微机电系统（MEMS）器件的构成涉及微电子、微机械、微动力、微热力、微流体学、材料、物理、化学、生物等多个领域，形成了多能量域并交叉耦合。为其产品的建模、仿真以及优化设计带来了较大的难度。由于静电驱动的原理简单使其成为MEMS器件中机械动作的主要来源。而梳齿结构在MEMS器件中有广泛的应用：微谐振器、微机械加速度计、微机械陀螺仪、微镜、微镊、微泵等。所以做为MEMS的重要驱动方式和结构形式，静电驱动梳齿结构MEMS器件的耦合场仿真分析以及优化设计对MEMS的开发具有很重要的意义。本课题的研究对静电驱动梳齿结构MEMS器件的设计具有较大的理论研究意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1、采用降阶宏建模技术快速求解静电梳齿驱动器静电－结构耦合问题，降阶建模被用于表示微谐振器的静态动态特性。论文采用降阶建模方法详细分析了静电梳齿驱动器的各参数对所产生静电力以及驱动位移的关系；并对静电梳齿驱动器梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟，深入讨论了边缘效应的影响；还对微谐振器动态特性的各个模态进行仿真分析，并计算分析了前六阶模态的频率和谐振幅值。仿真结果表明降阶建模方法能够快速、准确地实现多耦合域的求解。 2、从系统角度出发考虑了各个子系统对叉指式微机械陀螺仪特性的影响，系统详细地分析了与叉指状微机械陀螺仪性能指标－灵敏度密切相关的结构特性、电子电路、加工工艺和空气阻尼，并在此分析的基础上建立了陀螺的统一多学科优化模型并对其进行多学科优化设计。将遗传算法和差分进化算法的全局寻优与陀螺仪系统级优化相结合，证实了遗传算法和差分进化算法在MEMS系统级优化中的可行性，并比较遗传算法和差分进化算法的优化结果，差分进化算法的优化结果较大地改善了器件的性能。 3、从系统角度出发考虑了各个子系统对梳齿式微加速度计特性的影响，在对梳齿式微加速度计各个学科的设计要素进行分析的基础上，对各个子系统分别建立相对独立的优化模型，采用差分进化算法和多目标遗传算法对其进行优化设计。证实了差分进化算法和多目标遗传算法对多个子系统耦合的系统级优化的可行性，并比较了将多目标转换为单目标进行优化和采用多目标进行优化的区别和结果，优化结果使器件的性能得到了改善。
上传时间： 2013-05-15
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由于电动助力转向（EPS）系统具有高性能、高效率、低成本、节能环保等优点，随着汽车电子技术的发展，电动助力转向技术逐渐取代传统的液压助力转向（HPS），成为转向助力技术的主流。 @@ 本文在详细了解EPS系统性能要求和工作原理的基础上，对各种已有的EPS助力电机进行了总结和比较。对比结果表明，无刷直流电机（BLDC）凭借其显著的优点，成为EPS助力电机的较优选择。 @@ 无刷直流电机作为一种由电动机本体和驱动器组成的机电一体化产品，与传统的直流电机一样，具有良好的起动和调速性能，并且由于用电子换向取代了机械换向，不存在传统直流电机的换向火花和机械噪声，在许多性能要求比较高的场合已得到普遍应用。随着电力电子技术、计算机技术的发展，其应用范围还在进一步扩展。然而，BLDC电机作为EPS系统的助力电机也并非全无缺点。永磁电机中固有的齿槽转矩的存在，以及由于采用120°换向工作模式造成的转矩波动，都会严重影响EPS系统的操控性能。 @@ 本课题针对无刷直流电机在汽车电动助力转向系统中的应用，根据EPS系统对助力电机的要求，设计了一台转向助力用永磁无刷直流电动机，并使用有限元方法对电机性能进行了分析。为了反映参数变化对电机性能的影响，从而为电机的设计提供指导，我们还用场路耦合的解析算法对电机性能进行了分析。在分析结果的基础上，对永磁电机中的齿槽转矩进行了研究，并针对样机提出了齿槽转矩的削弱方法，然后使用三维有限元的方式对所提出的方法进行了仿真验证。 @@ 根据EPS系统的工作原理，探讨了助力电机的控制策略，并设计了带传感器的无刷直流电机的控制系统。分别完成控制系统硬件和软件的设计，并进行了相关实验，结果表明基本达到了设计的目标。 @@关键词：EPS、无刷直流电机、电机设计与优化、有限元、控制器设计
