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浙江大学硕士学位论文中小型电机转子半自动动平衡校正系统的构建与研究 摘要 中小型电机转子在生产装配过程中产生的原始不平衡量，影响电机产品质量，因此必须 对其进行动平衡校正。随着我国中小型电机类产品向各个应用领域不断扩展，电机转子动平 衡校正工艺的效率，就成为决定该行业批量化、大规模生产效率的关键问题。 论文在对国内电机类企业生产现状、国外公司相关产品特点以及一些国内相关科研机构 研究成果的考察与评估的基础上，创造性地提出了“半自动动平衡校正系统”的解决方案。 该方案以低成本的低端实现方式，能够很好地适应国内劳动密集型企业的需求。 “中小型电机转子半自动动平衡校正系统的构建与研究”，是一个典型的机电体化技术 的实际应用范例。涉及到了机械设计理论中的静力学动力学分析、数字信号的采集与处理、 运动控制理论的具体应用等多方面的交叉学科内容。课题完成了系统从概念机到实验机的实 现过程，构建了整个系统，设计并实现了系统的三大组成部分： 1 ) 自行设计了小型动平衡机。根据转子动力学的相关理论，建立了小型动平衡机工作态 下的数学模型，通过对数学模型的求解分析，确定了课题小型动平衡机的关键尺寸。 论文所描述的小型动平衡机数学模型的构建与求解思路，对后继工作中的平衡机改型 设计有指导意义。 2 ) 以台式钻铣床为基础改造了加工转子用的去重机，并为其设计了运动控制器。论文探 索了一条对普通机床进行数控化改造实现去重机的方案，设计了纯机械结构的去重机 组合夹具。转子可灵活、准确地转动到被加工位置，同时保证了转子在被加工时的平 稳性要求。去重机控制器电路设计简洁，抗干扰性能好。 3 ) 以n i 多功能卡为数据采集硬件，利用l a b v e w 6 1 和m a t l a b 6 1 混合编程，在普通台 式电脑上构建了实验操作平台。实验操作平台以虚拟仪器概念为指导和实现方法，实 现了小型动平衡机振动信号采样、不平衡量解算和去重机控制三部分功能。 论文在e 述工作基础上，进行了实验研究，验证了系统的部分性能。论文实现的系统为 深入研究提供了设备基础；论文的研究成果也对后继研究工作具有重要的参考价值和启发性。 关键词中小型电机转子半自动动平衡校正系统实验 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子半自动动平衡校正系统的构建与研究 a b s t r a c t t h ej n i t i a lu n b a l a n c eo fm i d d i l e m i n i - s i z e dm o t o rr o t o r s g e n e r a t e dd u r i n gm a n u f a c t u r ea n d a s s e m b l e sr e d u c et h eq u a l i t yo fm o t o r s ，s ot h ei n i t i a lu n b a l a n c eo fm o t o rr o t o r sm u s tb ec o r r e c t e d b e f o r eu s e w i t ht l l ec o n t i n u o u se x p a n d i n gt r e n do fd o m e s t i cm i d d l e m i n i s i z e dm o t o rp r o d u c t st o e v e r yf i e l d ，t h ee f f i c i e n c yo fu n b a l a n c ec o r r e c t i o nb e c o m e st h ek e yp r o b l e m ，w h i c hd e c i d e st h e b a t c hm a n u f a c t u r eo f m i d d l e m i n i - s i z e dm o t o rr o t o r so nl a r g es c a l e b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n de v a l u a t i o no f t h ec u r r e n tm a n u f a c t u r i n gs t a t u so f d o m e s t i ce n t e r p r i s e ， o ft h er e l a t e dp r o d u c tc h a r a c t e r so ff o r e i g nc o m p a n i e s ，a n do ft h er e s e a r c hr e s u l t so fr e l a t e d d o m e s t i cs c i e n t i f i ci n s t i t u t e s ，t h i st h e s i si n v e n t st h e 携m i a u t o m a t j cu n b a l a n c ec o r r e c t i o ns y s t e m s o l u t i o nt om e e tt h en e e d so fm a j o r i t yo fl a b o r - e x t e n s i v ed o m e s t i ce n t e r p r i s