無刷直流電動機程序設計

前言本課程設計題目“無刷直流電機程序設計”，指導老師李教授，設計時間從3月7日至6月12日。電機的程序設計是進行電機設計的有力工具，它對開發(fā)電機的新系列、新產品所起的作用是人所共知的。日前，越來越多的從事電機產品設計開發(fā)的工程技術人員重視和使用這門技術并且在實際應用中獲得了越來越顯著的成就。電機作為一門學科已有較長的發(fā)展歷史，隨著電機工業(yè)的發(fā)展，特別是由于應用了電子計算機技術，使其面貌煥然一新。眾所周知，電機運行時牽涉到電、磁、機械熱等多方面的問題。因此，電機的設計是一個非常復雜的問題，其數學模型相當復雜，設計計算相當麻煩，由于人工計算效率很低，精確度有限，如果在電機設計中應用電子計算機，不僅計算時間大大縮小，將使工程技術人員從繁瑣的機械的數學計算中解放出來，而且設計方案的計算范圍也擴大了許多，設計出來的方案無論從數量上還是從質量上都有很大的突破。本次課程設計進度可分為如下五個階段：一、熟悉原理10%二、設計框圖20%三、編制程序30%四、調試程序與運行30%五、寫說明書10%本次課程設計中，始終得到了指導老師李光中教授的大力指導，特別在熟悉無刷直流電機原理的階段中，李光中教授經常在百忙之中親臨指導，在此，致以衷心感謝。第1章緒論1.1無刷直流電機的發(fā)展應用概及其況無刷直流電機是近年來隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展下來的一種新型直流電機。它是現(xiàn)代工業(yè)設備、現(xiàn)代科學技術和軍事裝備中重要的機電元件之一。一個多世紀以來，電機作為機是能量轉換裝置，其應用范圍已遍及生產中的各個領域以及人們的日常生活之中。電機主要類型有同步電機、步電機與直流電機三種。在此所要討論的是直流無刷電機。眾所周知，直流電機具有運行效率高和調整性能好等諸多優(yōu)點，隨著用途的擴大，對直流電機的要求也就越來越高。顯然，有接觸的機械換向裝置限制了有刷直流電機的應用場合。因傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致使弱點，再加上制造成本高及維修難等缺點而限制了它的應用范圍，致使目前工農業(yè)生產上，大多均采用三相步電機。無刷直流電機它既保持了普通直流是動機良好的調整和起動性能，又具有壽命長、可靠性高，加之，它通常采用永磁體為轉子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。因此無刷直流電機沒有換向火花，沒有無線電干擾，維修方便，此外，它的轉速不受機械換向的限制，如采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉的速度中運行。由于無刷直流電機具有上述一系列優(yōu)點，因此，它的用途遠比有刷直流電機廣泛，尤其適用于高級電子設備和一些技術、化工、采礦等特殊部門。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的基本理論基礎。十九世紀四十年代研制成功了第一臺直流電機。但隨著用途的擴大，對直流電機的要求也就越來越高。顯然，有接觸的機械換向裝置限制了有刷直流電機的應用。為了取代有刷直流電機械接觸裝置，在早期，人們曾提出過用離子裝置的定子繞組按轉子位置換接的所謂整流子電機。但此種電機由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重而又復雜，故無實用意義。隨著社會生產力的發(fā)展，人們生活水平的提高，需要不斷地開發(fā)各種新型電機?？茖W技術的進步，新技術新材料的不斷涌現(xiàn)，使得電機產品不斷的推陳出新。針對上述直流電機所存在的弊病，早在本世紀30年代，就曾開始研制以電子換向來代替電刷機械換向的直流無刷電機。但因當時大功率電子器件僅處于初級發(fā)展階段，沒能找到理想的電子換相器件，使得這種電機只能停留在實驗室研究階段而無法推廣使用。隨后，科學技術的發(fā)展，帶來了半導體技術的飛躍，開關型晶體管的研制成功，經過反復的試驗和不斷的實踐，終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來代替有刷直流電機的機械換向裝置，從而為無刷直流電機的發(fā)展開辟了新的途徑。六十年代，以接近某物而動作的近開關式位置傳感器、電磁式諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世。之后，又出了磁電耦合式和光電式位置傳感器。經過反復試驗和不斷的實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來代替有刷直流電機的機械換向裝置，從而為直流電機的發(fā)展開辟了新的途徑。六十年代初期，以接近某物而動作的接近開關工位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世。之后，又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。過多年的努力，終于在1962年借助于霍爾元件來實現(xiàn)換流的無刷直流電機。隨著比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管的出現(xiàn)，在七十年代初期，又試制成功了借助磁敏二極管實現(xiàn)換流的無刷直流電機。在試制各種類型的位置傳感器的同時，人們試圖尋求一種沒有附加位置傳感器結構的無刷直流電機。1968，首次提出了采用電容移相來實現(xiàn)換流的新方法。在此基礎上，后來人們又試制成功借助數字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實現(xiàn)換流的無附加位置傳感器的無刷直流電機。從環(huán)境保護，節(jié)約能源角度出發(fā)，無刷直流電機具有廣闊的發(fā)展前景。比如在電動自行車上、電動車上的運用。并且掀起了研制和開發(fā)的無刷直流電機在交通方面的運用熱潮，究其原因，無刷直流電機在這方面的運用具有特別重要的意義，比如：沒有一般汽車廢氣排放，可降低車輛噪聲污染，多種清潔能源能用于發(fā)電，有益于環(huán)境保護；能源效率高，有利于節(jié)約能源，主要是防止石油的進一步日益枯竭和能源短缺等。