風能是可再生能源，世界各國越來越重視風能的開發和利用。國內外學者也開始研究高效率永磁電機在風力發電上的應用。在山東省科技廳資助下，本文研究了一種新型結構的雙轉子永磁發電機，其高運行效率和特殊的電機結構，使其在小型風力發電系統中存在著巨大優勢。本文主要研究的內容如下： 第一部分首先給出了雙轉子永磁電機的基本結構、等效磁路、工作原理，然后對雙轉子永磁電機電樞反應電感參數進行計算。 第二部分對雙轉子永磁電機的空載感應電勢進行解析計算和有限元分析驗證。首先通過引入相對比磁導函數，給出了雙轉子永磁電機考慮齒槽效應時定子表面的磁場分布，并給出了相應的波形。然后采用矢量合成法推導了空載感應電勢的表達式，為了驗證空載電勢解析法的正確性，本文采用有限元法對其分析計算。通過比較得出：解析法和有限元法吻合很好。最后，針對雙轉子電機的特殊結構，提出了三種改善電勢波形的方法，并利用解析法對其進行分析，證明了這幾種措施的可行性。 第三部分針對halbach磁體電機在風力發電系統中的潛在優勢，主要研究了halbach磁體結構雙轉子電機的電勢和齒槽轉矩。首先給出了halbach陣列的基本原理，采用有限元法分析了halbach磁體結構雙轉子電機的磁場分布及空載電勢波形，并對其進行了諧波分析。最后利用能量的虛位移法推導了雙轉子電機的齒槽轉矩，對于halbach磁體雙轉子電機，提出了三種減小轉矩脈動的方法，并通過有限元分析進行了比較，證明了這幾種措施的可行性。 第四部分對雙轉子電機的設計進行了分析，提出了先分別設計內外電機再統一調整的設計方法，最后設計制作了樣機，給出了樣機圖片。并對樣機進行試驗，測量不同轉速下電機的空載電勢波形，電機的電勢-轉速曲線，電機的負載電壓-電流特性曲線，并測量了電樞反應電感數值，通過對比可以得出：試驗值、解析值和有限元值吻合很好。
上傳時間： 2013-08-04
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為設計高性能、低損耗的電機，需要準確地分析電機鐵耗。本文從鐵磁材料的磁化特點出發，以分離鐵耗模型為基礎，對交變磁化以及旋轉磁化條件下鐵磁材料和電機的鐵耗進行分析和計算，分別從理論和實踐角度著重就電機鐵耗計算和測量中的一些相關問題作了深入研究。 按照分離鐵耗模型，鐵心損耗可以分成磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。本文首先從交流磁滯回線的產生機理出發，在Preisach靜態磁滯模型的基礎上，利用極限磁滯回線的對稱性，采用人工神經網絡技術，建立了Preisach人工神經網絡磁滯仿真模型，實現了對鐵磁材料交流磁滯回線的理論計算，為磁滯損耗的理論分析和計算奠定了基礎；為對交流磁滯回線進行實測，本文給出了一種采用愛潑斯坦方圈測量鐵磁材料交流磁滯回線與磁滯損耗的新方法，該方法克服了環形樣片測量法的不足，操作簡單，且測量精度高，具有較好的實用價值。利用該方法得到的實驗數據很好地驗證了理論計算結果。 對渦流損耗以及異常損耗的計算模型，本文系統地給出了其推導過程，對模型中的參數進一步加以明確，并對模型的特點進行了分析。鐵磁材料異常損耗計算模型是基于統計學原理推導而來的，模型中參數的確定涉及到鐵磁材料的微觀特性，本文給出了通過實驗確定其參數的具體方法；考慮到工程中異常損耗計算模型是其理論模型的簡化形式，文中對兩者的差別進行了分析。 在分析電機鐵耗時，既要考慮鐵心材料本身的損耗特性，也要考慮電機供電方式以及鐵心中磁場變化等因素對鐵耗的影響。