e s ，w i t hl o wc o s t r e a l i z a t i o n 犟o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho fs e m i a u t o m a t i cu n b a l a n c ec o r r e c t i o ns y s t e mf o rm i d d l e m i n i s i z e d m o t o rr o t o r si sat y p i c a la p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a lt e c h n o l o g i e s i td e a l sw i t h m a n yd i s c i p l i n e sl i k e ：s t a t i c d y n a m i cm e c h a n i c sa n a l y s i si nm e c h a n i c a ld e s i g n ，d i g i t a ls i g n a l t h e o r i e s ，a n da p p l i c a t i o n so fm o t i o nc o n t r o lt h e o r y t h et h e s i sa c c o m p l i s h e st h es y s t e mr e a l i z a t i o n f r o mc o n c e p t i o nm a c h i n et oe x p e r i m e n t a lm a c h i n e s ，b u i l du pt h ew h o l es y s t e m ，w h i c hc o n s i s to f t h r e em a j o rp a r t s ： 1 ) s e l f - d e s i g n e dm i n i - b a l a n c i n gm a c h i n e u n d e rt h ed i r e c t i o no fr o t o rd y n a m i c s ，am a t h e m a t i c a l m o d e lo ft 1 1 el q l n - t i m e b a l a n c i n gm a c h i n ei s c r e a t e d t h ek e ys t r u c t u r a ld i m e n s i o n so ft h e b a l a n c em a c h i n ej sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l 2 ) c u t t i n g m a c h i n er e s h a p e df r o mag e n e r a ld r i l lm a c h i n e ，a n dc o r r e s p o n d i n gm o t i o nc o n t r o l l e r a n u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n g m a c h i n ei sr e a l i z e do nt h eb a s eo fag e n e r a ld r i l lm a c h i n e t h em o t o r r o t o rc a nr o t a t et ot h eo b j e c tp o s i t i o nw i t ha g i l i t y , a n db ek e p ts t a b l ed u r i n gm a c h i n i n g 1 1 1 e c o n t r o l l e ra p p l i e sal i e a ta n da a m f l e ec i r c u i t 3 ) a ne x p e r i m e n t a lo p e r a t i o np l a t f o r mo nag e n e r a lp c ，w i t hn im u l t i - f u n c t i o nb o a r da sh a r d w a r e a n dl a b v i e w 6 1a n dm a t l a b 6 1a sd e v e l o p m e n tt o o l s t h ee x p e r i m e n t a l o p e r a t i o np l a t f o r m a p p l i e st h ec o n c e p to f v i r t u a li n s t r u m e n t , r e a l i z e st h ef u n c t i o n so f s i g n a ls a m p l i n g , u n b a l a n c i n g c a l c u l a t i o na n dc u t t i n g m a c h i n ec o n t r 0 1 e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu p o nt h es y s t e ma n ds o m eo f t h es y s t