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文档简介
xxxx大学本科毕业设计(论文)用于精密平台的直流电机驱动控制器MotorDriveControllerUsedonthePrecisePlatform学生姓名xx
学号xx学生专业电气工程及其自动化班级气()班二级学院
机电工程学院
指导教师xxxx学2016年5月
郑声明
分类号:TM301.2UDC:621
密级:公学校代码:xxxx大学本科毕业设计(论文)用于精密平台的直流电机驱动控制器MotorDriveControllerUsedonthePrecisePlatform
学
号
电气工程位xx
阅2016年5月
用精平的流机动制摘要自从直流电动机被研制出来之后其具有良好的线性调速特性率高、控制方式简单及体积小等优点得到了普遍使用且备受各行各业青睐直流电机转动的过程中由于会存在电磁干扰电机本身构造等原因转动时候会产生震动文联系实际直流电动机在精密平台中的转动情况介绍直流电动机ARM开发板特点的同时根据精密平台的要求与特点提出了基于IRF740MOS管的恒流源驱动直流电动机的设计方法,使得电动机在运行时能保证稳定运行,电机转速能稳定在一定范围的误差内时本文也给出了系统的硬件电路设计以及软件部分流程图。关键词流电动机、精密平台、恒流源、单片机。中图分号:TM301.2
DCmotorthepreciseplatform:isinallinourwithprettygooditWhenmotortotheofelectromagneticofvibrationwillbeproduced.ThisisdesignedbyapplicationwhatDCusedonpreciseplatformbasedthefeaturesoftheARMMicrocontroller,toandcharacteristicsofpreciseplatform,amethodofconstantdriveDCbasedonLM358、tubeinordertoguaranteethattheDCmotorwilloperatestablethespeedcancontrolledofThehardwaredesignimplementationmethodarealsoKeyDirectcurrentmotor,platform,Constantcurrentsource,:
目次摘要.目次.1绪论.11.1运动控制系统的发展历史与现状1.2运动控制系统的发展趋势21.3本文研究内容22系统硬件设计2.1整体设计42.2直流电机工作原理.2.3运放部分电路及原理2.4MOS管驱动部分62.5恒流源整体设计82.6电机转速测量部分92.7显示电路2.8按键控制电路3软件设计123.1主程序设计3.2转速检测子程序3.3显示子程序4结论.5参考文献.16学位论文数据集.17致谢.
xxxx大学本科毕业设计(论文)1绪论1.1动制统发历与状从运动控制技术的出现到现在流电气传动和直流电气传动是两种最基本的方法,一直存在与各个工业领域之中[1]
。虽然由于各个时期生产力水平不同,工业需求不同等原因使得交流电气传动直流电气传动的地位功能以及工业中使用量不同但随着科学技术与生产力的不断发展与进步特别是近些年以来电力电子技术和微电子技术的发展直流电气传动控制技术始终在竞争中不断吸收着对方的优点,并且相互促进中,不断的发展。纵观历史,直流电机比交流电机更早的被研发出来所以在19世纪80年代以前工业上能用的电机传动方式只有直流电机传动[2]。直到19世纪末,特斯拉发明了交流电,并且随着科学技术的发展三相制交流电的输送和分配问题被解决而且还研发出了更经济实用性更高的鼠笼型异步电机随着交流电由于其特性逐渐被接受和认可这就使得交流电气传动在工业领域中渐渐地得到推广并且被大多数企业采用。