電氣工程及其自動化專業畢業實習報告

電氣工程及其自動化專業畢業實習報告

　　一、實習目的

　　大學畢業之際，畢業實習是極為重要的實踐性學習環節，通過階段性時間的實習，為我們之后走向社會，接觸本工作，拓寬知識面，增強感性認識，培養、鍛煉我們綜合運用所學的基礎理論、基本技能和專業知識，去獨立分析和解決實際問題的能力，能夠將所學的專業理論知識運用與實踐，在實踐中結合理論加深對其認識和總結，再次學習，將專業知識與實際接軌，逐步認識體會，從而更好地將所學的運用到工作中去，接觸社會，認識社會，體驗生活，學會生活，學會生活，學會感悟，學會做事，學會與人相處，學會團結協作，為以后畢業走上工作崗位打下一定的基礎。具體目的如下：

　　1.在圖書館查閱關于無刷直流電機設計方面的資料，為畢業設計打下基礎。

　　2.對畢業設計所選題目—無刷直流電機控制器的設計有初步的了解。

　　3.通過借鑒和分析關于無刷直流電機控制器方面的設計實例，從中學到無刷直流電機控制器的設計過程及一般步驟。

　　二、實習單位

　　河南理工大學

　　三、實習任務

　　1、收集資料

　　在學校圖書館查找資料，了解自己所學專業的東西，并且確定自己的課題，得到相關的知識和能力，思考課題的內容與方向，有針對性的收集資料，包括專業資料、工具資料和其他相關的資料。

　　2、設計初步方案

　　在收集完資料后可以初步確定自己的畢業設計方案，并建立相關的數學模型，進行原理分析、計算和實驗，這一項工作是繁瑣而艱巨的，需要不斷的補充知識修正設計結果。

　　3、撰寫《畢業實習報告》

　　做完上面的工作后，就需要及時的編寫《畢業實習報告》。這是對這段時間學習的全面總結，編寫實習報告，我們能夠重現自己學習的經歷，重新匯總資料情況，這樣會給我們帶來設計靈感。認認真真完成實習報告后，我們就會對自己的課題有了全新的理解，后面的實際設計工作就會變得輕松。

　　四、實習內容

　　1、熟悉無刷直流電機：

　　無刷直流電機即直流無刷電機。無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 無刷直流電機應用及其廣泛，它可在家電、汽車、航空、醫療、工業自動化設備和儀器等各種各樣的行業中使用。無刷直流電機是指無電刷和換向器(或集電環)的電機，是不用電刷進行換向，而是采用電子器件進行換向的。與有刷直流電機和異步電機相比，無刷直流電機有很多優點，具體表現如下：

　　1、更好的轉矩、轉速特性;2、快速的動態響應;3、高效率;4、壽命長;5、工作無噪聲，性能可靠、永無磨損、故障率低;6、較高的轉速范圍。

　　1.1 工作原理

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

　　直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優點也正是它的缺點，因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到。現今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中，適當控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。

　　此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小;像模擬/數字轉換器、脈沖寬度調制等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。

　　1.2 結構

　　直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(p)影響：n=120.f / p。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅動器)，控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。

　　直流無刷驅動器包括電源部及控制部如圖 (1) ：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。

　　電源部可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是交流電就得先經轉換器轉成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉入電機線圈前須先將直流電壓由換流器轉成3相電壓來驅動電機。換流器一般由6個功率晶體管(q1～q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部則提供pwm(脈沖寬度調制)決定功率晶體管開關頻度及換流器換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內部裝有能感應磁場的霍爾傳感器，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。

　　1.3 特點

　　1、可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速;

　　2、具有傳統直流電機的優點，同時又取消了碳刷、滑環結構;

　　3、可以低速大功率運行，可以省去減速機直接驅動大的負載;

　　4、體積小、重量輕、出力大;

　　5、轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小;

　　6、無級調速，調速范圍廣，過載能力強;

