电动车无刷直流电机 毕业设计论文

电动车无刷直流电机  毕业设计论文
电动车无刷直流电机  毕业设计论文

毕业设计(论文)

题目:无刷电机驱动的电动自行车

的控制系统设计

专业:数控技术

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摘要

近年来,燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情,发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片,以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机,实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。

关键词:无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图

Abstract

In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings.

Keywords:brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit

目录

摘要............................................................ I

ABSTRACT ........................................................ II

第1章引言 (5)

1.1课题的研究背景及发展状况 (5)

1.1.1当今社会的能源问题 (5)

1.1.2无刷直流电机的发展过程 (5)

1.1.2无刷直流电机的特点 (6)

1.2电动自行车的组成部分 (7)

1.3课题研究的内容 (7)

第2章电动自行车的主要技术 (9)

2.1电动自行车的基本性能 (9)

2.2电动自行车的主要技术参数 (10)

2.2.1整车主要技术参数 (10)

2.2.2蓄电池主要技术参数 (10)

2.2.3电动机主要技术参数 (11)

2.2.4控制器主要技术参数 (11)

2.3电动自行车的电机控制技术 (12)

2.4无刷直流电机的结构与原理 (12)

2.5无刷直流电机的调速方法 (14)

2.6无刷直流电机的位置检测 (15)

第3章系统元器件选择 (17)

3.1控制芯片MC33033 (17)

3.2功率器件MOSFET (20)

3.3无刷电机驱动芯片IR2103 (22)

3.4闭环无刷电机适配器MC33039 (23)

3.5蓄电池的选择 (24)

第4章系统电路设计 (27)

4.1普通无刷电动机控制电路 (27)

4.2主电路设计 (28)

4.2.1电源电路设计 (28)

4.2.2驱动电路设计 (28)

4.2.3刹车电路设计 (29)

4.2.4调速电路设计 (30)

4.2.5钥匙开关设计 (31)

4.2.6整体电路图 (32)

第5章印制电路板设计 (34)

5.1确定元件封装 (34)

5.2生成网络表 (35)

5.3印制电路板环境设置 (35)

5.4绘制PCB板 (36)

结论 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

附录 1 (41)

附录 2 (42)

附录 3 (43)

第1章引言

1.1课题的研究背景及发展状况

1.1.1当今社会的能源问题

能源是人类社会存在和发展的物质基础。当今社会,能源和环境问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题。自从英国工业革命以来,以煤炭、石油和天然气等化石燃料为一次能源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。但与此同时,大量使用化石燃料所带来的严重后果:资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。

自从20世纪70年代发生能源危机以来,人类探寻一种新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统,世界各国对新能源与可再生能源日益重视,不断加大人力和物力的投入力度,促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发,加快了新能源与可再生资源的商业化进程。

进入21世纪,我国的能源问题,尤其是石油问题,也变得日益严重。我国的矿物能源储量比较丰富,但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二十多年来,我国经济快速、持续发展,其发展速度与质量为世界所瞩目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战,目前我国已经世界第二大石油进口国,能源问题十分紧迫。

由此可发现在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得非常重要。

1.1.2无刷直流电机的发展过程

一个多世纪以来,电动机作为机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向,因而存在相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而大大限制了它的应用范围。

针对上述传统直流电动机的弊病,早在上世纪30年代就有人开始研制以电子

换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力,直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品,普通晶闸管不能自关断的半控型器件,被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,是电力电子技术的又一次飞跃,先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件,开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入 90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智慧化、功率集成的方向发展。正是由于功率器件GTR、MOSFET、IGBT、IPM 等相继出现和发展,以及高性能永磁材料的问世,均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。采用霍尔组件位置传感器的无刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制,因此,霍尔组件位置传感器始终是无刷直流电机位置传感器的主流。

目前随着计算机进入控制领域,以及新型的电力电子功率元器件的不断出现,采用全控型的开关功率组件进行脉冲调制(pulse width modulation,简称PWM)控制电机已成为主流。现在国外一些公司相继推出了用于电机调速的数字信号处理(DSP)芯片,在电冰箱、洗衣机、空调等家用电器领域及工业变频控制领域,以其结构紧凑、使用便捷、可靠性高、功能强和成本低等优势而被广泛使用。