e mf u u c t i o n sa r et e s t i f i e d t h e s y s t e ms e t st h ee q u i p m e n tf o u n d a t i o nf o rl a t t e re x p e r i m e n t s ；t h er e s e a r c hw o r k so f f e ri m p o r t a n t r e f e r e n t j a lv a l t i ea n di l l u m i n a t i o n k e y w o r d sm i d d l e m i n i s i z e dm o t o r , r o t o r , s e m i a u t o m a t i c ，b a l a n c i n g c o r r e c t i n gs y s t e m ， e x p e r i m e n t s l i 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 1 1 课题背景 第一章前言 中，j 、型电机是t 厂自动化、家庭生活自动化、办公自动化的重要基础产品，其转子通过 在硅钢片上绕漆包线制作，硅钢片、风叶和换向环等则是通过冲压机装配完成。各部分材质 不均匀、绕线不均匀、几何结构不对称导致转子在电机工作运转时产生较大振动，带来噪声、 缩短产品寿命，因此必须对中j 、型电机的转子进行动平衡校正。 当前，全球中d , 型电机产品正以前所未有的速度向着各个应用领域不断扩展，已形成持 续稳定发展态势。根据有关资料报道 1 ，全球2 0 0 2 年中d , 型电机总产量约7 0 亿台，按年增 长率5 计算，预测2 0 0 5 年全球中，j 、型电机总产量将超过8 0 亿台。目前国产中d , 型电机产 量已占全球总产量6 0 左右。未来发展趋势是：我国会加快速度发展中4 , 型电机产业，尤其 是1 i 断提高电机设计水平和制造水平，加大制造中、高档产品比例，不断扩大应用领域和市 场占有率，加大出口份额。随着各种应用中川、型电机的机电产品在全球各个地区覆盖率以及 产品更新率不断提高，我国中，j 、型电机产业必然会出现独资企业、民营企业相互竞争又共同 发展的新局面。展望中，j 、型电机产业发展前景，在不久的将来，我国将成为全球中小型电机 生产大国、出口大国、需求大国，最终也必将成为技术强国。提高中小型电机制造水平，加 大制造中、高档产品比例对于我国相关企业扩大产品应用领域，增强出口竞争力有着蕈要的 现实意义。 这样的行业前景和发展趋势下，动平衡工艺的效率就成为决定中小型电机批量化、大规 模生产效率的关键问题。传统的中孙型电机转子动平衡测量、校正_ 艺，由于受以往的用户 需求影响和生产条件制约，一直局限在劳动密集型加工的范畴之内。国内企业目前普遍采用 的方法是：使用普通动平衡机进行不平衡量测量：根据测量结果人t 进行钻削或铣削完成去 重加工；过程重复进行至达到精度要求为止。这样的动平衡工艺依赖t 人的经验，生产效率 低下，平衡精度不高，而且转子上的切槽数较多，影响转子的产品质量。国外相关公司有全 自动一体化动平衡校正机产品，但主要用于大中型转子的高精度、单件或小批量动平衡，因 此在设计上采用的是平衡机去重机一体化结构。在完成转子不平衡量测量之后，驱动电机停 机，由去重机对转子进行就地加t 。这样的动平衡校正设备，无法适应中小型电机转子的大 批量动平衡校正：驱动电机的反复启动和制动过程将使得生产效率低下，同时也浪费电能、 影响机器使用寿命。 考虑到当前国内的劳动力成本，设计、构建一套半自动动平衡校正系统，可以适应并满 足国内中川、型电机类企业在不远将来的生产需求，这就是本文课题的目标。 到本文撰写对为止，浙江大学其它专业也有类似的动平衡校正系统课题在迸彳亍过程中， 一般采用的是购买现有设备或控制器，进行高端集成的设计思路。仅硬件成本就高达十几万 元，这样的设备无法适应国内劳动密集型企业的现实。本文课题则一开始就定位在尽可能从 底层实现切八的目标，探索了一条低成本研发的路线，以便更好地适应现阶段国内大量劳动 密集型企业的实际条件和需求可能。 面对现实条件，结合化工过程机械专业的特点，课题“中d , 型电机转子半自动动平衡校 正系统的构建与研究”，其选定与确立，还考虑到了以下两方面因素： 1 浙江大学化工过程机械研究所以往在转子的动平衡方法、工艺等方面有过丰富的工程实践 经验与理论研究积累。 2 2 0 0 2 年浙江大学化工过程机械专业被评为国家重点学科后，本科专业改成“过程装备与控 制工程”，专业的进一步发展需要引入机械、电子与控制相关的技术与实践。课题体现了 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 这一趋势，并提供了一种切实可行的具体方法。 经过前期准备与工作实践，课题取得了阶段性成果，实现了部分预期目标。下面对论文的 内容做简要介绍。 1 2 论文主要内容 “中孙型电机转子半自动动平衡校正系统的构建与研究”这一课题，是一个典型的机电 一体化技术的实际应用范例。它涉及到了机械设计理论中的静力学动力学分析、数宁信号的 采集与处理、运动控制理论的具体应用等多方面的交叉学科内容。 本论文作为课题的总结，在对现有产品或相关产品的调研与分析的基础上，介绍了相关 背景技术与工具，详细描述了整个系统从无到有的实现过程，给出实验数据分析与结果，验 证了系统的性能。论文并不仅局限于对设计过程的描述，而是试图通过这样的描述，尽可能 地展现出设计思路形成的路线，以及在设计遇到困难时，其解决方法的形成过程。