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基本信息
- 項目名稱：
- 一款可調(diào)速無刷直流電動機的設(shè)計及應(yīng)用
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 無刷直流電機（BLDC）是一種機電一體化產(chǎn)品。BLDC具有噪音小，壽命長，不產(chǎn)生火花等諸多優(yōu)點。但是由于成本較高，BLDC應(yīng)用不是很廣范。本作品設(shè)計了一種新型的無刷直流電機控制器，硬件方面創(chuàng)新點在于控制信號的疊加，減少了硬件開支，軟件方面采用了PID控制算法，提高了電機的性能。
- 詳細介紹：
- 該無刷直流電機的創(chuàng)新點在于利用單片機的PWM模塊實現(xiàn)了電機換相控制方波與PWM控制方波的疊加。通過將換相控制方波與PWM方波的疊加，該無刷直流電機的硬件支出減少了，制造成本被降低了。 軟件方面主要是采用了PID控制算法。無刷直流電機本體上有一個霍爾傳感器。該傳感器的作用是檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。在本設(shè)計中，設(shè)計者不但利用霍爾傳感器檢測出了轉(zhuǎn)子的位置，同時利用霍爾傳感器檢測的信號計算出了電機轉(zhuǎn)速，并利用PID控制算法對電機轉(zhuǎn)速進行控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 磁力攪拌器是化工實驗過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，國內(nèi)生產(chǎn)的磁力攪拌器均采用有刷直流電機；所以，目前市場上的磁力攪拌產(chǎn)品存在著運行噪音大，電機壽命短，產(chǎn)生火花等諸多缺點。 為了解決目前化學(xué)實驗中攪拌器產(chǎn)品存在的諸多問題。申報者以Atmega48單片機作為主控芯片，設(shè)計了一款新型無刷直流電機并解決了目前磁力攪拌器存在的問題。 該無刷直流電機的創(chuàng)新點在于利用單片機的PWM模塊實現(xiàn)了電機換相控制方波與PWM控制方波的疊加。通過將換相控制方波與PWM方波的疊加，該無刷直流電機的硬件支出減少了，制造成本被降低了。 該無刷直流電機的關(guān)鍵技術(shù)在于PID控制算法。無刷直流電機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷直流電機本體上有一個霍爾傳感器。該傳感器的作用是檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。在本設(shè)計中，設(shè)計者不但利用霍爾傳感器檢測出了轉(zhuǎn)子的位置，同時利用霍爾傳感器檢測的信號計算出了電機轉(zhuǎn)速，并利用PID控制算法對電機轉(zhuǎn)速進行控制。 該設(shè)計的主要性能指標(biāo)有三方面。第一方面為制造成本。由于設(shè)計思路獨特，所以該設(shè)計節(jié)省了硬件開支，電機的制造成本較低。第二個方面為低速扭矩，由于采用了PID算法進行控制，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，且在負載變化時，速度變化小于10%。
科學(xué)性、先進性
- 本設(shè)計的第一個先進性在于硬件設(shè)計。對于無刷直流電機，首先要有一套線圈換相電路。如果想對其調(diào)速，還要有一套調(diào)壓電路。本設(shè)計的第一個創(chuàng)新性在于將換相工作及調(diào)壓工作結(jié)合到了一起。用一套電路同時解決了電機的線圈換相問題及調(diào)壓問題。降低了電機的制造成本，提高了電機的穩(wěn)定性。 本設(shè)計的第二個先進性在于PID控制算法。無刷直流電機是直流電機的一種。從直流電機的特性曲線可以看出直流電機在低速時扭矩較低，電機轉(zhuǎn)速達到平衡時需要經(jīng)過相對較長的時間。本設(shè)計通過采用PID控制算法，使電機低速扭矩明顯增加，且速度響應(yīng)較快。 本設(shè)計的技術(shù)特點在于充分利用了Atmege48單片機的所有資源。Atmege48單片機是一種具有性能穩(wěn)定、功能較全、價位較低等優(yōu)點的單片機（每片僅8元左右）。單片機的內(nèi)存使用率在98%，單片機的管腳利用率在90%。目前，該設(shè)計利用單片機驅(qū)動四位數(shù)碼管，實現(xiàn)了速度顯示功能。在此方面可以看出，該產(chǎn)品具有較高的性價比。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
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)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 經(jīng)過一年多的工作，該設(shè)計已經(jīng)進入中試階段。該電機是針對磁力攪拌器產(chǎn)品進行設(shè)計的，該設(shè)計目前已經(jīng)能夠解決原來磁力攪拌器中存在的問題。 該電機具有成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，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。該電機12-14V直流供電，可以實現(xiàn)寬范圍無極調(diào)速，調(diào)速效果好且具備速度顯示功能，自動保護功能等。該電機可以廣泛應(yīng)用于高檔汽車空調(diào)，制冷設(shè)備等，其具有廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 一 研究狀況 目前，國內(nèi)外無刷直流電機的一般控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制訂了GJB1863無刷直流電機通用規(guī)范。國外發(fā)達國家對無刷直流電機的研究內(nèi)容與中國大體相當(dāng)，但美國和日本具有較先進的無刷直流電機制造與控制技術(shù)。特別是日本在民用方面比較突出，而美國則在軍工方面更加先進。當(dāng)前的研究熱點主要是集中在以下三個方面：①研究無位置傳感器控制技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性，并進一步縮小電機尺寸與重量；②從電機設(shè)計和控制方面出發(fā)，研究無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制方法，從而提高其伺服精度，擴大其應(yīng)用范圍；③設(shè)計可靠、小巧、通用性強的集成無刷直流電機控制器。 同時，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在研究時往往傾向于高尖端電機的研究，例如無位置傳感器無刷直流電機研究，電機轉(zhuǎn)矩波動研究，電機控制精密算法研究（這些論文是近幾年高校碩士論文的熱點）等，這些研究的確推動了國內(nèi)電機理論的革新，但是因為造價原因等，這些成果進入市場進行轉(zhuǎn)化的并不多。 二、市場狀況 目前，市場上的直流無刷電機結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價相對較高是其主要問題。在很多場合，因為造價的問題（不帶速度顯示及速度調(diào)節(jié)的12W直流無刷電機一般都在150元左右，而罩極電機價格僅有20左右），生產(chǎn)企業(yè)往往使用感應(yīng)電機（罩極電機、單相交流電機等）或者說是有刷直流電機等。例如人們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏嚯娖鳎憾節(jié){機、電風(fēng)扇、抽風(fēng)機等等都采用普通電機。這些都制約了國產(chǎn)商品質(zhì)量的提升，同時對電能也是個極大地浪費。 三、該設(shè)計的特點 在該設(shè)計中，設(shè)計小組利用低價位Atmega48單片機和開關(guān)鎖存型霍爾傳感器，設(shè)計了一種新型單相直流無刷電機，這種電機制造工藝簡單，運行安全可靠，轉(zhuǎn)矩波動較小，可以與其他微機相連，適合與普通應(yīng)用場合（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，該系統(tǒng)具有電機調(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。
