大连理工电机控制系统研究报告

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本科生毕业论文<设计）

题目：电机控制系统研究

学习中心：龙游电大

层次：专科起点本科

专业：电气工程及其自动化

年级： 2018年秋季

学号：201806987645

学生：鄢斌

指导教师：王莹

完成日期：2018 年 8 月 30 日

内容摘要

目前的世界，能源日益紧张，环境日趋恶化。节能减排，改善人类生存的环境，正成为越来越多人们的共识。低碳已经成为一个世界性的话题，而电能的消耗主要是工作使用，电机占了很大的比重。电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。

关键词：无刷直流电机；控制系统；异步电机

目录

内容摘要1

引言3

1 电机控制系统介绍4

1.1 电机控制系统的基本组成选题的目的和意义4

1.2直流电动机控制的发展历史5

1.3永磁无刷直流电机的国内外研究简况7

1.4本课题主要研究内容8

2 电机调速系统9

2.1电机控制系统的基本组成9

2.2 电动机9

2.3 功率放大与变换装置9

2.4 控制器10

3 三相异步电动机原理11

3.1 概述11

3.2 三相异步电动机的基本组成11

3.3 三相异步电动机的工作原理11

3.4 三相异步电动机的特点11

3.5 三相异步电动机的主要应用11

3.6 三项异步电机的定期检修12

4 总结14

参考文献15

引言

本论文以永磁无刷直流电动机的原理、结构为理论墓础，研究永磁无刷电机的系统结构、控制规律，接着分别提出了基于DSP技术的有位置传感器和无位置传感器控制方案。

根据方案进行了硬件电路设计，以DSP芯片TMS320F240为核心的控制单元，研究了无刷直流电机调速系统，IGBT模块以及驱动单元，相电压及电流检测单元，速度给定环节，轴角编码检测单元，主电源、驱动及控制电源回路，故障检测和保护环节，电机姿态显示单元分别进行了阐述。特别是直流无刷电机的原理、控制方案以及以IGBT模块的具体应用。

1电机控制系统介绍

1.1 电机控制系统的基本组成选题的目的和意义

永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的优良特性，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术工程，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。

直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多领域得到了很广泛的应用。

1．直流无刷电动机在家用电器中的应用。在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水准的重要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直流无刷电动机三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节能、洗涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。

2．直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。

3．直流无刷电动机在工业中的应用。

4．直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。

5．直流无刷电动机在其他领域中的应用。

综上所述，由于永磁直流无刷电动机具有效率高、功率密度大、转动惯量小、调速性能好等一系列优点，己经在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域以及家用电器领域得到广泛应用，虽然我国和国外在电机制造技术方面的差距不大，但是控制系统的研究和开发却需要加大力度。从另外一个角度来讲，我

国的稀土资源特别丰富，占世界总储量的75%，发展永磁直流无刷电动机产业对发展我国的经济有特殊的意义。由于直流无刷电动机固有的特点，常规的控制方法必须有位置传感器，这带来了种种限制。因此，研究无位置传感器直流无刷电动机调速系统也很有必要。

1.2直流电动机控制的发展历史

常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组>，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一>、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10>高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000>高10倍。在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。[14]

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。