电机驱动板

电机驱动板（精选九篇）

电机驱动板 篇1

1 总体设计方案

开发板主要由STM32主控芯片, 半桥驱动电路, 电源电路, 串口通信接口电路, 霍尔传感器位置检测电路构成, 其总体设计框图如图1所示。

2 电路硬件设计

2.1 驱动电路设计

驱动电路由IR2103s驱动芯片和半桥电路组成。IR2103s是高电压、高功率MOSFET和IGBT驱动芯片, 具有独立的高端和低端输出通道, 其高端电压可达600V, 驱动电路如图2所示。

电机的控制信号分别由PWMH1、PWML1, PWMH2、PWML2, PWMH2、PWML2连接STM32的PA8, PA9, PA10, PB12, PB14, PB15。

2.2 电源电路设计

电源电路包括主控芯片STM32处理器供电电源3.3V, 通信接口及霍尔元件检测电路供电电源5.5V, 和驱动电路供电电源12V, MOSEFET供电电源24V, 主要由TIP122达林顿晶体管和7805s稳压管和AMS1117稳压器把输入电压分别整流为12V, 5V和3.3V的电压分别供给驱动电路, STM32控制芯片和串口通信电路, 三端线性稳压芯片AMS1117内部还集成了过流保护和限流电路, 稳定输出3.3V的电压, 内部保护电路完善, 为模块稳定工作提供了保证。电路图如图3所示。

2.3 位置信号检测电路

位置信号检测电路主要由三个霍尔传感器构成, 检测电机的位置信息以及传输给STM32主控芯片, 用于控制电机的转速和换相, MOTORA, MOTORB, MOTORC连接电机, HALLA, HALLB, HALLC连接主控芯片PA5, PA6, PA7引脚, 当检测到输出信号发生上升沿和下降沿电平跳变时, 就为无刷直流电机换相时刻。

2.4 串口通信电路

通信电路采用的是MAX232单电源电平转换芯片, 用于驱动板与电脑连接通信, 采用了SWD仿真接口, 支持更少的引脚, 能使仿真器和目标板的连接更简单安全, 同时可以高速下载代码到FLASH中去。

3 软件设计

软件设计采用的STM32固件库, 相比直接控制寄存器, 可以大大降低了编写程序的时间和难度, 驱动器的功能实现是必不可少的部分, 主要包含了ADC采集、CAN通信等, 相关程序流程图如图4所示。

驱动器采用的脉宽调制 (PWM) 进行控制, 通过调节占空比控制电机的转速, 由于电压波动负载变化等会引起转速的改变, 所以设计中采用了PID算法来控制调节转速波动, 通过调节转速和电压双闭环系统调节。

4 结论

本文采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32作为调速系统的控制器, 完成了对无刷直流电机电子调速器的实现, 通过以IR2103为驱动芯片, 实现了对无刷直流电机的控制, 运用了STM32的固件库函数编写程序, 节省了工作时间, 取得了比较好的实验结果。

摘要：无刷直流电机因体积小, 转速高等特点因此应用十分广泛, 并且工业控制领域中, 直流电机作为执行元件得到了广泛的应用。设计基于STM32的直流电机驱动系统, 驱动系统集成了电机控制、电源、通讯、驱动电路, 驱动24V直流电机工作。

关键词：STM32,直流电机,驱动系统

参考文献

[1]戴敏, 曹杰, 史金飞.航模直流无刷无感电机调速控制系统设计, 测控技术, 2006, 25 (7) :30-33.

[2]王永虹, 徐炜, 郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践.北京航空航天大学出版社.2008:305-313

[3]商丽娜, 张荣标.基于ARM的无刷直流电动机网络控制研究.2007, 40 (7) :86-89.

《驱动电机及控制技术》教学大纲 篇2

一、授课对象

本课程适用于 汽车服务系新能源汽车制造与装配专业（中、高级）班 三年 制 二、课程学时

总学时 108课时，6课时/周，1学期授完。

三、课程的任务和目的

本课程是中等职业学校电子技术应用与维修专业教材，是一门机电类专业课程。其任务是：使学生掌握常用电动机的结构及其控制方法，培养学生对常用电动机的维护、保养与检修的技能和解决实际问题的能力；对学生进行职业意识培养和职业道德教育，提高学生的综合素质与职业能力，增强学生适应职业变化的能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。

本课程目的是：使学生能掌握电动类、制冷类日用电器中主要使用的三种电动机——单相异步电动机、直流电动机和单相串励电动机的结构、原理及应用，以及电动类、制冷空调类电器专用电动机的结构及其控制方法。熟悉对上述电动机进行维护、保养与检修。结合生产生活实际，培养学生对所学专业知识的兴趣和爱好，养成自主学习与探究学习的良好习惯，从而能够解决专业技术实际问题，养成良好的工作方法、工作作风和职业道德。

四、课程内容和要求

第一章：直流电动机 8课时 1．教学内容：

第一节：直流电动机的结构和分类

第二节：直流电动机的工作原理与运行特性 第三节：直流电动机的起动、反转和调速。

2．教学要求与建议：了解直流电动机的基本结构和分类，掌握直流电动机的基本工作原理，理解直流电动机的起动、反转、调速的原理和方法，初步了解直流电动机常见故障的检修方法。

第二章：单相异步电动机 10课时 1.教学内容：

第一节：异步电动机的结构和工作原理 第二节：单相异步电动机的分类 第三节：单相异步电动机的反转和调速

2．教学要求与建议：了解单相异步电动机的基本结构，掌握单相异步电动机的基本工作原理，理解异步电动机的分类和起动方式，了解单相异步电动机的反转、调速的原理和方法，初步了解单相异步电动机常见故障及其检修方法。第三章：单相串励电动机 12课时

