時間：2022-04-02 20:11:05
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇永磁傳動技術論文范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
【關鍵詞】永磁同步 電動機 低速大扭矩 高效節能
1 引言
隨著經濟的發展，人類社會對能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關注的話題，黨的十六屆五中全會強調，要加快建設資源節約型，環境友好型社會。同時，國家也提出了推廣變頻永磁電動機技術的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動機技術也日益成熟，廣泛運用到了各個行業中。
2 低速永磁同步電動機的特點
永磁同步電動機與傳統感應電動機工作原理基本相同，都是由定子產生磁場帶動轉子，其不同之處在于低速永磁同步電動機由永磁體勵磁替代了傳統感應電動機的電勵磁。永磁同步電動機具有低速大扭矩、結構簡單、功率因數高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優點。
低速大扭矩、結構簡單。與傳統電動機相比，低速永磁電動機的氣隙磁場是有永磁體產生的，加上永磁體形狀及磁路設計的多樣性，這樣就可以簡化電動機結構，根據需要靈活設計電動機的外形尺寸。傳統感應電動機在起動時存在最小轉矩，通常來說其最小轉矩倍數小于1，而低速永磁同步電動機是變頻起動，在起動時無最小轉矩倍數的限制，只要負載所需起動扭矩小于最大轉矩，都可以順利起動。在某些領域，傳統感應電動機低起動轉矩的特性，使其在選型時不得不提高電動機功率來增大起動轉矩，以永磁同步電動機設計轉速100rpm為例，由公式
可知，相同功率的低速永磁同步電動機與傳統4P電動機相比，其起動扭矩是傳統電動機的15倍。
效率、功率因數高。傳統感應電動機因存在定子電阻和定子電流損耗，穩定運行時風磨耗也占據一定比例，這些因素限制了功率因數的提高；低速永磁同步電動機在運行時不產生無功勵磁電流，且風磨耗、雜耗、機械耗等損耗都低于傳統感應電動機，這些因素都使永磁同步電動機的效率、功率因素高于傳統感應電動機。大量統計表明，就效率而言，同規格永磁電動機比傳統感應電動機提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動機和傳統感應電動機不同負載下的效率、功率因數曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的功率因數和效率，而傳統感應電動機在低負載率或者高負載率時效率、功率因數同額定負載率相比下降很多，在低負載率時下降尤為明顯。低速永磁同步電動機這種高效率、高功率因數的優點是傳統感應電動機所不具備的。
體積小。對于傳統驅動系統，尤其是末級傳動需要較低速度時，一般需要異步電動機加減速機或者是異步電動機加2～3級皮帶輪減速來實現，這種機構體積龐大且笨重，不僅增加了設計成本，在設備安裝方面也占據了大量的空間。而低速永磁同步電動機直驅系統的體積和重量通常不到傳統驅動系統的一半，加上可以靈活設計永磁電動機的結構，在設備的安裝、調試等方面要求大大降低。
噪聲低，運行平穩。應用低速永磁同步電動機的直驅系統取消了減速機、皮帶輪等機械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動時的噪聲，系統高速運轉時由于各個部件中間不平衡帶來的噪聲、震動大大降低。
可靠性高。機械減速傳動裝置的取消，消除了中間傳動環節的機械故障，同時，由于設備磨損、機械變形、零部件松動等帶來的油泄露問題也不復存在，大大提高了傳動系統的穩定性，如圖1所示。
3 低速永磁同步電動機應用現狀
自1831年科學家巴洛發明世界上第一臺永磁電動機以來，各國的科技工作者一直在探索永磁同步電動機的發展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀三十年代以來，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動機也不斷的出現在軍事裝備、工業生產設備、日常家電等領域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動機性能并沒有達到預期效果，加上當時永磁電動機成本較高，在一定程度上限制了永磁電動機的發展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現，極大的提高了永磁材料的各項性能，且加上價格相對便宜，加快了國內外對永磁電動機研究的步伐，研究的重點也逐漸的轉移到了工業裝備自動化和日常生活領域。隨著科學工作者對永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時，伴隨著電力電子控制技術的發展，與傳統電勵磁電動機相比，永磁電動機高效節能的優勢更加明顯，低速永磁同步電動機也朝著大功率化、高轉矩化、微型化、智能化等多個方向發展。
目前，由于低速永磁同步電動機低速大扭矩、體積小、輸出平穩、高效節能等優點，已經在很多方面作為驅動裝置得到應用，如電動車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領域。在電動車輛方面，日本已將其用于低地板式電動車、獨立車輪式電動車上；德國、法國也將永磁同步電動機用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業裝備自動化領域，低速永磁同步電動機在保證高性能、高效率、高精度需求的同時，省去了傳統傳動系統中的機械減速裝置，已經成功得到應用；在電梯曳引機上，由于低速永磁同步電動機可以實現無需機械減速裝置的直驅運行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為動力源，美國奧迪斯公司研發的GEN2系統也廣泛采用了永磁無齒輪曳引機技術。
4 低速永磁同步電動機的發展趨勢
目前來看，去除減速機、多級皮帶輪等機械減速裝置，采用低速永磁直驅系統，更能夠充分發揮低速永磁同步電動機的優勢。低速永磁同步電動機作為驅動系統動力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機電一體化等等方向發展。
4.1 專用化發展
在工業生產領域，有很多設備需要減速機等機械減速裝置來減速進而驅動負載，這就需要電動機行業技術人員仔細分析其負載特性，專門設計一種性能優良、運行可靠且價格合理的低速永磁同步電動機，來替代傳統傳動裝置。據統計，有些專用低速永磁同步電動機節電率可以達到20%左右，如油田用到的抽油機電機、泥漿泵電機，陶瓷行業用到了陶瓷球磨機電機等。
4.2 高性能方向發展
S著工業的發展，對電動機的要求不僅僅是簡單的提供動力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領域要求具備高性能同時，還要具備高可靠性；化纖行業、數控機床、智能加工中心等設備要求電動機具有高調速精度。
4.3 輕型化方向發展
由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對永磁同步電動機提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數控機床、醫療器械、船舶推進、便攜式機電一體化產品等都有這方面的要求。
4.4 機電一體化方向發展
高性能的永磁電動機是實現機電一體化的基礎，電力電子技術、微電子控制技術和永磁同步電動機技術的結合催化出了一批新型且性能優異的機電一體化產品。
5 結語
我國具有豐富的稀土礦產資源，且對以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動機技術研究都已位列世界先進水平，充分發揮這種優勢，加快低速永磁同步電動機技術的研究和推廣，對加快我國經濟建設具有十分重要的意義。低速永磁同步電動機較傳統電勵磁電動機在性能上有很大優勢，但目前在我國工業領域并沒有得到廣泛應用，其市場還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術的發展、電力電子和驅動裝置技術的進步，以及人類社會環境保護意識、能源問題社會意識的提高，在不久的將來，低速永磁同步電動機作為動力的驅動裝置會慢慢滲透到工業和日常生活的各個方面，低速永磁同步電動機也將得到廣泛應用。
參考文獻
[1]楊萌.起重用低速大扭矩永磁同步電動機研究與設計[D].華中科技大學（碩士學位論文），2013.
[2]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997.
[3]王秀和.永磁電機[M]，北京：中國電力出版社，2007.
[4]閆萍，吳夢艷.現代永磁電機技術的研究[J].防爆電機.2014.