因为事实 的重要性，往往远小于隐藏在事实背后的、起支配作用的原因的重要性。这样的行文方式， 能够更加有助于说明问题。 论文共包括七章内容：第一+ 章为前言，讲述了论文的课题背景与目标；第二章为综述， 介绍了动平衡校正相关产品现状，简要讲解了课题涉及到的技术概念，并对应用工具进行了 一些比较分类，作为课题的一般性指导基础；第三章为系统总体方案，给出了系统的逻辑组 成和结构框架，对系统的各部分功能进行全局划分，简要描述了实现方案；第四章为小型动 平衡机，详细论述了系统的测量基础小型动平衡机的设计实现过程；第五章为去重机，详细 论述了系统的加工执行单元去重机的改造实现过程；第六章为实验操作平台，描述了作为系 统核心的测量、控制平台的组成与实现方法：第七章为实验分析、结论与展望，在系统构建 完成的基础上，研究了系统的性能，指出可能的后继_ 1 二作方向与重点。 4 浙江大学硕士学位论文 中小型电机转子专用半自动动甲衡校正系统的构建与研究 第二章综述 本章综述介绍了动平衡校正相关产品现状，简要讲解了课题涉及到的技术概念，并对应 用工具进行了一些比较分类，作为课题的一般性指导基础。包括：动平衡校正产品现状、机 械平衡概述、运动控制概述和课题相关研究进展四部分内容。 2 1 动平衡校正相关产品现状 如同第一章前言中所讲述的那样，本文课题“中d , 型电机转子半自动动平衡校正系统”， 是为了解决中d , 型电机转子批量化、大规模生产效率问题，针对国内中d , 型电机产品相关行 业的现实，以及国内外现有产品特点而提出的。对动平衡校正相关产品现状的了解，有助于 分析用户需求，同时也为课题的设计工作提供了思路上的参考。 2 0 0 3 年8 月份，课题组前往浙江省武义县进行了考察。在当地作为支柱产业之一的一家 电动t 具( 手枪电钻、风钻等) 制造厂里，拍摄到的生产现场照片如图2 ，1 和图2 2 所示： 图2 1 手枪电转转子不平衡量测量的动平衡机整机 图2 1 中的动平衡机即为该厂用于平衡手枪电钻转子的动平衡机，操作工人可直接甩手移 放转子，无需额外的防护措施。可以看出该平衡机结构简单，使用简便，操作工人不平衡 量的矢量图。 图2 2 中的台式钻床用于对手枪电钻转子进行去重加工，操作工人“测量出”转子的不平 衡量之后，手工在台式钻床上钻削加工转子。钻削位置和深度的依据是上文提到的不平衡量 的矢量图，以及工人在长期实践中积累得到的工作经验。 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 图2 2 转子去重加工的台式钻床 显然在这样的生产环境和条件下，手枪电钻转子的平衡精度的稳定性和批量化、大规模 生产效率，必然成为制约产品技术等级的瓶颈。 地处长三角地区的一些知名电动工具生产企业，如：位于江苏省苏州工业园出口加工区 的全球最大的电动工具制造商和销售商，百得( 科技) 有限公司( b l a c k & d e c k e r ) ；位于浙江 省杭州国家高新技术产业开发区的博世( b o s h i ) 电动工具( 中国) 有限公司等等。在这些电动工 具生产企业中，转子的动平衡工艺大多采用了较为先进的动平衡设备。但是转子的去重加工 工序，仍然是依靠操作工人手工完成的。这样，一方面，先进的动平衡设备并没有最大限度 地发挥出其最大应用价值；另一方面，由于去重加工工序的原因，转子批量化、大规模生产 的效率瓶颈仍然存在。 6 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 一些国外公司，如德国s h e n k 和日本d s k 等有全自动体化动平衡校正机产品。图 2 3 为日本精机制造生产的六工位全自动动平衡校正机，从图中可以大致看出其机械结构是平 衡机一去重机一体化结构。这样的全自动动平衡校正机，虽然平衡精度较高，但批量生产效率 低、结构复杂、对不同规格的转子适应性差，因而不能适应被加工转子规格经常变换的情况， 而这又是电机类企业，特别是我国的电机企业，必须面对的现实。而且，价格昂贵的进口设 备显然不是我国劳动密集型中，j 、型电机类生产企业的首选设备。 在课题设计的“中小型电机转子半自动动平衡校正系统”中，必然要包括动平衡机这一 组成部分。动平衡机是用于测量转子不平衡量的测量仪器，市场上有比较成熟的该类产品。 下面是一些动平衡机的实物图片与功能说明。 图2 4s a - 5 型硬支撑动平衡机 图2 4 中的s a 5 型硬支承平衡机广泛应用中小电机、风机、电动工具、机械制造、木_ t 机械、皮带轮等高速旋转体工件平衡校正。传动方式采用圈带，装卸方便，启动快。机电换 能器采用压电式传感器，体积小输出量大，灵敏度高、稳定性好。 图2 5s a 6 型硬支撑动平衡机 浙江大学硕士学位论文 中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 风设备、陶瓷机械、滚筒、胶棍、等旋转体 件平衡校正。采用罔带传动，无万向联轴钳本 身的剩余不甲衡量及联接夹具带来的不平衡量误差，机电换能器采用压电( 磁电) 式传感器， 输出最大，性能可靠、灵敏度高等。 圈2 6s b - 7 型硬克撑动平衡机 图2 6 中的s b 7 型硬盘承平衡机主要应用于电机、机床主轴、风机、风轮、陶瓷机械、 滚筒、胶棍等旋转体工件平衡校验。采用万向联轴节传动，可获得多种平衡转速，且精度高、 棒作方堙、工难皴率高等。