永磁传动技术论文大全11篇

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一、概述

从70年代后期到80年代初期，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技术－交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域中的领域也越来越广泛，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。

二、永磁同步电机伺服系统的基本结构

永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。

1．永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

2．驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。

3．控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心， 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

4．位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式:位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。

5．接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。

三、对当前两种不同的永磁同步电机伺服系统的分析

由于转子磁钢的几何形状不同，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形就有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

PMSM不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下不需要阻尼绕组，效率和功率因素都比较高，体积也较同容量的异步机小。PMSM通常采用矢量控制和直接转矩两种控制方式。矢量控制借助与坐标变换，将实际的三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，控制概念明确；而直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点是调节，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，其控制简单，转矩响应迅速。PMSM的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，但是它的传感器则给调速系统带来了诸如成本较高、抗干扰性和可靠性不强、电动机的轴向尺寸较长等缺陷。另外，PMSM转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。

转贴于

BLDCM组成的伺服系统具有转速平滑，响应快，易于控制等特点，但若按照常规的控制方法，其转速直接与电压相关，易受电源波动和负载波动的影响。BLDCM类似于PMSM转子上也有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是前者的反电势为梯形波，而后者的反电势为正弦波。但由于电磁惯性，BLDCM的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以BLDCM较PMSM脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，PMSM有较大竞争力。另一方面，PMSM单位电流产生的力矩较BLDCM单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，PMSM所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗也大很多。

PMSM的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。PMSM对参数的变化较BLDCM敏感，但当PMSM工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，其矢量控制系统对参数变化的敏感性与BLDCM基本相同。当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。

四、永磁同步电机伺服系统的国内外发展现状

早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人对永磁同步电机的直接起动方面做了大量的研究工作。在上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电机进行了深入的研究，其供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但多数情况下无阻尼绕组。并在该时期发表了大量的有关永磁同步电机数学模型、稳态特性、动态特性的研究论文。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。可设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机。

近年来微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

九十年代初期，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁同步电机伺服驱动。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制 由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。

随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）;基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。

参考文献

[1]林正，钟德刚，陈永校，等．同步型永磁交流伺服系统控制技术评述[J]．微电机，2005，（38）.

[2]高性能交流永磁同步电机伺服系统现状[J]．自动化控制系统，2007．

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中图分类号： TM3 文献标识码： A 文章编号：

前言

直线驱动器主要定位于高精密加工伺服进给领域，因此它的高响应、高效率和高精度三项技术指标一直是国内外学者重点研究方向[1]。传统的直线驱动器一般均采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副来实现，或采用液压系统（气动系统）驱动液压缸（气缸）来实现。

本文提出了一种内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，通过自主优化的控制算法将永磁同步电机高功率密度、高效率的优良性能充分发挥，从而克服采用传统旋转伺服电机的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点，并获得更高的驱动精度以及可控性。

1 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的工作原理和基本结构

永磁同步电机相对于其他类型的旋转伺服电机具有功率密度高、效率高、调速平稳等特点，更适合用于高速高精密加工伺服进给领域。

内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器主要由驱动器壳体、前后端盖、定子、转子、位置传感器、滚珠丝杠、滚珠螺母等组成。具体结构如图1所示。

驱动器采用自然冷却方式，前端盖1和后端盖8通过螺栓与驱动器壳体2连接，定子4固定于驱动器壳体2的内部；转子5安装在空心转子轴7上，转子5两侧安装有平衡环11，转子轴7通过过渡轴套12与前轴承安装轴3连接成一个整体，转子轴7、过渡轴套12和前轴承安装轴3组成的整体通过前轴承14和后轴承10与前后端盖连接。转子轴末端安装有位置传感器9，用来实时采集转子的位置，反馈给驱动控制器。调节螺母13用来调整前部轴承14的游隙。轴承安装轴3前端与滚珠螺母15连接，滚珠丝杠6位于空心转子轴7的内部。

转子结构如下图2所示，转子冲片19经过叠压后由铆钉16进行固定形成转子铁芯，转子铁芯外部沿圆周分布有磁钢17，定子铁芯两端装有有转子扣套18，用来固定磁钢17。

图1内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器结构图 图2 转子结构图

直线驱动器工作时，转子带动转子轴、过渡轴套、前轴承安装轴、滚珠螺母等一起旋转，滚珠丝杠不旋转，从而可以得到滚珠丝杠的轴向直线运动，通过改变转子的旋转方向来改变丝杠的直线运动方向。

2内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的控制实现

空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)由于其直流电压利用率高，易于数字化实现等优点，己广泛应用于交流伺服系统的全数字控制系统中[2]。内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器采用三相电压型功率逆变器作为功率驱动单元，其硬件结构如图3所示。

图3 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器硬件结构示意图

图中，C为系统主电容组，直接接于系统直流母线两端，需根据系统电压及负载考虑其匹配参数，用于稳定系统直流母线的电压波动，保证驱动器正常工作。

主控制板作为直线驱动器的核心，通过CAN与系统部件进行通讯，通过A/D端口采集电机温度、功率器件温度和电机输入电流等信号，通过I/O端口接收前进/后退，开启/关闭、温度设定等信号，经旋转变压器测量接收旋转变压器位置信号由旋变解码芯片U4对其进行解码后传递给电机运行控制芯片U3使用。U3测量驱动电机M1的电流值并根据U4返回的驱动电机位置值、系统提供的一系列信号输出SVPWM矢量控制波形至相应驱动板以控制电机M1的运行。

对于永磁同步电动调速控制策略则采用矢量变换控制。矢量控制技术不论在电机的低速运行区还是高速运行区，其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速系统，尤其在高精度传动系统中其调速范围已达100000：1，因此，特别适合于交流伺服传动系统的控制[3-4]。

图4 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图

如图4所示为内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图，其控制过程为：

1)控制器接收来自上位机或数控系统的位置参考信号χ_Ref，与检测元件检测到的实际位置χ相比较得到位置偏差。为了减小偏差，位置调节器按实现设定好的调节规律(如PID控制、滑模控制等)，给出速度环参考信号v_Ref。

2)将速度环参考信号v_Ref与电机实际运行速度v进行比较，得到速度偏差。以速度偏差为输入，速度调节器按一定的调节规律给出电流环的参考输入i_Ref；

3)根据d、q轴电流偏差，经电流调：竹器调节得到参考电压空间矢量的d、q坐标系分量；

4)经逆Park变换，将参考电压空间矢量的d、q坐标系分量转化为α、β坐标系分量；

5)经SVPWM变换，由参考电压空间矢量的α、β坐标系分量调制输出SVPWM波形，控制电压型逆变器调制三相初级绕组的电压，改变绕组电流。从而改变电动机的加速度、速度和位置。

进一步分析，采用矢量控制的直线驱动器构成了电流环、速度环和位置环的三环全数字反馈。电流环接受速度调节器的输出，控制电流矢量的幅值和相对于定子磁场的位置，从而控制电动机的推力大小和方向；速度环则克服驱动器运行时受到自身推力波动、非线性摩擦力、负载变化以及参数时变的影响，使电机快速而准确地跟踪位置环调节器的输出；位置环则用于消除内环调节偏差及其他未知因素的影响，使驱动器准确跟踪系统发出的位置指令，从而获得预期的加工轨迹。

3结论

本文提出的内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，克服了现有的采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点,并大大提高其驱动精度和可控性。通过对直线驱动器机械结构性能的优化设计，实现最佳惯量匹配,进而保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应要求。通过对直线驱动器驱动控制算法的深入研究，实现由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，进而实现伺服进给系统运动的准确性以及灵活性。

参考文献

[1]G. Brandenburg, S. Bruckl, J. Dormann, et al. Comparative investigation of rotary and linear moor feed drive systems for high precision machine tools．In：International Workshop on Advanced Motion Control, AMC．Nagoya, Jpn: IEEE，Piscataway, NJ，USA，2000，384-389.