隨著人們生活節(jié)奏的加快，活動范圍的不斷擴大，人們希望獲得一種輕便快捷、簡單安全的交通工具。無刷直流電機在電動轎車、電動摩托車和電動助力自行車上的運用就是一個最典型的例子。于是人們選擇了燃油助動車，但由于燃油助動車采用小容量二沖程汽油發(fā)動機為動力，其廢氣排放濃度是一般轎車的3－5倍，其污染問題引起了社會各界和主管部門的高度重視。在上海、蘇州等大中城市，于1996年便開始禁止燃油助動車上牌照。而電動自行車因為輕便、快捷，適應了現(xiàn)代人追求環(huán)保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費者的普遍歡迎，得以再度興起。當人們需要它幫助行駛時，只要將輪式電機接通電源就能夠幫助腳踏車電動行駛。且該電機的存在，并不妨礙原來腳踏車人工腳踏操作行駛的那一套系統(tǒng)。因此這種輪式電機將會受到自行車王國的中國市場廣泛的歡迎。在汽車空調上無刷直流電動機也得了青瞇，克服了原先在汽車空調上使用的直流電動機因電刷使用壽命短，噪聲大，經常需要維護和修理這些難題。對我國，電動汽車的研制開發(fā)這項工作又有著特殊重要的意義：一方面我國人口眾多、資源有限，生態(tài)環(huán)境問題非常尖銳，電動車“與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”密切相關；必須以環(huán)境、能源為中心，汽車正面臨一個巨大的時代，而無刷直流電動機的運用正是這場“綠色革命”的主角。1.2無刷直流電機的開發(fā)前景和特點研究和分析微電機的應用和發(fā)展，人們肯定會得出這樣的看法和結論：無刷直流電機將會持續(xù)目前迅速發(fā)展的勢頭，并將在要求高性能的應用領域中逐步取代其他類型的電機，占主導地位。由于無刷直流電機保持著有刷直流電機的優(yōu)良控制特性,在電磁結構上和有刷直流電機一樣,但它的電樞繞組放在定子上,轉子上放永久磁鋼。無刷直流電機的電樞繞組和交流電機的繞組一樣,采用多相形式,經由驅動器接到直流電源上,定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換向代替有刷電機的電刷和換向器,各相逐次通電產生電流,和轉子磁極主磁場相互作用,產生轉矩。和有刷直流電機相比,無刷直流電機由于革除了電的滑動接觸機構,因而消除了故障的主要根源。由于轉子上沒有繞組,因此就沒有電的損耗。又由于主磁場是恒定的,因此鐵損也是極小的(在方波電流驅動時,電樞磁勢的軸線是脈動的,會在轉子鐵心內產生一定的鐵損)?？偟膩碚f,除了軸承旋轉產生摩擦損耗外,轉子的損耗很小,因而進一步增加了工作的可靠性。隨著電子技術的進步,電子工業(yè)的發(fā)展,電子元器件的價格不斷下降。考慮綜合指標(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等)之后,無刷直流電機的應用正處于上升趨勢。下表是與其它電機的綜合特性比較。近幾年,隨著稀土永磁材料和電力電子器件性能價格比的不斷提高,無刷直流電機作為中小功率高性能調速電機和伺服電機在工業(yè)中的應用越來越廣泛。無刷直流電機的基本組成環(huán)節(jié)無刷直流電機的基本組成結構直流無刷電機的結構如圖2-1。它主要由電機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。電機本體在結構上與永磁同步電機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。其定子繞組一般制成多相。轉子由永久磁鋼按一定極對數組成。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。由于是子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而也就起到了機械換向器的作用。圖2-1無刷直流電機的工作原理圖電機轉子的永久磁鋼與永磁有刷電機中所使用的永久磁鋼的作用相似，均是在電機的氣隙中建立足夠的磁場，其不同之處在于直流無刷電機中永久磁鋼裝在轉子上，而直流有刷電機的磁鋼裝在定子上。電子開關線路是用來控制電機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關系分配給直流無刷電機定上各相繞組，以便使電機產生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。綜上所述，組成直流無刷電機各主要部件圖如2-2所示：無刷直流電動機無刷直流電動機電動機本體位置傳感器電子換向線路主定子主轉子傳感器定子傳感器轉子電子換向線路圖2-2直流無刷電機的組成框圖電機本體電機本體的主要部件有主轉子和主定子。這它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產生足夠的磁能，電樞繞組允許通地一定的電流，以產生一定的電磁轉矩，其次要滿足機械方面的要求，保證機械結構牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉矩，關能經愛住一定環(huán)境條件的考驗。此外，還要考慮節(jié)約材料、結構簡單、運行可靠和溫升不超過規(guī)定的范圍。（1）主定子是電機本體的靜止部分。它是由導磁的定子鐵芯、導電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機殼、絕緣槽楔、引出線等。（2）主轉子示電機的本體轉動部分，是產生激磁磁場的部件。它是由三部分組成：永磁體、導磁體和支撐零部件。它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中能夠產生足夠的磁通。電樞繞組允許通過一定的電流，以便產生一定的電磁轉矩。其次就是要滿足機械方面的要求，保證機械結構牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉矩，并能夠經受一定環(huán)境的考驗。主定子繞組是電機本體的一個重要部件。當電動機接上電源后，電流流入繞組，產生磁勢，后者與轉子產生的激磁磁場相互作用而產生反電勢，吸收了一定的電功率并通過轉子輸出一定的機械功率，人而實現(xiàn)了將電能轉換成機械能的過程。