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详细说明：基于直流变频技术的压缩机驱动系统的研究pdf,基于直流变频技术的压缩机驱动系统的研究密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站 explained in the concrete Moreover, according to characteristic of the motor' s structure, the old Three-step Starting Technology" has been improved. What is more Important, a" New Three-step Starting Technology"has been proposed accompanying its detailed analysis. At the same time in order to achieve the fast stable rotational speed, an intelligent controller based on fuzzy PID has been designed. Finally, three experimental platforms have been built in aim at examining the fundamental function, the length-of-life test and the COP of the drive system separately The experiment result indicates that the performance of this system is stable and that of the speed modulation is good. Thus, it has the superiority to the similar products and achieves the anticipated effect KEY WORDS: DC converter, brushless DC motor(BLDCM), back electromotive force(back-EMF), intelligent control, refrigerating performance test II 密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江工业大学硕士学位论文目录第一章绪论∴ 1.1直流无刷电机的发展历程及其优越性 1.1.1直流无刷电机的发展历程 1.2直流无刷电机的优越性 1.2压缩机的发展历程和趋势 1.3目前国际上最新研究方向. ··“····““·“““······ 1.4本课题研究的意义及研究内容, 11123457 第二章无刷直流电机的工作原理和数学模型 2.1直流无刷电机的工作原理. ,「··,·····,.·,···,,,,,, 21.1无位置传感器无刷直流电动机的结构 2.1.2无刷直流电动机的转动原理 2.1.3电机的位置切换和调速原理. 10 2.2直流无刷电机的数学模型. 2.2.1电压方程和状态方程 .12 2.2.2电机转矩方程及运动特性分析 ,,,14 2.2.3传递函数第三章压缩机驱动系统中的控制技术.,, 17 3.1电机转子位置的准确检测技术.17 3.1.1无位置传感器直流无刷电动机转子位置检测方法 ,17 3.1.2反电动势检测法的原理 18 3.1.3反电动势检测法的相移分析. 32电机的平稳而快速的启动技术 ···*·:;.·“。·:··:“. 3.2.1普通直流无刷电机的启动 .23 322直流无刷电机的启动改进方法 ..24 3.3电机的速度控制算法的实现 3.3.1模糊控制器的设计 3.3.2PID控制器的设计. 密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江工业大学硕上学位论文第四章驱动器的设计 34 4.1驱动器硬件的设计 ,,,,,,,,,,,34 4.1.1电源的设计 4‘ 34 4,1.2微处理器的选择 ,37 4.1.3驱动电路的设计 4.1.4反电势过零点检测电路的设计 4.1.5保护电路的设计 890 4.1.6抗干扰措施.41 42驱动器软件的设计. ,42 4.2.1系统软件总体结构 ,,,,,,,,42 4.2.2控制系统启动过程 44 4.2.3PWM控制及直流无刷电机工作状态 ,45 4.2.4电机速度的检测及控制算法的实现 ,47 第五章实验台架的设计 5.1基本功能测试平台 5.2运行测试平台. 53制冷性能测试平台第六章试验结果分析和结论 .:::;:·;·“;““····· n,,54 6.1试验结果分析 54 6.1.1电压电流分析. 申·中.·,BB鲁B鲁唐 54 2速度算法分析. 57 6.1.3综合性能分析. ∴59 6.2结论 ■翻参考文献致谢「自,罪.甲翻幽4· 攻读学位期间发表的学术论文目录密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 1.1直流无刷电机的发展历程及其优越性 1.1.1直流无刷电机的发展历程尽管有刷直流电动机以其优良的调速特性在运动控制领域得到广泛的应用, 但电刷和换相器机械换向及其引起的一系列问题给有刷直流电动机的应用带来了许多限制。