基于单片机的AGV伺服控制系统毕业设计论文开题报告.docx

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基于单片机的AGV伺服控制系统毕业设计论文开题报告

xxxxxxx大学

毕业设计（论文）前期工作材料

学生姓名:

准考证号

教学点:

专业:

电子工程

设计（论文）题目:

基于单片机的AGV伺服控制系统

的研究

指导教师:

（姓名）（专业技术职务）

材料目录

序号

名称

数量

备注

1

毕业设计（论文）选题、审题表

1

2

毕业设计（论文）任务书

1

3

毕业设计（论文）开题报告〔含文献综述〕

1

4

毕业设计（论文）外文资料翻译〔含原文〕

1

5

毕业设计（论文）中期检查表

1

201x年x月

xxxxxxxx大学

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：

准考证号：

专业：

电子工程

设计（论文）题目：

基于单片机的AGV伺服控制系统

的研究

指导教师:

201x年x月x日

开题报告填写要求

1．开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从继续教育学院网站上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；

4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—2005《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。

如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。

毕业设计（论文）开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

基于单片机的AGV伺服控制系统的设计与研究

AGV（AutomatedGuidedVehicles）又名无人搬运车，自动导航车，激光导航车。

其显著特点的是无人驾驶，AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。

在本毕业设计中，电机的控制系统占着重要的地位，电机的性能对AGV的运行速度，运行的平稳性等起着重要作用。

AGV的两驱动轮分别由两个完全相同的电动机驱动，从而实现整个AGV车体的驱动。

可选用的电动机包括：

1．直流电机：

有刷直流电机、无刷直流电机。

2．交流电机：

单相电动机、三相电动机。

3．步进电机：

步进电动机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。

步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。

4．直线电机：

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。

它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

有刷直流电机具有响应快速，从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，除了会造成组件损坏之外，使用场合也收到限制。

交流电机没有碳刷及整流子，免维护但特性上若要达到相当于直流电机的性能需用复杂控制技术才能达到。

步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

它的力矩会随转速的升高而下降，运行不稳定。

本设计是把无刷直流电动机（BLDC）作为AGV的控制系统的驱动电机，现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。

BLDC电机采用霍尔元件等作为位置传感器，代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换向取代机械换向，同时具有有刷直流电机的外部特征。

普通直流电机通过电刷进行机械换向，换向时产生电磁干扰，噪声大，电刷的损耗也造成电机的可靠性差，为了克服机械换向带来的缺点，BLDC电机应运而生。

。

它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。

BLDC电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。

AGV设计中，对载重物重量，起止的速度，运行的方向也有很高的要求，所以对电机的精度也很高。

因此，根据电动机的用途，设备及装置的要求，选用BLDC电机是比较合适的。

参考文献

[1]张琛.直流无刷电动机的原理及应用[M].北京机械工业出版社,2004.

[2]李学海.PIC单片机原理[M].北京航空航天大学出版社,2004.

[3]杨圣.PIC系列单片机的原理与实践[M].中国科学技术大学出版社,2003.

[4]李荣正,王诚杰.PIC单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社,2010.

[5]李中华,张雨农.8位单片机C语言编程[M].人民邮电出版社,2010.

[6]顾绳古.电机及拖动基础[M].机械工业出版社,2004.

[7]郭庆鼎，赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].中国电力出版社，2008.

[8]刘小春.无刷直流电动机的单片机控制[J].自动化技术与应用，

2009,28（3）:

129~130.

[9]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社,2002.

[10]顾铭.无刷直流电机控制系统设计[D].大连理工大学,2006.

[11]无刷直流电机原理（Microchip_AN885）原文，来自XX文库.

[12]卢静,陈非凡.基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计[J].北京机械工业学院学报，2009,17（4）:

45~49.

[13]蔡耀成.无刷直流电机中的霍尔位置传感器[J].威特电子，1999,27（5）：

23~25.

[14]李青.单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计[D].黄冈师范学院,2008.

[15]葛广军，杨帆.基于单片机的智能小车控制系统设计[J].河南城建学院学报，2011,20（3）:

47~50.

[16]刘志强.无刷直流电机论文[D].上海海运学院，2010.

