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1、第 1 页 共 5 页武汉工程大学 电气信息学院毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目 无位置传感器 BLDC 换相检测方法研究学生姓名 学号专业（方向） 电气过程及其自动化 班级指导教师姓名 职称 副教授一、课题背景（1）无刷直流电动机的背景BLDC-Brushless DC Motor，无刷直流电动机。它是近年来随着电力电子的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展成熟的一种新型电机。它以高性能永磁材料作转子材料，以电子控制线路代替机械电刷和换向器实现直流电机的换相，集有刷直流电机和交流电机的优点于一体，是当今最高效率的调速电机。无刷直流电机利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器 ，
2、取消了电刷，提高了可靠性。无刷直流电机电枢绕组放在定子侧，永磁磁钢放在转子侧，结合转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥，可以实现对电机转速和转动方向的控制。无刷直流电动机又分为有位置传感器和无位置传感器。有位置传感器检测有：霍尔式（霍尔元件） 、光电式（光耦合器件） 、电磁式（高频线圈） ；无位置传感器检测（控制算法）有：反电动势检测、续流二极管工作状态检测、定子三次谐波检测、瞬时电压方程法。（2）无位置传感器 BLDC 换相检测方法研究的目的机械式传感器不仅增加电机的体积和成本，而且会因恶劣的应用环境，如高温、低温、高湿或污浊空气而产生转子位置误差，使得整个传动系统的可靠性和精确性难以得到保
3、证。传感器的使用还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。位置传感器的使用在一定程度上影响了无刷直流电机的应用和推广。因此，取代机械式位置传感器而采用其他方法检测转子的位置信号，研究无刷直流电机无位置传感器换相检测方案对于无刷直流电机的发展是很有益的。（3）无位置传感器 BLDC 换相检测方法研究的意义有位置传感器相较于无位置传感器控制无刷直流电机，其自身缺点有：安装位置传感器会增大了电机的体积。安装位置传感器后电机的体积变大，结构变的复杂，使无刷直流电机难以实现小型化。安装位置传感器增加了电机成本。如在永磁无刷直流电机中常用的霍尔传感器的成本在无刷直流电机总的成本中所占比例比较大
4、。如果采用旋转变压器或光电码盘等做传感器，其成本会更高。可靠性降低。方波无刷直流电机如果使用霍尔传感器，会导致连接线增加数根，使用电磁式或光电式传感器会增加更多。使用过多的连接线会导致系统的可靠性能降低，而且使用维护变得困难。位置传感器的输出信号易受到干扰。位置传感器在某些特殊的工作环境下会降低其可靠性。位置传感器的安装增加了生产工艺的难度。第 2 页 共 5 页由有位置传感器BLDC与无位置传感器BLDC之间的比较，以及我国对于无刷直流电机的研究起步较晚，而且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离国际水准差距较大等现状说明，对无刷直流电机无位置传感器控
5、制的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。（4）应解决的主要问题在无刷直流电机的运行过程中，我们通过对转子位置信号的检测来控制电机换相，而现有的各种位置传感器检测及无位置传感器的位置检测方法都不可避免地存在转子位置检测误差的问题，误差会使电机偏离正常换相点，发生换相超前或滞后，致使电机运行不平稳、震动和噪声加大、效率降低、电机电流过冲，严重时会导致换相失败，使得电机失步或使驱动模块发生故障保护等问题出现。因此无位置传感器 BLDC 换相检测方法研究的主要问题是设计转子位置信号的检测电路来获得准确的转子位置信号。（5）应达到的技术要求通过检测电机运行过程中的电压、电流、反电动势等物理量和在线检测
6、电机参数来准确辨识转子位置从而实现无刷直流电机的自同步运行，目前已有许多不同的转子位置检测理论和实现方法。在这些方法中，主要包括反电动势法、续流二极管法、电感法（也称电流检测法） 、磁链观测法、状态观测器法以及其它一些特殊的方法。其中反电动势法是目前技术最成熟、最有效和应用最为广泛的一种转子位置检测方法。（6）基本理论依据无位置传感器无刷直流电机控制的首要问题是能够在每个电周期内能够检测到用于电子换相的六个关键的转子位置信号。在无刷直流电机中，绕组的反电势通常是正负交变的，当某相绕组的反电势过零时，转子直轴恰好与该相绕组轴线重合，所以只要反电动势的过零信号能够被准确地检测到，就可以估算出转子磁
7、极的具体位置，再延迟 30，这个时刻就是无刷直流电机换相时刻。此后再根据功率管的导通顺序触发相应的功率管，以实现无刷直流电动机的换相操作，保证电动机按预定的方向连续旋转。但在实际应用中，不导通相的反电动势是很难被直接测量到的，所以我们只有通过采取检测其他参数的方法来获取反电动势信号，从而得知反电动势过零点。反电动势法的原理是：对于常见的两相导通星形三相六状态工作方式，除了换相的瞬间之外，在任意时刻，电机总有一相绕组处于断电状态，当断电相绕组的反电动势过零点之后，再经过 30电角度，就是该相的换相点。因此，只要检测到各相绕组反电动势的过零点，就可确定电机的转子位置和下次换流时间。（7）主要工作内