[5]王帥.抽油機直驅用低速大轉矩永磁電機及其控制系統研究[D].沈陽工業大學（碩士學位論文），2010
作者簡介
王錦涵（2000-），女，河南省南陽市人?，F為南陽第一高級中學在讀學生。
【關鍵詞】永磁同步電機;恒壓頻比開環控制;矢量控制;直接轉矩控制
1.引言
近年來，隨著電力電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優點，在節約能源和環境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機的控制策略進行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統的各種控制策略發展方向。
2.永磁同步電機的數學模型
永磁同步電機（PMSM）的永磁體和繞組，繞組和繞組之間的相互影響，電磁之間的關系十分復雜，由于磁路飽和等非線性因素，建立精確的數學模型是很困難的。為了簡化PMSM的數學模型，我們通常作如下的假設：
（1）磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗;
（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響;
（3）三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布;
（4）電樞繞組在定子內表面均勻連續分布;
（5）驅動二極管和續流二極管為理想元件;
（6）轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。
對于永磁同步電機來說，即用固定轉子的參考坐標來描述和分析其穩態和動態性能是十分方便的。此時，取永磁體基波勵磁磁場軸線即永磁體磁極的軸線為d軸，而q軸逆時針方向朝前90o電角度。d軸與參考軸A之間夾角為。圖1為永磁同步電機（PMSM）矢量圖。
圖1 PMSM空間向量圖
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根據圖1所示向量圖進行坐標變換，滿足功率不變原則，得到在旋轉坐標系下PMSM的數學模型方程如下
（1）電壓方程
由三相靜止軸系ABC到同步旋轉軸系dq的變換得：
（1）
，Rs為定子相電阻，其中：
。
（2）磁鏈方程
（2）
式中為轉子（永磁體）在dq軸的磁鏈，，ud、uq，id、iq和、分別為dq軸的電流、電壓和磁鏈。、為dq軸的電感。
（3）轉矩方程
電磁轉矩的表達式為：
（3）
pn為極對數，定子磁鏈空間矢量，is為定子電流空間矢量。
3.恒壓頻比開環控制（VVVF）
恒壓頻比開環控制（VVVF）是為了得到理想的永磁同步電機轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的。 按照這種控制策略進行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現，轉速通過電源頻率進行控制。但同時，由于系統中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電機狀態，致使無法精確控制電磁轉矩：在突加負載或者速度指令時，容易發生失步現象;也沒有快速的動態響應特性。因此，恒壓頻比開環控制電機磁通而沒有控制電機的轉矩，控制性能差。通常只用于對調速性能要求一般的通用變頻器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德國學者提出“交流電機磁場定向的控制原理”，即用矢量變換的方法研究交流電機的動態控制規律。矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電機內部的電磁過程，是建立在交流電機的動態數學模型基礎上的控制方法。它模仿對直流電機的控制技術，將交流電機的定子電流解禍成互相獨立的產生磁鏈的分量和產生轉矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現對交流電機的磁鏈控制和轉矩控制的完全解禍，從而達到理想的動態性能。使交流傳動的動、靜態特性有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量控制是目前高性能交流電機調速系統所采用的主要控制方法，具有很好的動態性能。然而這種控制技術本身還是存在一些缺陷的，受電機參數影響較大，由于電機參數在不同運行情況與環境的多變性，所以系統魯棒性不強;矢量控制的根本是實現類似直流電機的控制，因此需要進行復雜的解耦運算，增加了信號處理工作負荷，要求更高的硬件處理器配合;
5.直接轉矩控制（DTC）
1985年德國學者M.DepenBrock教授首次提出了磁鏈采用六邊形控制方案的直接轉矩控制理論。該方法只是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。因此，DTC大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。
轉差角頻率越大，轉矩越大。轉差角頻率增加，轉矩也增加。說明異步電機的轉矩和轉矩增長率都可以通過控制定子磁場對轉子的角頻率來控制。也就是說，異步電機DTC是建立在電機轉差角頻率控制的理論基礎上的。而同步電機并不存在這種轉差角頻率，正是由于這個原因，DTC策略在同步電機上沒有能夠快速地得到應用。直到1996年英國的French.C和Acarnley .P發表了關于PMSM的DTC的論文，1997年由澳大利亞的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解決了DTC控制策略在PMSM上應用的理論基礎。有了這個理論基礎，PMSM的DTC控制也成了眾多學者研究的一個熱點。
就目前而言，永磁同步電機控制的直接轉矩控制摒棄了矢量控制解耦的思想，將轉子磁通定向更換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及磁通角，達到控制轉矩的目的，具有控制手段直接、結構簡單高效、控制性能優良、動態響應迅速的特點。直接轉矩控制在克服了矢量控制弊端的同時，這種粗獷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，實際轉矩必然在上下限內脈動;再者調速范圍受限。在低速時，轉矩脈動會增加，而且定子磁鏈觀測值會不準。另外，電機參數的時變對直接轉矩控制也有影響。
6.結論
本文所闡述的永磁同步電機的控制方式是最基本的三種控制方式。通過文中的闡述，可以看出每種控制方式都有其利弊，可以根據設備的應用環境工況來選擇設備的控制方法。
同時隨著控制理論的不斷發展，學者們采用智能控制策略，如最優控制、遺傳算法、模糊控制等方法，用來克服每種控制方式的弊端，使得永磁同步電機的應該更加廣泛，充分發揮其體積小，損耗低，效率高等優點。
參考文獻
[1]王成元，周美文，郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅動電動機[M].北京：機械工業出版社，1994.
[2]李華德，楊立永，李世平.直接轉矩控制技術的新發展[J].工業大學，2001.
[3]許大中編著.交流電機調速理論[M].杭州：浙江大學出版社，1991.