[2]F. Blaschke. Principle of field orientation as used in the new Transvektor control system for induction machines, (Das Prinzip der Feldorientierung. die Grundlage fuer die TRANSVEKTOR-Regelung yon Drehfeldmaschinen)，1971，45(10).

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交流传动车辆的制动分类如图1 所示。对于交流电机而言，可使用的电力制动方式除了再生制动， 还有反接制动和能耗制动，但在交流传动车辆中一般不采用。本文分析了各种电气制动方式在交流传动车辆制动中的应用。

图1 　交流传动车辆的制动分类

1 　车辆制动时的制动力分配

德国ICE —V 列车采用复合制动方式，其制动力分配试验结果见图2 。由图2 可知，列车制动时， 高速区列车制动以轨道涡流制动为主，再生制动由于处于弱磁区，随转速不断降低而逐渐增大，总制动力不足可采用盘形摩擦制动补偿;速度降至基速后(图2 中基速对应列车运行速度162 km/ h) ，再生制动力增值到最大;低速下则以盘形摩擦制动为主。

图2 　德国ICE —V 列车复合制动的制动力分配

上海轨道交通3 号线(明珠线) 车辆的牵引、制动特性曲线如图3 所示。城轨车辆的速度较低，车辆均采用再生制动和闸瓦摩擦制动的复合方式。在大部分的速度范围内，均以电气制动为主，速度在5 km/ h 以下时采用空气制动。

图3 　3 号线车辆牵引、制动特性曲线

2 　电力制动分析

力制动指牵引电机运行中产生的电磁制动力。当交流异步电机运行于发电工况下，电机输出转矩作用方向与电机转速方向相反，电磁转矩使得电机处于制动状态，转子减速，牵引电机轴输入机械能转变为电能。按照制动能量的不同产生方式，电力制动可分为反接制动、能耗制动及再生制动。

2. 1 　电力制动原理分析

异步电机在牵引[3 ] 和制动工况下的磁链矢量图如图4。在牵引工况下，定子磁链ψs 带动转子磁链ψr 旋转，定子磁链在空间位置上超前转子磁链，电机输出正转矩。在制动工况下，转子旋转频率超过定子频率，转子电流与牵引状态下方向相反，使得气隙磁场幅值增大。为保持气隙磁场恒定，定子电流需要反向以减小气隙磁场，定子电流流向中间直流环节， 在空间位置上滞后于转子电流，电机输出负转矩。电磁转矩( Tem) 可由定子磁链和转子磁链的叉积得到。B点，电磁转矩变为负值，电机将在负载转矩与电磁转矩共同作用下迅速运行至C 点。如果对电机继续供电，则电机进入反向牵引工况。在反接制动瞬间，电机将产生很大的制动电流和制动转矩。如处理不当，电机将发生反向行驶。从安全角度考虑，电力传动车辆上均不使用反接制动。

2. 3 　能耗制动

能耗制动时切断三相交流电源，并在定子中通入直流电源产生恒定的静止磁场。该静止磁场与转子磁场的相互作用产生电磁转矩，其方向与转子旋转方向相反。牵引工况与能耗制动工况下的电磁与转矩关系如图6 所示。

图4　交流异步电机牵引、制动工况磁链矢量图

在实际运行中，要改变电磁转矩，可以通过改变定子磁链和转子磁链的相位关系来实现。

2. 2 　反接制动

反接制动是通过控制定子磁场的旋转方向与转子磁场的旋转方向相反来实现的。电机正向旋转时， 定子磁场超前于转子磁场，定子磁场拉动转子磁场以同步转速旋转;当改变电源的相序时，定子磁场的旋转反向，而转子磁场因转子惯性的作用运行方向不变，滑差s

图5　反接制动工况下电机调速特性

在牵引状态下，定子电压与频率一定时运行于图5 中A 点，电磁转矩与恒负载转矩TL 相平衡。反接制动时，电机的转矩—转速特性曲线变为曲线2 ， 由于电机转速不能突变，电机工作点由A 点变为

图6　电机牵引工况和能耗制动工况电磁模型

能耗制动工况下，转子和负载的动能及从直流电源吸收的电能全部转换为转子回路的损耗，使得电机发热严重。能耗制动的最大优点是可以通过改变定子绕组直流电流的大小来调节磁场，进而控制制动转矩。由于在车上需加装可调的直流电源，以及牵引电机发热严重等因素，交流传动车辆上一般也不采用能耗制动。

2. 4 　再生制动

电机运行过程中，如果外力使电机转子加速，或人为控制定子频率降低，使转子频率高于定子频率， 滑差s

出现再生制动状态通常有两种工况:

(1) 减速制动。图7所示为电机机械特性曲线。定子频率为f 1 ， 负载转矩为TL ，电机工作于第一象限点A点(曲线1) ，电磁转矩与负载转矩相平衡。减速制动时， 降低定子供电频率为f ′ 1< f1) ，1 (f ′ 由于车辆惯性，电机转速不发生突变，电机工作于第四象限的B点(曲线2) 。这时， n > n1、Tem < 0 ， 电机进入发电状态，在电磁转矩和负载转矩共同作用下沿f ′特性曲线减速，若不断降低定子供电频率，可获得满意的减速制动特性。

(2) 恒速下坡制动。车辆下坡时，特别在长大坡道上，由于重力作用迫使车辆加速， 电机工作点沿着f 1 机械特性曲线进入第四象限， 电磁转矩为负，电机为发电制动状态;直到电磁转矩与负载转矩相平衡的C 点，电机处于新的稳定状态。

3 　电磁涡流制动

电磁涡流制动是利用电磁涡流在磁场下产生劳伦磁力，而劳伦磁力方向与物体运动方向相反。电磁涡流制动具有无摩擦、无噪声、体积小、制动力大的优点。目前车辆利用电磁涡流制动的方式主要有盘形涡流制动和轨道直线涡流制动。

3. 1 　盘形涡流制动

盘形涡流制动利用安装在车轴上的圆盘切割磁力线产生涡流和劳伦磁力。根据产生磁场的机理可分为电磁涡流制动和永磁涡流制动。

日铁新干线的高速电动车组采用的电磁涡流制动原理如图8 所示。图中， IF 为励磁电流， 使电磁铁心在制动工况下产生所需要的磁场; n 为轮对旋转速度; TB 为制动力。电磁涡流制动装置安装于电动车组的拖车上，利用相邻车辆牵引电机的主电路电源作为励磁电源。

永磁涡流盘形制动利用永磁铁代替电磁铁线圈产生电磁场，制动盘在磁场中产生涡流阻止磁场增加，产生制动转矩。日本铁道综合研究所试验的永磁涡流盘形制动装置原理如图9 所示。永磁涡流制动装置的制动盘安装于转轴上，定子为永磁圆盘。永磁圆盘分为内圈圆盘和外圈圆盘，配置有内、外两圈磁轭。两圈磁轭内均交错放置N 极和S 极的永久磁铁。车辆正常运行时，外圈和内圈的永磁铁极性为异性排列在一起，磁通在极片和磁轭内构成闭合磁路、不穿越制动圆盘，因而不产生制动转矩。车辆制动时，内、外圈的永磁铁极性为同性排列，永磁铁通过极片和制动圆盘构成磁路。制动盘随转轴转动，切割磁力线产生涡流和制动转矩，改变极片相对位置可以调节制动转矩的大小。

两种涡流制动中，电磁涡流盘型制动的制动功率大，但设备较多，已在日本新干线得以广泛应用; 永磁涡流盘型制动结构简单，但由于目前制动功率受到一定限制，尚处于试验阶段。