为此,早在1917年就有人提出可用整流管代替机械电刷换向,从而为无刷直流电动机的诞生提供了理论基础。195年美国 D. Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直电动机机械电刷的专利,标志着无刷直流电动机的诞生。但由于该电动机尚无起动转矩,因此不能产品化,经过人们多年努力,借助霍尔元件来实现换向的永磁无刷直流电动机在1962年终于问世,开创了永磁无刷直流电动机的产品化的新纪元。自从直流无刷电动机在20世纪60年代后期诞生以来,人们把它应用于各个方面,从而使其获得了快速发展。伴随着电力电子技术、材料技术、计算机技术及控制技术(含控制理论)等相关技术的飞速发展,人们更多的尝试从提高驱动器的性能这条途径着手来提高无刷直流电动机的性能。如今无刷电动机集特种电机、检测元件、控制软件与硬件于一体,且体现着当今应用科学的许多最新成果,是机电一体化化的高技术产物。在计算机软硬盘驱动器、光盘驱动器、激光打印机、摄录机以及化工、采矿、航天航空、机器人等领域有着广阔的应用前景。无刷直流电动机真正进入实用阶段是从1978年开始的,当时原西德的MANN ESMANN公司的 drama分部正式推出MAC经典无刷直流电动机及其驱动器。80年代在国际上对无刷直流电动机开展了深入的研究,先后研制成梯形波和正弦波无刷电机。在此后的时间里,无刷直流电动机得到了较充分的发展。并有人预测无刷直流电动机将逐步取代其它类型的电机成为传动领域的主导电机。此外,由于 70年代以来,电力电子工业得到了飞速的发展,许多新型的高性能半导体开关器密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江T业大学硕上学位论文件,如GTQ, MOSFET,IGBT等的相继出现,以及高性能的永磁材料钴铁硼等的问世, 均为无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。在进入90年代以后,控制技术尤其是控制理论发展十分迅猛,而借助于先进的计算机技术这一强有力的技术基础,单片机、DSP、FPGA、CPLD等微处理器也得到了空前的发展,指令速度和存储空间都有了质的飞跃。使得人们得以不断尝试着将一些先进的控制策略和方法(PI控制、神经网络控制、模糊控制、专家控制等)引入无刷直流电动机驱动器,由微处理器芯片为核心的全数字电路取代原来的模拟电路,使整个无刷直流电动机传动系统的性能大大提高,并且简化了系统的复杂性,从而推动着无刷直流电动机朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展, 为其更好地满足新世纪数字化时代发展的需要开辟了道路。 1.1.2直流无刷电机的优越性在交流系统中应用的电机主要有异步电动机和永磁同步型电动机两种,其中永磁同步型电动机按工作原理不同,可分为正弦波反电势的无刷直流电动机(PSM 和梯形波反电势的无刷直流电动机( BLDCM),由于工作原理的不同,使得它们的驱动电流与控制方式也不一样。采用矢量控制的异步电动机,可获得接近直流调速系统的机械特性和宽的调速范围,存在的主要缺点是控制较为复杂,且对电机参数有较强的依赖性;采用 PWM控制的无刷直流电动机的外部特性完全可以与直流电动机等效,且与感应电机相比,体积小、重量轻、效率高,且不存在励磁损耗问题,因此在髙性能应用领域,无刷直流电动机显示了更多的优势。无刷直流电动机虽然存在着转矩脉动问题,但与其它电机相比,其优越性主要表现在以下几个方面: 在快速性方面,无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体,电枢绕组在定子上,因而转子外径相对较小,转子转动惯量因而也较小。在转矩方面,有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩,而无刷直流电动机具有直流电机的特性,从而起动转矩和最大转矩都较大。因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江工业大学硕士学位论文在可控性方面,直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系,直流电动机的起动转矩又大,因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似,只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。在可靠性方面,因为其免除了电刷和换向器,所以也就消除了故障的主要根源。无刷直流电机的转子上由于没有电的损耗,又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势在轴线上是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外,转子方面的损耗很小。正是因为 BLDCM的这些诸多优点,故在当今国民经济的各个领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家电等方面的应用日益曾及 1.2压缩机的发展历程和趋势为了减小CO2的排放量,及由此带来的温室效应,国际上先后对家用电器行业实施节能限制法规,例如美国,在2001年7月份实施冰箱节能法规,新规定要求的耗电量比原来的下降30%。