基于数字PID的电机散热控制器设计报告.docVIP

摘 要 本文主要介绍了电机散热系统控制器的机械结构、仿真及软硬件模块的设计过程。整个系统以89C52RC为主控芯片，以540电机作为转动发烫电机，采用DS18B20来检测540电机的温度，以12x12的水泵和风扇构成电机的散热器，用LM298驱动电路驱动与控制散热器。其简单工作原理为DS18B20B实时采集540电机的温度并传回给单片机，以此为依据来控制水泵阀门的开关以及风扇的转速，通过仿真数字PID的位置式与增量式进行对比，确立采用增量式PID水泵阀门的开关以及风扇的转速进行控制。 关键词：电机散热 水泵 风扇 增量式PID 目 录 摘 要 3 一． 设计概要 5 二． 原理分析 5 三． 方案设计 11 四． 总体设计 12 五． 硬件设计（个人设计） 13 六． 软件设计 16 七．其它技术设计 17 八．设计总结 19 参考文献 20 致 谢 21 附件（设计图纸、程序等） 22 设计概要 首先通过DS18B20对540电机的温度进行检测，在通过单片机结合预设温度判断对散热器的控制，最终单片机输出PWM波通过LM298对水泵即风扇进行控制。需要根据设计要求，电机散热系统控制器的设计可以分为4大部分：温度的测量以及设置预设温度；控制算法的仿真；硬件设计；软件设计以及调试。可以细分为： 电机散热系统控制器的结构调整 传感器DS18B20的布局 电源模块 电机驱动设计 数字PID的仿真 控制程序的编写 系统在设计是按照以上模块进行原理设计分析，最后确定每个部分的具体方案，最终确定设计的整体方案。 原理分析 在此章节主要分析设计的基本原理包括：电机温度原理、水冷散热原理、数字PID控制原理。 2.1电机温度原理 2.1.1发热一散热机理分析 电机各部分材料导热能力、散热条件相差很大，且受热不均匀，温度达到稳定以前，各点温度不断变化，是一个发热一散热过程非常复杂的不稳定导热过程。若要分析、计算每个节点的温度，将会使模型难度大大增加〔3J，不利于工程实现。对于废气门采用的小型永磁直流电机，本文将其视为常物性的均质物体，即物理性质不发生变化、表面各点散热情况相同且其内部没有温差 的物体。 永磁直流电机工作时产生的热量来源有绕组铜损、定子铁损、涡流损耗等，其中，绕组铜损占绝大部份，因此绕组是电机温度最高的地方四。忽略其他损耗，即假设除了绕组铜损，电机其余功率均作为机械输出，得到永磁直流电机等效发热原理如图1所示。 图1 电机工作时的电压平衡方程为 （1） （2） 式中，为电机等效工作电压;为电机反电势;为电机等效工作电流;为电机等效电阻;为反电势系数;为磁通;为电机角速度。 于是，可以得到电机的发热功率为: （3） 电机与周围介质之间的传热方式主要为对流散热，根据牛顿冷却公式，可得电机的散热功率为: （4） 式中，为对流换热系数;为电机表面积;， 分别为电机温度和环境温度。 考虑风速影响的对流换热系数为： （5） 式中，为无风环境下的对流换热系数;为风速;为风速影响因子。 2.1.1电机发热模型建立 根据能量守恒定律，由式(3)、式(4)可得基于功率的永磁直流电机温度模型算法如下: （6） 式中，为电机比热容;为电机质量;为时间。 根据传热学知识，可知热容从，热阻。当电机温度饱和时有，由式(6)可得电机稳态温度为: （7） 将式(7)带入式(6)，可得电机的发热方程为: （8） 断电时，电机的冷却方程为: （9） 式中，为电机(发热/冷却)初始温度;为发热/冷却时间常数。 根据前文所述可得风速与时间常数的关系为: