直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計帶任務(wù)書+開題報告+外文翻譯】,直流電動機,轉(zhuǎn)速,控制系統(tǒng),設(shè)計,優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計,任務(wù)書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 大功率無刷直流電機的儀器與控制在小型車輛上的應(yīng)用 要： 對于小功率車輛上電動機的選擇來說，無刷直流電動機正變得越來越受歡迎，例如輕便摩托車、助力自行車、代步車和本文報道的機動山板。隨著技術(shù)上的飛速發(fā)展，因為鋰化學(xué)電池優(yōu)越的充電率和輕重量，像鋰離子聚合物這樣高比能量蓄電池變得更實惠也更適合于車輛。一 些低功率車輛的內(nèi)燃機功率要求高達 7 無刷直流電動機結(jié)合了大功率、重量輕、低成本的優(yōu)點導(dǎo)致它正成為一種十分有利的解決方案?，F(xiàn)在有一種無刷直流電動控制器，是專門為機動山板應(yīng)用而設(shè)計的，這個無刷直流電動機控制器帶有位置傳感器，需要霍爾效應(yīng)傳感器的輸入來確定轉(zhuǎn)子位置的，許多其他的傳感器是用來監(jiān)視電動機操作的關(guān)鍵變量，例如電機相電流、電池電壓、電機溫度和晶體管溫度。報告系統(tǒng)被一些額外的特征，例如液晶屏幕的輸出，反饋制動，時間提前，巡航和軟件啟動等進一步增強。這些功能將在下文進行簡要闡述。 關(guān)鍵詞： 位置傳感器的 無刷直流電機控制器 ； 再生制動 ； 時間提 前 ； 電動滑板 ；霍爾傳感器。 1 介紹 機動山板能幫助使用者進行極限登山運動，一般限于下坡，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。 一種外轉(zhuǎn)子 經(jīng)被投入應(yīng)用。這種電機因其低速（ 130），高轉(zhuǎn)矩特性，同時減少了傳動裝置而被青睞，一個比例為 1 的傳動裝置被用來直鏈驅(qū)動。裝置配備功率為 80100機，該電機足夠用來驅(qū)動速度大約在 70km/h 的小型交通工具。然而，由于驅(qū)動裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度限制 在 50km/h 的水平。所以，增大了的輪動轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險峻的山脈。 無霍爾傳感器的電機要求產(chǎn)生可測量的反電動勢傳遞給電機控制器，以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動和低速。相反，一個裝有位置傳感器的 夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時，在啟動過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的 此而產(chǎn)生的。 2 電氣系統(tǒng)綜述 司的 合信號現(xiàn)場可編程微控制器，已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號控制驅(qū)動電路的。該控制器運行用 環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動機控制器的運行。圖 1 顯示功能塊的電機控制器。 圖 1 電機控制器主要部件的概述 該電動機控制器使用一個三相 H 橋驅(qū)動電機。 這種電路被選中 ,是因為它允許電動機的四象限運行 ,以及滑行 。如圖 2 所示三相 H 橋的原理圖。 圖 2 驅(qū)動無刷直流電機的三相 H 橋電路 電機控制器應(yīng)滿足電機的特殊要求，能夠供給連續(xù) 5S 提供 48V 電壓下的130A 電流，并能夠連續(xù)提供至少 40A 的電流。 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ ）。它們的優(yōu)勢在于低成本及在兩個聯(lián)條件下的電流導(dǎo)通能力 [1]。為獲得 130A 的目標(biāo)電流，兩個 橋。 在微控制器和 間使用柵極驅(qū)動器 原因有三： 自單片機的邏輯信號轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管 12V 信號，使得 于驅(qū)動高側(cè)柵極 電壓到 12V 以上，使得飽和。 橋提供直通可編程死區(qū)時間保護。 柵極驅(qū)動器 柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時間。這是為了減少通過 電機繞組 [2]的電流變化率（ ）。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時電機繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電勢（自感），電勢的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個感應(yīng)電壓可能會導(dǎo)致晶體管體承受電壓超過 級，導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上 [3]可以減少電路振蕩問題。圖 3 為一個在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián)，電路可以進行擴展。 圖 3 柵極電阻的電路圖，以盡量減少 極振蕩 對于保護晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時間是不夠的；母線電容器也被用于吸 收尖峰電壓 [2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率（約 50 低等效串聯(lián)電阻（ 容是必需的。標(biāo)準(zhǔn)的電解電容的速度難以實現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。 