随着生产技术的提高及工业需求的进步,人们又对电气传动在电机的起制动正反转以及调速性能动静态性能等方面提出了更具体的要求这就表明要研发出更成熟、性能更优调速系[3]。因为与交流电机相比,直流电机的调速性能更好,所以从1930年左右开始,直流电机调速系统就被普遍的接受并应用于各种工业场合直流电机调速系统的发展历程如下最开始使用旋转变流机组来控制电机的转速后来发展为使用磁放大器对转速进行控制再后来随着科学技术的不断进步开始采用静止的SCR变流装置和模拟控制器完成直流调速再后来用脉宽调制控制电路实现数字化的直流调速系统的能够快速响应且运行稳定可靠[4]。然而,因为直流电机中,根据其工作原理可知,电刷和换向器必不可少的原件所以使直流电机具有制造工艺复杂维护麻烦使用环境受到限定等缺点而且很难成长为高速强压大容量的系统因此直流电机调速的弱点也被慢慢的发现。交流电机在很早以前就一直应用于恒速运行的情况下直流调速的弱点被发现之后加之世界性的煤炭石油等资源的减少人们又对交流调速系统开始了进一步的研究仅对占传动总量三分之一强的风机水泵设备而言在以前用恒速运行会很浪费电能,若是改恒速运行为交流调速运行,那么便可以节省30%左右的电能[5]
近年来随着电力电子技术自动控制原理等有关学科的的发展,为交流调速系统的开发提供了很多的理论支持交流调速系统具备了一系列良好性能并且研发出了一系列的交流调速产品从调速性能上来说交流调速系统与直流调速系统不相上下因此目前交流调速已占据主导地位约占工业领域的80%左右,而直流调速系统则只有20%左右。1
xxxx大学本科毕业设计(论文)1.2运控系的展势对目前工业及市场上大量使用到的运动控制系统进行总结对市场需求和现有科学技术进行分析,可以看出运动控制系统未来的发展方向为:1)高频化。在电机驱动装置中,高频率器件将会取代现在常用的低频率器件这样既可以提高控制系统的实用性又可以减少异步电机的实用从而改善电网的功率因数[6]
。2)交流化。交流电机诞生之后,由于交流电机本身具有其他电机不具备的优点使得交流调速系统逐渐取代直流调速系统随着交流调速系统制造成本的不断减少交流调速系统不仅会取代现有的直流调速系统而且还会取代大量的以前常用的交流传动系统。3)网络化。由于微处理器的发展,数字处理器也运应而生。数字处理器在使用中简便而又快捷同时还有可能联网由于工业生产的需求控制系统的规模越来愈大,相对应的,控制系统也变得越来越复[7]
。单独工作控制系统越来越少反倒是大规模的多级协同工作的控制系统越来越多因此就需要计算机网络来控制与监控整个系统动设备和控制器作为一个网络节点连到现场总线或工业控制网上,以期能够对生产过程进行实时监控。另外随着科学技术的不断发展越来越多的智能控制技术被应用于运动控制系统中。例如:模糊控制、神经网络控制、解耦控制[8]
,各式各样的观测器和识别技术的应用大大改善了控制系统的性能从而为运动控制系统走向复杂的高度自动化的网络控制创造了有利的条件。近几年由于交流调速系统在如何提高调速精度方面遇到了瓶颈于是直流调速的优势就显现了出来虽然直流调速目前不是主流但由于其转速和转矩容易控制直流调速仍然是最可靠调速精度最高的调速方法直流调速系统人广泛的应用于各种需要高调速精度的场合如转台定位系统等所以增强对直流调速系统的学习和研究是很有意义的于直流调速系统又具有交流调速不具备的优势所以不能完全实用交流调速系统有必要对直流电机控制系统作进一步的研究和开发。1.3本研内为了对直流电机控制系统有更进一步的认识和研究文利用单片机为核心在LM358电压比较器芯片N沟道MOS管IRF740增量式光电编码器为基础,实现以下功能:(1)实现了电机转速、正反转控制;(2)实时显示电机转速;(3)保证电机运行的稳定性,使得转速误差在很小的范围内;2
