電機課程設(shè)計實驗方案

1、運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計實驗方案姓名：邢安超學(xué)號：題目：控制電機速度正反轉(zhuǎn)指導(dǎo)老師：杜友武目錄前言3一、方案總述4（一）電機部分4（二）控制電路（包括CPU,數(shù)碼管等）5（三）控制程序5二、方案實踐6（一）CPU無刷電機的調(diào)試6（二）控制電路的調(diào)試9（三）無刷電機原理及控制10前言這個課程設(shè)計下來之后，想了很久，感覺挺好實現(xiàn)，但是細(xì)節(jié)又是那么難處理，主要還是自己的理論知識學(xué)的不好，我上課很少認(rèn)真聽課，但是喜歡做實驗，做東西什么覺得比上課好玩又輕松，導(dǎo)致現(xiàn)在理論不夠扎實，所以這只是對這次課程設(shè)計的一個方案，一些細(xì)節(jié)比如編程序什么，還是需要老師多多教導(dǎo)多多支持！這次回家發(fā)現(xiàn)家的臺式電腦壞了，我看了一下

2、，是CPU風(fēng)扇出了問題，就打開修了并重新買了一個，修理后的風(fēng)扇雖然可以轉(zhuǎn)，但是很不穩(wěn)定，高速達(dá)到近兩千轉(zhuǎn)時就失控了。剛好最近在想這次課程設(shè)計，發(fā)現(xiàn)CPU風(fēng)扇也有電機，所以好好研究有了以下的方案！一、 方案總述（一）電機部分我看了一下電動機的詳解，分析了一下CPU風(fēng)扇的電機，使用的是無刷電機，無刷電機現(xiàn)在是市場上使用比較多的電機，有以下幾點好處：1、無電刷、低干擾無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。2、噪音低，運轉(zhuǎn)順暢無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨

3、大的支持。3、壽命長，低維護(hù)成本少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護(hù)的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運動的發(fā)展?？戳瞬簧贌o刷電機售價，大約在五十元左右，所以可以把電機的成本定在五十元。也可以直接購買CPU風(fēng)扇，大約三十元，做完還可以在日常當(dāng)風(fēng)扇用，

4、但是問題是USB電壓不夠和難以實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。電機成本預(yù)測：50元（二）控制電路（包括CPU,數(shù)碼管等）這一部分，我想說，去年我們做的電療儀實驗板，完全可以使用在這上面，使用單片機控制，數(shù)碼管顯示，按鍵數(shù)據(jù)編程，但是這些我都不太會，希望杜老師可以幫我想想，在哪接輸出線，程序怎么編，理論上我覺得肯定可行，這樣可以省下來不少的實驗經(jīng)費，如果有弄壞的或者弄丟的，就讓他們自己購買新的吧?？刂齐娐奉A(yù)計成本：10元（三）控制程序控制程序我們就用最常用的C語言，完全可以進(jìn)行編程，當(dāng)然，我們自己編估計有點困難。二、方案實踐（一）CPU無刷電機的調(diào)試用USB的5V電壓的確可以驅(qū)動，但是轉(zhuǎn)速很慢，但是我接在電腦上面速度

5、完全可以調(diào)控，并且可以顯示轉(zhuǎn)速。下面看一下PWM調(diào)控優(yōu)點：PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式?？傊?，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。四針線控的CP

6、U風(fēng)扇，分別是電壓，接地，速度顯示與速度控制，速度的測試用的是霍爾元件，經(jīng)過我的調(diào)試，這個風(fēng)扇應(yīng)該是一圈產(chǎn)生兩個脈沖，只要記錄脈沖數(shù)就可以測出轉(zhuǎn)速了。上圖，每轉(zhuǎn)到一定位置，燈就會亮，表示傳輸線有信號產(chǎn)生。下面看一下霍爾元件原理：霍爾元件應(yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成多種傳

7、感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為:UH=RHIB/d （1） RH=1/nq（金屬） （2）式中 RH霍爾系數(shù)；n單位體積內(nèi)載流子或自由電子的個數(shù)；q電子電量；I通過的電流；B垂直于I的磁感應(yīng)強度；d導(dǎo)體的厚度。對于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達(dá)式和式（2）不同，此處從略。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小和導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不和被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上