图7 　再生制动工况下的

图8 　电磁涡流盘形

图9 　永磁涡流盘形电机调速特性制动装置原理图制动工况的磁通流向

3. 2 　轨道直线涡流制动

轨道直线涡流制动通过对安装于转向架两侧车轮之间的条形磁铁励磁，在钢轨上产生涡流使车辆制动。具有无摩擦、制动迅速等优点。同时，轨道直线涡流制动装置可增加车辆轴重，提高车辆粘着力。其原理图见图10 。制动状态时，由于电磁铁的N 极和S 极相对于钢轨的运动，在钢轨内产生交变的磁场，使钢轨头部产生涡流，涡流与电磁铁相互作用， 产生一个垂直于钢轨面的吸引力和一个与车辆运行方向相反的制动力;垂直于轨面的力可增加车辆的粘着力，与车辆运行方向相反的力就是电磁涡流制动力。但轨道涡流制动如果要得到很大的涡流制动力，则需要很庞大的制动装置。这种轨道涡流制动装置应用于上海磁浮列车的制动控制系统中[4 ] 。

图10 　轨道涡流制动装置原理图

参考文献

1 　徐国卿. 城市轨道交通车辆电力传动. 上海:上海科学技术出版

社，2003

2 　王振民. 三相异步电动机的制动. 北京:机械工业出版社，1998

3 　吴峻. 鼠笼电机再生制动状态分析与控制. 微电机，2002(3) :60

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DSP是一种专用的综合性的微处理器，能够告诉输入和输出数据，其是专门处理以运算为主的信号处理应用系统。90年代DSP揭开了计算机、消费类、通信、军事、汽车等电子市场的新纪元，在这些技术高速发展的同时，又反过来促进了数字信号处理器技术的发展。

一、DSP的电机控制系统概述

常见的数字式闭环电机饲服控制系统原理较为简单，该系统一般由电机、DSP、驱动放大电路、光盘编码器等组成。当DSP接受主机发出的参考输入时（转动角速度及方向），将数据转换为PWM输出，经过驱动放大送给电机，进而产生输出。再通过编码器来检测电机的转动方向和角度，反馈回DSP系统，形成闭环控制，进而达到有效地控制运动精度。如下图所示：

图1 电机控制示意图

设计以DSP为核心的电机控制系统平台对实现多个电机进行控制非常有必要。与其它控制系统相比，电机DSP控制系统有如下优越性：

1、DSP采用哈佛结构或者是改进的哈佛结构，使数据和程序相互独立的总线结构提高了计算能力。因此可以实现比较复杂的控制规律，如智能控制、优化控制等，将现代算法和控制理论的应用得以体现。

2、简化了电机控制器的硬件设计难度，降低了整体的重量，缩小了体积，降低了能耗。

3、DSP芯片内部设计，在一定程度上为元器件的可靠性和稳定性提供了保证，从而会使整个系统的可靠性得到提高。

4、通过DSP控制系统，使得软件的灵活性和硬件的统一性得到了有机的结合，DSP电机控制电路可以统一，如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用改进后的逆变器驱动直流电机等，它们的硬件电路的结构大致相同，我们只需要针对不同的电机，编写和设计出不同的控制规律即可，进而使得系统的灵活性大大提高。

二、电机控制系统的发展

从主传动机电能量转换的角度来看，电机控制系统主要经历了：机械控制系统（如齿轮箱变速）、机械和电气联合控制系统（如感应电机电磁离合器调速）、全电气控制系统（基于电力电子电源变换器的电机控制系统）；而从控制电路的角度来看，经历了模拟电路、数字电路、模拟混合电路、全数字电路控制系统；从控制策略的角度来看，主要经历了从最初的低效有级控制发展到现在的高性能智能型控制。电机运动控制系统主要指电机的位置控制系统或位置伺服系统。电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置，通过编制指令将期望的运动路线得以实现。虽然系统的功率不大，但是对运动轨迹的准确性要求较高，并能频繁启动和制动，该技术在导航、雷达、机器人、数控机床、磁盘驱动器，以及全自动洗衣机等领域得到广泛应用。

三、电机控制系统的类型

在电气传动系统和位置伺服系统中，经常需要使用各种各样的驱动电机，如永磁同步电机、无刷直流电机、直流电机、感应电机、步进电机等。目前常见的电机控制系统主要有以下几种：

（一）直流电机控制系统

直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解藕，可以独立控制，具备良好的调速性能，出力大，调速范围宽和易于控制，广泛用于拖动系统中，目前在各种推进系统中也仍有着广泛的应用。

（二）感应电机控制系统

感应电机定子一般为多对称多相绕组，转子可以是绕线式，也可以式鼠笼式绕组。不同的转子结构，使用不同的控制策略。例如绕线式感应电机可以达到转子串电阻调速、串级调速等目的，而鼠笼式感应电机可以实现电子变频、变极调速的要求。现代交流感电机控制系统主要有以下几种：转差频率控制系统、矢量变换控制系统、直接转矩控制系统、智能控制系统，以及空间矢量调制控制系统等。

（三）同步电机控制系统

永磁交流电机的驱动电源波形主要有正弦波和方波两种。前者称为永磁同步电机，而后者称为直流无刷永磁电机。永磁无刷直流电机的特点是磁极位置检测与无换向器电机一样比较简单，通常为磁敏式霍尔传感器，驱动控制易于实现，主要应用在恒速驱动、调速驱动，以及一些精度要求不很高的领域。而正弦波驱动永磁同步电机的控制系统，电机转子采用的是永磁材料，电子绕组和普通同步电机一样，为对称多相正弦分布绕组。它主要应用在恒速、调速驱动和精度要求很高的位置伺服系统。当前国际国内学者研究较多的是转矩脉动、削弱齿谐波、消除位置传感器技术。

（四）变磁阻电机控制系统

变磁阻电机主要是由反应式步进电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机等组成。步进电机做为电磁式增量运动执行的元件，它的作用是将输入的电脉冲信号转换成执行的线位移和机械角位移信号，从而完成执行操作。所以我们又称步进电机为脉数字电动机或者是冲电动机。简而言之，它是主要用作数字控制装置的执行元件，直接控制者电机旋转角度，切旋转角度与脉冲数成正比关系， 因此电机转速与输入脉冲频率成比例。步进电机的控制一般是采用的开环控制，它的有点使控制系统简单并具有很高的精度。可以改变绕组的励磁顺序实现步进电机的正反转控制。

四、电机DSP控制存在的常见问题

结合自己工作实际，我个人认为在电机的DSP控制中还存在以下不足，有待我们日后解决，具体如下：

（一）控制系统结构需进一步优化

电动机作为控制系统中主要动力执行元件之一，在具体控制系统中起着拖动机械负载实现位置伺服、速度调节、转矩或力控制调节的作用。对于常见的闭环电机控制系统，属于机械运动正向控制，一般由传感、机电祸合关系、信号检测和电气控制这几个部分。机械运动控制通过外部给定的位置信号和转子位置传感器检测的位置信号比较，进而获得位置误差信号。控制系统中的信号检测主要指的是转子位置的检测，以及电压与电流的检测等。我们首先要解决的问题是如何利用检测到的电机转子位置、电流和电压信号观测电机内部磁场的变化。其次是如何反映电机产生的电磁转矩大小，以便有效地控制电机的电磁转矩。

（二）DSP控制的硬件需及时更新

基础以DSP为基础构建的电机控制系统，其硬件资源主要包括：信号检测与转换、PWM控制器、系统接口等等。随着科技快速发展，各设备技术更新较快，为了保证控制系统的高效运行，就必须及时更新DSP控制的硬件。此外控制系统中信号检测是必不可少的，尤其是在闭环控制系统中，状态信息的检测也十分重要，我们必须严格按照工作要求，认真做好信号检测，及时发现、解决问题。而检测信号又分为电量和非电量两大类。电量信号有电流、电压和电功率等；非电量信号包括位置、力或转矩、速度和温度等。这些变量的检测主要是通过传感器将非电量信号转换成电信号再来检测。