xxxx大学本科毕业设计(论文)本文分三大部分第一部分为前置部分包括第一章描述了运动控制系统的发展历史以及交直流电机控制系统的优缺点第二部分为论文主体部分包括第二三章给出用于精密平台的直流电机驱动控制器的硬件电路原理和软件部分流程图,以及通过对本实验数据分析得出的结论,并对下一步工作作出展望。第三部分为附录部分,包括第四章,为软件部分的编程和系统整体电路图。3
xxxx大学本科毕业设计(论文)2系统硬件设2.1整设根据整体硬件电路要求,由于系统运算量不是很,只会产生很少的数据需要处理,所以使用ARM单片机学习板已完全能够满足要求统的硬件包括:采用12V直流电机作为驱动目标,采用LM358片和N沟道MOSIRF740为恒流源驱动电路,采用编码器作为电机转速检测电路以及显示电路ARM键盘控制电路等。恒流源驱动电路直流电动机增量式光电编码器2.2直电工原
ARM单片机图2.1系硬件框图
显示电路图2.2直流电机的物理模型图
图2.3直电机的基本工作原理图对图2.2所示的直流电机,给电A加上高电平,电B加上低电平,如图2.3(a)所示,电刷A上就会有电流流入,并且会流过载流导体线圈abcd从电刷B流出[。如图2.3a)所示,载流导体ab上电流流动的方向向里,磁感线方向向下,则由左手定则可知载流导体将会逆时针转动;同理,载流导体cd电流方向向外,磁感线方向向下,cd载流导体也会逆时针转动,因此载流线圈将会逆时针转动所以电机转子也会逆时针转动当转子转到如上(4
xxxx大学本科毕业设计(论文)所示的位置,电刷A和电刷B互换位置,电刷A上依然会流入直流电流,不过此时电流在载流线圈中的方向却是dcba,最后从从电刷B流出。此时载流导体ab上电流方向向外磁感线方向向下则由左手定则可知载流导体将会逆时针转动;同理,载流导cd电流方向向里,磁感线方向向下,cd载流导体也会逆时针转动相当于载流导体ab和cd互换位置载流线圈依然会逆时针转动所以电机转子同样还会逆时针转动这就是直流电动机的工作原理虽然在电刷上加的电流为直流高电平和低电平但由于磁场方向和电流流向不变所以在线圈中流过的电流实际上是是交流的所以转矩方向不变转子的转动方向也不变[。而在实际应用中为了降低垫底电磁转矩的波动一般转子上的绕组都不是由一个线圈组成,而是由多个线圈连接而成。综合本次设计的具体情况,本次设计采用的是型削边轴775微型直流电机削边轴保证不会出现打滑现象为电机稳定运行提供了一下保障该电机具体参数如下:额定电压:;空载电流:;堵转电流3.25A;空载转速:4500转分钟;出轴长度:15mm(台阶水平面以上的轴长度);轴径:5mm轴(削边1.5mm,削边长13mm。2.3运部电及理LM358作为电压放大器工作时的原理如图所示:直流电压经电阻输入至LM358芯片的3脚(同相端),R2、R3成了反馈网络,引入的是电压串联负反馈R1为平衡电阻且有这样由虚断可得i=i及U=UR2R3+
1
;又由虚短可得:U=。再由R2、R3组成的分压电路可得:Uo=(R2+R3)U/R2;+--Uo=(1+R3/R2)U/=(1+R3/R2)U==10V.-+1图2.4电放大器原理图5
xxxx大学本科毕业设计(论文)LM358用作电压比较器时工作原理为图可知运放处于开环工作状态,具有虚断与U-≠U+特点。此处有U+=U1,U-=U2。U1大于U2时,的输出为正的最大值,即高电平;当小于U2时,的输出为负的最大值,即低电平。当U1等于U2时,输U0产生跳变。由于是单电源供电,所以输出电压摆幅会比较大(一般为0~),所以万用表显示数值为3.5V左右。图2.5电比较器原理图2.4MOS管动分常用的电机驱动有集成芯片、双极性晶体管、MOS管等,但是在查阅资料的过程中发现一个问题,就是电机工作效率下面分别用芯片、晶体管D882、MOS管IRF250为例说明这一问题。D882的压降如下:图2.6压图IRF250导通电阻为:图2.7IRF250导通电阻图L298压降为如下:图2.8L298压图由以上各指标图可以看出,若均12V驱动电压、2A动电流来计算的话,6
