開關磁阻電機（SR電機）驅動系統（SRD）是一種先進的機電一體化裝置，但是其較大的振動噪聲和轉矩脈動問題制約了SRD的廣泛應用。本文以減小SR電機振動噪聲和轉矩脈動為主題展開理論分析和實驗研究。主要內容有：由于徑向力引起的定子徑向振動是SR電機噪聲的主要根源，因此徑向力的分析和計算是研究SR電機振動噪聲的基礎。本文利用磁通管法推導出徑向力的解析表達式，定性分析了徑向力與電機結構參數等之間的關系。根據虛位移原理，推導出基于矢量磁勢的電磁力計算公式。該計算方法求解電磁力時只需進行一次磁場計算，不但減小了計算量，同時計算精度較傳統虛位移法高。利用這一計算方法，求出了實驗樣機的轉矩及徑向力的精確數值解。針對在SRD性能仿真時，傳統的非線性插值不但耗時，而且對有限元計算數據量要求高的問題，本文利用人工神經網絡強大的非線性模型辨識能力，成功進行了SR電機磁鏈反演和轉矩計算的模型訓練，最后建立了基于人工神經網絡的SR電機精確解析數學模型。因為SR電機本體結構形式的選擇問題與振動噪聲大小有著密切的關系。本文從噪聲輻射和振動幅值角度探討了SR電機主要尺寸的確定；接著從對稱性、力波階數等角度研究了SR電機相數及繞組連接方式、極數、并聯支路數的選擇問題。并對一些常用的降低電機機械噪聲的措施和方法進行了綜述。系統振動特性的研究對于減小振動噪聲十分重要。本文從振動系統的運動方程出發，導出了從激振力到振動加速度的傳遞函數和系統的自由振動解；然后利用機電類比法得出了SR電機定子系統的固有頻率以及振動振幅的解析解，定性分析了影響振動振幅的各種因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通過建立不同的散熱筋結構形式、高度、根數以及形狀的SR電機三維有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散熱的散熱筋結構是高度高、根數多、上窄下寬的梯形截面的周向散熱筋的結論。通過建立不同繞組裝配工藝下的SR電機三維有限元模型，分析得出了加強繞組剛度可以提高系統低階固有頻率的結論。通過比較實驗樣機的模態分析結果和運行實驗結果，證實了模態分析的有效性。仿真是計算SRD系統性能和預估電機振動的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系統的非線性動態仿真模型的基礎上，對SRD系統進行了穩態性能仿真、動態性能仿真以及負載突變仿真。接著利用穩態性能仿真，綜合考慮最大平均轉矩和效率這兩個優化目標，對SR電機的開關角進行了優化。最后結合由磁場有限元計算得到的徑向力數據表和穩態性能仿真，通過非線性插值得到徑向力的波形，然后對徑向力波形進行了頻譜分析，從而找到其主要的諧波分量。在電機設計階段避免徑向力波主要頻譜分量與SR電機定子的固有頻率接近而引起共振是降低SR電機噪聲的首要條件。合適的控制策略對于SR電機減振降噪是必不可少的。本文理論推導出三步換相法的時間參數取值公式。仿真證明本取值公式較原先文獻的結論在阻尼比較小時有更好的減振效果。針對SR電機運行中可能出現多個模態振形被激發出來的情況，利用數值優化法對三步換相法的時間參數進行了優化，使得減振效果整體最佳，所提的數值優化方法對兩步換相法同樣有效。在分析已有的直接瞬時轉矩控制的基礎上，針對其不足之處，提出了轉矩定頻控制取代內滯環的方法、開始重疊區域的轉矩控制方法、最佳開關角度二次優化法和時間參數優化的三步換相法等新的控制方案。動態仿真證明這些方案是切實有效的，達到了預期效果。最后在直接瞬時轉矩控制的每一次轉矩斬波都使用三步換相法，和在相關斷時刻根據實際電平靈活選用兩步或三步換相法以減小電機振動噪聲，并提出了考慮減振要求的開關頻率設計方法，最終形成了一套完整的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略。設計并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR電機控制器。根據控制策略要求，選用了不對稱半橋功率電路拓撲結構；出于降低成本以及提高可靠性考慮，采用了MOSFET雙路并聯電路方案。在控制軟件中實現了本文所提出的降低SR電機振動噪聲和轉矩脈動控制策略。本文最后對實驗樣機進行了靜態轉矩的測量實驗，對比轉矩測量值與轉矩有限元計算值，驗證了磁場有限元計算的有效性。然后對實驗樣機進行了空載與負載、電流控制與轉矩控制、低速斬波與高速單波、是否采用兩步或三步換相法等一系列對比運行實驗，對比各種實驗結果，充分證實了本文所提出的降低振動噪聲和轉矩脈動控制策略的有效性。本課題組承擔了國家十·五863計劃電動汽車重大專項：“EQ6110HEV混合動力城市公交車用電機及其控制系統”（2001AA501421）。本文的研究是在該項目的資助下完成，并且本文關于電機本體結構形式、散熱筋結構和機械降噪措施等的結論已在該項目的60kW實驗樣機上得到證實。