毕业设计（论文）开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

（1）本课题需要解决的问题：

1）理解BLDC电机的工作原理

2）对于BLDC电机换相方法的研究

3）实现对BLDC电机的调速

4）转子位置检测技术的研究

（2）研究的手段：

1）通过在网上、图书馆收集资料

2）与老师及时沟通

3）通过自己的研究及整理

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

AGV主要由主控单元，导引单元，驱动单元，通讯单元，安全与辅助单元和供电单元等组成。

本文主要研究的是AGV小车的驱动系统的可靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的维护成本，从而推动小车的广泛应用。

电机是AGV的关键部件。

为使小车具有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。

由于AGV的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有良好的能量回馈性能。

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

本课题主要研究无刷直流电机的控制原理，依据无刷直流电机特性，针对AGV的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的研究。

硬件部分以单片机作为控制芯片，逆变器由MOSEFET管组成。

通过逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现电机的智能控制以及过流保护等保护功能，可靠的对小车电机和电池进行保护，确保小车使用安全。

本课题实现无刷直流电机的控制，要求硬件结构简单、成本较低。

利用单片机完成软件编写和硬件调试。

对于本课题，在参阅大量的文献的基础上还可以加深对2轮驱动变向的研究。

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日

xxxxxxxxxxxxx大学

毕业设计（论文）外文资料翻译

教学点：

专　业：

电子工程

姓　名：

学　号：

（用外文写）

外文出处：

附件：

1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

指导教师评语：

该学生能够较好的翻译此篇外文，所译内容是论文中涉及的知识，翻译准确，语句流畅。

签名：

年月日

注：

请将该封面与附件装订成册。

附件1：

外文资料翻译译文

无刷直流电机原理（MicroChipAN885）

1简介

本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。

BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。

顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如：

1）能获得更好的扭矩转速特性；2）高速动态响应；3）高效率；4）长寿命；5）低噪声；6）高转速。

另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。

在这篇应用笔记中将会对BLDC的结构、基本原理、特性和应用做一系列的探讨。

探讨过程中可能用到的术语可以在附录B“术语表”中找到相应的解释。

2无刷直流电机的结构和基本工作原理

BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。

BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。

在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的3相BLDC。

2.1定子

BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。

从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。

大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。

图2.1.1BLDC内部结构

BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。

梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图2.1.3所示。

图2.1.2梯形绕组的反电动势波形

图2.1.3正弦绕组的反电动势波形

另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。

但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多（？

）。

平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范围的无刷电机。

48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。

100V及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工业生产领域。

2.2转子

定子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的（内转子型），如果是外转子型BLDC那么就是贴在转子内壁咯。

如图2.2.1所示；

图2.2.1转子磁极排布

2.3霍尔传感器

与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。

要使BLDC转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。

定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。

通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。

无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。

霍尔效应：

当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显，这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压，这种现象就称为霍尔效应，E.H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。

图2.3.1霍尔传感器测量原理

图2.3.1显示了NS磁极交替排列的转子的横截面。

霍尔元件安放在电机的固定位置，将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的，因为如果安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置，鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的安装，通常在电机的转子上安装一颗冗余的磁体，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁体感应的相同效果，霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖，这样用户就可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状态。

霍尔元件位置的安排上，有60°夹角和120°夹角两种。

基于这种摆放形式，BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定，当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺序。

注意：

霍尔元件的电压范围从4V到24V不等，电流范围从5mA到15mA不等，所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。

另外，霍尔元件输出集电极开路，使用时需要接上拉电阻。

2.4操作原理

每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。

转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90°时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。

典型的“六步电流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电次序。

2.5转矩/转速特性

图2.5.1转矩和速度特性显示了转矩和转速特性。

BLDC一共有两种转矩度量：

最大转矩和额定转矩。

当电机连续运转的时候表现出来的就是额定转矩。

在无刷电机达到额定转速之前，转矩不变，无刷电机最高转速可以达到额定转速的150%，但是超速时电机的转矩会相应下降。

在实际的应用中，我们常常会让带负载的电机启动、停转和逆向运行，此时就需要比额定转矩更大的转矩。

特别是当转子静止和反方向加速时启动电机，这个时候就需要更大的转矩来抵消负载和转子自身的惯性，这个时候就需要提供最大的转矩一直到电机进入正向转矩曲线阶段。

2.5.1转矩和速度特性

2.6BLDC和其他类型电机比较

表2.6.1有刷与无刷的比较

特性

直流无刷电机

直流有刷电机

换向器

基于霍尔传感器的电子换向

有刷机械换向器

寿命

较长

较短

转矩/转速比

平坦，额定负载下可在所有转速下正常工作

高转速时电刷将影响其有效输出转矩

效率

高效率

适中

输出功率

高，由于其线圈是在定子上，所以有很好的散热特性。

中等或低

转速

高，不受电刷等机械结构的限制

低，受电刷等机械结构的影响

电磁噪声

低

电刷上的电弧会影响临近的设备

成本

高，主要是因为其转子内嵌永磁体导致成本增加

低

控制器成本

复杂且较贵

简单而便宜

控制器要求

需要控制器保持其运行，并可以调速

定速时不需要控制器，如果需要调速则就需要控制器

表2.6.2无刷和感应电机的比较

3、换向时序

图2.6.1显示了霍尔元件的输出、反电动势和相电流的关系。

图2.6.2显示了根据霍尔元件输出的波形应该给绕组通电的时序。

图2.6.1中的通电序号对应的就是图2.6.2中的序号，每隔60°夹角其中一个霍尔元件就会改变一次其输出特性，那么一圈（通电周期）下来就会有6次变化，同时相电流也会每60°改变一次。

