电机优化设计是复杂的有约束、非线性、混合离散多变量规划问题.该文在对电机优化设计理论进行研究的基础上,从一般传统的优化方法入手,对电机的全局优化设计方法特别是遗传算法进行了详细的研究和探讨.该论文的主要工作包括:(1)对适应于电机优化设计的常用传统优化方法(HOOKE-JEEVES法、MDOD法和SUMT法)进行了较为详细的研究,给出了各种方法的计算流程和步骤;(2)对全局优化的理论和方法进行了研究,分析了全局优化方法中的随机实验法、模拟退火算法和模拟进化算法各自的特点,对遗传算法的工作原理及其诸要素进行了详细的探讨;(3)在对遗传算法的基本原理进行研究的基础上,进行了电机优化设计遗传算法的研究,分析了各要素对电机优化设计遗传算法性能的影响;(4)建立了三相异步电机多目标优化设计的数学模型,分别编制了基于HOOKE-JEEVES法、MDOD法和多轮进化遗传算法的电机优化设计程序,并对使用各种优化方法优化的结果进行了对比分析.
上传时间： 2013-04-24
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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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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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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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在传统的直线驱动场合，都是由旋转电机提供原动力，再由丝杠、丝杆、齿条等中间机构转换为直线运动。这样的设置，不仅在中间传动过程中消耗了大量的能量，而且摩擦产生的噪声也非常明显，同时也给系统的维护工作带来了麻烦。 直线电机的出现可以使上述问题得到解决，由于具备直接将电能转化为直线运动的能力，直线电机已经在机床驱动、集成电路组装等场合逐渐取代了传统的旋转电机的位置。 自19世纪中期直线电机的概念被首次提出以来，经过孕育、实验、开发和实用这四个阶段的发展，并借助于电力电子技术，以及日渐成熟的直线电机控制技术，直线电机已经广泛应用到了制造业、交通运输业等各个方面。 与旋转电机类似，按工作原理的不同，直线电机也有着各种类型，应用较多的是直线步进电机、直线同步电机和直线感应电机。其中直线步进电机更多的是应用在需要精确定位的场合，比如半导体工业；后两者则被应用在需要连续和大推力的场合，比如机床。而直线同步电机，尤其是永磁直线同步电机，凭借更大的单位面积推力、更高的效率等优点受到了更多的青睐，与此同时，由于没有了励磁绕组，电机的整个结构也得以简化。另一方面，我国丰富的稀土资源也为这种电机的发展提供了广泛空间。 作为一种较为新颖的电机，目前国内仍缺乏系统化的永磁直线同步电机设计方案，尤其是电枢绕组部分。常用的方法仍是基于传统的旋转电机，例如使用双层叠绕组方案。通过对实际电机的软件模拟，我们发现这样的设计思路的表现并不能令人满意，比如造成了动子线圈槽满率过大，电机设计难以形成系列化等缺点，而电机本身输出推力的波动也较大。 针对传统方案的一系列缺点，本文提出了一种新的永磁直线同步电机设计方案。该方案基于“单元电机”的概念，使用单层同心式线圈。当目标推力要求变化时，只需改变“单元电机”的数目和排列组合的方式，就可以达到改变的目的。而每个单元中的绕组连接方式则不需要改变，由此避免了繁琐而复杂的绕组设计，这就给电机的系列化设计带来了便捷。同时，单层绕组的使用也更方便嵌线，也更有利于降低铜耗，提高效率。 在完成单元电机设计任务的基础上，本文利用加拿大Infolytica公司出品的电磁场有限元分析软件MagNet对电机的运行进行了模拟，并得到了电机的额定输出推力曲线和反电动势曲线，输出推力曲线较之传统方案也更平稳。体现了该设计方案的优越性。
上传时间： 2013-06-29
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低压电器电弧运动过程三维成像理论及运动机理研究在国内外取得了一定的进展，但作为一种新型电弧研究方法，特别是对电弧运动可视化方面的研究尚处于起步阶段，其技术涉及到电器学、数值计算、图像处理、计算机科学等众多学科领域，加之电弧复杂的非线性特性及其瞬时特性，导致测量研究的困难，在电弧机理、性能分析和模型设计等方面都还不够成熟、完善。所以，在电弧模型理论研究、电器电磁机构的三维有限元分析、电器的计算机辅助设计、电弧动态特性研究等方面，存在大量的工作要做。对这些问题的深入研究，可以更好地认识电器触头在整个运动过程中极其复杂的电、热、磁、机械等一系列现象。 为了从不同角度观察分析电弧在灭弧室中的动态运动过程，本文在研究开关电器电弧图像增强及运动过程三维可视化的基础上，分析电弧形成机理、电弧特性和运动形态的基本理论，进一步考虑其模型特性和电弧等离子体磁压缩效应，建立其运动数学模型。电弧图像需要的处理主要有：图像数字化、图像平滑、图像分割、图像边缘检测、图像增强。本文提出一种基于小波变换的图像增强和直方图的图像增强算法，在保留电弧弧柱强特征的同时，突出显示电器动触头图像特征使增强后的电弧图像适合人类的视觉特征，为电弧动态过程分析和电弧可视化模型的构建提供有效的分析基础，并取得良好的电弧图像增强效果。本文构造了基于比色测温原理的电弧辐射拾取、图像采集、同步控制、数据处理等硬件装置，对试验采集装置进行了标定；将医学上成功应用的计算机层析成像理论，应用于对电弧进行三维温度场重建的研究，构造可单面阵CCD采集三组六路投影辐射强度的实验装置，通过对触头边缘检测的手段精确定位于不同光路中电弧的位置，对辐射拾取光路进行校准，编制了系统软件，实现电弧三维温度场的重建。研究数学模拟计算方法，提出了适合低压电器电弧数学模型计算的方法。用计算机求解获得以前依靠实验才能获得的开断波形及运动过程，将理论分析、试验研究和计算机仿真有机结合起来，使产品设计更加科学和准确，可以大大减少设计周期，减少试验的盲目性和费用，有利于提高电器产品的技术性能，对于新产品开发，优化灭弧室设计及模拟实验，具有十分重要的意义。