1.1.2无刷直流电机的特点

无刷直流电机( BLDCM : Brushless Direct Current Motor )是指无机械电刷和换向器(或集电环)的直流电机,又称无换向器直流电机,它以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换向。无刷直流电机克服了有刷直流电机由于电刷环流而引起的磨损,产生火花而又引起噪音,及其对周围电路带来恶劣影响。无刷直流电机回馈装置简单,功率密度更高,输出转矩更大,控制结构更为简单,使电机和逆变器各自潜力得到充分发挥。且调速性能优越,体积小,重量轻,转动惯量小,不存在励磁损耗。同时,无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点,又具备有刷直流电机的运行效率高等诸多特点,同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病,且降低了制造成本,简化了电机维修。

进入九十年代以来,随着电力电子工业的飞速发展,许多高性能半导体功率器件,如 GTR 、 MOSFET 、IGBT 、MCT 等相继问世,以及微处理器、大规模集

成电路技术的发展,逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展,并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块(IPM)和大功率集成电路,使无刷直流电动机的关键部件逆变器的成本降低,且向高频化、小型化发展。无刷直流电机的应用和开发进入一个新阶段,目前正朝着超高速、高转矩、高功能化、微型化方向发展。所以无刷直流电机在当今国民经济各个领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用。

1.2电动自行车的组成部分

电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪表部分组成。

1.动力部分

电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成,是电动自行车的动力来源。其性能的好坏,直接影响电动自行车的动力性和经济性.

2.传动部分

电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮,驱使电动自行车行驶。通过变速器或调速器,使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和速度,并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。

3.行车部分

行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体,支撑全车的总重量,将传动部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力,同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反力,确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。

4.操纵制动部分

操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等,以确保电动自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置,它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成。

1.3课题研究的内容

由于直流无刷电机具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特

永磁无刷直流电动机的基本工作原理

永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示: 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路,逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换,使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通,也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上,这样转子每转过一对N-S极,T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下,仅有两相绕组通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置,转子在新位置上,使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合,使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度,如此循环,无刷直流电动机将产生连续转矩,拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的,而不是由逆变器强制换向的,所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置,所以不论转子的起始位置处在何处,电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩,因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直,在铁芯不饱和的情况下,产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比,这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流: Tm=KtIav (N·m) 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度: ELL=Keω (V) 所以电动机绕组中的平均电流为: Iav=(Vm-ELL)/2Ra (A) 其中,Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值,VDC是直流母线电压,δ是调制波的占空比,Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩: Tm=δ·(VDC·Kt/2Ra)-Kt·(Keω/2Ra) Kt、Ke是电动机的结构常数,ω为电动机的角速度(rad/s),所以,在一定的ω时,改变占空比δ,就可以线性地改变电动机的电磁转矩,得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。

毕业设计基于单片机的直流电机调速系统设计

河南科技大学 2009 届本科毕业论文 论文题目:基于单片机的直流电机调速系统设计 学生姓名: 所在院系:信息工程学院 所学专业:计算机科学与技术 导师姓名: 完成时间:2009-05-22

摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统,并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节,从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外,本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块,并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外,本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量,经过滤波电路后,将测量值送到A/D 转换器,并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算,从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面,文章中详细介绍了PI运算程序,初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词:PWM信号,测速发电机,PI运算 1

The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCM Chenli School of Information and Engineering Abstract This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation o f D.C. motor. What’s more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it. Key words:PWM signal,tachogenerator,PI calculation 2

无刷直流电动机毕业设计绪论

无刷直流电动机 一、简介: 一种用电子换向的小功率直流电动机。又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器,构成没有换向器的直流电动机。这种电机结构简单,运行可靠,没有火花,电磁噪声低,广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。 同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。无刷电动 机结构如图1。 图1无刷直流电动机结构图 二、特点(优点及意义): 1、全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速; 2、可以低速大功率运行,可以省去减速机直接驱动大的负载;3 3、具有传统直流电机的所有优点,同时又取消了碳刷、滑环结构; 4、转矩特性优异,中、低速转矩性能好,启动转矩大,启动电流小; 5、无级调速,调速范围广,过载能力强; 6、体积小、重量轻、出力大; 7、软启软停、制动特性好,可省去原有的机械制动或电磁制动装置; 8、效率高,电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗,消除了多级减速耗,综合节电率可达20%~60%,仅节电一项一年可收回购置成本;