1、教学内容

第一节：单相串励电动机的结构和运转原理 第二节：单相串励电动机的运行特性 第三节：单相串励电动机的反转和调速

2、教学要求与建议：理解单相串励电动机的基本结构和工作原理，了解单相串励电动机的主要特点和应用。

第四章：三相异步电动机 16课时 1．教学内容：

第一节：三相异步电动机的结构和工作原理 第二节：三相异步电动机的运行特性

第三节：三相异步电动机的反转、起动和调速 2．教学要求与建议：

了解三相异步电动机的基本结构，掌握三相异步电动机的基本工作原理和运行特性，理解三相异步电动机起动、反转与调速的原理和方法。

第五章：其他类型的电动机简介 10课时

1、教学内容：

第一节：单相同步电动机 第二节：步进电机

2、教学要求与建议：

了解其他类型的电动机（包括单相同步电动机、步进电机和直线电动机）的基本结构、原理和应用。

第六章：电风扇电动机及其控制 16课时

1、教学内容： 第一节：电风扇电动机 第二节：电风扇控制电路

2、教学要求与建议：

掌握电风扇的电控方式，各种常用电控器件的结构、原理和使用方法；能够阅读典型的电风扇电控线路图。

第七章：空调电动机及其控制 16课时

1、教学内容：

第一节：制冷压缩机电动机的结构与原理 第二节：空调控制电路

2、教学要求与建议 掌握空调的压缩机电动机的结构、工作原理及应用；掌握空调的基本控制方式，常用电控器件的结构、原理和使用方法，掌握其典型电控线路和读图方法。

第八章：各类电动机维修实训 20课时

1、教学内容：

实训一：电动机维修基础实训 实训二：直流电动机维修实训 实训三：单相异步电动机维修实训 实训四：电风扇电动机的检修

实训五：制冷压缩电动机及其控制电路的检修

2、教学要求与建议

掌握电动机维修常用工具和仪表的使用方法；掌握日用电器直流电动机的拆装方法和常见的检修方法；学会测定单相异步电动机的技术参数；掌握洗衣机电动机的拆装方法及常见故障的检修方法；掌握台扇、转页扇、吊扇的结构、电动机绕组展开图、电动机拆装、绕组重绕的方法及常见故障的检修方法；掌握电冰箱、空调器中制冷压缩机电动机的结构和常见故障的检修方法。

五、考核方式

煤层盾构机驱动电机设计 篇3

关键词：盾构机；电机；极数；扭矩限位器；自锁

中图分类号： TH11 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-186-2

0 引言

盾构机是一种通过刀盘旋转切割地下岩土层，自动铺设管片最终一次成形隧道的系统装置。其广泛应用于地铁隧道及其它工程隧道掘进中。盾构机刀盘主要由液压泵或变频电机提供驱动力。目前变频电机驱动相对于液压驱动凭借其成本低，安装及调速方便，高效率，大扭矩，绿色环保等优势已然成为为盾构机提供驱动力的主力军。

盾构机电机作为盾构机的核心部件起先都是由德国、瑞士等国家原装提供。该电机的研制将打破这一垄断，为盾构机电机的国产化奠定基础，该电机是专为掘进岩石的TBM盾构机系统量身定制。相对于其它同类电机其具有扭矩大、过载能力强、恒功范围宽、日常维护方便等优势。

1 电机参数及要求

额定功率：315kW

额定电压：690V

恒功范围：892r/min-2230 r/min

最大牵引力：6000N·m

使用工况：地下岩石掘进（TBM）

脱困扭矩：1.5倍起动扭矩

2 电气性能确定

2.1 磁负荷确定

该电机要求长时间运行在多粉尘、泥浆的恶劣环境下，因而电机防护等级要求IP55。电机散热主要靠机壳冷却，散热情况相对风冷结构较差。因而该电机较风冷电机应选用较低磁负荷，不超过1.5T。

2.2 电机极数确定

该电机应用于地下掘进，由于地下地质结构复杂，无法预知，随时可能发生电机过载或堵转情况。为了保护电机和盾构系统电机要求设置过载保护装置。保护装置通常由穿过空心转轴的扭矩轴来充当。这必将使得电机转轴径向尺寸

加大，即冲片内孔加大。在冲片外圆不变的情况下电机轭

部变窄。相对4极电机6极电机轭部较窄，为此电机采用6极。

3 电机机械结构确定

3.1 机座

该电机采用水冷机座，机座内筒与外筒之间由筋板形成“S”型水道，冷却水由入口流入在一定压力下由出口流出带走电机内部热量。

由于电机腔体内充满冷却水，当盾构机长时间停止运行时冷却水就会锈蚀电机腔体，特别是当盾构机在高寒地区作业时电机腔体内的冷却水会结冰膨胀，破坏电机腔体。为此必须在电机腔体上设置排水孔。当电机工作时将排水孔堵住，停转时将水排出。

3.2 扭矩轴

传统工矿电机保护装置采用扭矩轴离合器装置如图1，该结构是由三部分组成，转轴、扭矩轴以及空心轴和转轴连接（内花键）部件组成。当电机过载时盾构机刀盘就会减速或停止不转，这时电机在电磁场作用下仍然输出扭矩。这样扭矩轴两端就会形成一对反向的扭矩，当此扭矩增大到一定程度时扭矩轴就会在设计的危险截面（断裂槽）处断裂。断裂后电机转子就会和刀盘脱离，电机空转。从而实现电机的保护作用。

但是该保护装置有其固有的缺点。当扭矩轴断裂后需要重新更换扭矩轴。此扭矩轴材料为高强度合金钢40CrNiMoA，材料及加工成本较高。另外由于电机以端面定位固定，离合器安装时要从另外一端伸入，如果电机轴向长度过长扭矩轴与盾构机减速齿轮对中较为困难。为此该电机采用一种全新保护装置，即用SAFESET扭矩限位器（型号ST-KB 100/125/140）保护电机，如图2。扭矩限位器分为内圈和外圈，内圈与外圈通过扭矩销连接，当电机运行时电机转子以花键啮合的型式带动扭矩限位器外圈转动，外圈通过扭矩销连接带动内圈转动，内圈通过花键啮合的型式带动扭矩轴转动从而传递扭矩。当电机过载时扭矩销在承受的压力超过设定值后就会断裂，这时扭矩限位器外圈和内圈就会分离而打滑以实现电机保护。此结构较离合器装置更先进、更方便、过载时不需要更换扭矩轴，只需要更换扭矩销，维护成本大大降低。

