开题报告-三相无刷直流电机常见故障的仿真研究.doc

毕业设计(论文)开题报告 题 目： 三相无刷直流电机常见故障的仿真研究 学生姓名： 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 4 月 12 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。毕业设计开题报告1文献综述1.1本课题研究的目的及意义直流有刷电动机采用电刷以机械方法进行换向，因此带来了噪声、火花、无线电干扰、寿命短等弱点，限制了此类电机的应用范围。直流无刷电动机具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点1。无刷电机的这些特点使其在计算机外围设备、办公自动化设备、家电、汽车、医疗设备等领域有广阔的应用前景和研究价值。新型功率器件如MOSFET、IGBT、IPM等的迅速发展，更为直流无刷电动机的控制奠定了坚实基础2。无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。优点如下：最大特点：没有换向器（俗称整流子）和电刷组成的机械接触结构。因此无刷直流电机：没有换向火花；寿命长；运行可靠；维护简便；转速不受机械换向的限制3。当电机长期处于过载和高温等情况下,由于元器件老化等原因可能造成电机故障,对于航天,太空机器人等特殊行业这种故障所带来的后果往往是灾难性的。因此对电机故障在线检测与诊断在国内外已经引起了极大的重视4-5。当今,世界对无刷直流电机的故障研究主要集中在以下三个方面: (1)电动机本体:主要有定子相绕组开路、短路及轴承损坏等；(2)电子换向开关:主要有功率管开路和短路两种情况；(3)位置传感器断线等。无刷直流电机主要故障结果如下：1)无刷直流电机一相开路时,正常相电流幅值显著增大,但由于有效导通时间减小,有效值减小,转速逐渐降至低于额定转速的一稳态值;2)一相短路时,故障相电流幅值出现较大增加,正常相电流幅值也有所增加,两者的有效值均增大,转速逐渐增至高于额定转速的一稳态值;3)一相上(下)桥臂断开时,故障相正(负)相不导通,故障相和正常相电流有效值均减小,转速也有一定的下降;4)一相上(下)桥臂短路时,故障相始终处于正向(负向)导通状态,故障相和正常相电流有效值均增大,但由于平均电磁转矩降低,转速下降;5)霍尔传感器一相断开时,正常两相分别上下两个桥臂始终不导通,对应的相电流始终正向或负向不导通,三相电流有效值降低,转速下降6。另外在各故障状态下,电磁转矩的脉动均增大。总之,样机的实验结果与仿真分析基本一致,证明了理论分析的正确性。1.2国内外研究现状 设备状态监测和故障诊断技术最早起源于美国，1967 年，在美国国家宇航局的创导下由美国海军研究室主持成立了美国“机械故障预防小组”。20 世纪 60 年代末至 70 年代初，在英国以科拉科特为首的“英国机器保健中心”率先开展研究工作，在宣传、培训、咨询、制定计划、故障分析以及诊断技术开发等多方面取得了很好的成效。欧洲其它国家的设备诊断技术研究也有不同程度的进展，在某些方面占据领先地位，如瑞典的 SPM 轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动、噪声分析和声射技术等。日本的设备诊断技术在民用工业（如钢铁、化工和铁路等）部门发展迅速，而且占有了一定的优势。1971 年新日铁率先开展了设备故障诊断技术的开发研究工作，1976 年基本上进入了实用阶段，开发完成了商品化的专用诊断仪器。从 1978 年起法国电力部门就在透平发电机上安装离线振动监测系统，到 20世纪 90 年代初又提出了监测和诊断支援工作站的设想。90 年代中期，其专家系统PSAD 及其 DIVA 子系统在透平发电机组和反应堆冷却泵的自动诊断上得到了应用。丹麦的 B&K 公司在 90 年代推出了新一代状态监测与故障诊断系 B&K3450 型COM-PASS 系统。而美国 Bently 公司的在线监测系统则在全球范围内，尤其是在中国得到广泛应用。日本三菱重工首先研制出机械状态监测系统，并在多台核电站和商业热电站使用，后来又发展成带诊断规则描述，以及采用模糊逻辑分析确定置信因素功能的振动诊断专家系统7。近十年来，信息技术特别是网络通信技术、大型数据库技术、人工智能的飞速发展给现代故障诊断技术提供了新的活力。现代故障诊断技术正呈现出一些新的特点和趋势，主要表现为：（1）在诊断方法上与人工智能技术紧密地结合，力争取得更多实用成果。智能故障诊断技术是现代诊断技术发展必由之路，智能诊断技术虽然经过多年的发展取得了很大的成就，但是不能很好地满足实际工程应用的需要，智能故障诊断系统的概念体系、知识获取、表示方法、不确定性等方面还有待于深入地、系统地研究，另外，如何将理论化的研究成果尽早地实际应用是智能故障诊断急需解决的问题。（2）在系统结构上朝网络化、分布式的方向发展。网络通信技术给人们的日常生活和工作带来了极大的变化，基于网络的协同工作正成为人们的主要工作方式。许多企业在世界各地广泛分布着生产机构和设备，各种商品的国际化销售，以及大量移动的设备、系统，都使得传统的诊断方式无法满足现代的需求，网络通信技术解决了这样的问题。目前分布式人工智能技术，基于网络的音视频传输技术、基于 Web 数据库技术的研究应用为远程监控故障诊断技术的发展做好了基础。（3）现代故障诊断技术将组织和企业管理信息系统紧密结合。从企业管理角度分析，设备运行的正常性、故障率、维修成本都将对企业的运营状况造成重大影响。另外，故障诊断还要涉及到用户的管理、产品备用件的管理等内容，因此很多ERP 软件都包含了系统设备的诊断、维护管理子系统。有学者认为，将监测诊断融入到企业 MIS 系统中去，将是诊断技术发展的最高方向8。在我国,无刷直流电机的发展时间较短,但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期,主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低,尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大,所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平,有待进一步的研究和开发。当今,世界对无刷直流电机的研究热点主要集中在以下三个方面: 从电机设计和控制策略等方面出发,研究无刷直流电机转矩波动抑制方法,提高其伺服精度,扩大其应用范围; 设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器; 研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性,并进一步缩小电机控制系统的尺寸与重量9。