在我国,有关部门计划在2003年推出电冰箱节能标志法规,执行新的冰箱能耗标准。根据冰箱厂的研究,压缩机CP值的提高对冰箱的节能有直接的正比关系,是冰箱降低耗电量的主要手段。因此,压缩机的发展方向就是追求更高的CP值。目前,压缩机提高效率主要在电机、机械系统、气阀效率等方面改进提高。在提高电机效率方面,传统的方法主要为:1、釆用电容运转单相电机;2、在绕组、冲片上对电机进行优化设计。但这些方法对电机效率提高是有限的。因此在这样的大背景下,压缩机及制冷系统也在朝着如何更稳定更节能的方向不断的发展着,从一开始的定频压縮机到后来的交流变频压缩机, 到目前的直流变频压缩机,它们的性能都是在不断地改进,特别是在其稳定性和效率上面显示得更具突出同。从性能上看,交流变频压缩机内的异步电机的内部磁通是由外部进入的电流形成的,而电流流动必定会因电阻等产生损耗;直流变频压缩机内的直流无刷电密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江丁业大学硕上学位论文动机是由永久磁铁生成内部磁通,不需要外部能量供给,不会产生这一部分的损耗,因此效率比异步电机高。此外,由于直流变频压缩机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用,克服了交流变频压缩机的电磁噪音,也具有比交流变频压缩机噪音低的特点。根据理论和实验证明,直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10%-30%,噪音低5分贝-10分贝。但是,直流变频压缩机的成本要高于交流变频压缩机,控制的难度也高于后者。但是随着元器件成本的不断下降,直流变频压缩机终究会取代交流变频压缩机成为市场的新宠。目前,国外的 EMBRACOZANUSSI MATSUSHITA等公司已经有相关的产品在中国市场上销售。尤其是日本的一些制造厂商,以 MATSUSHITA为代表,利用自身在电子产品方面的优势,最早进行该课题的研究开发工作,它将压缩机驱动器与冰箱控制器作为一个整体来进行设计,其技术在各方面都比较成熟。由于国内无刷直流电动机的研究起步较晚,国内压缩机厂在新技术的研究开发一直滞后于国际先进水平,加上各制冷企业在电力电子技术方面的欠缺,国内压缩机制造商在变频压缩机的研究开发上只是近两年展开,它们依靠国内大学的研发能力以及一些电子产品生产商的支持开始相关产品的研究以及市场化的工作 1.3目前国际上最新研究方向在技术上,研究方向主要分为电机本体和驱动器两个方面。在电机本体方面,无位置传感器将全面代替有位置传感器。目前很多 BLDCM 是带有位置传感器,因为它需要使用位置传感器检测转子磁场位置信号,以控制定子绕组的通电时间长短及顺序,从而实现电机的同步运行。但是,随着无刷直流电动机应用领域的拓宽,它也被应用到一些没有位置传感器的场合,得到了更广泛的关注。因为对于用户直接位置传感器增加了系统的成本,同时传感器与电机的机械连接及传感器和驱动器的电气连接使系统的可靠性降低,主要体现在以下四个方面:1、位置传感器有些场合无法安装,且过多的信号线,使连线变得复杂而且容易出错;2、在高温、冷冻和有腐蚀性的环境中,位置传感器可靠性降低, 甚至无法工作;3、位置传感器的安装位置直接影响电机的运行性能;4、有位置密封技木两 www.mfw365.com 首家密封技行业门户网站浙江工业大学硕士学位论文传感器毫无疑问会增加无刷电机系统的成本,降低市场竞争力。因此,略去无刷电动机的位置传感器而用其它方法检测转子的位置,是一项具有实际意义的工作, 能进一步扩大无刷直流电动机的应用领域和生产规模无位置检测是指利用电机的某些参数随转子位置的变化而变化的关系来获得转子位置信息的方法。无位置检测技术与直接位置检测技术相比有如下的特点:1、机槭结构简单,可以降低成本;2、抗环境干扰能力强,可靠性高:3、无位置检测技术的精度比直接位置检测技术略低,但存在一定的技术难度,关键技术需突破。因此,无刷直流电机的无位置传感器化控制技术迅速兴起,并成为今后无刷直流电动机控制的发展趋势团。除此之外,转子永磁磁钢材料尺寸及磁钢的排列方式的选择应该合理,在满足各项性能指标的前提下,使电机的成本尽量低,存在一个优化问题,另外永磁电机的漏磁场情况比较复杂对电机性能也有一定影响,所以研究永磁电机的漏磁场分布一直是一个研究方向。在驱动器方面,用观测电量的方法替代位置传感器的作用是一个必然趋势, 如何使电机的稳定快速启动,如何精确地检测转子的位置电机按正常的逻辑运行, 如何降低机电转动过程中的脉动,都是目前课题的研究任务。向更高一步发展, 可以利用计算机数字信号控制电机的运行,使电机的控制人工智能化,也是研究的主导方向冈。 1.4本课题研究的意义及研究内容随着世界范围内能源危机的到来,各国都在为经济可持续发展的目的积极推广节能降耗技术。作为每个家庭的主要设备,冰箱和空调的节能也受到了越来越多的关注。其中它们的压缩机电机主要有交流异步电动机和无刷直流电动机两种。交流电动机成本低,制造工艺简单,但其节能效果较差。无刷直流电机既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能,又从根本上消除了换向火花、无线电干扰等弊端,又具有寿命长、可靠性高、噪声低等优点,理所当然的成为了冰箱空调压缩机的发展方向。目前,国内这方面的产品还不是很多,而且很多都是国外的

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