上传时间： 2013-07-29
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同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能，在大功率电气传动领域独占螯头。同步电机虽然有很多优点，但它的最大缺点是起动困难。目前，大功率同步电机的软起动大多采用静止变频器起动方式，但由于变频器多采用晶闸管作为功率器件从而要依靠电动机产生的反电势才能自行关断并且辅助设备较多。而一旦逆变器换流失败就会导致电动机起动失败。针对晶闸管不能自行关断的缺点，本文研究了一种以IGBT做为变频器功率器件的转速开环恒压频比控制的起动方法。 @@ 首先，根据同步电动机的工作原理对同步电动机的起动特性进行了详细分析，并对全压异步起动方法进行了仿真研究，得出了起动过程中电动机相电流、电磁转矩等参数的变化曲线。针对异步起动过程中定子绕组产生过大冲击电流的问题，提出了逐级变频的转速开环恒压频比控制同步电动机软起动方法。阐述了逐级变频开环控制同步电动机软起动的原理，即通过逐级改变变频器输出频率使转子转速跟随定子旋转磁场转速逐级升高至额定值。推导出起动过程中变频器逐级变化的频率与电动机转动惯量、电磁转矩等参数的关系式。通过对一台同步电动机做工频起动和低频起动的仿真研究，证明了同步电动机在低频下依靠同步电磁转矩自行起动的可行性。通过计算转子转速达到相应同步转速的时间来确定变频器逐级升高的电压频率随时间的变化规律。然后，在采用电压型交直交变频器作为同步电机变频电源的基础上，设计了恒压频比逐级变频软起动的控制方案，利用MATLAB/SIMULINK构建了转速开环恒压频比控制同步电动机软起动的数学模型，对同步电动机的起动过程进行仿真试验，并且分别对空载起动和负载起动过程进行了分析。仿真结果验证了转速开环控制同步电动机软起动的可行性。 @@ 针对同步电动机起动后的并网问题进行了理论分析，并研究了相应的并网控制方案。应用MATLAB/SIMULINK对并网过程进行仿真试验，给出并网瞬间电网电压、同步电机相电流等参数变化曲线，从而验证了并网方案的可行性。 @@ 最后，对所做工作进行了总结，并展望了大功率同步电动机的软起动技术。 @@关键词：同步电动机；软起动；变频器；恒压频比
上传时间： 2013-05-26
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本文介绍了埋弧焊的特点、发展过程、国内外的研究现状；分析了软开关逆变式主回路的优点、模拟电路控制系统和数字化控制系统的优缺点，指出数字化控制是逆变埋弧焊机控制的发展方向；对埋弧焊接工作原理和埋弧焊机控制系统进行分析，介绍了交流方波埋弧焊的优点；论述了变动送丝电弧控制系统的原理及影响因素，并且分析了变动送丝情况下焊接电弧的稳定性，为逆变式交流方波埋弧焊系统的设计提供了理论依据。 在分析传统交流方波埋弧焊主回路的基础上设计了主回路结构，对主回路中一次、二次逆变回路的软开关工作方式进行分析并做了简单仿真。IGBT是逆变电源的核心部件，文中论述了IGBT功率器件的选型和各种保护措施以保证系统的可靠工作。焊机工作发热量很大，本文介绍了整机和关键器件的热设计。 数字化控制方式是逆变埋弧焊机控制的发展方向，本文采用“MCU+DSP”的控制结构，对埋弧焊的整个焊接过程进行精确控制。文中详细介绍了主控制板的设计思路和电源、电流与电压反馈、控制芯片最小系统、通信与保护工作电路。焊机的工作中，各种干扰不可避免，对各种可能干扰分析的基础上在硬件电路设计和PCB板的制作中采取了相应的抗干扰措施。软件设计是焊接稳定进行的关键因素，文中介绍了控制系统中关键步骤的软件设计思路和流程并在软件的实现中采用抗干扰措施。 最后，对采用本控制系统的埋弧焊机进行初步实验，结果表明本文所设计的埋弧焊机控制系统能够满足逆变埋弧自动焊的要求，具有电路简单，控制精度高，抗干扰能力强、操作方便、工作稳定可靠等优点，提高了焊机的综合性能及自动化程度。 本课题所设计的逆变式交流方波埋弧焊电源具有良好的输出特性和控制性能，可满足埋弧自动焊和手工焊的要求。采用交流方波的焊接波形、对焊接整个过程进行实时软件控制，电弧稳定，焊接效果好。 关键词：埋弧焊；交流方波；逆变；软开关