2.2.2位置傳感器位置傳感器在直流無刷電機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類較多，且各具特點。目前在直流無刷電機中常用的位置傳感器有下敘幾種：電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器。顯然置傳感器及其處理電路是驅動控制電路的關鍵部件。本論文所采用的是磁敏式位置傳感器，在后面將對其工作原理作詳細的介紹。2.2.3電子換向線路電子換向電路和位置傳感器相配合，起到與機械換向器類似的作用，所以，電子換向電路也好似無刷直流電機實現(xiàn)無刷接觸換向的一個重要組成部分。電子換向電路的任務是將位置傳感器的輸出信號進行解調，預放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動機的可靠運行。一般來說，對電子換向電路的基本要求是：線路簡單；運行穩(wěn)定可靠；體積小，重量輕；功率損耗小；能夠按照位置傳感器的信號進行正確換向，并能控制電機的正反轉；能夠滿足不同環(huán)境條件的要求；第3章無刷直流電機的工作原理無刷直流電機的工作原理電機本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機轉子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產生控制信號。 圖3-1無刷直流電機工作原理示意圖 如圖3-1所示，當轉子旋轉（順時針）到圖a所示的位置時，轉子位置傳感器輸出的信號經控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使T1、T6導通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經T6回到電源的負極，此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子順時針轉動。當轉子在空間轉過60電角度，到達圖b所示位置時，轉子位置傳感器輸出的信號經控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使T1、T2導通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經T2回到電源負極。此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子繼續(xù)順時針轉動。轉子在空間每轉過60電角度，逆變器開關就發(fā)生一次切換，功率開關管的導通邏輯為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在次期間，轉子始終受到順時針方向的電磁轉矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉。轉子在空間每轉過60電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?，電機有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉子旋轉120電角度。無刷直流電動機的這種工作方式叫兩相導通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機最常用的一種工作方式。直流無刷電動機為了實現(xiàn)無刷換向，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉子上。但這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產生固定磁場，它不能與運動中轉子磁鋼所產生的永磁磁場相互作用，以產生單一方向的轉矩來驅動轉子轉動，所以，必須由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同構成的換向裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中定子繞組所產生的磁場和轉動的轉子磁鋼產生的永磁磁場。有刷直流電動機運行時，轉子繞組（電樞繞組）通入直流電，導體切割定子磁場產生電磁轉矩。導體電流其方向是不斷變換的。電源是不變向的，導體電流的換向是利用換向器，電刷而完成的（1）。無刷電機（簡稱）從產生電磁力的角度講，與有刷電機（簡稱）是一致的，導體中的電流須有規(guī)律地通斷。AAA＇BB`X＇YY＇X無刷電機轉子建立主磁場。永磁磁鋼（如磁瓦至于轉子鐵心上（軟鐵），形成主磁場。定于鐵心中放置（繞組），如果導體中有電流，且如有刷電機電樞導體一樣電流有規(guī)律地換向，無刷電機即可正常運轉。無刷電機導體中電流通斷是通過功率開關實現(xiàn)的。假設轉子建立四極磁場、磁場均布，定子槽數為8槽，采用如圖3-2所示繞組。圖中AX\A＇X＇稱為A組繞組的兩部分；BY\B＇Y＇稱為B相繞組的兩部分，即A、B相繞組都為雙繞組型式。圖中繞組槽距角α=90°電角度，當轉子磁極N極軸線偏離槽2位置135°時，繞組AX通入正向電流（首端A、A＇、B、B＇流入電流為正向），其他繞組關斷，則繞組受力方向為右，轉子受力方向向左，從而驅動轉子轉動。當轉子轉動90°，關斷繞組AX，并讓繞組B＇Y＇通入反向電流，此時繞組B＇Y＇受力方向向右，轉子受力方向向左，轉子繼續(xù)旋轉；當旋轉90°時，繞組B＇Y＇關斷，繞組A＇X＇通入反向電流，轉子繼續(xù)旋轉；當旋轉90°時，繞組A＇X＇關斷，繞組BY通入正向電流，轉子繼續(xù)旋轉。此后，繞組AX、B＇Y＇、BY、A＇X＇重復通、斷過程，電動機不停地運轉。上述各繞組電流的通斷稱之為換流，不同于有刷電機的換向，換流的過程實現(xiàn)了，無刷電機的運行，此即無刷電機工作原理。各繞組電流的通斷控制主電路如圖3-3。+AX’BY’XA’YB’D1D5D2D6D3D7D4D8T1T2T3T4_圖3-3兩相雙繞組供電方式霍爾傳感器直流無刷電動機為了實現(xiàn)無刷換向，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉子上。