参考文献：

[1]刘鼎.基于DSP的永磁无刷直流电机模糊控制系统的研究与实现[D].湖南大学.2010

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中图分类号：TH137.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0110-02

1 引言

伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

伴随着电机由有刷电机、无刷电机以及永磁同步电机的发展历程，伺服驱动器相应经历了模拟电路、8位单片机模数混合电路及高性能DSP电机专用控制解决方案等发展阶段。伺服进给系统的调速范围宽、定位精度高、有足够的传动刚性和高的速度稳定性、快速响应无超调、低速大转矩，过载能力强、可靠性高等诸多特点对控制芯片提出了更高的要求。

2 DSP电路设计

伺服驱动器选用微芯公司高性能16位数字信号控制器dsPIC 30F4011作为无刷电机的主控芯片，它集DSP的高速运算处理能力与电机常用检测接口于一体，成为很多伺服方案的首选。DSP在伺服系统中主要承担对实时输入数据按照某种控制规律、算法实时地计算、处理并且存储，最后将实时结果输出。DSP的性能对整个伺服系统的控制性能起着至关重要的作用，因此选择一款合适的DSP芯片变得尤为重要，整个伺服驱动器硬件都是围绕DSP来设计的。

2.1 dsPIC30F4011芯片及功能

dsPIC30F4011是伺服驱动器的主控芯片。是Microchip公司为满足高性能，高精度伺服要求而推出的一款电机专用芯片，如图1所示，外设资源比较丰富。

dsPIC30F4011采用改进的哈佛架构，能提供最高30MIPS的工作速度[1]，指令宽度为24，16位的数据总线宽度，2KB数据RAM，48KB程序FLASH，除此之外：

（1）高灌/拉电流I/O引脚，25mA/25mA。

（2）5个16位定时器/计数器，需要时可组合成32位定时器。

（3）10位高速模数转换器（ADC）模块。

（4）6路PWM输出，边沿对齐或中心对齐，3个占空比发生器，输出可改写。

（5）可用于带霍尔传感器电机的输入捕捉模块。

（6）可用于进行速度和位置测量的正交编码器接口（QEI），A相、B相、索引脉冲三输入信号。

（7）通用异步收发器（UART）模块。

2.2 dsPIC30F4011开发环境及工具

dsPIC30F4011的开发环境由MPLAB IDE代码编辑器和ICD2程序下载和调试器构成，前者主要完成控制程序代码编辑、修改，经编译生成Hex文件后，通过ICD2下载到器件中，也可以使用ICD2进行调试。

3 伺服驱动器软件的研究

3.1 伺服系统控制程序总体框架

无刷直流电机位置伺服系统主要由无刷电机、功率驱动模块、电子换相单元、光电编码器、原点位置传感器、RS-485总线通讯单元[43]等组成。如图2。

3.2 伺服驱动器控制系统功能的实现

由于电流、速度、位置各环的比例，积分系数值是在电机启动前通过串口设置的，在电机运行过程中也随时可以更改，增强了系统的稳定性，减小了超调，缩短了响应时间[4]。从而实现了无刷电机高要求的控制系统。

4 结语

本课题来源在于研究dsPIC30F4011做为控制核心芯片解决了伺服驱动器的调速范围宽、定位精度高、有足够的传动刚性和高的速度稳定性、快速响应无超调、低速大转矩，过载能力强、可靠性高等诸多特点在设计与运用的问题。从而提高了生产率和加工质量，也满足了定位精度高，响应速度快的要求。

参考文献

[1]孙振源.基于dspic30F4011的BLDC模糊自适应PID控制研究[D].青岛：青岛大学硕士学位论文，2011：35.

篇（6）

2合成纤维纺丝机变频调速系统发展概况

合成纤维纺丝机变频调速系统发展大致可分为3个阶段:

(1)大变频器调速由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机。电动机可逐台起动或分组启动。优点是系统简单、控制方便，可保证多电机同步运行。缺点是变频器容量必须选用很大;单台电动机短路故障有可能引起变频跳闸，造成整台纺丝机停车。

(2)多台小变频器驱动每台电动机均有一台小变频器驱动。对比大变频器驱动，优点有:a)、一台变频器驱动一台电机，可以实现软起动，变频器容量基本与电动机相同;b)、当某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转。缺点是:a)、总设定、总启动需另加调节环节;b)、几台变频器输出频率会有离散性，为达到转速同步，需加串行通信接口。

(3)共用直流电源多台小逆变器驱动采用共用直流电源多台小逆变器驱动。除了保持小变频器拖动的特点外，更重要的是可以实现再生发电制动，也可防止电网瞬时低电压(含瞬时失电)带来的停役故障。

3涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求及对原有拖动系统的分析

(1)涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求

纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。

四高:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步);高精确性(转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%);高转速或甚高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min);高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000小时)。

一少:即少维修或免维修，无须照看。在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压(或瞬时失电)，引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。

(2)原有电力拖动系统的优缺点

原1.5万吨/年短丝直接纺装置的变频器属于第一代变频器，即一台变频器驱动多台永磁同步电动机，此类变频器在技术上采用公用换流环节，具有辅助充电装置的换流电路。优点是:a)、即使直流电压很低时也能可靠换流。b)、在短时间内数倍额定电流(最大为3倍)时，也能可靠换流。c)、变频器由空载状态到负载状态时，能够迅速抑制起动电流的极限值。但变频装置在运行中尚存在以下不足之处:a)、短丝装置由于多台电动机共用一台变频器，无法实现软起动，所以选用时既要考虑到最高频率时直接起动，又要考虑到若干台电机高速运转时，某一纺位故障排除后又继续投入运行，因此变频器容量不得不选用偏大。b)、纺丝机故障停台率偏高。但因变频器不能承受电网瞬时低电压(含瞬时失电)，而由于雷电、电缆接地故障及开关倒闸操作，定会出现瞬时低压现象，造成变频器停役，致使整台纺丝机停产，酿成巨大损失。c)、无法实现再生发电制动。后纺采用直流拖动，电动机维护和保养很麻烦，牵伸比调节也很困难。

4前纺装置变频调速系统特点分析(由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统)

新生产线的前纺部分变频调速系统如图1。前纺装置变频调速系统主要是由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统组成，前纺装置的主要改进是电源系统采用UPS(西门子System4233，330kVA)供电。

正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向32台计量泵电机(永磁同步电动机)提供可变频交流电源。装置控制采用集散式数字工艺控制系统(DCS)和微处理机网络系统，在两台逆变器之间用PLC加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了32台计量泵电动机转速的绝对同步。与原生产线相比，虽然一次性投入较大，但可确保在瞬时低电压(含瞬时失电)时，计量泵可正常工作，提高经济效益。在前纺调速系统中，32台计量泵电动机、7辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。

5后处理装置变频调速系统特点分析

后纺装置的变频调速系统如图2。后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。电动机则采用大功率的异步电动机。共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。与原生产线相比有如下优点:

(1)采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大(如第二牵伸机电动机为400KW)，电能节约也相当可观。另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。

(2)涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。涤纶部原短丝装置的后纺拖动由一台功率较大的直流电动机拖动一根机械长边轴，再带动各道牵伸辊、紧张热定型辊等。直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。另外采用长边轴传动，若要改变生产品种，则牵伸比的调节较困难，并且精度也达不到要求，这样势必会影响产品质量、品种翻改以及高附加值产品的开发。新生产线采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。从投产后的生产情况分析，生产的涤纶短纤维品种增加(其中1.33dtex有光缝纫线销量占全国销量的1/2以上)、质量提高、单耗下降，停车故障大幅减少，经济效益显著。

