申报书定稿1.docx
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申报书定稿1
项目编号:
浙江省大学生科技创新项目
申报书
创新项目名称:
基于DSP的直流无刷电机配套驱动器的研发
创新项目负责人:
学校名称:
台州学院
申报日期:
2010年12月20日
项目类别:
个人项目□团队项目□√
浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)实施办公室制
填写说明
一、申报书要按照要求,逐项认真填写,填写内容必须实事求是,表达明确严谨。
二、格式要求:
申报书中各项内容以Word文档格式填写,表格中的字体为小四号仿宋体,1.5倍行距;表格空间不足的,可以扩展或另附纸张;均用A4纸双面打印,于左侧装订成册。
三、申报书由所在学校领导审查、签署意见并加盖公章后,一式三份(均为原件),报送浙江省大学生科技创新活动计划(新苗人才计划)实施办公室。
一、项目简介
项
目
概
况
项目名称
基于DSP的直流无刷电机配套控制器的研发
项目性质
()基础研究(√)应用基础研究
项目来源
()自主立题(√)教师指导选题
起止时间
自2010年12月至2011年12月
项目状况
1、研发阶段√2、中试阶段3、批量(规模)生产(选项打√)
申
请
人
姓名
蒲军
性别
男
出生
年月
1987.8
入学
年月
2007.9
所在
院系
物理与电子工程学院
联系
电话
139********
电子
信箱
shangguanxuling@
项目组
主要成员
姓名
年龄
性别
专业
具体分工
许浙娜
22
女
电气工程及其自动化
硬件电路设计及调试
郑莹颖
22
女
电气工程及其自动化
软件设计及调试
叶泓炜
20
男
电气工程及其自动化
硬件电路设计及调试
陈佳丹
22
女
物理师范
软件设计及调试
项
目
指
导
教
师
姓名:
戴育良
53
性别
男
出生
年月
1955.12
主要研究方向
数字信号处理和嵌入式系统应用
近三年获奖成果:
国家级__等奖___项,省部级__等奖___项
近三年科研经费___1__万元,年均__0.33___万元
项
目
主
要
内
容
简
介
本项目拟以数字信号处理器(DSP)芯片TMS320LF280x为核心来设计直流无刷电机驱动器。
TMS320LF280x将高性能的DSP内核和控制器外设功能集于一身,使用该DSP芯片设计驱动器,将有效改善直流无刷电机运行的性能和精度,使其更可靠、更经济和更节能。
二、项目的研究目的及意义
1、申请项目的必要性、目的及意义
产业升级,低碳经济是正处于转型期的我国可持续发展的重大课题。
无刷直流电机是随着电力电子器件及新型材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。
(1)它既具有AC电机的结构简单,运行可靠,维护方便等优点,
(2)又具备DC电机那样良好的调速特性而无由于机械式换向器带来的问题,运行转速稳定、效率高、低噪声、无火花、无辐射干扰.(3)相比伺服电机,其控制/驱动技术简单,可灵活多变。
成本较低,具有较高的成套性价比,因此被广泛应用于各种调速驱动场合。
例如节能方面,假设每套设备中使用的20台交流异步电动用直流无刷电动机替代,每台节能14.6W,每天工作24小时,每年可节能2558KWh,以目前工业电价计算,则节约2745元,同时相当于减少CO2排放1.4吨。
因此在工程应用中,使用直流无刷电机不仅成本降低了很多,而且运行稳定可靠、效率高,可调性好。
符合国家的可持续发展的战略方针,所以未来直流无刷电机具有良好的发展前景。
以往的无刷直流电机多由单片机附加许多种接口设备构成或者以脉宽调制模拟集成电路控制。
不仅外围电路复杂复杂,可靠性差,功能较少和智能化程度低,而且速度也受到限制,难于实现从位置环到速度、电流环的全数字控制,也不方便扩展。
由于这些原因,目前直流无刷电机大规模应用受到了限制,开发性能更好的配套控制器是很有必要的。
应用数字信号处理器(DSP)实现的电机伺服系统却可以只用一片DSP就可以替代单片机和各种接口,扩展方便,可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制。
C2000系列芯片是TI公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的。
它具有以下特点:
是16位的定点DSP;高达30MIPS的执行速度;片内有高达32K字的Flash程序存储器,2.5K字的数据/程序RAM,544字DARAM,2K字的SARAM;有两个事件管理器模块EVA和EVB,每个均包括如下资源:
两个16位通用定时器,8个16位的脉宽调制(PWM)通道,防止击穿故障的可编程的PWM死区控制,对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元,片内光电编码接口电路,事件管理器模块适用于无刷直流电动机等的控制;10位ADC,其特性为:
最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道、可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入ADC或一个16通道输入ADC;CAN2.0B模块。
由于TMS320LF280x将高性能的DSP内核和控制器外设功能集于一身,所以它成为传统的单片机和昂贵的多片设计以及其他系列DSP的一种廉价替代产品。
采用TMS320LF280x芯片设计的控制器,将具有以下优点:
(1)外围电路简单,可靠性高;
(2)指令运行速度快,可提高控制器的实时控制能力;(3)用编程的方法来模拟无刷电动机的控制逻辑,使用灵活,通过修改程序可适应不同规格的无刷电动机,并且增加功能方便。
(4)由于集成了极为丰富的片内外设,因此由它构成的控制器可以具有更多的功能。
(5)相比其他DSP,280x系列成本大大降低,更适合专业应用。
2、项目的背景、主要内容、技术水平及应用范围
(一)项目背景:
十二五期间直流无刷电机的需求将会有爆发性发展。
如威灵早于几年前开始研发直流无刷电机,2009年开始试生产,年产量只有十万台。
2010年由于国内需求增加下,威灵已加大投入及生产,估计全年产量将达120万台,预计明年可增长至250万台。
据介绍,为扩大直流无刷电机的生产规模,威灵正在改造一个直流无刷电机新厂房,设计年产能为1000万台。
江苏,浙江,广东等是国内主要电机产业基地,近年来,台州的电机产业迅猛发展,在全国电机产业发展中具有举足轻重的地位。
台州市的电机生产企业主要集中在温岭,其次为路桥、黄岩、临海等地。
仅温岭的电机生产企业就有60多家,台州电机总产值达50多亿元。
电机产业的发展,支撑着台州制造业的兴盛。
随着产业升级,节能减排,对电机也提出了更高的要求。
目前,直流无刷电机生产与使用在台州亦有迅猛发展之势,如三门的奇林,黄岩的顺风、安特,温岭的东菱、恒能以及巨杰等企业都已开始直流无刷电机的研发与生产。
然而,由于直流无刷电机需要配套的控制器,很多厂家生产出来的电机在工程应用时都会出现如性能不稳,控制不高等或多或少的问题,所以大部分厂家还是做的还是比较低端的产品。
目前,台州市政府和企业在战略层面上,统一认识,理清思路,着力自主创新,期望加快推进台州电机产业集群的升级和转型,实现电机生产与制造业产业的跨越式发展。
但是,经过调查我们也看到,台州电机企业也存在规模较小,生产粗放,研发人员缺乏,尤其缺少直流无刷电机及其配套驱动器的研发人员。
因此我们要利用所学的知识以及我们学校的优势为当地企业的发展做出服务和贡献。
(二)主要内容:
由于直流无刷电动机效率高、使用寿命长,无需保养,噪声小,输出力矩大,是未来电机产业应用与发展的方向,所以本项目研发用于控制直流无刷电动机的驱动器。