但這樣做還是不行的，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產生固定磁場，它不能與運動中轉子磁鋼所產生的永磁磁場相互作用，以產生單一方向的轉矩來驅動轉子轉動，所以，必須由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同構成的換向裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中定子繞組所產生的磁場和轉動的轉子磁鋼產生的永磁磁場。圖3-4霍爾式無刷直流電機工作原理圖圖3-4中，兩個霍爾無件H1、H2以90°電角度間隔安置于主定子繞組U和V的軸線上，作為位置傳感器定子。電動機本體的主定繞組由四個彼此成90°電角度間隔的集中線圈構成。主車子磁鋼既可以作為電動機本體的主轉子，又可以作為霍爾元件的激磁磁場即位置傳感器轉子。霍爾元件的輸出接在與主定子繞組相連的功率開關晶體管的基極上。下面進一步分析其換流過程。當轉子磁場通過霍爾元件H1，只要事先加以控制電流，那么霍爾元件H1便有霍爾電勢產生，其輸出x1經功率放大管BG4放大給定子繞組V饋電，它的電流與轉子磁場的相互作用，使轉子以順時針方向轉動90°電角度；此時，轉子磁場通過霍爾元件H2，霍爾元件H2便產生霍爾電勢，其輸出y1經功率放大管BG3放大給定子繞組W饋電，轉子又以順時針方向轉動90°電角度；此時，雖然轉子磁場仍通過霍爾元件H1，但極性已反，即磁場方向改變了，霍爾電勢必須改變方向，此時可能過其輸出x2經功率放大管BG2放在定子繞組x饋電，使轉子又以順時針方向轉動90°電角度；同樣，轉子磁場再次通過霍爾元件H2，其輸出的霍爾電勢也只能經功率放大管BG1給定子繞組U饋電，使轉子回到起始狀態(tài)。以后又重復上述的過程。這樣，定子繞組依次饋電，它產生超前轉子的跳躍旋轉磁場，于是電動機就會連續(xù)的運轉起來。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質?？刂菩盘柦M成系統(tǒng)在電機運行時，可進行轉子位置檢測，定子繞組限流，電機調速，轉子位置檢測采用霍爾元件，電子繞組限流采用單穩(wěn)集成塊74LS221實現(xiàn)，電機調速用PWM信號控制，調制方波由集成塊NE555產生，系統(tǒng)工作的核心是GTR逆變器開關功能實現(xiàn)的，其工作原理可用控制主電路圖說明。圖中D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管，它們與穩(wěn)壓管D5、D6、D7、D8一起用于各部分繞組關斷時其漏感能量的泄放。圖中功率開關T1、T2、T3、T4受驅動電路控制，按設定的邏輯規(guī)律導通，導通狀態(tài)見表3-1。H1H2T1T2T3T4100000011100110010000001表3-1GTR導通狀態(tài)表當一個開關導通，電源便對與其相應的繞組饋電，從而該部分繞組產生轉矩，驅動電機運行，繞組饋電電流，電勢理想波形見圖3-5。本電機級數為2，沒想繞組導通的電角度為90(deg)。（A）（V）電流I1電勢E1Wt(℃)Wt(℃)（A）（V）電流I2電勢E2Wt(℃)Wt(℃)（A）（V）電流I3電勢E3Wt(℃)Wt(℃)（A）（V）電流I4電勢E4Wt(℃)Wt(℃)圖3-5電流、電勢的理想波形I1、I2、I3、I4為T1、T2、T3、T4的控制繞組的電流。E1、E2、E3、E4為T1、T2、T3、T4的控制繞組的電勢。第4章Fortran程序設計Fortran語言開發(fā)歷史Fortran全稱（FormulaTranslationSystem）。FORTRAN可謂目前計算機運算中的程序語言之父，它是第一個能將數學公式轉換成計算機程序的語言。在1957年IBM成功地將其商業(yè)化后，F(xiàn)ORTRAN正式展開協(xié)助無數工程應用軟件的開發(fā)工作。FORTRAN擅長于數學函數運算，主要應用于數值分析、系統(tǒng)仿真及自動控制等領域。程序內容架構包含變量定義、函數、副程序、主程序等部分。由于FORTRAN的出現(xiàn)，使得工程師與科學家首次能以較自然的語言寫程序，因此在工程用軟件設計的程序導向語言領域具有舉足輕重的地位。Fortran是世界上最早出現(xiàn)的高級編程語言，是工程界最常用的編程語言，它在科學計算中（如航空航天、地質勘探、天氣預報和建筑工程等領域）發(fā)揮著極其重要的作用。經過40多年的發(fā)展，伴隨著FORTRAN語言多次版本的更新及相應開發(fā)系統(tǒng)的出現(xiàn)，其功能不斷完善，最新版本的開發(fā)系統(tǒng)幾乎具備了VC、VB的所有特點，如圖形界面編程、數據庫等。在Fortran程式撰寫的過程中，常需要使用到一個或數個input或者是output的文檔，例如：open(unit=9,file=name,status=new)。將資料輸入(Read)或者輸出(Write)檔案的同時，也可以先給予特殊的格式限制。例如：read(unit=1,fmt=*)ARead(1,10)A******指讀入1號檔案中的資料，并存入“A”中，使用第10列所規(guī)定的格式。Write(1,20)A******原理同上。早在1951年，美國IBM公司約翰·貝克斯(JohnBackus)針對匯編語言的缺點著手研究開發(fā)FORTRAN語言，并于1954年在紐約正式對外發(fā)布。稱約翰·貝克斯提出的FORTRAN語言為FORTRANⅠ，F(xiàn)ORTRANⅠ雖然功能簡單，但它的開創(chuàng)性工作，在社會上引起了極大的反響。到1957年第一個FORTRAN編譯器在IBM704計算機上實現(xiàn)，并首次成功運行了FORTRAN程序。在1958年，對FORTRANⅠ進行了擴充和完善，引進了子函數等概念，推出了商業(yè)化的FORTRANⅡ版本。之后，F(xiàn)ORTRAN語言發(fā)展迅速，多種版本相繼在其它計算機上實現(xiàn)。在1962年，推出了FORTRANⅣ。FORTRANⅣ沒有充分考慮兼容性，導致FORTRANⅡ程序不能在FORTRANⅣ系統(tǒng)中運行，使其應用受到了很大限制，這時語言不兼容性問題和影響被突出表現(xiàn)出來。此前也出現(xiàn)過FORTRANⅢ，但由于存在嚴重缺陷，沒有在計算機上實現(xiàn)。