叠丝机、卷曲机也采用共用直流母线多逆变器调速方案，只是功率较小，不再讨论。切断机则为独立变频器，和一般变频调速原理相同，在此不再展开。

6结束语

(1)如上所述，共用直流母线变频调速技术是可靠的，虽然一次投入较高，但每年可以减少停车2~3次，按一条3万吨/年生产线计算，可减少PET放流8~12吨，同时还可避免因停车造成的纤维质量波动(一次停车将影响144~216吨纤维的质量稳定性)，如此计算不用几年就可收回改造费用。

(2)由于采用共用直流母线变频调速技术，使整体生产条件处于稳定状态，从而给改变产品规格、调整工艺参数带来极大便利。过度时间短，废丝少，工艺调整精确。

(3)从新生产线实际运行情况看，共用直流多逆变器调速系统在涤纶短纤维的生产中优势突出，代表了纺丝机拖动的发展方向。但在后纺部分仍不能完全排除电网失电对变频器的影响，如变频器一旦停役会使正在牵伸的一段涤纶丝(约100m)报废。改进方法可采用两个独立的交流电源供电，分别经整流器整流后送至共用直流母线(需用二极管隔离)，一旦失掉一路电源，仍有另一路交流电源支持，不会停车。另外，前纺卷绕纺丝装机容量196kW，UPS输出容量330kW，实际使用的容量较小，需要注意。

参考文献

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1.前言

在逆变器中，其功率损耗主要出现在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和续流二级管上。IGBT具有驱动功率低，工作频率高，通态电流大和通态电阻小等优点，已成为当前电力电子装置中的主导器件，因此也成为学者研究的热点。当前，对IGBT/DIODE功率损耗研究的方法主要分为基于物理结构的损耗模型和基于数学方法的损耗模型。通过物理结构计算IGBT功率损耗时，需要通过分析IGBT/DIODE的物理结构和内部载流子的工作情况，采用电容，电阻，电感，电流源，电压源等一些相对简单的元件模拟出IGBT/DIODE的特性。这种损耗模型的准确程度取决于器件物理模型的准确程度，因此实现起来非常困难。相反，通过数学模型的IGBT/DIODE功率损耗模型则是利用相关实验数据，推导出电流，电压与IGBT自身参数之间的数学关系，该方法易于实现且通用较强。在已有的论文中，也有类似的功率损耗计算，但表达式不够精准，且没有在常见的功率因数角范围内分段推导得出。本文推导了SVPWM 7段调制情况下，在不同的功率因数角范围内，逆变器中IGBT和续流二级管的导通功率损耗公式。

2.逆变器的功率损耗模型

逆变器的功率损耗主要集中在IGBT和续流二极管上。而这二者的大小主要取决IGBT的开关次数和导通电流的大小，逆变器与永磁同步电机的拓扑结构如图1所示：

图1 逆变器与永磁同步电机拓扑结构

在如图1的结构中，每个周期内6个IGBT开关按照SVPWM 7段式调制顺序依次开关，在一个PWM周期内，每个IGBT和每个续流二级管导通时间相等，因此在一个PWM周期内，每个IGBT/DIODE的导通功率是相等的，在计算中仅需计算一个IGBT/DIODE导通功率，总功率损耗等于6个IGBT的导通功率损耗加上6个续流二极管的导通功率损耗。

2.1 IGBT的导通功率损耗

计算IGBT的导通损耗的时候，通常设导通电压是电流的函数，根据IGBT的基本知识可得到下面的等式：

（1）

式中为IGBT的恒定管压降，为IGBT导通时的等效电阻。以图1中的开关S1为例，在IGBT的导通的一个周期内，仅有半个周期有电流流过IGBT，在另半个周期内无电流流过，因此，可以得到IGBT的功耗如下式：

（2）

式中T为PWM的周期，则为PWM的占空比，N为半个周期内IGBT的开关次数。当IGBT的开关频率足够高的时候，可以认为一个周期内流经IGBT电流是不变的，因此，式（2）可以写成如下形式：

（3）

由上式可以看出，IGBT的导通损耗分为两部分，一部分是由导通压降产生的，而另一部分是由IGBT导通时，等效电阻产生的。当开关频率足够高时，式（3）可以转化为以下形式：

（4）

（5）

在式（4），（5）中，为相电流的周期，为相电流， 可以用下式表示：

（6）

根据空间矢量调制（SVPWM）的基本原理，若以直流环节的中点作为参考点，可以求出PWM的占空比如下式所示：

（7）

该式中，为A相电压的绝对值，对于SVPWM7段式调制方法，由于有效电压矢量在各段的作用时间不相同，所以占空比在各段也不相同，共分为以下6段进行计算：

（8）

式中，为电流的角度，由于电流与电压之间存在一定的相位差，所以表征的才是此时电压矢量的空间角度。式中为功率因数角。功率因数角表征的是定子电流与定子电压之间的相位差，在电机控制中是一个很重要的参数。永磁同步电机空间向量图如图2所示：

图2 永磁同步电机空间向量图

从图中可以看出，电子电流向量与q轴之间的夹角为，定子电压与向量与q轴之间的夹角为，定子电流与定子电压之间的夹角为功率因数角。由空间向量图2可知，定子电流向量与q轴之间的夹角为定子电压向量

与q轴之间的夹角。则其功率因数角

由电流电压可表示为：

（9）

在永磁同步电机控制中，的常见范围是，而对于电流来讲，仅当电流在PWM的正

半周期，即电角度时，有电流从S1端

的IGBT 和S2端的DIODE流过，现基于此，对不同功率因数角范围内流经A+端的IGBT和A-端的DIODE的功率损耗进行计算。

当功率因数角，利用（4），（8）式，将t转化成后，在分段积分可得

下式：

（10）

同理IGBT导通时的等效电阻造成的平均功率损耗表达式可利用式（5），（8）得：

（11）

同理可以推导出当功率因数角

时，导通压降和等效电阻产生的平均功率损耗表达式。这里就不再一一赘述。由上面计算得出的式子可以得出，在功率因素角的时候，IGBT的导通压降产生的功率

损耗表达式在不同的功率因数角范围内是不相同的。相反，IGBT导通时等效电阻产生的功率损耗表达式是相同的。

2.2 续流二级管的导通功率损耗

同样的，当续流二级管导通的时候，其前向导通电压与导通压降和输出电流之间的关系也是线性的，其表达式如下式：

（12）

式中，是流经续流二级管电流的函数。由逆变器基本电路理论以及SVPWM 7段调制的基本原理可知，当电压在SVPWM 7段调制的一个调制区间内时，电流若不从S1的IGBT流过，则必将从S2的续流二级管中流过，因此，在一个PWM周期中，电流作用在续流二级管上的有效时间为为PWM的周期。根据之前列出的计算公式，只需将式前面所有积分式中的占空比即可求出相应功率因数角范围内续流二级管上的功率损耗，结果如下：

当功率因数角时：

（13）

（14）

同理可以推导出当功率因数角

时，续流二级管的平均功率损耗。通过计算出来的式子可以看到，在范围的时候，续流二级管导通压降产生

的功耗表达式在不同的功率因数角范围内是不相同的，相反，续流二级管导通时等效电阻产生的功耗表达式是相同的。

3.结论与展望

逆变器在当今的车用永磁同步电机中运用相当普遍，而对逆变器功耗的研究也成为当今的热门研究课题。但在之前的各论文研究中，均没有给出在不同功率因数角范围内，IGBT和续流二级管上导通功率损耗的准确表达式，本文经过大量计算，给出了在SVPWM 7段式调制方式下，在不同功率因素角范围内，IGBT与续流二极管上导通功率损耗的准确的分段表达式，为日后的研究提供了有力的数学基础。在今后的研究中，只需带入实际的IGBT/DIODE和电机参数（即IGBT的导通压降和导通等效电阻，续流二极管的导通压降和导通等效电阻，逆变器相电流幅值和电压调制比M）就可很简便的求出在不同功率因数角范围内IGBT以及续流二极管上的导通总功耗。再查表得出IGBT的开关功耗，即可求出电动汽车逆变器上的总功率损耗。

参考文献

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[8]王旭东，余腾伟（编著）.电力电子技术在汽车中的应用[M].北京：机械工业出版社，2010.06.