本项目以DSP为核心设计驱动器。
研究的主要内容有:
(1)位置信号处理电路的设计
位置信号处理电路应能对无刷电动机位置传感器产生的位置信号进行放大等处理。
本项目首先要研究设计出电路结构简单、工作可靠的位置信号处理电路。
(2)驱动电路和功率场效应管输出电路的设计
DSP产生的驱动信号送到驱动电路,由驱动电路对驱动信号进行放大、电平移位,达到上、下臂功率场效应管所需的驱动电平。
优化驱动电路的设计使其可靠地形成一定时序且幅度适当的驱动信号,也是本项目研究的一个重要内容。
(3)保护电路的设计
保护电路主要有欠压保护和过流保护等,其性能的优劣直接影响控制器和电动车的寿命。
利用DSP的强大功能,优化保护电路的设计,使之可靠地工作。
(4)DSP与外围各部分电路的接口设计
在设计控制器各部分电路的同时要统筹考虑它们与DSP的接口问题,设计出合理的接口电路,使DSP能够可靠地获取外部信号并将DSP产生的控制信号可靠地传递给外部电路,同时减少各部分电路之间的干扰。
(5)DSP程序设计
探索不同的控制算法对驱动器性能和工作可靠性的影响,设计出合理的DSP程序。
(三)技术水平及应用范围:
配套驱动器的产品特点:
(1)控制方案灵活多变
(2)配套型号规格齐全,通用性和兼容性强(3)自主设计开发可行性强,维修方便等(4)由于DSP集成了极为丰富的片内外设,而且价格也在快速下降,因此由它构成驱动器的直流无刷电机功能更强大,应用范围更广。
由此方案设计的驱动器适用于:
(1)电脑硬盘的主轴驱动,激光打印机,复印机,医疗器械,卫星太阳能帆板驱动,医疗监控设备等。
(2)空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等.(3)城市无轨电车,汽车,清扫车等。
(4)工业缝纫机、纺织印花机等。
(5)军事工业和航空航天中。
。
3、实施该项目所具备的基础、优势和风险
(一)具备的基础:
为顺利地进行研发,项目组做了大量的前期工作。
项目组成员都在学习TMS320LF280xDSP的使用,有良好的理论和实践基础。
项目组多次到台州多家知名电机生产企业,特别是直流无刷电机的生产进行调研,深入了解他们生产的直流无刷电机机器配套驱动器的现状,仔细了解各企业在改善驱动器性能方面的迫切需求。
项目组查阅大量的国内外与控制器相关的文献资料,在实验室对直流无刷电机的控制做了较多试验,充分了解了其工作性能和工作特点,对使用TMS320LF280x芯片控制直流无刷电机有了理论和实践基础。
项目组所有成员对电子控制技术都有浓厚的兴趣,有扎实的理论基础,有很强的实际动手能力。
许浙娜同学曾获一等奖学金等荣誉。
叶泓炜同学曾获一等奖学金及国家励志奖学金、校三好学生、优秀团员、优秀党校学员、电子技术竞赛优胜奖等荣誉。
陈佳丹同学曾获三等奖学金、校优秀学生干部、校大学生实验技能竞赛二等奖、校数学建模三等奖等荣誉。
郑莹颖同学曾获三等奖学金等荣誉。
物电学院实验室可提供的用于研发的设备:
名称
型号
全数字电机控制教学开发系统
ICETEK-F2812-ACM
全数字电机控制教学开发系统
CY-MCS-2407
全数字电机控制教学开发系统
CY-MCS-2812
电机控制开发板
ICETEK-LF2407-A
电机控制开发板
ICETEK-F2812-A
仿真机
ICETEK-5100USBV2.0A
直流无刷电机
BH23-100A
直流无刷电机驱动
BH05-8010A
直流有刷电机
DCM50207D-1000
直流有刷电机驱动
DCS-810
(二)优势:
台州直流无刷电机产业具有良好的发展前景。
学院与台州市政府建立了校企合作平台,为本项目的开展提供了很大的便利。
指导老师戴育良一直从事数字信号处理和DSP技术方面的教学和研究。
曾指导过学生科研项目《基于DSP的语音识别》、《基于DSP的简易频谱分析仪设计》,并已结题。
(三)风险:
由于是首次研发直流无刷电机驱动器,在经验方面有所欠缺,必须经过大量的试验,使驱动器的性能不断完善,以达到行业标准。
