的仿真模型，对所提出的控制方案进行了仿真分析。仿真结果验证了该方案在理论上的可行性。 (3)在理论研究的基础之上，设计研制了一套基于DSP+IPM的无刷直流电机直接转矩控制实验系统，编写了控制程序软件，进行了无刷直流电机直接转矩控制的实验。实验结果达到了预期的要求，证实了直接转矩控制在改善无刷直流电机动态调速性能上的优势。 本论文开展了继异步电机和永磁同步电机之后对无刷直流电机实现直接转矩控制的探索性研究工作。通过理论分析、计算机仿真和实验得出了一些有意义的经验和结论，为课题的进一步深入开展奠定了基础。
上传时间： 2013-07-11
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随着对电能应用高效率的要求，基于电力电子技术的非线性负载等开关设备的应用越来越普遍，这些开关设备造成的谐波成分对电网的污染也越来越严重。这些谐波会影响其它电气设备的正常工作，危及电网安全。电力有源滤波器由于能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，得到了广泛的研究。 本文是在课题组380V、260kVA纯有源电力滤波器项目方案的论证阶段，为提高大容量单台纯有源滤波器的效率和动、稳态性能而做的分析、设计和仿真验证工作。论文首先介绍了通过LCL滤波器与电网相连的并联电力有源滤波器的主电路结构，进而分析了这种主电路结构在大容量和低开关频率场合对开关纹波衰减的优势。通过比较PI控制和状态反馈控制，选取全状态反馈来达到对系统的稳定控制。 将电网处理为扰动输入，对LCL主电路在静止abc坐标系中进行了建模，然后选取系统闭环期望极点设计了控制系统。为消除电网这个外部输入对指令电流跟踪的影响，引入了电压前馈，并从理论上推导了前馈的具体关系式。之后引入了观测器，并把对电网输入的建模考虑进了观测器，消除了电网输入对状态估计和补偿输出造成的偏差。在电力有源滤波器实际安装时，电网进线和变压器的电感是不确定的，其会加在LCL的网侧电感上，从而使对系统基于状态空间的建模产生偏差，因此文章研究了所设计的控制器对LCL网侧电感变化的适应性。为保证电力有源滤波器的稳态指标，对状态反馈后的系统设计了重复控制器。 最后，基于设计的控制器在MATLAB/Simulink环境下建立了对1MW不控整流负载进行补偿的电力有源滤波器系统模型，进行了仿真；并对动静态性能进行了分析，验证了设计和理论分析的正确性。
上传时间： 2013-06-20
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由于绝缘栅双极晶体管IGBT具有工作频率高、处理功率大和驱动简单等诸多优点,在电力电子设备、尤其是中大型功率的电力电子设备中的应用越来越广泛。但是,IGBT失效引发的设备故障往往会对生产带来巨大影响和损失,因此,对IGBT的失效研究具有十分重要的应用意义。 本文在深入分析IGBT器件工作原理和工作特性的基础上,采用双极传输理论联立求解电子和空穴的传输方程,得到了稳态时电子和空穴电流的表达式,对造成IGBT失效的各种因素进行了详细分析。应用MATLAB软件,对硅参数的热导率、载流子浓度、载流子寿命、电子迁移率、空穴迁移率和双极扩散系数等进行了仿真,深入研究了IGBT的失效因素,得到了IGBT失效的主要原因是发生擎住效应以及泄漏电流导致IGBT延缓失效的有用结论。并且,进行了IGBT动态模型的设计和仿真,对IGBT在短路情况下的失效机理进行了深入研究。 考虑到实际设备中的IGBT在使用中经常会发生反复过流这一问题,通过搭建试验电路,着重对反复过流对IGBT可能带来的影响进行了试验研究,探讨了IGBT因反复过流导致的累积失效的变化规律。本文研究结果对于正确判断IGBT失效以及失效程度、进而正确判断和预测设备的可能故障,具有一定的应用参考价值。
上传时间： 2013-08-04