隨著FORTRAN語言版本的不斷更新和變化，語言不兼容性問題日益突出，語言標準化工作被提上了日程。1962年5月，美國標準化協(xié)會(簡稱ANSI)成立相關機構著手進行FORTRAN語言標準化的研究工作，并于1966年正式公布了兩個標準文本：美國國家標準FORTRAN(ANSIX3.9-1966)和美國國家標準基本FORTRAN(ANSIX3.10-1966)，前者相當于FORTRANⅣ，后者相當于FORTRANⅡ?；綟ORTRAN是美國國家標準FORTRAN的一個子集，從而實現(xiàn)了語言的向下兼容，初步解決了語言的兼容性問題。通常稱美國國家標準FORTRAN為FORTRAN66。FORTRAN66的推出在國際上產生了廣泛影響，1972年國際標準化組織(簡稱ISO)在FORTRAN66基礎上制定了FORTRAN語言三級國際標準：基本級、中間級和完全級。20世紀60代末，結構化程序設計方法提出后，具有結構化特征的程序設計語言開始出現(xiàn)，如：ALGOL、PASCAL、MODULA、C等。如何將結構化特征引入FORTRAN66引起計算機廠商和研究機構的高度重視，許多計算機廠商開始對FORTRAN66進行不同程度的擴充，引入了結構化特征。針對這種情況，ANSI于1976年對FORTRAN66(ANSIX3.9-1966)進行了修訂，吸收了計算機廠商所擴充的一些行之有效的功能，同時增加了許多新內容。ANSI于1978年4月正式公布了新的美國國家標準(程序設計語言FORTRANANSIX3.9-1978)，同時宣布撤消ANSIFORTRAN3.9-1966，通常稱新標準為FORTRAN77(該版本原計劃1977年公布)。FORTRAN77向下兼容FORTRAN66。在1980年，F(xiàn)ORTRAN77被ISO正式確定為國際標準ISO1539-1980，該標準分全集和子集。FORTRAN77推出后，由于具有結構化特征，在社會上得到了廣泛應用，同時由于擴充了字符處理功能，在非數值處理領域也能大顯身手。20世紀80年代末，F(xiàn)ORTRAN77結構化和現(xiàn)代化的研究開始興起，到1991年5月，ANSI公布了新的美國國家標準FORTRAN(ANSI3.198-1991)。之后，ISO采納該標準，并確定為國際標準ISO/IEC1539-1：1991，新國際標準還采納了我國計算機和信息處理標準化技術委員會程序設計分會提出的多字節(jié)字符集數據類型及相應的內部函數，為非英語國家使用計算機提供了極大的方便。通常稱新標準為FORTRAN90，F(xiàn)ORTRAN90向下兼容FORTRAN77。之后不久又出現(xiàn)了FORTRAN95。FORTRAN90的推出，使傳統(tǒng)FORTRAN語言具有了現(xiàn)代氣息。Fortran2003的規(guī)則已經由ISO組織制定發(fā)布。Windows平臺下，微軟公司將FORTRAN90無縫集成在DeveloperStudio集成開發(fā)環(huán)境之中，推出了MicrosoftFORTRANPowerStation4.0，使FORTRAN90真正實現(xiàn)了可視化編程，徹底告別了傳統(tǒng)DOS環(huán)境(字符界面)，轉到了現(xiàn)代Windows環(huán)境(視窗界面)，共享微軟公司Windows平臺的豐富資源。在1997年3月，微軟公司和數據設備公司(DigitalEquipmentCorp，簡稱DEC)強強聯(lián)合，合作研究、開發(fā)和推出了功能更強的FORTRAN語言新版本：DigitalVisualFORTRAN5.0，它是MicrosoftFORTRANPowerStation4.0的升級換代產品。DEC公司在高性能科學和工程計算方面擁有世界領先技術，其高質量的FORTRAN編譯器遍及全球。1998年1月，DEC與Compag公司合并，DEC成為Compag公司的全資子公司，于是DigitalVisualFORTRAN更名為CompagVisualFORTRAN，其最新版本為CompagVisualFORTRAN6.6。Compaq和HP合并之后，Compaq的Fortran小組和Intel的Fortran開發(fā)小組合并，開發(fā)出來IntelFotran編譯器9，有l(wèi)inux和window2個版本，其windows版本為IntelVisualFortran，可以和微軟的VisualS集成。Windows平臺下還有PGI，Absoft，Intel等多個商業(yè)公司的Fortran編譯器，還有大量小公司的免費Fortran編譯器。openMPI使Fortran等語言可以容易且免費的實現(xiàn)并行計算。Linux平臺下，其gcc編譯器默認支持fortran，另外有Intel，SunStudio，openMPI，Photran等共享編譯器和PGI，Absoft，lachy，IBM，SGI，HP等多個版本的商業(yè)編譯器。支持Fortran2003標準的編譯器行將推出，新版本的SunStudio編譯器已經支持部分Fortran2003語法。隨著其他程序設計語言的迅速發(fā)展，F(xiàn)ortran語言不再是惟一適用的程序設計語言。然而，盡管在一些特殊領域，使用其他程序語言更為合適，但在數值計算、科學和工程技術領域，F(xiàn)ortran仍具有強大的優(yōu)勢。其強大的生命力在于它能緊跟時代的發(fā)展，不斷更新標準，每次新的文本推出都在功能上有一次突破性進展。Fortran90不僅僅是將已有的語言進行標準化，更重要的是發(fā)展了Fortran語言，吸取了一些其他語言的優(yōu)點。所以，雖然Fortran語言歷史悠久，但仍在日新月異地發(fā)展。使定子內徑d減少將結果輸出到文件pmdc.out中，結束計算效率AtA進行性能計算各種損耗計算使定子內徑d減少將結果輸出到文件pmdc.out中，結束計算效率AtA進行性能計算各種損耗計算計算電勢系數Kv計算繞組電阻R計算槽滿率調用槽面積計算子程序SLTARE計算槽面積S計算繞組總面積Sw調用選取線型子程序Wirtyp選取線型計算電機繞組匝數W初始化電勢系數KVO，效率ATAO由輸入數據文件pmdc.dat輸入電機的主要尺寸4.3源程序-------------PermanentmagnetlebrushlessDCmotordesignprogram.