直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】,直流電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 大功率無刷直流電機(jī)的儀器與控制在小型車輛上的應(yīng)用 要： 對(duì)于小功率車輛上電動(dòng)機(jī)的選擇來說，無刷直流電動(dòng)機(jī)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(bào)道的機(jī)動(dòng)山板。隨著技術(shù)上的飛速發(fā)展，因?yàn)殇嚮瘜W(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(shí)惠也更適合于車輛。一 些低功率車輛的內(nèi)燃機(jī)功率要求高達(dá) 7 無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)合了大功率、重量輕、低成本的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)控制器，是專門為機(jī)動(dòng)山板應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)操作的關(guān)鍵變量，例如電機(jī)相電流、電池電壓、電機(jī)溫度和晶體管溫度。報(bào)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(dòng)，時(shí)間提前，巡航和軟件啟動(dòng)等進(jìn)一步增強(qiáng)。這些功能將在下文進(jìn)行簡要闡述。 關(guān)鍵詞： 位置傳感器的 無刷直流電機(jī)控制器 ； 再生制動(dòng) ； 時(shí)間提 前 ； 電動(dòng)滑板 ；霍爾傳感器。 1 介紹 機(jī)動(dòng)山板能幫助使用者進(jìn)行極限登山運(yùn)動(dòng)，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(jī)因其低速（ 130），高轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)減少了傳動(dòng)裝置而被青睞，一個(gè)比例為 1 的傳動(dòng)裝置被用來直鏈驅(qū)動(dòng)。裝置配備功率為 80100機(jī)，該電機(jī)足夠用來驅(qū)動(dòng)速度大約在 70km/h 的小型交通工具。然而，由于驅(qū)動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險(xiǎn)峻的山脈。 無霍爾傳感器的電機(jī)要求產(chǎn)生可測量的反電動(dòng)勢傳遞給電機(jī)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(dòng)和低速。相反，一個(gè)裝有位置傳感器的 夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時(shí)，在啟動(dòng)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(hào)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(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的。該控制器運(yùn)行用 環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動(dòng)機(jī)控制器的運(yùn)行。圖 1 顯示功能塊的電機(jī)控制器。 圖 1 電機(jī)控制器主要部件的概述 該電動(dòng)機(jī)控制器使用一個(gè)三相 H 橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 這種電路被選中 ,是因?yàn)樗试S電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行 ,以及滑行 。如圖 2 所示三相 H 橋的原理圖。 圖 2 驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的三相 H 橋電路 電機(jī)控制器應(yīng)滿足電機(jī)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(gè)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(gè) 橋。 在微控制器和 間使用柵極驅(qū)動(dòng)器 原因有三： 自單片機(jī)的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管 12V 信號(hào)，使得 于驅(qū)動(dòng)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(shí)間保護(hù)。 柵極驅(qū)動(dòng)器 柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時(shí)間。這是為了減少通過 電機(jī)繞組 [2]的電流變化率（ ）。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時(shí)電機(jī)繞組會(huì)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(gè)感應(yīng)電壓可能會(huì)導(dǎo)致晶體管體承受電壓超過 級(jí)，導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)行擴(kuò)展。 圖 3 柵極電阻的電路圖，以盡量減少 極振蕩 對(duì)于保護(hù)晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時(shí)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(shí)現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。 電機(jī)控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量電機(jī)的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制，電機(jī)控制器切斷電機(jī)電源，以防止電機(jī)繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被損毀?