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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一款可調(diào)速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品。BLDC具有噪音小，壽命長(zhǎng)，不產(chǎn)生火花等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是由于成本較高，BLDC應(yīng)用不是很廣范。本作品設(shè)計(jì)了一種新型的無(wú)刷直流電機(jī)控制器，硬件方面創(chuàng)新點(diǎn)在于控制信號(hào)的疊加，減少了硬件開(kāi)支，軟件方面采用了PID控制算法，提高了電機(jī)的性能。
- 詳細(xì)介紹：
- 該無(wú)刷直流電機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用單片機(jī)的PWM模塊實(shí)現(xiàn)了電機(jī)換相控制方波與PWM控制方波的疊加。通過(guò)將換相控制方波與PWM方波的疊加，該無(wú)刷直流電機(jī)的硬件支出減少了，制造成本被降低了。 軟件方面主要是采用了PID控制算法。無(wú)刷直流電機(jī)本體上有一個(gè)霍爾傳感器。該傳感器的作用是檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者不但利用霍爾傳感器檢測(cè)出了轉(zhuǎn)子的位置，同時(shí)利用霍爾傳感器檢測(cè)的信號(hào)計(jì)算出了電機(jī)轉(zhuǎn)速，并利用PID控制算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 磁力攪拌器是化工實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一種常用的攪拌工具，其具有均勻反應(yīng)溫度、防止溶液暴沸、加快反應(yīng)速度等諸多功能。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的磁力攪拌器均采用有刷直流電機(jī)；所以，目前市場(chǎng)上的磁力攪拌產(chǎn)品存在著運(yùn)行噪音大，電機(jī)壽命短，產(chǎn)生火花等諸多缺點(diǎn)。 為了解決目前化學(xué)實(shí)驗(yàn)中攪拌器產(chǎn)品存在的諸多問(wèn)題。申報(bào)者以Atmega48單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款新型無(wú)刷直流電機(jī)并解決了目前磁力攪拌器存在的問(wèn)題。 該無(wú)刷直流電機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用單片機(jī)的PWM模塊實(shí)現(xiàn)了電機(jī)換相控制方波與PWM控制方波的疊加。通過(guò)將換相控制方波與PWM方波的疊加，該無(wú)刷直流電機(jī)的硬件支出減少了，制造成本被降低了。 該無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于PID控制算法。無(wú)刷直流電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)本體上有一個(gè)霍爾傳感器。該傳感器的作用是檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者不但利用霍爾傳感器檢測(cè)出了轉(zhuǎn)子的位置，同時(shí)利用霍爾傳感器檢測(cè)的信號(hào)計(jì)算出了電機(jī)轉(zhuǎn)速，并利用PID控制算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 該設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)有三方面。第一方面為制造成本。由于設(shè)計(jì)思路獨(dú)特，所以該設(shè)計(jì)節(jié)省了硬件開(kāi)支，電機(jī)的制造成本較低。第二個(gè)方面為低速扭矩，由于采用了PID算法進(jìn)行控制，低速扭矩提高了40%左右。第三方面為速度控制，由于是閉環(huán)控制，速度穩(wěn)定較快，且在負(fù)載變化時(shí)，速度變化小于10%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本設(shè)計(jì)的第一個(gè)先進(jìn)性在于硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，首先要有一套線圈換相電路。如果想對(duì)其調(diào)速，還要有一套調(diào)壓電路。本設(shè)計(jì)的第一個(gè)創(chuàng)新性在于將換相工作及調(diào)壓工作結(jié)合到了一起。用一套電路同時(shí)解決了電機(jī)的線圈換相問(wèn)題及調(diào)壓?jiǎn)栴}。降低了電機(jī)的制造成本，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性。 本設(shè)計(jì)的第二個(gè)先進(jìn)性在于PID控制算法。無(wú)刷直流電機(jī)是直流電機(jī)的一種。從直流電機(jī)的特性曲線可以看出直流電機(jī)在低速時(shí)扭矩較低，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡時(shí)需要經(jīng)過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。本設(shè)計(jì)通過(guò)采用PID控制算法，使電機(jī)低速扭矩明顯增加，且速度響應(yīng)較快。 本設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)在于充分利用了Atmege48單片機(jī)的所有資源。Atmege48單片機(jī)是一種具有性能穩(wěn)定、功能較全、價(jià)位較低等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)（每片僅8元左右）。