1639-液壓伺服千斤頂系統(tǒng)設(shè)計

1639-液壓伺服千斤頂系統(tǒng)設(shè)計,液壓,伺服,千斤頂,系統(tǒng),設(shè)計 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 1 -目錄1. 引言 .......................................21.1 選題的依據(jù)及課題的意義 ..............................21.2 國內(nèi)外的研究概況 ....................................31.3 單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 ............................41.4 PID 控制算法的發(fā)展概況 ..............................51.5 設(shè)計要求及工作內(nèi)容 ..................................61.6 目標(biāo)、主要特色及工作進度 ............................72． 機械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 .................72.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 ........................................72.2 千斤頂零部件分析 ....................................92.3 油缸與螺紋的校驗 ...................................122.3.1 油缸的壁厚校驗 ........................................122.3.2 鎖母螺紋牙剪切強度校驗 ...............................132.3.3 鎖母螺紋牙的彎曲強度校驗 ..............................142.4 液壓系統(tǒng)分析 .......................................142.5 液壓泵與電動機的選擇 ...............................152.6 超高壓泵站簡介 .....................................163 . 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 ........................173.1 單片機的選用及功能介紹 .............................173.2 片外存儲器功能簡介 .................................183.3 顯示部分設(shè)計 .......................................213.4 鍵盤部分設(shè)計 .......................................253.5 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) .........................273.5.1 交流異步電動機變頻調(diào)速原理 ...........................283.5.2 主電路和逆變電路工作原理 ..............................283.5.3 變頻與變壓 ...........................................323.6 位移檢測部分的設(shè)計 .................................383.6.1 位移檢測傳感器的選用 .................................383.6.2 光柵位移傳感器與單片機的接口設(shè)計 .....................403.7 位移傳感器部分的設(shè)計 ...............................433.7.1 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 ......................................433.7.2 壓力傳感器與單片機的接口設(shè)計 .........................47南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 2 -4．系統(tǒng)的 PID 控制算法 .........................484.1 PID 控制原理 .......................................484.2 數(shù)字 PID 控制算法 ..................................504.2.1 位置式 PID 控制算法 ...................................504.2.2 增量式 PID 控制算法 ..................................514.3 智能自適應(yīng) PID 控制器 ..............................525. 系統(tǒng)模擬仿真 ...............................575.1 SIMULINK 概述 ......................................585.2 SIMULINK 的窗口和菜單 ..............................585.3 用 SIMUINK 創(chuàng)建模型 .................................605.4 用 SIMULINK 進行系統(tǒng)仿真與分析 ......................615.4.1 建立控制系統(tǒng)模型 .....................................615.4.2 系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與仿真參數(shù)設(shè)置 .......................625.4.3 系統(tǒng)仿真與分析 .......................................646.結(jié)論 ........................................677.致 謝 .......................................688. 參考文獻 ...................................681. 引言1.1 選題的依據(jù)及課題的意義隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷深入，大尺寸、大重量、不規(guī)則表面的工件越來越多的成為工廠加工的對象。而在加工過程中如何將這些工件準確的提升至預(yù)定位置則成為最難解決的問題，這時傳統(tǒng)的千斤頂和起重機等設(shè)備就顯示出先天不足的缺陷來。也正是在這種環(huán)境下，同步頂升系統(tǒng)應(yīng)運而生，并在建筑、機械加工、造南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 3 -船等行業(yè)扮演著越來越重要的角色。同步頂升系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制多個千斤頂，使其具備頂升大重量、大體積、復(fù)雜工作表面的工件的能力，并具有同步升降、點動升降、連續(xù)升降、側(cè)翻仰俯等功能的機電一體化設(shè)備。