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高压直流电源广泛应用于医用X射线机，工业静电除尘器等设备。传统的工频高压直流电源体积大、重量重、变换效率低、动态性能差，这些缺点限制了它的进一步应用。而高频高压直流电源克服了前者的缺点，已成为高压大功率电源的发展趋势。本文对应用在高输出电压大功率场合的开关电源进行研究，对主电路拓扑、控制策略、工艺结构等方面做出详细讨论，提出实现方案。 高压变压器由于匝比很大，呈现出较大的寄生参数，如漏感和分布电容，若直接应用在PWM变换器中，漏感的存在会产生较高的电压尖峰，损坏功率器件，分布电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换器的效率。本文选用具有电容型滤波器的LCC谐振变换器为主电路拓扑，它可以利用高压变压器中漏感和分布电容作为谐振元件，减少了元件的数量，从而减小了变换器的体积。 LCC谐振变换器采用变频控制策略，可以工作在电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)，本文对这两种工作模式进行详细讨论。针对CCM下的LCC谐振变换器，本文分析其工作原理，用基波近似法推导出变换器的稳态模型，给出一种详尽的设计方法，可以保证所有开关管在全负载范围内实现零电压开关，减小电流应力和开关频率的变化范围，并进行仿真验证。基于该变换器，研制出输出电压为41kV，功率为23kW的高频高压电源，实验结果验证了分析与设计的正确性。 针对DCM下的LCC谐振变换器，本文分析其工作原理，该变换器可以实现零电流开关，有效地减小IGBT拖尾电流造成的关断损耗。论文通过电路状态方程推导出变换器的电压传输比特性，在此基础上对主电路参数进行设计，并进行仿真验证。基于该变换器，研制出输出电压为66kV，功率为72kW的高频高压电源，实验结果表明了方案的可行性。
上传时间： 2013-04-24
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在实际应用中，对永磁同步电机控制精度的要求越来越高。尤其是在机器人、航空航天、精密电子仪器等对电机性能要求较高的领域，系统的快速性、稳定性和鲁棒性能好坏成为决定永磁同步电机性能优劣的重要指标。传统电机系统通常采用PID控制，其本质上是一种线性控制，若被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化，会使得线性常参数的PID控制器无法保持设计时的性能指标；在确定PID参数的过程中，参数整定值是具有一定局域性的优化值，并不是全局最优值。实际电机系统具有非线性、参数时变及建模过程复杂等特点，因此常规PID控制难以从根本上解决动态品质与稳态精度的矛盾。永磁同步电机是典型的多变量、参数时变的非线性控制对象。先进控制方法(诸如智能控制、优化算法等)研究应用的发展与深入，为控制复杂的永磁同步电机系统开辟了崭新的途径。由于先进控制方法摆脱了对控制对象模型的依赖，能够在处理不精确性和不确定性问题中有可处理性、鲁棒性，因而将其引入永磁同步电机控制已成为一个必然的趋势。本文根据系统实现目标的不同，选取相应的先进控制方法，并与PID控制相结合，对永磁同步电机各方面性能进行有针对性的优化，最终使其控制精度得到显著的提高。为达到对永磁同步电机进行性能优化的研究目的，文中首先探讨了正弦波永磁同步电机和方波永磁同步电机的运行特点及控制机理，通过建立数学模型，对相应的控制系统进行了整体分析。针对永磁同步电机非线性、强耦合的特点，设计了矢量控制方式下的永磁同步电机闭环反馈控制系统。结合常规PID控制，将模糊控制、遗传算法、神经网络和人工免疫等多种先进控制方法应用于永磁同步电机调速系统、伺服系统和同步传动系统的控制器设计中，以满足不同控制系统对电机动、静态性能的要求以及对调速性能或跟随性能的侧重。实验结果表明，采用先进控制方法的永磁同步电机具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的鲁棒性能；与传统PID控制相比，系统的控制精度得到了明显提高。研究结果验证了先进控制方法应用于永磁同步电机性能优化的有效性和实用性。
