无位置传感器电子换相直流电机变频调速设计的开题报告.doc

本科毕业设计开题报告 题 目： 无位置传感器电子换相直流电机变频调速设计 专 题： 院 （系）： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目无位置传感器电子换相直流电机变频调速设计来源工程实际1、研究目的和意义随着大功率开关器件、集成电路及高性能磁材料的进步，采用电子换相原理工作的无刷直流电动机得到了快速发展，并成为驱动先进制冷系统的发展方向。但在目前国内的绝大部分变频空调中，压缩机都采用异步电动机，其成本低，制造工艺简单，但效率与功率因数较低，噪声较大，对变频器容量要求高。无刷直流电机既有普通直流电机良好的调速性能和起动性能，又从根本上消除了换向火花、无线电干扰等弊端，具有寿命长、可靠性高、噪声低和控制方便等优点，理所当然的成为了变频空调驱动的发展方向。将永磁无刷直流电动机应用到压缩机中，不仅克服了异步电动机存在的缺点，且不受电源频率限制，压缩机的额定转速可以设计得较高，既可以优化压缩机的运行效率，又可以减小压缩机的体积。传统的无刷直流电动机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接测量，然而传感器有的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个系统的可靠性难以得到保证。由于压缩机的电动机往往是密封的，连线众多的位置传感器会降低电动机运行的可靠性，并且在空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器很难正常工作。因此，当无刷直流电动机作为压缩机电动机时，采用无位置传感器无刷直流电动机具有很多的优越性。虽然国内有许多的专家学者在无位置传感器的无刷直流电动机的研究方面投入了很多，也取得了不小的成绩，但要看到，与国外的发达国家的无位置传感器的无刷直流电动机研究水平相比，还存在着比较大的差距。因此，研究无位置传感器的无刷直流电动机对于缩小与发达国家的差距，满足人民生产生活的需要，提高人民的生活水平都有着重要的意义。2、国内外发展情况(文献综述)针对传统直流电机的弊端，早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换相来代替机械换向的无刷直流电机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电子开关器件的发展还处于起步阶段，没有理想的电子换相元件，导致这种电机只能停留在实验室研究阶段。1955年，美国的D.Harrison首先实现了晶体管电子开关代替了电刷，但这只是无刷直流电机简单的雏形，无起动转矩，没有实现应用。到六十年代，高强度稀土永久磁铁的有效利用及借助霍尔元件来来实现换相，为无刷直流电机的出现创造了条件。七十年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，许多新型高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钻、钦铁硼等的问世，均为无刷直流电机的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。1978年，原西德MANNESMANN公司的顶dramat分部在汉诺威贸易博览会上正式推出MAC无刷直流电动机系统，标志着无刷直流电动机技术已经进入实用化阶段。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚，八十年代以前，国内对方波无刷直流电动机的研究几乎空白。1987年，在北京举办的联办德国金属加工设备展览会，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁式同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛关注。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，国内已有方波无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。目前，国内主要的研究工作集中在对无刷直流电机的无位置传感器上，己取得了很大的成果，并得到了实际应用。3、研究/设计的目标：了解直流无刷直流电动机的基本机构和工作原理,在此基础上掌握无位置传感器无刷直流电动机的转子位置信号检测的方法以及IGBT功率开关器件的应用，进一步了解PWM变频调速的方法，设计一种以80C196MC单片机为核心，并外加输入和输出电路，主回路功率开关器件采用IGBT，实现PWM桥式调制方式的电机数字控制的调速系统。在本调速系统中设计出最佳的检测转子位置信号的硬件电路，并对其主要部分进行详细分析，完成主电路和控制电路的设计，并对无位置传感器无刷直流电动机的起动过程中存在的问题进行分析，得到可行性的解决方案。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：本设计中的无位置传感器无刷直流电动机调速系统是由80C196MC单片机控制器、功率电路和控制电路组成，功率电路的主要作用是将电源提供的能量经适当转换以后提供给电动机，包括整流电路、滤波电路、逆变电路和驱动保护电路。控制电路的作用是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统进行相应的调节，使之满足工作要求，主要包括位置检测电路、起停控制电路和键盘接口电路。