在對鐵磁材料損耗特性分析的基礎上，本文考慮到局部磁滯回環對電機鐵耗的影響，推導了計及局部磁滯作用的電機鐵耗模型，并從理論上對C.P.Steinmetz的磁滯損耗經驗公式進行了驗證，從而明確了公式中經驗系數的物理意義；同時通過實驗研究，分析了磁化頻率對磁滯損耗系數的影響，提出了在磁化頻率較高時分段確定磁滯損耗系數的方法；考慮到現代電機控制策略以及供電方式的多樣性，本文對正弦波、方波以及三角波電壓供電時鐵心材料的交變鐵耗模型分別進行了推導，給出了其解析表達式，并通過實測證明了模型的有效性；對SPWM這類應用較為廣泛的非正弦供電方式，推導了電機交變損耗的一般計算模型，分析了SPWM變頻器供電時電機鐵耗與變頻器參數的關系，給出了其關系的數量表達式; 同時采用改進的愛潑斯坦方圈試驗平臺對非正弦供電條件下的鐵磁材料損耗和電機鐵耗進行了實驗研究。 考慮到電機鐵心制造過程中沖壓對鐵心材料特性的影響，本文提出了一套簡便的對鐵磁材料進行沖壓影響研究的實驗方法，利用該方法，有效地對材料的沖壓影響特性進行了分析。在實驗研究的基礎上，本文推導了考慮沖壓影響時的鐵磁材料損耗的修正系數，從而在傳統交變鐵耗分離模型的基礎上，建立了計及沖壓影響的電機鐵耗計算模型。對模型中引入的沖壓影響修正系數，給出了詳細的推導過程和明確的計算方法，從而使傳統的經驗修正方法得到改善。 在旋轉電機中，除交變磁化外，同時還存在大量的旋轉磁化。本文對旋轉磁化的物理機理進行了初步探討，分析了旋轉磁化條件下的損耗特點，系統介紹了當前鐵磁材料旋轉磁化性能以及旋轉磁化損耗實驗測量和理論計算的方法和手段。 在以上鐵耗理論的基礎上，充分考慮鐵心的非線性及磁滯特性，本文建立了一般條件下的鐵心動態電路模型，并將該模型應用于異步電動機鐵心等效電路中，推導了異步電動機動態鐵耗的分離等效電阻。以一臺三相異步電動機為樣機，采用以上鐵耗的動態分離等效電阻，有效地對電機鐵耗進行了分離，從而為深入研究電機的動態鐵耗特性提供了便利。 論文最后以一臺永磁無刷直流電機為例，對電機的運行特性以及鐵心損耗進行了分析計算。分析中應用場路結合法，建立了永磁無刷電機換流等效電路模型，采用鏡像法建立了深槽無刷電機電樞反應分析模型；在電機鐵耗分析中，推導了考慮旋轉磁化的電機鐵耗工程計算模型，對樣機鐵耗進行了理論計算，并通過構建實驗平臺，對旋轉磁化條件下的樣機空載鐵耗進行了測量，最終理論值與實測值吻合良好，證明了上述方法的有效性。
上傳時間： 2013-07-02
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準確計算電機鐵耗一直是困擾電機設計者的一個難題。傳統方法是假設電機內部磁場僅是交變磁化的，根據鐵磁材料在交變磁化條件下測量的數據，計算電機齒部和軛部由基波磁場造成的損耗，對于計算值與實測值之間的誤差通過經驗系數來修正。這種方法對于已經長期制造和使用的電機而言勉強適用，對于近年來發展很快的永磁電機、高速電機和其他新結構電機，由于缺乏合適的經驗系數，導致此方法難以適用。眾多研究人員的成果已經證明電機的鐵耗有相當一部分是由旋轉磁化導致的，因此顧及旋轉磁化的電機鐵耗計算模型是本文的一個重要內容。 本文從鐵磁材料的鐵耗入手，先研究鐵磁材料在交變磁化和旋轉磁化方式下的計算和測量方法，目的是得到鐵耗分立模型中磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗的計算系數。本文提出并實現了數字式的25cm愛潑斯坦方圈測試系統，它可以測量在任何頻率和波形電源供電下硅鋼片的損耗，本文還在二維鐵耗測試系統中對硅鋼片在圓形旋轉磁化條件下的損耗進行了測量。結果表明，在同樣頻率和磁密的條件下，旋轉磁化下的損耗要比交變磁化下的損耗大。本文提出了基于磁密軌跡的電機鐵耗計算模型，它只采用較容易獲得的交變磁化損耗系數，但又能顧及到旋轉磁化帶來的影響。通過實際電機的計算和測試，表明軌跡法的計算結果在未經任何系數修正的情況下就具有很好的精度，適合推廣使用。 軟磁復合材料是一種新型的粉末金屬材料，它具有渦流損耗小和易制造成具有復雜結構電機等特點。