關鍵詞 交流傳動車輛， 電氣制動， 制動力分配
交流傳動車輛的制動分類如圖1 所示。對于交流電機而言，可使用的電力制動方式除了再生制動， 還有反接制動和能耗制動，但在交流傳動車輛中一般不采用。本文分析了各種電氣制動方式在交流傳動車輛制動中的應用。
圖1 交流傳動車輛的制動分類
1 車輛制動時的制動力分配
德國ICE —V 列車采用復合制動方式，其制動力分配試驗結果見圖2 。由圖2 可知，列車制動時， 高速區列車制動以軌道渦流制動為主，再生制動由于處于弱磁區，隨轉速不斷降低而逐漸增大，總制動力不足可采用盤形摩擦制動補償;速度降至基速后(圖2 中基速對應列車運行速度162 km/ h) ，再生制動力增值到最大;低速下則以盤形摩擦制動為主。
圖2 德國ICE —V 列車復合制動的制動力分配
上海軌道交通3 號線(明珠線) 車輛的牽引、制動特性曲線如圖3 所示。城軌車輛的速度較低，車輛均采用再生制動和閘瓦摩擦制動的復合方式。在大部分的速度范圍內，均以電氣制動為主，速度在5 km/ h 以下時采用空氣制動。
圖3 3 號線車輛牽引、制動特性曲線
2 電力制動分析
力制動指牽引電機運行中產生的電磁制動力。當交流異步電機運行于發電工況下，電機輸出轉矩作用方向與電機轉速方向相反，電磁轉矩使得電機處于制動狀態，轉子減速，牽引電機軸輸入機械能轉變為電能。按照制動能量的不同產生方式，電力制動可分為反接制動、能耗制動及再生制動。
2. 1 電力制動原理分析
異步電機在牽引[3 ] 和制動工況下的磁鏈矢量圖如圖4。在牽引工況下，定子磁鏈ψs 帶動轉子磁鏈ψr 旋轉，定子磁鏈在空間位置上超前轉子磁鏈，電機輸出正轉矩。在制動工況下，轉子旋轉頻率超過定子頻率，轉子電流與牽引狀態下方向相反，使得氣隙磁場幅值增大。為保持氣隙磁場恒定，定子電流需要反向以減小氣隙磁場，定子電流流向中間直流環節， 在空間位置上滯后于轉子電流，電機輸出負轉矩。電磁轉矩( Tem) 可由定子磁鏈和轉子磁鏈的叉積得到。B點，電磁轉矩變為負值，電機將在負載轉矩與電磁轉矩共同作用下迅速運行至C 點。如果對電機繼續供電，則電機進入反向牽引工況。在反接制動瞬間，電機將產生很大的制動電流和制動轉矩。如處理不當，電機將發生反向行駛。從安全角度考慮，電力傳動車輛上均不使用反接制動。
2. 3 能耗制動
能耗制動時切斷三相交流電源，并在定子中通入直流電源產生恒定的靜止磁場。該靜止磁場與轉子磁場的相互作用產生電磁轉矩，其方向與轉子旋轉方向相反。牽引工況與能耗制動工況下的電磁與轉矩關系如圖6 所示。
圖4 交流異步電機牽引、制動工況磁鏈矢量圖
在實際運行中，要改變電磁轉矩，可以通過改變定子磁鏈和轉子磁鏈的相位關系來實現。
2. 2 反接制動
反接制動是通過控制定子磁場的旋轉方向與轉子磁場的旋轉方向相反來實現的。電機正向旋轉時， 定子磁場超前于轉子磁場，定子磁場拉動轉子磁場以同步轉速旋轉;當改變電源的相序時，定子磁場的旋轉反向，而轉子磁場因轉子慣性的作用運行方向不變，滑差s
圖5 反接制動工況下電機調速特性
在牽引狀態下，定子電壓與頻率一定時運行于圖5 中A 點，電磁轉矩與恒負載轉矩TL 相平衡。反接制動時，電機的轉矩—轉速特性曲線變為曲線2 ， 由于電機轉速不能突變，電機工作點由A 點變為
圖6 電機牽引工況和能耗制動工況電磁模型
能耗制動工況下，轉子和負載的動能及從直流電源吸收的電能全部轉換為轉子回路的損耗，使得電機發熱嚴重。能耗制動的最大優點是可以通過改變定子繞組直流電流的大小來調節磁場，進而控制制動轉矩。由于在車上需加裝可調的直流電源，以及牽引電機發熱嚴重等因素，交流傳動車輛上一般也不采用能耗制動。
2. 4 再生制動
電機運行過程中，如果外力使電機轉子加速，或人為控制定子頻率降低，使轉子頻率高于定子頻率， 滑差s
出現再生制動狀態通常有兩種工況:
(1) 減速制動。圖7所示為電機機械特性曲線。定子頻率為f 1 ， 負載轉矩為TL ，電機工作于第一象限點A點(曲線1) ，電磁轉矩與負載轉矩相平衡。減速制動時， 降低定子供電頻率為f ′ 1< f1) ，1 (f ′ 由于車輛慣性，電機轉速不發生突變，電機工作于第四象限的B點(曲線2) 。這時， n > n1、Tem < 0 ， 電機進入發電狀態，在電磁轉矩和負載轉矩共同作用下沿f ′特性曲線減速，若不斷降低定子供電頻率，可獲得滿意的減速制動特性。
(2) 恒速下坡制動。車輛下坡時，特別在長大坡道上，由于重力作用迫使車輛加速， 電機工作點沿著f 1 機械特性曲線進入第四象限， 電磁轉矩為負，電機為發電制動狀態;直到電磁轉矩與負載轉矩相平衡的C 點，電機處于新的穩定狀態。
3 電磁渦流制動
電磁渦流制動是利用電磁渦流在磁場下產生勞倫磁力，而勞倫磁力方向與物體運動方向相反。電磁渦流制動具有無摩擦、無噪聲、體積小、制動力大的優點。目前車輛利用電磁渦流制動的方式主要有盤形渦流制動和軌道直線渦流制動。
3. 1 盤形渦流制動
盤形渦流制動利用安裝在車軸上的圓盤切割磁力線產生渦流和勞倫磁力。根據產生磁場的機理可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。
日鐵新干線的高速電動車組采用的電磁渦流制動原理如圖8 所示。圖中， IF 為勵磁電流， 使電磁鐵心在制動工況下產生所需要的磁場; n 為輪對旋轉速度; TB 為制動力。電磁渦流制動裝置安裝于電動車組的拖車上，利用相鄰車輛牽引電機的主電路電源作為勵磁電源。
永磁渦流盤形制動利用永磁鐵代替電磁鐵線圈產生電磁場，制動盤在磁場中產生渦流阻止磁場增加，產生制動轉矩。日本鐵道綜合研究所試驗的永磁渦流盤形制動裝置原理如圖9 所示。永磁渦流制動裝置的制動盤安裝于轉軸上，定子為永磁圓盤。永磁圓盤分為內圈圓盤和外圈圓盤，配置有內、外兩圈磁軛。兩圈磁軛內均交錯放置N 極和S 極的永久磁鐵。車輛正常運行時，外圈和內圈的永磁鐵極性為異性排列在一起，磁通在極片和磁軛內構成閉合磁路、不穿越制動圓盤，因而不產生制動轉矩。車輛制動時，內、外圈的永磁鐵極性為同性排列，永磁鐵通過極片和制動圓盤構成磁路。制動盤隨轉軸轉動，切割磁力線產生渦流和制動轉矩，改變極片相對位置可以調節制動轉矩的大小。
兩種渦流制動中，電磁渦流盤型制動的制動功率大，但設備較多，已在日本新干線得以廣泛應用; 永磁渦流盤型制動結構簡單，但由于目前制動功率受到一定限制，尚處于試驗階段。
圖7 再生制動工況下的
圖8 電磁渦流盤形
圖9 永磁渦流盤形電機調速特性制動裝置原理圖制動工況的磁通流向
3. 2 軌道直線渦流制動
軌道直線渦流制動通過對安裝于轉向架兩側車輪之間的條形磁鐵勵磁，在鋼軌上產生渦流使車輛制動。具有無摩擦、制動迅速等優點。同時，軌道直線渦流制動裝置可增加車輛軸重，提高車輛粘著力。其原理圖見圖10 。制動狀態時，由于電磁鐵的N 極和S 極相對于鋼軌的運動，在鋼軌內產生交變的磁場，使鋼軌頭部產生渦流，渦流與電磁鐵相互作用， 產生一個垂直于鋼軌面的吸引力和一個與車輛運行方向相反的制動力;垂直于軌面的力可增加車輛的粘著力，與車輛運行方向相反的力就是電磁渦流制動力。但軌道渦流制動如果要得到很大的渦流制動力，則需要很龐大的制動裝置。這種軌道渦流制動裝置應用于上海磁浮列車的制動控制系統中[4 ] 。
圖10 軌道渦流制動裝置原理圖
參考文獻
1 徐國卿. 城市軌道交通車輛電力傳動. 上海:上?？茖W技術出版
社，2003
2 王振民. 三相異步電動機的制動. 北京:機械工業出版社，1998
3 吳峻. 鼠籠電機再生制動狀態分析與控制. 微電機，2002(3) :60
4 朱仙福. 磁懸浮列車的渦流制動問題. 機車電傳動，2001(4) :33
論文摘要：交流電動機固有的優點是：結構簡單，造價低，堅固耐用，事故率低，容易維護；但它的最大缺點在于調速困難，簡單調速方案的性能指標不佳，這只能夠依靠交流調速理論的突破和調速裝置的完善來解決。本文論述了交流調速傳動的現狀和發展
交流傳動系統之所以發展得如此迅速，和一些關鍵性技術的突破性進展有關。它們是功率半導體器件（包括半控型和全控型）的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機控制技術以及微型計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術。為了進一步提高交流傳動系統的性能，國內外有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開：
1采用新型功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術
功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優點是當電動機處于制動（發電）狀態時，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節能調速中也有應用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統中占有主導地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發電）狀態時，回饋到直流側的再生電能難以回饋給交流電網，要實現這部分能量的回饋，網側不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯、采用PWM控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或“PWM整流器”）。網側變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續可調，輸入電流（網側電流）波形基本為正弦，功率因數保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發展動向，但成本問題限制了它的發展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數低的缺點，只能用于低速（低頻）大容量調速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環節，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現輸入功率因數為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。
隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統中應用日趨廣泛，PWM技術的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術可分為三大類：正弦PWM、優化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致大的開關損耗，而且大功率器件如GTO的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優化PWM技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最優PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優化PWM技術的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關頻率相關的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產生振動而發出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統的穩定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM技術。2應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論交流傳動系統中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩態方程出發研究其控制特性，動態控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現交流電動機磁通和轉矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統逐步走向實用化。目前高動態性能的矢量控制變頻器已經成功地應用在軋機主傳動、電力機車牽引系統和數控機床中。此外，為了解決系統復雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術的發展，現代控制理論中的各種控制方法也得到應用，如二次型性能指標的最優控制和雙位模擬調節器控制可提高系統的動態性能，滑模（Slidingmode）變結構控制可增強系統的魯棒性，狀態觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態信息，自適應控制則能全面地提高系統的性能。另外，智能控制技術如模糊控制、神經元網絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統中，以提高控制的精度和魯棒性。
3廣泛應用微電子技術
隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器（DigitalSignalProcessor--DSP）、專用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit--ASIC）等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數字化控制系統達到了較高的性能價格比。
關鍵詞：永磁同步電動機；應用特性；研究
引言
稀土永磁電動機具有高效節能的顯著優點，應用范圍正日益遍及國防、航空航天、工農業生產和日常生活的諸多領域，發展潛力巨大。相較于電勵磁電動機，稀土永磁電動機結構特殊且種類多樣，傳統的設計理論和分析方法已難以適應高性能電機研發的要求，需要綜合運用多學科理論和現代設計手段，進行創新研究。傳統設計模式得到的產品，在工況相對固定的應用場合，能夠表顯出良好的技術性能，但在永磁同步電動機實際運用的過程中，其振動與噪聲始終沒有得到有效解決，甚至會對其實際運行的穩定性產生不利的影響。為此，針對永磁同步電動機設計當中的關鍵技術研究十分有必要，同樣也逐漸成為國民經濟發展的關鍵增長點。因此，本文在電機和電磁場理論的基礎上，結合實際工程應用問題，對永磁同步電動機的工作工程中的振動和噪聲問題進行實驗分析研究，并提出具體解決改善措施。論文的工作主要集中在以下幾個方面：（1）測試裝置與系統的實驗，選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉子動態特性展開全面測試。（2）永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析，通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形。（3）對噪聲頻譜的分析，當11kW永磁同步電動機處于空載狀態時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發現，峰值多出一，而具體的原因就是受負載增加的影響，導致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。
以下是詳細實驗過程：
1 永磁同步電動機應用特性的實驗分析――以振動與噪聲為實驗對象
1.1 測試裝置與系統的實驗
選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉子動態特性展開全面測試。
1.2 永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析
通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形[1]。
1.3 對噪聲頻譜的分析
當11kW永磁同步電動機處于空載狀態時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發現，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。
2 改善永磁同步電動機應用特性的具體措施
2.1 有效降低力波
第一，繞組選擇要科學。在選擇定子繞組的過程中，最好選擇諧波磁動勢不高的，像是正弦繞組，能夠有效地降低噪聲。第二，將定子槽與轉子槽的開口寬度減小。通過半閉口槽亦或是閉口槽能夠使氣隙磁導諧波有效降低。與此同時，為了能夠實現轉矩脈動的降低，就需要采用槽開口寬度增大的方式。第三，氣隙磁通密度適當減少。因為徑向力和氣隙磁密平方呈現出正比例關系，而振幅和徑向力同樣呈正相關關系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的關系[2]。在這種情況下，磁通的密度如果相對較高，那么不僅只是聲功率隨之提高，同樣還會影響系統運轉的效果，分叉與混沌現象的發生幾率會更高。然而，一旦減小氣隙磁密，還會使電動機的自重增加。在這種情況下，應當綜合考慮多種因素來進行設計。
2.2 磁場應對稱
在永磁同步電動機實際運行的過程中，如果轉子偏心很容易引起低階徑向力，導致電動機自身的噪聲不斷增加[3]。在這種情況下，不僅要對加工工藝與裝配工藝進行合理地控制，同樣采取定子并聯繞組的方式，也能夠避免因轉子不同心而帶來的噪聲，這樣就能夠確保各級磁通處于一致狀態，有效地規避了磁拉力出現的不平衡性，使得振動與噪聲的產生幾率下降。
2.3 斜槽與斜極的控制
對于永磁同步電動機來說，將其定子鐵心以斜槽的形式制作出來，能夠確保徑向力波始終沿著電動機的長度方向軸線來移動[4]。這樣一來，其沿著軸線方向的平均徑向力就會隨之下降，同時，附加轉矩以及噪聲也會隨之降低，然而，實際的附加損耗卻并不會下降。
2.4 定子動態振幅與聲振幅的合理減少
第一，要科學增加阻尼?？梢栽谟来磐诫妱訖C的定子鐵心以及機座中適當地涂上阻尼材料，與此同時，使用清漆亦或是環氧樹脂，實現定子疊片的有效粘結[5]。基于此，應當對定子鐵心以及機座間存在的間隙進行及時填充，這樣也能夠使電動機阻尼不斷增加。第二，聲輻射效率的減少。在對永磁同步電動機聲輻射功率進行計算的過程中，主要是相對聲強輻射系數和無窮大平板聲強公式相乘[6]。其中，相對聲強輻射的系數和電動機的定子長徑比以及振動模態階數等存在緊密的聯系。為此，在立波階數的增加，使聲強輻射系數減少，可以有效地控制噪聲。
3 結束語
綜上所述，永磁同步電動機在實踐應用中的作用十分重要，所以，對其應用特性的研究具有重要的現實意義。電動機振動過大不僅會對運行可靠程度帶來負面影響，同樣還會引發噪聲。因而，文章將稀土永磁同步電動機作為重點研究對象，并且以振動和噪聲兩個特性為例，闡述了控制這兩種特性的可行性方式，以期為永磁同步電動機的正常運轉提供有價值的參考依據，充分發揮其自身的功用。
參考文獻
[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，劉衛國，等.高階滑模消抖控制在永磁同步電動機中的應用[J].電機與控制學報，2012，16（2）：7-11，18.
