电机课程设计实验方案.docx

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电机课程设计实验方案

运动操纵系统

课程设计实验方案

姓名：

邢安超

学号：

1295054

题目：

操纵电机速度正反转

指导教师：

杜友武

前言

那个课程设计下来以后，想了好久，感觉挺好实现，可是细节又是那么难处置，要紧仍是自己的理论知识学的不行，我上课很少认真听课，可是喜爱做实验，做东西什么感觉比上课好玩又轻松，致使此刻理论不够扎实，因此这只是对这次课程设计的一个方案，一些细节比如编程序什么，仍是需要教师多多教诲多多支持！

这次回家发觉家的台式电脑坏了，我看了一下，是CPU风扇出了问题，就打开修了并从头买了一个，修理后的风扇尽管能够转，可是很不稳固，高速达到近两千转时就失控了。

恰好最近在想这次课程设计，发觉CPU风扇也有电机，因此好好研究有了以下的方案！

一、方案总述

（一）电机部份

我看了一下电动机的详解，分析了一下CPU风扇的电机，利用的是无刷电机，无刷电机此刻是市场上利用比较多的电机，有以下几点益处：

一、无电刷、低干扰

无刷电机去除电刷，最直接的转变确实是没有了有刷电机运转时产生的电火花，如此就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

二、噪音低，运转顺畅

无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，那个优势关于模型运行稳固性是一个庞大的支持。

3、寿命长，低保护本钱

少了电刷，无刷电机的磨损主若是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免保护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘保护即可。

上下一比较，就明白无刷电机相关于有刷电机的优势在哪里了，可是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优良、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，只是就无刷电机的利用方便性来看，随着无刷操纵器的本钱下降趋势和国内外无刷技术的进展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的进展与普及时期，这也极大增进了模型运动的进展。

看了很多无刷电机售价，大约在五十元左右，因此能够把电机的本钱定在五十元。

也能够直接购买CPU风扇，大约三十元，做完还能够在日常当风扇用，可是问题是USB电压不够和难以实现反转。

电机本钱预测：

50元

（二）操纵电路（包括CPU,数码管等）

这一部份，我想说，去年咱们做的电疗仪实验板，完全能够利用在这上面，利用单片机操纵，数码管显示，按键数据编程，可是这些我都不太会，希望杜教师能够帮我想一想，在哪接输出线，程序怎么编，理论上我感觉确信可行，如此能够省下来很多的实验经费，若是有弄坏的或弄丢的，就让他们自己购买新的吧。

操纵电路估量本钱：

10元

（三）操纵程序

操纵程序咱们就用最经常使用的C语言，完全能够进行编程，固然，咱们自己编估量有点困难。

二、方案实践

（一）CPU无刷电机的调试

用USB的5V电压的确能够驱动，可是转速很慢，可是我接在电脑上面速度完全能够调控，而且能够显示转速。

下面看一下PWM调控优势：

PWM的一个优势是从处置器到信号都是数字形式的，无需进行。

让信号维持为数字形式可将噪声阻碍降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变成逻辑0或将逻辑0改变成逻辑1时，也才能对数字信号产生阻碍。

对噪声抗击能力的增强是PWM相关于模拟操纵的另外一个优势，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的要紧缘故。

从模拟信号转向PWM能够极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的或网络能够滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中利用的有效技术。

四针线控的CPU风扇，别离是电压，接地，速度显示与速度操纵，

速度的测试用的是霍尔元件，通过我的调试，那个风扇应该是一圈产生两个脉冲，只要记录脉冲数就能够够测出转速了。

上图，每转到必然位置，灯就会亮，表示传输线有信号产生。

下面看一下霍尔元件原理：

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

　　所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发觉的。

当电流通过金属箔片时，假设在垂直于电流的方向施加磁场，那么金属箔片双侧面会显现横向电位差。

半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在以下将呈现极强的霍尔效应。

　　利用霍尔效应能够设计制成多种传感器。

霍尔电位差UH的大体关系为:

　　UH=RHIB/d

（1）RH=1/nq（金属）

（2）

　　式中RH――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的；d――导体的厚度。

　　关于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式和式

（2）不同，此处从略。

　　由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故能够利用霍尔元件测量出磁场，就可确信导线电流的大小。

利用这一原理能够设计制成霍尔电流传感器。

其优势是不和被测电路发生电接触，不阻碍被测电路，不消耗被测电源的功率，专门适合于大电流传感。

　　假设把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，那么在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差和电场强度E成正比，若是再测出该电磁场的磁场强度，那么电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确信。

　　利用这种方式能够组成霍尔功率传感器。

　　若是把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体通过它时，能够从测量电路上测得脉冲信号。

依照脉冲信号列能够传感出该运动物体的位移。

假设测出单位时刻内发出的脉冲数，那么能够确信其运动速度。

（二）操纵电路的调试

操纵电路利用的是上学期的电疗仪电路板

上面的各方面电路都有，包括CPU，数码管，按键，还有蜂鸣器等等，完全能够设计出操纵电路。

（三）无刷电机原理及操纵

无刷的组成结构和工作原理

三相永磁无刷电动机和一样的永磁有刷电动机相较，在结构上有很多相近或相似的地方。

用装有永磁体的转子取代有刷电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用'>逆变器和转子位置检测器组成的换相器取代有刷的机械换相器和电刷，就取得了三相永磁无刷电动机。

无刷电动机属于三相永磁同步电机的范围，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。

在那个地址，永久磁铁的特性，在专门大程度上决定电动机的特性。

目前采纳的永磁要紧有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等依照几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为普遍的确实是钕铁硼。

它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。

在转子上安置永磁铁的方式有两种：

一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。

依照永久磁铁安装方式不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。

扇形磁铁构造的转子具有电枢小、齿槽效应转矩小的优势，但易受电枢反映的阻碍。

且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。

矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，能够利用磁阻转矩，另外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机利用。

依照确信的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：

正弦波形和方波形永磁同步电机，前者每相励磁磁通势散布是正弦波形，后者每相那么是方波状，依照磁路结构和永磁体形状的不同而不同，关于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙若是采纳稀大材料，由于采纳非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形能够实现正弦散布。

应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范围，而稀土永磁体正弦波形电动机那么一样作为三相交流永磁同步伺服电机利用。

但这不是绝对的，究竟是三相永磁直流无刷电动机仍是三相永磁交流同步电机，要紧决定于电动机的操纵系统的方式，取决于电动机的转子位置的类型。

永磁同步电动机的操纵系统都属于自控式变频系统，确实是说电动机的换相状态是由转子的位置决定的，电动机的操纵频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器。

转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电机一样采纳旋转式、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测器。

而在永磁直流无刷电动机（方波电动机）中，一样采纳简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精准位置，其检测精度通常只有60的电角度，其要紧作用是为了知足电动机的换相要求。

位置传感器是直流无刷电动机系统组件部份之一，也是区别于直流有刷电机和直流无刷电动机的要紧标志。

其作用是检测主转子在运动进程中的位置，将转子磁钢的位置信号转换成电信号，为逻辑提供正确的换相信息。

以操纵它们的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的转变顺顺序换相。

形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子持续不断的旋转。

位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。

它们各具特点，但是由于磁敏式霍耳位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优势，故目前取得愈来愈普遍的应用。

当磁场中的导体有电流通过时，其横向不受到力的作用，同时还显现电压，那个现象后来被称为霍耳效应。

随后人们又发觉，不仅是导体而且中也存在霍耳效应。

而且霍耳电动势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍耳系数的缘故。

霍耳传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种

线性型线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分、输出级等部份组成，输入为转变的磁感应强度取得与磁场强度成线性关系的输出电压，可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。

（2）开关型开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部份组成。

输入为磁感应强度，输出为开关信号。

直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。

直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样，也是由静止部份和运动部份组成，即位置传感器定子和传感器转子。

其转子与电机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，即能够直接利用电动机的永磁转子，也能够在转轴其它位置上另外安装永磁转子。

定子由假设干个霍耳元件，按必然的距离，等距离的安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。

位置传感器的大体功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。

位置传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S几极）的转角，也确实是说每转过360电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分派状态相对应的开关状态数。