-------------IntegerwrealJMM,N,KFN,KPS,KPS1,KP,KY,KH,L,LEF,KV,IMN,IN,KF,KEF,JM,kpr,kpa,kpi,kv0,im0,in0,kdopen(11,file=’pmdc.dat’,STATUS=’OLD’)open(12,file=’pmde.out’,STATUS=’NEW’)open(13,file=’pmde0.dat’,STATUS=’NEW’)read(11,*)FN,N,V,M,NP,DS1,DT,L,JMN,KFN,BG,KPS,KP,KY,KH,&DR2,DP,Hc0,KPR,kpa,kpi,kdwrite(6,1)PN,N,V,M,NP,DS1,DT,L,JMN,KFN,BG,KPS,KP,KY,KHformat(1x,’PN,N,V,MNP,DS1,DT,A,JMN,KFN,BG,KPS,KP,KY,KH’//1x,&3f7,2,214,2f10,3/1x,e13.4,7f8.4//)fai=3.1415920kfe=0.9kv=0.6dr2=dr2/1000.0dp=dp/1000.0ds1=ds1/1000.0dt=dt/1000.0l=l/1000.0d=ds1/2.0e=6.08/(kfc*kps1*bg*a)lef=l*0.95ata0=0.73lm0=pn/ata0/vw=Int(30.0*kv0*v/(pai*kd*n*d*lef*bg))Format(1x,’lef,d,w,kf=’,2e13.5,2x,i5;2x,e13.5)sc0=im0/jmm/2sc=sc0callwirtyp(sc,dsc,dsc1,r0,ksc)write(6,61)dsc,ksc,dsc1,r0Format(1x,’dsc=’,f10.4,’ksc=’,15,’dsc1=’,f10.4,’r0=’,f10.4)sw=w*ksc*dsc1*dsc1callSLTARE(NP,M,DS1,D,DT,0.8,KP,KY,KH,S,cs,bp,hp,bc,hc,hs,sts0,stp0,bps)subroutineSLTARE(NP,M,DS1,D,DT,0.8,KP,KY,KH,S,cs,bp,hp,bc,hc,hs,sts0,stp0,bps)callSLTARE(NP,M,DS1,D,DT,0.8,KP,KY,KH,S)write(6,3)NP,M,DS1,D,DT,KPS,KP,KY,KH,lefwrite(12,2)s,sw,wwrite(6,2)s,sw,wFormat(1x,’NP,M,DS1,DS2,DT,KPS,KP,KY,KH,lef:’/1x,2i5/2x,8f9.4)Format(1x,’TheareaofstatorslotSandSw=’,2e13.4,’w=’,10//)kf=sw/swrite(6,4)kfFormat(1x,’SC=’,f10.4//)w=a/(2.0*m*in)*(pai*d)l=lef/0.95hp=d*pai/float(m*np)ri=2.0*(L+2.3*tp)*w*r0/1000.0/float(ksc)write(6.62)lef,d,w,kfdr=(kf-kfn)/kfuif(aps(er),lt,0.005)goto20di=dsl*pai/float(m*np)d=d-or*s/dl/1.0e+6/2.0goto15continuekv=1.0-im0**rr/ver1=kv-kv0if(abs(er1).le.0.005)goto150kv0=(kv0+kv)/2.0goto15pcu=rr*om0*im0tz=pai*d/8.0bz=0.9*tz*bg/bp/kfeba=kps*pai*d*bg/4.0/float(np)/cs/kfef1=float(np)*n/60.0pa=2.2*f1/100.0+3.*1.4*(f1/100.)**2pz=1.5*1.1*f1/100.0+3.*1.4*(f1/100.)**2ga=7.8pai/4.*(ds1*ds1-(ds1-2.0*cs)**2)*lef*1000.Pfes=3.*ba*ba*ga*pa+4.*pz*bz*bz*gzPsw=0.02*pnWrite(6,*)’pcu=’,pcu,’pfes=’,fpes,bz,baAta=pn/(pn+pcu+pfes+psw)Er2=ata-ata0If(abs(er2),le,0.005)gota160Ata0=ataGoto5A=float(w)*im0/d/pai.100.*2Ata=ata*100Sc=pai*(dsc/2.0)**2Jm=Im0/(Sc*ksc)/2.Write(6,4)scHm=dpApm=180.0/np*kprArt=180.0/np*kpaApi=180.0/np*kpiC0=1000.0SubroutineSLTARE(NP,M,DS1,DS2,DT,KPS,KP,KY,KH,S,cs,bp,hp,bc,hc,hs,sts0,stp0,bps)Write(12,21)v,pn,n,m,np,ds1*c0,d*c0,c0*(d-2*dt),dr2*c0,l*c0Write(12.23)dt*c0,cs*c0,bp*c0,hp*c0,bc*c0,hc*c0,bps*c0,hs*c0,sts0,stp0,&hm*c0,apm,art,apiWrite(12,24)kf*100.0,w,dsc,ksc,lm0,rr,bg,a,jm,a*jm,kvWrite(12,26)pcu,pfes,psw,ata,ba,bzFormat(1x,///9x,&’#####################################################’/9x,&’##’/9x,&’#DesignofPermanentMagnetBrushlessD.C.Motor#’/9x,&’##’/9x,&’#####################################################’/9x,&’RatedParameters:’/9x,&’DCSupplyVoltageV=’,f10.2,’(V)’/9x,&’OutputPowerPn=’,f10.2,’(Wat)’/9x,&’RotationSpeedN=’,f10.2,’(rpm)’/9x,&’NumberofPhaseM=’,2x,i5’’/9x,&’PairNumb,