9、可靠性高,稳定性好,适应性强,维修与保养简单;10、耐颠簸震 动,噪音低,震动小,运转平滑,寿命长;11、没有无线电干扰,不产生火花,特别适合爆炸性场所,有防爆型;12、根据需要可选梯形波磁场电机和正旋波磁场电机。i 三、发展历程: 无刷电动机的诞生标志是1955年美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段,是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后,国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机,而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用,但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷,可靠性差,需要经常维护;换相时产生电磁干扰,噪声大,影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点,以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D.Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利,标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段,是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后,国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机,而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。ii 四、国内外无刷电机的发展现状: 1、市场:我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期,主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。由于需要量少,只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。经过20多年的发展,虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距,但由于无刷电机产品是总和了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品,受到了我国基础工业落后的制约,因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。目前,国内研制的单位虽然不少,但能有一定批量的单位却屈指可数。当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区,日本的年产量超过8000万台,其中约50%出口海外,德国年产量约3000万台,台湾主要生产较低档次无刷电机,年产量超过1000万台。iii 2、技术:几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求,是不可能的。各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机,在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新,以适应不同整机市场的需求。例如: ①永磁材料技术:适应不同性能参数永磁材料,瓦型、环型表面粘接结构和

无刷直流电机的驱动及控制

无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机(BLDC)的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的,输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变,以便保持磁场定向,或优化定子电流与转子磁通的相互作用,类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见,随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加,BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是:“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离,只要满足这一定义均为所指。”

图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机,它们包括: 1 永磁同步电机(PMSMs); 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机; 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机; 4 内嵌式磁铁无刷直流电机; 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机; 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的,其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距,或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电

直流电动机无级调速毕业设计

毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目:直流电动机无级调速 1.设计(论文)的主要任务及目标 (1) 本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计,使其能更好的为我们的生产和生活服务。 (2) 本次的设计目的就是要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速,能实现高速起动,具有较高的调速精度。 2.设计(论文)的基本要求和内容 (1) 直流电动机的基本知识 (2) 直流电动机的运行原理 (3) 主电路以及控制电路的设计 3.主要参考文献 [1] 张家生.电机原理与拖动基础.北京邮电学院出版社,2006年 [2] 唐介.电机与拖动. 北京:高等教育出版社,2003年 [3] 陈世元.电机学.中国电力出版社,2004年 [4] 徐邦荃.直流调速系统与交流调速系统.华中科技大学出版社,2008年 [5] 赵影.电机与电力拖动. 北京:国防工业出版社,2006年 4.进度安排 设计(论文)各阶段名称起止日期 1 论文初稿2012年12月27日 2 第一次修改2012年12月30日 3 第二次修改2013年01月08日 4 第三次修改2013年02月17日 5 论文终稿2013年03月16日 I

直流电动机无极调速 摘要 本设计主要是运用调速系统对直流电动机进行调速,使其实现无级的效果。此调速系统由主电路和控制电路两部分组成:主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性,调速方向是基速以下,只要输出的电压是连续可调的,即可实现电动机的无级调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高,但它保证了系统的性能,保证了对生产工艺要求的满足,它既兼顾了启动时的电流的动态过程,又保证稳态后速度的稳定性,在起动过程的主要阶段,只有电流负反馈,没有转速负反馈。达到稳态后,只要转速负反馈,不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。 关键词:无级调速;双闭环;晶闸管 II

无刷直流电机控制系统的设计

1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展,无刷直流电机发展的初期,由于大功率开关器件的发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料和驱动控制技术的约束,这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内,都停

直流无刷电机的控制技术

直流无刷电机的控制技术 摘要围绕直流无刷电机控制运用广泛技术——基于DSP的控制系统进行了系统研究,采取模糊控制策略,设计出上位监控系统,数字化、智能化的控制系统提出方案,实践证明了系统的平稳性和快速性满足要求。 关键词直流无刷电机;DSP控制;模糊控制 0引言 数字信号(Digital Signal Processing ,DSP)是涉及很多学科,它广泛被用于很多学科与技术领域。数字信号处理器称为DSP芯片,适用在数字信号处理运算的微处理器,能够快速的在数字信号处理算法上实现。现今,DSP芯片用于运动上的控制、数控机床的控制、航天航空的控制、电力系统上的操作、自动化仪器的控制等各个领域[1],该文主要介绍这种基于DSP芯片控制直流无刷电机智能化控制系统的设计。 1 系统结构设计 系统组成由“PC 上位机、电源单元、TMS320LF2407 DSP芯片、无刷直流电机、检测单元、功率驱动模块、通讯接口”等。(见图1) 1.1 DSP芯片的选择 DSP芯片的选择是很重要的,选对了DSP芯片才能设计出其外围电路和其他电路。DSP芯片的选择要根据实际的应用系统进行确定。DSP芯片由于场合不同选择的也就不同,我们要考虑DSP芯片的运算速度、价格、运算精度、功耗、硬件的资源等。我们根据系统要求,选择TI公司TMS320LF2407芯片。 1.2无刷直流电机 该电机采取1500转/分, 无刷直流电机采用1.78A、27V电压进行供电,电机换向电路主要是由控制和驱动组成,直流无刷电机自身属于机电能量转换部分,该部分由电机电枢、永磁、传感器组成。我们把电机的电轴绕组在定子上、把永磁放在转子上,其目的是为了实现换向。无刷直流电机的工作方式是两相导通的星型3相6状态,这样操作方式是因为转子在旋转定子电流中进行不断换相来保证两个磁场电流方向不发生改变,控制3相定子电流通电顺序与大小控制电机旋转的速度。 1.3功率的驱动模块 TOSHIBA公司采用IPM系列智能型模块,IPM主要集成了检测、控制、逻辑、保护电路这样有效提高了稳定性与可靠性。东芝的高速光耦TLP550(F)是

直流无刷电机与永磁同步电机区别

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波,逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上,无刷直流电机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念,无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频,从电机理论上讲,无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似,应该归类为交流永磁同步伺服电机;但习惯上被归类为直流电机,因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看,称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢,经过磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁密,定子绕组多采用集中整距绕组,因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈,必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术,构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波, 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上,无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机,调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子,在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦,外加的定子电压和电流也应为正弦波,一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式,也需要位置反馈信息,可以采用矢量控制(磁场定向控制)或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念,“直流变频”实际上是交流变频,只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言,二者确实相差不大,个人认为二者的区别主要在于: 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统,准确地说应该叫“无刷直流电机系统”,它强调的是电机和控制器的一体化设计,是一个整体,相互的依存度非常高,电机和控制器不能独立地存在并独立工作,考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机,强调的是电机本身就是一台独立的设备,它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看,“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点,考核的重点也是系统的直流电机特性,如调速特性等;而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能,特别是交流电机的性能,如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看,无刷直流电机多为方波,而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法,只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可,而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法,需要考虑电枢电流的无功和有功等。

电动车无刷直流电机 毕业设计论文

毕业设计(论文) 题目:无刷电机驱动的电动自行车 的控制系统设计 专业:数控技术 班级: 学号: 姓名: 指导老师:

摘要 近年来,燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情,发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片,以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机,实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。 关键词:无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图

Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords:brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit

无刷直流电机控制系统仿真-毕业设计

毕业论文 课题名称无刷直流电机双闭环PI控制系统仿真 系部 专业 班级 学号 姓名 指导教师

摘要 本设计基于MATLAB/SIMULINK环境,利用其自带模块,编写S-函数程序,建立无刷直流电机的闭环控制系统模型。此系统采用转速-电流PI双闭环控制策略。其中,转速环为控制外环,使用PI控制算法;电流环为控制内环,采用滞环比较PWM控制方式,使得实际电流能跟踪参考电流。在分析了无刷直流电机的物理特性之后,可以建立其数学模型,将它与控制系统数学模型结合,就可以实现电机控制。将仿真结果与理论分析对比之后,可以看到本控制系统具有良好的控制效果。 关键词:无刷直流电机;双闭环控制系统;MATLAB/Simulink;PI控制 Abstract

based on MATLAB/SIMULINK environment, using the automatic module and writing S - function program establish a model of the closed loop control system of brushless dc motor. This system USES PI speed - current double closed-loop control strategy. Among them, the speed loop as the outer ring to use PI control algorithm; Current loop to control the inner ring, using the hysteresis PWM control mode, makes the actual current can track reference current. Physical properties after the analysis of the brushless dc motor, can establish its mathematical model, combined with control system mathematical model, it can achieve motor control. After compare the simulation results and theoretical analysis, you can see this control system has good control effect. Keywords: Brushless DC Motor; double-loop control system; MATLAB/Simulink; PI control

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计

学号:1008421057 本科毕业论文(设计) (2014届) 直流无刷电机控制系统的设计 院系电子信息工程学院 专业电子信息工程 姓名胡杰 指导教师陆俊峰陈兵兵 高工助教 2014年4月

摘要 无刷直流电机的基础是有刷直流电机,无刷直流电机是在其基础上发展起来的。现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位,但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。 自上世纪以来,人们的生活水平在不断地提高,人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化,而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展,人们对电机的要求也在不断地改变。现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等,由此无刷直流电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。 本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机,主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片,通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。 关键词:控制系统;DSPIC30F2010芯片;无刷直流电机

Abstract Brushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis of its. Now in all kinds of brushless dc motor drive applications while it is not the dominant position, but the brushless dc motor has been a great deal of attention. Since the last century, constantly improve the people's standard of living, people in the office, industrial, manufacturing, electrical appliances and other fields increasingly tend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in the field of motor is in constant development, people on the requirements of the motor is in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high efficiency, high speed, high precision and so on, so is the application of brushless dc motor as the change of people's requirements and continuously rapid growth. The design of this system mainly through a control system to drive the brushless dc motor, mainly dspic30f2010 chips as the main control chip, through collecting motor feedback control circuit of hall signal and compare and then programmatically to control the speed of brushless motor and started to stop. Keywords: Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor

永磁无刷直流电机矢量控制系统实现毕业设计(论文)

摘要 电动汽车具有清洁无污染,能源来源多样化,能量效率高等特点,可以解决能源危机和城市交通拥堵等问题。电动车作为国家“十二五规划”重点发展的节能环保项目,获得了广泛应用和发展。无刷直流电机用电子换向装置取代了普通直流电动机的机械换向装置,消除了普通直流电机在换向过程中存在的换向火花,电刷磨损,维护量大,电磁干扰等问题,成为了电动车驱动电机的主流选择。本文将采用基于空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)的正弦波驱动无刷直流电机的方法来解决方波控制下的无刷直流电机启动抖动明显,动矩脉动大,噪声大等问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在不同负载下低转矩纹波,运动平滑,噪音小,启动迅速,效率高的运行效果。 本文主要研究内容如下: 1.对永磁无刷直流电机数学模型与矢量控制工作原理分析,首先对永磁无刷直流电机本体及数学模型分析,接着对矢量控制坐标变换和空间电压矢量脉宽调制技术的原理和实现进行分析。 2.电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统实现,首先分析电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统结构,最后将电动汽车用永磁无刷直流电机矢量控制系统用Matlab/Simulink仿真。 关键词:电动汽车,无刷直流电机,矢量控制,SVPWM,Simulink