上传时间： 2013-04-24
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在能源枯竭及环境污染问题日益严重的今天，光伏发电是未来可再生能源应用的一种重要方法。本文以光伏逆变技术为研究对象，对光伏系统最大功率点跟踪方法、光伏智能充电控制策略、光伏并网系统拓扑结构与控制方法、光伏并网与有源滤波统一控制方法等问题进行了深入研究。 在扰动观测法的基础上，提出了一种直接电流控制最大功率点跟踪方法，通过检测变换器输出电流进行最大功率点跟踪控制，简化控制算法，同时省去了扰动观测法中的电压和电流传感器，降低系统成本。 研究了一种实用的光伏系统蓄电池充电控制策略，将最大功率点跟踪与智能充电控制有机结合在一起，充分利用光伏电池的输出功率，缩短充电时间，提高充电效率；研究了一种全数字式逆变器，通过电压有效值外环和瞬时值内环的双闭环控制，既能保证系统输出电压的稳态精度，又能保证瞬变负载条件下的动态特性。研制了一套3kW光伏独立发电系统并进行了实验验证。 针对住宅型光伏并网逆变器体积小、性能价格比高的要求，研究了一种基于导抗变换器的并网逆变器拓扑结构，相比于传统电流型逆变器，本拓扑省去了笨重的电抗器，同时利用高频变压器进行能量传递和电气隔离，进一步降低了系统损耗和体积，降低系统成本。 经研究发现，由于导抗变换器的固有特性，采用传统的SPWM调制方法将导致并网逆变器输出平顶饱和的非正弦电流，造成对电网的谐波污染，提出了一种新型改进调制模式。该方法可以实现高功率因数、低谐波并网发电。根据上述理论分析，研制了一台3kW单相光伏并网逆变器，实验结果验证了理论分析的正确性。 研究了一种三相电流型并网逆变器拓扑结构及其控制方法，采用改进调制模式对其进行控制，在谐波抑制方面取得了满意的效果。提出的三相并网逆变方案，相比于传统三相并网逆变器，具有如下显著优点：系统中任意一相都是一个独立的子系统，不受其它相影响，即使在某一相或某两相损坏的情况下，剩余相也能正常运行，增加了系统的冗余性；在三相电网不平衡情况下，本方法也能提供稳定的三相电流，增加系统抗电网波动能力。初看起来本方案使用的导抗变换器和变压器有3套，但是每相承受的功率容量只有系统总功率的三分之一，这样可以选用较小容量的器件，有利于高频电感和变压器的制作和生产。提出了一种基于导抗变换器的三相电流型逆变器实现方案，利用导抗变换器将输入直流电压变换为高频正弦电流，经高频变压器隔离及电流等级变换后进行裂相调制，输出为三相正弦电流。该方法不仅省去了传统电流型逆变器直流侧电抗器，而且采用高频变换进行功率传输，减小了隔离变压器及输出滤波器的体积，有利于装置的小型化和降低成本。 针对光伏电池输出电压较低的问题，研究了一种单级式三相升压型并网逆变器，通过一级变换同时实现升压和DC/AC变换功能，并且提出了一种基于DSP芯片的控制策略，本方法仅用一个电压传感器就能替代原先的三个电压传感器：每个载波周期短路相只进行一次开关动作，同时任何时刻只有2个开关管导通，可有效降低系统的开关损耗和导通损耗；由于采用DSP控制，具有控制灵活、稳定性高、成本低、并网电能质量好，便于功率调节等优点。 提出了一种光伏并网与有源滤波兼用的统一控制策略，在同一套装置上既实现光伏并网发电，又实现谐波补偿，克服目前的光伏发电装置白天发电、夜间停机的不足，提高系统利用率。详细分析了无功电流和谐波电流的检测方法、光伏并网发电有功指令电流的生成方法及电流环控制器和电压环控制器的设计方法，并对光伏并网发电与有源滤波统一控制模式和单一有源滤波模式进行了讨论，仿真和实验结果验证了所提出的系统结构及控制策略的正确性和可行性。