ofPolesNP=’,ex,i5’/9x,&’StruetureSize:’/9x,&’OuterDiameterofStatorDs1=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’InnerDiameterofStatorDs2=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’OuterDiameterofRotorDr1=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’InnerDiameterofRotorDr2=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’StackLengthofIronCoreL==’,f10.3,’(mm)’)Format(1x,8x&’LengthofAirgapDt=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’HighofStatorYokeCs=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’WidthofPoleBp=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’HighofPoleHp=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’WidthofStatorSlotMouthBc=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’HighofStatorSlotMouthHc=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’WidthofPoleShooseBps=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’HighofPoloShooseHs=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’Polepitchangleapp=’,f10.3,’(deg)’/9x,&’PoleArcangleapa=’,f10.3,’(deg)’/9x,&’HighofPMSteelHm=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’ArcAngleofPMSteelApm=’,f10.3,’(deg)’/9x,&’ArcAngleofRotortoothArt=’,f10.3,’(deg)’/9x,&’ArcAngleofIso-MagShellApi=’,f10.3,’(deg)’/9x)Format(1x,&’RateofStatorSlotFillKf=’,f10.3,’(%)’//6x,&’Windingparameters:’/9x,&’NumberofTurnsofaPhaseWindingW=’,1x,i5/9x,&’DiameterofWireDsc=’,f10.3,’(mm)’/9x,&’NumberofWiresWoundedinParalellKsc=’,1x,i5/9x,&’TheEffectiveValueofWindingCurrentIn=’,f10.3,’(A)’/9x,&’ResistanceofaPhaseWindingRw=’,f10.3,’(om)’//6x,&’Magnetic&ElectricLoading:’/9x,&’MaximunFluxDensityinAirGapBg=’,f10.4,’(Tesla)’/9x,&’ElectricLoadingA=’,f10.4,’(A/cm)’/9x,&’CurrentDensityofWindingJm=’,f10.4,&’(A/mm*mm)’/9x,&’ThermalLoadingA*Jm=’,f10.4/9x,&’EffectiveRateofVoltageKv=’,f10.4//6x)Format(1x,&’LossesandEfficiency:’/9x,&’CopperLosspcu=’,f10.3,’(Wat)’/9x,&’IronCoreLoss&AdditionalLossespfes=’,f10.3,’(Wat)’/9x,&’SwitchElementLossespsw=’,f10.3,’(Wat)’/9x,&’EfficiencyoftheMotorAta=’,f10.3,’(%)’/9x,&’Maximumfluxdensityofstatoryokeba=’,f10.4,’tesla’/9x,&’Maximumfluxdensityoftoothbz=’,f10.3,’tesla`)Write(12,22)Write(12,23)Format(1x,’d,l,imn,w,kf,dsc,ksc:’/1x,3f10.4,2x,i5,2x,2f7.3,2x,i5)Write(13,*)NP,M,DS1,D,DT,KPS,KP,KY,KHHc0=hc0*80.0Write(13,*)dr2,dp,Hc0,kpr,kpa,kpiClose(11)Close(12)Close(13)StopEnd-------------PermanentmagnetlebrushlessDCmotordesignprogram.