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正文內(nèi)容

基于fpga的無刷直流電動機控制器設計-資料下載頁

2024-11-07 22:03本頁面

【導讀】農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、現(xiàn)代科技和日常生活的各個領域,因此,在電機技術領域內(nèi),合理正確的設計無刷直流電動機就成為一個越來越重要的課題。本設計旨在運用FPGA豐富的內(nèi)部配置及外部接口方面的有點,連接,過流保護等。并根據(jù)設計要求,采用AltiumDesigner軟件繪制了原理圖,Quartus. 軟件進行程序編制與仿真。實現(xiàn)對速度的雙閉環(huán)PID控制,為整個電路的設計減少了工作量。通過編程以及按鍵的使用,設計完成了電動機的手動剎車、正反轉(zhuǎn)的控制?;魻栭_關型位置傳感器的使用,實現(xiàn)了對無刷直流電動機人為換相的控制。實現(xiàn)了一個基于FPGA的無刷直流電動機簡單工作的控制器功能。器件介紹及連接電路......

  

【正文】 計總結(jié)構(gòu)框圖 由于本設計中無刷直流電動機為 “兩兩導通三相六狀態(tài) ”,故采用三個霍爾傳感器即可,霍爾傳感器將轉(zhuǎn)子的位置傳送給 Si9979, Si9979 內(nèi)部分析后自己進行換相,設計中將霍爾傳感器的輸入引入 FPGA 電路,通過觀察輸出可知曉電動機換相情況, FPGA 通過控制 PWM 占空比進而控制電動機 的轉(zhuǎn)速。 圖 31 本設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 霍爾傳感器在設計中的工作情況 表 31 電動機逆時針方向旋轉(zhuǎn)時的驅(qū)動順序 狀態(tài) 順序 霍爾器件輸入 PWM 驅(qū)動 A B C Ⅰ 0 0 1 V1 V2 Ⅱ 1 1 1 V2 V3 Ⅲ 1 1 0 V3 V4 Ⅳ 1 0 0 V4 V5 Ⅴ 0 0 0 V5 V6 Ⅵ 0 1 1 V6 V1 表 32 電動機順時針方向旋轉(zhuǎn)時的驅(qū)動順序 狀態(tài) 霍爾器件輸入 PWM 驅(qū)動 控制電機旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速,正反轉(zhuǎn)等一系列動作 全橋逆變電路 Si9979 驅(qū)動電路 FPGA 控制電路 數(shù)字信號 BLDCMMM 霍爾位置傳感器 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 53頁 順序 A B C Ⅰ 1 1 0 V3 V4 Ⅱ 1 1 1 V2 V3 Ⅲ 0 0 1 V1 V2 Ⅳ 0 1 1 V1 V6 Ⅴ 0 0 0 V5 V6 Ⅵ 1 0 0 V4 V5 霍爾傳感器以數(shù)字量的形式反饋給 Si9979,進而 Si9979 進行分析,判斷此時電動機中轉(zhuǎn)子的位置,在該設計中,我將數(shù)字量的霍爾信號與 FPGA 的 I/O 口相接, PC 機通過 JTAG 和 AS 將程序燒入到,在實際工作時,可以通過波形判斷具體是哪兩相導通,更加方便觀察分析。以下為霍爾器件在原理圖中的連接狀態(tài): 圖 32 Hall 與 FPGA 的連接 圖 33 Hall 與 Si9979 的連接 圖 34 Hall 與電動機的連接 電動機換相輸出 TACH 作為輔助 Hall 器件,反映電動機換相的輸出引腳 TACH ,電動機每次換相,該引腳輸出一個至少 300ns 脈寬的負脈沖,每 360176。電角度輸出 6 個脈沖。該引腳為漏極開路輸出。通過觀察該引腳的輸出波形,即可得知電動 機是否在換相,通過觀察 Hall 可知具體是哪兩項在換相。具體反映是通過將該引腳接入 FPGA 的 I/O 口,判斷是否有負脈沖,當有負脈沖到來時,首先判斷是否為抖動,進而判斷該引腳確為低電平,本設計為通過判斷 neg_rs232_rx 的輸出波形,輸出為高,說明 TACH 為底電平,進而說明電動機正在換相,實現(xiàn)判斷換相功能。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 53頁 電動機的制動 BRK 電動機的制動分為制動和過流制動,前者為使能端有效的前提下,通過將 MOSFET管的上橋臂全部關斷,下橋臂全部 開通,將電動機繞組短接,實現(xiàn)制動。后者制動是在使能端有效的情況下,通過判斷是否過電流,進而實行制動。 具體實施需要通過 LM339 電壓比較器, Is+通過電流傳感器 RT 與 Si9979 內(nèi)部比較器正輸入端連接。當電流傳感電阻的壓降達到 100mV 時,觸發(fā)限流制動。然而,若想通過 FPGA 反映在 PC 機上,則需要判斷 Is+是否為高電平,在實際的電路原理中, Is+為模擬量,必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才可被 FPGA 識別,因此選用 LM339 電壓比較器,使用該比較器的一對輸入端和一個輸出端,通過分析可知,將基準電壓 100mV 接在 LM339的 負輸入端,將 Is+通過 20mΩ 的電阻接在 LM339 的正輸入端,當小于 100mV 時, Is+輸出為負,大于 100mV 時, Is+輸出為正。通過判斷 Is+的情況來判斷此時是否過流制動。 LM339 的 Vcc+為 +5V, Vcc為 0V,上拉電阻為 , LM339 在原理圖中的連接如下圖 所示。 圖 35 LM339 連接示意圖 無刷直流電動機的設計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似,但沒有籠形繞組和其 它啟動裝置。