上传时间： 2013-04-24
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随着现代科技的迅速发展，逆变电源的应用越来越广泛。同时，各行各业对逆变电源的性能也提出了更高的要求。好的逆变电源输出波形要求不但具有高的稳态性能，还应有快的动态响应。单一的控制策略很难同时满足这两方面的要求。因此，各种控制策略取长补短、相互渗透，构成复合控制器，是一种趋势所在。 本文讨论了当今各种比较流行的数字控制策略的优缺点，重点分析了无差拍控制和重复控制这两种控制策略的控制原理，并对其控制算法做了适当改进。无差拍控制动态性能极佳，但其稳态性能不理想，尤其是在带非线性负载时输出电压波形的总谐波畸变较大；而重复控制恰恰相反，它有着很好的稳态性能，但由于周期延迟环节的存在，控制指令不是立即输出，而是滞后一个参考周期才输出，使其动态性能较差。本文采用单相全桥拓扑结构为逆变器主电路，建立了它的连续状态空间模型和离散状态空间模型，分析了它的开环输出特性，并分别阐述了改进的无差拍控制器和重复控制器参数的设计方法。 文章提出将改进的无差拍控制和重复控制这两种控制策略相结合，组成复合控制策略。利用MATLAB建立了控制系统的仿真模型，仿真实验结果证明该复合控制策略能使逆变电源获得理想的稳态和动态性能。最后介绍了以高性能数字信号处理器TMS320F2812为控制核心的逆变电源控制系统的软硬件设计。
上传时间： 2013-07-31
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不间断电源(UPS)是一种能提供优质电源并保证电源供应连续的电力电子装置。它的应用范围广泛，在很多领域，UPS已经成了标准配置。采用数字信号处理器(DSP)实现UPS的数字化控制是当前许多UPS设计者关注的问题。DSP在UPS中的应用主要集中在两个方面：一是将各种先进的控制方法用于逆变实时数字控制；二是利用DSP实现更准确更迅速的锁相环控制。 本文分析了当前逆变控制的各种方案，针对逆变的扰动及谐波周期出现的特点，采用了重复控制来提高逆变输出的稳态特性。因为重复控制具有一个周期延迟控制的特点，本文也采用了PID控制来改善逆变控制的动态性能。本文分析了目前重复控制的常用方案，在建立UPS逆变滤波电路数学模型的基础上设计了新的重复控制和PID控制结合的方案。对重复控制与PID复合控制方案在MATLAB中作了仿真。仿真试验证明了控制方案的有效性。 在硬件方面，设计了在线式UPS系统中DSP的接口电路，其中包括DSP供电电路，蓄电池电压过低检测电路，市电及输出电压过零检测等电路。对DSP的资源进行了分配，充分利用了DSP的外设多和速度快的特点。 在软件方面，设计了各部分的程序，其中包括主程序，软件锁相及正弦参考信号生成程序，输出有效值控制程序以及各种相关的中断及保护程序。 本文结合实际，搭建了实验线路，给出了实验线路的原理及各部分的实验电路。该实验电路可对逆变控制过程和锁相环节进行控制实验。 本文将PID控制与重复控制相结合，对逆变器输出进行控制，验证了重复控制与PID复合控制的有效性。本文还对UPS的DSP数字化控制作了研究，这些都对UPS技术的进步有积极的作用。
上传时间： 2013-05-17