其控制系統(tǒng)可以是微機、單片機、可編程控制器等；其動力系統(tǒng)有液壓式、氣電式、汽液兩用式等；噸位從幾百公斤到幾千噸不等，主要由動力方式和千斤頂?shù)膫€數(shù)來決定 。由于其體積小、承載重、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、使用靈活等優(yōu)點被廣泛的用于電力、建筑、機械制造、礦山、鐵路橋梁、造船等多種行業(yè)中，在設(shè)備安裝、起頂拆卸、靜力壓樁、設(shè)備校調(diào)、基礎(chǔ)沉降等工作崗位發(fā)揮了重要的作用。基于單片機控制、液壓傳動的四頂頂升系統(tǒng)是較常見的，控制算法較簡單的一種。由于其控制簡便、噸位適中、價格也很低廉的優(yōu)點使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領(lǐng)域都有很高的使用度。其重要性不言而喻，對其進行研究和開發(fā)具有很大的市場空間和實用價值。1.2 國內(nèi)外的研究概況國外對同步系統(tǒng)的研究起步較早，基于單片機控制、液壓傳動的四頂頂升系統(tǒng)是較常見的，控制算法較簡單的一種。由于其控制簡便、噸位適中、價格也很低廉的優(yōu)點使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領(lǐng)域都有很高的使用度。美國實用動力 ENERPAC 是這一行業(yè)的佼佼者，在澳大利亞的昆士蘭州，G&S 工程技術(shù) 服務(wù)公司就采用了 ENERPAC（恩派克）提供的同步頂升液壓系統(tǒng) 成功地完成了重達 3500 多噸的礦山巨型索斗鏟的頂升，誤差小于 0.5mm。在上海因廣場改造而需要整體平移的上海音樂廳使用了 ENERPAC 公司開發(fā)的一套具有四組共 60 個高精度頂升點的計算機控制同步頂升和頂推系統(tǒng)，以小于 0.2mm 的誤差將建筑物同步頂升至預(yù)定高度并順利完成平移任南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 4 -務(wù)。我國在這領(lǐng)域起步雖晚，但發(fā)展迅速，經(jīng)過多年的發(fā)展也獲得了許多曙目的成就，今年（2006 年）1 月 4 日，目前世界上最大的閘門——葛洲壩 1 號船閘重達 200 噸、面積相當(dāng)于籃球場大的上游人字閘門安裝就位。此舉標(biāo)志著我國自主研制的第一套大型船閘門同步頂升系統(tǒng)獲得成功。在上海興建的磁懸浮列車的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件軌道梁是確保磁懸浮列車快速、平穩(wěn)、安全的重要保證，其加工精度要求非常高，但每段軌道梁長 25 米，重 16 噸，對其進行精確升舉困難重重，上海千斤頂廠自主開發(fā)的高精度同步頂升裝置不負眾望，順利完成任務(wù)，其同步頂升精度≤0.03mm，達到國際先進水平。我國浙江省海鹽縣有“千斤頂之鄉(xiāng)”的美譽。在千斤頂和同步系統(tǒng)方面形成規(guī)?；a(chǎn)，年生產(chǎn)能力達 800 萬臺以上，銷量位居世界前列。1.3 單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況單片機，就是單片微型計算機的簡稱，又稱微控制器。自上世紀70 年代面世以來不過短短 30 余年的歷史，但因嵌入式應(yīng)用而得到迅猛的發(fā)展，各種新穎的單片機層出不窮，令人目不暇接。它具有因體積小、成本低、控制能力強等優(yōu)點，又由于現(xiàn)在開發(fā)環(huán)境的不斷改善，正在以空前的速度迅速取代經(jīng)典電子系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用于家用電器、機器人、工業(yè)控制單元、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、金融電子系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等嵌入式產(chǎn)品中。目前單片機的種類繁多，世界各國廠商已研制出大約 50 個系列、30 多個品種的單片機產(chǎn)品。與早期經(jīng)典的 8 位單片機 MCS－51 相比，無論是頻率、字寬、尋址范圍、集成度等方面都有了巨大的突破。現(xiàn)代科技的發(fā)展使得單片機的功能正日漸完善:1、單片機集成越來越多資源，內(nèi)部存儲資源日益豐富，用戶不南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 5 -需要擴充資源就可以完成項目開發(fā)，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧美觀，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，目前該方向即是發(fā)展為 SOC(片上系統(tǒng))。2、單片機抗干擾能力加強，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場前景。3、單片機提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開發(fā)進程，為企業(yè)產(chǎn)品上市贏得寶貴時間。4、在線仿真變的容易。用戶一旦開發(fā)一個比較大的系統(tǒng)，開發(fā)調(diào)試變的非常復(fù)雜，同時由于單片機資源有限，不能象 PC 一樣直接調(diào)試自己的軟件，于是出現(xiàn)了品種繁多的專業(yè)仿真器，為用戶的開發(fā)提供了強大功能，加速了開發(fā)進程，降低了開發(fā)難度。目前還已經(jīng)有公司推出了可以在線調(diào)試的單片機，使得單片機系統(tǒng)的調(diào)試與開發(fā)變得更加方便、快速。隨著單片機的發(fā)展，人們對事物的要求越來越高，單片機的應(yīng)用軟件技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，從最初的匯編語言，開始演變到 C 語言開發(fā)，不但增加了語言的可讀性，結(jié)構(gòu)性，而且對于跨平臺的移植也提供了方便，另外一些復(fù)雜的系統(tǒng)開始在單片機上采用操作系統(tǒng)，一些小的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）等，一方面加速了開發(fā)人員的開發(fā)速度，節(jié)約開發(fā)成本，另外也為更復(fù)雜的實現(xiàn)提供了可能。當(dāng)前比較流行的 RTOS 有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS 等等。本次設(shè)計的四頂同步頂升系統(tǒng)再選擇控制系統(tǒng)時在綜合考慮了微機、單片機和可編程控制器的成本、控制的難易程度和結(jié)構(gòu)化布線等因素后，也擬定采用單片機進行控制。1.4 PID 控制算法的發(fā)展概況PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、積分、微分，指的是一項流行的線性控制策略。由于在工業(yè)生產(chǎn)過程的實際控南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 6 -制中，總是存在外界的干擾和系統(tǒng)中各個參數(shù)的變化，它們將會使系統(tǒng)性能變差。