永磁无刷电机的建模与仿真分析_开题报告

1、课题背景及意义

永磁无刷直流电动机是把电磁、电力电了、机械、材料等多门学科技术合成应用于一起的创新型电机，它保持了有刷直流电动机优越的起动和调速性能，同时具备交流电动机的结构简单、运行可靠、寿命长和维护方便等优点，因而在机械行业、航天科技、国防设施、农林生产和日常生活等领域都具有广泛的应用前景。航空领域，针对飞行器上广泛使用的有刷直流电机存在寿命低、维护量大、无法通讯和交流异步电机状态的不可控、难以信息化等弊端，以及各机载电气部件在控制、能量、功能等方面存在无法综合化、集散化和信息化等瓶颈问题，直流无刷电机的研制将为实现电力作动的无刷化、数控化、可视化奠定基础。因此，设计性能优异的永磁无刷直流电机具有重要的理论意义和应用价值。  本^范文研究了无刷直流电动机国内外发展现状及发展趋势，归纳总结了永磁无刷直流电动机的类型及特点，指明了永磁无刷直流电机发展中存在的主要技术问题，详细分析了永磁无刷直流电动机的原理和设计方法;根据电磁学电磁感应基础理论，研究了无刷直流电动机的运行特点，根据电路的克希霍夫第二定律推导了无刷电机电势平衡方程，根据电机技术基础理论研究了电机电磁参数与空载反电势、转矩的计算关系表达式，对永磁无刷直流电动机的机械特性和调节特性进行了分析研究，建立了一套永磁无刷直流电机的数学模型，利用MATLAB对进行了仿真分析;利用解析法对无刷直流电机进行电磁场分析和设计，利用等效磁路的方法对电机进行优化;根据基本理论和数模研究结果，设计了一套125W/6100rpm永磁无刷直流电动机及其控制系统的工程样机，进行了CAD电磁设计、Solidworks三维造型结构设计和优化、典型零件的加工和装配;同时搭建了永磁无刷直流电动机的实验研究平台，利用电机测试技术和风机标准化风管性能试验方法，对工程样机进行测试，通过实验研究对比分析理论值与实验值的差异，经性能测试、整机加装测试以及环境试验证明该工程样机达到预期的目标，验证了设计理论及分析方法的正确性和可行性，为永磁无刷直流电动机的工程实际应用奠定了基础。

1、国内和国外研究现状

进入二十一世纪以来，随着全球经济社会的快速发展，石油、煤等非可再生资源的日益枯竭，能源紧张也成为全球共同关心的话题，所以建设资源节约型，环境友好型社会也成为迫切要实现的目标。在这种大背景下，高性能电机及其驱动技术日益蓬勃发展，并且国家发改委在“十大重点节能工程实施意见”中提出了要推广高效节能电机，稀土永磁电机，同时推广变频调速永磁电机等先进电机调速技术的要求，并且随着该电机技术的日益成熟，已经渗透到了国防、工、农业生产中，影响着我们的日常生活。

2.1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：无刷直流电机是目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）便于维护、长寿命：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，目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：

目前，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。

2.2综合介绍与评价

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2004年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。我国目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，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。

3、研究内容

本课题以永磁方波无刷直流电机（BLDCM)为控制对象，设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。该系统基于单片机的数字化直流无刷电机无传感器控制系统，主要围绕无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)控制系统设计中的几个关键技术—位置检测、起动和控制方法进行了深入的研究，对无位置传感器无刷直流电机运行方式进行了全面的分析。利用当前先进的数字技术和现代控制理论，在强干扰环境中精确检测转子位置，提高可靠性，降低制造成本。

4、^范文提纲

1.研究无刷直流电机的工作原理及各种控制方法。重点研究利用反电动势检测电机转子位置信号的方法。

2.完成控制系统的硬件电路设计。这其中包括MCU及其外围电路、EMI滤波和整流电路、IPM逆变电路、反电动势检测电路等部分。

3.PWM调制方式对系统的影响。

4.电机静止启动方法的研究。

5.电机闭环控制方法的研究。

6.根据系统功能要求，编写控制系统的软件程序。

7.对控制系统进行软硬件调试，分析实验得出的结果，验证控制系统方案的正确性。

8.根据仿真实验结果分析，探讨系统的不足之处以及实际应用中可能遇到的问题。

5、参阅文献

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                                        2019 年 10月10 日