通过对系统功能需求进行分析，得到无位置传感器无刷直流电动机调速系统框图如图下图所示，其中带箭头的线条为信号线和信号流向。驱动保护电路包括了功率驱动电路和保护电路，保护电路包括过流、过压、欠压保护；驱动电路是驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组按照一定的顺序导电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转；速度给定是在电机进入闭环运行之后，用来调节电机的转速；位置检测电路主要提供无刷直流电动机转子的位置信息，为电机的正确换相以及速度的提取提供依据。5、方案的可行性分析：通过对无位置传感器无刷直流电动机工作原理的学习，在所学的直流自动控制统、电力电子变流技术、单片机原理及接口技术等课程的基础上，对设计题目进行了详细分析，将所要设计的硬件电路大体分为主电路、控制电路、保护电路等几个部分，并对每个小电路进行了可行性分析，因此该设计方案可行，能够完成设计要求，达到预期目标。6、该设计的创新之处传统的无刷直流电动机大多采用霍尔元件作为位置信号传感器。但是，随着科学技术的发展，微电机有取代原始电机的趋势，使用霍尔元件的弊端日益突出。首先，电动机内部用于安装霍尔元件的位置受到限制;其次，霍尔元件对温度的变化以及电动机应用中常遇到各种噪声敏感，且传感器信号传输线过多而引入干扰，易造成误操作。再次，霍尔元件的安装使得电动机结构复杂、可靠性降低。 从控制系统的成本、维护性、可靠性等方面来考虑，无位置传感器的传动系统对提高系统的可靠性和对环境的适应性具有重要的意义。微电机有如下方面的要求：（1）低噪声，低电磁干扰； （2）长寿命，高可靠性；（3）高性能，运行平稳；（4）智能化，机电一体化，易于控制；（5）体积小，功耗低；（6）价格便宜。采用转子位置信号检测电路取代位置传感器，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，可以达到以上要求，其主回路功率开关器件采用IGBT,具有以下优点：（1）快速、开关损耗小；（2）耐压高；（3）电流密度大、通态压降低；（4）安全工作区宽；（5）并联容易；（6）IGBT是常开型器件，它是未来开关器件领域的发展方向，有取代MOSFET和GTR等器件的趋向。该控制系统以80C196MC单片机为核心，它是16位单片机，在单片机行业中其不仅控制性能强，而且价格也比较便宜，采用这种单片机可以快速准确的处理数字信号。因此该设计方案有着很好的优越性。7、设计产品的主要用途和应用领域：无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，结构简单、运行可靠、易于控制，而且无位置传感器的无刷直流电动机采用转子位置检测电路代替传统的位置传感器，不仅解决了电动机内部用于安装霍尔元件的位置受到限制以及霍尔元件对温度的变化和各种躁声敏感等问题，并且使得电动机体积减小，制造成本降低，维护性和可靠性提高，因此无刷直流电动机的应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。8、时间进程3月5日3月18日：开题，收集相关资料；3月19日4月1日：阅读文献，撰写开题报告；4月2日4月15日：开题报告答辩，进行开关主电路和驱动电路的设计；4月16日4月29日：保护电路，速度给定电路，起停电路的设计；4月30日5月13日：速度、电流双闭环调速系统的设计，并对各个硬件电路进行组合分析；5月14日5月27日：系统软件设计；5月28日6月10日：对整个控制系统进行仿真；6月11日6月24日：绘制硬件电路图，撰写毕业设计说明书和毕业论文；6月25日6月27日：论文整理和打印；6月28日：论文答辩。9、参考文献：1 张琛.直流无刷电动机原理及应用，机械工业出版社，19962 黄俊.王兆安，电力电子变流技术，机械工业出版社 1999.123 胡汉才.单片机原理及其接口技术，清华大学出版社 2004.24 胡寿松.自动控制原理，科学出版社，20015 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统，机械工业出版社，2003.76 陈国呈.PWM变频调速技术，机械工业出版社1998.77 黄立培.电动机控制，清华大学出版社20038 冯晓，刘仲恕.电机与电器控制，机械工业出版社2005.89 孙忠献.电机技术与应用，福建科学技术出版社2004.710 何希才，姜余祥.电动机控制电路应用实例，中国电力出版社200511 许大中，贺益康.电机控制，浙江大学出版社2002.712 张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术，电子工业出版社2004.813 沙占友，孟志永，王彦朋.单片机外围电路设计，电子工业出版社2006.614 曲家骇.无刷直流电动机在工业自动化中的应用及其技术发展展望，98第三届电机技术研讨会论文集：3515 贾俊.电动车辆电机驱动系统初探，98第三届电机技术研讨会论文集：2916 R.Kenjo and S.Nagamori.Permanent magnet and brushless,DC motors Tokyo:Sogo.1984,9617 Jong Sun Ko.A robust.Digital position control of brushless DC motor with dead beat load torque observer.IEEE transaction on industrial el