為了改善系統(tǒng)的性能，提高控制質(zhì)量，通常在控制中引入比例（Proportional）環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)的快速性；為了消除靜態(tài)誤差，提高精度，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化的適應(yīng)能力，引入積分(Integral)環(huán)節(jié)；為了提高系統(tǒng)對動態(tài)過程的預(yù)知能力，克服慣性的影響，引入微分(Derivative)環(huán)節(jié)。這就是通常所說的 PID 控制。按照偏差的比例、積分、微分進行控制（PID 控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。它結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整、穩(wěn)定性能好、可靠性高，使它在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天仍然具有強大的生命力，在長期應(yīng)用中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。特別是工業(yè)過程控制中，在決定系統(tǒng)參數(shù)的時候往往要借助現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗，在這種情況下，PID 控制就更顯示它的威力。其應(yīng)用經(jīng)久不衰，應(yīng)用范圍越來越廣泛，改進方法也越來越多。二十世紀 60年代發(fā)展、成熟起來的現(xiàn)代控制理論和近幾年發(fā)展的智能控制理論仍在大量的 PID 控制的方法和思想。按照偏差的比例、積分和微分進行控制是過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行經(jīng)驗和理論分析都充分證明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)對象的控制中是可以得到較滿意的控制效果的，在計算機控制系統(tǒng)里首先采用的控制算式也是 PID。1.5 設(shè)計要求及工作內(nèi)容1.由單片機控制四個液壓千斤頂以設(shè)定的速度同步頂升大重量工件。要求四頂頂升時必須同步，頂升速度和高度可以人為設(shè)定。2.設(shè)計具有位置檢測功能的液壓千斤頂。3.設(shè)計千斤頂?shù)囊簤夯芈贰?.設(shè)計單片機控制系統(tǒng)的電路。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 7 -5.設(shè)計相關(guān)控制算法。6.使用 MATLAB 進行仿真試驗。1.6 目標(biāo)、主要特色及工作進度目標(biāo)：設(shè)計一個由液壓驅(qū)動，單片機控制，使用 PID 控制算法的四頂同步頂升系統(tǒng)。特色：該系統(tǒng)具有位置檢測和壓力檢測功能，可適用于不規(guī)則工作表面的工件，并且體積小、承載適中、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，具有很高的實用價值和市場空間。2． 機械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計四頂同步頂升系統(tǒng)由千斤頂、超高壓泵站、控制系統(tǒng)和操作臺四部分組成。我們所設(shè)計的四頂頂升系統(tǒng)的主要參數(shù)是每只千斤頂高約1000mm，最大行程為 400mm，最大載荷為 20t。因千斤頂載荷較大，位置精度要求較高，故頂升速度不宜過大，最大頂升速度應(yīng)控制在60mm/min 以內(nèi)。千斤頂?shù)膭恿ο到y(tǒng)有液壓式、氣電式、汽液兩用式等，考慮到成本、實用性、使用舒適度等因素，我們最終選用了技術(shù)比較成熟的液壓系統(tǒng)。2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析由于千斤頂?shù)耐庑纬叽巛^大，需承受的較大的沖擊載荷，所以初步擬定采用了法蘭型液壓缸的結(jié)構(gòu)原型，并在此基礎(chǔ)上針對液壓千斤頂?shù)氖褂锰匦赃M行調(diào)整。為了適應(yīng)復(fù)雜工作表面的工件，千斤頂?shù)墓ぷ髋_與活塞桿應(yīng)采用南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 8 -轉(zhuǎn)動連接副相連。當(dāng)頂升系統(tǒng)工作時，液壓千斤頂工作臺可隨工件表面形狀進行自由轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，所以設(shè)計時將活塞桿頂部插入球頭，與工作臺形成轉(zhuǎn)動副。如圖 2.1-1 所示。球頭與活塞桿采用緊固螺釘固定。為了能使頂升系統(tǒng)能夠提供長時間而穩(wěn)定的支撐力，采用鎖母來提供機械支撐，當(dāng)活塞上升時，鎖母隨其同步上升，到達預(yù)定位置后，活塞停止上升，再將鎖母旋到螺紋底部，這時通過千斤頂箱體對鎖母的支撐使得工作臺所受載荷全部轉(zhuǎn)變?yōu)殒i母和活塞桿之間的梯形螺紋所受到的切應(yīng)力。這樣即使是在油壓壓力不足或掉電的情況下也能穩(wěn)定的承載重物。由于光柵尺的尺寸較長，只能將活塞和活塞桿做成中空狀來放置光柵傳感器。這樣活塞與活塞桿之間就不宜采用螺母緊固，為方便起見，我們將活塞和活塞桿合為一體，材料同為 45 號鋼。工作時發(fā)光元件與光敏元件隨活塞作同步運動，光柵尺下端固定在底蓋上不動，光源與光柵尺的相對位移量通過讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給單片機。圖 2.1-1 千斤頂?shù)墓ぷ髋_與活塞之間的連接南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 9 -由于千斤頂?shù)男谐梯^長，達 400mm，當(dāng)工作臺旋轉(zhuǎn)一個角度去承載重物時容易產(chǎn)生較大的彎曲力矩使活塞桿折斷。所以有必要設(shè)計一個支撐套進行保護。支撐套與油缸壁之間采用通孔螺釘緊固。圖 2.1-2 液壓缸底蓋的固定方式由于光柵傳感器放在千斤頂內(nèi)部，考慮到其信號線的連接問題，我們將油缸底蓋與千斤頂?shù)鬃g留有一定空間。為了方便裝卸，不宜將底蓋與油缸焊接。經(jīng)過多方面的考慮，比較了多種方案后，采用了如圖 2.1-2 所示的方法固定底蓋。圖 2.1-2 中千斤頂?shù)鬃庌D(zhuǎn)有 4個螺紋孔，用 4 個型號為 M32x85 的六角頭螺栓將底蓋頂起至油缸卡槽處。螺桿長度比實際所需的長 3～5mm，可通過增加墊片的方法達到使 4 個螺栓平均分配載荷的目的。底蓋上套有密封圈，防止漏油。千斤頂?shù)鬃c油缸通過 6 個內(nèi)六角螺釘緊固。在底座和油缸兩側(cè)各開一個通孔用于連接光柵傳感器和壓力傳感器的信號線。2.2 千斤頂零部件分析南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 10 -由于頂升系統(tǒng)可能會在比較惡劣的條件下使用，而且在裝載和卸載重物時，可能會因操作不當(dāng)而對千斤頂?shù)鬃斐奢^大沖擊，導(dǎo)致整個系統(tǒng)遭到破壞。所以底座采用具有較高強度和韌性的球墨鑄鐵QT600－３。油缸是液壓系統(tǒng)的主要零件，它與底座、底蓋、油口、導(dǎo)向套等零件構(gòu)成密封的容器，用于容納壓力油液，同時還是活塞的運動軌道。所以設(shè)計油缸時，應(yīng)該正確的確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的公差等級、表面粗糙度和形位公差等級，以保證液壓缸的密封性、運動平穩(wěn)性和耐用性。