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【科技论文】基于单片机无刷直流电机控制系统统的设计

发布:论文易网2015-12-20 22:37分类: 科技论文 标签: 科技论文下载 单片机系统控制 论文发布网站 论文在线投稿

1831年,法拉第发现了电磁感应现象,奠定了现代电机的基本理论基础。19世纪40年代第一台直流电机成功研制,随着科学技术的进步以及新兴的的电力电子技术、数字电子技术的发展,直流电机在某些应用场合已不能完全很好的应用,由于其机械换向引起的火花、转速受机械换向的限制等一系列问题的出现,科学家们开始试着研制一种用一些器件实现电机换向代替电刷—换向器换向的装置。1955年,美国人Harrison首次提出了用晶体管换向线路代替代替电机电刷接触的思想,直到1962年试制成功了借助霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来实现换向的无刷直流电机。

本文从无刷直流电机的研究背景、研究意义、发展方向及分类,再到电机的系统结构、工作原理、控制方式都做了一系列系统的论述。尤其是在电机控制方式上。现代电机有多种控制方式,电机专用控制集成芯片控制、单片机和DSP控制,本文将采用MCS/51系列的单片机实现对电机的转速控制。通过用protues软件仿真及用keil软件验证过的程序进行测试,实现无刷直流电机平滑的调速。

 

关键词:无刷直流电机,单片机,protues 

 

1.1 引言

随着时代的变迁与科学技术的迅猛发展,电机作为一种机电能量转换及成为各种机械原动力的一种不可或缺的装置,已被应用到各个领域。能源、冶金、采矿、机械加工、航空航天可以说没有电机就没有今天繁荣的一切。

从19世纪40年代研制成功第一台直流电机到现在,各种类电机应运而生,同步电机、异步电机、开关磁阻电机等。随着计算机进入控制领域,新型电力电子功率器件及微控制器的不断更新与发展,控制电机的方式也越来越多。本文将充分利用单片机的外围电路少,运行稳定可靠的特点,将其运用于无刷直流电机的控制,使得控制电机更加方便简捷。

 

1.2 无刷直流电机分类 

随着科技日新月异的发展,电机除了扮演着工业发展与人们生活水平逐渐提高的不可或缺的角色。其种类也是在随着时代的变迁逐渐增加,以此来满足军事和民用领域的需求。


  【科技论文】基于单片机无刷直流电机控制系统统的设计

 

1.3 无刷直流电机的研究背景

从1831年法拉第发现电磁感应现象到第一台直流电机被成功研制,这以后电机就开始逐渐被应用于各个领域,但随着人们对物质生活的需求越来越高及科学技术上的突破,直流电机虽然具有调速范围广、启动转矩大、运行平稳效率高等诸多优点,但是由于传统的直流电机都采用的是电刷机械换向装置,就产生了不可避免的机械摩擦、使用寿命缩短等一系列问题。这就使得它在一些高温高压要求比较严格的情况下不能使用。因此科学家们就开始寻找一些以替换电刷机械换向的装置,这样就避免了上述问题。

科学技术的进步,带来了科技领域内一系列科技成果,电力电子技术领域中功率半导体和开关型晶体管都得到了大力的发展,为无刷直流电机的应运而生创造了有力的条件并在日后得到大力推广奠定了良好的基础。1955年,美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷机械结构接触的构想,这就是无刷直流电机的雏形[2]。它由信号检测、晶体开关和功率放大电路等几部分构成。它的运行原理是,当转子旋转时,信号绕组内就会感应出周期性的信号电动势,信号电动势就会使相应的晶体管依次导通来完成换向。但是它的缺点也很明显,转子不转时,信号绕组内就不会有周期性的感应电动势,这样的话晶体管就无法导通,换向也就不能完成。由于这种电机存在着没有启动转矩并且由于感应电动势信号前沿抖动较大致使晶体管工作在高功耗下等一系列的缺点,因此后续做了诸多改进。采用离心装置的换向器或是将辅助磁钢安放在定子上,虽然都可以保证电机可靠地启动,但是相伴而来的仍然是比较大的负面问题,加装离心装置换向器致使电机结构上变得复杂,这就会使日后的维修维护工作难以进行,拆装上的难题和机械结构上的设计都会无形中增加高昂的成本。而定子辅助磁钢的运用需要附加脉冲,这就在电机启动时增加了负担。同时操作上也变得麻烦。鉴于此,其后人们又做了无数次的实验验证,最终终于找到了利用位置传感器和电子换向线路来代替机械结构电刷的电子换向线路。从而找到了一条发展新型直流电机的路线。传感器的出现为无刷直流电机快速研制成功与投入应用更是起到了关键性的作用,接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继出现,然后又相继研制成功了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的快速发展,使人们对于1879年美国人霍尔发现的霍尔效应产生兴趣,经过多年的不懈努力与研制,终于在1962年成功试制了借助于霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来完成换相的无刷直流电机。在⒛世纪70年代初期,又成功试制了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机[2]。1978年,联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统,这标志着无刷直流电机真正进入实用阶段[2]。

永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。正是因为永磁无刷电机具有诸多优点,因此已成为目前微特电机发展的主流。


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