1.3有限元数值分析方法有限元数值分析方法是指把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域（单元）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具,可以逼真地建立人体三维骨骼、肌肉、软组织及血管等器官组织的模型,并能够赋予其生物力学特性。在计算中,对模型进行实验条件仿真,模拟拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,可以求解在不同条件下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及极限破坏等情况10-15。参考文献1 许宇翔基于DSP的直流无刷电机控制器的研究J 福建电脑，2010第5期第三版2 刘刚，王志强，房建成 永磁无刷直流电机控制技术与应用机械工业出版社， 2008：12-133 叶金虎 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计科学出版社，2007：99-1004 Peter B. Schmidt Michael L . Gasperi Glen Ray Initial Rotor Angle Detection Of Non-Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Machine CIEEE Industry Applications Society Annual Meeting New Orleans, Louisiana, October,1997：5-95贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用前景和发展J.微特电机，2000 ：14-176 胡汉才单片机原理及其接口技术M 清华大学出版社，2010-05：11-177詹瑜坤直流无刷电机原理及其数字化控制发展方向M 中国科技信息，2012年第22期第2版8王洋，朱文基于XC866的无刷直流电机驱动器重庆理工大学学报（自然科学），2010：7-89 许宇翔基于DSP的直流无刷电机控制器的研究J 福建电脑，2010第5期第一版10 刘刚，王志强，房建成 永磁无刷直流电机控制技术与应用机械工业出版社， 2008：35-3711 叶金虎 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计科学出版社， 2007：21-2412 Peter B. Schmidt Michael L . Gasperi Glen Ray Initial Rotor Angle Detection Of Non-Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Machine CIEEE Industry Applications Society Annual Meeting New Orleans, Louisiana, October,1997：5-913贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用前景和发展J.微特电机，2000： 14-1714 胡汉才单片机原理及其接口技术M 清华大学出版社，2010：67-6815詹瑜坤直流无刷电机原理及其数字化控制发展方向M 中国科技信息，2012年第22期第三版2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径2.1 课题要求利用ANSOFT在Maxwell 2D模块里直接建立电机的二维有限元模型，根据其自上而下的建立过程得出具体流程包括：构建电机物理模型；设置模型各部分材料属性；设置边界条件、加载激励源；设置运动参量；设定求解参数及细化网格；求解及后处理；保存结果。其中将电机定子、转子材料设定为M19-24G，绕组为Cooper-75，永磁体材料采用XG196/96，定子槽采用梨形槽。本课题所分析样机结构尺寸等参数见表。 电机主要参数参数数值参数数值定子外径/mm123定子槽数/个12定子内径/mm79极对数/对5转子外径/mm78额定转速/rmin-1650转子内径/mm21额定电压/V48气隙/mm1额定功率/W1000采用ansoft maxwell有限元分析软件，将有限元“场”的方法引入到电机分析中，通过其强大的电磁场分析计算及后处理功能，建立电机的精确物理模型，对无刷直流电机的几种常见故障进行分析以获取电机在正常情况及各种故障条件下的电磁场分布及相应的性能曲线，相较传统“路”的方法，精确分析出电机的运行状况，从而为电机的故障诊断和优化设计提供科学、准确的依据。了解无刷直流电机的基本结构和工作原理；电机磁场分析方法，掌握有限元数值分析方法；利用ansoft maxwell 分析软件对电机建模仿真并分析；针对几种常见故障，分析仿真结果，确定设计数据；按照学校有关文件的要求完成毕业设计及前期材料。2.2 拟采用的研究手段及途径建立了带霍尔位置传感器的无刷直流电机仿真模型,利用仿真模型仿真电机常见的包括电机本体、逆变器及位置传感器在内的三类故障。仿真结果采用样机作了实验证实,并在理论上对各个故障仿真结果进行了详细分析。其结论对进一步提高无刷直流电机的故障诊断水平及提高电机的可靠性具有一定指导意义。本课题的研究内容及方案如下：2.2.1仿真模型该仿真模型主要由无刷直流电机模块、逆变器模块、霍尔传感器模块组成。下面分别对以上模块进行说明:(1)无刷直流电机模型a)电机本体模型以A相为例,其电压方程式为:b)转矩与转速测量模块电机的电磁转矩为:根据以上关系,便可得到电机的转矩与转速模型。c)反电动势测量模块已知在无刷直流电机中反电动势为梯形波,当某相上桥臂导通时,该相对应的反电动势处于梯形波正向平顶;下桥臂导通时,对应反电动势则处于梯形波负向平顶,且上下桥臂均各自导通120度电角度。由上可知,反电动势的波形由电角度所决定,同时其大小应由转速所决定。(2)逆变器模块为了便于文中对逆变器进行故障分析,特调用PSB工具箱提供的MOSFET模块,组成无刷直流电机的三相逆变桥。(3) 霍尔传感器模型霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组