机电换能器采田匝枣匈转蹙器输衅晕五鞋鞋百r 靠灵敏磨高， 图27s b 一9 型硬支撑动平衡机 图2 7 中的s b 9 型硬支承平衡机主要应用于大型电机、陶瓷机械、滚筒、胶棍、风机、 印刷机械、轴类等旋转体工件平衡校验。聚用万向联轴节传动，机电换能器采用压电( 磁电) 式传感器，输出量大，性能可靠、灵敏度高。 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 图2 8s f 3 型软支撑动平衡机 图2 8 中的s f 一3 型软支承平衡机广泛应用于各类小型电机、电动工具、机械制造、轴类 等旋转工件平衡校正。本机采用圈带驱动，装卸方便、启动快。机电换能器采用磁电式传感 器，输出量大，性能可靠、稳定性好。 图2 9 中的s d - 3 型贯流风叶平衡机是一种新型平衡设备。主要应用于分体空调机贯流风 叶、汽车空调暖风机、中央空调贯流风扇、封帘机贯流风扇等工件平衡的校验。采用圈带传 9 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 动，装卸方便，平衡效率高。机电换能器采用压电力传感器，体积小、灵敏度高，稳定性好。 以上六种动平衡机数据采样、不平衡量解算和人机交互硬件部分，均为专门定制设计。 随着计算机技术和数据采集硬件技术的发展，以工控机( 或普通个人计算机) 和数据采集板卡 为核心的动平衡机也逐渐进入了市场，c r y q 一5 t n 型软支承平衡机就属于这一类型。 图2 1 0c r y q - 5 t n 型软支撑动平衡机 c r y q 一5 t n 型软支承平衡机如图2 1 0 所示，该机具有快、准、稳的优点，适用于小型转 子、电动工具、电吹风、玩具电机等。其主要特点如下： 1 起动迅速，采用步进电机，平稳不打滑，可调节平衡转速，自动刹车即停，3 - 4 秒钟完成 测试； 2 一键操控，同步显示左右角度及不平衡量值，比频闪灯式机型节省5 0 时间，能测试几毫 克的不平衡残余值，满足高精度动平衡的要求； 3 性能稳定，该机型采用“自动”档可自动停机，采用“常开”档不停机，在“常开”状态时测量， 不平衡值变化控制在毫克之内； 4 方便快捷，改变传统上用标准转子校验的方法，采用“试重标定法”，校验时，将一己知重 量的试重块，放到待测转子上，电脑会自动对状态参数进行调整，而标定需时约1 分钟， 其后可对同型号转子进行批量测试： 5 首创双窗口显示，能保持在上次测量数值，方便两人同机操作，提高劳动生产率及设备使 用率5 0 。 6 设定工件允许剩余不平衡量值，测试平衡合格，即显示“o k ”，反之显 n g ”。 以工控机( 或普通个人计算机) 和数据采集板卡为核心的动平衡机，反映了动平衡校正类型 产品的新发展动态和方向。专业定制生产的数据采集板卡保证了动平衡机振动信号采集的正 确可靠；计算机的强大计算能力、处理速度和储存容量使得动平衡机的性能与以往相比，显 得更加优越。在计算机的操作系统平台上，以现代参数辨识和模式识别理论为算法基础编制 的动平衡校正系统软件，为高精度动平衡校正系统的实现与不断升级提供了可行的手段。 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 2 2 机械平衡概述 课题设计工作涉及到机械动力学的部分概念，文献 2 】【3 】【4 】 5 】对此进行了详尽的论述，下 面给出课题相关的概念要点。 2 2 1 机械平衡的目的 机械构件在运动过程中都将产生惯性力和惯性力矩，这将在运动副中产生附加的动压力， 从而增大构件中的内廊力和运动副中的摩擦，加剧运动副的磨损，降低机械效率和使用寿命。 消除惯性力和惯性力矩的影响、改善机构工作性能，就是研究机械平衡的目的。 2 2 2 机械平衡的内容及分类 机构平衡：所有构件的惯性力和惯性力矩，最后以合力和合力矩的形式作用在机构的机 架上。这类平衡问题称为机构在机架上的平衡。 转子平衡：对机械结构中旋转部件转子的平衡校正。 挠性转子的平衡：在高速机械中，当转子转速较高接近或超过回转系统的第一阶临界转 速时，转子将产生明显的变形，这时转子将不能视为刚体，而是一个挠性体。这种转子称为 挠性转子。这类平衡称为挠性转子平衡。 刚性转子的平衡：当转子的工作转速较低，远低于其一阶临界转速时，转子完全可以看作 是刚性物体，称为刚性转子。这类平衡称为刚性转子平衡。 本文课题设计研究的系统，正是用于刚性转子的动平衡校正，因此设计过程中，转子不 平衡测量部分是以刚性转子平衡的相关理论为基础的。然而这样的方法并不是完全正确的， 原因在第七章中将有所阐述。 2 3 运动控制概述 动力和运动是可以相互转换的，对机械结构的运动( 去重加工) 控制归结为对动力( 电机) 的 控制。因此，本文课题动平衡校正系统中的去重机部分，就是一个简单的运动控制系统。下 面对运动控制及其系统实现方法作简单介绍。 运动控制的概念来源于国外的一些教科书。在某一个特定机械系统中，为了得到希望的机 构运动轨迹，需要对电动机进行控制，因此运动控制主要是指针对电机的控制。 对电机的控制可以分为两类： i 简单控制，是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，这类控制可以通过继 电器、可编程序控制器和开关元件来实现。 2 复杂控制，是指对电机转速、转角、转矩、电压、电流、功率等物理量进行控制。有时。 这种控制精度要求是非常高的。 早期电动机的简单控制应用比较多。随着社会发展进步，人民生活水平的提高，对自动 化的需求越来越高，从而使电动机的复杂控制成为主要的控制方式，应用领域不断扩大。