對油缸材料的可選空間很大，對其進行篩選需要有足夠的耐心。對油缸的要求：1．要有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)壓力而不致產(chǎn)生永久變形；2．要有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝時的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲；3．內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向套的摩擦作用下，能長期工作而磨損很少，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性；4．最好還需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的時候不致產(chǎn)生裂紋或過大變形。最后我們選定各方面性能良好的 45 號鋼。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或熱軋無縫鋼管，現(xiàn)在國內(nèi)市場上已有內(nèi)孔經(jīng)珩磨或內(nèi)孔精加工的無縫鋼管賣，只需按所要求的長度切割即可。本次設(shè)計雖然活塞與活塞桿采用了一體式設(shè)計，采用相同的材料，但對他們的工藝要求很不相同，所以分開來介紹。由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 11 -缸達不到要求的設(shè)計性能?；钊牧衔覀冞x用的是 45 號鋼?；钊鈴降呐浜弦话悴捎?f9 的公差等級，外徑對內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，端面與軸線的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半，內(nèi)孔的工作表面粗糙度 Ra 值選用 0.16μm。活塞桿要在導(dǎo)向套中滑動，一般采用 H8/f7 的配合。太緊了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損。其圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半。安裝活塞的軸徑與外圓的同軸度公差不大于0.01mm，是為了保證活塞缸外圓與活塞外圓的同軸度，以避免活塞與缸筒、活塞桿與導(dǎo)向套的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，以保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。活塞桿的外圓粗糙度 Ra 值取 0.16μm。太光滑了，表面無法形成油膜，反而不利于潤滑。為了提高耐磨性和防銹性，活塞桿表面需進行鍍鉻處理，鍍層厚 0.03～0.05mm，并進行拋光或磨削加工?；钊麠U導(dǎo)向套裝在缸筒和支撐套的內(nèi)側(cè)，被限制在缸筒和支撐套的卡槽之內(nèi)，但不固定死。用以對活塞桿進行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒的密封。上方裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。如圖 2.2-1 所示：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 12 -圖 2.2-1 導(dǎo)向套的設(shè)計導(dǎo)向套的材料我們選用的是摩擦系數(shù)較小、耐磨性好的青銅ZQSn-1。導(dǎo)向套外圓與缸筒內(nèi)孔工作表面的配合多為 H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合也可采用 H8/f7。外圓與內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.03mm，圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半。本次設(shè)計中所有的密封裝置都采用的是 O 型密封圈。O 型密封圈在往復(fù)運動過程中，除了自密封作用外，由于壓力的作用和液體分子與金屬表面相互作用的結(jié)果，又業(yè)中所含的“極性分子”便在金屬便表面形成一個堅固的邊界層油膜，且對軸產(chǎn)生很大的附著力。該油膜始終存在于密封件與往復(fù)運動軸之間，從泄露的角度看，這是有害的，長時間的使用后會造成油液的泄露；但它對運動密封面的再潤滑卻起到異常重要的作用。所用材料是橡膠。符合 GB3452.1-82 的標(biāo)準。千斤頂?shù)鬃c油缸之間的連接、光柵尺密封層與活塞之間的連接還有支撐套與油缸壁之間的連接件采用的都是沉頭內(nèi)六角螺釘。符合GB70-85 的標(biāo)準。工作臺與蓋板之間的連接和對油缸底蓋的頂升都采用了六角頭螺栓，并符合 GB5783-86 的標(biāo)準。2.3 油缸與螺紋的校驗2.3.1 油缸的壁厚校驗油缸的額定壓力 Pn應(yīng)低于一定極限：…………………………（2.3.1-??2035nDP?S1≤ σ.1）式中：P n－額定工作壓力；D1－油缸外徑，本次為 175mm；D－油缸內(nèi)徑，本次為 147mm；南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 13 -σ S－油缸材料屈服強度。油缸的材料為 45 號鋼，查表可得 σ S=360MPa；由此可知上式 右邊=37.094 MPa液壓缸最大工作載荷為 20t，面積為 7077.56mm2…………(2.3.1-maxmax248.6537.094)nwpMPaasD????1π （2)其中：Wmax 為最大工作載荷，本次為 200000N。經(jīng)校驗，油缸壁所受壓力在許可范圍之內(nèi)。2.3.2 鎖母螺紋牙剪切強度校驗螺紋牙的剪切應(yīng)力：…………………………………………(2.3.2-??Fτ =≤ τπ dbu1)式中: F 為千斤頂?shù)淖畲筝d荷，本次為 200000N；d 為公差直徑；b 為螺紋牙根部寬度；u 為旋合圈數(shù)；[τ]為材料許用剪切應(yīng)力鎖母內(nèi)螺紋的公差直徑 d 設(shè)為 160mm，查表可得 螺距 P 為 16mm，梯形螺紋牙根寬度 b=0.65P=10.4mm。鎖母高度 H 為 48mm，旋合圈數(shù) u=H/P=3鎖母材料為 45 號鋼，查表可知這種材料的屈服極限 σ S為240Mpa，許用應(yīng)力[σ]=σ S/4=60Mpa，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 14 -材料許用剪切應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=36MPa將以上數(shù)據(jù)代入式中，得 τ=12.76MPa＜36MPa經(jīng)檢驗，鎖母的螺紋牙根的剪切強度在許用范圍之內(nèi)。2.3.3 鎖母螺紋牙的彎曲強度校驗螺紋牙的彎曲應(yīng)力：………………………………………………………(2.3.??*6Flbb2σ =≤ σπ du3-1)式中：l *為彎曲力臂;[σ b]為許用彎曲應(yīng)力。鎖母內(nèi)螺紋的公差直徑 d 為 160mm，查表可知螺紋中徑 d2為152mm彎曲力臂 l*=(d-d2)/2=4mm，許用彎曲應(yīng)力[σ b]=1.2[σ]=72Mpa經(jīng)計算 σ b=29.44MPa＜72Mpa．經(jīng)校驗螺紋牙的彎曲強度在許用范圍之內(nèi)。2.4 液壓系統(tǒng)分析液壓系統(tǒng)的主要功能是為千斤頂提供動力，通過換向裝置使千斤頂具有上升和下降的功能。為千斤頂?shù)恼９ぷ魈峁┍ＷC和保護措施。