fpga在直流電機調速中的應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 包括主磁極、換向磁極、機座、電刷裝置、端蓋等。轉子的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現機電能量的轉換，通常也稱做電樞。它主要包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器、轉軸、風扇等。其原理圖如 圖 +ABabcdNS 圖 直流電機原理圖 定子部分 定子部分包括機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。 機座 FPGA在直流電機調速中的應用 9 機座有兩個作用，一是作為電機磁路系統中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。因此要求機座有好的導磁性能及足夠的機械強度和剛座，機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。 主磁極 在大多數直流電機中，主磁極是電磁鐵，如圖 的 N、 S 就是主磁極，主磁極鐵芯用 1～ ，整個磁級用螺釘固定在機座上。 主磁極的作用是在定轉子之間的氣隙中建立磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下感應電動勢和產生電磁轉矩。 換向極 換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁 極 N、 S之間，由鐵心和繞組構成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯。 電刷裝置 在圖 中， A、 B 表示電刷。它的作用是把轉動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。 轉子部分 直流電機的轉子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇、軸和軸承等。 電樞鐵芯 電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉時電樞鐵芯中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用 漆的硅鋼片疊加而成。 電樞繞組 電樞繞組是由許多按一定規律連接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應電動勢，從而實現機電能量轉換的關鍵部件。線圈用包有絕緣的導線廣東技術師范學校天河學院本科畢業論文（設計） 10 繞制而成，嵌放在電樞槽中。每個線圈（也稱元件）有兩個出線端，分別接到換向器的兩個換向片上。所有線圈按一定規律連接成一閉合回路。 換向器 換向器也是直流電機的重要部件。在直流電動機中，它將電刷上的直流電流轉換成繞組內的交流電流；在直流發電機中，它將繞組內的交流電動勢轉換成電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片數與 線圈元件數相同。 直流電機的工作原理 直流電機的工作原理建立在電磁力和電磁感應的基礎上，把電刷 A、 B 接到一直流電源上，電刷 A 接到電源正極，電刷 B 接電源的負極，此時在線圈 abcd 中將有電流流過。 在 N極范圍內的導體 ab中的電流是從 a 流向 b，在 S極范圍內的導體 cd中的電流是從 c 流向 d。 因為 載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，因此， ab 和 cd 兩導體都要受到電磁力 F的作用。根據磁場方向和導體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而 cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電 流，所以， ab 邊和 cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉動了。當線圈轉到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續轉動。線圈轉過半 周 之后，雖然 ab 與cd的位置調換了， ab 邊轉到 S極范圍內， cd 邊轉到 N極范圍內，但是，由于換向片和電刷的作用，轉到 N 極下的 cd邊中電流方向也變了，是從 d流向 c，在 S極下的 ab邊中的電流則是從 b流向 a。因此，電磁力 Fdc 的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉動。可見，分別處在 N、 S 極范圍內的導體中的電流 方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉了 ，這就是直流電機的工作原理。 直流電機主要技術參數 為了使電機安全可靠地工作，且保持優良的運行性能，電機廠家根據國家標準及電機的設計數據，對每臺電機在運行中的電壓，電流，功率，轉速等規定了保證值，這些保證值就是直流電機的主要技術參數， 直流電機的主要 技術參數 有： FPGA在直流電機調速中的應用 11 直流電機的轉速，是指電機實際轉動的速度 n； n =（ UaIR） /CeΦ （ ） 式 Ua為電樞電動勢 ， Ce為電動勢常數， Φ 是磁通量。 額定功率 （容量） PN，是指電刷輸出的電功率，單位為 kW； PN=UNIN （ ） 式 ， 額定電壓 UN， 指額定狀態下電樞出線端的電壓， 單位為 V； 額定電流 IN，指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值， 單位為 A； 額定轉速 η N， 指額定狀態下運行時轉子的轉速， 單位為 r/min； η N =PN/UNIN （ ） 實際中 ，直流 PWMM調速系統近年來發展很快，直流 PWMM調速系統采用全控型電力電子器件 ，調制頻率高，與晶閘管直流調速系統相比動態響應速度快，電動機轉矩平穩脈動小，有很大的優越性，因此在小功率調速系統和伺服系統中的應用越來越廣泛。 本系統主要介紹雙極式 直流 PWMM可逆調速系統。它在原來直流 PWMM的系統的基礎上增加了轉速調節器 ASR 和電流調節器 ACR， ASR 和 ACR都采用帶輸出限幅的 PI調節器。調節器參 數取值見表 。仿真模型 如圖 所示 表 直流 PWM可逆系統調節器參數 參數 ASR ACR 放大倍數 PK ?PnK ?PIK 積分時間常數 IK ?nK ?IK 調節器輸出限幅 10? ? 轉速反饋數 ? ?Alpha 電流反饋系數 ? ?Beta 廣東技術師范學校天河學院本科畢業論文（設計） 12 圖 直流 PWMM可逆調速系統仿真模型 仿真結果如圖 所示，從圖中可以看到系統從正轉起動至反轉運行過程中，轉速（見圖 ） 和電樞電流 （見圖 ） 對轉速給定 ?nU 的響應波形。