xxxx大学本科毕业设计(论文)三中驱动方式产生的压降分别为:D882,L298:4.9V。所以,三中驱动方式自身消耗功率为,:0.5*2=1W;IRF250:0.17*2=0.34W;L298:4.9*2=9.8W。若驱动一、2A直流电机为例:电机得到的功率是:*2=24W;用D882则需要供电,效率为:24/(12.5*2)=96%;用IRF250则需要供电12.17V,效率为:24/(12.17*2)=98.6%用L298则需要供电16.9V,效率为:24/(16.9*2)=71%由以上可得在所述三种电机驱动方式中选用MOS管驱动电机时驱动电路本身消耗的压降会很小压降最小,同时电机的得到的效率也会最大12]。根据系统要求,本次设计选用的是沟道MOS管IRF740,其具体参数为:漏源极电压V最大为400V栅源极电压V最大20V漏极电流I最大为DSGSD10A管导通时漏源级电阻R最大为0.48Ω通电压V最大为DSGS的输出特性及转移特性如下:图2.9IRF740输出特性与转移性图由输出特性曲线可以看出场效应管会工作在线性区与饱和区[13]
所以只要控制漏源电压V和栅源电压V,漏极电流I便会很稳定,如图所示,当V为DSGSDGS6V,V>6V时,I稳定在3.8A右,这就是恒流驱动的基础。DSD另外如何给场效应管散热也是电路中急需解决的问题场效应管在工作一段时间之后管子本身会发烫温度过高时会损坏管子故此在MOS管后加一散热片缓解发烫的问题。7
xxxx大学本科毕业设计(论文)2.5恒源体计由以上所述可得本设计雏形本设计的思路是由LM358作为比较器输出一高电平驱动MOS管相当于给MOS管输入一钳位电压然后强行让管工作在饱和区,然后由管驱动电机。同时MOS的源极接采样电阻然后输入至电压放大器的同相端放大器的输出即为比较器的一路输入电压从而实现反馈控制使系统能够自动消除输入与输出之间的误差从而使电机工作在稳态电路原理图如下:图2.10硬件整体原理图经测量MOS管的栅源电压V约有6.2V左右漏源电压V约有左右,GSDS输出漏极电流I5A,且改变栅极电压漏极电流不变。D图示电路中R2为采样电阻,因为采样电阻上流过的电流很大(几安培到几十安培不等所以为了减少在采样电阻上消耗的功率以及考虑到采样电阻发热的问题,其取值一般都很[14]
。根据电流的大小和功耗一般取值0.1Ω~1Ω。本设计采用金属壳散热式电阻,它具有精度高、功耗较小等优点,阻值1Ω另外需要注意的是在接线的时候采样电阻的接地一端的导线要尽可能的短。如果导线较长的话,又由于采样电阻本身阻值小,所以,导线上的电阻与采样电阻本身相比是不能被忽略的而且导线的电阻稳定性很差导线上的压降如果过大的话会影响反馈电压值,从而影响整个横流系统的稳定性。IRF740的源极电压约有,U1B的同相端输入电压约为3.33V用放8
xxxx大学本科毕业设计(论文)大器放大1.5倍,所以R1、R4分别为1KΩ和Ω;R3为平衡电阻,且有R3=R1//R4=666Ω;放1.5倍之后U1B的输出电压为4.995V,所以U1A的同相端输入基准电压6V,使U1A一直输出高电平,驱动场效应管工作在饱和区,从而使漏极输出稳定的电流。2.6电转测部电机转速测量的方法有很多种,常用的有以下几种:1霍尔传感器测转速在电机上装一圆盘保证原判和电机能够同轴转动。在圆盘上装上数量不定的小磁珠任选一小磁珠并将霍尔元件固定在其附近当电机转动时每当有一个小磁珠经过霍尔元件霍尔元件便会输出一个脉冲计算出一定时间内的脉冲数量即可确定霍尔元件输出脉冲的频率从而测得电机转速[2)测速发电机:测速发电机是一种输出电动势与转速成正比的微型特种电机转速越高输出的电动势越大反之亦然其输出电动势和转速n成线性关系,即E=Kn,K是常数。