但是，每完成一个通电周期并不会使转子转动一周,转子转动一周需要的通电周期数目和转子上的磁极的对数相关，转子有多少对磁极那么就需要多少个通电周期。

图2.6.3是关于使用MCU控制无刷电机的原理图，其中微控制器PIC18FXX31控制Q0-Q5组成的驱动电路按照一定的时序为BLDC通电，根据电机电压和电流的不同可以选择不同的驱动电路，如MOSFET、IGBT或者直接使用双极性三极管。

表2.6.1和表2.6.2表示的是基于霍尔输入时在A、B、C绕组上的通电时序。

表2.6.1是转子顺时针转动的时序，表2.6.2是转子逆时针转动的时序。

上面两个表格显示的是当霍尔元件呈60°排列时的驱动波形，前面也提到霍尔元件还可以呈120°的夹角排列，那么这个时候就需要相应的驱动波形，这些波形都可以在电机生产商的资料里找到，应用时需要严格遵守通电时序。

图2.6.1BLDC运行时序

图2.6.2通电时序

图2.6.3无刷电机的驱动原理图

如图2.6.3所示，假设驱动电压和电机运行时的电压相等（包括驱动电路本身的损耗），当PWMx按照给定的时序开和关时无刷电机将会以额定的转速旋转。

为了调速，我们使用远高于电机运转频率的PWM波驱动电机，通常我们需要至少10倍于电机最高频率的PWM驱动波形。

当PWM驱动波形的占空比变化时，使得其在定子上的有效电压变化，这就实现了无刷电机的调速，另外，当驱动电源电压高于电机本身的额定电压时，我们可以调节PWM的占空比来使得驱动电源电压适合电机的额定驱动电压。

可想而知，我们可以使用同一个控制器去挂接不同额定电压的电机，此时只需要用控制器改变一下PWM的占空比就行了。

另外还有一种控制方式：

当微控制器的PWM输出不够用时，可以在整个通电时序内将上臂一直导通（即上臂不使用PWM）而下臂使用PWM驱动。

图2.6.3中连接数字和模拟转换通道的分压电路提供了一定速度的参考电压，有了这个电压，我们就可以计算PWM波形的有效值。

表2.6.1顺时针转动时序

表2.6.2逆时针转动时序

3.1闭环控制

我们可以通过闭环测量当前电机的转速而达到控制电机的转速的目的，我们通过计算期望转速和实际转速的误差，然后使用PID算法去调节PWM的占空比以达到控制电机转速的目的。

对于低成本，低转速的应用场合，可以使用霍尔传感器获得转速反馈。

利用PIC18FXX31微控制器本身的一个定时器去测量两个霍尔元件输出信号，然后根据这个信号得出实际的转速。

在高转速应用场合，我们可以在电机上装上光电编码器，可以利用其输出相差90°的信号进行转速和转向的测量。

通常，光电编码器还可以输出PPR信号，使得可以进行较精确的转子定位，编码器的编码刻度可以上百甚至上千，编码刻度越多，精度越高。

4.反电动势（BACKEMF）

根据楞次定律，当BLDC转动时其绕组会产生与绕组两端电压相反方向的反向电压，这就是反电动势（BACKEMF）。

记住，反电动势和绕组所加电压是反向的。

决定反电动势的主要因素有以下几点：

1）转子的角速度；2）转子永磁体的磁场强度；3）每个定子绕组缠绕的线圈数量。

计算反电动势的公式：

BackEMF=（E）∝NlBw其中：

1）N为每相绕组的线圈数量2）L转子的长度3）B为转子的磁通密度4）W为转子的角速度当电机一旦做好，那么其绕组的线圈数量和永磁体的磁通密度就定了，由公式可知，唯一决定反电动势的量就是转子的角速度（也可以换算为线速度）且角速度和反电动势成正比。

厂家一般会提供电机的反电动势常量，通过它我们可以用来估计某一转速下反电动势的大小。

绕组上的电压等于供电电压减去反电动势，厂家在设计电机的时候会选取适当的反电动势常量以便电机工作时有足够的电压差可以使电机达到额定转速并具有足够的转矩。

当电机超过额定转速工作时，反电动势会持续上升，这时加在电机绕组间的有效电压会下降，电流会减少，扭矩会下降，当反电动势和供电电压相等的时候，电流降为0，扭矩为0，电机达到极限转速。

附件2：

外文原文（复印件）