上传时间： 2013-06-08
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本文简要介绍了无刷直流电动机的发展历程和未来的发展趋势。通过分析无刷直流电动机工作的基本原理和无刷直流电动机的数学模型，建立了基于Simulink的动态仿真模型。通过对无位置传感器无刷直流电动机转子位置检测算法的分析和磁链与转子位置的相应关系的分析，本文使用磁链关系函数判断转子位置的算法，并基于Simulink建立了算法模型进行仿真分析验证，从仿真得到的结果可知，此位置检测算法是可行的。 @@ 在文中进行了转矩脉动原因分析，并对换相转矩脉动进行补偿。在低速时采用电流滞环进行补偿，高速时采用单斩波调制方式进行补偿。通过对三段式启动方法的分析和结合本文所采用的转子位置检测算法，本文采用两步启动方式，通过仿真分析证明是可行的。分析了经典PID调节算法和专家PID调节算法。对传统PID控制中出现的问题，本文把变参数PID调节算法应用到无位置传感器无刷直流电动机控制上。并建立了仿真模型，进行仿真分析。从仿真分析的结果可知其控制性能优于传统的PID调节算法。 @@ 文中介绍了TMS320LF2407A芯片和IR2130功率集成驱动器的结构和特点。在系统硬件设计中以TMS320LF2407A芯片为核心，设计了控制系统电路、功率驱动电路、电流电压检测电路、功率管过电压保护电路、启动限流电路、转速调节电路。 @@ 在系统软件设计中，主要实现了电机的起停、转子位置计算、转速计算和转速闭环控制的功能。用DSP实现脉冲调制输出和信号采样。 @@关键词：无位置传感器；无刷直流电动机；间接位置检测；磁链关系函数
上传时间： 2013-04-24
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传统开环运行的三相混合式步进电动机驱动系统中存在着振荡和失步等不足之处。本文针对这种情况，通过对理想化三相混合式步进电动机数学模型的分析，把三相混合式步进电动机视为一种低速同步电动机。同时，结合电流跟踪型PWM控制方式及恒流斩波驱动的工作原理，设计了基于数字信号处理器TMS320F2812的全数字三相混合式步进电动机正弦波细分驱动系统。 首先，本文从三相混合式步进电动机的数学模型出发，对步进电动机的细分驱动方式进行了研究，分析了步进电动机连续均匀旋转的工作机理。然后分析了步进电动机的运行特性及细分控制的必要性，进而分析了细分驱动对改善步进电动机运行性能的作用，并针对细分运行的一些不足之处，提出了均匀细分恒转矩控制的方案。理论分析表明，在混合式步进电动机的三相定子绕组中通以互差120°的正弦波电流时，可得到类似同步机的转矩特性，使电动机均匀旋转。 本系统硬件电路以TMS320F2812为核心，采用正弦波细分和电流跟踪型脉宽调制（PWM）技术实现三相混合式步进电动机的细分控制，使三相定子绕组电流严格跟踪电流给定信号变化。应用IR公司的IR2130集成驱动芯片进行了步进电动机驱动系统的功率驱动环节的设计，节省了板上空间，减小了装置体积。同时从装置可靠性出发，设计了一套安全可靠的硬件保护电路。 实验结果表明，本文所设计的三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器具有优良的控制性能。细分运行时减弱了混合式步进电动机的低速振动和噪声，使电动机运行平稳，并改善了其低频运行性能。
上传时间： 2013-06-27
