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1、河南科技大学毕业设计（论文）开题报告（学生填表）院系：电子信息工程学院 2013 年 03 月 31 日课题名称 无刷直流电机驱动电路学生姓名 赵永亮 专业班级 自动化 093 课题类型 硬件设计 指导教师 丁喆 职 称 副教授 课题来源 生产实际 1. 设计（或研究）的依据与意义电动机作为机电能量转换装置，一直在人类生产和生活中起着十分重要的作用，其应用范围遍及各个领域。电力拖动自动控制系统已经成为现代电器化及自动化的基础，而实现工业企业的电气化及自动化对于提高产品质量，改善工人的劳动条件，增加工作可靠性以及劳动生产率均有重大的意义。因多年来，人们对电动机的研究一直未停断。电动机主要分为同步
2、电机、异步电机和直流电动机三种类型，其容量大到几万千瓦，小到几瓦。长期以来，直流电动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。众所周知，直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷换向，以机械接触方法进行换向，因而存在相应的机械摩擦，带来了火花、噪声、电磁干扰大以及寿命短等缺点，再加上制造成本高以及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。因此无刷直流电动机应运而生。1955 年美国的 D.Harrison 等人首次申请了用晶体管换向电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生，而电子换向的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在 1978 年的经典无刷直流电动机
3、及其驱动器的推出之后。直流无刷电动机的主要特点：高效率：无刷直流电动机转子上既无铜耗也无铁耗，其效率比同容量异步电动机提高。启动转矩大，启动电流小：无刷直流电动机的机械特性和调节特性与他励直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围宽，且没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向。无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。无刷直流电机具有直流电动机特性、永磁同步电动机类似的结构。适合长期低速运转、启动频繁的场合，这是变频调速器拖动系列电动机不太容易实现的。因此得到了广泛的应用，无论在数控机床，
4、机器人等制造加工领 域，还是家用电器如洗衣机，电脑硬盘等场合都日益受到重视。无刷直流电动机是集材料科学、电力电子技术、微电子技术和电机理论等多学科为一体的机电一体化产品，在诸多领域有着广阔的应用前景。因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究具有十分重要的现实意义。2. 国内外同类设计（或同类研究）的概况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向来代替机械换向的无刷直流电机，并取得了一定的成果。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.Harriso
5、n 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的雏形，无启动转矩，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实现换向，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发展，许多新型高性能半导体器件，如、MOSFET、IGBT 等相继出现，以及高性能永磁材料，如衫钴，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了实用化阶段。从
6、目前来看，以数字信号处理器为核心的控制电路将代表无刷直流电动机电子换向控制器的发展方向。针对电机控制所设计的 DSP 芯片运算速度远远高于单片机，而且片内集成了模拟/数字转换器，数字 I/O 以及专门用于电机控制的 PWM 脉冲发生器等，使得他们从硬件机制上可以较好的满足电机控制系统。我国直流电机制造工业有了很大的发展。对于小型电机，在五十年代就有了全国统一的系列，并且不断在改进。如国内正在大量生产的 Z2 系列，功率范围为0.4200 千瓦，它是在原来的 Z 系列基础上采用及 E、B 级绝缘材料政型而成的，比Z 系列节约了铜铁原材料，缩小了体积。目前又在 Z2 系列的基础上改型成 Z 系列，
7、采用 B 级新绝缘结构，进一步缩小体积，降低了转动惯量，改善了调速和换向性能。对于中型电机，已由 ZD2、ZF2 系列代替了原来的 ZD、ZF 系列，提高了技术经济指标。对于大型电机，已生产了 4600 千瓦、70/120 转/ 分、额定转矩为 64 吨.米的可逆转轧钢直流电动机，5000 千瓦、500 转/分的直流发电机。 目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。从无刷直流电动机及其控制系统的设计和制造水平来看，我国与国际水平还有着比较大的差距；虽然有很多产品使用了直流无刷电机，但多数民用产品使用的是国外的驱动控制模块。参考文献1 胡寿松. 自动控制原理（第五版）M.
8、北京:科学出版社, 2007:30-60.2 (美 )尾形克彦 . 现代控制工程(第四版)M. 北京:电子工业出版社, 2007: 360-380.3 Su Lian-Cheng, Zhu Feng. Design of a novel omnidirectional stereo vision systemJ. Acta Automatica Sinica, 2006, 32(1): 67-72.4 王兆安 电力电子技术. 北京: 机械工业出版社, 2009-7-15 任志斌 电动机的 DSP 控制技术与实践.北京:中国电力出版社. 2012-6-16 刘和平.DSP 原理及电机控制应用:基
9、于 TMS320LF240X 系列.北京. 北京航天航空大学出版社. 2006-11-17 童诗白.模拟电子技术基础.北京.高等教育出版社. 2006-5-18 陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，北京：机械工业出版社 1997 年 9 月 9 杨兴强主编，电动机调速的原理及系统，北京：水利电力出版社 1997 年 1 月 10 董景新主编，现代控制工程基础， 北京：清华大学出版社 1992 年 1 月版 11 叶云岳主编，直流电机原理与应用，北京 机械工业出版社 2000 年 1 月版 12 李汉强主编，运动控制系统， 武汉： 武汉理工大学出版社 2002 年 1 月版 3. 课题设计（或研究
10、）的内容本文的主要内容是采用 DSP 技术构建无刷直流电机驱动电路。本装置通过编码器检测输出转角位置及转轴的位置，实现换向控制。本设计主要针对无刷机驱动电路。包括：逆变桥 IGBT 驱动电路、转子位置测量电路、DSP 电路、电流测试电路等相关电路。主要研究目标是设计一台直流无刷电动机的驱动电路。具有转子位置测试、转角反馈、电流检测、IGBT 驱动等功能。4. 设计（或研究）方法（方案）DSP 驱动电路 功率电路电流反馈M位置反馈系统控制流程图DSP 负责处理采集到的数据和发送控制命令。DSP 通过捕获单元捕捉电动机转子位置传感器的脉冲信号，判断转子位置，并输出合适的驱动逻辑电平给驱动器，再由功
11、率驱动电路驱动电机旋转;通过电流检测电路检测电流，并通过保护电路防止过流。DSP 电路：本文将采用 DSP2407F 系列芯片，该类芯片特别适合于运动系统数字化控制，它具有低成本，低能耗、高性能的处理能力。它将几种外设集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器。逆变桥 IGBT 驱动电路：逆变桥 IGBT 驱动电路采用 IR2130 来解决。IR2130是 MOS、IGBT 功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS 电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和
12、可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。 转子位置测量电路: 转子位置测量电路将通过霍尔元件来完成。霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。一般用于电机中测定转子转速,如录象机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。通过将 3 个霍尔元件成 120 度分布于直流电动机周围来测量转子位置。电流测试电路：电流的反馈是通过检测电阻上的压降来实现的，通过串联电阻来实现。电流检测电路用于在运行过程中的流过电机绕组和功率电路的瞬时值，并进行电流采样用于系统的电流闭环控制和过流保护。可以用位置编码器来检测速度。位置传感器由编码器构成，用于对对电动机输出轴转角及角速度的测量。5. 实施计划第 4 周 开题报告。第 57 周 设计整体结构，设计 DSP 电路。第 89 周 设计驱动电路、设计电流检测电路。第 1012 周 设计转角及转轴位置检测电路。第 1314 周 撰写论文，修改论文，准备答辩。指导教师意见指导教师签字： 年 月 日系意见系主任签字： 年 月 日