3.3 接线盒确定

传统工矿电机接线盒通常是由若干个螺栓将接线盒盖板固定在接线盒上。当拆装或检查电缆时就要拆掉接线盒盖板上的螺栓。盾构机一般是在地下作业，周围环境昏暗复杂，当拆装接线盒盖板时螺栓经常掉落或者被遗漏。

如果螺栓掉落到盾构系统中将会对盾构系统造成不可预知的损害。为此该电机设计了接线盒螺栓自锁装置，如图3。当拆卸螺栓时，螺栓脱离接线盒时仍与接线盒盖板连接，解决了螺栓掉落事件的发生，杜绝了安全隐患。

4 结束语

该电机的研制满足了IP55等级电机温升低，降温效果好的要求。并优化了电机保护装置，解决了电机螺栓掉落的问题，保证了电机的可靠运行。

参 考 文 献

[1] 陈世坤.电机设计[M].机械工业出版社，2000.7.

[2] 黄国治，季杏法，彭友元.中小型电机设计手册[M].机械工业出版社，1994.7.

一种新型无刷直流电机驱动板的设计 篇4

鉴于目前常见的无刷直流电机驱动板仅限于电机驱动, 功能单一且安全性较低, 限制了无刷直流电机的研究与应用。文章根据无刷直流电机的驱动与回馈制动的工作特点, 设计了一种新型无刷直流电机驱动板, 其具有回馈过压保护电路和高精度电流检测电路, 特别适合大功率驱动、高精度控制的需求。

1 驱动板设计

根据无刷直流电机工作特点, 驱动板包括主逆变桥电路、驱动电路、过压保护电路、电流采样电路以及霍尔信号整形电路等部分。主逆变桥将直流转换为三相矩形波驱动电机运行;驱动电路用于驱动主逆变桥的功率开关元件, 兼有强弱电隔离功能;过压保护电路在电机回馈过电压时自动保护, 防止器件过压击穿;电流采样电路通过对线圈绕组电流的采样与放大, 提供精确的电流信号;霍尔信号整形电路将电机中霍尔传感器传来的霍尔信号进行整形, 提供给控制芯片。

1) 逆变桥电路。采用International Rectifier公司的IRF3205作为逆变桥开关器件。IRF3205采用先进的工艺制造技术, 具有极低的导通阻抗和极高的开关速率, 最大工作电流可达110A, 工作稳定可靠, 十分适合无刷直流电机的PWM控制。2) 驱动电路。IR2110是高耐压、高速的功率MOSFET驱动芯片, 驱动能力强, 内设欠压封锁, 而且其成本低, 易于调试。如图1所示:

图中:D1—外部引导二极管;C1、C2—外部导引电容, C1与C2的选取与频率有关, 如果频率很高, 电容值应变小, 但其能量必须能够使得它能够驱动后端的MOSFET, 因为在MOSFET管开通的过程实际是C1、C2分别放电的过程;C3、C4—滤波电容。

1.3 过压保护电路

无刷直流电机工作在回馈制动时会向电源侧反送电能。如果没有吸收再生能量的环节, 电容上电压将升高。回馈制动瞬间会产生很大的泵升电压, 其较大的易造成MOSFET和其他元件的击穿。为了防止电压超限造成器件损坏, 本驱动板特别为回馈制动模式设置了过压保护电路。如图2所示:

图中:C1—电解电容;C2—高频无感电容;C3—无感电容;Rw—过压保护电阻;电容C1作为储能电容用于吸收电机中线圈电感储存的能量;C2为高频无感电容, 可对直流电压进行钳位, 以抑制由于直流母线分布电感引起的器件两端的尖峰电压;TL27L2为高输入阻抗、低电流漂移、低功耗运放。R1、R2为分压电阻, 在为C3分压的同时, 当电源关断时给电容C1与C2提供一个放电回路。

当回馈制动电压超过预定值后, C3电压使得4N35光耦导通, 光耦的输出经R4、R5分压得到, 进入比较器正相输入端。由于电压超限, U3输出为高, S1导通, 尖峰电压通过Rw和S1放电, 电能以热量的形式消耗在Rw上, 从而实现对其他元件的保护。

1.4 电流采样电路

电流采样电路用来给控制电路提供精确的电机电流信号。本驱动板采用了线性光耦AD202作为电流检测电路的光电隔离元件。线性光耦不仅可以实现光电隔离, 而且兼具运放的功能, 特别适用于电机控制电路中信号的隔离放大。如图3所示, 串联在电源母线上的精密采样电阻R1在电机工作时会有电流流过, AD202对其上电压进行隔离和放大, 经过C1、C2滤波电容的滤波后, 可以得到平稳、准确的电压信号。假设无刷直流电机的工作电流为I, 则

1.5 霍尔信号整形电路

无刷直流电机分为有霍尔传感器无刷电机和无霍尔传感器无刷电机。霍尔传感器用来指示电机转子所在位置, 是电机控制和转速测算的主要依据。霍尔传感器在电机内部, 电机的电磁场会使霍尔传感器的输出波形受到干扰。为此, 驱动板装有74HC14施密特触发芯片, 以稳定霍尔传感器输出波形。如图4所示:

有霍尔传感器无刷直流电机的霍尔信号从IN侧输入, 经过74HC14整形、隔离, 由OUT侧输出, 供控制芯片采样。

2 结论

双电机辊道驱动机构 篇5

关键词：传输辊道,可靠性,驱动电机

0前言

中国原子能科学研究院实验工厂承接了某核电站的TES水泥固化线项目, 其中输送金属废物桶的传输辊道系统是主要设备之一, 辊道的主体为辊子、传动齿轮和机架以及驱动电机等, 由于水泥固化线使用的场合为放射性场所, 金属桶内承装的放射性废物含有很高的剂量, 如果设备在运行过程中发生故障, 工作人员难以进入操作, 因此要求设备必须具有较高的可靠性, 同时具有在线故障解决的能力, 考虑到传输辊道系统本身结构并不复杂, 最易发生故障的部位就是驱动电机, 因此我们在设计的过程中采取的最为重要的一个故障预防措施就是为每段辊道配置了两台驱动电机, 互为备用, 当主电机发生故障时, 可以远程切换为备用电机驱动, 可有效的提高设备运行可靠性。