[2]姬芬竹，高峰.電動汽車驅動電機和傳動系統的參數匹配[J].華南理工大學學報（自然科學版），2006（04）.
[3]王家軍.速度指定位置跟蹤雙永磁同步電動機的反推控制[J].控制理論與應用，2015，32（2）：202-209.
[4]楊玉波，王秀和，張鑫，等.磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉矩方法[J].電工技術學報，2006（10）.
滌綸短絲裝置是上海石化股份公司滌綸部西區的一個主要裝置，共有六條生產線，設計單線產量為1.5萬噸/年。前紡電氣傳動采用德國AEG公司SEMIVERTER變頻器及永磁同步電動機，后紡采用直流電動機長軸傳動。該紡絲裝置是我國80年代初自己設計、自行制造的大型生產裝置，雖然建成初期創造了一定的經濟效益和社會效益，但是由于受到歷史條件的局限，出現了一些先天性不足，產品的種類和單耗達不到部頒標準，不能適應市場的需要，為此在原一號線位置上改造、引進了一條3萬噸/年滌綸短絲生產線(簡稱新生產線)，電氣傳動采用德國西門子6SE70系列變頻器和永磁同步電動機(前紡)、異步電動機(后紡)。本文就共用直流母線多逆變器調速系統在紡絲線上的應用作一些探討。
2合成纖維紡絲機變頻調速系統發展概況
合成纖維紡絲機變頻調速系統發展大致可分為3個階段:
(1)大變頻器調速由一臺大功率變頻器來驅動多臺永磁同步電動機。電動機可逐臺起動或分組啟動。優點是系統簡單、控制方便，可保證多電機同步運行。缺點是變頻器容量必須選用很大;單臺電動機短路故障有可能引起變頻跳閘，造成整臺紡絲機停車。
(2)多臺小變頻器驅動每臺電動機均有一臺小變頻器驅動。對比大變頻器驅動，優點有:a)、一臺變頻器驅動一臺電機，可以實現軟起動，變頻器容量基本與電動機相同;b)、當某臺電動機發生故障時，對應變頻器停止工作，不會影響整臺紡絲機的正常運轉。缺點是:a)、總設定、總啟動需另加調節環節;b)、幾臺變頻器輸出頻率會有離散性，為達到轉速同步，需加串行通信接口。
(3)共用直流電源多臺小逆變器驅動采用共用直流電源多臺小逆變器驅動。除了保持小變頻器拖動的特點外，更重要的是可以實現再生發電制動，也可防止電網瞬時低電壓(含瞬時失電)帶來的停役故障。
3滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統的基本要求及對原有拖動系統的分析
(1)滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統的基本要求
紡絲機對電氣傳動的要求為“四高”和“一少”。
四高:即高同步性(一臺紡絲機不同紡位的電機轉速要求橫向轉速一致，縱向比例同步);高精確性(轉速穩定，精確度高達0.1%～0.01%);高轉速或甚高轉速(在沒有升速齒輪箱條件下，電機轉速高達8000～9000r/min);高可靠性(至少保證一年安全連續運行8000小時)。
一少:即少維修或免維修，無須照看。在采用了高精度的變頻調速器和永磁同步電動機組成的調速系統后，高同步、高精度、高轉速和少維修可以實現，但高可靠性還做不到，影響了紡絲裝置安穩長滿優生產。以3萬噸/年短絲生產線為例，其日產量為100噸短纖維，若外來電網瞬時低電壓(或瞬時失電)，引起計量泵變頻器停役電機停轉，會造成聚酯熔體壓力增大，迫使聚酯裝置熔體增壓泵停止，從而影響聚酯裝置正常生產。
(2)原有電力拖動系統的優缺點
原1.5萬噸/年短絲直接紡裝置的變頻器屬于第一代變頻器，即一臺變頻器驅動多臺永磁同步電動機，此類變頻器在技術上采用公用換流環節，具有輔助充電裝置的換流電路。優點是:a)、即使直流電壓很低時也能可靠換流。b)、在短時間內數倍額定電流(最大為3倍)時，也能可靠換流。c)、變頻器由空載狀態到負載狀態時，能夠迅速抑制起動電流的極限值。但變頻裝置在運行中尚存在以下不足之處:a)、短絲裝置由于多臺電動機共用一臺變頻器，無法實現軟起動，所以選用時既要考慮到最高頻率時直接起動，又要考慮到若干臺電機高速運轉時，某一紡位故障排除后又繼續投入運行，因此變頻器容量不得不選用偏大。b)、紡絲機故障停臺率偏高。但因變頻器不能承受電網瞬時低電壓(含瞬時失電)，而由于雷電、電纜接地故障及開關倒閘操作，定會出現瞬時低壓現象，造成變頻器停役，致使整臺紡絲機停產，釀成巨大損失。c)、無法實現再生發電制動。后紡采用直流拖動，電動機維護和保養很麻煩，牽伸比調節也很困難。
4前紡裝置變頻調速系統特點分析(由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環同步拖動系統)
新生產線的前紡部分變頻調速系統如圖1。前紡裝置變頻調速系統主要是由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環同步拖動系統組成，前紡裝置的主要改進是電源系統采用UPS(西門子System4233，330kVA)供電。
正常情況下由市電進行供電，若電網瞬時失電或低電壓，由電子開關控制自動切換到蓄電池供電，確保逆變器不受影響。為保證紡絲的精度，前紡沒有采用1臺逆變器帶1臺電動機的控制方式，而是由2臺大逆變器分別向32臺計量泵電機(永磁同步電動機)提供可變頻交流電源。裝置控制采用集散式數字工藝控制系統(DCS)和微處理機網絡系統，在兩臺逆變器之間用PLC加串行通信接口組成開環控制，確保兩變頻器的輸出頻率相同，即保證了32臺計量泵電動機轉速的絕對同步。與原生產線相比，雖然一次性投入較大，但可確保在瞬時低電壓(含瞬時失電)時，計量泵可正常工作，提高經濟效益。在前紡調速系統中，32臺計量泵電動機、7輥導絲輥電動機及喂入輪電動機的所有逆變器均接在共用直流母線上。
5后處理裝置變頻調速系統特點分析
后紡裝置的變頻調速系統如圖2。后處理裝置中牽伸、緊張熱定型、疊絲、卷曲的拖動采用共用直流多逆變器變頻調速系統，其逆變器接同一直流母線。電動機則采用大功率的異步電動機。共用直流母線由＃1、＃2整流裝置供電。兩套整流器的疊加既可擴大容量，又可減少紋波和諧波，穩定直流電壓。與原生產線相比有如下優點:
(1)采用共用直流母線可以自適應調整不同牽伸比條件下被拖電動機的制動力矩。比如對某一設定好的牽伸比，頭道、二道、三道牽伸機的轉速分別為n1、n2、n3，由于絲的張力作用，在沒有制動功能時，頭道牽伸輥會被后面牽伸輥拖著跑，而現在采用共用直流母線的變頻調速后，一旦n1的數值超過設定值，電動機便進入了再生發電制動狀態。一方面被拖電機變成發電機，發出的電能經續流二極管整流變成直流回饋到直流母線，電動機不僅無須從電網吸收能量，還可將制動能量供給其他逆變器，既可穩定直流母線電壓，又由于電動機容量較大(如第二牽伸機電動機為400KW)，電能節約也相當可觀。另一方面，被拖電動機處于制動狀態，只要設置相應的頻率比，就能控制轉速比，確保了牽伸比控制精度。