；魻栃?yīng)電流傳感器的輸出是一個(gè)模擬信號(hào)，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(gè)雙向電流傳感器，以測量再生制動(dòng)的電流。 電機(jī)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(jī)控制器將切斷電機(jī)電源。它的作用非常重要，因?yàn)榭梢苑乐惯^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(dòng)機(jī)控制器能夠在（從 16V 到 70V）電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。使用一個(gè)簡單的分壓器電路和一個(gè)低通 波器代替電平移位器進(jìn)行電壓檢測。 溫度傳感器安裝在電機(jī)和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預(yù)設(shè)值，電機(jī)控制器切斷電機(jī)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(jī)控制器將切斷電源。 電機(jī)控制器集成了一個(gè)簡單的再生制 動(dòng)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(dòng)是唯一一種能夠防止把動(dòng)能簡單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機(jī)溫度升高的制動(dòng)方法，所以被本設(shè)計(jì)采納。 反電勢的實(shí)現(xiàn)，是借用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換電路將電機(jī)的反電動(dòng)勢提高到一個(gè)比電池電壓更高的水平。圖 4 給出一個(gè)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(shí)現(xiàn)。使用三相 H 橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機(jī)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(duì)應(yīng)其中一相。 通過改變低側(cè)晶體管的 空比來改變?cè)撋龎恨D(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(dòng)力。因此，通過讀取制動(dòng)桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動(dòng)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(jì)算 20A 的充電電流能夠提供足夠的制動(dòng)力， 3s 內(nèi)能將速度從 30 公里 /小時(shí)降到 0。 定時(shí)超前在有刷與無刷直流電機(jī) [6]中均有應(yīng)用。有刷直流電機(jī)中，是通過機(jī)械地移動(dòng)電刷相對(duì)于電機(jī)繞組的位置來實(shí)現(xiàn)。 機(jī)中，是利用電子整流控制電機(jī)使得它比 正常運(yùn)行時(shí)提前。 在理想的情況下，定時(shí)提前量（用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從零速時(shí) 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?yàn)槲⒖刂破鞅仨毻ㄟ^電機(jī)的速度預(yù)測轉(zhuǎn)子的下一個(gè)位置時(shí)，然后計(jì)算最后一個(gè)電機(jī)位置換相和下一個(gè)換相提前角之間的延時(shí)。有了這些信息，微控制器在上一個(gè)過渡后一個(gè)計(jì)算好的時(shí)間觸發(fā)。 此應(yīng)用中，已采取了一種簡單的定時(shí)超前，兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機(jī)內(nèi)部。一組定位為中性定時(shí)，而另一組 則位于 30°（電機(jī)旋轉(zhuǎn)）偏離中性時(shí)間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào) 30°超前或者 30°滯后。通過電機(jī)在 件下的最佳超前時(shí)間來確定超前電機(jī)角度， 行環(huán)境在 42外，因?yàn)殡姍C(jī)有一個(gè) 12 極定子，每極間隔相差 30°。這意味著無論是中性定時(shí)，還是超前定時(shí)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(jī)位置傳感器的信號(hào)波形。前三個(gè)波形來自中性定時(shí)，后三個(gè)來自超前定時(shí)設(shè)置的電機(jī)位置傳感器。這顯示了超前定時(shí)超前中性定時(shí) 30°電角。 圖 5 中性和 30°超前電機(jī)位置傳感器的信號(hào)波形 有了這個(gè)超前定時(shí)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(hào)。這是因?yàn)槌?30°和延遲 30°在相移 60°（這是電機(jī)的位置轉(zhuǎn)換之間的間距）條件下等價(jià)。這將導(dǎo)致 30°延遲信號(hào)位置一直滯后于超前 30°信號(hào)。通過產(chǎn)生這第三個(gè)信號(hào)，機(jī)動(dòng)板很可能在正、反方向都使用 30°超前定時(shí)。微控制器能夠更具電機(jī)速度在中性定時(shí)和超前定時(shí)間進(jìn)行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)速 4800 轉(zhuǎn)；中性定時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)速 4700 轉(zhuǎn)。 3 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)使用定制軟件進(jìn)行編程，以允許這種電機(jī) 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(jì)算效率和可靠性。 每次微控制器讀取一個(gè)模擬輸入信號(hào)，總共 8 個(gè)連續(xù)的讀數(shù)，并計(jì)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(jìn)一步減少來自各種傳感器的模擬信號(hào)噪聲的影響。 距離測量是通過計(jì)算新的電機(jī)位置的數(shù)量。