如： 军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阳的跟踪等 控制：工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、t 业机器入、塑料机械、印刷 机械、绕线机、纺织机械、工业缝纫机、绣花机、采和压缩机等设备的控制等等。 电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近 2 0 多年内发生了很大变化。其中，电动机控制策略的模拟实现方法正在逐渐推出历史舞台， 而采用微处理器、f p g a c p l d 、通用计算机、d s p 控制器等现代手段构成的数字控制系统得 到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次更新换代以后，速度更快、 控制更容易的全控型功率器件m o s f e t 和i g b t 逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和 微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制方法( p w m 和 s v p w m ) 、变频技术在直流和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电 子技术的结合有产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机、开关磁阻 电动机、超声波电动机、直线电动机等等。 随着时代的发展，各种电动机的控制技术和微电子技术、电力电子技术的结合正使其发 展成为一门新的技术，即运动控制技术。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统 的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。 应用先进控制算法，开发全数字化的智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发 展方向。 目前，运动控制系统的实现方法主要有以下几种： 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。 以微控制器为核心的运动控制系统。 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统。 利用专用芯片实现的运动控制系统。 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。 以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统。 上述六种主要的运动控制系统实现方式中， 都属于数字控制系统。这些方法各有优缺点， 论。 2 3 1 模拟控制系统 第一种实现方法为模拟控制系统，其他五种 分别适合于不同的应用场合。下面分别进行讨 早期的运动控制系统一般采用运算放大器等分立元件，以硬接线方式构成，这种系统具 有以下优点： 1 通过对输入信号进行实时处理，可实现系统的高速控制。 2 由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，冈此，控制器的精度较高且具有较大的带宽。 然而，与数字系统相比，模拟系统的几个缺陷也是很显然的： 1 老化和环境温度的变化对构成系统的元件参数影响很大。 2 构成模拟系统需要的元器件较多，从而增加了系统的复杂性，也使最终系统的可靠性降低。 3 由于系统设计采用硬接线，当系统设计完成以后，升级功能修改几乎是不可能的。 4 受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控制算法。 模拟控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。然而，作为控制系统 最早的一种实现方式，它仍然在一些早期的系统中发挥作用：另外对于一些功能简单的电动 机控制系统，仍然可以采用分离元件构成。 2 3 2 以微控制器为核心的运动控制系统 利用m c s 5 1 、m c s 9 6 等代表的8 位或1 6 位单片机，取代模拟电路作为电动机的控制 器所构成的系统具有如下优点： 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 1 使电路更简单。模拟电路为了实现逻辑控制器需要许多分立电子元件，从而使电路变得复 杂。采用微处理器以后，绝大多数数控逻辑可采用软件实现。 2 以实现较复杂的控制算法。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大 容量的存储器，因此有能力实现较复杂的控制算法。 3 活性和适应性强。微处理器的控制方式主要由软件来实现，如果需要修改控制规律，般 不必修改系统的硬件电路，只需要对软件进行修改即可。 4 无零点漂移，控制精度高。数字控制系统中一般不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移 问题，控制器的字长一般可保证足够的控制精度。 5 可提供人机界面，实现多机连网工作。 在一些性能要求不是很高的场合，普遍使用单片机作为电动机的控制器。但是由于微处理 器一般采用冯诺依曼总线机构，处理器的速度有限，处理能力也有限；另外，单片机系统比 较复杂，软件编程难度比较大。