(2)滌綸短絲后處理牽伸緊張熱定型聯合機組是滌綸短纖維生產中的一道關鍵工序，主要承擔著將原絲按一定牽伸倍率進行拉伸和定型。滌綸部原短絲裝置的后紡拖動由一臺功率較大的直流電動機拖動一根機械長邊軸，再帶動各道牽伸輥、緊張熱定型輥等。直流電動機雖然在調速的范圍、調速的精度及動態響應等方面性能較好，但直流拖動最致命的問題就是直流電動機的維護和保養很麻煩，并且對環境要求也較高。另外采用長邊軸傳動，若要改變生產品種，則牽伸比的調節較困難，并且精度也達不到要求，這樣勢必會影響產品質量、品種翻改以及高附加值產品的開發。新生產線采用交流變頻調速，各道牽伸輥具有獨立的變頻傳動，只需改變各變頻器的頻率就能方便調整工藝需要的牽伸倍率。從投產后的生產情況分析，生產的滌綸短纖維品種增加(其中1.33dtex有光縫紉線銷量占全國銷量的1/2以上)、質量提高、單耗下降，停車故障大幅減少，經濟效益顯著。
疊絲機、卷曲機也采用共用直流母線多逆變器調速方案，只是功率較小，不再討論。切斷機則為獨立變頻器，和一般變頻調速原理相同，在此不再展開。
6結束語
(1)如上所述，共用直流母線變頻調速技術是可靠的，雖然一次投入較高，但每年可以減少停車2~3次，按一條3萬噸/年生產線計算，可減少PET放流8~12噸，同時還可避免因停車造成的纖維質量波動(一次停車將影響144~216噸纖維的質量穩定性)，如此計算不用幾年就可收回改造費用。
(2)由于采用共用直流母線變頻調速技術，使整體生產條件處于穩定狀態，從而給改變產品規格、調整工藝參數帶來極大便利。過度時間短，廢絲少，工藝調整精確。
(3)從新生產線實際運行情況看，共用直流多逆變器調速系統在滌綸短纖維的生產中優勢突出，代表了紡絲機拖動的發展方向。但在后紡部分仍不能完全排除電網失電對變頻器的影響，如變頻器一旦停役會使正在牽伸的一段滌綸絲(約100m)報廢。改進方法可采用兩個獨立的交流電源供電，分別經整流器整流后送至共用直流母線(需用二極管隔離)，一旦失掉一路電源，仍有另一路交流電源支持，不會停車。另外，前紡卷繞紡絲裝機容量196kW，UPS輸出容量330kW，實際使用的容量較小，需要注意。
參考文獻
[1]劉亮喜.化纖紡絲機的變頻調速系統[J].電世界，1998,(8):10-11.
關鍵詞 電動汽車;驅動控制;輪轂電機
中圖分類號：TM36 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）21-0041-01
電動汽車，是在傳統燃油汽車面臨能源危機與環境污染兩大難題時，得到重視和發展的，并被視為解決上述兩大難題的有效途徑。它是車輛工程、電子信息、新能源技術、計算機、自動控制等多學科交叉技術的集成，更容易使車輛電子化、信息化，從而提高車輛智能控制水平。電動汽車電機驅動控制技術作為電動汽車關鍵技術之一，一直是國內外學者研究的重點。
1 驅動系統種類及驅動控制算法
目前，電動汽車的驅動系統按所使用的驅動電機類型不同可以分為交流感應電機、直流電機、開關磁阻電機、永磁同步電機、永磁無刷直流電機等驅動系統。電機驅動系統是電動汽車研究開發的重點之一，就目前而言，單電機配合減速器和差速器驅動車輪是電動汽車驅動的普遍方式?？紤]到各地的差異性及車輛的通用情況，目前大多數控制策略及控制方法的研究都通過軟件模擬仿真。山東大學的李珂等建立電動汽車異步電機仿真模型以及與之對應的控制模型，實現了對純電動汽車動力性能仿真[1]。Z.Rahman等人，根據電動汽車驅動電機轉速范圍、車輛行駛對電池組能量需求、驅動電機工作效率、車輛傳動系數，以建模仿真的方式來確定動力驅動系統關鍵部件的選型[2]。Mehrdad Ehsani等人，則利用電動汽車續航里程和行駛的動力需求為主要優化目標，對匹配純電動汽車動力參數優化算法進行了深入研究[20]。王慶年，丁永濤等人，在MATLAB/SIMULINK環境下完成了整車的并聯式控制策略的建模。所得出的研究結果表明，所開發電動汽車正向仿真平臺正確性、可靠性，對提高電動汽車初期研發效率、降低電動汽車的研發成本具有非常重要的現實意義。
2 電動汽車輪轂電機驅動技術
早在上世紀中期，名叫ROBERT的美國人將驅動電機、傳動/制動裝置全部集成在輪轂上，研發了最初的電動汽車輪轂。該類電機根據其安裝的方式不同，又分為輪轂電機驅動、輪邊電機驅動兩種結構。輪邊電機驅動，它是將驅動電機固定在車架位置，電機的輸出軸直接把驅動轉矩傳遞給驅動輪，電機與車輪之間彼此相對獨立，只通過電機輸出軸或其它變速機構聯接，減輕了車輪慣性力及車輛顛簸程度。輪轂電機驅動在結構上與輪邊電機驅動有所不同，它是把驅動電機直接安裝在車輪的輪轂內直接驅動車輪。這種結構省略了傳統燃油汽車上面一系列的傳動裝置，大大提高了驅動效率，使系統結構更加簡單。在2005年，美國德州大學教授E.J.Triche等人對輪轂電機直接驅動的混合動力及純電動軍用車輛的沖擊載荷進行了相關的仿真和實驗[4]。K.Cakir和A.Sabanovic設計了直接驅動電動汽車的電氣系統，創建了電機三維模型，通過優化設計，使得該輪轂電機驅動系統很好的匹配實驗車輛[5]。2012年，Perer Juris等人研究了溫度對輪轂電機驅動系統的影響，運用有限元方法對輪轂電機進行瞬時熱力學仿真分析，結果表明：過高的溫度會導致輪轂電機的驅動失效，并導致永磁鐵失磁。在國內，同濟大學余卓平教授等，對四輪輪轂驅動的電動汽車路面附著系數估算方法進行了深入分析研究。他們利用電動汽車輪轂電機測速準確、驅動力響應迅速等特點對車輛行駛路面的附著系數進行估算，通過這種方式能有效防止車輛行駛時車輪滑轉，確保車輛的行駛穩定性。2012年，張立軍等人建立了包括電機轉矩波動動力學模型與充氣輪胎剛性圈動力學模型的系統耦合動力學模型，并進行了時頻域特性分析。此外，北京理工大學在輪轂電機驅動方面也有較深入研究，如謝邵波，林誠對前輪輪轂電機驅動的電動車行駛穩定性進行研究，通過實驗仿真，驗證了其設計的控制策略可提高車輛橫擺穩定性。
3 結論
目前，國內外在電動汽車電機驅動控制方面的研究已涉及各個方面，從目前研發的進程狀況來看，國內外基本處于同一起跑線上，國外略處于領先地位。另外，在電機驅動系統中，絕大部分研究焦點都集中于對電機本體的研究，沒有與電動汽車整車控制需求相結合。將電機驅動控制策略與車輛行駛工況緊密結合來提高驅動效率的相關報道較少。
參考文獻
[1]陳勇，張大明，等.電動汽車用異步電機矢量控制系統仿真分析[J].上海交通大學學報，2007，19（16）：3761-3765.