由于該頂升系統(tǒng)采用單片機控制，并配有壓力傳感器和光柵位移傳感器來檢測壓力信號和千斤頂?shù)奈灰屏?，所以可通過單片機控制油缸內(nèi)的壓力、進油口的流量和活塞的運動速度。這樣在一般液壓系統(tǒng)中常用到的節(jié)流閥、調(diào)速閥、背壓閥、減壓閥等元器件可不必使用到，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 15 -液壓回路得到極大的簡化。在液壓油路的進油端設(shè)置一個溢流閥，給液壓系統(tǒng)提供雙重保護。在回油端設(shè)置一濾油器，保證油液清潔，可提高使用壽命。使用二位四通的電磁換向閥改變油路方向。為使液壓缸的運動速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，我們在油缸的下腔進油口處安裝一個平衡閥，該閥不但能保證千斤頂升降時都處于進油調(diào)速狀態(tài)，同時還具有單向閥的功能，所以無論是停電還是破管時，平衡閥均能無泄漏的立即將下腔封閉，保證工件不會自由下滑。使千斤頂在停電狀態(tài)仍能可靠承載。綜合上述觀點，我們將液壓原理圖設(shè)計如下：如圖 2.4-1 所示，二位四通電磁換向閥的電磁鐵的工作狀態(tài)是由單片機控制的，當(dāng)換向閥電磁鐵通電時，換向閥左位接入系統(tǒng)，油液經(jīng)電磁換向閥和平衡閥進入油缸下腔，使得千斤頂上升，再從油缸上腔流出，經(jīng)電磁換向閥和濾油器流回到油箱內(nèi)，這時平衡閥的作用相當(dāng)于一個單向閥；反之，當(dāng)換向閥電磁鐵斷電時，換向閥右位接入系統(tǒng)，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 16 -油液經(jīng)換向閥流入油缸上腔，當(dāng)上腔壓力達到一定值時，平衡閥上位接入系統(tǒng)，這時平衡閥的作用相當(dāng)于一個節(jié)流閥，油液從油缸下腔流出，經(jīng)平衡閥、電磁換向閥和濾油器流回到油箱。從而實現(xiàn)了千斤頂升降換向功能，并具有過載保護和斷電保護的功能。2.5 液壓泵與電動機的選擇為了保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的 80%左右。正常工作時千斤頂?shù)淖畲髩毫?28.656MPa。所以為滿足要求，泵的工作壓力為：p=28.565/0.8=35.71 MPa千斤頂?shù)淖畲筮\動速度為 60mm/min，液壓缸的有效面積為7077.56mm2。所以液壓泵向液壓缸提供的最大流量為：q=7077.56x60/1000000=0.425L/min若回路中的泄漏按液壓缸輸入流量的 10%估計，則液壓泵的總流量為Q=0.425x1.1=0.467L/min。根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品目錄，最終確定所選液壓泵的型號為 7631-R0.61。這種液壓泵的額定工作壓力為 40MPa，流量為0.61L/min，完全符合工作要求。千斤頂?shù)淖畲蠊ぷ鬏d荷為 20t，即 200000N，運動速度為60mm/min，即 0.001m/s。按液壓泵的總效率為 0.75， ，則液壓泵驅(qū)動電動機所需的功率為：P=200000x0.001/0.75=0.266kW根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱電動機產(chǎn)品目錄選用功率大于 0.266kW 的電動機。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 17 -2.6 超高壓泵站簡介最后我們綜合考慮了液壓泵、電動機、液壓回路等因素后，選用BZ40-0.61 型超高壓油泵站。這個油泵站的外形尺寸（mm）為650x370x765，主要部件包含有 1 個 HAWE 公司生產(chǎn)的 7631-R0.61 液壓泵、1 個二位四通的電磁換向閥與溢流閥組件，一個 ABB 公司生產(chǎn)的 M2QA 90L4A 型電動機、兩根 63MPa 高壓軟管和兩個軟管接頭。液壓泵的額定壓力為 40Mpa，流量為 0.61L/min，電動機的功率為1.5kW，所采用的工作介質(zhì)是 Y-N32 型抗磨液壓油，儲油量為 45L。這種液壓油需要經(jīng)過過濾精度為 0.5μm 過濾后才能使用，這樣可提高同步系統(tǒng)的可靠性并延長泵站使用壽命。選用這個超高壓的原因是站內(nèi)設(shè)有溢流閥和二位四通電磁換向閥組件，具有電動控制部分，使油泵站具備操作簡單、使用方便、安全可靠的優(yōu)點。3 . 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計同步頂升系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以是微機、單片機、可編程控制器等，考慮到本次設(shè)計的頂升系統(tǒng)僅有 4 個千斤頂，控制器需要進行的運算量不大，而且本系統(tǒng)提供的功能并不復(fù)雜，單片機 MCS-51 足以。所以從節(jié)省成本的角度出發(fā)選擇了單片機控制系統(tǒng)。將本次單片機的控制系統(tǒng)劃分為以下幾個模塊：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 18 -圖 3-1 單片機模塊圖3.1 單片機的選用及功能介紹MCS-51 系列單片機是美國 INTEL 公司在 1980 年推出的 8 位單片微型計算機。其典型產(chǎn)品有 8031、8051 和 8751 三種機型，除片內(nèi)程序存儲器的容量不同外，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳完全相同。在此我們選用了較為常用的 8051 芯片。其引腳示意圖如圖 3.1-1 所示：MCS-51 系列單片機由微處理器、存儲器、定時器/計數(shù)器、串行和并行的 I/O接口、中斷系統(tǒng)合振蕩器構(gòu)成。8051 的 P0.0～P0.7 這 8 根引腳采用分時復(fù)用的方法作低 8 位地址線與雙向 8 位數(shù)據(jù)線；P2.0～P2.4 這 5 根引腳在訪問片外存儲器或擴展 I/O 接口時，提供高位地址；P2.5～P2.7 和 P1.0 這 4 根引腳接2 片 74LS138 譯碼器，產(chǎn)生片選信號；引腳 ALE 接地址鎖存器74LS373、8155、8279 和 SA4828 的使能端；EA/V PP端因不訪問片內(nèi)存儲器而接地；X1、X2 接 6MHz 的晶振；RESET 端接重啟電路。圖 3.1-1 MCS-51 芯片引腳示意圖3.2 片外存儲器功能簡介南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 19 -片外存儲器擴展包括程序存儲器（ROM）擴展和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴展。MCS-51 系列單片機具有 64KB 的程序存儲空間，其中 8051、8071片內(nèi)有 4KB 的程序存儲器，8031 片內(nèi)無程序存儲器。當(dāng)采用8051、8071 型單片機而程序超過 4KB，或采用 8031 單片機時，就需對程序存儲器進行外部擴展。外部程序存儲器的擴展原理如圖 3.2-1 所示：圖 3.2-1 外部程序存儲器擴展原理圖外部程序存儲器可選用 EPROM、E PROM、PAGED EPROM 和 KEPROM2等。紫外線擦除電可編程只讀存儲器 EPROM，典型產(chǎn)品有 Intel 公司的系列芯片 2716（2K 8 位）、2732A（4K 8 位） 、2764A（8K 8 位）???