上传时间： 2013-04-24
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作为一个自然不稳定系统，倒立摆一直被用作实时控制系统实验的控制设备。通过对它的研究不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论涉及的三个主要基础学科：力学、数学和电学(包含计算机)进行有机的综合应用。此外，在近代机械控制系统中，如航空航天上直升飞机、火箭发射、卫星发射及生活中的做体操、花样滑冰、单轮骑车等等，都存在类似于倒立摆的稳定控制问题。因此实现倒立摆系统稳定控制的研究对实际工程和现实生活有非常重要的意义。 本论文的主要目标是设计和建造一个基于数字信号处理器(DSP)的计算机控制系统来控制倒立摆的平衡。论文中用到的控制理论主要是线性控制理论和反馈控制理论。 本文首先对倒立摆的背景和研究现状作了总体介绍，简要的阐述了常见的控制算法。随后详细介绍了利用牛顿第二定律及相关的动力学原理建立一级和二级倒立摆的数学模型，并用MAILAB对倒立摆的运动特性进行了仿真。然后研究倒立摆系统的各种控制策略，比较了各种控制方法的效果。 本论文还设计了基于DSP的计算机控制系统。详细介绍了DSP硬件电路设计和外围电路设计，用C和汇编语言编写了系统的控制程序。 最后，对本论文进行了总结，对下一步要进行的工作提出了自己的设想。 整个论文的完成以一定的理论为基础，既有数学模型的分析与推导，方法理论的探讨，又有实际控制系统设计过程，而且研究对象相当典型。本文所完成的工作，既可以作为现代控制理论的教学实验，对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。
上传时间： 2013-04-24
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运动控制卡是数控系统的重要组成部分，是上位机与驱动执行部件的之间的一座桥梁。数控加工中的定位控制的精度、速度调节的性能等重要指标都与运动控制卡密切相关。目前，国内研制的运动控制卡与国外专业性公司研制的先进的开放式运动控制卡相比还有较大差距。因此，对于运动控制卡的研究与开发具有很大的现实意义。 本文对运动控制卡的各种实现方案作了深入的比较，对于运动控制卡的发展趋势进行了探讨。在分析数控系统对于运动控制卡需求的基础上，提出了一种基于DSP的PCI总线运动控制卡的实现方案。该方案具有通用性好、软件易于修改升级、调试方便等特点。 文中对这一方案的具体实现做了详细的分析，给出了系统的整体结构设计，软硬件组成情况。详尽阐述了运动控制电路、总线接口电路、驱动器接口电路等硬件电路的设计过程，以及运动控制卡的制作过程。论述了DSP上的程序结构，并具体分析了插补算法、速度控制算法等在DSP上的实现方法。对PC机上的运动控制卡的驱动程序的模型以及编写方法做了介绍。 通过对制成样板的调试表明，运动控制卡具有良好的性能。
上传时间： 2013-07-29
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本文首先从数控系统的组成与特点进行详细分析，然后对运动控制卡在整个系统中承担功能进行了分析。根据数字型号处理器件的快速运算能力和现场可编程门阵列器件的灵活、通用性提出了基于DSP器件和FPGA器件进行总体设计的规划。 本文重点详细阐述了四轴运动控制卡硬件电路的设计。通过对现有部分PC总线的介绍与比较，设计选择了PCI总线作为上位PC与运动控制卡的通信总线，并且选择PCI9052芯片来设计PCI接口模块；基于DSP器件的特点，设计选择了TMS320LF2407芯片为核心，进行运算控制单元的设计，同时对其主要内部资源进行了分配。最后，根据硬件的原理图，完成了具体电路板的制作。 对软件设计，文章主要对插补算法在DSP上的实现作了一些探讨。介绍了两种加速模式：梯形加速模式和s曲线加速模式。就逐点比较法直线和圆弧插补算法以及数字积分插补原理也进行了分析。最终，提出总体程序流程控制、速度控制算法、插补算法等的程序设计框架，并进行了具体程序设计。
上传时间： 2013-07-19
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近年来，基于DSP和FPGA的运动控制系统己成为新一代运动控制系统的主流。基于DSP和FPGA的运动控制系统不仅具有信息处理能力强，而且具有开放性、实时性、可靠性的特点，因此在机器人运动控制领域具有重要的应用价值。 论文从步行康复训练器的设计与制作出发，主要进行机器人的运动控制系统设计和研究。文章首先提出了多种运动控制系统的实现方案。根据它们的优缺点，选定以DSP和FPGA为核心进行运动控制系统平台的设计。 论文详细研究了以DSP和FPGA为核心实现运动控制系统的软、硬件设计，利用DSP实现运动控制系统总体结构与相关功能模块，利用FPGA实现运动控制系统地址译码电路、脉冲分配电路以及光电编码器信号处理电路，并对以上电路系统进行了功能仿真和时序仿真。 结果表明，基于DSP和FPGA为核心的运动控制系统不仅实现了设计功能要求，同时提高了机器人运动控制系统的开放性、实时性和可靠性，并大大减小了系统的体积与功耗。
上传时间： 2013-05-29
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