（电气工程专业论文）接触网导高及拉出值激光测量仪的研究.pdf

北京交通大学工程硕士学位论文 接触网导高及拉出值激光测量仪的研究 摘要 针对我国电气化铁路施工和日常运营维护中需要对 接触网重要的静态参数导高、拉出值进行大量测量的特 点，系统分析总结了各种测量方法和所使用测量仪器的 优缺点，结合当今民用激光测距技术和步进电机细分驱 动技术发展和应用的现状，首次提出了以单片机控制技 术为基础，将激光测距和步进电机细分驱动两种技术结 合在一起，开发新型测量仪，实现对接触网静态导高、 拉出值进行半自动化、高精度测量的新论点，全文主要 从以下几个方面进行了论述和研究。 首先阐述了接触网静态参数导高、拉出值的测量现 状，通过对各种测量方法及其优缺点进行分析，提出了 将民用激光测距技术和步进电机细分驱动技术相结合， 应用于测量接触网静态导高、拉出值的论点。 其次对测量仪的总体方案进行了设计。提出了测量仪 的设计需求，通过对测量仪进行工况分析和理论计算， j e 京交通大学工程硕士学位论文 完成了测量仪的总体构成、详细工作流程、测量过程中 的显示界面等内容的设计。 再次根据测量仪总体设计，通过对激光测距原理和混 合式步进电机工作原理的分析，完成了激光测距传感器、 步进电机细分驱动器等重要部件的选型，重点设计了中 央处理器、测距通讯模块、步进电机细分驱动模块、数 据存储模块、l c d 液晶显示模块、键盘模块的硬件电路， 实现了测量仪的各项设计功能。试验结果表面单片机控 制激光测距传感器的测量精度满足设计和实际要求。 最后对全文进行了总结，提出了测量仪完成定型生产 所需进一步开展的拓展功能设计及完成机械支架设计等 工作，展望了测量仪的应用前景。 关键字：激光，步进电机，测量，接触网，导高，拉出 值 北京交通大学工程硕士学位论文 s t u d yo nt h el a s e rt 江e a s u r i n ga p p a r a t l l sf o r o c sc o n t a c tw i r eh e i g h ta n ds t a g g e r a b s t r a c t 蛳n ga tt h a tal a 喀ea l o u n to fm e a s u r i n gw o r kf o r c o n t a c tw i f e sh e i g h ta n ds t a g g e ri 1 1s t a t i cs t a t ei sn e e d e di 1 1 c o n s t n l c t i n ge n 百n e e i ! i n ga n dd a i l ym a i n t e n 柚c eo fe l e c 嫡c r a i l w a y s ，t h i st h e s i s 舀v e sas y s t e m a t i ca n a l y s i s 0 nt h e e x i s t e n tm e a s u r e m e n tm e t 的d sa n dm a k eas l l m m a r yo f t l l e i rm e d t sa n dd e l e r i t s an rs o l u t i o nt h a tc o n l b i i l e s l a s e rd i s t a n c e i e a s u 咖gt e c h n i q u e a 1 1 d s t e p m o t o r c e c h l l i q u ei sp u tf o 九a r d ，w h i c hi sb a s e d0 ns i n 掣e c h i p m i c r o p r o c e s s o r - t h en e wm e a s l l r i i l ga p p a r a t l l sc 狮r e a l i z e t h em e a s u r e r n e n tw o r kf o rc o m a c tw i r e ，sh e i g l l ta n ds t a g g e r i nas 啪i - a u t o m a t i cw a y t f i r s n y ，l h es t a t eo ft h ea r to fc o n t a c tw i r eh e i 曲ta n d s t a g g e rm e a s u r i i l gi sd i s c u s s e d b yc o m p a d n gt h em e r i t s a n dd e m e r i t so ft h ee x i s t e n tm e t h o d s an e ws c h e m et h a t 3 北京交通大学工程硕士学位论文 c o m b i n e sd i s t a l l c em e a s u r i n gt e c h n i q u eb a s e do nl a s e ra n d s t e pm o t o rt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r d s e c o n d l y ， t h e d e s i g n o ft h e t r l e a s u r i n ga p p a f a t u