若电机的旋转方向发生改变,那么测速发电机的输出极性也会随之改变在直流电机与测速发电机同轴连接时只要能检测到有输出电动势就可以根据电动势大小测出直流电机的转速所以测速发电机又称为速度传感器;3)光电开关传感器:采用槽式红外对射式光电开关,集成度高,体积小,通过发射端发射红外信号接收端接收由障碍物反射回来的红外信号来判断是否有障碍物,当有障碍物经过时,输出脉冲,没有障碍物时则不输出脉冲,计算出一定的脉冲数可以计算出传感器输出脉冲的频率可确定电机的转速;4)光电编码器:编码器测速原理和光电开关传感器一样,同样是有遮挡物的时候输出脉冲,不遮挡的时候不输出,,通过所测出的一定时间内的脉冲数,就可以根据书上计算转速的公式测出电机当前转速。如上所述种测速方法均简便切可行且所需的元器件也易获取由于)的方法中需要在电机转轴上加一圆盘且圆盘上还需加小磁钢可能会由于材料限制无法获取圆盘和小磁钢;2)的方法中,测速发电机价格比较昂贵,考虑之后决定放弃此方法;3)的方法中光电开关传感器测量范围短,不适宜长距离测速,且点击转轴没有遮挡物,除非是连接小风扇,用扇叶做遮挡物才可行;综合考虑并结合整个系统平台应用之后选择用光电编码器测速且用齿条和联轴器将电机和编码器固定在同轴电机转动时带动编码器转动然后由编码器输出脉冲测速。本次设计选用的编码器为两相输出的LPD3806增量式旋转编码器,接线方式为:绿线-A相输出;白线-B相输出;红线Vcc电源;黑线-地。电路输出9
xxxx大学本科毕业设计(论文)为NPN集电极开路输出AB两相输出相位差为90°的脉冲可以根据AB两相脉冲的相位差来判断电机正反转但是在本次设计中因为编码器只是简单的测速功能所以只用到A相输出输出的脉冲输入值ARM单片机中有单片机处理数据并显示当前转速。其他参数如下:工作电压:5~24V;最大转速5000转/分钟;电气响频:20K/秒;综合转速2000转/钟。图2.11编码器图2.7示路在单片机系统中,一般显示功能都是利用数码管来完成,因为LED数码管采用BCD编码显示数字编程比较简单而且不占用太多的系统资源还有一部分采用液晶显示但由于用的很少所以本次设计也采用八段数码管显示所谓的八段数码管就是指数码管有八个小发光二极管组成中七个发光二极管构成数字显示所需字形另一个显示的是小数点可以通过控制不同的发光二极管的亮灭来显示出不同的字形。数码管具有电路结构简单、低损耗、寿命长、耐老化、成本低、对外界要求低、操作简单等优点,可采用数码管动态显示[当需要多个数码管进行显示时,常用的方法有两种,静态显示和动态显示。静态显示时数码管一个段码对应一个控制引脚其优点是控制逻辑简单缺点是需要的控制引脚比较多每一个LED显示器用一个端口驱动耗电量大显示位数多时很少采用动态显示则刚好相反动态扫描驱动方式的工作原理是将多个显示器的段码同名端连在一起位码分别控制利用人眼的视觉暂留时间分别别进行显示只要保证一定的显示频率够大显示周期就会小于人演的视觉暂留时间,这样,用眼看显示效果就和一直显示时一样的。本设计的LED显接口采用动态扫描的驱动方式ARM板上的数码管由个小数码管组成,用PNP三极管进行驱动,并在三极管上附加4.7K的上拉电阻。LED码管从左到右分别显示千位、百位、十位、个位。数码管要不停显示电机当前的转速。显示模块电路原理图如图所示。10
xxxx大学本科毕业设计(论文)图2.12显模块电路原理图2.8按控电根据系统设计的最初思路,保证电机平稳运行才是整个系统最重要的部分。所以为了提高转速测量的准确度以及能够更快速地实时显示电机当前转速时也是为了能够多次测量数据以便分析理论转速与实际转速之间的误差时也是出于实际考虑,因为在搭建的电机-齿条-编码器平台中,平台长度只有~50厘米试验后可发现以电机运行的速度几秒钟就会走到头就会触碰到行程开关,电机自动停止,所以,采用按键电路对采样时间进行控制,即对采集编码器输出脉冲数量的时间进行控制而且在本设计中只用到两个按键所占单片机资源比较少,而且电路简单[按键由电压驱动,按键S3按下时为0.5s时间采集脉冲数据;S4按下时为1s时间采集脉冲数据。电路图如图2.12所示。图2.13按键电路原理图11
