基本信息
- 项目名称：
- 一款可调速无刷直流电动机的设计及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 无刷直流电机（BLDC）是一种机电一体化产品。BLDC具有噪音小，寿命长，不产生火花等诸多优点。但是由于成本较高，BLDC应用不是很广范。本作品设计了一种新型的无刷直流电机控制器，硬件方面创新点在于控制信号的叠加，减少了硬件开支，软件方面采用了PID控制算法，提高了电机的性能。
- 详细介绍：
- 该无刷直流电机的创新点在于利用单片机的PWM模块实现了电机换相控制方波与PWM控制方波的叠加。通过将换相控制方波与PWM方波的叠加，该无刷直流电机的硬件支出减少了，制造成本被降低了。 软件方面主要是采用了PID控制算法。无刷直流电机本体上有一个霍尔传感器。该传感器的作用是检测电机转子的位置。在本设计中，设计者不但利用霍尔传感器检测出了转子的位置，同时利用霍尔传感器检测的信号计算出了电机转速，并利用PID控制算法对电机转速进行控制。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 磁力搅拌器是化工实验过程中一种常用的搅拌工具，其具有均匀反应温度、防止溶液暴沸、加快反应速度等诸多功能。目前，国内生产的磁力搅拌器均采用有刷直流电机；所以，目前市场上的磁力搅拌产品存在着运行噪音大，电机寿命短，产生火花等诸多缺点。 为了解决目前化学实验中搅拌器产品存在的诸多问题。申报者以Atmega48单片机作为主控芯片，设计了一款新型无刷直流电机并解决了目前磁力搅拌器存在的问题。 该无刷直流电机的创新点在于利用单片机的PWM模块实现了电机换相控制方波与PWM控制方波的叠加。通过将换相控制方波与PWM方波的叠加，该无刷直流电机的硬件支出减少了，制造成本被降低了。 该无刷直流电机的关键技术在于PID控制算法。无刷直流电机是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电机本体上有一个霍尔传感器。该传感器的作用是检测电机转子的位置。在本设计中，设计者不但利用霍尔传感器检测出了转子的位置，同时利用霍尔传感器检测的信号计算出了电机转速，并利用PID控制算法对电机转速进行控制。 该设计的主要性能指标有三方面。第一方面为制造成本。由于设计思路独特，所以该设计节省了硬件开支，电机的制造成本较低。第二个方面为低速扭矩，由于采用了PID算法进行控制，低速扭矩提高了40%左右。第三方面为速度控制，由于是闭环控制，速度稳定较快，且在负载变化时，速度变化小于10%。
科学性、先进性
- 本设计的第一个先进性在于硬件设计。对于无刷直流电机，首先要有一套线圈换相电路。如果想对其调速，还要有一套调压电路。本设计的第一个创新性在于将换相工作及调压工作结合到了一起。用一套电路同时解决了电机的线圈换相问题及调压问题。降低了电机的制造成本，提高了电机的稳定性。 本设计的第二个先进性在于PID控制算法。无刷直流电机是直流电机的一种。从直流电机的特性曲线可以看出直流电机在低速时扭矩较低，电机转速达到平衡时需要经过相对较长的时间。本设计通过采用PID控制算法，使电机低速扭矩明显增加，且速度响应较快。 本设计的技术特点在于充分利用了Atmege48单片机的所有资源。Atmege48单片机是一种具有性能稳定、功能较全、价位较低等优点的单片机（每片仅8元左右）。单片机的内存使用率在98%，单片机的管脚利用率在90%。目前，该设计利用单片机驱动四位数码管，实现了速度显示功能。在此方面可以看出，该产品具有较高的性价比。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 一次性转让
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 经过一年多的工作，该设计已经进入中试阶段。该电机是针对磁力搅拌器产品进行设计的，该设计目前已经能够解决原来磁力搅拌器中存在的问题。 该电机具有成本较低，结构简单，安全稳定，经久耐用，静音效果良好、不产生火花及碳粉等优点。该电机12-14V直流供电，可以实现宽范围无极调速，调速效果好且具备速度显示功能，自动保护功能等。该电机可以广泛应用于高档汽车空调，制冷设备等，其具有广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 一 研究状况 目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制订了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。特别是日本在民用方面比较突出，而美国则在军工方面更加先进。当前的研究热点主要是集中在以下三个方面：①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；②从电机设计和控制方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；③设计可靠、小巧、通用性强的集成无刷直流电机控制器。 同时，国内相关学者在研究时往往倾向于高尖端电机的研究，例如无位置传感器无刷直流电机研究，电机转矩波动研究，电机控制精密算法研究（这些论文是近几年高校硕士论文的热点）等，这些研究的确推动了国内电机理论的革新，但是因为造价原因等，这些成果进入市场进行转化的并不多。 二、市场状况 目前，市场上的直流无刷电机结构相对复杂，造价相对较高是其主要问题。在很多场合，因为造价的问题（不带速度显示及速度调节的12W直流无刷电机一般都在150元左右，而罩极电机价格仅有20左右），生产企业往往使用感应电机（罩极电机、单相交流电机等）或者说是有刷直流电机等。例如人们日常生活中的很多电器：豆浆机、电风扇、抽风机等等都采用普通电机。这些都制约了国产商品质量的提升，同时对电能也是个极大地浪费。 三、该设计的特点 在该设计中，设计小组利用低价位Atmega48单片机和开关锁存型霍尔传感器，设计了一种新型单相直流无刷电机，这种电机制造工艺简单，运行安全可靠，转矩波动较小，可以与其他微机相连，适合与普通应用场合（例如汽车空调风扇，汽车散热器风扇，电脑散热风扇，化工仪器搅拌装备，家用小电器等）。同时，该系统具有电机调速模块（采用PID控制算法）及速度显示模块，其调速效果及各方面性能较好。