、27128A（16K 8 位）、27256（32K 8 位）和 27512（64K 8 位）等，在這些芯片上均設(shè)有一個玻璃口，在紫外線下照射 20 分鐘左右，存儲中的各位信息均變?yōu)?1。以后通過編程器可將這些程序固化到這些芯片中。Intel 2764 是 8K 8 位的 E PROM，單一+5V 供電，最大工作電流?2為 140mA，維持電流 60 mA，其 24 腳的管腳及原理框圖見圖 2-6。由于片內(nèi)編程所需要的高壓脈沖產(chǎn)生電路，因此無需外加編程電源和寫入脈沖。8031 單片機內(nèi)部僅有 128 個字節(jié) RAM 存儲器，而 CPU 對內(nèi)部的RAM 具有豐富的操作指令。如在實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠內(nèi)部的P0 口EAALEP2 口PSN數(shù)據(jù)輸出鎖存器數(shù)據(jù)輸入指令EPROMOE南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 20 -RAM 是遠遠不夠的，因此必須擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài) RAM 和動態(tài) RAM 兩種。以下為靜態(tài) RAM 與 MCS-51 的接口外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展方法如圖 3.2-2 所示：圖 3.2-2 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展原理圖8031 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài) RAM 最為常用，因為這種這種存儲器無需考慮刷新問題。但是與動態(tài) RAM 相比，需要消耗較大的功率，價格也較高。下面對本文中所涉及的 6264 為例，介紹靜態(tài) RAM 的擴展。6264 是 8K 8 位的靜態(tài)隨機存儲芯片，采用 CMOS 工藝制造，單一+5V 供電，額定功率 200mW，典型存儲時間 200ns，為 28 線雙列直插式封裝。6264 的 A ～A 這 13 條地址線與鎖存器的輸出及 P2 口對012應(yīng)線相連，6264 的 D ～D 這 8 條數(shù)據(jù)線與 8031 的 P0 口對應(yīng)相連，76264 的 和 與 8031 的 和 對應(yīng)，CS 接高電平。OEWRW2按照這種片選方式，6264 的 8KB 地址范圍不唯一，6000H～7FFFH是一種地址范圍。當(dāng)向該片 6000H 單元寫有個數(shù)據(jù) DATA 時，可用如下指令：P0 口ALEP2 口WRDD ～D07地址RAMCEWO鎖存器譯 碼南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 21 -MOV A，#DATAMOV DPTA，#6000HMOVX @DPTR，A從 7FFFH 單元讀一個數(shù)據(jù)時，可用如下指令：MOV DPTR，#7FFFHMOVX A，@DPTR上面討論的是 8031 擴展一片 EPROM 或 RAM 的方法。在實際應(yīng)用中，可能需要擴展多片 EPROM 或 RAM。本次設(shè)計要擴展 8K 8 位的?EPROM 和 8K 8 位的 RAM 各 3 片。當(dāng) CPU 通過指令 MOVC A，@A+DPTR?發(fā)出讀 EPROM 操作時，P2、P0 發(fā)出的地址信號應(yīng)能選擇其中一片的一個存儲單元，即 8 片 2764 不應(yīng)該同時被選中，這就是所謂的片選。我們采用了地址法譯碼，譯碼芯片為 2 片 74LS138?？偣部商峁?16 個片選信號。3.3 顯示部分設(shè)計顯示設(shè)備有 CRT、LCD、LED 等，我們選用的是功能簡單的 LED 數(shù)碼管顯示器。LED 顯示器由 7 條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有小數(shù)點dp。將 7 段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個字段的陽極為高電平時，對應(yīng)的字段就點亮。如下圖所示點亮 LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個 8 位輸出口控制，占有硬件較多，一般僅用于顯示器位數(shù)較少的場合。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 22 -圖 3.3-1 數(shù)碼管的引腳示意圖所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示位的亮度顯示位的亮度跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。動態(tài)顯示器因為其成本較低，多數(shù)顯示撕常常采用。為了顯示字符，要為 LED 顯示器提供顯示段碼（或稱字形代碼） ，組成一個“8”字形的 7 段，再加上一個小數(shù)點位，共計 8 段，因此提供 LED 顯示器的顯示段碼為一個字節(jié)。各段碼位的對應(yīng)關(guān)系如表 3.3-1：表 3.3-1 段碼位 D 7D 6D 54D 3D 2D1D 0顯示位 dp g f e d c b aLED 要正常工作需要通過 I/O 接口芯片 8155 與 8051 相連。8155 芯片內(nèi)具有 256 個字節(jié)的 RAM，兩個 8 位、一個 6 位的可編程 I/O 和一個 14 位計數(shù)器，與 MCS-51 接口簡單，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的芯片8155 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.3-2 所示。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 23 -圖 3.3-2 8155 的邏輯結(jié)構(gòu)圖和引腳示意圖在 8155 內(nèi)部具有：（1）256 字節(jié)的靜態(tài) RAM，存取時間為 400ns。（2）三個通用的輸入/輸出口。（3）一個 14 位的可編程定時/計數(shù)器。（4）地址鎖存器及多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線。（5）單一+5V 電源，40 腳雙列直插式封裝。8155 可以和 MCS-51 直接相連，見附圖所示。8155 的 RAM 和各端口地址如下：RAM 的地址：000H～00FFH命令口：0200HA 口：0201HB 口：0202HC 口：0203H定時器低位：0204H定時器高位：0205H南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 24 -6 位 LED 顯示器和 8155 的接口邏輯見附錄圖所示。設(shè) 8051RAM 中有 6 個顯示緩沖單元 79H～7EH，分別存放 6 位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8155 的 A 口掃描輸出總有一位為高電平，8155 的 B 口輸出相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使每一位顯示出一個字符，其余位為暗，依次改變 A 口輸出的餓高電平位及 B 口輸出對應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6 位顯示器就顯示出緩沖器的顯示字符。