為了探索這種材料在高頻領域中的應用和驗證本文提出的鐵耗計算模型，本文成功地設計和制造了一臺采用軟磁復合材料的爪極式永磁電機，由于結構復雜，本文通過三維有限元分析，對該電機的磁通、磁鏈、電感、轉矩和鐵耗等參數和性能的計算提出了計算方法。對該種電機的熱分析，本文提出了熱網絡法和磁熱耦合有限元法。由于鐵耗在高速電機總損耗中占有很大比例，因此在有限元方法中，本文通過映射剖分法，使磁場和熱場模型中的單元總數、大小和順序保持完全一致，軌跡法計算得到的各單元鐵耗直接耦合進熱場進行計算，得到了電機準確的溫度分布。本文還進行了高速電機轉子的模態分析，合理地調整轉子的直徑、長度和軸承位置，使轉子的自然共振頻率遠離電機的工作頻率范圍。本文構建了一測試平臺對樣機進行了發電機狀態測試，并通過假轉子法測量了電機鐵耗，實驗結果證明了本文所用方法的可行性，得到的結論對軟磁復合材料的應用及爪極式電機的設計與分析都具有很好的參考價值。
上傳時間： 2013-06-27
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近年來，隨著人們生活的改善，機動車輛得到迅速發展，其排放的尾氣己造成城市空氣嚴重污染，一些城市相繼制定法規限制摩托車和燃油助力車的使用來保護環境。于是發展綠色交通工具已成為一個重要的課題。電動車具有輕便、無污染、低噪音和價格低廉的特點，成為比較理想的交通工具。開關磁阻電機的結構簡單、控制靈活、可靠性高、能在較寬的速度范圍內高效運行、而且堅固耐用，適合于在惡劣條件下應用等特點決定了其非常適合于車輛負載。 本文主要研究四相8/6極開關磁阻電機傳動系統在兩輪電動車中的應用，設計了以AVR單片機為主控芯片的電動車控制器。1.根據開關磁阻電機的結構和工作原理，建立了SR 電機的數學模型，分析并確定了開關磁阻電機的位置信號檢測方法，制定了該系統使用的控制策略：采用轉速外環、電流內環的雙閉環控制，通過AVR單片機片內定時器/計時器T/C2輸出的PWM斬波調壓間接地調節電流以控制電機的轉速。2.以AVR單片機為核心，設計了開關磁阻電機控制系統的各硬件電路，主要有電源轉換電路和電壓采樣電路、系統功率電路及MOSFET驅動電路、位置信號檢測電路和電流檢測與保護電路。3.在硬件電路的基礎上設計了系統的控制軟件，并對電動車的剎車、過流保護、欠壓保護和定速巡航等功能加以改善和提高。最后對所開發的系統進行了調試，通過實驗得到的速度電流波形證實了該控制器的可行性。
上傳時間： 2013-07-25
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隨著電力電子技術的發展，高速永磁無刷直流電機應用前景越來越廣闊，有較大的研究價值，對其電磁性能進行準確的分析和設計具有重要的經濟價值和理論意義。本文主要是圍繞著永磁無刷直流電機，尤其是高速永磁電機的磁路、電路性能的分析、鐵耗和溫升的計算、優化設計、控制系統和樣機制造和實驗等做了大量的工作： 對電機的磁路進行分析設計：從磁路結構入手，分析了定子鐵芯、轉子鐵芯和永磁體的各種結構優劣及其選型、選材的根據；講述了場路結合的分析計算方法；給出了極數、槽數、繞組、轉子參數、定子參數和軸承的參數確定方法。 對永磁無刷直流電機的電路進行分析：從電機磁場分析入手，根據齒磁通分析計算了電樞繞組的感應電動勢；根據此電動勢的波形，推導了三相六狀態控制時，電動勢的電路計算模型，重點推導了電動勢平頂寬度小于120度電角度時的電路模型，指出換相前電流波形出現尖峰脈沖的原因，該模型考慮了電感對高速電機性能的影響；給出了基于能量攝動法計算繞組電感的方法。 高速永磁無刷直流電機內的損耗尤其是鐵耗較大，根據經驗系數來計算鐵耗的傳統方法已顯得力不從心，如何準確計算高速永磁無刷直流電機內的鐵耗是困擾電機工作者的一個難題，本文根據Bertotti鐵耗分立計算模型，進一步推導了考慮電機內旋轉磁化對鐵耗的影響的鐵耗計算模型，其各項損耗系數是由鐵芯材料在交變磁化條件下的損耗數據通過回歸計算得到。