同时，一般单片机的集成度较低，片上不具备运动控制系统 所需要的专用外设，如p w m 产生电路等。因此，基于微处理器构成的电动机控制系统仍然 需要较多的元气件，这增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算 量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进的控制算法，如预测控制，模糊控制等。 由于掌握微处理器的技术人员数量众多，设计系统时，微处理器往往会成为优先考虑的手 段。实际上，经过4 0 多年的发展，以m c s 5 1 为代表的早期单片机时代已经逐渐成为过去， 新一代的单片机无论从制造工艺还是性能、功能上都有了极大改进。新型单片机，如 c 8 0 5 l f x x x 系列、a v r 系列等，工作频率一一般在2 0 m h z 以上，采用流水线技术( m i c r o c h i p 的p i c 系列) ，片内集成大量存储单元和功能外设，有的单片机内部甚至集成了d s p 内核 ( m i c r o c h i p 的d s p p i c 系列) 这些措施都使得单片机的性能得到了极大提高，可以较好地满足高 性能运动控制系统的需要。 2 3 3 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板卡、与计算机进 行信号交换的接口板卡，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高速度、 强大的运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同时控制软 件的修改也很方便。 然而，这种实现方法的一个缺点在于系统体积过大，难以应用于工业现场：而且，由于 通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法。 1 般来说，这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机，与下层的实 时系统一起构成两级或多级运动控制系统。 2 3 4 利用专用芯片实现的运动控制系统 为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了 专用的电动机控制芯片，如n 公司直流无刷电动机控制芯片u c c 3 6 2 6 、u c c 2 6 2 6 等。利用 专用电动机控制芯片构成的运动控制系统，保持了模拟控制系统和以微处理器为核心的运动 控制系统两种实现方式的长处，具有响应速度快、系统集成度高、使用元件少、可靠性好等 优点；同时，专用电动机控制芯片价格便宜，进一步降低了最终系统的成本。因此，采用这 种方式实现的运动控制系统广泛用于电动自行车、点钞机等精度较低、成本敏感的场合，是 目前应用最广的一种运动控制实现方法。 受专用芯片本身的限制，这种系统的缺点包括： 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 1 于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可以保证较高的系统响应速度，但是降低了系统 的灵活性，不具有扩展能力。 2 芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用芯片中实现的算法一般都是比较简单的。 3 由于用户不能对专用芯片进行编程，因此很难实现系统升级。 4 受芯片本身算法的限制，这种系统的控制精度一般都比较低，难以用于那些高性能、高精 度的应用场合。 2 3 5 以可编程逻辑器件为核心构成的运动控制系统 由于f p g a c p l d 等可编程逻辑器件的发展，可以利用a l t e r a 、x i l i n x 等公司提供的 产品，使用这些公司提供的系统开发硬件或v h d l 等开发语言，通过软件编程实现某种运动 控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以硬件的方式实现接终的 运动控制系统。 利用可编程逻辑器件实现运动控制系统具有如下优点： 1 系统的主要功能都可在单片f p g a c p l d 器件中实现，减少了所需的元件个数，缩小了系 统体积。 2 可编程逻辑器件一般具有可编程的优点，在此基础上构建的目标系统具有较好的扩展性和 可维护性，通过修改软件并重新下载到目标板上的相关器件中，就可以实现系统的升级。 3 于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。 4 开发工具齐全，容易掌握，通用性强。 该类系统实现方法的缺点在于，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数同控制算法的复 杂程度成正比。按照当前的芯片制造工艺，可编程逻辑器件的门数越多，价格越贵。因此， 考虑到目标系统的成本一般使用可编程逻辑器件实现比较简单的控制算法，构建较简单的 运动控制系统。 2 3 6 以可编程d s p 控制器为核心构成的运动控制系统 d s p 即数字信号处理器，是一种特别适合于数字运算的微处理器，主要应用是实时快速 实现各种数字信号处理算法。为了满足世界范围内运动控制系统的需要，t i 公司推出了专用 的t m $ 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控制器。 