在仿真中取電流過載倍數 3?? ，因此電動機的正轉起動 和制動、反轉起動過程中始終保持著最大電流12A左右。在正反轉轉速達到額定值 2400r/min 后，電流下降 4A左右。圖 調 節輸出，即電流的給定信號 ?Ui ，圖 Uct。 圖 電動機轉速 圖 電動機電樞電流 FPGA在直流電機調速中的應用 13 圖 電流給定 圖 電流調節器輸出 圖 直流 PWM可逆系統仿真結果 硬件電路設計 整流穩壓電路 圖 整流穩壓電路 整流穩壓電路 （如圖 ） 是由二極管、電容、電阻和集成穩壓器等電子元器件構成。 二極管是一個由 P 型半導體和 N 型半導體形成的 PN 結，在其交界面兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當一存在外加電壓時，由于 PN 結兩邊載流子濃度差產生擴散電流和自建電場所引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置廣東技術師范學校天河學院本科畢業論文（設計） 14 時，外界電場和自建電場的互相抑制作用使載流子的擴散電流增大引起正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流。當外加的反向電壓 調到一定程度時， PN 結空間電荷層中的電場強度達到臨界值而產生載流子的倍增過程，進而產生大量電子空對，由此產生了數值很大的反向擊穿電流。二極管最重要的特性就是單向導電性，在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。 電容 是表現 電容器 容納 電荷 本領的 物理 量 ，是一種無源元件。應用于電源電路，實現旁路、去耦、濾波和儲能作用。應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩、同步及時間常數的作用。本電路主要介紹電容的濾波作用，從理論上說，電容越大，阻抗越小 ，通過的頻率也越高。但實際上超過 1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所經頻率高了反而阻抗會增大。有時會看到電容量較大的電解電容并聯了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。電容濾波實際上就是電容的充電和放電過程。 集成穩壓器一般有三個端子：輸入端、輸出端和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負載，公共端接輸入、輸出的公共連接點。其內部由采、基準、放大、調整和保護等電路組成。保護電路具有過流、過熱及短路保護功能。 整流 穩壓電路的主要功能是：輸入 220V 的交流電通過變壓器變壓得到 12V 的交流電， 12V的交流電通過四個整流二極管構成橋式整流電路，輸出 12V 的直流電，但此時的直流還是含有交流成份，通過大電容濾波和小電容改善電壓波紋得到較好的 12V直流電供給電機和驅動芯片 L298N 使用， 12V 直流電通過 7805 穩壓器穩壓和電容濾波得到5V的直流電供給驅動芯片 L298N的控制電壓 Vss， 5V直流電再通過穩壓器 穩壓得到 。 起振電路 起振電路（如圖 ）主要由 晶 體振蕩器 組成 ，簡稱晶振。在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近，在這個極窄的頻率范圍內，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯上合適的電容它就會組成并聯諧振電路。這個并聯FPGA在直流電機調速中的應用 15 諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重 要的參數，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。 圖 起振電路 主控芯片 系統里都有晶振， 系統里晶振作用非常大，它的全稱叫晶體振蕩器，它結合主控芯片 內部電路產生所需的時鐘頻率，晶振時鐘頻率越高， 其 運行的速度就越快，比如 ， 12M 晶振，其 工作速度就是每秒 12M。和電腦的 CPU 概念一樣。 主控芯片 的一切指令的執行都是建立在晶振提供的時鐘 頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十， 高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻 率，稱為壓控振蕩器。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。 因此 晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保同步，有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調速頻率的方法保持同步。 復位電路 復位電路 （如圖 ） 主要有一個按鍵開關和一個電阻構成。在上電或復位過程中，控制 CPU的復位狀態：這段時間內讓 CPU 保持復位狀態，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止 CPU 發出錯誤的指令、執行錯誤操作，也可以提高電磁兼容 性能。無論用戶使用哪種類型的主控芯片 ,總要涉及到復位電路的設計。而復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統工作的可靠性。本設計主要通過手動按鈕復位，把電平給拉低。當系統出現“死機”、“程序跑飛”或“卡住”等等，按下復位按鈕可以使系統重新開始，廣東技術師范學校天河學院本科畢業論文（設計） 16 回到最初的運行的狀態。 圖 復位電路 鍵盤電路 圖 鍵盤電路 本設計系統的命令輸入模塊是鍵盤電路 （如圖 ） 和時鐘電路，通過以按鍵的方式向 FPGA 控制系統表達人的命令來實現直流電機的 啟動、 正轉、反轉、停止和加減速，實現人機互換。 SW1是 電機的開啟鍵或停止鍵，就是當 SW1鍵一開始按下，直流電機就 開始啟動工作，再按一次 SW1鍵，直流電機就停止 運行 。 SW2鍵和 SW3鍵分別是直流電機正轉鍵和反轉鍵。 SW4鍵和 SW5鍵分別是直流電機的加速鍵和減速鍵。例如，當直流電機正在工作時，當按下時 SW4鍵時，直流電機的轉速將會增加一點，每按一次SW4加速鍵，直流電機的轉速都會增加一點，直到轉速達到最大為止。同理，在直流電FPGA在直流電機調速中的應用 17 機工作時，每按一次 SW5減速鍵，直流電機的轉速都會減少點，一直到轉速減到零為止。 在鍵盤電路設計中，需要解決按鍵抖動的問題。 多數鍵盤的按鍵均采 用機械彈性開關，一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動。 為了排除抖動的影響， 在按鍵和輸出端并上一個電阻并把電拉高。 直流電機驅動電路 設計的驅動電路 （如圖 ） 可以驅動兩個直流電機的，由于本設計只用一個直流電機，所以就畫了一組。通過程序來控