永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计.doc
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1、附件:院(系):项目负责人及联系方式:湖北省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称: 永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计 申报者姓名 (集体名称): 卢雄、王伟、彭安涛、王瑞朋、王海龙、陈安俊 类别:自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类 说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表,根据作品类别(自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作)分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3表
2、内项目填写时一律用钢笔或打印,字迹要端正、清楚,此申报书可复制。4学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文(若是外文,请附中文本),请以4号楷体打印在A4纸上,附于申报书后,字数在8000字左右(文章版面尺寸14.522cm)。5作品申报书须按要求由各院(系)分团委统一报送。A2申报者情况(集体项目)说明:1必须由申报者本人按要求填写;2申报者代表必须是作者中学历最高者,其余作者按学历高低排列;3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名王瑞朋性别男出生年月1990.10.8学校湖北汽车工业学院系别、专业、年级电信学院电信系电子信息工程T10级学历本科生学制4入学
3、时间2010.9作品名称永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计毕业论文题目永磁无刷直流电机智能控制器的研究与设计通讯地址湖北十堰车城西路167号湖北汽车工业学院邮政编码442002办公电话常住地通讯地址湖北汽车工业学院电信学院电信系邮政编码442002住宅电话其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位卢雄男本科生王伟男本科生彭安涛男本科生王海龙男本科生陈安俊男本科生资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2013年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否 (部门签章)年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会
4、实践活动成果是否负责人签名:年 月 日B1申报作品情况(自然科学类学术论文)说明:1必须由申报者本人填写;2作品分类请按作品的学术方向或所涉及的主要学科领域填写;3硕士研究生、博士研究生作品不在此列。作品全称作品分类( A )A机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等) B信息技术(包括计算机、电信、通讯、电子等) C数理(包括数学、物理、地球与空间科学等) D生命科学(包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等) E能源化工(包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等)作品撰写的目的和基本思路目前在中国的石油消费中,交通运输业用油增长最为迅速。大力发展电动
5、车是缓解石油危机的重要途径之一。另外电动车具有环保的特点.为了解决燃油车对环境造成的严重污染问题和缓解日益突出的能源危机,许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具,相比之下,电动车以零污染、高数率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具,而电动汽车受到机电、电池的限制,批量进入市场还有一定的难度,电动车却可以得到迅速的发展。由于电动车具有轻便省力、环保节能、价格适中的特点,因此己经成为很多出行者的交通工具之一。电机是电动车的关键部件。为使电动车有良好的使用性能,驱动电机应该具有宽调速范围,高转速和足够大的起动转矩。此外,由于电动车的驱动电机是车载形式
6、运行的,这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。 无刷直流电机具有输出功率大,噪音低,可靠性高,容易维护等一系列优点,在实际中得到了广泛的应用。尤其在电动车领域,无刷直流电机已经成为动力驱动系统的核心,而作为无刷直流电机的驱动控制部件,则是整个动力控制系统的中枢。 接下来为您介绍的是2012 第八届“博创恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品“电动车无刷直流电机智能控制系统”。本系统以恩智浦LPC1769为平台,实现了电动车无刷直流电机的智能控制功能,具体包括平稳起步、限流驱动、无级调速、定速巡航、EBS柔性电磁刹车等智能控制功能;以及过流保护、堵转保护、电池欠压保护
7、等安全保护功能。通过硬件部分和软件部分的联调测试后,实验结果表明,该系统体积小,重量轻,精度高,输出功率大,调速范围宽,具有良好的启动和运行特性,功能完善,保护措施到位,具有较高的应用和推广价值。 论文首先简要阐述了无刷直流电动机的发展和应用领域等;然后分析了无刷直流电机的基本结构和工作原理,采用速度电流双闭环、PWM脉宽调制技术结合数字增量PID作为系统的控制策略;接着详细叙述了无刷直流电机智能控制系统的设计过程,包括硬件系统和软件系统。在硬件系统中,设计了以LPCXpressoLPC1769芯片为核心的主控制器,外围电路包括三相功率开关逆变电路、霍尔位置检测电路、电流电压采样电路、人机接口
8、电路、过流和欠压保护电路等;在软件系统中,设计了速度电流双环电机驱动控制程序、转子位置检测程序、电流采样程序、转速估算程序、PWM发生程序、限流驱动程序、过流欠压保护程序、PID调节程序和系统保护程序等主中断服务程序和人机界面程序。作品的科学性、先进性及独特之处(1)体积小、重量轻,精度高、速度快、有较高的功率和转矩密度;(2)调速范围宽,在额定速率范围内(本系统为4200rpm),电动机和驱动控制器都有较高的效率;(3)有良好的控制性能以及过载能力,以双闭环反馈、数字增量PID与PWM脉宽调制为控制策略;(4)电机平稳运行,电机输出效率及扭矩的控制精高、噪音小。(5)功能完善,可以实现电机的
9、平稳起步、电子换相、无级调速、刹车断电、限速、定速巡航和显示等;(6)具有多重保护措施,具有限流驱动、过流保护、堵转保护、电池欠压保护、节能等,满足安全性要求。作品的实际应用价值和现实意义无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车,是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。(1)寿命长、免维护、可靠性高。无刷直流电动机克服了有刷电机存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因而无刷直流电动机的优势很明显。(2)效率高、节能。一般而言,因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱等的消耗,从而提高了效率,降低了能量耗损。 随着能源危机的加重和环保意识的增强,电动车作为一种绿色环保的交通工
10、具将会越来越得到人们的提倡,加大对大功率电机的研究是社会的发展趋势。提高电机和驱动控制系统功率密度,减小电机和驱 动控制系统的尺寸、减轻重量;进一步提高系统效率,降低制造成本已经成为研发和生产的统一理念。因而无刷直流电机的应用将会迅速增长,应用于电动汽车、现代化生产、办公自动化、家用电器、工业机器人等设备。学术论文文摘 目前,国内外对无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDCM)的定义一般有两种:一种定义认为只有梯形波/方波无刷电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)