1 结构方案

在实际的设计过程中, 由于空间尺寸的限制, 我们对辊道驱动系统采用了电机加电磁离合器加减速器的形式, 分别设置了主电机和备用电机两套驱动系统。正常情况下主电机电磁离合器吸合, 主电机运行, 通过电磁离合器和减速器带动辊道转动, 同时备用电机断电, 备用电机电磁离合器断开;当主电机运行发生故障时, 则可以通过远程控制断开主电机和主电机电磁离合器, 同时吸合备用电机电磁离合器, 备用电机通电后即可替代主电机驱动辊道运行, 结构图如下:

这种结构形式的优点是:结构简单, 控制便捷, 有成熟的标准产品 (如电机、减速器、电磁离合器等) 可以应用。

同时, 这种结构本身也存在一定的局限性:如所使用的为摩擦片式电磁离合器, 宜用于清洁场合, 长时间负载使用工况下, 产品运行有一定的发热、磨损, 摩擦片间隙需要进行一定的调整等, 此外, 如选用质量好的国外产品, 则成本较大。

鉴于上述原因, 我们在产品后续优化升级的阶段, 希望能找到一种更加安全、更加可靠的结构形式来替代以电磁离合器为主的电机切换结构, 达到更优的使用性能要求, 因此我们在这里也提出另外一种方案供大家探讨。我们通过调研发现, 市场上有一种叫做双向超越离合器的新型产品, 这一产品为单一机械结构, 具有传递扭矩大、换向可靠、使用寿命长等优点, 其应用特点是:

1) 主动轴转动时, 可以带动从动轴顺时或逆时针转动。

2) 主动轴不动时, 从动轴可双方向自由转动。

3) 主动轴带动从动轴转动时, 从动轴可以同方向超越。

可以通过在其基础上进行的一些结构和材料等改进, 如适当提高离合器摩擦部件的表面硬度和耐磨性, 增加可远程控制的电 (或气) 动推杆机构实现离合器的双向切换控制等, 使其与电机配合的使用, 可实现双电机的自由切换, 性能也更加可靠。

2 结束语

直线电机的驱动技术研究 篇6

随着现代科学技术和社会经济的飞速发展,冲压行业对设备的自动化程度及加工效率的要求也越来越高。然而,采用传统的压力机进出料设备,由于受自身结构的限制,在速度、加速度、快速定位精度等方面很难有突破性的提高。而采用直线电机直接驱动则有着天然的优势。直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置,具有启动推力大、动态响应快、定位精度高、速度与加速度大、行程长度不受限制等优点。但是,直线电动机直接驱动也存在一些缺点。

2 直线电动机的工作原理

直线电动机工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例:当初级绕组通入交流电源时,便在气隙中产生行波磁场,次级在行波磁场切割下,感应电动势产生电流,该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如初级固定,则次级在推力的作用下做直线运动;反之,则初级作直线运动。其他类型的直线电动机工作原理可由同类型旋转电机类推。

3 直线电动机的优点

直线电动机将电能直接转换成直线运动机械能,不需要任何中间转换机构的传动装置。具有启动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到执行部件之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式,带来原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

3.1 高速响应

由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

3.2 精度

直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,可大大提高机床的定位精度。

3.3 动态刚度高

由于“直接驱动”,避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

3.4 速度快、加减速过程短

由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进给速度(要求达150~210m/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现启动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g,而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。

3.5 启动推力大

目前直线电动机最大推力已达20kN,直线电动机可以多台并联或串联使用,从理论上讲,直线电动机不存在推力极限。

3.6 行程长度不受限制

在导轨上通过串联直线电动机的定件,可无限延长动件的行程长度。

3.7 运行噪声低、传动效率高

由于无中间传动环节,大幅度减少了机械摩擦,使运动噪声大大下降,而由摩擦、弹性变形所引起的能量损耗大大减少。

4 直线电机力学系统的计算与分析

4.1 直线电机的受力模型

根据直线电机的安装方式,结构设计可选择水平布局和垂直布局。水平布局直线电机进给系统的受力模型,如图1所示。

受力平衡方程为:

式中:F———直线电机要求的推力,N;

Fc———工件惯性力,N;

FR———摩擦力,N;

Fad———惯性力,N。

FR摩擦力取决于导轨的摩擦系数和移动部件的总质量及定子与动子间的垂直吸引力,用下式求出:

式中:M———移动部件的总质量,kg;

g———重力加速度:

Fat———定子与动子间的垂直吸引力,N;

μ———导轨的摩擦系数。

摩擦力FR、惯性力Fad仅在进给运动的加、减速期间产生:

式中:m——工件的总质量,kg;

a———进给运动的加速度,m/s2。

4.2 直线电机的推动力

水平布局结构形式的直线电机,其工作台的速度曲线如图2所示。ta、td为加、减速时间,tr为恒速运行时间,Vm为最大速度,Ml为滑动体及负载质量,M2为直线电机初级组质量,则最大加速度am和最大减速度dm分别为:

设M=Ml+M2,则有恒速运行时需要的保持力为:

最大加速力、最大减速力分别为:

直线电机在所要求的速度范围内的额定推力Fe必须满足:

式中:Fef———要求的平均有效推力,N;

KF———推力储备系数。

进给系统的均方根有效推力可用下式计算:

式中:FLi———在一个时间间隔内系统所要求的推力,N;

ti———时间间隔,s。

由于FLi值在不同的时间段内是不同的,某些情况下其值可能大于直线电机的额定推力Fe,这时直线电机将依靠其短时和瞬时过载能力,输出较大的推力与之抗衡。但这种超过额定推力Fe的负载的持续时间不能太长、数值不能太大,在设计时必须保证电机的安全。