單片機(jī)的內(nèi)存使用率在98%，單片機(jī)的管腳利用率在90%。目前，該設(shè)計(jì)利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)四位數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)了速度顯示功能。在此方面可以看出，該產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 一次性轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 經(jīng)過(guò)一年多的工作，該設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入中試階段。該電機(jī)是針對(duì)磁力攪拌器產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)目前已經(jīng)能夠解決原來(lái)磁力攪拌器中存在的問(wèn)題。 該電機(jī)具有成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全穩(wěn)定，經(jīng)久耐用，靜音效果良好、不產(chǎn)生火花及碳粉等優(yōu)點(diǎn)。該電機(jī)12-14V直流供電，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)極調(diào)速，調(diào)速效果好且具備速度顯示功能，自動(dòng)保護(hù)功能等。該電機(jī)可以廣泛應(yīng)用于高檔汽車空調(diào)，制冷設(shè)備等，其具有廣闊的市場(chǎng)前景。
同類課題研究水平概述
- 一 研究狀況 目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國(guó)已經(jīng)制訂了GJB1863無(wú)刷直流電機(jī)通用規(guī)范。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的研究?jī)?nèi)容與中國(guó)大體相當(dāng)，但美國(guó)和日本具有較先進(jìn)的無(wú)刷直流電機(jī)制造與控制技術(shù)。特別是日本在民用方面比較突出，而美國(guó)則在軍工方面更加先進(jìn)。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要是集中在以下三個(gè)方面：①研究無(wú)位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，并進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸與重量；②從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方面出發(fā)，研究無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制方法，從而提高其伺服精度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；③設(shè)計(jì)可靠、小巧、通用性強(qiáng)的集成無(wú)刷直流電機(jī)控制器。 同時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在研究時(shí)往往傾向于高尖端電機(jī)的研究，例如無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)研究，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)研究，電機(jī)控制精密算法研究（這些論文是近幾年高校碩士論文的熱點(diǎn)）等，這些研究的確推動(dòng)了國(guó)內(nèi)電機(jī)理論的革新，但是因?yàn)樵靸r(jià)原因等，這些成果進(jìn)入市場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的并不多。 二、市場(chǎng)狀況 目前，市場(chǎng)上的直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高是其主要問(wèn)題。在很多場(chǎng)合，因?yàn)樵靸r(jià)的問(wèn)題（不帶速度顯示及速度調(diào)節(jié)的12W直流無(wú)刷電機(jī)一般都在150元左右，而罩極電機(jī)價(jià)格僅有20左右），生產(chǎn)企業(yè)往往使用感應(yīng)電機(jī)（罩極電機(jī)、單相交流電機(jī)等）或者說(shuō)是有刷直流電機(jī)等。例如人們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏嚯娖鳎憾節(jié){機(jī)、電風(fēng)扇、抽風(fēng)機(jī)等等都采用普通電機(jī)。這些都制約了國(guó)產(chǎn)商品質(zhì)量的提升，同時(shí)對(duì)電能也是個(gè)極大地浪費(fèi)。 三、該設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 在該設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)小組利用低價(jià)位Atmega48單片機(jī)和開(kāi)關(guān)鎖存型霍爾傳感器，設(shè)計(jì)了一種新型單相直流無(wú)刷電機(jī)，這種電機(jī)制造工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，可以與其他微機(jī)相連，適合與普通應(yīng)用場(chǎng)合（例如汽車空調(diào)風(fēng)扇，汽車散熱器風(fēng)扇，電腦散熱風(fēng)扇，化工儀器攪拌裝備，家用小電器等）。同時(shí)，該系統(tǒng)具有電機(jī)調(diào)速模塊（采用PID控制算法）及速度顯示模塊，其調(diào)速效果及各方面性能較好。