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逆变控制器的发展经历从分立元件的模拟电路到以专用微处理芯片（DSP/MCU）为核心的电路系统，并从数模混合电路过渡到纯数字控制的历程。但是，通用微处理芯片是为一般目的而设计，存在一定局限。为此，近几年来逆变器专用控制芯片（ASIC）实现技术的研究越来越受到关注，已成为逆变控制器发展的新方向之一。本文利用一个成熟的单相电压型PWM逆变器控制模型，围绕逆变器专用控制芯片ASIC的实现技术，依次对专用芯片的系统功能划分，硬件算法，全系统的硬件设计及优化，流水线操作和并行化，芯片运行稳定性等问题进行了初步研究。首先引述了单相电压型PWM逆变器连续时间和离散时间的数学模型，以及基于极点配置的单相电压型PWM逆变器电流内环电压外环双闭环控制系统的设计过程，同时给出了仿真结果，仿真表明此系统具有很好的动、静态性能，并且具有自动限流功能，提高了系统的可靠性。紧接着分析了FPGA器件的特征和结构。在给出本芯片应用目标的基础上，制定了FPGA目标器件的选择原则和芯片的技术规格，完成了器件选型及相关的开发环境和工具的选取。然后系统阐述了复杂FPGA设计的设计方法学，详细介绍了基于FPGA的ASIC设计流程，概要介绍了仅使用QuartusII的开发流程，以及Modelsim、SynplifyPro、QuartusII结合使用的开发流程。在此基础上，进行了芯片系统功能划分，针对：DDS标准正弦波发生器，电压电流双环控制算法单元，硬件PI算法单元，SPWM产生器，三角波发生器，死区控制器，数据流/控制流模块等逆变器控制硬件算法/控制单元，研究了它们的硬件算法，完成了模块化设计。分析了全数字锁相环的结构和模型，以此为基础，设计了一种应用于逆变器的，用比例积分方法替代传统锁相系统中的环路滤波，用相位累加器实现数控振荡器（DCO）功能的高精度二阶全数字锁相环（DPLL）。分析了“流水线操作”等设计优化问题，并针对逆变器控制系统中，控制系统算法呈多层结构，且层与层之间还有数据流联系，其执行顺序和数据流的走向较为复杂，不利于直接采用流水线技术进行设计的特点，提出一种全新的“分层多级流水线”设计技术，有效地解决了复杂控制系统的流水线优化设计问题。本文最后对芯片运行稳定性等问题进行了初步研究。指出了设计中的“竞争冒险”和饱受困扰之苦的“亚稳态”问题，分析了产生机理，并给出了常用的解决措施。
上传时间： 2013-05-28
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超声波电机(Ultrasonic motors，简称USM)是一种全新原理的直接驱动电机，它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁电机相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视，成为当前机电控制领域的一个研究热点。 本文主要以行波型超声波电机的驱动控制技术为研究对象，引入嵌入式系统理念，设计并制作了超声波电机的驱动控制系统，并对超声波电机的速度与定位控制做了深入的研究。本文主要研究内容及成果如下： 介绍了超声波电机的工作原理、特点及其应用前景，总结了国内外超声波电机驱动控制技术的发展历史和研究现状，以及今后我国超声波电机驱动控制技术的发展方向，明确了本文的研究内容。 结合嵌入式系统特点及其开发方法，详细介绍了超声波电机嵌入式驱动控制系统的硬件和软件设计过程，并总结了硬件、软件的调试过程。最后，对所设计系统性能进行了实验测试和数据分析。 采用DDS技术解决超声波电机所需要的高频驱动电源和数字控制的问题。本文设计的以ARM控制器为核心，频率、相位、幅值均可调的双通道信号发生器，具有频率和相位差控制精度高的特点。 本文介绍了速度与位置的常用控制策略。设计并搭建了基于增量式PID的速度和基于模糊PID的位置控制系统。速度控制采用增量式PID调节，其控制策略简单、易行，通过实验选择合适的参数能适应一般的控制精度要求。定位控制则采用模糊PID控制策略，该策略将模糊控制不需要精确的数学模型、收敛速度快的特点与PID简单易行、能消除稳态误差的优点相结合，改善了模糊控制器稳态性能，使电机定位控制精度达到0.0880。
上传时间： 2013-07-16
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