《基于PCI运动卡的电机控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PCI运动卡的电机控制系统设计（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.中文摘要直流无刷电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。直流无刷电动机由于无换向器和电刷组成的机械接触结构,大大降低了电机运行中的机械摩擦、噪声,提高了电机的使用寿命和运行稳定性。正是因为以上优点,直流无刷电机在航空航天、工业、船舶、和民用等领域被广泛应用。但是直流无刷电机在控制过程中依旧有很多难题,如位置传感器的安装精度、电机参数的改变等,从而使得电机的稳定性能降低。随着现代控制理论以及现代电力电子技术的高速发展,直流无刷电机控制系统的研究开始受到人们的重视。本文设计的直流无刷电机控制系统,主要由计算机、PCI-1710控制采集卡、直流无刷驱动器、直流无刷电机组成。通过PCI控制卡发出
2、模拟量信号对直流电机进行速度控制。由驱动器将霍尔传感器的信号转换为脉冲信号,经PCI控制卡检测转速。通过LabVIEW在计算机上设计转速控制、检测以及PID控制程序,完成对整个系统的实时控制。主要内容包括硬件的连接和软件的设计关键词：直流无刷电机；PCI控制卡；LabVIEW / .AbstractBrushlessDCmotorinabrushDCmotordevelopedonthebasisof.BrushlessDCmotorhasmechanicalstructureofnocommutatorandbrush, whichgreatlyreducesthemechanicalfri
3、ction, noiseduringtheoperationofthemachine, andimprovesthestabilityoftheoperationandtheservicelifeofthemotor.Justbecauseoftheaboveadvantages,BrushlessDCmotoriswidelyusedinaerospace, industry, marine, andcivilfields.ButthebrushlessDCmotorstillhavemanyproblemsinthecontrolprocess, suchasthe installatio
4、n accuracy of position sensor, andthechangeoftheparametersofthemotorvoltage, whichwillreducethestabilityofthemotor.Withtherapiddevelopmentofmoderncontroltheoryandthemodernpowerelectronictechnology, thecontrolsystemofBrushlessDCmotorispaidmoreattention.TheDCmotorcontrolsystemdesignedinthispaperismain
5、lycomposedofacomputer, PCI-1710card, brushlessDCdriverandDCbrushlessmotor.PCIcontrolcardwillsendtheanalogsignaltocontrolthespeedofaDCmotor.Thedriverconvertsthesignalfromhallsensorintopulsesignal, thePCIcontrolcardwillcompletethedetectionoftherotationrate. ThroughtheLabVIEWwedesignedthespeedcontrol,
6、detectionandPIDcontrolprogramonthecomputer, whichwillcompletethereal-timecontrolofthewholesystem.Themaincontentincludesthehardwareconnectionandsoftwaredesignetc.Keywords：BrushlessDCmotor; PCIcontrolcard; LabVIEW.目录中文摘要Abstract第一章绪论11.1 课题的背景及研究意义11.2 直流无刷电机控制系统的研究31.3 PCI总线的应用71.4 课题研究的主要内容91.5 论文的组
7、织结构10第二章直流无刷电机控制原理112.1 无刷直流电机的结构112.2 无刷直流电机工作原理132.3 无刷直流电机PID调速原理17第三章系统硬件设计213.1 PCI运动卡控制电机的实现方法213.2 硬件总体设计思想223.3 数据采集卡及接线端子板233.4 直流电机及其驱动器253.4硬件连线示意图27第四章系统软件设计284.1 软件总体设计思想284.2 图形化编程软件LabVIEW简介294.3 PCI控制卡的各子程序设计304.3.1 转速控制程序304.3.2 转速检测程序364.3.3 PID控制程序404.4 总程序框图41第五章实验与结论435.1 硬件的安装与
8、测试435.2 软件测试455.2.1 转速控制程序测试455.2.2 转速检测程序测试465.2.3 PID程序测试485.3 结果分析50第六章总结与展望526.1本文工作总结526.2 研究展望52致谢54参考文献55附录一中文翻译57附录二外文原文67.第一章绪论1.1课题的背景及研究意义直流无刷电动机是在直流有刷电动机的基础上发展起来的,这一渊源关系从其名称中就可以看出来。直流有刷电动机从19世纪40年代出现以来,以其优良的转矩控制特性,在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是,有机械接触一直是电流电机的一个致命弱点。电刷-换向器存在相对的机械摩擦带来了噪声、火化、无
9、线电干扰以及寿命短等弱点,降低了系统的可靠性,再加上制造成本高及维修困难等缺点,从而大大限制了它的应用范围。为了取代直流有刷电动机的机械换向装置,人们进行了长期的探索。在1917年,Bolgior就提出了用整流管代替直流有刷电机的机械电刷,从而诞生了直流无刷电机的基本思想。随后经过了几十年的努力,美国的D.Harrison等于1955年首次申请了用晶体管换相线路代替直流有刷电动机的机械电刷的专利,标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步,在无刷直流电动机发展的早期,由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段,可靠性差,价格昂贵,加上永磁材料和驱动控