通過實際電機的計算和實驗測試，表明此計算模型有較高的準確度。隨著電機內損耗的增大，溫升也是一個重要問題，為了了解電機內的溫度分部，防止局部過熱，本文建立了基于熱網絡法永磁無刷直流電機的溫升計算模型，并對電機進行了溫升計算，計算結果和實際測量基本一致。 本文確立了永磁無刷直流電機的電磁計算方法，建立了優化設計的數學模型，編制了程序，用遺傳算法成功地對高速永磁無刷直流電機的效率進行了優化，給出了優化算例，并做出樣機，通過對優化前后的方案做出樣機并進行比較實驗，優化后測量損耗有了較大的減小。 對永磁無刷直流電機控制系統中的幾個關鍵問題進行了研究：位置檢測技術、三相逆變電路中的功率管壓降和控制系統換相角問題，它們都對電機的性能有很大的影響。本文著重分析了霍爾位置傳感器原理、選型及在電機中的安裝應用；功率管壓降對起動電流、功率的影響問題；控制系統提前或滯后換相對電機電流，輸出性能的影響，提出適當提前換相有利于電機出力。 做出永磁無刷直流電機樣機并進行實驗研究，主要包括高速永磁無刷直流電機、內置式永磁無刷直流電機、高壓永磁無刷直流電機的設計、性能分析、樣機制作、實驗分析等。建構了對樣機進行發電機測試、電動機測試、損耗測量的實驗平臺，通過在測試時使用假轉子的方法成功分離出了電機鐵耗和機械損耗，實驗測量結果和計算結果基本一致。 總之，通過對永磁無刷直流電機的磁路、電路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁無刷直流電機的設計理論和分析方法，并通過樣機的制造和實驗，進一步的驗證了這些理論和方法的準確性，這對永磁無刷直流電機的設計和應用有很好的參考價值。
上傳時間： 2013-04-24
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電氣驅動系統是電動汽車的心臟，主要由驅動電機、功率變換器和控制器等三個子系統構成。本文以TI公司的TMS320LF2407A為系統控制核心，富士公司的IPM模塊為逆變器開關器件，運用空間矢量技術，設計了異步電機變頻調速控制系統。 論文在異步電機數學模型基礎之上，分析了轉速閉環轉差頻率控制系統以及矢量控制系統的控制策略和實現方法；為了給控制系統提供電源，論文設計了使用UC3843作為控制核心的反激型開關穩壓電源，介紹了UC3843以及電源電路的工作原理及設計；論文詳細設計了控制系統的主電路、控制電路以及保護和告警電路；針對電動汽車電機控制器運行環境復雜，處在大量的干擾中，論文從電路板PCB的設計以及控制器機箱內部布局布線等方面充分考慮了其電磁兼容性；根據現場調試的經驗，在實驗室中使用磁粉制動器模擬電機負載搭建了異步電機試驗臺，實驗結果表明了控制系統具有良好的調速性能和較寬的調速范圍。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著焊接技術、控制技術以及計算機信息技術的發展，對于數字化焊機系統的研究已經成為熱點，本文開展了對數字化IGBT逆變焊機控制系統的研究工作，設計了數字化逆變焊機的主電路和控制系統的硬件部分。 本文首先介紹了“數字化焊機”的概念，分析了數字化焊機較傳統的焊機的優勢，然后結合當前數字化焊機的國內外發展形勢，針對數字信號處理技術的特點，闡明了進行本課題研究的必要性和研究內容。文章隨后列出了整個數字化逆變焊機的設計思路和方案，簡要介紹了數字信號處理器(DSP-Digital SignalProcessing)的特點，較為詳細地解釋了以DSP為核心的控制系統設計過程。根據弧焊電源控制的要求，選擇了控制器的DSP型號。 逆變焊機的主電路采用輸出功率較大的IGBT全橋式逆變結構(逆變頻率20KHz)，由輸入整流濾波電路、逆變電路、中頻變壓器、輸出整流電路和輸出直流電抗器組成。