x 2 4 x 系列d s p 控制器将一个高性能的d s p 内核、大容量的片上存储器和专用的运动控 制外设电路( p w m 发生电路、可编程死区、s s v p w m 发生电路、捕获单元等) 以及其他功能 的外设电路( 1 6 通道模拟数字转换单元、串行通信接口、c a n 控制器模块等) 集成在单芯片上， 保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性促i 应性好、升级方便等优点；同时，其内部 的d s p 内核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量数据的能力。 x 2 4 x 系列d s p 控制器采用采用改进的哈佛结构，分别用独立的总线来访问程序和数据 存储空间，配合片内的硬件乘法器、指令的流水线操作和优化的指令集。d s p 控制器可较好 地满足系统的实时性要求，实现复杂的控制算法如k a l m a n 滤波、模糊控制、神经元控制等 等。 基于d s p 控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片系统，整个电动机控制所需的 各种功能都可由d s p 控制器来实现。因此可以大幅度缩小目标系统的体积，减少外部元件个 数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此，目标系统升级 容易、扩展性、维护性都很好。 但是，使用了t i 公司的专用t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 的控制器本身成本偏高，而且 浙江大学硕士学位论文中小型电机转予专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 的封装采用表面贴装方式，所需要的外围元件也同样多为表面贴装方 式，因此电路板设计难度与成本高。同时，开发d s p 控制器产品对设计人员的素质要求也相 应比较严格，并且目标板的调试与检测工作所需要的设备也更加昂贵，这些都增加了研发成 本。 2 4 已有的相关研究进展 全自动动动平衡校正系统的研究，在国外起步较早。文献【6 7 8 9 】分别论述了该类型系 统构建研究的进展和相关问题。在国内方面，根据检索到的相关资料，到论文撰写时为止， 已经有三个科研机构进行了与本文课题相类似的研究。文献 1 0 】最早提出了自动动平衡机的 方案，提出了动平衡机和去重机以流水线方式工作，测试和去重并行处理的思想。本文课题 中小型动平衡机与玄重机分体设计实现的方案即受此启发。文献 1 1 】描述的是轿车发动机飞轮 齿圈专用自动平衡去重机系统，该系统由自动平衡钻削去重机、自动升降搬运机械手手u 自动 铣削去重机组成。系统机械结构复杂，不便于推广普及到对般的电机转子的动平衡工艺中。 但是，该系统中自动铣削去重机部分，为本文课题设计的士重机提供了方案参考。文献1 2 1 讲述的是一个同本文课题相似的电机转子动平衡半自动去重系统，重点描述了去重机床软、 硬件的设计过程。本文课题效仿文献 1 2 描述的内容，使用了步进电机作为运动控制的动力 源。 国内现有相关研究的共同点是利用现有设备进行高端集成，这样整个系统的成本较高。 而本文课题的着眼点放在从底层没计开始，走低成本实现的道路，主要针对的对象是国内的 大量电机类劳动密集型企业。 从检索到的资料数量和内容来看，电机转子全自动半自动动平衡校正系统的研究，已经 引起相关科研机构和组织的重视。相信在不久的将来，还会有更多、更深入研究进展成文发 表出来。 本章小结 本章主要从课题相关产品现状、机械平衡和运动控制几个方面，着蕈描述了课题相关的 背景现状、技术概念和应用工具分类。在此基础之上，课题方案的确立成为可能。在第三章 里，将给出课题的总体方案，并在后继章节中对课题各个组成部分进行深入论述。 浙江大学硕士学位论文中小型电机转子专用半自动动平衡校正系统的构建与研究 第三章系统总体方案 本章以机械类产品的设计研发周期为切入点，结台课题“半自动动平衡校正系统”这 设计目标，通过逐层深入剖析的方式，给出了系统设计的总体方案。该方案是后继论述内容 全面展开的路线基础，对本课题论文也起到了提纲挈领的作用。 3 1 机械类产品的设计研发周期 机械类产品的设计是项系统性与实践性并重的开发工作，在很大程度上要依赖于经验 的指导，或者是依赖于已有相关产品的启发。因此，机械类产品的设计研发过程有一定的内 在规律，般而言，设计实现要经历图3 1 所示的周期路线 图31 机械类产品的研发周期路线 概念机：根据应用需求，确定设计目标，选择机械产品的功能属性，定义产品应该具备 的各个子功能模块。 原型机：选定设计方案，具体实现概念机中的各个子功能模块，模块之间应该保持良好 的接口、相对独立性以及模块自身的可重构性。 实验机：将原型机的各个子功能模块相互对接，整机运行调试，实现预期功能。 初级产品：将达到预期功能的实验机产品交付初级用户使用，收集用户反馈信息。 终级产品：商品化的机械产品，批量或定制生产，投放市场。 图3 1 中的三条分支反复路线分别为： 1 验机未能实现预期功能，需要重新设计原型机。 3 级产品未能满足用户的需求，但欠缺的功能，可以通过修改或者添加实验机的子功能模块 的方式补充。 4 产品未能满足用户的需求，而且欠缺的功能耦合于实验机的子功能模块之间，需要重新设 计原型机。 显然，考虑到机械产品设计、生产的特点和单件机械加工的成本，1 和3 路线是设计过程 中应该避免