10、制技术水平的制约,使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内,性能都不理想,只能停留在实验室阶段,无法推广使用,1970年以后,随着电力半导体工业的飞速发展,许多新型的全控型半导体功率器件如GTR、MOSFET、IGBT等相继问世,加之高磁能积永磁材料如SmCo、NsFeB陆续出现,这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上,前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器,引起了世界各国的关注,随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮,这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。随着
11、人们对直流无刷电机特性了解的日益深入,直流无刷电机的理论也逐渐得到了完善。1986年,H.R.Bolton对直流无刷电机作了全面系统的总结,指出了直流无刷电机的研究领域,成为直流无刷电机的经典文献,标志着直流无刷电机在理论上走向成熟。我国对直流无刷电机的研究起步较晚。1987年,在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上,SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器,引起了国内有关学者的广泛注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力,目前,国内已有无刷直流电动机的系列产品,形成了一定的生产规模。区别于有刷直流电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,采用方波自
12、控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料,性能上相较一般的传统直流电机有很大优势,是当今最理想的调速电机。在现今的工业领域中,无刷直流电机应用相当广泛,如航空航天和军事领域的炮兵雷达,自动定位,船舶舵,飞机自动驾驶仪,全自动控制应用等范围；在信息处理设备领域,包括信息输入,存储,加工,输出,传输和其他单元；电子设备中,如微型计算机软盘驱动器,硬盘驱动器,光盘驱动器,复印机,打印机,传真机等；视听设备包括录像机,录音机,摄像机使用,照相机,光碟,DVD等。今天,在各个领域,如医疗器械,纺织,化工,仪器仪表,电脑驱动器及家电的日益广泛应用等诸多方面,促进着国民经济的
13、发展。就像在电脑的硬盘驱动器和软盘驱动器中的主轴电机,录音机中的伺服电机,都使用了大量的直流无刷电机。目前,在英美日德中等几个主要的电机生产国,直流无刷电机年平均增长率保持在102%,全球年总产量约为30亿台左右。随着应用的日益广泛,它的控制性能要求也不断提高,因此直流无刷电机控制系统的研究受到了越来越多研究者的关注。本文也是根据这一现状,着力于直流无刷电机控制系统的开发,展开了研究工作。1.2 直流无刷电机控制系统的研究随着各种微处理器的出现和发展,国外对直流电机数字控制系统的研究也在不断的发展和完善,尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。首先实现了整流器件的更新换代,以晶闸管整流装置
14、取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置,使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时,控制电路己实现高集成化,小型化,高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅度提高,应用范围不断扩大。我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家,在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。全数字化调速系统在国内并没有得到广泛的应用。目前,国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。因此国内调速系统的研究也非常活跃,但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中,对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元,所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。早期,直
15、流电机的控制系统采用模拟分立器件构成,由于模拟器件构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着电机运动控制器技术的发展,直流电机控制系统己经广泛使用电机运动控制器,实现了数字化控制,尤其是在无刷直流电机的控制系统当中。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。1. 提高了调速性能由于测速采用数字化,能够在很宽的范围内高精度测速,所以扩大了调速范围,提高了速度控制的精度。另一方面,一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法,例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了,从而使系统的控制性能得到提高。2. 提高了运行的可靠性由于硬件高度集成化,所以零部件数量和触点
16、大大减少；很多功能都是由软件来完成的,使硬件得以简化,所以采用运动控制卡控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。另外,数字电路的抗干扰性能强,不易受温度等外界条件变化的影响,没有工作点的温漂等问题,所以运行的可靠性高。3. 易于维修由于部分电机运动控制器可以与计算机相连,而计算机具有存储、显示、记录等功能,可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录,并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录,所以维修很方便,维修周期变短。作为数字化电机控制系统的代表,运动控制器是控制技术和运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下,它通常以微处理器为核心,综合软件编程、运动轨迹设计、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能,达到总体运动控制效果。在运动控制中,运动控制器还