ABSTRACT Electric Vehicle has no pollution and it can supply with diversify energy sources.Also it’s energy efficient is high.These advantages can solve the problems of global energy crisis increasing and city’s traffic jam. Electric Vehicle is widely developed and applied which is called as a national ‘five years plan’focused on development of energy conservation and environment protection projects.The brushless DC motor with electronic commutator which replaces the normal DC motor mechanical switchback unit emerged,and it eliminates a few problems such as commutation sparks,brush wear,a large amount of maintenance,electromagnetic interference and so on,becoming the mainstream selection of the Electric Vehicle drive motor selection. The paper adopted the sinusoidal current drive based on space vector pulse with modulation(SVPWM) method was proposed to solve the problems of start shaking ,large torque ripple and loud noise of brushless direct current motor under the control of square-wave.The control system enabled BLDCM with different load operating in the condition of the low torque ripple smooth rotation ,low noise and high efficiency . The main studies were as follows: (1)Analyzing the mathematical model of BLDCM and the principle of the vector control.firstly,to analyze the ontology of the BLDCM and mathematical model,then analyze the vector control coordinate transformation and theory of space vector pulse width modulation. (2)Electric vehicles with a permanent magnet brushless dc motor vector control system implementation. Firstly analyze the electric car with a permanent magnet brushless dc motor vector control system structure, finally to the electric car with permanent magnet brushless dc motor vector control system with Matlab/Simulink.

基于PLC的直流电机调速系统设计毕业设计

基于PLC的直流电机调速系统设计毕业设计 目录 1.1 直流调速系统的发展史概述 (2) 1.2 可编程控制器PLC (3) 1.2.1 PLC的发展概述 (3) 1.2.2 PLC的特点 (4) 1.3 选题背景及论文主要内容 (5) 1.3.1 选题背景 (5) 1.3.2 论文的主要内容 (6) 第 2 章直流调速系统 (7) 2.1 调速系统的性能指标 (7) 2.1.1 稳态性能指标 (8) 2.1.2 动态指标 (9) 2.2 PWM直流调速系统 (11) 2.2.1 直流电动机的PWM控制原理 (11) 2.2.2 PWM直流调速系统的组成 (12) 2.2.3 PWM调速系统的主要参数 (18) 2.3 双闭环直流脉宽调速系统 (20) 2.3.1 电流、转速反馈环节 (20) 2.3.2 设计中的调节器计算 (22) 2.3.3 双闭环脉宽调速系统的起动过程 (26) 第 3 章现代PLC控制技术 (28) 3.1 PLC的组成和分类 (28) 3.2 PLC的工作原理 (28) 3.3 PLC电机控制系统设计的基本内容和步骤 (30) 3.3.1 PLC的硬件设计的一般步骤 (30) 3.3.2 PLC软件设计的一般步骤 (31) 3.3.3 设计中用到的模块 (32) 第 4 章基于PLC的直流电机调速系统设计 (34) 4.1 设计任务 (34)

4.2 脉宽调制系统特有部分设计 (34) 4.3 PLC硬件设计 (35) 4.4 PLC 软件设计 (37) 结束语 (40) 致谢 (41) 参考文献(主要及公开发表的文献) (2) 附录 (4) 第 1 章引言 传统直流电动机双闭环调速系统采用的是继电器控制,加PI 调节器及校正装置,实现控制系统稳定运行。但由于继电器,集成运算放大器,电气元件的老化易出故障而损坏,而且结线复杂,使其工作可靠性较差。采用 PLC 设计的直流电动机双闭环调速系统能有效地克服上述缺点,并且具有结构简单,调试修改参数方便,工作可靠,性能价格比较高的优点。同时,PLC 控制的直流电动机双闭环调速系统实现了数字化控制[13][14]。 1.1 直流调速系统的发展史概述 电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的,电机调速和电力电子技术相互结合,相互促进,实现了现代的电气传动控制:一弱点检测、判断并发出控制信息,用强电来执行控制的使命。从这个角度上看,可以说,现代电气控制技术是强电与弱点相结合的技术。 早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。随着技术的进步,生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求,诸如精确稳定的运行速度、无极调速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满足这些要求,于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系(Ward-Leonard系统),简称G-M系统。对调速性能要求再高时,则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈控制。到上世纪五十年代,机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段,也正是它的缺点暴露的最充分的时候:它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、

电动车无刷直流电机毕业设计论文

摘要 近年来,燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情,发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片,以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机,实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。 关键词:无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图

Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords:brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit

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