8、同時產(chǎn)生的霍爾電位差和電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。（二）控制電路的調(diào)試控制電路使用的是上學(xué)期的電療儀電路板上面的各方面電路都有，包括CPU，數(shù)碼管，按鍵，還有蜂鳴器等等，完全可以設(shè)計出控制電路。（三）無刷電機原理及控制無刷電動機的組成結(jié)構(gòu)和工作原理三相永磁無刷電動機和一般的永磁有刷電動

9、機相比，在結(jié)構(gòu)上有很多相近或相似之處。用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷電動機的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞，用技術(shù)逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的電子換相器取代有刷電機的機械換相器和電刷，就得到了三相永磁無刷電動機。1.無刷電動機結(jié)構(gòu)特點無刷電動機屬于三相永磁同步電機的范疇，永磁同步電動機的磁場來自電動機轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵。在這里，永久磁鐵的特性，在很大程度上決定電動機的特性。目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼、等 根據(jù)幾種的磁感應(yīng)強度和磁場強度成線性關(guān)系這一特點，應(yīng)用最為廣泛的就是釹鐵硼。它的線性關(guān)系范圍最大，被稱為第三代稀土永磁合金。 在轉(zhuǎn)子上安置永磁鐵的方式有兩種：一種是將成型

10、的永久磁鐵裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂外裝式；另一種是將成型的永久磁鐵埋入轉(zhuǎn)子里面，即所謂內(nèi)裝式。根據(jù)永久磁鐵安裝方法不同，永久磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。扇形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子具有電樞電感小、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點，但易受電樞反應(yīng)的影響。且由于磁通不可能集中、氣隙磁密度低，電極呈現(xiàn)凸的特性。矩形磁鐵構(gòu)造的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極特性，電電感大、齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故適于大容量電機，由于電動機呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩，此外，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永久磁鐵，不易飛出，故可作高速電機使用。 根據(jù)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的每相勵磁通勢合布不同，三相永磁同步電機可分為兩種類型：正弦波形和方波形永磁同步電

11、機，前者每相勵磁磁通勢分布是正弦波形，后者每相則是方波狀，根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)和永磁體形狀的不同而不同，對于徑向勵磁結(jié)構(gòu)，永磁體直接面向均勻氣隙如果采用稀大材料，由于采用非均勻氣隙或非均勻磁場化方向長度的永磁體的徑向勵磁結(jié)構(gòu)，氣隙磁場波形可以實現(xiàn)正弦分布。 應(yīng)該指出稀士永磁方波形電機屬于永磁無刷直流電機的范疇，而稀土永磁體正弦波形電動機則一般作為三相交流永磁同步伺服電機使用。但這不是絕對的，究竟是三相永磁直流無刷電動機還是三相永磁交流同步電機，主要決定于電動機的控制系統(tǒng)的方式，取決于電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型。2.三相永磁直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器永磁同步電動機的控制系統(tǒng)都屬于自控式變頻系統(tǒng)，就

12、是說電動機的換相狀態(tài)是由轉(zhuǎn)子的位置決定的，電動機的控制頻率是由轉(zhuǎn)子的運行速度決定的，這就需要轉(zhuǎn)子的位置檢測器。轉(zhuǎn)子的位置檢測器有多種，正弦波永磁同步電機一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器式、絕對式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測器。而在永磁直流無刷電動機（方波電動機）中，一般采用簡易型的位置檢測器，該器件不能用來檢測轉(zhuǎn)子的精確位置，其檢測精度通常只有60 的電角度，其主要作用是為了滿足電動機的換相要求。 位置傳感器是直流無刷電動機系統(tǒng)組件部分之一，也是區(qū)別于直流有刷電機和直流無刷電動機的主要標(biāo)志。其作用是檢測主轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換