上傳時間： 2013-07-05
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本課題是國家自然科學基金重點資助項目“微型燃氣輪機一高速發電機分布式發電與能量轉換系統研究”(50437010)的部分研究內容。高速電機的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機領域的研究熱點之一。高速電機的主要特點有兩個：一是轉子的高速旋轉，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關鍵技術。本文針對高速永磁電機的機械與電磁特性及其關鍵技術進行了深入地研究，主要包括以下內容： 首先，進行了高速永磁電機轉子的結構設計與強度分析。根據永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，提出了一種采用整體永磁體外加非導磁高強度合金鋼護套的新型轉子結構。永磁體與護套之間采用過盈配合，用護套對永磁體施加的靜態預壓力抵消高速旋轉離心力產生的拉應力，使永磁體高速旋轉時仍承受一定的壓應力，從而保證永磁轉子的安全運行。基于彈性力學厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉子應力計算模型，確定了護套和永磁體之間的過盈量，計算了永磁體和護套中的應力分布。該種轉子結構和強度計算方法已應用于高速永磁電機的樣機設計。 其次，進行了高速永磁轉子的剛度分析和磁力軸承—轉子系統的臨界轉速計算。基于電磁場理論分析了磁力軸承支承的各向同性，利用氣隙靜態偏置磁通密度計算了磁力軸承的線性支承剛度，在對高速電機轉子結構離散化的基礎上建立了磁力軸承—轉子系統的動力學方程，采用有限元法計算了高速永磁電機轉子的臨界轉速。利用該計算方法設計的1臺采用磁力軸承的高速電機，已成功實現60000r/min的運行。 再次，進行了高速永磁電機的定子設計，提出了一種新型環形繞組結構。環型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個槽中，不但增加了定子表面的通風散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統2極電機繞組端部軸向過長的難題，使轉子軸向長度大為縮短，從而增加了高速永磁電機轉子系統的剛度。 然后，采用場路耦合以及解析與實驗相結合的方法，分析計算了高速永磁電機的損耗和溫升，并對高速永磁發電機的電磁特性進行了仿真。高速電機的優點是體積小和功率密度大，然而隨之而來的缺點是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準確計算對高速電機的安全運行至關重要。為了準確計算高速電機的高頻鐵耗，對定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進行了不同頻率和不同軋制方向的導磁性能和損耗系數測定。然后采用場路耦合的方法，分析計算了高速電機的定子鐵耗和銅耗、轉子護套和永磁體內的高頻附加損耗以及轉子表面的風磨損耗。在損耗分析的基礎上，計算了高速電機的溫升。最后，設計制造了一臺額定轉速為60000r/min的高速永磁電機試驗樣機，并進行了初步的試驗研究。測量了電機在不同轉速下空載運行時的定、轉子溫升及定子繞組的反電動勢波形。通過與仿真結果的對比，部分驗證了高速永磁電機理論分析和設計方法的正確性。在此基礎上，提出一種高速永磁電機的改進設計方案，為進一步的研究工作打下了基礎。
上傳時間： 2013-04-24