電機控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量電機的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制，電機控制器切斷電機電源，以防止電機繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被損毀。霍爾效應(yīng)電流傳感器的輸出是一個模擬信號，它和流過導(dǎo)線的電流大小成比例。本應(yīng)用中還裝有一個雙向電流傳感器，以測量再生制動的電流。 電機控制器還使用電壓傳感器電路以測量電池的電壓。如果電壓低于 規(guī)定的最小電池電壓，電機控制器將切斷電機電源。它的作用非常重要，因為可以防止過分使鋰離子聚合物電池組放電，永久地降低電池的容量 [4]。由于寬范圍的工作電壓，電動機控制器能夠在（從 16V 到 70V）電壓范圍內(nèi)運行。使用一個簡單的分壓器電路和一個低通 波器代替電平移位器進行電壓檢測。 溫度傳感器安裝在電機和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預(yù)設(shè)值，電機控制器切斷電機電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測微控制器的溫度。同樣，如果微控制器過熱，電機控制器將切斷電源。 電機控制器集成了一個簡單的再生制 動功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而，由于再生制動是唯一一種能夠防止把動能簡單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機溫度升高的制動方法，所以被本設(shè)計采納。 反電勢的實現(xiàn)，是借用一個升壓轉(zhuǎn)換電路將電機的反電動勢提高到一個比電池電壓更高的水平。圖 4 給出一個基本的升壓轉(zhuǎn)換電路 [5]。 圖 4 壓轉(zhuǎn)換電路 該電路無需任何額外的硬件實現(xiàn)。使用三相 H 橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機繞組作為電感，而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對應(yīng)其中一相。 通過改變低側(cè)晶體管的 空比來改變該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電電流增加，導(dǎo)致增加的制動力。因此，通過讀取制動桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動力。 充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以防損壞電池組。本應(yīng)用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為 20A。通過計算 20A 的充電電流能夠提供足夠的制動力， 3s 內(nèi)能將速度從 30 公里 /小時降到 0。 定時超前在有刷與無刷直流電機 [6]中均有應(yīng)用。有刷直流電機中，是通過機械地移動電刷相對于電機繞組的位置來實現(xiàn)。 機中，是利用電子整流控制電機使得它比 正常運行時提前。 在理想的情況下，定時提前量（用電動旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從零速時 0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程，并需要專用的微控制器 [7]。大量的處理是必需的，因為微控制器必須通過電機的速度預(yù)測轉(zhuǎn)子的下一個位置時，然后計算最后一個電機位置換相和下一個換相提前角之間的延時。有了這些信息，微控制器在上一個過渡后一個計算好的時間觸發(fā)。 此應(yīng)用中，已采取了一種簡單的定時超前，兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機內(nèi)部。一組定位為中性定時，而另一組 則位于 30°（電機旋轉(zhuǎn)）偏離中性時間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號 30°超前或者 30°滯后。通過電機在 件下的最佳超前時間來確定超前電機角度， 行環(huán)境在 42外，因為電機有一個 12 極定子，每極間隔相差 30°。這意味著無論是中性定時，還是超前定時的霍爾傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖 5 分別示出中性和 30°超前電機位置傳感器的信號波形。前三個波形來自中性定時，后三個來自超前定時設(shè)置的電機位置傳感器。這顯示了超前定時超前中性定時 30°電角。 圖 5 中性和 30°超前電機位置傳感器的信號波形 有了這個超前定時角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前 30°的信號。這是因為超前 30°和延遲 30°在相移 60°（這是電機的位置轉(zhuǎn)換之間的間距）條件下等價。這將導(dǎo)致 30°延遲信號位置一直滯后于超前 30°信號。通過產(chǎn)生這第三個信號，機動板很可能在正、反方向都使用 30°超前定時。微控制器能夠更具電機速度在中性定時和超前定時間進行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時時，轉(zhuǎn)速 4800 轉(zhuǎn)；中性定時時，轉(zhuǎn)速 4700 轉(zhuǎn)。 3 軟件設(shè)計 單片機使用定制軟件進行編程，以允許這種電機 控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷的，以提高計算效率和可靠性。 每次微控制器讀取一個模擬輸入信號，總共 8 個連續(xù)的讀數(shù)，并計算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量被讀取。這有助于進一步減少來自各種傳感器的模擬信號噪聲的影響。 距離測量是通過計算新的電機位置的數(shù)量。對于這個特殊的馬達，在一個電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有 6 種不同位置方式和一個物理周期內(nèi) 7 次換相。 