4.3 直线电机的功率

在直线电机设计时,考虑到直线电机的长时间正常工作,其必须满足:

式中:P——负载功率,k W;

PX———许用功率,kW;

PE———额定功率,kW;

k———功率储备系数。

当直线电机工作条件为间歇运动时,可按如下公式计算:

式中:ω———每个运动周期中,运动所占的时间比例;

F———负载所需推力,N;

Tm———电机常数。

5 研究的基本内容及解决的主要问题

5.1 直线电机的隔磁防屑

机械压力机不象其他金属切削机床会有切屑、冷却液等杂质产生。所以直线电机用于压力机接料手驱动,具有防屑、防冷却液等杂质的天然优势,无需对直线电机采用全封闭的防屑,只需定期检查吹扫即可。

直线电机是依靠相互的磁力提供工作动力的,所以在直线电机工作时会产生很强的磁场对周围的环境造成影响,对于压力机接料手执行部分和固定台如果同时被直线电机磁化就会产生相互的磁力干扰,给接料手的正常工作增加额外的机械阻力,严重时会影响直线电机性能的发挥。

结合直线电机工作的强磁场和大引力的特点,接料手设计时考虑有效的隔磁、防护措施,在必要的地方设置醒目的警示标志(如:带有心脏起博器的病人禁止靠近等)。直线电机安装基体采用不受电磁吸力作用的高强度合成材料。

5.2 移动部件的轻化结构研究

压力机接料手目的是将压力机成形的工件由压力机内部接出。对于接料手来说配合压力机完成接料的动作速度是第一位的。所以从直线电机力学系统的计算与分析可以知道对于一定功率的直线电机来说接料手执行部分重量及其运动阻力是提高接料手速度及直线电机效率的关键。

(1)减少运动阻力

直线电机及导轨的安装基体利用数控加工,严格控制加工及热处理工艺,保证安装尺寸精度;移动部件导向采用进口的高速重载直线导轨,严格控制导轨的装配工艺及安装精度。

(2)减轻执行部分的重量

运动部件采用轻质高强度复合材料,保证强度的前提下最大限度减轻执行机构的重量。

5.3 直线电机的冷却

直线电机本身由于结构简单,其散热效果还是比较好的。但是,当直线电机用于机床接料手时,由于要兼顾运动部件的重量使其尽可能的小,直线电机的安装空间比较紧凑,位于机床导轨附近,如温度得不到很好的控制将严重引起机床导轨热变形,增大运动的机械阻力。所以机床进给系统采用直线电机驱动后,需采取冷却措施。

在确定冷却器预处理温度时,有两个物理量十分重要:电机功率密度和凝露损害。

为了尽可能获得较高的电机功率密度和避免因凝露造成的对电机的损害,需要对冷却器预处理温度进行精密控制。冷却回路的预处理温度最多只能低于周围空气3K。在空气湿度较高的地区使用时,预处理温度甚至要高于周围空气的温度。因此,电机的冷却系统应采用以环境温度为主参数的随动温度控制系统,使电机维持在平均较低的温度,从而延长电机使用寿命并提高功率密度。

5.4 移动部件的防撞击措施

由于直线电机接料手在往复运动中速度和加速度大,直线电机本身又不带断电自锁功能,一旦失控将会非常危险,在设计上必须采取必要的安全措施。直线电机的运动位置是靠光栅尺反馈给系统来控制的,系统程序上设置超行程保护,行程的两端点设置行程开关控制,进行硬超程保护,同时机械上设置死挡块,实现电气、机械双重保护。为了防止运动部件与死挡块硬性碰撞而损坏零部件或电机,在死档块上设置缓冲装置。

5.5 伺服控制

直线电机进给系统虽然消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、摩擦等因素对系统精度的影响,但由于直线电机的初、次级通常是与机床工作台、床身联在一起的,工作台等移动部件必然包含在闭环系统之内,也就是说直线电机传动控制只能采用全闭环控制,这就使得各种干扰不经过任何中间环节的衰减而直接传到直线电机上,加大了伺服控制的难度。而对于旋转电机传动通常是采用半闭环控制来隔离这些干扰,即使采用全闭环控制,由于滚珠丝杆等弹性中间环节能吸收和抑制这些干扰,因而其伺服控制的难度相对较小。因此,对于直线电机伺服进给系统来讲,必须采用比旋转电机传动时更为有效的控制技术。直线电机伺服进给系统这种机械上的简化,导致了控制难度的加大。为了更好地解决直线电机的控制问题,研究工作基本上可以分为两个方面:一是采用矢量控制技术、变频调速器、PID控制器等已有成熟的控制技术;二是研究适用于直线电机的控制理论和控制技术。

6 研究成果

成功的将直线电机驱动的接料手应用于自动化冲压生产线并完成了样机试制。申请了一项发明专利并获受理。

摘要：介绍了直线电机的原理、优点、力学系统的计算与分析,对在压力机接料手上应用要解决的关键技术问题进行了研究和分析。

关键词：机械制造,性能特点,直线电机,机械压力机

参考文献

[1]王建萍,浅谈直线电机的发展与应用,中国电梯,2008,19(18).

[2]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社.2000.

[3]中国机床工具工业协会1994年赴美、日考察工作组.直线伺服电机传动和高速加工.制造技术与机床,1995,(9):45-48.