文中簡略介紹了主電路的設計要點及元件的選型和參數的計算，并對所設計的主電路進行了Matlab計算機仿真研究。 在控制系統的設計中，采用TI(美國德州儀器)公司的DSP(TMS320LF2407)芯片作為CPU，由于其速度快(40MHz)、精度高(16bits)等特點，為弧焊逆變器控制系統真正實現數字化提供了條件。在DSP最小系統、電壓電流采樣調理模塊、保護模塊、鍵盤與顯示模塊等主要模塊的作用下對整個焊接電源進行了實時的閉環控制與焊接過程的實時監控。控制電路采用脈寬調制方式(PWM)進行輸出控制，即：控制IGBT的導通時間來實現焊機輸出功率與輸出特性的控制。設計了專門的“分頻電路”，DSP輸出的控制脈沖經過“分頻電路”分成兩路后，再經IGBT專用驅動模塊M57959L，進行功率放大后，觸發IGBT。DSP對輸出電流和電弧電壓進行實時采樣，采用離散的PI控制算法計算后，輸出相應的控制量來實時調節IGBT驅動脈沖的脈寬，進而調制輸出電流，達到控制焊機輸出的目的。 經過實驗，得到了相應的輸出電壓電流波形、PWM波形和IGBT門極驅動的實驗波形，該控制系統基本符合逆變焊機的工作要求。 最后，在對本文做簡要總結的基礎上，對于本逆變焊機的進一步完善工作提出了建議，為數字化焊機控制系統今后更加深入的研究奠定了良好的基礎。
上傳時間： 2013-08-01
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超聲波電機(Ultrasonic Motor簡稱USM)是八十年代發展起來的新型微電機。本文針對超聲波電機及其控制技術的研究現狀和發展趨勢,以我國研究技術相對比較成熟并有產業化前景的行波超聲波電機(Traveling-wave Ultrasonic Motor簡稱TUSM)的伺服控制技術為研究對象,以直徑60mm的行波超聲波電機TUSM60為研究實例,在特性測試、動穩態性能分析,辨識模型建立、控制策略與控制算法的選擇與實現等方面展開研究。本論具體的研究內容為： 在分析超聲波電機研究歷史和現狀的基礎上,結合國內外超聲波電機特別是行波超聲波電機控制技術的發展趨勢,重點論述了行波超聲波電機及其驅動控制技術的研究進展。 介紹行波超聲波電機的基本結構,并從該電機的主要理論基礎--壓電原理、行波合成、接觸模型出發,分析了行波超聲波電機定子質點的運動方程.并結合定轉子摩擦接觸特點,分析了行波超聲波電機的運行機理。 根據對行波超聲波電機測試和高精度控制的要求,研制出基于雙DSP和FPGA的超聲波電機高性能測試控制平臺。其中控制核心采用了雙DSP結構,可以在對行波超聲波電機進行控制的同時,將必要的參數讀取出來進行分析和研究。為行波超聲波電機瞬態特性分析以及控制策略、控制算法的深入研究打下了基礎。 對電機的瞬態、穩態特性進行的測試,可以分析驅動頻率、電壓以及相位差等調節量對電機輸出的影響。在此基礎上進一步對行波超聲波電機的調節方式、控制算法選擇方面進行分析,并得到相應結論。 通過對實驗數據的總結和歸納,利用系統辨識中的非參數方法,建立在特定頻率條件下的近似線性模型。在行波超聲波電機工作范圍內,辨識若干組不同頻率條件下的近似線性模型,將這些模型的參數進行二維或三維擬合,可以得到一個關于行波超聲波電機傳遞函數的模型。辨識模型的建立為合理的選擇和優化控制參數,控制效果的驗證等提供了行之有效的手段。 在對行波超聲波電機的速度控制、位置控制展開的研究中.首先利用遺傳算法對常規PI恒轉速控制的控制參數整定及修正方法進行了研究；利用神經元的在線自學習能力,研究和設計單神經元PID-PI轉速控制器,提高控制系統對電機非線性和時變性的適應能力；為了消除在伺服控制中,單一調節量(驅動頻率)情況下,低轉速的跳躍問題,研究和討論了多調節量分段控制方法,并利用模糊控制對控制方法的有效性進行了驗證；在位置控制中,利用轉速控制研究的結果,研究和設計了位置--速度雙環(串級)控制器,實現了電機高精度位置伺服控制。 通過對已有控制系統的改進和簡化,設計和研制了具有實用化價值行波超聲波電機控制器：并將研究成果應用于針對核磁成像設備而設計的行波超聲波電機隨動控制系統中,同時嘗試了將該控制器用于高精度X-Y兩維定位平臺。