　　7、軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置;

　　8、效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節電率可達20%~60%。

　　9、可靠性高，穩定性好，適應性強，維修與保養簡單;

　　10、耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉平滑，壽命長;

　　11、不產生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型;

　　12、根據需要可選梯形波磁場電機和正弦波磁場電機。

　　1.4 應用

　　無刷直流電機的應用十分廣泛，如汽車、工具、工業工控、自動化以及航空航天等等。總的來說，無刷直流電機可以分為以下三種主要用途：

　　持續負載應用：主要是需要一定轉速但是對轉速精度要求不高的領域，比如風扇、抽水機、吹風機等一類的應用，這類應用成本較低且多為開環控制。

　　可變負載應用：主要是轉速需要在某個范圍內變化的應用，對電機轉速特性和動態響應時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機和壓縮機就是很好的例子，汽車工業領域中的油泵控制、電控制器、發動機控制等，這類應用的系統成本相對更高些。

　　定位應用：大多數工業控制和自動控制方面的應用屬于這個類別，這類應用中往往會完成能量的輸送，所以對轉速的動態響應和轉矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設備。過程控制、機械控制和運輸控制等很多都屬于這類應用。

　　實用性新型無刷電機是與電子技術、微電子技術、數字技術、自控技術以及材料科學等發展緊密聯系的。它不僅限于交直流領域，還涉及電動、發電的能量轉換和信號傳感等領域。在電機領域中新型無刷電機的品種是較多的，但性能優良的無刷電機因受到價格的限制，其應用還不十分廣泛。下面分別就主要的新型無刷電機進行探索與研究。

　　1.5電機分類

　　1.5.1 直流電動機

　　一般直流電動機具有相同的工作原理和應用特性，而其組成是不一樣的。除了電機本身外，前者還多一個換向電路，電機本身和換向電路緊密結合在一起。許多小功率電動機的電機本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。

　　直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分，它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。電機本身是直流無刷電機的核心，它不僅關系到性能指標、噪聲振動、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費用及產品成本。由于采用永磁磁場，使直流無刷電機擺脫一般直流電機的傳統設計和結構，滿足各種應用市場的要求，并向著省銅節材、制造簡便的方向發展。永磁磁場的發展與永磁材料的應用密切相關，第三代永磁材料的應用，促使直流無刷電機向高效率、小型化、節能方向邁進。

　　為了實現電子換向必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。

　　要實現電機轉速的控制必須有速度信號。用獲得位置信號相近方法取得速度信號，最簡單的速度傳感器是測頻式測速發電機與電子線路相結合。

　　直流無刷電機的換向電路由驅動及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分開的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專用集成電路。

　　在功率較大的電機中，驅動電路和控制電路可各自成為一體。驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅動電路已從線性放大狀態轉成脈寬調制的開關狀態，相應電路組成也從晶體管分立電路轉成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場效應管和隔離柵場效應雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場效應雙極晶體管價格較貴，但從可靠安全和性能角度看，選用它還是較合適的。

　　控制電路用作控制電機的轉速、轉向、電流(或轉矩)以及保護電機的過流、過壓、過熱等。上述參數容易轉成模擬信號，用此來控制較簡單，但從發展來看，電機的參數應轉換成數字量，通過數字式控制電路來控制電機。當前，控制電路有專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成方式。在對電機控制要求不高的場合，專用集成電路組成控制電路是簡單實用的方式。采用數字信號處理器組成控制電路是今后發展方向，有關數字信號處理器將在下面交流同步伺服電動機中介紹。