s p r o p o s e d i s g i v e n b yt h e o r e t i c c a l c u l a t i o na n dw o r k a n a l y s i st h ef l l n c t i o nd e m a n d ，s y s t e ms t m c t u r e ，d e t a i lf l o w c h a na i l dd i s p l a yi n t e 渤c eo ft h ea p p a r a h l sa r ed i s c u s s e d 1 飞i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h es c h e m eo fs y s t e ms t 兀l c t u r e ， t h es e l e c t i o n so ft l l el a s e rt r a l l s d u c e r 锄ds t e pi n o t o ra r e c o i n p l e t e d 皿ec p um o d u l e ，c o 煳城i c a t i o n 脚岫e ，s t 印 m o t o rd r i v i n gm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l ea n d “= d d i s p l a ym o d u l e ，k e y b o a r dm o d l l l ea r ed e s 自驴e d a l l dt h e p r e s c r i b e df i 】【i l c t i o n sa r e a l i z e d 弛a l l y ，as u m m a r yf o rt h i st h e s i si sg i v e n 锄df i l r t h e r f l 】【n c t i o n _ e x t e n d i n gw o r ka n dm e c h a n i c a ld e s i g nw o d 【a r e p m p o s e d t h e 印p l i c a t i o np r o s p e c t o ft h i s a p p a m t i l s i s e x p e c t e d k e yw o r d s ：l a s e r s t c pm o t o r ，m e a s u r i l l g ，o c s ，w i r e h e i g h t ，s t a g g e r 4 北京交通大学工程硕士学位论史 第1 章引言 1 接触网静态参数的测量 1 1 接触网静态参数简述 随着我国铁路建设向着高速、重载、安全方向的高速发展， 电气化铁路占据了越来越重要的位置。目前铁路系统“四横四纵” 干线提速建设，以及已经通过国家立项即将开始建设的最高设计 时速达到3 5 0 k m h 的京沪铁路均采用了电气化铁路形式。 接触网是电气化铁路的主要设备之一，随着我国电气化铁路 运营速度的不断提高，确保接触网处于良好状态，保障不问断供 电，维持良好的弓网关系动态特性成为保证高速或快速列车安全 稳定运行的重要前提。接触网的各种静态参数能否满足设计的要 求是获得良好的接触网弓网关系盼基础，因此在新建或改扩建电 气化铁路以及在电气化铁路日常运营维护中，常常需要对一些主 要的接触网静态参数进行测量，它们包括接触线高度、接触线拉 出值、定位管坡度、接触线磨耗值、接触网网压、导线温度、支 柱位置、线岔高差等。通过对检测获得的接触悬挂基础数据进行 分析或处理，一方面可以在常规巡检时及时发现接触网隐患，消 除各种故障，保障线路安全运行；另一方面在建设或更换接触网 导线时，可将数据输入专用计算软件获得其他安装数值，使施工 质量得到保证。 北京交通大学f t 程硕士学位论文 1 2 接触网导高、拉出值的定义及测量 在电气化铁路的建设和日常运营维护中，接触网导线和承力 索的高度和拉出值是两个最为重要的接触网参数。其定义如图 卜l 所示。 ，墼舡 拉出值 r ： !兽商r il 亘a t 亘槲 图卜l 接触网导高、拉出值的定义 接触导线高度( 简称导高) 是指导线相对于钢轨轨面连线的 垂线长度。铁路设计标准规定，在静止状态下，接触导线高度应 保持在一定的范围内，其最高位置不应超过6 5 0 0 呲，最低不应 低于5 3 3 0 吼，其中站场的接触导线高度不低于6 2 0 0 衄，旧线改 造导高不低于5 3 3 0 姗，以满足通过国家规定的最大超限货物而 应保持的高度。如果接触导线高度过低则会危及人员和超限货物 的安全，另外很小的距离内接触导线高度( 即导线坡度) 变化过大 时，易产生电弧而影响弓网受流质量，加大滑板和导线的磨耗。 当电力机车再生制动时，离线还会破坏再生，影响行车安全。 在直线区段上，接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距 离，称为拉出值( 或之字值) ；在曲线区段导线则被布置成折线 4 北京交通大学t 程硕士学位论文 的形式，此折线一般与受电弓中心的行迹相割或相切，这种在定 位点处接触线距受电弓中心线行迹的距离称为拉出值。铁路设计 标准规定接触导线的拉出值通常为士3 0 0 1 m i i ，最大拉出值为士4 0 0 越。电气化铁路上接触导线的拉出值的设计是为了使电力机车在 运行时使受电弓与接触导线在一定范围内均匀接触摩擦，使受电 弓滑板磨耗均匀，延长其使用寿命。如果拉出值过小会加大受电 弓滑板的局部磨耗，过大则可能造成刮弓、断线等事故。 由于接触网导商、拉出值所具有的重要性，必须在施工或运 行中测量接触导线的高度和拉出值，为分析研究接触悬挂的质量 和受电弓的受流状态提供参考资料，及时对接触导线的偏差位置 予以调整，确保电气化区段接触网能安全、高质量运行。 2 接触网静态导高、拉出值的测量方法 接触网的检测主要分为静态检测和动态检测两种。静态检测 是在无弓状态下对接触网几何尺寸、位置参数的检测，基本上采 用人工操作，贯穿于日常巡检维护或施工的全过程，检测到的数 据必须在安全范围内：动态检测是在运行状态下通过检测车对弓 网关系的各种参数进行检测，来判断接触网运行状态。通常一些 参数的偏差值在动态检测时允许较静态检测适当放宽。 接触网静态导高、拉出值的测量属于静态检测。静态检测具 有如下特点： ( 1 ) 接触网是室外高空悬挂，静态检测工作需在露天进行， 测量难度较大，通常只能在白天进行检测，如果是常规 运营巡检，接触网带有高压，检测有一定危险； 5 北京交通大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 接触网是沿铁路线架设，线长点多，检测量大： ( 3 ) 静态检测装备较落后，通常靠手工作业，劳动强度大， 效率低。 由于上述原因，如何改善接触网的静态检测手段，提高检测 质量和效率，成为长期以来广大工程技术人员致力研究解决的一 个课题。 自上世纪五十年代开始建设第一条电气化铁路至今，我国电 气化铁路总里程已经超过两万公里，接触网静态导高、拉出值测 量方法也经历了个发展过程，产生了接触测量和非接触测量两 类多种测量方法，它们的测量原理和优缺点分述如下。 2 1 坠线加钢尺测量法。 测量方法是，用一根带有圆锥形线坠的垂线从导线上垂下， 在钢轨面上平放根钢尺，通过测量垂线的长度和线坠指向钢尺 的位置来获得导高、拉出值的测量值。 优点：测量工具成本低，易获得。 缺点：属于接触测量，导线带电时无法测量；测量精度最低， 尤其是线路曲线段的测量误差较大。 2 2 测量杆加专用计算器测量法 利用数学中三角原理为理论计算依据，建立接触线在导高和 拉出值方向上的坐标关系来测量。测量原理如图卜2 所示： 6 托京交通大学工程硕上学位论文 由图卜3 可见，测量仪分照准仪8 和滑架尺1 0 两部分。照准 仪壳体是光学系统的基座，内装目镜1 、分划板2 、物镜3 、透反 射镜4 、反射镜5 、9 0 。反射镜6 、反射镜7 等。 使用时，先把滑架尺1 0 与铁路中心线垂直地架置在钢轨1 5 上，然后把照准仪放在滑架尺上。接触导线1 4 的光被9 0 。镜反 射改变9 0 。方向，再由反射镜5 反射，经透反射镜4 透射，最后 通过物镜3 在分划板2 处成像l ，我们称这一光路为左光路。测 量人员可通过目镜l 观察l 在分划板上的位置并可左右移动照准 仪使l 被 x 北京交通大学工程硕士学位论文 优点：属于无接触测量，导线带电时可以测量；测量自动化 程度高，测量效率最高，成本一般。 缺点：易受温度影响，测量精度般，使用环境受局限。 2 。5c c d 摄像测量法 其测量原理为 x 北京交通大学工程硕士学位论文 第2 章测量仪总体方案设计 1 测量仪设计需求 根据相关国标、铁标中对电气化铁路接触网各项几何参数的 定义，施工中的标准要求，设计测量仪技术需求如下： ( 1 ) 体积小、重量轻； ( 2 ) 控制灵活、操作方便、人机界面友好； ( 3 ) 可靠性高； ( 4 ) 安全、对人体无伤害； ( 5 ) 能根据设定参数准确完成相关工作； ( 6 ) 测量精度 5 衄； ( 7 ) 测距范围 3 0 0 0 2 0 0 0 0 姗； ( 8 ) 接口方式 r s 2 3 2 4 8 5 ； ( 9 ) 连续工作对间 8 h ( 1 0 ) 工作环境温度 一1 0 4 0 ( 11 ) 工作最大相对湿度 9 6 2 测量仪的总体设计 测量仪设计采用如第一章所述的三角形原理进行测量。 北京交通大学工程硕士学位论文 2 3 各测量模式下测量仪工作转动角度范围的计算 国标及相关铁标中对电气化铁路接触网导高设计范围为5 3 3 0 衄一6 5 0 0 哪，拉出值的设计范围为不大于4 0 0 脚。 假定导高为五值，拉出值7 分别取左侧最大值如图2 2 ( a ) 所示、取0 值如图2 2 ( b ) 所示、取左侧最大值与o 值间的中间 值如图2 2 ( c ) 所示、取右侧最大值与o 值间的中间值如图2 2 ( d ) 所示、取右侧最大值如图2 2 ( e ) 所示，又假定测量仪放 置在a 轨中心上，测量仪的初始方向与轨面连线垂直，贝导线在 五个定义的不同位置上到a 轨连线4 c 与测量仪的初始方向肛 的夹角分别为口、峨、b 、以、吃，根据三角形关系有： 瓯一n r c 留仁b c + j ( 2 一1 ) 铡：取 m 一5 3 3 0 衄， = 6 5 0 0 珊，0 一：4 0 0 衄，据公式 ( 2 一1 ) 计算各个角度如表2 1 所示( 实际使用测量仪时，各角 度鼠根据导高、拉出值设计值计算确定) 。 表2 一l 口 岛q 六 吃 _ i l 。 