本课题来源于重点航空研究项目——某型飞机电动舵机用双余度隔槽嵌放式稀土永磁直流无刷电机的研制,进行双余度无刷直流电机的控制技术及性能研究具有理论意义、工程意义和显著的社会效益和经济效益.论文介绍以AT89C51单片机与SG3525脉宽调制控制器为核心的双余度稀土永磁无刷直流电机试验器的系统硬件结构,并对PWM调速控制、功率驱动输出及GAL逻辑综合等电路进行分析,提出并设计了电流截止负反馈电路实现电机堵转和起动时的电流限制功能.在控制器软件需求分析的基础上,介绍了基于KeilC51的RTXTiny实时多任务操作系统的软件工程化技术.按照控制设计、编程、测试、试验等规范,建立了完整的文档,提高软件的易读性、易理解性,以达到软件的高可靠性和强壮性.无刷直流电机是典型的强电与弱电相结合的系统,并且飞机系统的电磁环境复杂,本文对系统的干扰源、传播途径等问题进行了研究,并提出相应的软、硬抗干扰措施使系统性能达到总体设计要求.
上传时间: 2013-07-21
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本文在参考了国内外已有多自由度球电机的基础上,提出了正交圆柱结构的两自由度电机,它是独立设计的一种创新结构.此电机可分解为两个独立的两相混合式步进电机:分别为内层小电机(外转子两相混合式步进电机)和外层大电机(扇形结构的两相混合式步进电机).本文以两自由度电机为对象,采用"齿层比磁导法",对电机的矩角特性进行计算和分析,用得到的矩角特性与设计要求相比较,从而为优化尺寸设计提供参考.
上传时间: 2013-07-19
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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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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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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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在目前全球能源危机和温室效应越来越严重的情况下,电动车(Electric Vehicle)以其无污染、低噪声、效率高,便于操作等优点,越来越受到人们的青睐。本课题与华中科技大学辜承林教授联合,为苏州益高电动车辆制造有限公司设计旅游车无刷电机驱动系统。课题结合现代CPU技术、数字技术和电力电子技术,设计了一款以无位置传感器无刷直流电机为动力的大功率汽车轮毂驱动控制器。 本课题采用辜老师设计的“横向磁通无刷直流电动机”为控制对象。本文首先分析了无刷直流电机的数学模型和无位置传感器的反电势过零点检测的基本原理,从整体上对控制系统的各个方面进行了讨论并确定了整体设计方案。在课题中,本人采用DSP 2407A作为控制核心,以功率MOS管为逆变器件,研制出系统硬件,用C语言编制了系统软件。鉴于该课题在大电流等级的无刷直流电机应用中,国内外尚无先例,本项目在开发实验中,对无位置传感器无刷电机的起动和反电势过零检测作了大量的研究工作,取得许多有益的科研实践经验。通过对电机的起动过程和位置检测方法进行的一些有效改进措施,使得电机达到较好的运行性能和操控特性。 实验结果表明本项目设计方案有效可行,研制的无位置传感器无刷直流电机控制器达到设计的预期基本性能指标。
上传时间: 2013-04-24
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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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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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目前,油田的开采都是通过抽油机抽取地下的石油,因此国内油田对抽油机的需求量非常大。然而,据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,其中抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。驱动电动机是抽油机消耗电能的主要设备,年耗电量超过百亿KWh。所以对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造,最大限度地挖掘抽油机的节电潜力,可带来相当可观的经济效益。 采用超高转差电机作为抽油机的驱动电机,是现有改进抽油机系统的主要措施之一。这种电动机的特点是转子电阻较大,起动转矩得到有效提高,安装容量得以降低;机械特性软,遇到换相冲击载荷时,转速下降,靠曲柄惯性作用,减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓,峰值扭矩明显降低,从而改善了机、杆、泵的配合,提高了泵的充满系数,增加产液量,达到系统节能的目的。此外,抽油机的工作过程中,驱动电机有时会处于发电状态,对供电网的电能质量造成很大危害。超高转差率电机能够有效避免发电状态的出现,从而减小对供电网的冲击,保证供电质量。 本课题以抽油机节能改造中驱动电机节能为出发点,从超高转差率电动机的机械特性、起动转矩等方面,对该类型电动机驱动抽油机的优势进行了理论分析。此外,本文还从能量平衡的角度,以抽油机中的动能平衡理论为基础分析了电机转差率对抽油机节能的影响。 最后,本文结合抽油机运动分析和抽油机曲柄运动曲线,以抽油机载荷系数为目标函数,编写了优化计算程序,从而实现了对适合某一井况下抽油机的驱动电机的最优转差率的定量计算,并以此作为设计或者选配超高转差率电动机的依据。
上传时间: 2013-07-07
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在伺服系统中,为了实现高精度的控制,往往需要实时地检测出电动机转子的位置。用来检测电动机转子位置的角度传感器主要有光电编码器和旋转变压器。光电编码器虽然能够达到很高的精度,但是它的抗干扰性差,不宜应用在条件恶劣的场合中;相比较而言,旋转变压器(简称旋变)由于结构简单,坚固耐用,抗干扰性强,能够应用在各种条件恶劣的场合中,所以获得了越来越广泛的应用。 本文采用的旋变样机是一种新型的磁阻式旋转变压器。分析了它的定转子结构、定子绕组的连接方式以及转子形状的优化;并在此基础上,推导出了它的正余弦输出反电势的表达式;最后在电磁场分析软件Ansoft中,以样机为原型建立了仿真模型,分析了它内部的电磁场分布以及正余弦输出反电势的波形。 其次,本文设计了一种以DSP为核心的R2D电路系统。它以振荡电路产生的正弦波电压信号作为旋变的激励信号,加上相关的外围电路,构成了旋转变压器一数字转换器,解算出了旋变的轴角θ;并在此基础上,分析了产生角度解算误差的各种因素,同时计算出了旋变的转速n。 最后,在上述解算方案的基础上,本文又给出了第二种解算方案,即:DSP产生的方波经过滤波之后作为旋变的激励信号,解算出了旋变的轴角θ;然后比较了这两种解算方案的优缺点,重点分析了激励信号中的谐波分量对正余弦输出反电势以及角度解算的影响。
上传时间: 2013-04-24
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