篇（8）

不论社会经济如何飞速，对于电机的控制在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦缺少了电机的控制，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对电机控制系统提出了更高的要求，需要满足及时、准确、安全等特性。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。

目前的单片机广泛的应用在很多的场合，在以下的民用电子产品、计算机系统、智能仪表、工业控制、网络与通信的智能接口、军工领域、办公自动化等领域有广泛的应用。本次的电机控制系统设计使用单片机控制电路实现对电机的控制。

本文采用AT89C51单片机作为硬件核心实现对电机进行控制，通过采集电路采集电机的速度信息，并与设定的速度进行比较，产生偏差信号，偏差信号通过PID调节器调节电机转速，保证电机的恒转速运行。

AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：8位CPU；内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次；完全静态操作：0Hz～24Hz，可输出时钟信号；三级加密程序存储器；128B×8的片内数据存储器（RAM）；32根可编程I/O线；2个16位定时/计数器；中断系统有6个中断源，可编为两个优先级；一个全双工可编程串行通道；可编程串行UART通道；具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式。

1电机控制系统的硬件设计

对于电机的整流电路在实际的应用过程中已经非常成熟，因此可以参考相关的电机设计资料，在本论文中就不做相应的赘述。

1.1功率驱动模块

功率驱动模块是电机控制系统的一个重要组成部分，在本文的电机控制系统中，采用的是IR公司的IRAMS10UP60A，这款集成电路具有硬件电路简单，并且稳定性和安全性、可靠性高等特点。在这款电路中具有自举电路和过温过流保护，这样能够保证闭环速度控制系统的功能。

1.2检测电路

在本篇论文中采用的是无刷直流电机自带的霍尔元件式的位置传感器，霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。

通过遮光盘的齿部的遮挡与不遮挡，使霍尔元件产生高、低电平信号，从而提供了电动机的转子位置信息。当电机转轴逆时针转动时，遮光盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”（高电平）；当齿部离开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”（低电平），这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。

1.3电流采样设计

2电机控制系统软件设计

3结论

随着性能高的微处理器的出现，采用高性能的处理器可以简化系统的设计，同时还能够提高系统的安全性、可靠性。根据这种方法设计的电机控制系统与传统的电机控制系统相比较在成本上具有很大的优势。本文利用ATMEL公司的AT89C51的单片机，设计出了相应的硬件和软件系统，在系统的软件设计中，采用了模块化的设计思想，并给出了相应的设计流程，这种芯片式的电机控制系统设计，简化了设计的时间，降低了开发成本，能够很好的实现系统的功能。

参考文献：

篇（9）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）41-0183-02

由经济形势和行业需求所决定，中国高等教育资源和学生分布于理工科的占比大于其他学科。反思高校工程教育，笔者认为存在如下问题：

1.理工科学校对工程科技人才培养定位含糊，特色不明，重规模，轻质量。包括教师、教材、实验和作业把工程问题当成“可以解决”的简单问题。造成学生不能发现问题、提出问题、简化问题并最终解决问题。

2.重答案，轻过程。好奇心是创新的基础，有成就的科技工作者大多具有较强批判精神，敢于问“为什么”，并从中找到科学创新点。学生最初不会提问，然后害怕提问，最后变成没有问题可提。

3.关注教师授课体系，轻视学生知识系统。教师灌输式的教学方式，学生死记硬背的学习方式，无法掌握知识的内涵。教师提供“标准答案”，学生习惯于互相看答案。重以教师为中心，轻以学生为中心。

4.重科学论文，轻工程设计和实践教育。缺乏设计和工程实践环节，学生很少对实验产生深刻印象，更不用说影响学生兴趣和爱好。专业缺乏学科融合与交叉;与企业关系疏远;重理论轻实践，重课堂教学，忽视实践环节，注重传授知识，不重视能力或者轻视能力培养。

我国的工程教育规模居世界首位，提高工程教育质量是当务之急。高等教育培养出数量足够，能面向生产一线的优秀工程科技人才，这是中国高等工科院校不可推卸的历史责任。要达到这一目的，论文提出了提高本科工程教育质量的对策，并结合区域经济特色，探讨协同培养高校工程技术本科人才的模式，并以株洲区域经济为例，详述了湖南工业大学高校工程技术本科人才培养模式。

一、株洲区域经济

株洲是“中国电力机车摇篮”，也是“中国轨道交通之都”。南车株洲电力机车研究所有限公司、南车株洲电力机车有限公司、南车株洲电机有限公司等核心企业，在轨道交通装备领域的历史积淀、品牌优势、技术实力、集群优势是国内其他企业所无法比拟的。株洲电力机车厂出产了中国的第一辆电力机车，并且较长时期垄断国内市场;南车株洲电力机车研究所有限公司是中国电力机车牵引传动系统、安全监控系统的行业龙头;南车株洲电机有限公司是中国最大的高速动车组、城轨车辆电机和变压器专业化科研、生产基地。目前，株洲市拥有轨道交通产业相关企业共300余家，产业门类齐全，已形成完整的产业链，轨道交通零部件、配套件等覆盖电力机车与铁路车辆所需的70%以上，已成为全国最大的轨道交通装备制造产业集群。

作为“长株潭”国家自主创新示范区中重要一极，株洲在国家创新型城市建设的战略指引下，全力打造“中国动力谷”。2013年，株洲轨道交通产业入选全国首批创新型产业集群试点，“株洲国家轨道交通装备高新技术产业化基地”在17家被科技部授牌的国家高新技术产业化基地中综合实力排名第一。株洲到2016年将在以高新区为核心的区域内，形成全国首个千亿规模轨道交通产业集群，将推动科技服务体系的建立和完善，进一步提升产业链的科技含量，加速实现轨道交通产业的跨越发展。

轨道交通产业的良性发展离不开专业人才的培养，本地区的轨道交通对该领域的高层次人才需求很大。

二、结合区域经济的高校本科人才培养模式

根据株洲区域经济特色，以轨道交通自动化为主，分析相关企业行业的创新需求、并据此设置高校实践教学环节，培养本科工程实践创新能力，优化并合理使用本科专业创新资源，从而形成课堂理论培养为主、课外实践工程能力为辅完整的师资整合和创新训练体系创新人才培养机制。提出校企共建工程实践教育中心的举措，提供学生在企业学习的教学条件，形成“办学体制、科技创新、人才培养、校企产学研”全方位合作;明确企业承担继续培训工程技术人员和接纳实习的责任，为未来工程师提供实习岗位;企业逐渐成为创新主体，拥有先进的技术、设备和高水平的工程技术人员，企业文化有助于学生成长，企业经历有助于学生就业。

（一）聚合实践教学创新能量，协同构建高层次师资队伍

按照创新团队流动不调动的政策，分别从企业派驻院士、教授、高工及其团队到湖南工业大学参加创新创业人才的培养，并在资金、项目和人才队伍组建等方面予以全方位的支持，为形成深度融合的学科方向、学术团队，并为开展创新活动奠定了坚实的基础。