xxxx大学本科毕业设计(论文)3软件设计3.1主序计根据系统整体硬件电路和电机转速测量功能的要求统的软件部分共有四部分,分别为:主程序,转速检测计算子程序和显示子程序。主程序的流程图如图3.1所示。开始初始化检测到脉冲?Y入中断,计算脉冲数量
N采样时间到?Y计算转速
N数码管显示转速图3.1主程序流程图12
xxxx大学本科毕业设计(论文)3.2转检子序由于增量式编码器输出时脉冲信号以可以通过测量脉冲频率或周期的方法测速,测速方法有M法、T法及M/T法。1)M法测速:在一定的时间间隔内,对编码器所产生的脉冲进行计数,来确定速度。若编码器每转输出N个脉冲,在时间内得到m1个脉冲,则编码器所产生的脉冲频率f:f=m1/t,则转速(单位为r/min)为:n=60f/N=60*m1/(t*N);2)T法测速:用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间间隔来确定被测转速的方法[此方法中,必须使用标准时钟脉冲(其周期为T0)做为测量编码器输出信号周期T的“时钟”。设编码器每转产生N个脉冲,测出编码器两个相邻脉冲上升沿之间会有多少个周期为的标准时钟脉冲数,记此脉冲的个数m2,则编码器脉冲周期为T=T0*m2,转速n=60f/N=60/(T*N)=60/(m2*T0*N)=60*f0/(m2*N)3)M/T法测速:结合M法和T法的有点,能够克服两种方法的不足之处,能够在较宽速度范围内实现转速的精确测量。由以上所述结合本次设计,出于综合考虑之后决定采M法测速,因为单片机提供了一个可以测量脉冲上升沿的模块通过此模块测量一定时间内的脉冲数,由以上公式可算出转速。具体流程图如下:程序入口EC161模捕获上升沿N按键按下?YNN
并计数为value定时器中断入中断取脉冲数valueS3按下?
S4按下?计算转速YY定时器TI2打开样间0.5s
定时器TI3打开样时间1s图3.2转速测量子程序流程图13
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xxxx大学本科毕业设计(论文)3.3显子序ARM单片机中设计了4位LED数码管,本次设计也会用到这四个数码管,其功能为:从左到右分别为千位数、百位数、十位数、个位数。若转速低则收尾显示0若低于100则左首位和左次首位均显示转速的显示具体流程图如下。程序入口选中数码管初始化送段码调取当前转速值灭LED灯查表获取要显示数字对应的4个形码定时器被调用次选中一位数码管显示
送位码点亮灯返回图3.3显示子程序流程图14
xxxx大学本科毕业设计(论文)4结在日常生活中无论是家庭生活中亦或是工业生产中电机都是一个必不可少的电器产品但是电机在运行过程中产生的震动及噪音也是不可避免的本次设计从电机运行原理出发设计了一套恒流源驱动电机的系统从驱动技术方面减缓电机的震动。经过一个半月的时间本次设计顺利的完成了硬件电路的焊接及调试软件部分的编程切程序编译无误同时还完成了电机-齿条-编码器的平台搭建在测试过程中发现系统可以对电机转速进行实时测量并显示并且可以控制电机正反转而且硬件电路中各处的电压电流值也与模拟电路中的值相近同时也用示波器测得了编码器输出的波形,漏极电流I能稳定在5A左右,说明了方案的可D行性。但是在测试过程中由于时间及本人技术水平有限也发现了本系统的不足之处:转速显示不稳定,转速数据误差较大;而且转速精度不够小;按键控制电路不稳定同时由于过多使用杜邦线导致整体设计看起来不太美观以及电路硬件焊接排版有待美化等问题。总体而言本次设计较好的完成了恒流源驱动电机的方案对电机驱动技术有了更深一步的理解也对运动控制系统有了重新的认识为以后的学习打下了基础同时由于技术水平有限对此次设计中很多问题研究的不够深刻需要继续努力。15
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