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(完整版)无刷直流电机开题报告

毕业设计（论文)开题报告

题目：无刷直流电机调速控制系统

院(系)
专 业 班 级
姓 名
学 号
导 师

2012年02月27日

1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）
(1) 题目的背景和意义：
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是,有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点,它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索.早在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷,从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,标志着现代无刷直流电动机的诞生.
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段,无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础,
无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器,引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮,这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入,无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域,成为无刷直流电动机的经典文献,标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前,国内已有无刷直流电动机的系列
产品，形成了一定的生产规模。

2. 本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法
1．电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机.
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同,铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形,并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见。
2．逆变器
目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件,有些主电路已有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块（IPM）,选用这些模块可以提高系统的可靠性.
无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择:
（1）绕组利用率。
与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加，使电阻下降,效率提高。从这个角度来看，三相绕组优于四相和五相绕组.
(2）转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。一般相数越多,转矩的脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。

（3)电路成本。
相数越多，逆变器电路使用的开关管越多，成本越高。桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍，成本要高；多相电动机的逆变器结构复杂，成本也高。因此,目前以星形连接三相桥式主电路应用最多.

3．位置检测器
位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴,以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上,以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围,对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等.

4．控制器
控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。
（2）产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
（3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。
（4）实现短路、过暗自流、过电压和欠电压等故障保护电路。
5．基本原理
通过位置传感器的对电机的位置进行检测,将其位置信号传入微控制器，微控制器对其信号进行逻辑出来，产生相应的脉冲驱动信号,经功率驱动单元放大，放大控制信号对逆变电路进控制,通过电力全控晶体管的开通达到将交流电流转变为直流电流的工作

3. 关于无刷直流电机调速系统的设计基本思路重点和难点
掌握电动机的工作原理,逆变电路的逆变原理，传感器将非电信号转换成电信号，单片机东信号的采集和对信号的处理，protel软件的使用。

4. 完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)
第1-2周：调研、查阅资料,理解题目要求,进行方案设计及论证，完成开题报告。
第3周：开题答辩。并对开题报告做进一步修改、补充和完善。
第4—7周：单元电路设计及单片机接口电路设计。
第8-9周: 程序设计以及电路PCB板图设计.
第10周: 进行中期总结，举行中期答辩。
第11-13周: 电路PCB板加工,元器件采购，电路装配。
第14-15周: 单元电路及系统调试。
第16—17周: 撰写毕业论文。
第18周： 毕业论文答辩。
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