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本文論述了基于ST7FMC的電動摩托車控制系統的研究。 近年來,由于燃油交通工具尾氣排放對城市空氣造成的嚴重污染，以及人們生活水平、環保意識的逐漸提高，綠色交通工具己成為時代發展的重要課題。考慮到我國目前的國情，發展電動車具有重要的環保意義。 隨著電機技術及功率器件性能的不斷提高,電動車的控制器發展迅速。但是目前市場上大多數的電動車產品均采用低集成度元件控制裝置，功能過于簡單，不能充分發揮系統潛力及處理一些特殊的控制問題。 提出了基于意法半導體芯片ST7FMC的永磁無刷直流電動機的控制系統設計方案，進行了低成本、高智能的無刷直流電機控制系統設計，能滿足更多應用場合的需要。主要從以下幾個方面進行了分析與研究: 首先，建立無刷直流電機的數學模型，并分析其電機運行特性。 其次，根據ST專用單片機的特點詳細設計了系統的控制策略：將調速系統設計為電流、速度雙閉環的PI算法控制，以保證調速性能和電流控制精度；采用ST芯片固有的寄存器進行速度的檢測，比較精確；將相電流檢測設計成母線電流PWM On中點檢測；采用了高性能的驅動集成電路IR2136來驅動MOSFET組成的全橋逆變電路；驅動方式采用新型的凸形波驅動控制方法。 最后，組裝了試驗樣車，通過實驗室觀測及實地運行，驗證了系統運行的可靠性。 由此得出結論：本課題設計的基于ST7FMC的電動摩托車控制系統具有運行性能良好、可靠性高的特點，為后續的研究工作提供了一定的基礎。
上傳時間： 2013-05-17
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論文分析了混合式步進電動機的工作原理和運行特性。采用簡化的磁網絡模型，推導了建立二相混合式步進電機數學模型的關系式。并對步進電機的多種驅動技術進行了詳細的研究，著重分析和論述了正弦脈寬調制細分驅動技術。文中對整個系統的結構、硬件電路設計及驅動軟件編程進行了研究和實現，并給出了系統性能實驗結果。 步進電機的使用離不開步進電機驅動器，驅動器的優劣影響著步進電機的運行性能。傳統的驅動方式側重于使步進電機繞組電流以盡可能短的時間上升到額定值，以提高電機高速運行時的轉矩，一般步距角較大，且造成低速運行時的振動和噪聲加大。針對此問題，開發出一種新型的基于單片機的多細分二相混合式步進電機驅動器。該驅動器以二相混合式步進電動機的靜態和動態運行特性為出發點，主要分為數字控制部分、GAL片邏輯綜合信號處理單元、SG3525恒流控制電路、驅動功放電路、過流保護及反饋電路和系統供電電源模塊等。采用專用集成芯片和可編程邏輯器件，以8位單片機AT89C51為控制核心，實現恒流控制、正／反轉運行、過流保護和多檔位細分等功能。在器件選型和軟、硬件設計方面兼顧了性能與成本等因素，性價比較高且通用性強。 該驅動器樣機已完成制作并進行了聯調測試，文中給出了測試結果并對所測波形進行了分析。實驗結果表明，系統硬件和軟件設計合理可行，各項技術指標均達到了設計要求。它與混合式步進電動機配套可以明顯地改善步進電動機的運行性能，拓寬其應用領域。
上傳時間： 2013-06-07
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超聲波電機是上個世紀八十年代逐步發展起來的新型微電機。它利用壓電陶瓷逆壓電效應激發的超聲振動作為驅動力，通過定轉子間的摩擦力來驅動轉子運動。與傳統的電磁馬達相比，它具有低速大轉矩、無電磁干擾、動作相應快、運行無噪聲、無輸入時能自鎖等卓越特性，在非連續運動領域、精密控制領域要比傳統的電磁電機性能優越得多。目前，旋轉型超聲波電機，尤其是環形行波型超聲波電機，在工業、辦公、過程自動化等領域的伺服系統中作為直接驅動執行器得到廣泛的關注。 本論文主要研究并設計了用于超聲波電機控制驅動的小型控制系統。其目的是針對市場需要，提供給用戶一種價格較低、體積小、性能指標適中，操作簡便，能夠實現快速定位，速度可調節的標準的閉環控制器。 控制器的核心為MSP430F167。課題對外圍檢測、控制、驅動電路進行相關的研究和設計，并按照控制器的需求設計相應的軟件。最后給出實驗結果：系統運行穩定，速度曲線較為理想，達到了最初的設計要求。 系統總結了超聲波電機的發展、特點、分類，通過與傳統電磁電機的對比給出了超聲波電機的廣闊的應用前景。在此基礎上，指出了超聲波電機研究的發展方向，明確了本文的研究內容。 總結了環形行波型超聲波電機的結構特點、運行機理，并在此基礎上總結了環形行波型超聲波電機調頻、調相、調幅等控制方法以及推挽、半橋和全橋驅動逆變電路的優缺點。 本課題設計了基于超聲波電機的控制驅動系統電路。首先，提出了本次設計的設計思想及目的；其次，介紹了本設計的控制器硬件電路具體設計過程以及調頻調速的實現方式。然后，詳細介紹了該控制系統的軟件構成，包括上位機軟件、下位機軟件以及通訊部分。詳細闡述了在本控制系統中的調速、定位原理。最后通過實驗結果說明了該小型控制系統的有效性。