将湖南工业大学的高层次人才引进计划和科研团队建设目标纳入各自的人才队伍建设工程总体规划中，并分年度予以实施，在人才队伍建设工程中，充分考虑协同中心团队凝练的结构、层次、学科、方向需要，为创新创业人才培养提供强力的人才支持。

对纳入创新培养团队成员，实行重点培养和系统支持，在资源利用、项目申报、研究条件、成长发展等方面制定了相应的支持政策，鼓励冒尖、鼓励拔尖、鼓励创新研究和成果产出。与此同时，全面落实跨单位考评机制和考评办法。

（二）协同办学环境，创新人才培养模式

湖南轨道交通核心业务发展和下游产业链的延伸对高端专业人才的旺盛需求，极大地调动了相关轨道交通装备企业共同参与协同办学的积极性。结合产业对高素质工程技术人才的需求，以创新项目研究为载体，以强化轨道交通自动化相关专业特色为目标，制定“四个共同”人才培养机制。

协同培养研究生的模式主要有两种：一是独立导师制。由产业企业的技术骨干单独指导研究生，研究生在学校修完学科基础课后进入企业，跟随指导老师开展课题研究，具体科研题目由导师决定，企业提供学生的住宿和生活费;二是双导师制。由企业和学校各自派出一名导师共同指导一名学生，学生的课题由两位导师共同商量。截至2014年底，仅电气工程、计算机科学与技术等学科已经联合培养硕士研究生100余人，其中大部分毕业后留在联合培养单位从事科研开发工作，取得了很好的培养效果，深受企业和社会欢迎。

（三）聚合实践教学创新能量，实现技术产业无缝对接，快速推进科技成果转化

围绕株洲轨道交通千亿产业集群核心技术研发、产业链延伸的共性技术问题进行协同创新，各协同企业在轨道交通自动化领域针对永磁同步电机与传动控制、网络控制及故障诊断等理论进行了深入研究和探讨，对相关技术共同进行产业化培育，其中部分成果已成功应用于我国高速轨道交通和城轨铁路交通运行中。有力推动了株洲轨道交通千亿产业集群主导产业的创新发展和高新技术产业的形成，并对其他相关产业形成了创新技术溢出延伸效应，取得了显著的经济和社会效益。

大学生创新实践能力提升后，就业渠道明显拓宽。近三年毕业生平均就业率达93%以上，在湖南省同类专业中处于领先地位。由于就业成绩显著，2015年湖南工业大学被评为“全国毕业生就业典型经验高校50强”。

参考文献：

[1]厉骁，于国庆.基于区域经济发展的应用型人才培养模式研究[J].中国商论，2015，（12）.

[2]郭松.地方高校教师实践能力培养的现状及路径分析[J].教育教学论坛，2015，（6）.

[3]茹阳.行业高校特色发展服务区域经济的实践研究――以沈阳化工大学为例[J].中国科技纵横，2016，（3）.

[4]常喜，王立忠，张刚，王广德.通信工程专业特色化人才培养体系的构建[J].高师理科学刊，2015，（6）.

Regional Economic and The University undergraduate engineering Talents Training Mode

GU Zhi-ru1，CHEN Shun-ke1，HUANG Xiao-feng1

篇（10）

曲折之一：方案如何优化细化

课堂上，我事先作了“翻转”设计，课前抛出问题让学生百度各种解决方案，包括淘宝上的成品自动雨水感应晾衣架，然后在课堂上集思广益，比一比谁的方案能在众多方案里胜出？还是需要优势组合？最终学生们形成的设计预案如下。

设计一个雨水感应自动收衣装置，当雨水感应器上滴到雨滴或者天色明显变暗时，启动机械臂把衣服收进阳台。如果雨水感应器上的水滴被晒干（雨转多云），光线又足够亮时，衣服再次晒出。主人可以设置预约收衣时间。并且对是否雨后重新晒出作出预设。S4A控制画面同步运行。

以上要求进一步分解后具体要达到以下控制：（1）有雨或者光线明显变暗时，收衣服。（2）当天空放晴、光线变亮，且传感器上雨水被晒干时，衣服重新晒出。（3）主人可以预设收衣时间。此时无论天气如何，衣服强制收回。（4）主人可以手动收衣或者定r收衣，此两种模式收好衣服后不再晾出。

此环节的产品技术设计思维训练得到了充分的体现，学生要针对在自己周围每天都要发生的问题模拟产品设计工程师进行设计及分解。

曲折之二：机械传动如何设计

学生在设计方案时碰到的第一个拦路虎，不是来自电子线路，而是机械传动部分。图1所示开窗器按供电模式分有24V直流、220V交流两种，其中按开窗器机械臂行程长短又有100mm到1500mm等不同种类。本例所有24V直流电，当正接时机械臂伸出，反之缩回。

图2看似简单的机械结构，是社团学生沟通、争论了很久才有的结果。首先，淘宝上对开窗器的介绍寥寥数字，很多具体问题需要直接跟淘宝店主沟通。比如，产品大都与配套的升降（或开合）控制盒一起销售，能否拆分购买等具体问题；没有控制盒，Arduino 又如何担当起智能控制的重任？

曲折之三：S4A控制的画面如何同步变化

下载3DMAX阳台模型（可直接使用软件包中模型）、衣架模型后，利用标准基本体构建衣架及开窗器机械臂模型。由于MAX模型中的元素较多，建议按图3所示对衣架进行“成组”操作。

按F10对衣架运动中的几个关键帧分别渲染，注意本例下载的模型须安装V-RAY插件，并在公用―指定渲染器中选择V-RAY渲染器。

曲折之四：如何实现开窗器机械手的伸缩

当了解到24V直流电机正负极倒置后伸缩方向即相反后，有学生搜索关键词“直流电机正反转 继电器”绘制出图4所示控制线路。经反复推演各种可能，均不会造成短路事故。

曲折之五：开窗机的电机本身没有到位后自动停止功能，如果开窗或者贯穿机械臂到位后继续加电，将对电机造成伤害，此问题如何破解

有学生称可以设置时间，但是马上又有学生质疑，当挂的衣服重量不同时，造成的阻力不同，时间不是一个定量。后来有学生询问淘宝商家后找到了解决办法，如图5在数字口2、3分别安装两个磁感应开关，相关的动臂上安装永磁铁。当检测到机械臂运作到位后，立即停止供电。

曲折之六：脚本如何设计

晒衣部分脚本：当绿旗被点击时，当系统检测到接在模拟口0的光线传感器数值大于800，光线充足，并且接在模拟口5的雨水传感器上无水滴，数值小于50，则广播晒衣服。

收衣部分脚本：分三个条件语句，第一是检测光线数值小于150则收衣。第二是检测雨水传感器数值大于100则收衣。第三是按钮传感器大于1000即接通状态则自动收衣。

预约收衣部分脚本：当绿旗被点击时，先询问预约多少小时后收衣，然后将输入值赋予变量t，计时器归零。计时器单位为秒，因此变量t须乘3600。当计时器数值大于预设时间，广播收衣服。

曲折之七：学生开始编制脚本时发现继电器反复被触发，“哒哒”声不断，这对继电器及控制终端都不是好事，如何解决

为了防止继电器反复被触发，损伤电机及其他器件，分别设置变量k、m，当条件已符合时分别设定为1。然后将相关变量不等于1，即等于1不成立，作为条件语句的必备条件之一。

当晒衣触发时，变量K为1，当收衣触发时变量M为1。如果系统对两个事件依次触发一遍。如果不对相关变量清零，则造成太阳出来后或者下雨了系统不再有响应。所以要对K赋值1的同时，要对M清零。反之也一样。

