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正文內(nèi)容

電動小車中無刷直流電機的控制系統(tǒng)畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2024-07-14 14:18 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 器, 其傳遞函數(shù)如下: (34)式中, 為比例放大倍數(shù) 為積分時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II系統(tǒng)設計。取,則 (35)系統(tǒng)按準則選擇ASR參數(shù): 則 取 ,則 再根據(jù) ,得 (3) 校驗近似條件:① 電流環(huán)傳遞函數(shù)等效條件 (36)按準則設計時而 ② 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 (37)現(xiàn)在 滿足近似處理條件。(4) 動態(tài)性能指標轉(zhuǎn)速超調(diào)量 (38)現(xiàn)在 取中頻帶寬為,按準則確定參數(shù), 因此 由此可以看出,轉(zhuǎn)速超調(diào)量非常小,上升時間非常短,可以滿足電動小車的要求。這樣,整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)就為典型II系統(tǒng),系統(tǒng)的參數(shù)也就基本上確定下來。按照所求得的參數(shù),設計控制系統(tǒng)畫出電路圖。根據(jù)設計好的系統(tǒng)參數(shù),通過對整個系統(tǒng)進行仿真,進一步驗證系統(tǒng)是否符合電動小車的要求 位置檢測 置傳感器在無刷直流電動機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為功率開關電路提供正確的換相信息,即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關的導通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步,因而位置傳感器與功率開關一起,起著與傳統(tǒng)有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的作用。位置傳感器的種類比較多,可分為電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。電磁式傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長等優(yōu)點,但其體積比較大,信噪比較低且輸出為交流信號,需整流濾波后才能使用。光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、體積小、重量輕,但對環(huán)境要求較高。磁敏式位置傳感器的基本原理為霍爾效應和磁阻效用,它對環(huán)境適應性很強,成本低廉,但精度不高。 位置間接檢測原理永磁無刷直流電動機要實現(xiàn)閉環(huán)控制,必須知道轉(zhuǎn)子的位置信息,傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機是以位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子的位置信號的。實際上,隨著電機轉(zhuǎn)子的位置不同,電機的各相繞組電壓和磁通會發(fā)生變化,如果能找到電機測得的變量與轉(zhuǎn)子位置之間的關系,那么就可以不通過位置傳感器而只通過測得的變量值得到轉(zhuǎn)子的位置信號,這就是間接位置檢測的基本思想。以三相橋式星形結(jié)構(gòu)無刷直流電機為例,電機的電壓平衡方程為:(39)式中 Va Vb Vc 一一繞組相電壓。 ia ib ic一一繞組相電流。 L,M 一一繞組自感和繞組間的互感。 R 一一繞組電阻。 λ一一磁極磁鏈。 θ一一電角度。上式中,凡是角度0的函數(shù),式( 3 - 9 )通過變換可得:(310)由于電阻和電感是電機的固有參數(shù),認為是可知的,由式 (3-10)可知,若連續(xù)得到某時刻的電流電壓值,則可得到三相的禮值,由禮就可得知0的范圍,即轉(zhuǎn)子的位置。目前大部分的間接位置檢測方法均基于此原理。由以上分析可知,要知道電機的位置,需要知道電流電壓與磁極磁鏈的關系以及磁極磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關系。在不同的場合,可通過不同的方法實現(xiàn)上面的兩層映射關系。常見的間接位置檢測方法有反電勢法、電感法、續(xù)流二極管法和磁鏈估計法等。反電勢法是根據(jù)轉(zhuǎn)子在不同的位置時定子繞組中的反電勢的不同,通過得到特殊點的反電勢從而推算出轉(zhuǎn)子的位置的;電感法則是根據(jù)轉(zhuǎn)子在不同的位置時對電機電樞電感的影響,通過檢測電流得到電感的變化從而得到轉(zhuǎn)子的位置;續(xù)流二極管法是通過檢測未導通相的二極管的續(xù)流情況來確定轉(zhuǎn)子的位置;磁鏈法是通過電壓電流值計算得到磁鏈的值,從而推出轉(zhuǎn)子的位置。 位置檢測電路 本系統(tǒng)采用霍爾傳感器檢測位置,霍爾集成電路內(nèi)部原理圖如下圖33所示。 圖33霍爾集成電路原理圖 霍爾元件的作用是利用霍爾效應來產(chǎn)生輸出電壓,由于霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低,應用時需要外接放大器,很不方便。隨著半導體集成技術(shù)的發(fā)展,將霍爾元件與半導體集成電路一起制作在同一塊N型硅外延片上,這就構(gòu)成了霍爾集成電路?;魻柤呻娐吠ㄟ^霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動勢來驅(qū)動開關器件。本系統(tǒng)的位置檢測電路如下圖34所示。圖34 位置檢測電路 由上圖可知位置檢測有霍爾傳感器實現(xiàn),通過三個霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動勢來判斷轉(zhuǎn)子位置,并控制功率開關器件的開通與關斷?;魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生的信號與PWM信號共同控制逆變器器件的開關來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。