[2]Rahman Z，Ehsani M，Butler K L，An Investigation of Electric Motor Drive Characteristic for EV and HEV Propulsion Systems[C].SAE paper.2000-01-3062.
[3]Kowal J，Gerschler J B，et.Efficient battery models for the design of EV drive trains[C].14th Inernational Power Electronics and Motion Contorl Conference，2010，31-38.
[4]Ehsani M，Gao Y M，Emadi A.Modern Electric，Hybird Electric，and Fuel Cell Vehicles Fundamentals，Theory，and Design[M]，Boca Raton：CRC Press，2010.
[5]K.Cakir A.Sabanovic.In-wheel Motor Design for Electric Vehicles[C].Proceedings of IEEE AMC06-Istanbul，Turkey.2006.6：13-20.
[6]夏長亮.無刷直流電機控制系統[M].北京：科學出版社，2009.
[7]王葳，張永科，劉鵬鵬.無刷直流電機模糊PID控制系統研究與仿真[J].計算機仿真，2012，29（4）：196-199.
[8]朱穎合.自適應模糊PID控制器的研究與應用[D].杭州：杭州電子科技大學，2010（12）.
【關鍵詞】濾波裝置 成像 步進電機
攝像機拍攝的圖像是由被拍攝物發射光（反射光）及背景光兩部分組成。在攝像機已經確定下來的情況下，一般采用通過改變曝光參數的方法，調整目標成像的亮度來改善目標的成像質量。但是在實際使用中，受被拍攝物體的亮度、運動方式、背景環境等多種因素影響，攝像機的曝光參數的調節有時比較困難，特別是物體本身亮度較強的情況下，參與成像的主要光譜對應的光強太大，使得攝像機接收CCD飽和，而目標輪廓對應的成像光譜光強較弱，所以輪廓不清晰。只靠攝像機自身降低曝光參數來進行目標的清晰成像并不是那么容易，因此，僅僅依靠調整曝光參數是無法從根本上解決成像質量清晰與否的問題，需要設計一套載有不同波段濾光片的濾波轉動裝置，采用步進電機驅動的轉盤來裝夾濾光片，濾波裝置與攝影機時序匹配。本文中設計的濾波載盤旋轉時，不拍攝；電機停轉時，攝影機工作。濾波轉動裝置通過選擇適當的高通、低通或帶通濾波片，將干擾目標成像的光譜成分濾除，使目標在圖像中的對比度得到改善。
1 濾波裝置的組成
濾波裝置是將裝載不同波長性能濾光片的轉輪置于攝影或攝像機之前，在攝影、攝像機工作時，控制轉輪，使不同波長的光成像，比較成像的質量，決定濾光波長。
本套裝置選用常規攝像機，考慮到目標距離攝影點很遠，使用伽利略系統，目鏡放大倍數為10倍，焦距為25mm，物鏡焦距為900mm，總角放大倍數為36倍，有連拍功能。濾波裝置由機械載片轉盤、步進電機驅動器、控制電路以及顯示設備組成。
主要完成以下功能：
（1）控制機能夠帶動轉盤在0.5s內轉動72°。
（2）完成轉動后滯留一段時間，繼續下一步，滯留時間以0.1s為單位可調。
（3）運行速度、加速度可調，轉動角度以0.9°為單位可調。
（4）具有顯示功能，顯示參數設置信息以及電機運行信息。
（5）具備串口功能，可以方便進行程序燒寫，并可與上位機交互通信及控制。
2 步進電機驅動控制裝置
2.1 步進電機選型
攝像機帶動轉盤轉動，對電機要求較高，不僅啟動速度要快，而且停止后定位要準確，但在設計時發現轉盤的轉動慣量較大，不易停止下來。通過實驗發現，采用永磁式步進電機可以滿足本裝置中對電機的要求：電機既可滿足帶動轉盤高速運動的同時，又可滿足在停止時轉盤定位準確無過沖現象，同時功率消耗較小。
步進電機型號定為：85BYGH-201。
2.2 控制電路設計
步進電機控制方框圖如圖2所示。
為了保證本裝置結構簡單、運行可靠，經過論證，步進電機控制器采用STC89C52單片機芯片，能夠滿足本裝置使用要求。該系統能夠發出脈寬、頻率、脈沖個數均可控制的方波，控制電機運行，并且還可以利用串口對單片機進行程序的燒寫，對其功能可以進一步擴展。其整體的電路圖如圖3所示。
采用SMC1602A液晶顯示器，能夠將濾波裝置的參數設置及工作狀態實時顯示出來，供操作人員實時監控。操作人員可以通過操作液晶顯示器面板的控制按鍵，實現裝置控制參數的顯示、設置、電機運行和停止等功能。如圖4所示是按鍵控制電路圖。
2.3 軟件設計
單片機采用多中斷系統，分析判斷中斷標志位，確定有無中斷以及中斷方式，確定中斷方式后再通過查詢方式判斷具體工作模式，最后執行相對應程序。軟件控制流程如圖5所示。
3 實驗分析
采用普通攝像機加裝本濾波裝置，濾波片濾光范圍在300nm至1200nm之間，對150米以外的物體做光譜采集，不漏掉目標，干擾光不進入系統，電機帶動轉盤按照預設程序，與攝像系統配合，依次拍下目標光譜信息。本濾波裝置正確地在外場采集了目標光譜。如圖6為拍攝照片濾波對比效果圖。
綜上實驗結果，從圖中可以看出，濾波裝置正常工作，濾波效果達到預期目標。
4 結束語
本套濾波裝置采用步進電機傳動，脈沖頻率控制轉速，脈沖個數控制轉角，使曝光與傳動匹配。結構簡單易行，用常規攝影攝像儀器、濾光片，經過光譜濾波后改進像質效果很明顯，得到較好的像質。
參考文獻
[1]崔星.機電混合驅動系統特性與參數匹配研究[D].北京：北京理工大學機械與車輛學院，2009.
[2]姚榮斌，孫紅兵.基于STC89C51RC的轉速測量系統設計[D].連云港師范高等專科學校學報，2007（04）：84 -87.
[3]劉保延等.步進電機及其驅動控制系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.
[4]馮曉，劉仲恕.電機與電器控制[M].北京：機械出版社，2005.
[5]王詣，尤麗華.基于AT89S51單片機的步進電機控制系統的研究[D].無錫：江南大學機械工程學學術論文，2005.
