电动机毕业论文.doc
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1、河北经贸大学经济管理学院毕业论文摘 要电动机作为最主要的机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产,交通运输,国防,航空航天,医疗卫生,商务和办公设备中,还是在日常生活的家用电器和消费电子产品(如电冰箱,空调,DVD等)中,都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示,在所有动力资源中,百分之九十以上来自电动机。同样,我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关,密不可分。电气时代,电动机的调速控制一般采用模拟法,对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动,制动,正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器,可编程
2、控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制,是指对电动机的转速,转角,转矩,电压,电流,功率等物理量进行控制。当今,自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展,而直流驱动控制作为电气转动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来,直流电动机因其转速调节比较灵活,方法简单,易于大范围平滑调速,控制性能好等特点,一直在转动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大,各个行业对直流电机的需求愈益增大,并对其性能提出了更高的要求。为此,研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。本文主要探讨的是直流伺服电机的设
3、计原理及特点,并对伺服电动机的工艺进行了分析和设计。在本文中结合相关资料对伺服电机及伺服系统的发展做了一些阐述,并列举了当前国内外一些公司先进伺服伺服系统的成型技术及产品不对这些比较先进产品的性能做了一些描述。关键词 FPGA;直流伺服电动机;模拟法;AbstractMotor as the main mechanical and electrical energy conversion devices, its application scope has been in every field of the national economy and Peoples Daily life. W
4、hether in industrial and agricultural production, transportation, defense, aerospace, medical and health, business and office equipment, or in daily life of household appliances and consumer electronic products (such as the refrigerator, air conditioner, DVD, etc), the use of a variety of motor. Acc
5、ording to data showed that in all power resources, from more than ninety percent of motor. Also, the production of electric power in China there is sixty percent for the motor. Motor and peoples life, inseparable. The age of electricity, motor speed control of general use of the simulation method, t
6、he simple to motor control application more. Simple control is to point to to motor to start, and brake, and reversing control and sequence control. This kind of control through the relay, the programmable controller and switch components to achieve. And those control that complex control, it is to
7、point to to motor speed, corner, torque, voltage, current, power of physical quantity control.Today, automation control system has been in all walks of life a wide range of applications and development, and dc drive control as the mainstream in the modern electrical turn plays a main role in product
8、ion. Long-term since, for its speed adjustment for dc more flexible, simple, easy to big range smooth speed adjustment, the control performance is good wait for a characteristic, has been in the field hold a dominant position. It is widely used in the numerical control machine tool, industrial robot
9、 factory automation equipment. With the expansion of the modern production scale, each industry to dc motor of the transportation demand increases, and its performance put forward higher request. Therefore, the research and manufacturing of high performance, high reliability of the dc motor control
10、system has very important practical significance.This paper mainly explores the dc servo motor design principle and features, and servo motor process analysis and design. In this article, in combination with relevant data servo motor servo system and the development of some paper, and lists the curr
11、ent domestic and international companies advanced servo servo system molding technology and product wrong these more advanced product performance made some description.Keywords FPGA; Dc servo motor; Simulation method;40目录引言11 绪论21.1 本课题研究的主要问题21.2 本课题国内、外的研究动态、水平、存在问题21.3 本课题国内外现状和发展趋势31.4 本课题研究在理论和
12、应用方面的意义42 FPGA的简介62.1 FPGA的概念62.2 FPGA的工作原理72.3 FPGA的特点72.4 FPGA的应用82.5 FPGA的发展前景103 直流伺服电机控制电路及工作原理123.1 直流伺服电动机123.1.1 直流伺服电动机的概念123.1.2 直流伺服电动机的分类133.2 直流伺服电动机的工作原理143.3 直流伺服电动机的控制电路144 直流伺服电机的硬件设计与软件设计164.1 硬件设计164.1.1 硬件电路设计164.1.2 硬件电路结构框图164.1.3 数据采集电路174.1.4 FPGA控制电路194.1.5 隔离电路214.1.6 驱动电路2