通過車輪直徑 200傳動比為 ，可以計算當(dāng)電機位置達到 254 時，山板將前進 1 米。當(dāng)“新位置”計數(shù)器達到 254，距離計數(shù)器就增加 1，“新位置 ”計數(shù)器復(fù)位到零。 速度測量是通過使用一個山板上的定時器測量連續(xù)兩個電機的時間間隔。一個位置增量移動的距離是已知的，因此可以計算出速度。在高速行駛時，平均每8 轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖 6 示出了電機控制器的軟件的基本流程圖。 圖 6 微機程序的基本流程圖 A．軟啟動 軟啟動功能的目的是為了保護電機和電機驅(qū)動電路在啟動過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因為當(dāng)電機在低速或靜止的，幾乎沒有反電動勢。反電動勢阻止電壓施加到電機端子。因此，電源電壓和反電動勢電壓時，電機兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動勢，電機承受很大 的電壓。電路中唯一的電阻是導(dǎo)通晶體管電阻（ 2）， [9]，電機繞組（ 2），還有非常低的導(dǎo)線電阻。因此，當(dāng)電機處于靜止或以低速運行，電流可以達到相當(dāng)大的水平。 當(dāng)電機運行時，軟啟動功能限制電動機兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時允許的最大占空比為 5％，而在 1900 加到 100％。這個功能的實現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會影響基于中斷操作的功能。 B．巡航 巡航控制功能采用 制，使得速度保持 設(shè)定上。設(shè)定點取為激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的速 度。 制器的 空比的變化，以確保當(dāng)小車爬山時，隨著負(fù)荷的變化，速度固定在設(shè)定點。當(dāng)用戶應(yīng)用剎車，巡航控制功能被禁用。當(dāng)用戶停止使用制動器時，新的速度作為設(shè)定點。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實驗獲取。 4 手持控制器 機動山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個 塊到它里面。觸發(fā)機制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動制動）。這里利用了兩個可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器），一個是用來設(shè)置控制器的最大 占空比。這個可以限制 最大速的功能是非常有用的，尤其是第一次用這個設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在 塊上的數(shù)據(jù)。電動機控制器所使用的有兩個開關(guān)，一個用來打開控制器開啟和關(guān)閉，另一種是用來作為巡航控制通 /斷開關(guān)。 手持控制器成品圖如圖 7 所示。 液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行 16 個字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設(shè)備上的一個可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個數(shù)據(jù)顯示： 顯示當(dāng)前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時功率輸。 2．溫度畫面： 顯 示晶體管，電動機的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度。 3．最大值屏幕： 顯示的最大速度達到最大電流消耗 在運行過程中，最大輸出功率。 4．二級數(shù)據(jù)畫面： 顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速和瞬時。 5．程序的 I / O 畫面： 顯示用戶設(shè)置的最大占空比，錯誤代碼，并從電機控制器程序故障代碼。 6．調(diào)試畫面： 顯示瞬時占空比，轉(zhuǎn)把輸出值（用于設(shè)置 空比的值），并且將晶閘管切換到當(dāng)前狀態(tài)。 圖 7 手持控制器 五 實驗結(jié)果 實驗結(jié)果表明：用卷尺測量時，該板的距離測量對測量精確到 ? 這種測量的分辨率使軟件測量分辨率低至 4 毫米。然而，在測量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑、氣壓的變化、和騎手的質(zhì)量都是不確定因素。 實驗證明在 400 米田徑跑道繞場一圈存在 1 米的誤差。 也進行了實驗測試主板上的速度測量的準(zhǔn)確性。把速度設(shè)定在 7 公里 /小時，并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼 5 米卷尺。錄像被檢測，以確定行駛 5 米的距離所花費的時間。據(jù)計算，里 /小時。重復(fù)試驗設(shè)定速度為 25 公里 /小時。此運行計算的實際 里 /小時。這些設(shè)定結(jié)果比實際速度稍低，但它在 25 公里 /小時的速度下誤差在 1 公里 /小時以內(nèi)。 六 結(jié)論和發(fā)展 作為一個原型，還有很大提升空間。其中一個領(lǐng)域就是基于位置傳感器讀數(shù)電機換向。目前這是通過在 30 千赫的頻率下讀取電機位置的進行檢測。 以更有效地完成基于中斷的觸發(fā)換向功能。它有 4個外部中斷引腳，可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六個外部中斷引腳將需要以觸發(fā)中斷為電機提供位置換相。所以需要改用不同的微控制器，允許電機換向完全基于 中斷的。這將提高換相準(zhǔn)確度，并顯著地減少所需的計算資源。