3 4 0 45 5 4 07 6 6 29 7 6 21 1 8 3 6 i l 一f 一 2 7 9 2 4 5 4 8 6 2 9 5 8 0 3 09 7 5 1 北京交通大学1 二程硕士学位论文 测量仪设计三种测量模式分别为： ( 1 ) 测量模式：测量仪测量工作的角度范围为从。到吼。测 量时测量仪从垂直于轨面连线的角度0 。快速旋转到口， 开始以微角度步距旋转测量，直到测量结束。 ( 2 ) 测量模式二：测量仪测量工作的角度范围为从岛到以。测 量时测量仪从垂直于轨面连线的角度0 。快速旋转到， 开始以微角度步距旋转测量，直到文测量结束。 ( 3 ) 测量模式三：测量仪测量工作的角度范围为从b 到吼。测 量时测量仪从垂直于轨面连线的角度0 。快速旋转到吼， 开始以微角度步距旋转测量，直到岛测量结束。 3 测量仪详细工作流程及相关显示界面设计 3 1 系统开机流程设计 系统从开机到主菜单界面的流程设计如图2 3 所示： 图2 3 从开机到主菜单界面的流程图 1 7 北京交通大学工程硕士学位论文 图2 4 测量模式一、测量模式二、测量模式三工作流程图 该工作流程涉及液晶屏显示欢迎界面、主菜单界面、测量等 待显示界面、得到测量结果界面、未找到测量目标界面，其界面 设计如下： 系统开机后欢迎界面设计如图2 5 ： 图2 5 欢迎界面 系统主菜单界面设计如图2 6 ： 图2 6 主菜单界面 在主菜单下选择按“1 ”、“2 ”或“3 ”键后，系统分别进入测 量模式一、测量模式二或测量模式三流程。此系列流程涉及测量 等待显示界面、得到测量结果界面、未找到测量目标界面，分别 如图2 7 、图2 8 、图2 啕所示。 图2 7 测量等待显示界面 1 9 北京交通大学工程硬士学位论文 图2 8 得到测量结果界面 图2 9 未找到测量目标界面 3 3 激光测距传感器测量值补偿参数设置流程设计 激光测距传感器的定位基准面通常情况下不与轨道平面在同 一水平高度，与此同时接触网参数激光测置仪在装杌和使甩过程 中存在系统误差，这都将直接影响到仪器的测量准确性，所以需 要经过试验调试，对测量后测距传感器反馈给单片机的测量距离 值进行孙偿，所需补偿值以键盘输入的方式，输入到单片机控制 系统，通过支持软件对测量数据自动补偿。激光测距传感器测量 值补偿设置流程设计如图2 一1 0 所示。 北京交通大学工程硕士学位论文 其界面设计如图2 1 1 所示： 图2 一“参数设置界面 在参数设置界面下选择按“1 ”键后进入激光测距传感器测 量值补偿设置流程，其界面设计如图2 一1 2 所示： 图2 一1 2激光测距传感器测量值补偿设置界面 3 4 各测量模式下测距仪转动角度设置流程设计 在参数设置界面选择按“2 ”键后进入各测量模式下步进电机 测量工作转动角度设置流程，其界面设计如图2 1 3 所示： 图2 一1 3 各测量模式下测距仪工作转动角度设置显示界面 设置步进电机在各测量模式下测量时需转动的角度范围，包 括转动初始角和终止角。其流程设计如图2 一1 4 所示。 北京交通大学工程硕士学位论文 打开电源开关 。l 一， 测量仪开机，系统初始化 ! 一 进入欢迎界面并停留3 s 钟 业月、- 旺、承矾工，代干 按5 键，l ( d 液晶片背光打开 ( 默认值为关闭) ； 再接5 键，l c d 液晶片背光关 闭。( 该键为乒乓键) 3 6 关机流程设计 图2 一1 5 背光设置流程 在主菜单下选择按“6 ”键，系统将关闭激光测距传感器和步 进电机，其后显示提醒关机界面，其界面设计如图2 1 6 ： 北京交通大学工程硕士学位论文 图2 1 6 关机显示界面 关机流程设计如图2 一1 7 所示 打开电源开关 t 一一 测量仪开机，系统初始化 垂兰兰至王壹一无一矗 者 是“l ”障i j _ 测量模式一流程，见前页 一三= 墓燃 丁j 匿_ 入背光设置流程，见前页 图2 1 7 关机流程 注意：测量仪必须在按“6 ”键后在l c d 屏幕上显示图2 1 6 的 信息时，才能关闭电源开关，切断电源。 北京交通大学丁程硕士学f 讧论文 第3 章硬件电路设计 1 测量仪硬件电路功能模块划分 根据用户需求，控制系统的硬件电路划分为中央处理器、测 距通讯模块、数据存储模块、液晶显示模块、键盘监控模块、辅 助电路模块和电源模块，如图3 一l 所示： 图3 1 控制系统构成示意图 ( 1 ) 测距通讯模块：实现单片机与激光测距传感器的通讯，使激 光传感器完成无合作目标测量：激光测距传感器在保证测量 精度的条件下应体积小、重量轻。 ( 2 ) l c d 显示模块；采用l c d 液晶屏，设计中文菜单显示界面， 能满足显示提示性信息、输入数据信息、测量结果等功能； 能满足显示提示性信息、输入数据信息、测量结果等功能； 北京交通大学工程硕士学位论文 3 激光测距模块电路设计 3 1 激光测距技术简介 激光( l a s e r ) 的发明是2 0 世纪中与原子能、半导体、计算 机相齐名的重大科技成就。激光具有方向性强、亮度高、单色性 好、相干性好等优点，因此激光测距技术被广泛应用于各种行业。 激光测距的方法一般采用“相位测量法”、“相干测量法”、“时 间测量法”、“位移测量法”等。 “时间测量法”采用测量激光的传输时间的测量方法，适用 于较远距离测距( 一般大于l k m ) ，测距精度较低( 大于0 5 m ) ， 其测量距离受激光发射功率和光电接收灵敏度的限制，同时时间 测量准确性和测量环境也直接影响测距精度。 “相位测量法”采用激光调制的方法，通过测量载波调制频 率的相位，达到测量距离的目的，适用于中远距离测距( 一般在 3 0 0 m l k m ) ，其测距精度受激光调制的相位测试精度( 一般为 1 0 3 ) 和相位的调制频率的限制，同对光电接收器的信号起伏和 噪声也严重影响到测距机的测距精度，要达到距离的高精度测 量，必须提高系统的激光调制频率和相位测量精度，增加了系统 对设备的性能要求和系统的成本造价。 “相干测量法”测量精度高，适用于微小位移的测量( 一般 小于1 u f 【1 ) ，对测量环境要求非常苛刻，适用于高精度的实验室的 实验定标等应用。 北京交通大学工程硕士学位论文 “位移测量法”一般采用c c d 成像的方法，测量精度高，适 合于测量微小位移，其测量精度受光学系统和c c d 成像系统的分 辨率的限制，但对测量环境要求较高，成像光点的漂移是影响到 测距精度的主要因素。 3 2 脉冲相位高精度测量原理及应用可行性分析 目前民用激光测距基本上采用脉冲相位法测量技术，选取波 长为6 0 0 一7 0 0n m 的可见光半导体激光器，对激光器进行脉冲调 制，使激光以脉冲形式幅射，提高了幅射功率，光脉冲幅射功率 可达1w ，脉冲宽度为l | ls ，重复频率为5 0 0h z ，已调制的光脉 冲通过光学系统发射出去，通过被测物漫反射后被雪崩二极管接 收。发射电路采用高频信号作为主振信号来对激光进行调制的信 号，有 勺；爿+ c o s ( f + 中。) ( 3 一1 ) 激光经过2 倍待测传输距离后，包含了测距信息，其相位变 化为由m ，测距信号为： 一b + c o s h f + 中。+ 中) ( 3 2 ) 在电路中采用几十删z 的高频信号为本振信号，其表达式 为： q = c4 c o s h ，+ 中) ( 3 3 ) 将q 输到混频和差频器中，分别得到频率较低的测距信号巳 北京交通大学工程硕士学位论文 和参考信号8 r ，其表达式为 e ，= d + c o s ( 一q ，+ 扣。一m ) 】 ( 3 4 ) 岛2 + c o s l ( 魄一q + 扣。一m ) + m 。j ( p 5 ) 然后将勺和。一输入比相器进行比相，精确计量中m ，即可求 出待测距离值。现在的电子检测技术完全能实现1 衄的检相精 度，测距精度可达3 咖。 在光速测距中，由于温度t 、大气压p 、空气湿度e 对大气 折射率影响较大，从而带来测距误差，所以采用近似公式： 矗d 一( o 0 0 5 a 千1 o a t o 4 a p o 0 5 3 e d 1 0 _ 6 ( 3 6 ) 从公式( 3 6 ) 可知，影响测距误差最大的气象因素为温度t ， 对导高为5 一1 0m 的导线进行测量，温度t 变化1 ，其误差 仅为+ o 0 0 6 咖。 通过对激光测距原理分析可知，对于接触网导高测量范围为 3 0 0 0 1 0 0 0 0 弧，拉出值测量范围为5 0 0 衄，测量糖度为5 蛐 的需求而言，采用漫反射脉冲相位式激光测距技术，精度优于任 何一种其它测量方式，完全能满足接触网静态参数检测的需要。 3 3 激光测距传感器的选型 激光测距传感器是激光测距系统最重要的元器件，担负着精 确测量距离的功能。目前市场上常见的激光测距传感器如表3 1 所示： 北京交通大学丁程硕士学位论文 根据功能需求，从激光测距传感器的技术参数、价格等角度考虑， 选取瑞士l a i c ad i s t o3 o ( w h 3 0 ) 型激光测距传感器用于测量仪的激光 测距系统。 该激光测距传感器采用激光脉冲相位测量技术，测量精度遵循按 i s 0 修订条例i s o r1 9 3 8 1 9 7 l 标准，置信度为9 5 ( 例如：参考图 3 2 ，标准偏差的2 倍) 。标准精度指的是平均条件下，跟踪模式的测 量结果。 类似下列非良好条件，可能 会出现最大的测量误差5 姗( 二 倍标准偏差) ； ( 1 ) 高反射物表( 如反射镜片) ； ( 2 ) 高亮环境，强热闪光； ( 3 ) 临界温度下的操作，来适应 环境温度。 9 9 7 9 5 4 ； 。i 鹱 ， 滋懑 巍 71 一门? 图3 2 测量精度的置信度 激光测距传感器一l a i c ad i s t o3 0 ( w h 3 0 ) 详细技术规格见表3 2 。 表3 2 w h 3 0 标准测量精度3 0 m w h 3 0 最大测量精度 5 o m m 最小显示单位 0 1 蚰 测程，相对于自然表面大约0 3 3 0 m 北京交通大学丁程硕士学位论文 测程一相对于灰色反射目标板大约2 0 一1 0 0 m 显示0 3 0 0 m 测量基准边从前沿 6 m m 1 0 m 激光点直径，目标距离为 3 0 m 川 5 0 m 6 0 哪 1 0 0 m 测量时间 单次测量0 6 至大约5 s 跟踪测量o 1 5 至大约5 s 激光一极管6 2 0 6 9 0 n m ( 红色) i e c6 0 8 2 5 1 ：1 9 9 3 ；二级激光 f d a2 1 c f rc h 1 1 0 4 0 ：1 9 9 8 ；二级激光 光束发散：o 1 6 0 6 r a d 光源 脉冲持续时间：1 5 1 0 。