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直线超声电机驱动实验研究 篇7

1 系统方案设计

1.1 直线超声电机所需的驱动信号

实验使用的直线超声电机是A、B相驻波型超声电机, 其谐振频率约为33k Hz, 两相信号频率相同、相位差90°、峰-峰值为100~200V。由于电机导轨及其他配件加工特性, 两相驱动信号的频率、相位差、幅度均要可调节。

1.2 系统方案确定方案

选用综合性PLD/FPGA开发软件Quartus II为平台, 采用Verilog HDL输入。组成框图如图1, 该电机驱动系统以FPGA为核心, 由PC控制、UART接收、数据存储及DDS实现、DAC转换、低通滤波和放大等部分组成。计算机输入控制参数, 经UART转换后送入FPGA, 利用DDS产生两列有相位差、幅度差但频率一致的正弦波, 经DAC转换、放大滤波得到驱动信号。

2 硬件设计

2.1 总体设计

FPGA使用的是Altera的Cyclone IV系列芯片, 输入包括时钟和来自PC的控制字输入, 采用60MHz时钟、串口通信。所使用的模块[4]包括:UART模块、Rec模块、adder模块、Rom模块、PLL模块、 (硬件) 逻辑运算模块和数字运算模块。分别实现串口通信、Rom的正弦数据录入、频率相位累加、正弦波存储、时钟输出、逻辑数学运算。DAC接收信号为14位。

2.2 两相输出的DDS设计

DDS的工作原理, 如图1, 是根据输入基准时钟频率和输出信号频率, 计算出频率控制字K。加法器自加1运算, 将结果与K比较, 若相等则寄存器自加1, 将结果与相位控制字Pw相加作为波形查找表地址。波形查找表是一个相位/幅度转换ROM, 内部存储一个完整周期波形的相位/幅度值。相位寄存器寻址一次, 波形查找表输出与相位对应的幅度值。相位累加器自累加, 当累加器产生一次溢出时, 就生成一个周期的DDS合成信号。如图1, B相作为基准, 调节A相即得到相位差[-π, π]两相信号。两列波幅度控制采用直接由查表结果乘以A1、A2系数得到。

2.3 DAC电路

DAC芯片使用的是AD9852DAC芯片实现, DAC时钟频率为30Mhz, 由FPGA锁相环PLL提供。该DAC参考电压引脚均接地。

3 软件实现

3.1 PC端软件设计

PC采用串口通信工具实现对FPGA控制字输入, 控制字由4字节构成包含两相信号幅度、频率、相位差、状态信息。具体流程如图2所示。设计A、B相信号为10Khz~100Khz两列正弦波, 每周期采样256次, 对应周期正弦波分256等分, 相位精度约为1.40度, 计算可知DAC最高采样率大于30MSPS即可。

3.2 FPGA软件设计

FPGA相当于4输入查找表RAM。该系统模块化设计完成后, Quartus II软件完成对设计文件编译、优化、综合、布局布线和仿真。然后对FPGA芯片编程:将各种电路 (逻辑单元) 组成具有与设计功能相同的模块模并集成于FPGA中实现设计。PC通过指令选择进入不同的模式:竖直向上运行、竖直向下运行、停止运行自锁。在不同模式下分别执行相应的子程序, 最后向FPGA写入相应的控制字。FPGA接收后识别到有效控制字时, 按照参数输出两列正弦波。

3.3 实验结果

将波形生成工具设置生成256位无符号 (DAC芯片使用要求) 正弦波形保存, 完成对ROM的配置, 将波形相位差设为-90°和90°, 完成时序约束检查后生成仿真波形结果如图2 (右) 所示。实验结果表明能对实验直线超声电机实现既定规律运动控制。

4 结语

本文通过FPGA控制的直线超声电机应用于特定轨迹竖直方向运动控制, 综合运用了PC、FPGA、ADC、Quartus II等资源, 利用了软件平台参数化模块库 (LPM) 、仿真编译等功能及ROM和PLL等模块。实现了在Quartus上正确的逻辑输出, 通过Matlab得到了仿真波形信号输出, 实现了直线超声电机有效控制。将直线超声电机运用于竖直方向特定轨迹控制, 是对落体控制方式的创新, 也对直线超声电机的驱动力、速度等性能提出了新要求, 有较大的应用意义。

摘要：在工程实践中往往利用匀速旋转动力源实现往复直线运动, 为了实现机构小型化, 减少震动和精确控制, 提出用直线超声电机按一定规律控制物体实现直线运动, 提出PC+FPGA方式控制直线超声电机, PC给出控制信号, FPGA给出数字信号。对数字信号进行DAC转换后低通滤波和放大, 得到驱动电机的信号。

关键词：直线运动控制,直线超声电机,FPGA

参考文献

[1]邢亮, 沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析[J].舰船电子工程, 2009 (9) :193-197.

[2]时运来.新型执行超声电机的研究及其在运动平台中的应用[D].南京航空航天大学, 2011.

[3]谭冠龙, 基于DDS的超声电机驱动电源的研制[D].电子科技大学, 2011.

PWM电机驱动系统的谐波抑制 篇8

1 谐波分析

在PWM变频调速系统中PWM逆变器是该调速系统的核心硬件[3]。PWM逆变器中在功率晶体管导通和关断瞬间会产生陡上升沿或下降沿的脉冲电压,按时域的观点分析,脉冲电压的电压上升率(dv/dt)很高,容易破坏电机绕组间的绝缘。按照频域的观点分析,高次谐波在电缆中是以波的形式传播的,随着电缆长度的增加,在电机接线端子上将产生高频振荡的过电压,引起电机局部放电现象[4]。所以,治理谐波的关键就是滤除PWM逆变器所产生的高次谐波。

为确定谐波的分布规律,本文通过对电压型PWM逆变电路作大量的仿真分析,总结出谐波的分布规律,谐波分量集中分布在以载波频率的整数倍为中心的周围,且载波频率越高,电流波形的平滑性越好,高次谐波含量也越少。但过高的载波频率使逆变器的开关损耗也随之增加,不利于功率模块安全、可靠、长期的运行。文中的仿真模型中PWM逆变器的负载为无刷直流电机,将等效载波频率设置为3 k Hz,则每个元器件的开关频率就为500 Hz。所以,应在逆变器的输出端加装设计合理的低通滤波器过滤高次谐波。

2 低通滤波器的设计

RLC滤波器是是目前最常用滤波方式,与有源滤波器相比,RLC滤波器具有结构简单、易于安装维护等优点,且目前针对PWM逆变器输出谐波的抑制方法较少,使用有源滤波器作为其输出滤波器的技术仍不成熟,所以文中采用无源滤波的方式滤除高次谐波,通过对RLC滤波器参数的合理设置,将其作为PWM逆变器的输出滤波器[5]。

