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开题报告直流无刷电动机系统设计

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2020年4月19日
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一、 题目来源
题目来源于生产实际
二、设计的意义及国内外状况
1.1设计的意义
一个多世纪以来，电机作为机电能量转换装置，其应用遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有：直流电机、感应电机和同步电机。传统的直流电机因具有非常优秀的线性机械特性，较宽的调速范围，良好的启动性以及简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地在各种驱动装置和伺服系统中。
无刷直流电机的组成：
无刷直流电动机(Brushless DC Motor,简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。
无刷直流电机具有以下优点：
1）低噪声：因为没有了机械电刷或滑环式电刷，无刷直流电机消除了除支承、连接以及负载以外的机械噪声.
2）高效率：无刷直流电机是当前电机中最高效率的一种电机，这要归功于其利用永磁体长生的恒定、持续的磁场的缘故。在合适的操作条件下永磁无刷直流电机的永磁体具有非常小的去磁系数.
3）无励磁需要：如上所述，无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场，省去了传统电机的电励磁部分.
4）易维护、寿命长：消除了机械电刷和换相器的无刷直流电机比传统直流电机构造简单，更易维护，而且电机寿命更长.
5）控制结构简单：无刷直流电机的转矩正比于电机电流，反馈装置简单，不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，因此较之交流电机更易于控制。正式因为这个原因，当前已有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要的专用集成电路控制芯片.
当前，无刷直流电机的应用越来越普遍，国内近年来在无刷直流电机的设计和控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品化相比还有很多地方只得提高。如何在无刷直流电机方面做出积极的研究是很有现实意义的。
1.2.国内外状况
有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换相装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。 “无刷直流电机”的概念已有最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（起动转矩大，起动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在 的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。中国当前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，中国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。

二、 无刷直流电动机控制系统组成框图及基本工作原理

1.组成框图

2.基本工作原理
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。

图1-1 无刷直流电动机工作原理示意图
如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常见的一种工作方式。
四、研究内容
1.无刷直流电机在国内外的发展水平和研究情况。
2.无刷直流电机的原理及资料分析。
3.无刷直流电机的选择。
4.无刷直流电机控制系统分析和确定。
5.无刷直流电机的维护分析和故障处理。
6.总结设计并写出心得体会。
五、研究方案与步骤
（一）研究方案：
1.认真查阅资料确定设计方案。
2.进行相关计算选取需要的元件和装置。
3.画出相应接线配置图。
4.画出总设计图。
5.进行校验改正，完成毕业论文。
（二）步骤：
1.设计方案的确定。
2.无刷直流电机的资料分析。
3.接线的确定和相关配置图的确定。
4.无刷直流电机故障的检测方法。
5.无刷直流电机故障预防措施。
6.总结。
六、存在问题及其解决方法
1.设计出来的方案可能不符合实际要求，不能满足现实状况，向有相关经验者请教并仔细修改。
2.设计中应主要依据现有基础资料，现行有关电气规程、规范。
3. 设计中应认真理解现行有关电气规范，知识面开阔，提高质量意识。
4.认真复核所收集资料的准确性，多进行方案讨论。
5.在Word里画图存在一些困难，应对办法：利用Auto CAD或其它电气绘图软件画好后再粘贴、复制到Word中。
6、在中国知网中找的相关资料很少，应对办法：经过各种途径借买有关的书籍来完成毕业论文。
7、资料或书籍里有些内容看不懂，应对办法：向我的指导老师请教。
七、论文工作量的估计
毕业论文字数不少于8000字，估计要用为时18周时间
八、参考文献
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九、指导教师审查意见