以完成电动的一个换流全进程，若是转子的极对数越多，那么在360机械角内完成该换流全进程的次数也就越多。

霍耳位置传感器必需知足以下两个条件：

（1）、位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。

（2）、位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。

位置传感器输出的开关状态能知足以上条件，那么总能够通过必然的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。

关于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍耳元件的数量是3，安装位置应当距离120电角度，其输出信号是Ha、Hb、Hc。

三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360电角度内给出了6个代码，按其顺序排列，6个代码是10一、100、110、010、01一、001，其波形见图一。

固然这一顺序与电动机的转动方向有关，若是转向反了，代码顺序也就倒过来。

三相永磁无刷电动机的电子换相器主回路，也确实是由6个功率开关元件组成的三相H形桥式逆变器。

请见以下图二：

图三是三相永磁无刷直流电动机的定子绕组的结构示用意。

其中线A-X表示与A相绕组轴线相交的位置；线B-Y表示与B相绕组轴线相交的位置；线C-Z表示与C相绕组轴线相交的位置；显然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60的扇区，咱们也把此图称作“定子空间的扇区图”。

能够通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相进程，一是利用方才提到‘定子空间示用意’来分析换相进程；二是通过度析电动机的三相反电动势来明白得换相进程。

不管是从定子空间扇区图仍是从电动机定子绕组的反电动势来分析三相无刷电动机的换相进程。

所得的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。

无刷电机的驱动操纵

关于无刷电机驱动，现有两种方式：

一种是利用前面所介绍的位置传感器，通过逻辑电路的处置发面换相操纵信号。

一种是利用测反电动势法，得知转子位置信号，然后送入泽码器来操纵三个H桥的导通。

一、开环型无刷直流电动机的驱动操纵。

其内部包括电子换相器主回路，一三相H形桥式逆度器，换相操纵逻辑电路。

PWM调速电路，和过流等爱惜电路。

（1）、换相操纵逻辑电路。

三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号。

Ha.Hb.Hc.在每360电角度给出6个代码，换相操纵逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号。

Ha.Hb.Hc并对其进行泽码处置。

给出电子换相器主回路（三相桥式逆度器）中6个开关管的驱动操纵信号。

三相霍耳输出的信号，给出的6个代码是10一、100、110、010、01一、001这一顺序与电机的转动方向有关转向有关，转向反了。

代码显现的顺序也就倒过来，因此，换相操纵逻辑电路还应当接收电动机的转向操纵信号DIR，这也是一个逻辑信号，高电平操纵电机正转，正转，低电平操纵电机反转。

（2）、PWM调速电路。

无刷电机，加上电子换相器，（包括换向器的主回路一逆变器和换相操纵逻辑电路），从原理上说，就相当于一台有刷电机也确实是说，电子换相器解决了无刷电机换相问题，但没有解决电动机的调速问题，需要脉宽调制电路来实现。

由换相操纵逻辑电路输出的换相信号的频率与电机的转速有关，还与电机的磙钢极对数有关，不管何种情形下，换相操纵信号的频率都远远低于PWM信号的频率。

因此，能够把PWM信号和换相操纵信号通过逻辑“与”的方法合成在一路，通过调剂PWM信号的占空比，来调剂电动机的定子电枢电压，从而实现调速。

在任何时刻，在电子换相器的主回路一三相桥式逆度路中只有两个开关管导通，这两个开关管中的一个侧（一、3、5管中的一个），另一个在侧（二、4、6中的一个），也确实是说，老是有高压侧的一个开关管与低压侧的一个开关管串联导通的，因此PWM信号只需与高压侧的三个开在管的操纵信号通过逻辑“与”的方法合成在一路即可实现调压调速。

（3）、爱惜电路。

无刷电机在开环这行的情形下，最重要的爱惜确实是过电流爱惜，一样在主回路中的直流母线一取得过电流反馈信号，在过电流环节与改定的爱惜值相较较，若是超过了爱惜值引发爱惜动作，一样是封锁逆度器中的开关管从而实现爱惜。