为简化分析过程,文中不考虑电缆参数对调速系统的影响。简化后的系统模型如图1所示,在逆变器的输出端加装了RLC无源滤波器,滤波器中电阻可限制上电瞬间电容的充电电流,防止电容器被击穿,同时还起到阻尼作用,抑制谐振的产生;电感抑制了逆变器输出的高次谐波的通过;电容则为逆变器输出的高次谐波提供了旁路,电感和电容共同作用减小了逆变器输出端脉冲电压上升率(dv/dt)的同时也降低了电动机端子的过电压[6]。为方便计算RLC滤波器参数,建立该系统模型的等效电路图如图2所示。逆变器的谐振频率和电动机端的谐振频率为

为保证基波电压和基波电流能顺利通过应使f>f1,为保证在载波频率fc附近的滤波效果同时为避免发生谐振应使f<0.5fc[7]。从逆变器输出端看总的输入阻抗Zin为

其中,Zrc=1/jw C+R是滤波器电容和电阻支路的阻抗;Z0为电动机等效电感和电阻的总阻抗进而可求得各H参数的表达式

其中,是未加装RLC滤波器时逆变器输出电流;加装滤波器前后电流之比H11反映了滤波器对电流谐波的过滤性能,电动机端电压与逆变器输出端电压之比H21反映了滤波器对电压谐波的过滤性能,通过滤波器电阻和电容的电流与逆变器输出端电压之比Hp则反映了滤波器在某一特定频率谐波的有功损耗。H参数可反映滤波器对谐波的过滤效果,为使各参数的变化规律更加直观可将式(3)~(6)适当化简后可得

文中RLC低通滤波器的滤波效果集中体现在能否滤除在载波频率附近的高次谐波,在载波频率附近时,将式(7)~(10)进一步化简可得

由式(11)可知,随着频率w的增大,|Z|增大,|H21|、|Hp|减小,|H11|不变,说明高频电压已经被成功滤除,但是高频电流却被放大了L0/L倍,而针对某一特定频率谐波的有功损耗则与R/L2成正比,经过RLC低通滤波器过滤后虽电压谐波分量被滤除,但电流谐波分量却增加了,所以应对RLC滤波器进一步优化。

RLC滤波器的主要作用是延长脉冲电压的上升时间,为进优化滤波器的滤波效果,应进一步延长上升时间,使dv/dt进一步减小,优化逆变器输出波形,理论上增大滤波器电感的值,可改善输出电流波形,减小高频电流谐波含量,同时电感值的增大还可降低谐波的有功损耗,但在电机驱动系统中作为PWM逆变器的输出滤波器必须考虑谐振、功率因数和基波压降等问题,同时还应考虑电动机端的过电压最大超调量对脉冲电压上升时间的影响[8]。为使文中仿真模型的物理意义更加明晰,同时也进一步修正RLC滤波器各元器件参数,使滤波器的优化改良成为可能,在综合考虑各方面因素和仿真数据的基础上得出以结论

滤波器电阻和电容为高频谐波提供了旁路,并与负载构成并联关系,所以电阻的阻值应尽量小,以防止大量高频谐波通过负载[9]。

在滤波器的设计中容量小的电容过滤高频谐波的效果更好,而电感的取值也不宜过大,因电感的储能会影响电机的制动和调速性能,所以应在保证滤波效果和截止频率的基础上,使电容和电感的值尽量小。

3 仿真分析

为验证所设计滤波器的合理性,文中搭建了PWM电机驱动系统仿真模型如图3所示,仿真参数具体设置为:载波频率fc=3 k Hz,电动机定子每相绕组的电阻电感R0=3.57Ω,L0=0.008 35 H,极对数p=2,转动惯量J=0.007 kg·m2,直流母线电压300 V,仿真时间设置为0.4 s,电动机的启动负载设置为0.5 N·m,负载在0.1 s时变为2 N·m,将启动转速设定为1 500 r/min,在0.2 s时,将转速在变化为1 700 r/min。

该系统采用转速、电流双闭环控制方式,使电机获得更高的动态性能,该驱动系统的主电路由直流电源、PWM逆变器、无源滤波器、永磁同步电机,控制系统主要由转速给定模块、转速调节模块、电流调节模块组成[10]。

作为PWM逆变器输出端滤波器的RLC低通滤波器模块由无源器件电阻、电感、电容组成,根据式(12)~式(14)计算得到滤波器的参数:R=200 mΩ,C=30μF,L=500μH。

图4(a)为无滤波器时电机端电压仿真波形,可见在功率晶体管导通和关断瞬间出现了脉冲电压,会使电动机端出现过电压现象;图4(b)为有滤波器后电机端电压传真波形,可见高次谐波经过RLC低通滤波器后被成功滤除,电压超调量被有效降低,电压波形也趋于平整。

图5(a)为无滤波器时无刷直流电机三相定子a相电流,因为采用PWM脉宽调制策略,所以在功率晶体管导通期间会有电流脉动,电流脉动可能导致电动机振动、过热、转距脉动等异常情况的发生;图5(b)为有RLC滤波器时三相定子a相电流,可见由于RLC低通滤波器的过滤作用使电机端的高次谐波含量明显降低,电流脉动现象得到了良好的抑制。

4 结束语

本文针对用于电机驱动系统的PWM逆变器输出端高次谐波的问题,设计了一种结构简单、安装方便的RLC低通滤波器。通过对高次谐波分布特点的分析合理设置了滤波器各元件参数,仿真实验结果说明文中所设计滤波对高次电压谐波和电流谐波能起到良好的抑制作用。

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[9]杨莉莎,陈坚.电力变换和控制技术导论[J].通信电源技术,2000(4):1-6.