13、相信息。以控制它們的導(dǎo)通和截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換相。形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn) 。 位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點，然而由于磁敏式霍耳位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優(yōu)點，故目前得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)磁場中的導(dǎo)體有電流通過時，其橫向不受到力的作用，同時還出現(xiàn)電壓，這個現(xiàn)象后來被稱為霍耳效應(yīng)。隨后人們又發(fā)現(xiàn)，不僅是導(dǎo)體而且半導(dǎo)體中也存在霍耳效應(yīng)。并且霍耳電動勢更明顯，這是由于半導(dǎo)體有比導(dǎo)體更大的霍耳系數(shù)的緣故。 霍耳傳感器按功能和應(yīng)用可分為線性型和開關(guān)型兩種 線性型 線性

14、型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級等部分組成，輸入為變化的磁感應(yīng)強度得到與磁場強度成線性關(guān)系的輸出電壓，可用于磁場測量、電流測量、電壓測量等。 （2） 開關(guān)型 開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍耳元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強度，輸出為開關(guān)信號。直流無刷電動機的轉(zhuǎn)子位置檢測器屬于開關(guān)型的傳感器。 直流無刷電機的霍耳位置傳感器和電機的本體一樣，也是由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動機主轉(zhuǎn)子的位置，即可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其它位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子由若干個霍耳元件，

15、按一定的間隔，等距離的安裝在傳感器定子上，以檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置。 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。位置傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（N、S幾極）的轉(zhuǎn)角，也就是說每轉(zhuǎn)過360 電角度，就要產(chǎn)生出與電動機繞組邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。以完成電動的一個換流全過程，如果轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360 機械角內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 霍耳位置傳感器必須滿足以下兩個條件：（1）、位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 （2）、位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機的工作狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。 位

16、置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動機的換相狀態(tài)對應(yīng)起來，進(jìn)而完成換相。對于三相無刷直流電動機，其位置傳感器的霍耳元件的數(shù)量是3，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔120 電角度，其輸出信號是Ha、Hb、Hc。 3.三相直流無刷電動機的換相原理三相永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、Hc在每360 電角度內(nèi)給出了6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、100、110、010、011、001，其波形見圖一。當(dāng)然這一順序與電動機的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，如果轉(zhuǎn)向反了，代碼順序也就倒過來。三相永磁無刷電動機的電子換相器主回路，也就是由6個功率開關(guān)元件組

17、成的三相H形橋式逆變器。請見下圖二： 圖三是三相永磁無刷直流電動機的定子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。其中線A-X表示與A相繞組軸線相交的位置；線B-Y表示與B相繞組軸線相交的位置；線C-Z表示與C相繞組軸線相交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6個60 的扇區(qū)，我們也把此圖稱作“定子空間的扇區(qū)圖”。 可以通過兩種不同的途徑來分析無刷電動機的換相過程，一是利用剛剛提到定子空間示意圖來分析換相過程；二是通過分析電動機的三相反電動勢來理解換相過程。 無論是從定子空間扇區(qū)圖還是從電動機定子繞組的反電動勢來分析三相無刷電動機的換相過程。所得的開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系都是相同的。 無刷電機

18、的驅(qū)動控制對于無刷電機驅(qū)動，現(xiàn)有兩種方式：一種是利用前面所介紹的位置傳感器，經(jīng)過邏輯電路的處理發(fā)面換相控制信號。一種是利用測反電動勢法，得知轉(zhuǎn)子位置信號，然后送入澤碼器來控制三個H橋的導(dǎo)通。 1、 開環(huán)型無刷直流電動機的驅(qū)動控制。 其內(nèi)部包括電子換相器主回路，一三相H形橋式逆度器，換相控制邏輯電路。PWM調(diào)速電路，以及過流等保護(hù)電路。 （1）、換相控制邏輯電路。 三相永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號。 Ha.Hb.Hc.在每360 電角度給出6個代碼，換相控制邏輯電路接收轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號。Ha.Hb.Hc并對其進(jìn)行澤碼處理。給出電子換相器主回路（三相橋式逆度器）中6個開關(guān)管的驅(qū)動控制信號。 三相霍耳輸出的信號，給出的6個代碼是101、100、110、010、011、001這一順序與電機的轉(zhuǎn)動方向有關(guān)轉(zhuǎn)向有關(guān)，轉(zhuǎn)向反了。代碼