无刷直流电机控制系统设计开题报告.docx

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无刷直流电机控制系统设计开题报告

中国矿业大学信息与电气工程学院

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）名称：

无刷直流电机控制系统设计

毕业设计起止时刻：

2013年2月25日～6月21日（共17周）

学生姓名：

赵正雄学号：

04091908

专业：

电气工程与自动化教学班级：

电气09-7

指导教师：

胡泳军

报告日期：

2013年3月26日

填写要求

1、开题报告作为毕业设计（论文）工作领导小组审查学生可否承担该毕业设计（论文）课题、是不是按时完成工作进度和可否具有答辩资格的依据材料之一，并同意学校检查。

2、本报告应在毕业设计（论文）指导教师指导下，由学生本人独立撰写，并于第九学期前三周内完成。

3、学生须在小组内进行报告，并进行讨论。

4、本报告内容必需按统一设计的电子文档标准格式打印，经指导教师签署意见及系部审查后生效。

5、学生查阅资料的参考文献应很多于8篇（不包括词典、手册）。

6、有关年月日等日期的填写，应依照国标GB/T7408-94《数据元和互换格式、信息互换、日期和时刻表示法》规定，一概用阿拉伯数字书写（如“2012年3月26日”或“2012-3-26”）。

1、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势：

研究意义：

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。

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。

[1]

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：

①没有换向火花；②寿命长；③运行可靠；④维护简便；⑤转速不受机械换向的限制。

[2][7]

国内外现状、水平、发展趋势：

现阶段国内外主流的控制方法为：

1.霍尔传感器感应

采用三个霍尔器件（圆周空间配置有两个方案：

相互间隔60°或相互间隔120°），转子每旋转60°（120°）电度角，就有一个霍尔器件改变其状态，逆变器内与之相对应的某一相的开关状态也将更新变化一次，这样开关状态变化六次（或称六步）就完成一个电气周转，霍尔器件输出响应的“0”和“1”两种状态的方波，从而判断转子绕组的位置。

2.无转子位置传感器

①反电动势过零点法

②反电动势3次谐波检测法

③续流二极管导通检测方法

④固定电压的检测方法

⑤预测反电动势过零点的方法[3][4]

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:

①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;②设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器;③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。

2、本课题的研究内容及方案：

整体方案：

（1） 分析比较各类电机使用情况、优缺点，分析并设计总体方案； 

（2） 设计控制器中的硬件电路,包括各类短路限流保护，并根据设计要求,采用再生制动实现了电机制动控制[5]；  

（3） 设计基于89C51的PID控制器,编写相应程序,用Proteus或Matlab进行模拟仿真； 

（4） 以电动自行车控制器为例，比较“博世”“高标”“晶汇”三家控制器优缺点做出相应Benchmark。

1.仿真部分：

通过对电机驱动控制系统发展及现状的分析，以无刷直流电机为控制对象，提出一种以AT89C51单片机为核心完成控制无刷直流电机的启停、速度和方向，完成相应仿真指标。

在系统中,采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

AT89C5是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器,PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器,RAM）,期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器9（CPU）和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。

[6]

系统总体方案框图

2.硬件实物：

手工进行贴片焊接，完成以英飞凌XC866[8]为核心，通过控制相应管脚输入电平状态从而控制电机启停、电刹、防盗、巡航、限速等多种功能，并进行原理分析。

3、毕业设计（论文）工作计划及进度安排：

资料收集，选择焊接材料，撰写开题报告。

编写程序，完成模拟仿真、实物焊接。

初稿修改。

定稿，准备答辩。

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

[2]刘刚，王志强，房建成．永磁无刷直流电机控制技术与应用［Ｍ］．机械工业出版社，2008

[3]叶金虎．现代无刷直流永磁电动机的原理和设计［Ｍ］．科学出版社，2007

[4]PeterB.SchmidtMichaelL.GasperiGlenRay．InitialRotorAngleDetectionOfNon-SalientPolePermanentMagnetSynchronousMachine[C]．IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeetingNewOrleans,Louisiana,October5-9,1997

[5] 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（5）:

14-17.

[6]胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．清华大学出版社，2010-05

[7]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

[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），2010-12

4、指导教师审查意见（对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测）：

指导教师（签名）：

年月日

5、系部审查意见：

系部负责人（签名）：

年月日