對(duì)于這個(gè)特殊的馬達(dá)，在一個(gè)電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有 6 種不同位置方式和一個(gè)物理周期內(nèi) 7 次換相。 通過車輪直徑 200傳動(dòng)比為 ，可以計(jì)算當(dāng)電機(jī)位置達(dá)到 254 時(shí)，山板將前進(jìn) 1 米。當(dāng)“新位置”計(jì)數(shù)器達(dá)到 254，距離計(jì)數(shù)器就增加 1，“新位置 ”計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。 速度測量是通過使用一個(gè)山板上的定時(shí)器測量連續(xù)兩個(gè)電機(jī)的時(shí)間間隔。一個(gè)位置增量移動(dòng)的距離是已知的，因此可以計(jì)算出速度。在高速行駛時(shí)，平均每8 轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖 6 示出了電機(jī)控制器的軟件的基本流程圖。 圖 6 微機(jī)程序的基本流程圖 A．軟啟動(dòng) 軟啟動(dòng)功能的目的是為了保護(hù)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)在低速或靜止的，幾乎沒有反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢阻止電壓施加到電機(jī)端子。因此，電源電壓和反電動(dòng)勢電壓時(shí)，電機(jī)兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動(dòng)勢，電機(jī)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(jī)繞組（ 2），還有非常低的導(dǎo)線電阻。因此，當(dāng)電機(jī)處于靜止或以低速運(yùn)行，電流可以達(dá)到相當(dāng)大的水平。 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，軟啟動(dòng)功能限制電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時(shí)允許的最大占空比為 5％，而在 1900 加到 100％。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會(huì)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(diǎn)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(shí)，隨著負(fù)荷的變化，速度固定在設(shè)定點(diǎn)。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(dòng)器時(shí)，新的速度作為設(shè)定點(diǎn)。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)獲取。 4 手持控制器 機(jī)動(dòng)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(gè)外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個(gè) 塊到它里面。觸發(fā)機(jī)制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動(dòng)制動(dòng)）。這里利用了兩個(gè)可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器），一個(gè)是用來設(shè)置控制器的最大 占空比。這個(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)控制器所使用的有兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)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(gè)字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設(shè)備上的一個(gè)可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個(gè)數(shù)據(jù)顯示： 顯示當(dāng)前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時(shí)功率輸。 2．溫度畫面： 顯 示晶體管，電動(dòng)機(jī)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(dá)到最大電流消耗 在運(yùn)行過程中，最大輸出功率。 4．二級(jí)數(shù)據(jù)畫面： 顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)。 5．程序的 I / O 畫面： 顯示用戶設(shè)置的最大占空比，錯(cuò)誤代碼，并從電機(jī)控制器程序故障代碼。 6．調(diào)試畫面： 顯示瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用卷尺測量時(shí)，該板的距離測量對(duì)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(shí)驗(yàn)證明在 400 米田徑跑道繞場一圈存在 1 米的誤差。 也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(fèi)的時(shí)間。據(jù)計(jì)算，里 /小時(shí)。重復(fù)試驗(yàn)設(shè)定速度為 25 公里 /小時(shí)。此運(yùn)行計(jì)算的實(shí)際 里 /小時(shí)。這些設(shè)定結(jié)果比實(shí)際速度稍低，但它在 25 公里 /小時(shí)的速度下誤差在 1 公里 /小時(shí)以內(nèi)。 六 結(jié)論和發(fā)展 作為一個(gè)原型，還有很大提升空間。其中一個(gè)領(lǐng)域就是基于位置傳感器讀數(shù)電機(jī)換向。目前這是通過在 30 千赫的頻率下讀取電機(jī)位置的進(jìn)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(gè)外部中斷引腳，可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六個(gè)外部中斷引腳將需要以觸發(fā)中斷為電機(jī)提供位置換相。所以需要改用不同的微控制器，允許電機(jī)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(jì)算資源。