作者簡介
李陽（1977-）男，遼寧省葫蘆島市人。工程師，從事光學測量工作。
關鍵詞：區域經濟;工程實踐;創新能力;課間壁壘
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）41-0183-02
由經濟形勢和行業需求所決定，中國高等教育資源和學生分布于理工科的占比大于其他學科。反思高校工程教育，筆者認為存在如下問題：
1.理工科學校對工程科技人才培養定位含糊，特色不明，重規模，輕質量。包括教師、教材、實驗和作業把工程問題當成“可以解決”的簡單問題。造成學生不能發現問題、提出問題、簡化問題并最終解決問題。
2.重答案，輕過程。好奇心是創新的基礎，有成就的科技工作者大多具有較強批判精神，敢于問“為什么”，并從中找到科學創新點。學生最初不會提問，然后害怕提問，最后變成沒有問題可提。
3.關注教師授課體系，輕視學生知識系統。教師灌輸式的教學方式，學生死記硬背的學習方式，無法掌握知識的內涵。教師提供“標準答案”，學生習慣于互相看答案。重以教師為中心，輕以學生為中心。
4.重科學論文，輕工程設計和實踐教育。缺乏設計和工程實踐環節，學生很少對實驗產生深刻印象，更不用說影響學生興趣和愛好。專業缺乏學科融合與交叉;與企業關系疏遠;重理論輕實踐，重課堂教學，忽視實踐環節，注重傳授知識，不重視能力或者輕視能力培養。
我國的工程教育規模居世界首位，提高工程教育質量是當務之急。高等教育培養出數量足夠，能面向生產一線的優秀工程科技人才，這是中國高等工科院校不可推卸的歷史責任。要達到這一目的，論文提出了提高本科工程教育質量的對策，并結合區域經濟特色，探討協同培養高校工程技術本科人才的模式，并以株洲區域經濟為例，詳述了湖南工業大學高校工程技術本科人才培養模式。
一、株洲區域經濟
株洲是“中國電力機車搖籃”，也是“中國軌道交通之都”。南車株洲電力機車研究所有限公司、南車株洲電力機車有限公司、南車株洲電機有限公司等核心企業，在軌道交通裝備領域的歷史積淀、品牌優勢、技術實力、集群優勢是國內其他企業所無法比擬的。株洲電力機車廠出產了中國的第一輛電力機車，并且較長時期壟斷國內市場;南車株洲電力機車研究所有限公司是中國電力機車牽引傳動系統、安全監控系統的行業龍頭;南車株洲電機有限公司是中國最大的高速動車組、城軌車輛電機和變壓器專業化科研、生產基地。目前，株洲市擁有軌道交通產業相關企業共300余家，產業門類齊全，已形成完整的產業鏈，軌道交通零部件、配套件等覆蓋電力機車與鐵路車輛所需的70%以上，已成為全國最大的軌道交通裝備制造產業集群。
作為“長株潭”國家自主創新示范區中重要一極，株洲在國家創新型城市建設的戰略指引下，全力打造“中國動力谷”。2013年，株洲軌道交通產業入選全國首批創新型產業集群試點，“株洲國家軌道交通裝備高新技術產業化基地”在17家被科技部授牌的國家高新技術產業化基地中綜合實力排名第一。株洲到2016年將在以高新區為核心的區域內，形成全國首個千億規模軌道交通產業集群，將推動科技服務體系的建立和完善，進一步提升產業鏈的科技含量，加速實現軌道交通產業的跨越發展。
軌道交通產業的良性發展離不開專業人才的培養，本地區的軌道交通對該領域的高層次人才需求很大。
二、結合區域經濟的高校本科人才培養模式
根據株洲區域經濟特色，以軌道交通自動化為主，分析相關企業行業的創新需求、并據此設置高校實踐教學環節，培養本科工程實踐創新能力，優化并合理使用本科專業創新資源，從而形成課堂理論培養為主、課外實踐工程能力為輔完整的師資整合和創新訓練體系創新人才培養機制。提出校企共建工程實踐教育中心的舉措，提供學生在企業學習的教學條件，形成“辦學體制、科技創新、人才培養、校企產學研”全方位合作;明確企業承擔繼續培訓工程技術人員和接納實習的責任，為未來工程師提供實習崗位;企業逐漸成為創新主體，擁有先進的技術、設備和高水平的工程技術人員，企業文化有助于學生成長，企業經歷有助于學生就業。
（一）聚合實踐教學創新能量，協同構建高層次師資隊伍
按照創新團隊流動不調動的政策，分別從企業派駐院士、教授、高工及其團隊到湖南工業大學參加創新創業人才的培養，并在資金、項目和人才隊伍組建等方面予以全方位的支持，為形成深度融合的學科方向、學術團隊，并為開展創新活動奠定了堅實的基礎。
將湖南工業大學的高層次人才引進計劃和科研團隊建設目標納入各自的人才隊伍建設工程總體規劃中，并分年度予以實施，在人才隊伍建設工程中，充分考慮協同中心團隊凝練的結構、層次、學科、方向需要，為創新創業人才培養提供強力的人才支持。
對納入創新培養團隊成員，實行重點培養和系統支持，在資源利用、項目申報、研究條件、成長發展等方面制定了相應的支持政策，鼓勵冒尖、鼓勵拔尖、鼓勵創新研究和成果產出。與此同時，全面落實跨單位考評機制和考評辦法。
（二）協同辦學環境，創新人才培養模式
湖南軌道交通核心業務發展和下游產業鏈的延伸對高端專業人才的旺盛需求，極大地調動了相關軌道交通裝備企業共同參與協同辦學的積極性。結合產業對高素質工程技術人才的需求，以創新項目研究為載體，以強化軌道交通自動化相關專業特色為目標，制定“四個共同”人才培養機制。
協同培養研究生的模式主要有兩種：一是獨立導師制。由產業企業的技術骨干單獨指導研究生，研究生在學校修完學科基礎課后進入企業，跟隨指導老師開展課題研究，具體科研題目由導師決定，企業提供學生的住宿和生活費;二是雙導師制。由企業和學校各自派出一名導師共同指導一名學生，學生的課題由兩位導師共同商量。截至2014年底，僅電氣工程、計算機科學與技術等學科已經聯合培養碩士研究生100余人，其中大部分畢業后留在聯合培養單位從事科研開發工作，取得了很好的培養效果，深受企業和社會歡迎。
（三）聚合實踐教學創新能量，實現技術產業無縫對接，快速推進科技成果轉化
圍繞株洲軌道交通千億產業集群核心技術研發、產業鏈延伸的共性技術問題進行協同創新，各協同企業在軌道交通自動化領域針對永磁同步電機與傳動控制、網絡控制及故障診斷等理論進行了深入研究和探討，對相關技術共同進行產業化培育，其中部分成果已成功應用于我國高速軌道交通和城軌鐵路交通運行中。有力推動了株洲軌道交通千億產業集群主導產業的創新發展和高新技術產業的形成，并對其他相關產業形成了創新技術溢出延伸效應，取得了顯著的經濟和社會效益。
大學生創新實踐能力提升后，就業渠道明顯拓寬。近三年畢業生平均就業率達93%以上，在湖南省同類專業中處于領先地位。由于就業成績顯著，2015年湖南工業大學被評為“全國畢業生就業典型經驗高校50強”。
參考文獻：
[1]厲驍，于國慶.基于區域經濟發展的應用型人才培養模式研究[J].中國商論，2015，（12）.
[2]郭松.地方高校教師實踐能力培養的現狀及路徑分析[J].教育教學論壇，2015，（6）.
[3]茹陽.行業高校特色發展服務區域經濟的實踐研究――以沈陽化工大學為例[J].中國科技縱橫，2016，（3）.
[4]常喜，王立忠，張剛，王廣德.通信工程專業特色化人才培養體系的構建[J].高師理科學刊，2015，（6）.
Regional Economic and The University undergraduate engineering Talents Training Mode
GU Zhi-ru1，CHEN Shun-ke1，HUANG Xiao-feng1
（1.College of Electrical and Information Engineering of Hunan University of Technology，Zhuzhou，Hunan 412007，China）