其定子繞組一般制成多相,轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定的極對數(shù)組成。本設計中采用三相星形繞組,一對磁極。 在電子開關的作用下,定子繞組某一相通電,該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鐵磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置變換為電信號去控制電子開關,從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?,定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置變換也依中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 53頁 次換相。由于電子開關的導通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步,故起到機械換向器的作用。因此,從結(jié)構(gòu)上看,直流無刷電動機可認為是由一臺永磁式同步電動機、電子開關電路和位置傳感器三者組成的 “電動式系統(tǒng) ”。其原理框圖如下所示 [19]。 圖 36 直流無刷電動機的原理圖 直流無刷電動機和一般直流電動機結(jié)構(gòu)上不同之處在于:直流無刷電動機的永久磁鐵是裝在轉(zhuǎn)子上,兒直流電動機的永久磁鐵是裝在定子上。 工作原理 1. 驅(qū)動方式的選擇 無刷直流電動機中各相定子繞組是由直流電源供電,故定子只能產(chǎn)生固定磁場,它不能與運動中轉(zhuǎn)子永久磁場相互作用。以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子,故直流無刷電動機必須通過電子開關換相,使運行中的直流無刷電動機定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子磁場 在空間始終保持在 90176。左右的電角度。 無刷直流電動機的驅(qū)動方式為三相星形連接全橋驅(qū)動,其通電方式為兩兩導通三相六狀態(tài)。 圖 37 三相星形連接全橋驅(qū)動電路 星形連接的兩兩導通方式是每次使兩個開關同時導通。根據(jù) 如圖 38 所示的開關管命名關系,開關管的導通順序為 V1V V2V V3V V4V V5V V6V1??梢?,共有直流電源 位置傳感器 開關電路 電動機 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 53頁 8 中導通狀態(tài),因此每隔 60176。電角度改變一次導通狀態(tài),每改變一次狀態(tài)更換一個開關管,每個開關管導通 120176。電角度。當 V1V2 導通時,電流的路線為電源 V1A 相繞組 C相繞組 V2地,其中 A 相和 B 相相當于串聯(lián),每相通電電流均為 I。其他以此類推。與三相半橋式驅(qū)動方式相比較,三相全橋星形連接二二導通方式的每個開關管導通時間為120176。,每相繞組通電 240176。,繞組的利用率增加了,輸出的轉(zhuǎn)矩也增加了。絕大多數(shù)無刷直流電動機的氣隙磁密度是呈梯形分布的。由于無刷直流電動機的每相繞組的感應電動勢與氣隙磁密度成正比,所以感應電動勢也是呈梯形分布的。 2. 優(yōu)化比較 無刷直流電動機有多相結(jié)構(gòu),每種電動機可分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動,全橋驅(qū)動又可分為星形連接和角形連接以及不同的通電方式。因此,不同的選擇會使 電動機產(chǎn)生不同的性能和成本,這是系統(tǒng)設計需要考慮的問題,下面是對比情況。 ( 1)繞組的利用率。與普通直流電動機不同,無刷直流電動機的繞組使斷續(xù)通電的。適當?shù)靥岣呃@組通電利用率可以使同時通電導體數(shù)增加,使電阻下降,提高效率。從這個角度來看,三相比四相好,四相比五相好,全橋比半橋好。 ( 2) 轉(zhuǎn)矩的波動。無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機的大,因此,希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。一般相數(shù)越多,轉(zhuǎn)矩的波動越小。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。 ( 3)電路的成本。相數(shù)越多,驅(qū)動電路所使用的開關管越多,成本越高。全 橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關管多一倍,因此,成本要求要高。多相電動機的結(jié)構(gòu)復雜,成本也高。 綜合上述分析,目前以三相星形全橋方式應用最多。 3. 無刷直流電動機的 PWM 控制 與直流電動機調(diào)速的方法一樣,通過調(diào)整 PWM 占空比的方法來調(diào)速,是無刷直流電動機最常用的調(diào)速方法。對于三相星形連接二二導通方式的無刷漢字六電動機,其PWM 控制方式有以下 5 種。 ( 1) PWM_ON 方式 PWM_ON 方式是指每個開關管在 120176。導通區(qū)間內(nèi),前 60176。進行 PWM 控制,后 60176。保持常開。這種方式的特點是上下橋臂開關管交替 PWM 控制, 每個 60176。區(qū)間總有一個開關管保持常開,另一個開關管 PWM 控制。