上傳時間： 2013-07-13
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帶整流負載的同步發電機在一些需要高品質直流電源的場所，如艦船電力推進、郵電通訊、飛機等電源系統得到了廣泛應用，并且受到了許多學者的關注，其研究領域主要涉及數字仿真、數學模型、穩態分析以及運行穩定性等方面。 本文對MATLAB/Simulink中的電機模型進行了深入的研究。針對MATTAB中電機仿真模型的不足和本文研究的需要，提出了同步發電機定、轉子分解的狀態方程，利用MATLAB工具箱建立了新的同步電機仿真模型并進行了封裝，為進行帶整流橋負載同步電機系統的分析與研究打下了很好的基礎。 對帶整流橋負載同步發電機整流系統穩態運行特性進行了分析，采用定、轉子分解模型建立了整流系統仿真模型。證明了在假定轉子磁鏈守恒，即忽略轉子電阻影響的條件下，定、轉子分解模型很容易轉變為帶三相對稱非線性負載的同步電機穩態分析模型。介紹了根據這一模型推導出的解析計算公式，給出了計算方法和步驟，并編寫了計算程序，便于工程上直接使用。與仿真結果的對比驗證了該解析計算的正確性。同時，仿真證實了忽略轉子電阻影響會給計算結果帶來一定的誤差，但是，在轉子電阻正常值范圍內，忽略其影響是允許的。 對帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性進行了仿真研究，將系統中的各個參數對系統穩定性的影響進行了仿真。為了解決穩定性仿真計算量大、計算時間長的問題，利用同步電機換相計算的穩態公式，對同步電機分解模型的定子部分和整流橋部分進行了簡化處理，得到了同步發電機整流系統穩定性分析簡化模型。通過兩種模型的仿真計算，證實了該簡化模型與非簡化模型的仿真結果相當一致。這樣既解決了帶有反電動勢負載的同步發電機整流系統的穩定性仿真計算的計算速度問題，也證明了換相過程及其產生的諧波對系統的穩定性沒有影響。
上傳時間： 2013-06-19
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在目前全球能源危機和溫室效應越來越嚴重的情況下，電動車(Electric Vehicle)以其無污染、低噪聲、效率高，便于操作等優點，越來越受到人們的青睞。本課題與華中科技大學辜承林教授聯合，為蘇州益高電動車輛制造有限公司設計旅游車無刷電機驅動系統。課題結合現代CPU技術、數字技術和電力電子技術，設計了一款以無位置傳感器無刷直流電機為動力的大功率汽車輪轂驅動控制器。 本課題采用辜老師設計的“橫向磁通無刷直流電動機”為控制對象。本文首先分析了無刷直流電機的數學模型和無位置傳感器的反電勢過零點檢測的基本原理，從整體上對控制系統的各個方面進行了討論并確定了整體設計方案。在課題中，本人采用DSP 2407A作為控制核心，以功率MOS管為逆變器件，研制出系統硬件，用C語言編制了系統軟件。鑒于該課題在大電流等級的無刷直流電機應用中，國內外尚無先例，本項目在開發實驗中，對無位置傳感器無刷電機的起動和反電勢過零檢測作了大量的研究工作，取得許多有益的科研實踐經驗。通過對電機的起動過程和位置檢測方法進行的一些有效改進措施，使得電機達到較好的運行性能和操控特性。 實驗結果表明本項目設計方案有效可行，研制的無位置傳感器無刷直流電機控制器達到設計的預期基本性能指標。
上傳時間： 2013-04-24
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