直流无刷电动机研发设计毕业论文目录中文摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1 课题的背景及研究意义 (1)1.2 直流无刷电机控制系统的研究 (3)1.3 PCI总线的应用 (7)1.4 课题研究的主要容 (9)1.5 论文的组织结构 (10)第二章直流无刷电机控制原理 (11)2.1 无刷直流电机的结构 (11)2.2 无刷直流电机工作原理 (13)2.3 无刷直流电机PID调速原理 (17)第三章系统硬件设计 (21)3.1 PCI运动卡控制电机的实现方法 (21)3.2 硬件总体设计思想 (22)3.3 数据采集卡及接线端子板 (23)3.4 直流电机及其驱动器 (25)3.4硬件连线示意图 (27)第四章系统软件设计 (28)4.1 软件总体设计思想 (28)4.2 图形化编程软件LabVIEW简介 (29)4.3 PCI控制卡的各子程序设计 (30)4.3.1 转速控制程序 (30)4.3.2 转速检测程序 (36)4.3.3 PID控制程序 (40)4.4 总程序框图 (41)第五章实验与结论 (43)5.1 硬件的安装与测试 (43)5.2 软件测试 (45)5.2.1 转速控制程序测试 (45)5.2.2 转速检测程序测试 (46)5.2.3 PID程序测试 (48)5.3 结果分析 (50)第六章总结与展望 (52)6.1本文工作总结 (52)6.2 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，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，引起了国有关学者的广泛注意，自此国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并没有得到广泛的应用。

目前，国各大专院校、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，能够在很宽的围高精度测速，所以扩大了调速围，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大大减少；很多功能都是由软件(即程序)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，运动控制器还需对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况等作出反应。

专用控制器的使用可把主机的轨迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算负担，且所有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单，位置环容易调整，有利于提高系统可靠性。

随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制。

常见的运动控制器控制方案有以下几种：1.单片机系统采用单片机系统来实现运动控制，成本较低，但开发难度较大，周期长。

这种方案适应于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机开发经验的用户。

2.专业运动控制PLC许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下FP0）。

这种方案一般适用于运动过程较简单、运动轨迹固定的设备，如送料系统、自动焊机等。

如果需要简单修改少量运动参数，如速度、位移等，可与工业人机界面配合使用。

3.PC机和I/O卡用I/O卡通过PC机也可以输出脉冲和方向信号来控制步进或数字式伺服电机，但所发的脉冲只能由软件编程来实现，所以在运动时发脉冲将占用PC机CPU大量的时间；另外，软件发脉冲受到微机定时器的限制，最大脉冲频率一般在100KHz左右，在控制伺服电机时会有速度和精度的矛盾问题；再者，在Windows环境下由于其多任务的机制，若没有深入Windows核进行底层编程来发脉冲，几乎不可能保证脉冲的均匀性。

4.PC机和PCI运动控制卡目前，由于以专用运动控制芯片为代表的高速、高性能专用微处理器的出现和PC机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以专用运动控制芯片作运动控制处理器，以PC机作为信息处理平台，PCI运动控制卡通过PCI插槽嵌入PC机，即“PC机+运动控制卡”的模式。

在这种方案中，PCI运动控制卡只需要从微机接收控制命令，然后自己完成与运动有关的控制：发脉冲/方向信号、检测限位/原点等信号，几乎不占用微机CPU时间。

这样微机可处理其它控制和检测任务：检测其它状态、处理键盘和显示消息、数据分析和计算等。

大多数PCI运动控制卡都提供了Windows环境下的动态库DLL，使用非常方便，不仅大大缩短产品研制和开发周期，而且能够实现更完善的运动控制系统。

国外广大的科技人员对基于专用运动控制卡的运动控制器进行了深入研究，并取得了较好的成绩，主要研究成果有美国Delta Tau公司、NI（美国国家仪器）和德国MOVTEC公司的各种运动控制卡等。

国针对运动控制卡的研究从近几年开始开展的比较多，但目前没有专门用于开放式体系结构的运动控制器，从现有的文献来看主要是各个高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化供应于市场的产品。