　　在微小功率范疇直流無刷電動機是發展較快的新型電機。由于各個應用領域需要各自獨特的直流無刷電動機，所以直流無刷電動機的類型較多。大體上有計算機外存儲器以及VCD、DVD、CD主軸驅動用扁平式無鐵心電機結構，小型通風機用外轉子電機結構，家電用多極磁場結構及內裝式結構，電動自行車用多極、外轉子結構等等。上述直流無刷電動機的電機本身和電路均成一體，使用十分方便，它的產量也非常大。為了滿足大批量、低成本的市場需要，直流無刷電動機的生產必須要形成規模經濟。因此，直流無刷電動機是一種高投入、高產出的行業。同時，我們應該考慮到市場也在不斷地發展，如家用空調用電機正由3A轉向3D，需要大量的中小功率的直流無刷直流電動機，研究和開發中小功率的直流無刷電動機也成當務之急。

　　1.5.2 無刷電機

　　(BLDCM)是在有刷直流電動機的基礎上發展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流;無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波(一般是“方波”)，另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切地講是交流伺服電動機的一種。

　　無刷直流電機為了減少轉動慣量，通常采用“細長”的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉動慣量可以減少40%—50%左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。

　　這種電動機的機械特性和調節特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統中有很大的應用潛力。

　　電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。

　　由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

　　中小容量的無刷直流電動機的永磁體，多采用高磁能積的稀土釹鐵硼(Nd-Fe-B)材料。因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號。

　　近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩態轉速誤差小等特點在調速領域顯現優勢。

　　無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉效率,低速轉矩,轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好,所以值得業界關注.本產品已經生產超過55kW,可設計到400kW,可以解決產業界節電與高性能驅動的需求。

　　2、了解PIC16F72單片機：

　　2.1 PIC16F72單片機的主要性能

　　首先我們對外部時鐘輸入：它的頻率是20MHz，其中有2K字14位寬的程序存儲空間，伴隨著128字節8位寬的數據存儲空間，另外還有8個中斷，3個8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。還有三個定時器模塊：TIMER0、TIMER1、TIMER2隨帶著一個CCP模塊;8位5通道的AD轉換器。

　　2.2 PIC16F72單片機的功能特性

　　(1)功能部件特性

　　·帶8位AID轉換輸入

　　·高驅動電流，I/O腳可直接驅動數碼管(LED)顯示每個I/O引腳最大灌電流25mA;每個I/O引腳最大拉電流25mA

　　·雙向可獨立編程設置I/O引腳

　　·8位定時器/計數器TMRO，帶8位預分頻

　　·有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP)

　　·16位定時器/計數器TMR 1，睡眠中仍可計數

　　·8位定時器/計數器 TMR2,帶有8位的周期寄存器及預分頻器和后分頻器

　　(2)微控制器特性

　　·內置上電復位電路(POR)

　　·上電定時器，保障工作電壓的穩定建立

　　·振蕩定時器，保障振蕩的穩定建立

　　·斷電復位鎖定，即當芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片保持復位，當電源電壓恢復正常后恢復運行

　　·內置自振式(RC振蕩)看門狗

　　·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝

　　·掉電保護電路

　　·在線串行編程

　　2.3 PIC16F72單片機的引腳排列

　　(1)MCLR:清除(復位)輸入。

　　其中MCLR為低電平時，對芯片復位;該管腳的電壓不能超過VDD，否則會進入測試方式。

　　(2)RA0-RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。

　　電池欠壓信號：電池電壓經分壓后接單片機管腳3。

　　轉把復位信號：由單片機的第4腳讀入

　　剎車信號：剎車信號由單片機的第5腳讀入。

　　(3)OSC1、OSC2：為振蕩器晶振。

　　(4)RC0-RC7：數字I/O

　　(5)RB0-RB7：數字I/O

　　(6)VDD：+5V電壓輸入

　　2.4 PIC16F72單片機各個模塊的具體工作任務

　　最小系統模塊：引腳1相連的是復位電路，引腳1也是程序的高壓燒寫口;引腳9和引腳10分別是震蕩電路的輸入口和輸出口，連接的是16MHz的晶振;引腳20和引腳8、引腳19是電源電路部分，分別接5V電源和地。