上傳時間： 2013-07-18
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低壓斷路器是電力系統中低壓配電網中的主要電器開關之一，它不僅可以接通和分斷正常負載電流和過載電流，而且可以接通和分斷短路電流。主要在頻繁操作的低壓配電線路或開關柜中作為電源開關使用，并對線路、電器設備等實行保護，當它們發生嚴重過流、過載、短路、斷相、漏電等故障時，能自動切斷線路，起保護作用，應用十分廣泛。智能控制器是斷路器上的保護裝置，也是斷路器的核心控制裝置。 20世紀90年代，隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術和通信技術的飛速發展，斷路器的保護裝置己由傳統的電磁式過流脫扣器發展成采用集成電路的電子式脫扣器，直至目前出現了帶高性能微處理器的智能控制器。新一代的智能控制器采用了模塊化結構設計，集測量、監視、控制、通信、保護等功能于一體，在低壓系統中得到了廣泛的應用。 在本課題中，該智能控制器在硬件上以美國Microchip公司推出的公司生產的PIC148F448為核心處理器，主要進行數據的實時采集處理和斷路器的故障保護，實時顯示線路運行時電流或故障信息等。利用帶有CAN接口的高性能的PIC18F448單片機設計了CAN總線接口，給出了CAN接口的硬件電路、軟件流程。該電路具有硬件設計簡單、可靠性高、實時性強等特點。實現了智能控制器與PC機的雙向通信功能，通過總線系統達到遙調、遙控的目的，使得智能控制器的性能得到增強，符合配電系統的要求，達到了本課題研究要求。
上傳時間： 2013-04-24
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傳統污水系統采用繼電器調節控制，容易漂移，且不能智能化，無法保證泵站及時可靠運行。而以單片機為基礎的微型控制機抗干擾能力差，工作期間調整點不穩定，系統容易死機，需要經常到現場服務調節，無法及時準確掌握污水泵站的運行狀態。采用可編程控制器控制，系統運行可靠，基本可以做到免維護調整。 本文針對污水泵站的性能要求和PLC的技術特點，研究了基于DCS測控系統的控制與管理。該系統是以SIEMENS公司的S7-200系列小型PLC作遠程終端，以工業PC機作上位機的主從式一點對多點監控網絡。工業PC機安裝在污水處理廠的中央控制室，既是泵站PLC的上位機，又是處理廠微機局域網的一個工作站，通過自定義無線通訊模塊與各泵站實現數據通信，并通過時間和事件觸發，計算出最佳的平衡水量和各泵站調度水量。下位機PLC安裝在泵站，根據上位機的指令控制泵站的水泵和閥門，組成本地數據采集系統。根據給定的調度水量，調整開啟的水泵臺數和工作時間，達到調度水量的目的。 污水泵站管理系統中泵站地理位置分散，處理廠集中進行數據處理、監視。這一特點與DCS系統功能相吻合。從這一意義上來講，集散控制系統能較好地適應本系統，同時還可以滿足在中心控制室集中顯示、打印、控制各系統的運行狀態和參數的要求。系統統一設計，使其功能合理分配到各子系統中。避免了功能重復及各系統間的不兼容，這樣使得系統維護方便，減少了備品備件。給整個泵站運行管理帶來了方便，提高了運行效率，同時也提高了管理效率，減少了泵站現場管理人員，降低了人力資源成本，也大大降低了因為人工管理造成的疏漏，提高了系統的可靠性。
上傳時間： 2013-08-05
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電力變壓器是電力系統中及其重要的電氣設備，它的安全運行直接關系到電力系統的穩定。變壓器長期在電網中運行會發生各種故障和事故，一旦遭到破壞，損失巨大。通過預防性試驗和油中溶解氣體的氣相色譜分析結果判斷變壓器的絕緣狀況，對防止事故的發生有很大作用，但定期的預防性試驗可能出現過多的維修和不必要的停機，又不能及時發現故障；而變壓器在線監測可以及早發現變壓器故障，避免事故的發生，而且可以降低維護成本。 變壓器中最常發生故障的部位是繞組，它的損壞率約占整個變壓器故障的60％～70％。診斷繞組變形的方法中，頻率響應法、阻抗分析法、低壓脈沖法雖然有可取之處，但是都屬于離線方法，不能及時發現變壓器的故障，不適于在線測量；通過實時計算變壓器繞組短路電抗來在線診斷變壓器故障是一種有效的在線監測方法。 