（精密仪器及机械专业论文）基于CAN总线的电喷发动机双燃料系统的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于c a n 总线的电喷发动机双燃料系统的研制 摘 要 本课题是为了适应即将投入使用的新型双燃料公共汽车，系统实现了对电 控喷射器中天然气流量的精确控制。 本论文介绍了基于c a n 总线的电喷发动机双燃料系统的硬件组成及软件 设计，介绍了系统中变压器式传感器的工作原理和步进电机微步驱动技术，分 析了步进电机选择的依据，步避电机运动的控制策略和加减速的规律。 设计研制的这种新型位置控制器采用了传感器、步进电机、单片机、c a n 通信系统以及其他一些系统，实现了系统的智能化和设计的柔性化。位移测量 采用了非接触测量方法，。克服了国外同类产品( 电位器) 存在机械磨损，寿命 短，可靠性差的局限性。 将多种抗干扰措施应用于系统，并对实验系统进行了调试。实验表明系统 性能可靠、稳定，完全达到了设计要求 关键字：双燃料电感传感器步进电机单片机c a n 总线 s t u d ya n dm a n u f a c t u r eo ft h ed u a lf u e ls y s t e mo ft h e e l e c t r o n i c a li n j e c t i o ne n g i n eb a s eo nc a nb u s a b s t r a e t i no r d e rt oa d a p tt ot h ea p p l i c a t i o no fn e wd u a lf u e lb u s ，t h i sp r o j e c ti s s p o n s o r e d t h es y s t e ma c h i e v e dp r e c i o u s l yc o n t r o lt ot h ef l u xo fn a t u r a lg a si nt h e e l e c t r i c c o n t r o li n j e c t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec o m p o s i n ga n dt h es o f t w a r ed e s i g n i n go f t h i ss y s t e m i n t r o d u c et h i ss y s t e m sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g n i n gt h i n k i n g a t t h es a m et i m e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a n s f o r m e rs e n s o ra n dm i c r os t e pd r i v e t e c h n o l o g yo fs t e pm o t o ra r ei n t r o d u c e d t h es t e pm o t o rs e l e c t i o nf o u n d a t i o n 、 s t r a t e g yo fc o n t r o l m o v e m e n ta n dr u l eo fs p e e du pa n dd o w na r ca n a l y z e d i nt h i sn e wp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o r 、s t e pm o t o r 、m i c r o c o n t r o l l e r 、c a n c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n do t h e r ss y s t e ma r eu s e d t h er o b o t i z a t i o na n df l e x i b l e d e s i g n i n ga r er e a l i z a t i o n i to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go ft h es a m ek i n do ff o r e i g n p r o d u c t ，s u c ha sm a c h i n ea b r a s i o n ，s h o r tn a t u r a ll i f e ，b a dr e l i a b i l i t y f i n a l l yt h es y s t e mw a st e s t e dc a r e f u l l y m a n ya n t i i n t e r f e r em e t h o d sa r eu s e d i nourt e s t t h e s ee x p e r i m e n t sp r o v e dt h a to u rs y s t e mi sr e l i a b l e 、s t a b l ea n dm e e t t h ep r e s c r i p t i v ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d ：d u a lf u e l ；s e n s o r ；s t e pm o t o r ；m i c r o c o n t r o l l e r ；c a l lb u s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位硕士学位论文质量要求。 答辩委员签名 搛3 厶尹妊弓稍， 委员： 导师： ? 岔么气 饥7 阱雪勿1 船咱 钴彳、坟讹铆搬 插图清单 2 一l系统的简易结构框图- 2 2 驱动器总图 2 3 位置控制器构成框图 3 一l结构原理图 3 2 连接形式 3 3差动变压器等效电路 3 4 输入输出特性 3 5 采用相敏检波时的特性曲线 3 6各种减小零位输出的补偿电路 3 7 温度补偿电路 3 8非对称式多谐振荡器电路 3 9 静态工作点的确定 3 1 0 电路中电容的充、放电等效电路 3 1 1 相敏检波电路原理图 3 1 2 低通滤波电路 3 一1 3 放大电路 4 1步进电机的矩角特性 4 2步进电机的矩频特性图 4 3 速度曲线 4 4 速度益线的图解法 4 5 合成磁场矢量图 4 6i 0 关系图 4 7p 8 9 c 5 1 与a 3 9 5 5 的接口电路示意图 4 8a 3 9 5 5 的内部功能图 4 9p f d 端外接电阻的连接方法 4 1 0 控制程序总流程图 4 一“加减速控制程序流程图 5 1硬件总体结构图 5 2a d 转换的时序图 5 3m a x l 2 7 0 工作电路图 5 4s j a l 0 0 0 的结构图 5 5 p 8 9 c 5 1 与c a n 接口电路示意图 6 一lm a x l 2 7 0 的程序设计流程图 6 2s j a l 0 0 0 初始化流程图 “巧_ u 心心m m坫掩坞n孙弱弱盯勰趴弛弘踮”钉甜褐“匏 ， 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表3 一l 表4 1 表4 2 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 表6 7 表7 1 表7 2 表7 3 表7 4 表格清单 有源滤波器设计电容选择用表2 2 d a c 增值表3 3 v 。端电压与工作模式的关系3 4 m a x l 2 7 0 的控制字格式4 8 m a x l 2 7 0 的量程和输入极性的选择4 8 m a x l 2 7 0 的时钟和低功耗模式的选择4 8 b a s i c c a n 模式里的r x 和t x 缓冲器4 9 p e l i c a n 模式里的r x 和t x 缓冲器5 0 b a s ic c a n 模式里的验收滤波器5 0 p e l i c a n 模式里的验收滤波器5 0 试验数据5 6 迟滞误差分析表5 7 进程重复性考察实验数据及其分析表5 7 回程重复性考察实验数据及其分析表5 8 图6 3发送一个报文的流程图 图6 4 接收一个报文的流程图 图6 5 初始化程序流程图 5 3 5 3 5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒鲤王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 j 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：碱鲲雎马 签字日期：加j 年月( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些盎坐有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目堡王些盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 代鲲鹏 签字日期：z s 年牛月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 研文 签字日期：口f 年够月，日 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师胡毅副教授的悉心指导下完成的。从本科的时候认识 胡老师直到现在，胡老师一直以其渊博的知识、严谨的治学态度和为人师表的 学长风范影响着我，特别是胡老师宽宏的性格和博大的胸怀让我折服，使我终 生受益。在读研期间，胡老师在学习和专业技术方面给予精心的指导和邦助， 在生活上加以悉心关怀。在论文即将完成之际，向胡老师表示衷心的感谢并致 以崇高的敬意。 在课题研究阶段，还得到了胡生清老师、刘巧云老师、周耀新老师、刘芳 芳老师等的关心、支持和帮助，他们在学习和生活上给予了我很多的关心。 我还要感谢我的师兄张贺新、师姐蒋敏兰以及我的朋友杨凌波、魏礼俊、 陈海荣、一个实验室的同学和我的亲人，他们给了我很大的鼓励和帮助。特别 是我的妻子，她的支持和鼓励使我能全身心的投入到学业中，使我愉快的度过 了研究生阶段的学习。在此向学习和工作在一起的老师和同学们表示诚挚的谢 意。 谨以此文献给关心、帮助、爱护过我的家人、老师、同事和朋友们! 