　　功能模塊：模擬信號輸入處理模塊：模擬信號的處理主要是通過單片機的A/D轉換模塊實現的。引腳2檢測流過電機的電流信號并進行A/D轉換，進過運算后用于控制PWM占空比，盡可能達到電機最合適的工作電流;引腳3檢測電源電壓，經A/D轉換后經過運算判斷電壓是否過低，以此為依據保護電池;引腳4檢測手柄的輸入電壓，單片機根據這個量調節電機輸出的總功率，從而調節電機的速度。

　　數字輸入信號處理模塊：引腳5處理剎車信號，平時處于高電平狀況，當按下剎車開關時，變為低電平，這時單片機輸出剎車命令，只要當引腳5恢復成高電平狀態時，在停止剎車動作;引腳15、引腳16、引腳17分別輸入電機的霍爾位置信號，通過這三個信號的組合確定電機此時的轉子位置，并調整輸出的換相信號。引腳21為外部中斷引腳，平時處于高電平狀態，當出現過流時，輸入信號從高電平變為低電平，中斷標志位置1，由于PIC16F72只有一級中斷優先級，所以當中斷被其他中斷程序占用時，也應定時檢查外部中斷標志位，以免因中斷時間過長而燒毀電機。

　　驅動信號輸出模塊：引腳13輸出PWM信號，調節電機的速度和電樞電流;引腳23、引腳24、引腳25輸出逆變橋的下橋驅動信號，引腳26、引腳27、引腳28輸出逆變橋的上橋驅動信號。引腳22只在電樞電流比較大的情況下才使用。

　　以上是我在這次實習中著重學習的東西，其實還有很多，這里只是一些內容比較重要，而且比較難的東西，自己在這段時間通過系統的學習無刷直流電機與PIC16F72單片機，使我重新認識到了無刷直流電機與PIC16F72單片機的重要性，以及無刷直流電機在未來的發展前景，這更加堅定了我學習無刷直流電機的決心，我相信經過自己的學習，我會做出令自己滿意的無刷直流電機控制器。

　　五、實習總結及體會

　　實踐是檢驗真理的唯一標準。我們知道知識是人類進步的階梯，而學習知識不僅僅靠從書本上獲取，而重要的是在于將所學用于實際生活之中。理論知識往往過于標準化，僅僅靠掌握理論，一點實際操作經驗都沒有的話，事實上是沒有實際效應的，現實中的事情往往是千變萬化的，運用起來解決具體情況多半是教條的，而且也有很多的不足。無數事實證明：只有將理論知識與實踐很好的結合起來，才能將知識運用到最高境界，為了學有所長，學有所用，為了將知識轉化為自己所真正擁有的能力，以及根據自己的畢業設計課題內容要求。我在這幾個星期的實習時間里，通過實習，我不僅提升了自己的知識水平，認識到課堂上學習的不足，而且鍛煉了自己獨立思考和全面思考問題的能力：如用PIC16F72單片機做無刷直流電機控制器，要考慮的因素有很多，像PIC16F72芯片的引腳功能，更鍛煉了自己發現問題和解決問題的能力。這次實習加深了對以前學習知識的理解，也認識到自己的不足：自己除了具有一定的理論基礎外，還有大量的知識和經驗十分欠缺，實際動手能力也不足，知識面不夠寬，對一些現在在工程實際中應用的技術還不太了解，不能及時與市場需求對接，這些都需要在以后的實際工作中摸索和理解。在工作崗位上一定要謙虛謹慎，不斷的虛心學習，只有這樣，才會有助于自己未來在專業領域的學習和發展。通過實習，不僅讓我收獲到了許多知識，更重要的是認識到了自己的不足，找到了一名學生與一名職業人的差距，我會繼續努力，重點是彌補自己的不足，不斷提高專業技能，擴寬自己的知識面，使自己早日成為符合社會和市場需要的專業技術人才。

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