程序清單如下：DIR： MOV R0，#79H ；顯示緩沖區(qū)首址送 R0MOV R3，#01H ；使顯示器最右邊位亮MOV A，R3LD0： MOV DPTR，#0101H ；掃描值送入 PA 口MOVX @DPTR，AINC DPTR ；指向 PB 口MOV A，@R0 ；取顯示數(shù)據(jù)MOV A，#12H ；加上偏移量MOVX A，@A+PC ；取出字形MOVX @DPTR，A ；送出顯示ACALL DL1 ；延時INC R0 ；緩沖區(qū)地址加 1MOV A，R3 ；JB ACC.5，LD1 ；掃到第 6 個顯示位了嗎？RL A ；沒有，R3 左環(huán)移一位，掃描下一個顯示位MOV R3，AAJMP LD0LD1： RETDSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；顯示段碼表DSEG1： DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 25 -DSEG2： DB 39H，5EH，79H，71H，73H，3EHDSEG3： DB 31H，61H，1CH，23H，40H，03HDSEG4： DB 18H，00H，00H，00HDL1： MOV R7，#02H ；延時子程序DL： MOV R6，#0FFHDL6：DJNZ R6，DL6DJNZ R7，DLRET3.4 鍵盤部分設(shè)計鍵盤共設(shè)有 32 個鍵，由 4 條行線 8 條列線組成開關(guān)矩陣。對于開關(guān)矩陣的接法大多數(shù)單片機的入門教科書上大多是采用 8155 作為鍵盤 I/O 的接口芯片，但 8155 芯片不具備中斷請求輸出端，于是不得不采用鍵盤掃描程序不斷的檢測是否有按鍵被使用，這樣就給單片機造成了很大的運算負擔(dān)，運算量較大時有可能造成系統(tǒng)無法響應(yīng)，所以我們在這里選用了專門用于鍵盤連接的 8279 芯片。8279 芯片的引腳示意圖如圖 3.4-1 所示：圖 3.4-1 8279 的引腳示意圖南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 26 -8279 采用單一＋5V 電源供電，40 腳封裝。DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線，用來傳送 8279 與 CPU 之間的數(shù)據(jù)和命令。CLK:時鐘輸入線，用以產(chǎn)生內(nèi)部定時的時鐘脈沖。RESET:復(fù)位輸入線，8279 復(fù)位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點回彈型式，程序時鐘前置分頻器被置為 31,RESET 信號為高電平有效。CS:片選輸入線，低電平有效，單片機在 CS 端為低時可以對 8279讀/寫操作。A0:緩沖器低位地址，當(dāng) A0 為高電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)， 當(dāng)為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當(dāng)為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。RD:讀信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線。WR:寫信號輸入線，低電平有效，將緩立器讀出,將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入 8279 的緩沖器。IRQ:中斷請求輸出線，高電平有效，在鍵盤工作方式下，當(dāng)FIFO/傳感器 RAM 中有數(shù)據(jù)時，此中斷線變?yōu)楦唠娖?，?FIFO/傳感器RAM 每次讀出時，中斷線就下降為低電平，若在 RAM 中還有信息，則此線重又變?yōu)楦唠娖?。在傳感器工作方式中?每當(dāng)探測到傳感器信號變化時，中斷線就變?yōu)楦唠娖?。SL0～SL3:掃描線，用來掃描按鍵開關(guān)，傳感器陣列和顯示數(shù)字， 這些可被編程或被譯碼。RL0～RL7:回送線，經(jīng)過按鍵或傳感器開關(guān)與掃描線聯(lián)接， 這些回送線內(nèi)部設(shè)置有上拉電路，使之保持為高電平，只有當(dāng)一個按閉合時，對應(yīng)的返回線變?yōu)榈碗娖剑粺o按鍵閉合時，均保持高電平。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 27 -SHIFT:換位功能，當(dāng)有開關(guān)閉合時被拉為低電平，沒有按下SHIFT 開關(guān)時，SHIFT 輸入端保持高電平，在鍵盤掃描方式中，按鍵一閉合，按鍵位置和換位輸入狀態(tài)一起被存貯起來。CNTL/STB:當(dāng) CNTL/STB 開關(guān)閉合時將其拉到低電平，否則始終保持高電平， 對于鍵盤輸入方式，此線用作控制輸入端，當(dāng)鍵被按下時，按鍵位置就和控制輸入狀態(tài)一起被存貯起來，在選通輸入方式中，作選通用，把數(shù)據(jù)存入 FIFO RAM 中。OUTA3～OUTA0 及 OUTB3～OUTB0:顯示輸出 A 口及 B 口，這兩個口是 16×4 切換的數(shù)字顯示。這兩個端口可被獨立控制，也可看成一個8 位端口。BD:空格顯示,此輸出端信號用于在數(shù)字轉(zhuǎn)換時將顯示空格或者用顯示空格命令控制其顯示空格字符。VCC:＋5V 電源輸入線。VSS:地線輸入線。3.5 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)交流異步電動機因為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、維護方便的特點，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。與其他種類電動機相比，交流異步電動機的市場占有量始終第一位。然而，長期以來，交流異步電動機的調(diào)速始終是一個不好解決的難題。直到 20 世紀 70 年代，由于計算機的產(chǎn)生，以及近 20 年來新型快速的電力電子原件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動機調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。目前，交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛用于數(shù)控機床、風(fēng)機、泵類、傳帶機、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的動力源或運動源，并起到節(jié)約電能、提高設(shè)備自動化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的良好效果。因此，交流異步電動機調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代自動控制專業(yè)技術(shù)人南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 28 -員必須要掌握的知識?，F(xiàn)代流行的交流異步電動機調(diào)速控制方法是變頻變壓法（VVVF） 。這種調(diào)速方法的原理比較簡單，而且有 20 多年比較成熟的發(fā)展經(jīng)驗，因此應(yīng)用得較多，市場上也有較多的相關(guān)產(chǎn)品。3.5.1 交流異步電動機變頻調(diào)速原理根據(jù)電機學(xué)理論，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可由式(3.5.1)表示：………………………………………………(3.5.1)60(1)fnsp??