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 53頁 ( 2) ON_PWM 方式 ON_PWM 方式是指每個開關管在 120176。導通區(qū)間內(nèi),前 60176。保持常開,后 60176。進行PWM 控制。這種方式的特點也是上下橋臂開關管交替 PWM 控制,每個 60176。區(qū)間總有一個開關管保持常開,另一個開關管 PWM 控制。 ( 3) H_PWML_ON 方式 H_PWML_ON 方式是指在 120176。導通區(qū)間內(nèi),上橋臂開關管進行 PWM 控制,下橋臂開關保持常開。這種方式特點是上橋臂開關管總負責 PWM 控制。 ( 4) L_PWMH_ON 方式 L_PWMH_ON 方式是指在 120176。導通區(qū)間內(nèi),下橋臂開關管進行 PWM 控制,上橋臂開關管保持常開。這種方式的特點是下橋臂開關管總是負責 PWM 控制。 ( 5) H_PWML_PWM 方式 H_PWML_PWM 方式是指在 120176。導通區(qū)間內(nèi),上下橋臂同時進行 PWM 控制。 上述 5 種控制方式比較如下: ●從開關損耗和散熱角度來看, H_PWML_PWM 開關管損耗最大。 PWM_ON 方式和ON_PWM 方式中的每個開關管輪流導通、常開和關斷,因此可以均勻地散熱,所以比 H_PWML_ON 方式和 L_PWMH_ON 方式好。 ●從換相過 程中的轉(zhuǎn)矩脈動角度來看, PWM_ON 方式的轉(zhuǎn)矩脈動最小, ON_PWM 方式次之, H_PWML_PWM 方式的轉(zhuǎn)矩脈動最大。這主要是因為 PWM_ON 方式的電流過渡較好。 4. 電動機的正反轉(zhuǎn)控制 對于無刷直流電動機,只要改變勵磁磁場的極性或改變電樞電流的方向即可,但是由于開關管具有單向?qū)ㄐ裕詿o刷直流電動機又有其自身的反轉(zhuǎn)方法。見下表。 表 星形連接二二導通方式的正轉(zhuǎn)通電規(guī)律 通電順序 正轉(zhuǎn)(逆時針) 轉(zhuǎn)子位置(電角度) 0~ 60 60~ 120 120~ 180 180~ 240 240~ 300 300~ 360 開關管序號 2 3 4 5 6 1 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 53頁 表 星形連接二二導通方式的反轉(zhuǎn)通電規(guī)律 通電順序 反轉(zhuǎn)(順時針) 轉(zhuǎn)子位置(電角度) 0~ 60 60~ 120 120~ 180 180~ 240 240~ 300 300~ 360 開關管序號 4 3 2 6 6 5 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 在本設計中,對于電動 機的正反轉(zhuǎn)是通過軟件配合開關按鍵 key2 控制實現(xiàn)的,Si9979 本身即是集成芯片,內(nèi)部集成電路可控制電動機的正反轉(zhuǎn),只需通過 FPGA 對Si9979 進行軟件控制即可實現(xiàn)。 Si9979 引腳中,引腳控制電動機正反轉(zhuǎn),若該引腳接高電平,即則電動機進行正轉(zhuǎn);若接低電平,即則電動機進行反轉(zhuǎn),具體通過按鍵 key2實現(xiàn)。 無刷直流電動機控制器的設計 無刷直流電動機的控制結(jié)構(gòu) 無刷直流電機是同步電機的一種,它是將同步電機加上電子式控制 (驅(qū)動器 ),控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反 復校正,以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說無刷直流電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。無刷直流驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖 :電源部提供三相電源給電機,控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入 (一般為 24V)或以交流電輸入 (110v/220v),如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器 (converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(invOrter)轉(zhuǎn)成 3 相電壓來驅(qū)動電機。換流器 (inverter)一般由 6 個功 率晶體管 (Q1~Q6)分為上臂 (Ql、 Q QS)/下臂 (QZ、 Q Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關 .控制部則提供 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )決定功率晶體管開關頻度及換流器于設定值而不會變動太大的速度控制,所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器 (),作為速度之閉回路控制,同時也作為相序控制的依據(jù)。但這只是用來作為速度控制并不能拿來作為定位控制。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 32 頁 共 53頁 圖 38 無刷直流電機控制結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機的數(shù)字控制 運動控制 (Moitno Control)是近 10 多年來在國際
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