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随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置正在向着高频化、大容量、小体积的方向发展，其电磁环境也变得更为复杂，随之带来的辐射电磁干扰也日益严重。在电力电子装置设计初期开展电磁兼容数值仿真和预测对解决复杂的电磁干扰问题意义重大。 本文介绍了国内外电力电子装置电磁兼容的研究现状。针对电力电子装置电磁兼容的复杂性，讨论了使用仿真软件进行电力电子装置电磁兼容分析的策略，主要面向电源印制电路板(PCB)、控制箱和变流器机柜全波电磁仿真的具体应用进行了研究。 首先对PCB电源板进行电磁兼容预测。采用软件Protel99SE和CST微波工作室(R)(CST MICROWAVE STUDIO(R)，简称CST MWS(R))相结合进行分析，得到．PCB板的表面电流和电场分布图。根据分布图，分析电源板的辐射特性，提出提高PCB电磁兼容性的优化设计的设想，在PCB设计过程中加入对PCB电磁兼容性分析的场仿真，使PCB的电磁兼容分析有一个直观的参照物，有助于指导PCB的布局布线，对PCB优化设计，提高产品性能有重要作用。根据仿真结果将PCB电源板近似等效成电偶极子模型。 其次应用CST MICROSTRIPESTM软件计算控制箱的屏蔽效能，并在控制箱插入PCB电源板后进行辐射特性分析。 最后应用全波电磁仿真软件CST MWS(R)对变流器机柜进行电磁辐射干扰瞬态仿真，分析过程中考虑到了IGBT的开关尖峰、线缆和易产生干扰的电子元器件以及整个机箱机柜。运用线性网络理论对仿真结果进行标定，由此提出改进措施—采用unit cell和微扰理论设计屏蔽网，有效地抑制了电磁辐射。
上传时间： 2013-04-24
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应用于电动汽车驱动领域的永磁同步电机交流驱动系统是由永磁同步电机、电力电子技术和控制技术相结合而形成的新型交流驱动系统。因其具有良好的运行性能而成为当代电气传动领域研究的热点之一。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高强耦合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，需要进行磁场解耦。矢量变换控制技术正好适用于永磁同步电机的这种特点。 本文在数字电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407的基础上，以永磁同步电机为研究对象，对其矢量控制技术进行了研究和设计。 首先课题根据永磁同步电机实际物理模型，分析推导得到了永磁同步电机的三相静止坐标系下及两相旋转坐标系下的数学模型。 接着课题对永磁同步电机运行特性进行了分析和研究。在此基础上，课题提出了一种新型的永磁同步电机矢量控制系统，在这个系统上，课题提出了应用不同矢量控制策略的矢量控制方法，并对其做了仿真验证。 结果表明，课题设计的系统以及应用不同矢量控制策略的矢量控制方法准确可行。 这个控制系统便于实现多种矢量控制方法，为永磁同步电机扩速增效提供了理论平台。 在理论分析、仿真通过基础上，课题对驱动系统的硬件和软件两个方面进行了具体的设计。 课题完成了DSP控制系统关键硬件电路的设计，并设计制作了一块应用SCALE模块的IGBT驱动电路，此驱动电路响应迅速、抗干扰性强，驱动性能优越。此外，课题完成了永磁同步电机矢量控制系统全数字化设计，调试通过了速度位置检测、电流检测、PI调节、坐标变换等应用模块。 课题最后对整个系统的做了全面的总结，并对今后的工作方向进行了展望。
上传时间： 2013-06-22
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变频器在各行各业中的各种设备上迅速普及应用，已成为当今节电、改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量以及推动技术进步的主要手段之一，是国民经济和生活中普遍需要的新技术。但是现有变频器的调制算法尚存在一些缺点，如开关损耗大和共模电流大等，因此有必要研究和设计高性能调制算法的变频控制器。