9 s 最大发射功率：0 9 5m w 每脉冲最大发射功率：8 m w 测量不确定度：5 ( i e c6 1 0 0 0 - 4 2 ( 1 9 9 5 _ 0 1 ) 等级一) 静电放电( 无线) 金属体测试2 k v i e c6 1 0 0 0 一4 3 ( 1 9 9 5 0 2 ) 电磁兼容性( 无线) e n 5 5 0 2 2k l a s s eb1 9 9 4 f c cp a r t1 5c l a s sb 供电直流电9 3 0 v 体积1 4 0 7 0 5 5 衄 操作温度范围 d l s a p l 5 d l s a p 3 0一l o + 5 0 d l s a h p l 5 d l s a h p3 0 一4 0 “+ 7 0 存储温度范围 一4 0 “+ 7 0 防护等级i p 6 5 ；i e c 6 0 5 2 9 ( 防止灰尘和水汽浸入) 重量 4 3 0g 接口l 异步串行接口( r s 2 3 2 r s 4 2 2 ) 北京交通大学工程硕士学位论文 3 4 测距通讯模块硬件电路设计 激光测距模块接口电路见图3 3 ，引脚定义见表3 3 。 表3 3 爱r s 2 3 2 - d o 帮j r s 4 2 2 + r i o n ，o f f g n 0 图3 3 激光采集模块接口管脚 引脚定义描述 1r s 2 3 2 t k r s 2 3 2 发送线 2r s 2 3 2 r 盖 r s 2 3 2 接收线 3d 0 r s 4 2 2 发送线负极 4+ d or s 4 2 2 发送线正极 5r or s 4 2 2 接收线负极 6+ r o r s 4 2 2 接收线负极 7b a r + 直流电源+ 9 v + 3 0 v 8b 盯+童流电源+ 9 v o + 3 0 v 9 1 2 n c 未定义 1 3o n o f f 打开：悬空；关闭：接地 1 4g n d 地线 北京交通大学工程顽士学位论文 测量距离数据的采集和输入的核心器件是激光测距传感器d i s t 0 w h 3 0 ，适配器与外界进行数据交换，这个适配器包括r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和 电源线。由于通讯距离短，我们采用m a x 2 3 2 驱动芯片，接成r s 2 3 2 c ， 与单片机的通用异步收发器相连，即可实现单片机和传感器的通讯。其 硬件电路设计如图3 4 所示： 图3 4 数据传输模块硬件接线电路图 要通过激光测距模块与单片机之间的通信，实现激光测距模块功 能，首先要做的是建立一个适当的通信协议，保证激光测距模块和单片 机协同工作。协议的主要内容是： 激光测距模块发送联络信号( o x a a h ) ，要求单片机传输数据；单片 机接收到a a h 后，开始发送数据块，数据块长度为1 5 个字节，包括握 手信号( o x 从h ) 、1 3 个数据字节和“校验和”字节；激光测距模块接收 北京交通大学工程硕+ 学位论文 完数据之后，如果激光测距模块接收到的联络信号和校验和都正确，那 么激光测距模块回复单片机一个联络信号( 0 x a a h ) ，表示正确，并且传 输数据正确，并要求单片机继续传输数据；如果激光测距模块接收到的 联络信号或者校验和不正确，机关测距模块回复单片机错误信号 ( 0 x b b h ) ，表示数据传输错误，要求单片机重新传输数据；单片机的数 据传输完毕，向激光测距模块发出结束信号( o x f f h ) ，结束通信过程。 数据校验：为了保证数据传送的正确性，我们采用求校验和的方法。 激光测距模块接受到数据后，如果发现有校验和错误，就会放弃刚才接 收的一组数据，并向单片机发出错误信号( 0 x 明h ) ，要求重新传输这一 组数据。 通讯程序：单片机采用串行口的工作方式l ，每一帧数据传输十位 数据，其中一位起始位，八位数据位和一位停止位，波特率为9 6 0 0 ，我 们采用作为波特率发生器。传感器通过指令形式设置通讯波特率。 3 5 软件协议和指令 激光测距模块接口参数：波特率= 9 6 0 0 ，每一帧数据包括1 0 位数据， 其中八个数据位，一个停止位，无奇偶校验。起始位和停止位自动加入。 输入指令：每一条输入指令由一个或者多个字符( 小于1 2 7 的a s c i i 码) 以及终止符( 0 x 0 0 ) 组成。 输出数据格式：当接到输入指令之后，传感器会发送回应，回应信 息由一个或多个数据字组成，一个数据字由1 6 个字符组成，格式如下： 北京交通大学工程硕士学链论文 操作指令格式如下： ( 1 ) 复位指令( a ) 设备设置复位。 输入指令：a 返回数据 成功：7 出错： e z z z z z z ：错误代码 ( 2 ) 关机指令( b ) 关闭仪器。要开机，请用指令“a ”。 输入指令：b 返回数据 成功：? 面m 出错： e z 乙d n n z 荭： 错误代码 ( 3 ) 停止清除指令( c ) 停止当前操作。 输入指令： 返回数据 成功： 出错： ( 4 ) 测e ( g ) c ) 。o o ( x ) ( ) ( ：距离，单位1 ，1 0 m m 出错： e z z z ( t r m z z z ：错误代码 北京交通大学工程硕j ：学位论文 ( 5 ) 跟踪( h ) 激活连续测距。测量持续进行直到发出新的指令或出错。 输入指令： h 返回数据 成功：3 1 0 6 + x ) ( ) ( x x x x ) (5 1 + 0 0 0 0 0 1 0 0 0 x x ) ( ) ( ，0 ( ：距离，单位1 1 0 m m 出错： e z z z d r m z z z ：错误代码 ( 6 ) 信号测量( k ) 激活连续信号测量。