13、14.2 软件设计设计224.2.1 VHDL介绍224.2.2 MAX+plusII介绍234.2.3 AD1674控制模块254.2.4 ADC0809控制模块284.2.5 数控分频器模块315 直流伺服电机的调试与分析355.1 硬件调试355.2 分析375.2.1 技术分析375.2.2 经济分析376 结束语39致谢40参考文献41基于FPGA 的直流伺服电动机的设计引言随着微控制进入控制领域,以及新型的电力电子功率器件的不断出现,使得采用全控型的开关功率元件进行PWM控制方式为主流.这种控制方式很容易在微控制器中实现,从而为直流电动机控制数字化提供了契机.传统的模糊控制器控制动
14、作欠细腻,稳态精度欠佳.电动机是一种旋转式机器, 它将电能转变为机械能,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子,其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动,这些机器中有些类型可作电动机用,也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动,这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便,具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力,能满足各种运行要求;电动机的工作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小。由于它的一系列优点,所以在工农业
15、生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。1 绪论1.1 本课题研究的主要问题随着电子技术的发展,特别是专用集成电路(ASIC)设计技术的日趋完善,数字化的电子自动化设计(EDA)工具给电子设计带来了巨大变革,尤其是硬件描述语言的出现,解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况,本课题提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的电路设计。利用FPGA作为硬件电路,采用VHDL等硬件描述语言对硬件的功能进行编程,可以加快系统的研发进程,采用数字化的控制方式,可以大幅度提高逻辑控制的精确度,使实时控制效果显著改善。 实践证明FPGA芯片可以代替传统的复杂的电路
16、,而且可以大比例地缩小电路的硬件规模,提高了集成度,降低开发成本,提高系统的可靠性,为控制电路的设计开辟新的天地。1.2 本课题国内、外的研究动态、水平、存在问题传统电路往往存在电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点,现在国内外市面上已经有专用芯片,但是这些产品性价比比较差,功能不够丰富,使用起来也不灵活方便,很难适合广大客户的需求。 为了加快开发进度,更为重要的是提高设计的灵活性和精确度,我国引入现代EDA(电子设计自动化)技术,采用VHDL硬件描述语言进行控制逻辑编程,配置于大规模可编程器件FPGA 芯片上,对主电路的工作状态进行控制,以获得符合要求的电源电压及波
17、形。FPGA可以在办公室或实验室里方便地设计出所需的专用集成电路,且具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改,极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。PWM控制电路已向体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的模块化、集成化方向发展。因此,具有广泛的应用前景。1.3 本课题国内外现状和发展趋势在现在伺服系统中无论是交流伺服还是直流伺服都获得了广泛的应用,在电力拖动系统中也大有传统的液压、直流、步进和AC变频被基于稀土永磁交流永磁伺服系统所取代的趋势。采用了新技术和新材料而制造出来的新的型号也层出不穷,在交流伺服方面有:YASKAWA 交流伺服系统,其主要技
18、术特点有:高速、高精度的运转;安装简易;配线数减少为原来的1/2;参数设定内藏;扩展性、灵活性更充实;耐振性提高;平均无故障时间达400000小时以上;具有高速高精度的运转特性;采用速度observer控制;最高回转速度5000r/min;马达速度波动更小;定位时间缩短了1/3;安装十分简单;可自动判别伺服马达的容量及形式,并设定马达参数;配线数减少为原来的1/2从驱动器本身可直接设定参数转矩控制、速度控制、位置控制三机一体;主回路/控制回路的电源完全分离;Win软件再现监测方便检查;设置外加回生电阻的接线端子;马达规格多,对应CE、UL规格;提高了保护构造、耐震性;内置DC电抗器接线端子。全
19、数字交流伺服系统采用全新设计,通过改进电机结构和采用先进的材料,为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了良好条件。在全数字控制方式下,实现了伺服控制的软件化,通过采用智能控制算法使系统响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平.适用于高动态响应、精密定位、精密调速的场合。电机采用正弦波磁路设计,运行平稳,低噪声。采用高能密度设计和高性能永磁材料,体积小,转矩大,效率高。采用高热容技术设计,电机温升低。启动转矩大、过载能力强。1.4 本课题研究在理论和应用方面的意义直流电动机具有良好的起动性能和调速性能,因此,广泛地用于驱动轧钢机、金属切削机床、起重设备和电气机车中,它尤其适用于高精
20、度、高性能地电力拖动系统。近年来,世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。微电子技术的应用,尤其是微型计算机的普及,给数控化生产才来了很大的发展空间。作为高精度伺服元件的伺服电机被广泛地应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。据统计,美国市场对直流电机的需求以每年21的速度递增,导致这一现象的根本原因是自动化设备的高速发展和电子计算机外围设备的不断扩大,其次是军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用。 在我国,70年代才开始这方面的研究。现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器,广泛应用于各种自动化控制系统。为我
21、国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件,它对提高加工质量和精度,大幅度降低废品率和成本起很大的作用。我国现在有大量的机床需改进、更新,因此有很大的市场。2 FPGA的简介2.1 FPGA的概念FPGA(FieldProgrammable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点.FPGA是Ross Freema于1985年发明的,当时第一个FPGA采用2m工艺,包含64个
22、逻辑模块和85000个晶体管,门数量不超过1000个,当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术,他的同事Bill Carter曾说:“这种理念需要很多晶体管,但那时晶体管是非常珍贵的东西。”所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计:根据摩尔定律(每18个月晶体管密度翻一翻),晶体管肯定会越来越便宜,因此它必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内,正如Ross所预言的,出现了数十亿美元的现场可编程门阵列(FPGA)市场。但可惜的是,他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象,Ross Freeman在1989年已经与世长辞了,但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发
23、展。2.2 FPGA的工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构,FPGA利用小型查找表(161RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现
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