本文根據變壓器繞組的短路電抗在正常運行時不發生變化，而在變壓器內部故障時要發生變化的特性，應用辯識理論，利用變壓器三相電壓、電流的測量值來辨識繞組的短路電抗。把辨識結果對比正常時的三相繞組的短路電抗，可以發現繞組是否異常及故障發生的部位，保證變壓器元件得到及時更換，防止變壓器非正常退出運行。 本文采用傅立葉算法來計算變壓器三相電壓、電流采樣信號的基波分量的幅值與相角，實現變壓器繞組的參數辨識，此時并沒有考慮衰減直流分量。經過分析，當采樣信號中存在衰減直流分量時傅立葉算法就會產生誤差，而遞推最小二乘法和卡爾曼濾波效果很好。 最后本文介紹了變壓器繞組參數辨識的實際應用與誤差分析，分析了系統中軟件、硬件方面的問題對測量短路電抗造成的影響；以及參數辨識的軟件設計和運行試驗，驗證了方案的可行性。
上傳時間： 2013-07-29
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自上世紀初以來，電力發電、輸配電系統都是三相系統。因此，大多數電機調速系統都是由三相電機與三相變頻器構成的。但是目前三相電機的地位已經受到一定的挑戰，一是在低壓大功率的傳動場合，二是在對系統可靠性要求很高的場合。而多相電機調速系統除了可以用低壓功率器件實現大功率等級外，具有多相冗余結構使調速系統的可靠性得以改善。因此，多相電機調速系統的研究受到日益廣泛的關注。 和常規的三相感應電機相比多相感應電機有著許多優點，例如多相感應電機在一相或多相定子繞組開路和短路時仍然可以起動或繼續運行，轉矩脈動小，轉子損耗小，運行性能好，可以在不提高相電壓的情況下增加電機的容量，比較適合應用于艦艇推進系統等方面。 本文在傳統的三相電機調速系統的基礎上，致力于研究多相電機調速系統，以多相感應電機為主要研究對象，進行了深入的研究，主要包括以下幾個方面： 1、對多相電機調速系統作了較為全面的綜述，介紹了多相電機調速系統的特點和國內外研究現狀。 2、研究了多相感應電機的基本結構。從電機的繞組連接方式入手，對多相感應電機進行了諧波分析，從理論上證明了多相電機相對于三相電機在減小諧波含量方面的優越性，同時探討了多相感應電機的數學模型。 3、在三相感應電機電磁設計程序的基礎上整理推導了多相感應電機的電磁設計程序，并用Visual C＋＋編程語言開發了多相感應電機的電磁設計軟件。 4、對多相感應電機的電磁場進行了詳細的分析，運用電磁場有限元分析軟件Maxwell 2D對本論文中的樣機的瞬態磁場進行分析，分析結果同用VC所編寫的電磁設計程序的計算結果進行比較，驗證了所設計樣機數據的合理性。
上傳時間： 2013-07-30
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隨著電力電子技術、微處理器技術以及新的電機控制技術的發展，交流調速性能日益提高。變頻調速技術的出現使交流調速系統有取代直流調速系統的趨勢。但是國民經濟的快速發展要求交流變頻調速系統具有更高的調速精度、更大的調速范圍和更快的響應速度，一般的通用變頻器已經不能滿足工業應用的需求，而交流電機矢量控制調速系統能夠很好的滿足這個要求。矢量控制(Field Oriented Control)，能夠實現交流電機電磁轉矩的快速控制，本文對三相交流異步電機的矢量控制系統進行了研究和分析，以高性能數字信號處理器為硬件平臺設計了基于DSP的三相交流異步電機的矢量控制系統，并分析了逆變器死區效應的產生，實現了逆變器死區的補償。 本文介紹了交流調速及其相關技術的發展，變頻調速的方案以及國內外對矢量控制的研究狀況。以三相交流異步電機在三相靜止坐標系下的數學模型為基礎，通過Clarke變換和Parke變換得到三相交流異步電機在兩相旋轉坐標系下的數學模型，并利用轉子磁場定向的方法，對該模型進行分析，設計了轉子磁鏈觀測器，以實現交流電機電流量的有效解耦，得到定子電流的轉矩分量和勵磁分量。仿照直流電機的控制方法，設計了矢量控制算法的電流與速度雙閉環控制系統。設計了以TMS320LF2407A為主控制器的硬件平臺，在此基礎上實現了矢量控制算法，論述了電壓空間矢量調制(SVPWM)的原理和方法，并對其進行了改進。最后對逆變器的死區進行了補償。 實驗表明基于轉子磁場定向的矢量控制(FOC)系統，結構簡單，電流解耦方便，動態性能好，精度較高，能夠基本滿足現代交流電機控制系統的轉矩和速度要求。
上傳時間： 2013-05-24
上傳用戶：李彥東