由于手动收衣及定时收衣要求之后即使符合晒衣条件时也不再触发，所以不再对M清零操作。为保险起见，建议在对K赋值1的同时，添加给变量M赋值1的语句。

篇（11）

(三)运用税收杠杆助推质量效益升级1.税收能源消耗挂钩制度。针对全县陶瓷行业均是中小企业且税务监控难的实际,由两税、统计等部门深入企业、气、电等能源供应部门调研,广泛收集企业产能、产值、总能源消耗等数据,测算出行业平均气、电、煤等单位能耗产值,结合行业实际分产品大类,将产品单位能耗作为税收的重要参考,促使企业采取措施降低能耗。2.节能项目税收优惠制度。企业从事节能项目所得,自项目取得第一年生产经营收入所属纳税年度起,前三年县级企业所得税全部返还,第四年至第六年企业所得税减半返还;企业购买并使用《节能节水专用设备企业所得税优惠目录》规定的节能设备,该专用设备投资额的10%可以从企业当年的应缴纳税中抵免;当年不足抵免的,可以在以后5个纳税年度结转。3.节能研发税收抵扣制度。企业为研发新技术、新产品、新工艺发生的研究开发费,未形成无形资产计入当年损益的,在按照规定据实扣除的基础上,按照研究开发费用的50%加计扣除;形成无形资产的,按照无形资产成本的150%摊销。

二、三大特点凸显节能减排成效

(一)走出了一条政府多种手段调控能耗的新路子1.节能降耗初见成效。2008年1—6月,全县130家模以上企业,总能耗76万吨标煤,规模以上万元工业增加值能耗5.285吨标煤,较去年同期下降8.08%,节约标煤6.687万吨。2.环境保护力度加大。率先在四川省施行环保信誉考核制度和乐山市在建立乡镇环保办,企业环保信誉考核制度和约见谈话制度不断巩固,网格式环境监察不断扩展,新万兴公司投资566.55万元,治理喷雾干燥塔5座、压制生产线5条和磨边生产线5条,每年可减少粉尘排放911.2吨。2008年1—6月,全县削减二氧化硫1021吨,完成全年任务的184.96%。3.生态环境初步改善。治理水土流失5平方公里,成片造林5000亩,四旁植树35万株,森林覆盖率提高0.6个百分点,全县城区环境质量好于二级天数占总天数的93%。2008年1—6月,全县财政投入140万元,撬动企业和社会各界投入3.5亿元投入节能环保技术改造。

(二)走出了一条企业主体作用充分发挥的新路子1.开展废料循环利用。建辉、新万兴等21家陶瓷企业建成废水处理循环利用设施,抛光线日耗水从2000吨/条减为600吨/条,工业用水重复利用率达71%;全部陶企废水沉淀物压滤干化后再次用作陶瓷生产坯料,减少原料消耗和废物排放;峨佳、峨顶水泥厂每天使用陶瓷废渣200—300吨,年产熟料水泥20—25万吨。2.实施工业窑炉节能。推广陶瓷窑炉一次烧成技术、窑炉内堂涂节能材料及加长燃气喷枪、改造风机和烧嘴脉冲助燃,威尼陶瓷改传统的二次烧成为一次快烧,年节约天然气达150万方以上,节能率达20%;明珠陶瓷改单层为双层燃气生产线,下层煅烧窑炉的热能直接作用于上层干燥窑炉,综合能耗下降20%,产能提高30%。3.实现余热余压利用。重点在陶瓷行业推广窑炉尾气余热复用喷雾塔技术和陶瓷辊道窑余热发电技术,东泰陶瓷厂利用蒸汽发电机余热发电,可满足企业自身50-70%的生产用电,年可发电250万度,度电成本仅为0.05元;米兰诺等企业利用窑炉尾气余热复用喷雾塔,可节省喷雾塔原煤或天然气耗用,尾气利用率达到30%,节能率达13%。4.推进机电系统节能。以电力电子技术传动方式改造机械传动方式,采用交流调速取代直流调速,重点推广高效节能电动机、稀土永磁电动机和软启动装置、无功补偿自动投切装置、计算机自动控制系统等;合理匹配电机系统,消除“大马拉小车”现象。5.推广能量系统优化。重点在陶瓷行业通过系统优化设计、技术改造和改善管理,提高能源系统效率。近两年,新中源、新万兴、米兰诺等企业投入技改资金达7亿多元,科达陶瓷在省内陶企业中首家通过ISO10012:2003测量管理体系认证,西部瓷都陶瓷产区实现煤渣固体垃圾的零排放。

(三)走出了一条切实转变经济发展方式的新路子1.企业竞争力明显增强。3家企业进入了全国建陶行业销售收入30强,2家进入“四川省行业领先中小企业”200强。2.自主创新能力显著改善。组建四川省建筑陶瓷工程技术研究中心,高档红坯陶瓷共性技术研发取得初步成果,研发出“玉晶石”系列产品,利用钒钛矿渣生产有色仿古砖技术得到突破,企业新获专利授权3件,建辉公司被命名为四川省建设创新型培育企业。3.品牌战略实现突破。目前全县已有中国驰名商标1个、四川省著名商标3个、省级名牌2个和16个国家免检产品。新万兴年底将建成中国名牌产品,建辉、米兰诺将获得中国驰名商标。

三、四位一体建立节能长效机制

(一)完善行政问责制进一步明确县乡政府节能减排责任,对本行政辖区内节能减排考核结果实行四挂钩。1.跟政绩挂钩。将节能排污总量指标分值和经济增长的分值实行同等权重。2.跟职务任免挂钩。实行节能减排一票否决,被评为差和较差的不予提拔。3.跟评先评优挂钩。节能减排差的取消评先评优资格。4.跟执行纪律挂钩。对监管失职、渎职、发生重大环境污染事故或造成区域环境质量恶化的给予纪律处分。

(二)完善能效准入制1.制定目录。根据国家、省、市产业政策以及夹江县资源供给、环境容量及产业发展的现状,加快制订夹江县限制和淘汰制造业落后生产能力目录。2.能耗审核。固定资产投资项目的可行性研究报告(项目申请报告)必须包括合理用能的专题论证或节能篇(章);固定资产投资项目的设计和建设,必须遵守合理用能标准和节能设计规范。3.能效标识。严格执行国家能效标识管理办法,加强对强制性能效标识制度产品的监督检查,积极推动节能产品质量认证。

(三)完善激励约束制1.奖励机制。坚持和完善财政专项资金“以奖代补”新机制,对重大节能技术和产品推广应用、城市污水处理设施配套管网建设等关系节能减排成效的关键领域和关键环节,采取财政专项奖励资金与节能减排量挂钩办法,多节能减排,多奖励,并在气、电、运等要素配置及项目申报上给予优先考虑。2.约束机制。加强对企业节能降耗的政策调控,对不认真实施节能管理,能源使用效率低下的企业,在调峰错峰时将首先限制其用电,在生产要素配置、项目申报和享受有关优惠政策方面不予支持,并依照有关法律、法规予以相应处罚。

(四)完善监察督导制1.网络监察。重点抓好县乡两级自动监测联网建设,主要搞好重点节能减排企业、污水处理厂、主要饮用水源地、小集镇和工业集中区五个方面的在线监控设施建设。2.强化执法。建立以企业节能环保自查与执法人员现场监测检查和日常执法监管与专项行动相结合的节能环保监察制度,提高节能环保执法能力和水平。3.挂牌督办。坚持以查促改,对突出的节能减排问题进行挂牌督办,县发改、环保、工业、监察、统计等部门密切配合,限期解决。4.责任追究。全面落实节能减排法律法规,严格节能降耗和环境污染行政责任追究,确保查处整改到位、责任追究到位。5.能耗公示。每周通过电视台、西部瓷都网站等媒体公布一次主城区的空气质量预报,每季度向县“四大家”和县级各部门通报一次全县节能减排状况,每年底对节能减排“责任书”执行情况进行考核。