11、;另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。本设计将采用第一种定义,把具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷电机称为无刷直流电机。无刷直流电机由于其具有结构简单、功率大和效率高等特点,已在国防、航空航天、机器人、工业过程控制,精密机床、汽车电子、家用电器和办公自动化等领域中得到了较好的应用。本章将分别叙述无刷直流电机的发展历史、应用领域、特点及研究现状及其相关技术的发展趋势。1.1无刷直流电机的发展现代社会中,电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置,经过一个多世纪的发展,其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节
12、。为了适应不同的实际应用,各种类型的电机应运而生,其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其它类型电机,其容量小到几毫瓦,大到百万千瓦。相比之下,同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点,但调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围;异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜,但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速,且必须从电网吸取滞后的励磁电流,从而降低电网功率因数;开关磁阻电机转子既无绕组也无永磁体,其结构简单、成本低廉,在低速时具有较大的转矩,控制换相时无上下桥直通等问题,但其噪声和转矩波动相对较大,这在某种程度上限制
13、了该类型电机的推广应用;直流电机具有运行效率高和调速特性能好等诸多优点,被广泛的应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。目前,小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。但是,传统直流电机均采用电刷以机械方式换向,因而存在机械摩擦,使得电机寿命缩短,并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而限制了其在某些特殊场合的应用。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年法拉第发现电磁感应现象,从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪40年代,第一台直流电机研制成功。1915年,美国人Langmuir发明了控制栅极的水银整流器,并制成了直流变交流的逆
14、变装置。针对传统直流电机的弊病,20世纪30年代,一些学者开始研制采用电子换相的无刷直流电机,为无刷直流电机的诞生提供了条件。但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段,没能找到理想的电子换相器件,使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在实验室阶段,无法推广使用。1955年,美国的Harrison和Rye首次申请成功用晶体管换相线路代替电机机械电刷换向装置的专利,这就是现代无刷直流电机的雏形,其工作原理是,当转子旋转时,在信号绕组中感应出周期性的感应电势,此电势导致对应晶体管导通,这样就使相应功率绕组轮流馈电,实现了换流。但该电机存在许多问题,经过反复试验和不断实践,1962年,借助霍尔元
15、件实现电子换相的无刷直流电机问世,开创了无刷直流电机产品化的新纪元。20世纪70年代初期,出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管。1978年,联邦德国Mannesmann公司的Indrama 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统。之后,国际上对无刷直流电机开展了深入的研究,先后研制成梯形波/方波和正弦波无刷直流电机。它们每相等效电路图相同,并采用转子位置反馈来进行换相控制,从而保证自同步运行且不需启动绕组的永磁电机。随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)等大功率开关器件
16、的发展,采用电子换相原理工作的无刷直流电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅猛发展。20世纪90年代以后,计算机技术与控制理论发展十分迅速,单片机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等微处理器得到了发展。此外,一些先进的控制策略和方法,如滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等,这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳态响应以及系统抗干扰等方面的性能,扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围,同时还丰富了相关控制理论的内涵。1.2无刷直流电机的应用领域近年来,我国中小型电机和威特电机行业发
17、展迅速,表1.1是20022006年我国中小型电机行业产品销售量和收入的不完全统计。表1.1 20022006年中小电机销售量和销售收入统计表年份20022003200420052006产品销售量/104kw356263197847970210950产品收入/万元6987311085847156093321822812686147其中,由于无刷直流电机具有高效率、长寿命、低噪声以及较好的转速-转矩等优点,得以在汽车、航空、家用电器等行业领域内得到了较好的发展和广泛的应用。1.2.1汽车领域汽车作为一种方便快捷的交通工具早已和人们的日常生活息息相关,而电动车,包括小功率的电动自行车、中等功率的电
18、动摩托车、大功率电动汽车,都采用电机作为其驱动机构的核心动力,早期的电动车都采用传统的有刷直流电机和交流异步电机,现今均开始转向大功率高效率的无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机,尤其是在中小功率应用场合和电动轿车中,无刷直流电机占据了主要市场。同时,无刷直流电机除了作为汽车驱动的核心部件外,还用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。汽车空调风机用驱动电机一般为恒定负载运行,对系统动态响应要求相对较低。风机电机及其控制系统和汽车空调性能的好坏有直接关系,参考文献中有作者研究了汽车空调风机驱动用无刷直流电机控制系统的一些关键技术问题。汽车空调与家用空调的压缩机用电机驱动技
19、术类似,以无刷直流电机驱动的空调压缩机将朝着更节能、更舒适的全直流化变频方向发展。因此,它必将成为调速技术发展的一个主流方向,在汽车电机驱动的各个环节获得越来越广泛的应用。1.2.2其他工业上的领域随着稀土永磁材料及电力电子器件性能的提高和价格的降低,无刷直流电机驱动系统在工业中的应用越来越多,如现在家用电器领域、办公自动化领域、航天领域,已成为工业驱动电机主要发展方向之一。国内外著名的电机制造厂商从提高产品性能和降低成本出发,对工业用无刷直流电机驱动系统进行了大量的研究开发。目前,在民用和军用的机器人和机械臂驱动电机应用中,无刷直流电机所占比例较大,已开始出现替代步进电机和传统直流伺服电机驱
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