电动汽车用驱动电机技术分析 篇9

随着经济技术的不断发展, 汽车产业已成为我国的重要支柱产业之一, 汽车产业的迅速发展给我国带来了巨大的环境压力和能源危机。而电动汽车可以车载电源为动力, 相对于传统汽车而言, 电动汽车的出现缓解了中国石油短缺、降低环境污染, 是未来汽车行业发展的必然趋势。

驱动电机是电动汽车驱动系统的动力元件, 是影响电动汽车性能的重要部件, 目前, 电动汽车中常用的驱动电机类型有:感应电机 (例如专利GB8026890A) 、永磁同步电机 (例如专利JP13942886A) 、永磁无刷直流电机 (例如专利GB4529466A) 和磁阻电机 (例如专利JP14291982A) 。

二、电动汽车用驱动电机技术

克莱斯勒公司生产的Epic Van、福特公司生产的Ranger EV、通用汽车公司生产的IMPACT和EVI电动汽车以及中国生产的SL6700DD电动客车和ZK6820HG-1电动轻型客车等均采用感应电机作为驱动电机, 采用感应电机的优点在于感应电机转子结构简单, 成本低、可靠性好、调速范围宽、控制器和制造技术成熟、扭矩波动小、噪声小, 缺点在于电机体积大、效率低、功率因数低。

丰田的Prius以及比亚迪E6先行者等均采用永磁同步电机或永磁无刷直流电机作为驱动电机, 采用永磁同步电机或永磁无刷直流电机的优点在于永磁体积小、重量轻、功率密度大、输出转矩大, 精度高、效率高、噪声小、维护简单, 缺点在于永磁电机控制复杂, 永磁体存在退磁问题, 造价也较高。

开关磁阻电机结构控制简单、出力大, 可靠性高, 成本低, 起动制动性能好, 运行效率高, 但存在噪声高, 转矩脉动严重, 非线性严重, 控制技术需进一步完善的缺点, 因此其实际应用受到了限制。

三、专利申请状况分析

为充分掌握电动汽车用驱动电机技术的整体情况, 下文将基于全球专利状况和中国专利状况两个层面对电动汽车用驱动电机技术进行研究和分析, 截止至2014年11月, 针对电动汽车用驱动电机技术, 在德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库数据库中共检索到6831项全球专利, 在中文专利摘要数据库中共检索到3048项中国专利。

1 全球专利状况分析

从电动汽车用驱动电机技术全球专利申请量来看, 该项技术的专利申请始于1971年, 但早期专利申请量极少, 1990年后申请量开始增加但增加量不大, 2003年之后申请量相比前阶段出现了量的飞跃, 进入了电动汽车用驱动电机技术的快速增长期。

从电动汽车用驱动电机技术全球专利区域分布和申请人来看, 该项技术的专利申请主要集中在中国、日本、美国、德国和韩国等国家, 日本的本田、日立、日产、丰田、三菱电机、松下, 欧美的福特、通用、博世, 韩国的现代等公司是电动汽车用驱动电机技术的主要申请人, 中国在电动汽车用驱动电机技术方面的专利申请量较大, 但是申请人比较分散, 这充分说明我国对电动汽车用驱动电机技术的研究还不够深入, 需要进一步深入。

根据驱动电机的类型, 将电动汽车用驱动电机技术划分为三个技术分支:感应电机、永磁无刷直流和永磁同步电机以及磁阻电机, 从电动汽车用驱动电机技术全球专利技术分支看, 永磁无刷直流电机和永磁同步电机是申请的主体, 占总申请量的54%, 感应电机的研究起步较早, 申请量占28%, 而磁阻电机的申请量最少, 仅占18%, 可见, 永磁无刷直流电机和永磁同步电机是目前研究的热点, 且对该类电机的研究主要集中在日立、日产、本田、丰田等日本公司。

2 中国专利状况分析

从电动汽车用驱动电机技术中专利申请量来看, 1993年开始出现该项技术的专利申请, 此后, 国内申请量迅速增长, 并于2011年左右达到峰值, 国内该项技术的申请量自1998年前后超过了国外来华的申请量, 但是国内申请的类型主要是实用新型, 总量占62%, 而国外来华申请则恰恰相反, 其中98%都是发明专利申请, 由此可以看出, 国内在电动汽车用驱动电机技术专利的实际保护意义和保护年限上与国外来华申请有较大差距。

从电动汽车用驱动电机技术中国专利区域分布和申请人来看, 该项技术的专利申请主要集中在浙江、江苏和广东等沿海地区, 主要申请人包括高校和企业, 比如哈尔滨工业大学、东南大学、裕成富通、永济新时速和中科深江等, 另外, 国外申请人也十分注重中国市场, 比如日本的NTN、本田、三洋等公司。

从电动汽车用驱动电机技术中国专利技术分支看, 永磁无刷直流电机和永磁同步电机的申请量占到了总申请量的67.02%, 感应电机和磁阻电机分别占了21.34%和11.64%, 永磁无刷直流电机和永磁同步电机的申请量大于感应电机和磁阻电机申请量的总和, 是电动汽车用驱动电机技术研究的热点, 我国对该类电机的研究主要集中在东南大学、哈尔滨工业大学等高校以及裕成富通、永济新时速和中科深江等公司。

结语

本文主要以中文专利摘要数据库、德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库数据库收录的专利为样本, 通过对电动汽车用驱动电机技术的专利申请量、申请人、区域分布以及技术分支等分析可知, 磁阻电机的噪声、转矩脉动、非线性以及控制技术是未来电动汽车用驱动电机技术研究一个重要方向, 永磁无刷直流电机和永磁同步电机是目前电动汽车用驱动电机技术研究的热点和重点。

摘要：驱动电机是电动汽车驱动系统的动力元件, 直接影响电动汽车的最高时速、加速和爬坡性能等, 因此电动汽车中驱动电机的选型是至关重要的, 本文主要以中文专利摘要数据库、德温特世界专利索引数据库和世界专利文摘库的检索结果为分析样本, 对电动汽车用驱动电机技术进行分析。

关键词：电动汽车,驱动电机,专利

参考文献

[1]陈清泉, 等.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2004.