测量持续进行直到发出新的指令或出错。 输入指令：k ( t 丌n 返回数据 成功：5 3 + ) 。( x ，o d r m ) 。o o ( ) 。：返回光线信号强度，单位m v 出错： e z 盈 z 荭：错误代码 ( 7 ) 激光打开( o ) 打开激光。 输入指令：o d 帅 返回数据 成功： ? 出错： e z z z d 哪 z z z ：错误代码 ( 8 ) 激光关闭( p ) 关闭激光。 输入指令：p 返回数据 成功：? t r m ) 出错： e z z z z z z ：错误代码 ( 9 ) 设置通讯参数( n 7 0 n ) 设置串口通讯参数。 ! 新的参数下次启动时将被激话。 j t 京交通大学工程硬：b 学位论文 进电机驱动器和控制器构成步进电机系统不可分割的三大部分。其系统 框图如图3 5 所示。 控逻驱步 制辑动 进 电电电 电 路路熬 桃 图3 5 步进电机系统框图 归纳起来，步进电机具有以下特点： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价； ( 2 ) 位移与输入脉冲信号数相对应，它的分辨率b 口为它的步距角， 步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定 精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制 系统； ( 3 ) 无刷，电机本体部件少，可靠性高： ( 4 ) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好，稳定运行时 的转速与控制脉冲的频率有着严格的对应关系，停止时，可有 自锁能力： ( 5 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 。大范围内选择。在 小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常 可以不经减速器直接驱动负载； 北京交通大学工程硕士学位论文 ( 6 ) 速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几 台步进电机可使它们完全同步运行； ( 7 ) 步进电机带惯性负载的能力较差； ( 8 ) 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速方法根据利用 状态的不同而复杂化； ( 9 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。 4 2 步迸电机的主要特性 1 ) 步距角巩 步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。 幺：竺 埘l ( 3 7 ) 式中：z ，为转子齿数； 嘶一运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即2 勋7 ( r 一电 机相数) ； 步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合 式步进电机是四相2 0 0 步的电机，步距角为1 8 。，也有步距角为2 。，3 6 。或5 。的混合式步迸电机。 ( 2 ) 静态矩角特性 当步进电动机某相通以直流时，该相对应的定、转子齿对齐。这时 转子上没有转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，则步进电动 4 l 北京交通大学工程硕士学位论文 机转子就要转过一次小角度。再重新稳定。这时转子上受到的电磁转距 t 和负载转距相等，称t 为静态转距，而转过的这个角度。称为失调角。 描述步进电动机静态时电磁转距t 与失调角e 之闽关系的特性曲线称为 距角特性。 两个齿中心线之间的距离叫齿距，当转子转过一个齿距，距角特性 就变化一个周期，相当于2n 电角度。图3 6 是定、转予齿行均为矩形 的距角特性曲线，它近似于正弦曲线。 胃r 辜文雕1 ， 毫龟平街点羊氇置 + i i 。 静穗定区0i么 i |一 图3 6 定、转子齿行均为矩形的距角特性 ( 3 ) 响应频率 在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一 最大频率称为响应频率。通常用启动频率人作为衡量的指标。它是指 在一定负载下直接启动丽不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳 频率。 ( 4 ) 启动矩频特性 4 2 北京交通大学工程硕士学位论文 在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间 的关系称为启动矩频特性，又称牵八特性。如图3 7 所示。 t f 图3 7 步进电机的矩频特性 ( 5 ) 运行矩频特性 在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频 特性。 ( 6 ) 惯频特性 在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。 惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。 4 3 步进电机的类型及应用 步进电机按励磁方式可分为反应式( v r ) 、永磁式( 刚) 和混合式( h b ) 三种。步进电机和一般旋转电机一样，分为定子和转子两大部分。定予 由硅钢片叠成，装上一定扭数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组 轮流进行励磁；转予由硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸级结构，转子 本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机，用永久磁铁做转予的 北京交通大学工程硕士学位论文 称为“永磁式”步进电动机。混合式步进电动机的定子结构和反应式步 进电动机相同，转子是由环形磁铁和两端铁芯组成，它综合了反应式和 永磁式步进电动机两者的优点。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较 小，步进角一般为7 5 。或1 5 。；反应式步进一般为三相，可实现大转 矩输出，步进角一般为1 5 。，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国 家8 0 年代已被淘汰；混合式步进电机结合永磁式和反应式的优点，在 工业上应用最为广泛，通常分为两相( 步迸角一般为1 8 。) 和五相( 步进 角一般为o 7 2 。) 。 混合式步进电机具有如下一些特点： ( 1 ) 极对数等于转子齿数，可根据需要在大范围内变化。对于多极 对数的混合式步进电动机，方波驱动即可获得较高的分辨率，可作为低 速同步电动机运行：对于少极对数的混合式步进电动机，可作为具有宽 广调速范围的调速电动机。 ( 2 ) 转子磁钢提供激磁。在相同条件下，其激磁安匝只有反应式步 进电动机的l 2 l 3 ，有利于功率逆变器的设计和配置，降低成本，提 高可靠性和效率。 ( 3 ) 绕组电感随转子位置变化小，使系统控制简单，易于实现最佳 运行控制。 ( 4 ) 在整个运行区域没有明显的振荡，易于减小力矩波动。 ( 5 ) 混合式步进电动机是轴向充磁磁路，永磁体夹在二段转子铁心 北京交通大学工程硕：e 学位论文 中间，用量少，易于采用高磁能积的新型永磁材料，有利于电动机性能 的提高。 基于上述特点，其被广泛应用于数模转换、速度和位置控制系统， 是数字开环控制系统理想的执行元件。与采用其它伺服装置组成的闭环 系统比较，步进电机开环控制系统可以省去反馈传感器、放大器、积分 器和模数转换器等，使结构简单、稳定、可靠、控制方便、成本低廉。 近年来，随着电力电子技术，微电子技术和徽处理机技术的飞速发展， 特别是三者在应用中的结台，使步进电动机的驱动系统不断发展和完 善，各项性能指标不断提高，在自控领域应用极广。 4 4 混合式步进电机的工作原理 混合式步进电机由定子和转子两部分组成。常见的定子有8 个极或 4 个极，极面上均匀分布一定数量的小齿：极上线圈能以两个方向通电， 形成a 相和爿相，b 相和口相。它的转子也由圆周上均布一定数量小齿 的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距。两块齿片中间夹有 一只轴向充磁的环形永久磁钢。显然，同一段转子片上的所有齿都具有 相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反。混合式步进电机的结构 图如图3 8 所示。 北京交通大学工程硕士学位论文 图3 8 混合式步进电机的结构图 垂一二 图3 9 混合式步进电机剖面展开图 图3 9 是四相棍合式步进电机以圆周展开的剖面模型。上图是转子 s 极剖面图，下图是n 极剖面图。图中，定予齿距和转子齿距相同。先 考虑磁极i 和磁极i i i 下面的磁场。定子线圈通电后，磁极i 产生n 极， 磁极1 1 i 产生s 极。因为n 极的转子齿和s 极的转子齿相互错开半个齿 距，所以，仅靠定予电流磁场并不能象磁阻式电机那样产生有意义的转 北京交通大学工程硪士学位论文 矩。但是，把永久磁钢产生的磁场叠加上去，情况就不一样了。因为磁 极i 下面的两个磁场相互增强，因此产生向左的驱动力：而磁极下面 的两个分量稆互抵消，向右的力大大削弱。再看下图，磁极i i i 下面的 定子磁场和转子磁场方向相同，磁极i 下面的磁场方向相反，最终得到 向左的合力。转予在驱动力的作用下将转过l 4 齿距，驱动力降为零， 达到平衡位置。 如果切断磁极i 、m 的激磁，同时向磁极1 1 、i v 上的线圈通入电 流，分别产生s 极和n 极。转子将向左再走一步。按照特定的时序激磁， 如 一b 一4 一b a ，电机就能沿逆时针方向连续旋转。改变激磁时 序，a b a 一口一”激磁，电机将沿顺时针方向连续旋转。 4 5 细分驱动模块设计选型 步进电机细分驱动模块选用深圳市东仪电子有限公司生产的t m 5 0 5 型，t m 5 0 5 是在目前最先进的步进电机驱动器的基础上改进的细分高性 能步进电机驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电 机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的