開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

基于反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的建模與仿真

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

無刷直流電機(jī)發(fā)展歷程

20世紀(jì)30年代，一些學(xué)者開始研制采用電子換向的無刷直流電機(jī)，為無刷直流電機(jī)的誕生提供了條件。但是由于當(dāng)時(shí)的大功率電子器件還處于初級(jí)發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換向器件，是的這種可靠性差、效率地下的點(diǎn)擊只能提留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法推廣使用。1955，美國的Harrison和Rye首次成功用晶體管換向線路代替電機(jī)機(jī)械電刷換向裝置的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的雛形。其后經(jīng)過反復(fù)不斷實(shí)驗(yàn)和不斷實(shí)踐，借助霍爾元件實(shí)現(xiàn)電子換向的無刷電機(jī)終于在1962年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率元件相繼出現(xiàn)，為無刷直流電機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1978年德國Mannesmann公司推出MAC無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這標(biāo)志著無刷直流電機(jī)正在進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制理論發(fā)展十分迅速，單片機(jī)，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）等微處理器得到了空前的發(fā)展，指令速度和存儲(chǔ)空間都有了質(zhì)的飛躍，進(jìn)一步推動(dòng)了無刷直流電機(jī)的發(fā)展。此外，一些先進(jìn)的控制策略和方法，如滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、質(zhì)抗擾控制和自適應(yīng)控制等，不斷的被應(yīng)用到無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中。這些方法在一定程度上提高了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)抗干擾等方面的性能，擴(kuò)大了直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，同時(shí)還豐富了相關(guān)控制理論的內(nèi)涵。

無刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外無刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了GJB1863無刷直流電機(jī)通用規(guī)范。國外發(fā)達(dá)國家對(duì)無刷電機(jī)的研究內(nèi)容與中國大體相當(dāng)，但美國與日本具有較先進(jìn)的無刷直流電機(jī)制造與控制技術(shù)。特別是日本在民用方面比較突出，而美國在軍工方面更加先進(jìn)。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下三個(gè)方面：1：研究無位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)的可靠性，并進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸與重量；2：從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法等方面出發(fā)，研究無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法，從而提高其伺服精度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；3：設(shè)計(jì)可靠、小巧、通用性強(qiáng)的集成化無刷直流電機(jī)控制器。

無位置傳感控制技術(shù)主要通過電機(jī)內(nèi)容易獲取的電壓或電流等信號(hào)，經(jīng)過一定的算法處理，得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，也稱為轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法。轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法包括：反電動(dòng)勢(shì)法、電感法、磁鏈法、續(xù)流二極管法、變電機(jī)結(jié)構(gòu)法、觀測(cè)器估計(jì)法、智能估計(jì)法。

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制研究是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中重要的課題。同其他電機(jī)一樣，無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)不可能完全避免齒槽效應(yīng)、渦流效應(yīng)等現(xiàn)象，因此齒槽轉(zhuǎn)矩在無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制中需要考慮，通常可采用斜槽和分?jǐn)?shù)槽的方法對(duì)其進(jìn)行抑制，效果較好。引起無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因很復(fù)雜，針對(duì)不同的情況可采用相應(yīng)的控制方法，各種方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。同時(shí)，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)研究方法均是針對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制方案提出的一些改善或補(bǔ)償方法，并沒有從根本上消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，因而對(duì)于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的研究還有待于進(jìn)一步深入。

無刷直流電機(jī)控制器的發(fā)展同電器元件類似，經(jīng)歷了從分立元件控制方式到數(shù)字可編程集成電路控制方式的發(fā)展歷程。一般采用分立電子元器件設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，相應(yīng)的可靠性和通用性也較差，不利于批量生產(chǎn)。因此，對(duì)無刷直流電機(jī)的控制，當(dāng)前主要采用專用集成電路（ASIC）控制器、FPGA、單片機(jī)和DSP控制器等方式。

反電動(dòng)勢(shì)法

在各種無位置傳感器控制方法中，反電動(dòng)勢(shì)法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種未知檢測(cè)方法。該方法將檢測(cè)獲得的反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)延遲30°電角度，得到6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換向信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。

目前，反電動(dòng)勢(shì)法的關(guān)鍵是如何檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行了深入研究，已提出了端電壓檢測(cè)法、反電勢(shì)積分法、反電勢(shì)三次諧波法、續(xù)流二級(jí)管法以及線反電勢(shì)法等多種檢測(cè)方式。

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

電機(jī)控制系統(tǒng)的研究對(duì)硬件條件和實(shí)驗(yàn)水平要求較高，有些實(shí)驗(yàn)可能造成電機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞，這在一定程度上增加了研究成本，也給直接實(shí)驗(yàn)帶來很大困難，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以有效緩解上述矛盾。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代化電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能促進(jìn)研究人員更加方便的設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)，對(duì)加快產(chǎn)品的研發(fā)速度和降低科研成本都具有重要意義。目前常用的電機(jī)控制系統(tǒng)仿真軟件有MATLAB/Simulink、ASCL、SPICE、Saber等，其中Simulink應(yīng)用較為廣泛。Simulink具有專門的電機(jī)控制系統(tǒng)仿真工具包，其示例模型（demos）涵蓋幾乎所有常用的交、直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型，包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能電機(jī)控制策略的建模。另外，Simulink友好的用戶界面、簡(jiǎn)單的操作方法和基于MATLAB的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析功能也為其應(yīng)用創(chuàng)造了有力條件。

由于無刷直流電機(jī)具有高效率、長壽命、低噪聲以及較好的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空、家用電器等行業(yè)內(nèi)等到了較好的發(fā)展。由此研究無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)就具有了實(shí)際意義。此外，該課題有助于學(xué)生對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理的進(jìn)一步了解，尤其是直流無刷電機(jī)。通過該課題，有助于掌握電機(jī)仿真軟件，為以后從事這方面工作奠定基礎(chǔ)。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

1、掌握基于反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理，并分析其驅(qū)動(dòng)方式和控制策略。

2、掌握無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并對(duì)基于反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。

3、應(yīng)用前沿電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制理論，完成無刷直流電機(jī)的閉環(huán)控制與性能分析。

4、綜合掌握電氣工程學(xué)科領(lǐng)域前沿的電力電子技術(shù)，及電力傳動(dòng)控制方面的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)。

三、研究步驟、方法及措施：

到圖書館查閱與課題相關(guān)的一些文獻(xiàn)資料，掌握無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容（工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成等）。

通過自主學(xué)習(xí)掌握Matlab仿真軟件，并基于反電動(dòng)勢(shì)法的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。

針對(duì)該課題查找最新工程實(shí)例，并對(duì)其進(jìn)行分析，掌握這項(xiàng)技術(shù)

整理資料，完成論文設(shè)計(jì)

四、參考文獻(xiàn)

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