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正文內(nèi)容

電動(dòng)小車中無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-14 14:18 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)。取,則 (35)系統(tǒng)按準(zhǔn)則選擇ASR參數(shù): 則 取 ,則 再根據(jù) ,得 (3) 校驗(yàn)近似條件:① 電流環(huán)傳遞函數(shù)等效條件 (36)按準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)而 ② 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (37)現(xiàn)在 滿足近似處理?xiàng)l件。(4) 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 (38)現(xiàn)在 取中頻帶寬為,按準(zhǔn)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(shí)間非常短,可以滿足電動(dòng)小車的要求。這樣,整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)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(lái)。按照所求得的參數(shù),設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)畫出電路圖。根據(jù)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)參數(shù),通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合電動(dòng)小車的要求 位置檢測(cè) 置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為功率開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息,即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步,因而位置傳感器與功率開(kāi)關(guān)一起,起著與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)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(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但其體積比較大,信噪比較低且輸出為交流信號(hào),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(duì)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(yīng)和磁阻效用,它對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng),成本低廉,但精度不高。 位置間接檢測(cè)原理永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要實(shí)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(wú)刷直流電機(jī)是以位置傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)的。實(shí)際上,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置不同,電機(jī)的各相繞組電壓和磁通會(huì)發(fā)生變化,如果能找到電機(jī)測(cè)得的變量與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系,那么就可以不通過(guò)位置傳感器而只通過(guò)測(cè)得的變量值得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),這就是間接位置檢測(cè)的基本思想。以三相橋式星形結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)為例,電機(jī)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(guò)變換可得:(310)由于電阻和電感是電機(jī)的固有參數(shù),認(rèn)為是可知的,由式 (3-10)可知,若連續(xù)得到某時(shí)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(cè)方法均基于此原理。由以上分析可知,要知道電機(jī)的位置,需要知道電流電壓與磁極磁鏈的關(guān)系以及磁極磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系。在不同的場(chǎng)合,可通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn)上面的兩層映射關(guān)系。常見(jiàn)的間接位置檢測(cè)方法有反電勢(shì)法、電感法、續(xù)流二極管法和磁鏈估計(jì)法等。反電勢(shì)法是根據(jù)轉(zhuǎn)子在不同的位置時(shí)定子繞組中的反電勢(shì)的不同,通過(guò)得到特殊點(diǎn)的反電勢(shì)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(shí)對(duì)電機(jī)電樞電感的影響,通過(guò)檢測(cè)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(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相的二極管的續(xù)流情況來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置;磁鏈法是通過(guò)電壓電流值計(jì)算得到磁鏈的值,從而推出轉(zhuǎn)子的位置。 位置檢測(cè)電路 本系統(tǒng)采用霍爾傳感器檢測(cè)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(yīng)來(lái)產(chǎn)生輸出電壓,由于霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低,應(yīng)用時(shí)需要外接放大器,很不方便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展,將霍爾元件與半導(dǎo)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。霍爾集成電路通過(guò)霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。本系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路如下圖34所示。圖34 位置檢測(cè)電路 由上圖可知位置檢測(cè)有霍爾傳感器實(shí)現(xiàn),通過(guò)三個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置,并控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷?;魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)與PWM信號(hào)共同控制逆變器器件的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。隨著半導(dǎo)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(kāi)關(guān)型兩種,這里采用開(kāi)關(guān)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(hào)波形圖如下圖35所示。圖35 轉(zhuǎn)子位置波形 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路是通過(guò)LM2907頻壓轉(zhuǎn)換器實(shí)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(yùn)算放大器,能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)。只要通過(guò)檢測(cè)傳感器的頻率就可檢測(cè)出電機(jī)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(yùn)算放大器/比較器的輸入端;●2腳接充電泵的定時(shí)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(yùn)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(dāng)充電泵把從輸入級(jí)輸入來(lái)的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時(shí),需外接定時(shí)電容C輸出電阻R1以及積分電容或?yàn)V波電容C2,當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)(這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過(guò)零電壓或差分輸入電壓時(shí)),定時(shí)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(hào)的半周期中,定時(shí)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(zhǔn)確地送到負(fù)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(shí)際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時(shí)間。本系統(tǒng)采用LM2907集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),電路圖如下圖37所示。 圖37 轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋。這樣可以省去測(cè)速發(fā)電機(jī),減輕設(shè)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(fù)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(jì)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(yīng)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(yīng)快速、穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能較好等性能。通過(guò)PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)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(shí)現(xiàn)。TL494是美國(guó)德州儀器(Texas Instrument)公司產(chǎn)品,原是為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)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?jī)蓚€(gè)末級(jí)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(shí)為并聯(lián)單端輸出方式,接14腳時(shí),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(zhǔn)電壓輸出端,最大輸出電
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