式中: n--電動機轉(zhuǎn)速p--電動機磁極對數(shù)f--電源頻率s--轉(zhuǎn)差率由上式可知，影響電動機轉(zhuǎn)速的因素有：電動機的磁極對數(shù) p、轉(zhuǎn)差率 s 和電源頻率 f。其中，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電動機調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。3.5.2 主電路和逆變電路工作原理變頻調(diào)速實質(zhì)上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電（整流、濾波） ，再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的矩形波交流電（逆變） 。圖 3.5.2-1 是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 29 -圖 3.5.2-1 電壓型交-直-交變頻調(diào)速主田路（1）.主電路中各元件的功能主電路中各元件的功能如下。交-直電路整流管 D1～D6 組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的直流電壓U=1.35 x 380V = 513V濾波電容 Cr 濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時，瞬時沖擊電流較大，為了保護電路元件，加限流電阻 Ra。延時一段時間后，通過控制電路使開關(guān) JK 閉合，將限流電阻短路。電源指示燈 LP 除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時，作為濾波電容 Cr 放電通路和指示。濾波電容 Cr 容量通常很大；所以放電的時間較長（數(shù)分鐘） ，幾百伏的高電壓會威脅人員安全，因此，在維修時要等指示燈熄滅后進行。Rc 是制動電阻。電動機在制動過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路是處在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個放電通路，使這部分再生電流耗在電南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 30 -阻 Rc 上。制動時，通過控制電路使開關(guān)管 Tc 導(dǎo)通，形成放電通路。直-交電路逆變開關(guān)管 T1～T6 組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管 IGBT、功率效應(yīng)管MOSFET。續(xù)流二極管 D7～D12 的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突變將為 0，但由于電動機線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二級管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機制動時，續(xù)流二級管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻 R1～R6、電容 C1～C6、二極管 D13～D18 組成緩沖電路，來保護逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流 Ic和集電極與發(fā)射極間電壓 VCE 的沖擊，如圖所示，因此要通過緩沖電路進行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時，VCE 迅速升高，Ic 迅速降低，過高增長率的電壓對逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容（C1～C6）來減少電壓增長率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時，VCE迅速降低，而 Ic 則迅速升高，并聯(lián)在逆變開光管兩端的電容（C1～C6)由于電壓降低，將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流 Ic的增長率，造成逆變開光管的損壞。所以增加電阻（R1～R6） ，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變開光管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電容的充電。為了解決這個矛盾，在電子兩端并聯(lián)二極管（D13～D18） ，使電容在充電時，避開電阻，通過二極管充電，在放電時，通過電子放電，實現(xiàn)緩沖功能。（2）.三相逆變橋的工作原理三相逆變橋的電路簡圖如圖 3.5.2-2（a）所示，圖中 R、Y、B 為逆變橋的輸出。圖 3.5.2-2（b）是各逆變管導(dǎo)通的時序，其中深色部南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 31 -分表示逆變導(dǎo)管。圖 3.5.2-2（b）可以看出，每一時刻總能有 3 只逆變管導(dǎo)通，另 3 只逆變管關(guān)斷；并且 T1 與 T4、T2 與 T5、T3 與 T6 每對逆變管不能同時導(dǎo)通。圖 3.5.2-2 電路簡圖和逆變管通斷時序在 t1 時間段,T1、T3、T5 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 R 到 Y 和從 B 到 Y（設(shè)從 R 到 Y、從 Y 到 B、從 B 到 R 為正方向），得到線電壓為 URY 和-UYB。在 t2 時間段，T1、T5、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 R 到 Y 和從 R 到 B，得到的線電壓為 URY 和-UBR。在 t3 時間段，T1、T2、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 R 到 B 和從 Y 到 B，得到的線電壓為-UBR 和 UYB。在 t4 時間段，T2、T4、T6 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 Y 到 R 和從 Y 到 B，得到的線電壓為-URY 和 UYB。在 t5 時間段，T2、T3、T4 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 Y 到 R 和從 B 到 R，得到的線電壓為-URY 和 UBR。在 t6 時間段，T3、T4、T5 這 3 只逆變管導(dǎo)通，電機線圈電流的方向是從 B 到 R 和從 B 到 Y，得到的線電壓為 UBR 和-UYB。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 32 -線電壓 URY、UYB、UBR 的波形見圖 3.5.2-3。從圖中可以看出，三者之間互差 120，它們的幅值是 U。圖 3.5.2-3 逆變輸出線電壓波形因此，只要按圖的規(guī)律控制 6 只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而絕、形波三相交流電的頻率可在逆變是受到控制。然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分，將使交流異步電動機產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等不利結(jié)果。為了使輸出的波形接近正弦波，可采用正弦脈寬調(diào)