鉴于此，开展了以下工业变频器高性能调制算法为对象的研究内容： 在阐述了工业变频器系统的结构、调制算法、调速算法的基础上，结合数学模型，分析了共模电压产生的原理、共模电流其影响和危害，给出了共模电压和共模电流的关系。总结其他的抑制共模电压的方案基础上，提出一种新的共模电压抑制SVPWM；还阐述了死区产生的原因及其影响，以及死区补偿的原理并将上述两个调制算法利用MATLAB/SIMULINK软件对该系统给予了全面的仿真分析。 变频器硬件部分设计包括整流滤波电路、逆变器功率电路、上电保护电路、DSP控制系统及其外围电路、IGBT驱动及保护电路以及反激式开关电源，对于传感器检测滤波电路的具体电路参数设计，是在PSPICE上仿真基础上得出。并在考虑成本、EMC、效率等因素后考虑完成了所有硬件相关的原理图绘制和PCB绘制； 变频器软件部分设计包括主程序、键盘扫描程序、系统状态处理程序、PWM发送中断程序、电机启动函数、电压调整程序、AD采样中断程序以及故障保护中断程序。在实现一般SVPWM的基础上，根据之前理论和仿真得到的共模电压抑制SVPWM、以及死区补偿算法，将这两个对SVPWM进行改进的调制算法在硬件平台上实现。 在硬件电路完成设计的各个阶段，逐渐编制相应的控制程序，并进行调试，并完成整个程序的编制和调试。此外，还调试了系统所需的反激式开关电源。整个系统调试中遇到了很多问题，如键盘消除抖动问题、共模电压抑制SVPWM出现的直通现象等。最终完成了工业变频器样机，并且采用的是文章中研究的调制算法，效果良好，达到设计的目的； 提出了一种将有源功率因数校正(PFC)技术引用到串级调速中来提高定子侧功率因数的新方法。通过建立电动机折算到转子侧的等值电路，重点分析了有源PFC技术代替传统串级调速系统中的不控整流桥后，系统可以等效为转子串电阻调速。得到了等效串电阻的计算公式和变化趋势，对电动机功率因数、电磁转矩脉动也进行了分析，发现能够比传统串级调速时有所提升。鉴于电动机转子侧电势频率非常低，分析了有源PFC的具体实现的特殊考虑和参数选取方法，并基于对称平衡的Scott变压器和两个单相有源PFC电路实现了绕线电动机转子侧的三相有源低频PFC，得到超低纹波的直流输出电压。利用MATLAB建立了完整的仿真平台，所得结果验证了理论分析的正确性。
上传时间： 2013-07-09
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随着电力电子技术的发展，开关电源的小型化、高频化成为趋势，其中各个部分工作时的电磁干扰问题也越来越严重，因此开关电源的电磁兼容性也越来越引起人们的重视。目前，软开关技术因其能减少开关损耗和提高效率，在开关电源中应用越来越广泛。本文的主要目的是针对开关电源中的电磁干扰进行分析，研究软开关技术对电磁干扰的影响，并且提出一种抑制共模干扰的滤波方法。 本文首先介绍了电磁兼容的定义、开关电源EMI的特点，论述了开关电源中EMI的研究现状。从电磁干扰的三要素出发，介绍了开关电源中电磁干扰的干扰源和干扰的耦合通路。分析了电感、电容、高频变压器等器件的高频特性，并介绍了线性阻抗稳定系统(LISN)的定义和作用。在了解了软开关基本概念的基础上，本文以全桥变换器为对象，介绍了移相全桥ZVS的工作原理，分析了它在实现过程中对共模干扰的影响，并在考虑IGBT寄生电容的情况下，对其共模干扰通道进行了分析。然后以UC3875为核心，设计了移相全桥ZVS的控制电路和主电路，实现了软开关。为了对共模干扰进行抑制，本文提出了一种新型的有源和无源相结合的EMI滤波器，即无源部分采用匹配网络法，将阻抗失配的影响降到最低；有源部分采用前馈控制，对共模电流进行补偿。 针对以上提出的问题，本文通过Saber软件对移相全桥ZVS进行了仿真，并和硬开关条件下的传导干扰进行了比较，得出了在高频段，ZVS的共模干扰小于硬开关，在较低频段改善不大，甚至更加严重，而差模干扰有较大衰减的结论。通过对混合滤波器进行仿真，取得了良好的滤波效果，和传统的无源EMI滤波器相比，在体积和重量上都有一定优势。
上传时间： 2013-05-28
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