4、项目计划目标
(1)进一步进行调研,了解控制器研究和设计的现状。
制定好设计方案。
(2)设计控制器硬件电路。
列出元器件清单并购买元器件。
(3)制作出控制器硬件电路并进行调试。
(4)编写DSP控制程序。
(5)控制器综合调试。
(6)控制器综合调试。
(7)与企业联合对控制器进行试验和性能检测并进行必要的改进。
(8)总结研发结果,撰写论文。
过程管理:
每周开一次项目组会议,了解项目进展情况,讨论研发过程中遇到的问题的解决办法。
项目结题:
发表论文1-2篇。
四、预期成果、知识产权形成及经济、社会效益分析
1、项目的预期成果及知识产权归属情况
项目预期成果:
(一)设计并制作出以TMS320LF280xDSP为核心的直流无刷电机驱动器,使其达到行业标准;
(二)发表论文1-2篇。
知识产权归属:
相关知识产权归本研究小组所有。
2、项目的市场前景分析
无刷直流电机发展至今已有40余年历史。
由于它具有的一系列优点,首先在军事领域获得应用。
自二十世纪80年代开始,国外发达国家在民用领域推广、并形成无刷直流电动机及驱动器件的规模化产业。
1996年,全球电机产量48亿台,产值666亿美元;无刷直流电机占17%为113.22亿美元,其中电机产值75.56亿美元,驱动器产值37.66亿美元。
2001年全球电机产量达73亿台,产值960亿美元(含驱动器);无刷直流电机市场占有率达到25%,为240亿美元,其中电机产值154亿美元,驱动器产值86亿美元。
2001年三相交流电机的销售额将低于无刷直流电机,为137亿美元,而变频驱动器为208.6亿美元。
说明了无刷直流电机及驱动器市场增长的势头。
由于无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器,具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点,各国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。
稀土永磁钢是无刷直流电机中最贵的一种材料,中国是世界范围内的主要提供者。
我国无刷直流电动机的发展正处于成长发展期,推动产品商品化,产业化和普及化的条件已经成熟。
预计十二五期间,国内直流无刷电机总产值将达到300亿美元,其中电机产值192.5亿美元,驱动器产值107.5亿美元。
3、项目的盈利能力分析及财务预算
项目成果是以技术服务为主。
经费总预算:
10000元
其中:
资料与印刷费及深入企业调研费用:
2000元。
购买元器件和试验费用:
8000元
4、项目的社会效益分析
基于DSP为驱动器的直流无刷电机将为企业提供升级换代产品,提高企业竞争力,服务地方,将产生巨大的社会经济效益。
五、项目实施进度方案
实施进度方案:
2010年12月—2011年2月进一步进行调研,了解驱动器研究和设计的现状。
制定好设计方案。
2011年2月—2011年4月设计驱动器硬件电路。
列出元器件清单并购买元器件。
2011年4月—2011年5月制作出驱动器硬件电路并进行调试。
2011年5月—2011年6月编写DSP控制程序。
2011年6月—2011年8月驱动器综合调试。
2011年8月—2011年11月与企业联合对驱动器进行试验和性能检测并进行必要的改进。
2011年11月—2011年12月总结研发结果,撰写论文,申请结题。
六、项目组承诺
承诺书
以上所填内容真实可靠,本项目组承诺:
该项目立项后,将严格遵守有关规定、遵守本申报书和预算表中规定的条款和内容,保证按计划进度完成项目任务。
项目组全体成员(签章):
年 月 日
七、学校审核意见:
负责单位(公章):
年月日
八、专家组审核意见
专家组组长签章:
年月日
九、实施办公室审核意见
公章:
年月日
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