8、容在对无刷直流电动机基本工作原理的理解和分析的基础上，深入探讨反电势过零检测法，主要研究控制算法，实现基于反电势过零检测法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统。所要做的工作具体如下：在了解无位置传感器无刷直流电机换相检测研究现状的基础上，详细分析无刷直流电机的系统结构和工作原理。充分理解反电动势法的优势及运用原理，深入探讨反电势过零检测法的几种常用实现方法，对各种实现方法进行理论分析，比较各种实现方法的优缺点，给出各自的适用条件。第 3 页 共 5 页通过分析传统反电动势法的原理，提出基于线电压差值的无位置传感器无刷直流电机转子位置检测方法，利用线电压差值计算，来反映反电动势的过零点。找出造成
9、无位置传感器无刷直流电动机控制中造成转子位置检测误差的原因，针对这些原因，提出相应的校正方法。在分析无刷直流电动机的换相过程、给出换相过程各状态电路结构和电压平衡方程的基础上，对由于转子位置误差引起的电动机超前和滞后换相进行理论分析、仿真和计算。参考文献1 孙建忠，白凤仙著.特种电机及其控制M. 中国水利水电出版社, 2005.2 张相军著.无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究M. 上海大学出版社, 2003.3 刘平.无位置传感器无刷直流电机控制系统与换相研究D. 硕士学位论文,重庆大学,2008.4 田小玲.无刷直流电机无位置传感器控制系统的设计与研究D. 硕士学位论文,重庆大学,201
10、1.5 张相军.无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究D. 博士学位论文,上海大学,2001.6 李自成，程善美，蔡凯等反电动势过零检测无刷直流电机转子位置新方法J电工技术学报，2009（07） 7 王宏伟,梁晖. 无位置传感器无刷直流电机的 DSP 控制J. 电力电子技术. 2005(06).8 林明耀,李强,杨沛骐. 无位置传感器无刷直流电机转子位置检测误差分析及其补偿J. 微特电机. 2003(06).9 李强,林明耀,李海文,杨沛淇. 无传感器无刷直流电机控制系统及其起动分析J. 微电机(伺服技术). 2003(03).10 刘和平,杨庆彧,游陶. 基于数字信号处理器的无位置传感器无刷
11、直流电机起动方法J. 电机与控制应用. 2007(03).11 高金行. 特种无位置传感器无刷直流电动机J. 微电机. 1996(04)12 Kyeong-Hwa Kim, Myung-Joong YounDSP-Based High-Speed Sensorless Control for a Brushless DC Motor Using a DC Link Voltage ControlCElectric Power Components and Systems, 2002, Vol.30 (9).13 Torres, Daniel.Sensorless Control of a Br
12、ushless DC MotorJ.Control Engineering, 2010, Vol.57 (4), pp.n/a.二、毕业设计（论文）方案（1）具体方案和计划拿到论文题目后，先查阅相关的书籍资料，充分了解无刷直流电机的结构、工作原理和性能。能够区分有刷与无刷、有位置传感器与无位置传感器之间的优劣。了解电机换相的过程，深入探索无位置传感器无刷直流电机换相的多种检测方法，在分析了它们的优缺点的基础上，知道选用反电动势过零检测法的原因以及使用反电动势过零检测法的前提条件，详细叙述这种方法的检测原理，并定性地分析转子位置检测误差产生的原因。对无刷直流电机工作在三相星型六状态模式下的换相进
13、第 4 页 共 5 页行了深入分析，并在此基础上对驱动系统的三种换相情况：换相正常、超前和滞后进行详细讨论，并提出对于这三种情况的最优控制算法。最后根据基于线电压检测的控制系统框图，建立在 Matlab/Simulnk 环境下的无刷直流电机系统控制仿真模型，调试运行，将理论与实践相结合，看电机换相能否达到要求，若未达到预期标准，分析设计过程中出现的错误，并予以纠正。（2）开发工具MATLAB：MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和 Simulink 两大部分。MAT
14、LAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。Simulink：Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。3、毕业设计（论文）预期成果及创新
15、在详尽分析无刷直流电机的系统结构和工作原理的基础上，建立无刷直流电机的数学模型，列写基本方程。分析无刷直流电机的机械特性和调节特性，充分验证无刷直流电机和有刷直流电机有一样良好的调速性能。应用反电动势过零检测法检测转子位置，由于这种方法是一种忽略一些因素影响的近似方法，所以会引起一些误差，分析出误差产生原因。在了解无刷直流电机换相过程的基础上，总结出转子位置误差对换相过程产生的影响，并提出尽可能消除这些不利影响的可行性方案。建立在 Matlab/Simulink 环境下的仿真模型，设计线电压差值计算及延迟模块、逻辑值转换模块、PWM 模块等控制单元模块，详细分析控制单元模块在系统中的功能。进行了 Simulink 仿真，观察仿真结果，看该无刷直流电机无位置传感器控制系统是否起动平稳，换相精确，能够准确检测转子位置，在起动，运行和突加负载等情况下，调速系统的动态性能是否符合要求。充分利用实验室条件进行实际验证，通过对有位置传感器和无位置传感器实验结果的比较，验证无位置传感器 BLDC 拥有更好的动态性能和稳态性能，更能广泛应用于各种场合。专业教研室审核意见：专业教研室主任（签章） 年 月 日第 5 页 共 5 页学院审核意见：主管教学副院长（签章） 年 月 日注：此表中的一、二、三项，由学生在教师的指导下填写。