-------------SubroutineSLTARE(NP,M,DS1,DS2,DT,KPS,KP,KY,KH,S,cs,bp,hp,bc,hc,hs,sts0,stp0,bps)RealKPS,KP,KY,KHWrite(0,*)’slotareabegin!’Pai=3.1415926Sts=pai/float(m*np)Sts2=sts/2.0Ri=ds2/2.0Ro=ds1/2.0Stp=kps*stsStp0=stp*180.0/paiSts0=sts*180.0/paiBp=ri*stp*kpBp2=bp/2.0Bps=ri*sin(stp/2.0)*2.0Cs=ri*stp*ky/2.0Bc=ri*(1.0-kps)*sts2Hc=kh*bcWrite(6,*)’hs’Hs=hc/cos(sts2)Write(6,*)’hs’X2=kps*sts2Write(6,*)’hs,ri,kps,sts2:’,hs,ri,kps,sts2Y5=sqrt(hs**2+ri**2+2.0*hs*ri*cos(kps*sts2))X5=x2-asin(hs*sin(x2)/y5)Write(6,*)’xy8’Y8=y5+(ro-cs-y5)/5.0X8=asin(bp2/y8)Write(8,*)’xy11’Y11=ro-csX11=asin(bp2/y11)A1=sts2-x11S1=(a1-cos(a1)*sin(a1))*y11**2Ab=2.0*y11*sin(a1)Cd=2.0*y8*sin(sts2-x8)S2=(ab+cd)*h1/2.0Ef=2.0*y5*sin(sts2-x5)H2=y8*cos(sts2-x8)-hc-r1S3=(cd+ef)*h2/2.0write(6,1)cs,bp2*2format(1x,’cs,bp:’2e13.7)hp=(y11**2-y8**2)/sqrt(y11**2+y8**2+2.0*bp2**2)s=(s1+s2+s3)*1.0e+6bc=2.0*bcwrite(6,*)’slotareaend!’returnend-------------Permanentforchoosingwiretypeofstatorwinding.-------------subprogramforchoosingwiretypeofstatorwinding.Subroutinewirtyp(sc,dsc,dsc1,r0,ksc)Common/c1/dscm(20),dscm1(20),rm(20)Pai=3.1415926Nm=1Sc0=pai*(dscm(nm)/2.0)**2Ksc=int(sc/sc0)+1Ksc=3KSC=5Smin=KSC*Sc0If(Smin.Gt.Sc)Goto10Goto10Write(*,20)format(1x,’wtneedsre-cs’)goto60I10=1Do30I1=1,20Sci=KSC*PAI*(dscm(I1)/2.)**2If(Sci.Ge.Sc)goto50continueI10=I1Dsc=dscm(i10)Dsc1=dscm1(i10)R0=rm(i10)ReturnEndSc1=sc/float(ksc)Write(c,1)sc,sc1,kscFormat(1x,’sc1,sci:’2f10.4)I10=1DO10=I1,11Sci=pai*(dscm(i1)/2.0)**2Write(6,1)sc1,sciIf(sc1.gt.sci)goto10I10=11Goto20ContinueContinueDsc=dscm(i10)Dsc1=dscm1(i10)R0=rm(i10)Write(6,2)i10,dsc,dsc1,r0Format(1x,’i10,dsc,dsc1,ro:’15,2x,3f15.5)ReturnEndBlockdataofwritetypeBlockdatawtCommon/c1/dscm(20),dscm1(20),em(20)Datadscm/0.41,0.44,.47,.49,0.51,0.53,0.55,0.57,0.59,0.62,0.64,&0.67,0.69,0.72,0.74,0.77,0.8,0.83,0.86,0.9/Datadscm1/0.45,0.49,0.52,0.54,0.56,0.58,0.60,0.62,0.64,0.67,0.69,&0.72,0.74,0.8,0.80,0.86,0.89,0.92,0.96/Datarm/162.26,140.3,123.22,113.46,104.5,96.3,89.5,83.6,78.070.6,&66.2,60.5,57.0,52.5,49.7,45.96,42.46,539.53,36.72,33.55/end計算方案編譯結果###############################################################DesignofPermanentMagnetBrushlessD.C.Motor###############################################################RetedParameters:DCSupplyVoltageV=12.00(V)OutputPowerPn=80.00(Wat)RotationSpeedN=3000.00(r/min)NumberofPhaseM=2PairNumbofPolesNP=2StructureSize:OuterDiameterofStatorDs1=72.000(mm)InnerDiameterofStatorDs2=35.147(mm)OuterDiameterofRotorDr1=34.347(mm)InnerDiameterofRotorDr2=7.000(mm)StackLengthofIronCoreL=36.500(mm)LengthofAirgapDt=0.400(mm)HighofStatorYokeCs=4.927(mm)WidthofPoleBp=6.570(mm)HighofPoleHp=8.270(mm)WidthofStatorSlotMouthBc=4.417(mm)HighofStatorSlotMouthHc=8.270(mm)WidthofPoleShooseBps=9.385(mm)HighofPoleShooseHs=5.229(mm)PolepitchangleApp=45.000(deg.)PoleArcangleApa=30.600(deg.)HighofPMSteelHm=2.000(mm)ArcAngleofPMSteelApm=63.000(deg.)ArcAngleofRotortoothArt=18.000(deg.)ArcAngleofIso-MagShellApi=4.500(deg.)RateofStatorSlotFillKf=61.303(%)Windingparameters:NumberofTurnsofaPhaseWindingW=44DiameterofWireDsc=.440(mm)NumberofWiresWoundedinParalell