隨著半導體集成技術(shù)的發(fā)展,一般的霍爾傳感器是霍爾集成電路,霍爾集成電路有線性型和開關型兩種,這里采用開關型集成電路。將三只霍爾集成電路按相位差120186。安裝,則它們所產(chǎn)生的位置信號波形圖如下圖35所示。圖35 轉(zhuǎn)子位置波形 轉(zhuǎn)速檢測 轉(zhuǎn)速檢測電路是通過LM2907頻壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的,LM2907為集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,是一種將頻率轉(zhuǎn)換成電壓的器件。芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運算放大器,能將頻率信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。只要通過檢測傳感器的頻率就可檢測出電機的轉(zhuǎn)速。LM2907的內(nèi)部原理圖如下圖36所示: 圖36 LM2907的原理框圖各引腳功能如下:●1腳(F)和11腳(IN)為運算放大器/比較器的輸入端;●2腳接充電泵的定時電容(C1);●3腳接充電泵的輸出電阻和積分電容(R1/C2);●4腳(IN+)和10腳(UF1)為運算放大器的輸入端;●5腳為輸出晶體管的發(fā)射極(U0);●8腳為輸出晶體管的集電極,一般接電源(UC);●9腳為正電源端(VCC);●12腳為接地端(GND);●6,7,13,14腳未用。LM2907的工作原理為:當充電泵把從輸入級輸入來的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時,需外接定時電容C輸出電阻R1以及積分電容或濾波電容C2,當?shù)谝患壿敵龅臓顟B(tài)發(fā)生改變時(這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過零電壓或差分輸入電壓時),定時電容在電壓差Vcc/2的兩電壓值之間被線性地充電或放電,在輸入頻率信號的半周期中,定時電容上的電荷變化量為C1Vcc/2,泵入電容中的平均電流或流出電容中的平均電流為:輸出電路把這一電流準確地送到負載電阻(輸出電阻)R1中,R1電阻的另一端接地,這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓:其中K為增益常數(shù),典型值為1。電容C2的值取決于紋波電壓的大小和實際應用中所需要的響應時間。本系統(tǒng)采用LM2907集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,將頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號,電路圖如下圖37所示。 圖37 轉(zhuǎn)速檢測電路 本系統(tǒng)采用LM2907頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,將霍爾傳感器脈沖頻率轉(zhuǎn)換成電壓反饋到轉(zhuǎn)速環(huán),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋。這樣可以省去測速發(fā)電機,減輕設備重量及體積。其中。參考電壓可以很好的調(diào)節(jié)輸出的最小電壓和帶負載能力。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)之前調(diào)節(jié)器的選擇和計算,本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器電路圖如下圖38所示。 圖38轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由上圖可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由模擬電路組成,P 主要是使系統(tǒng)的響應速度快,增加系統(tǒng)的快速性,I是積分環(huán)節(jié),主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PI調(diào)節(jié)器有較好的調(diào)節(jié)性能,使系統(tǒng)具有響應快速、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能較好等性能。通過PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。4 系統(tǒng)電路圖 PWM生成電路及電流調(diào)節(jié)器PWM生成及電流調(diào)節(jié)器由TL494實現(xiàn)。TL494是美國德州儀器(Texas Instrument)公司產(chǎn)品,原是為開關電源設計的脈沖寬度調(diào)節(jié)器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖41所示。 圖41 TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TL494是16腳集成電路,內(nèi)部電路由基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。 下圖42是它的管腳圖圖42 TL494的管腳圖其中2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端;3腳是相位校正和增益控制;4腳為間歇期調(diào)理,其上加0~%線性變化到100%;6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容,所接的振蕩電阻和電容決定了震蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率;7腳為接地端;9腳和110腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極;12腳為電源供電端;13腳為輸出控制端,該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式,接14腳時,兩路輸出分別由觸發(fā)器Q和端控制,形成雙輸出方式,即為推挽輸出方式;14腳為5V基準電壓輸出端,最大輸出電
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