作者：代鲲鹏 2 0 0 5 4 第一章 绪言 能源和环境是人类赖以生存和发展的基本条件，也是当今世界面临的严重 的社会问题。在石油资源日益减少，大气污染日益严重的情况下，天然气作为 廉价、清洁的能源受到世界各国的极大重视。天然气资源丰富，已探明储量越 来越多，预计将在l o 年2 0 年内超过石油，成为本世纪的主要能源。 天然气发动机采取适当的措施后，有害排放物比柴油机和汽油机都低，它 是目前最清洁的热力发动机，开发天然气发动机对节约能源和保护环境具有十 分重要的意义。天然气，柴油双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃 用天然气( 以少量柴油引燃) ，又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机( 以 下简称双燃料发动机) 。 对于双燃料发动机，天然气的燃料供给与控制系统大致经历了混合器机械 控制式、混合器机电控制式、电控单点喷射式、电控多点喷射式等阶段。采用 不同的燃料供给与控制系统，发动机的性能差别很显著，尤其是排放性能明显 不同。目前，双燃料汽车在国内己发展到了一定规模，要想进一步发展，必须 具备良好的性能和经济效益。根据国内外前期的研究结果认为，简单的机械预 混合方式很难达到这一目昀，所以电控喷气技术的应用成为双燃料汽车发展的 必然方向。采用电控技术( 特别是电控喷气和喷油技术) 将是彻底解决双燃料 发动机动力性、替代率、热效率和排放问题的较佳方案。 双燃料发动机采用电控技术后，驾驶员操作与原柴油机一样方便，过程不 会复杂化。电控单元采集油门踏板位置、转速及其他信号。根据这些信号自动 调节所需天然气囊和引燃柴油重，使每一工况的天然气替代率均达到最佳值， 有效地控制燃烧，从而使发动机的每一工况的性能均达到最佳。国外采用电控 喷气技术的双燃料发动机动排放量已达到较低的数量指标，并完全在“欧洲i 号标准”排放值以下。 本文的研究对象是基于c a n 总线的电喷发动机双燃料系统，目的是研制 出一套基于c a n 总线的位置控制器以实现天然气喷射量的流量控制。 1 1 国内外概况【1 】 美国能源转换公司( e c i ) 在八十年代初，开发了一种新型的双燃料系统， 并把两台高速柴油机改装为烧双燃料：一台是美国g a t e r p i l l a r 公司的3 2 0 8 型柴 油机，另一台是日本5 0 铃公司的6 b d i 型柴油机。改装后两者均能按车辆特胜 以额定功率运转。 美国c l e a na i rp a r t n e r 公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统 ( a f s ) 公司联营，共同开发出多点喷射的双燃料控制系统。并应用在l0 3l 根据研制对象的实际需求，研制所要达到的技术要求是： 1 传感器技术参数： ( 1 ) 在3 m m 的有效测量范围内，传感器的静态误差小于5um ： ( 2 ) 环境温度为一2 0 。c 一8 0 。c ： ( 3 ) 空间位置为中3 5 2 5 ： ( 4 ) 输出电压信号为0 5 v ； ( 5 ) 机械联接轴头为o6 m m ，有效轴长为1 6 m m 。 2 步进电机技术参数： ( 1 ) 性能参数u - - - - 1 2 v ，i - - - - 0 3 a ，肛4 0o ，= 6 6 m h ，仁1 8 0 0 9 c l n ： ( 2 ) 步距角0 9 。； ( 3 ) 相数2 相； ( 4 ) 定子铁芯长1 2 ：器m m ； ( 5 ) 轴承巾1 6 中5 5 ； ( 6 ) 转子铁芯内径中5 嚣裟m m ； ( 7 ) 螺纹螺距2 m m 。 3 系统精度 在1 l m m 的行程内，位置控制器位移的绝对误差要小于5 1 1 1 。 此课题研发的主要内容为： ( 1 ) 位置控制系统的方案设计及算法的实现； ( 2 ) 系统硬件控制电路的设计及智能化软件的编程思想： ( 3 ) 系统的抗干扰性设计； ( 4 ) 通过实验进行精度评定。 本课题来源于无锡油泵油嘴研究所，所要研制的位置控制器是国外同类产 品( 电位器式传感器) 的替代产品。作为位移检测反馈环节，国外同类产品采 用电位器，价格昂贵，国内同类产品虽然价格适中，但因磨损导致此装置寿命 短、可靠性差，所以本设计拟采用非接触式的变压器式传感器替代电位器。 第二章 基于c a n 总线电喷发动机双燃料系统的总体设计 2 1 系统的总体结构及工作原理 2 1 1 系统的总体结构2 1 基予c a n 总线的电喷发动机双燃料系统的简易结构框图如图2 1 所示： 进气 + 空 图2 - 1 系统的简易结构框图 排气 + 系统主要由传感器、电控单元( e c u ) 和执行机构三部分组成。使用的传 感器主要有转速、供气量调节、行程和上止点位置、空气流量和排气温度等传 感器。电控单元由p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 和一砦扩展芯片组成。执行机构为 电控喷射器和空气节气门。 我们研制的部分是电控喷射器。 2 1 2 位置控制器机械结构设计 本系统要达到的目标是准确控制天然气流量并输入进气系统。天然气被引 至进气歧管上游以使天然气和空气有足够的时间混合。为此，设计了一种用于 控制天然气流量的阀。该阀是一个比例节流阀，天然气流量决定于阀芯的位置。 这个阀芯被一个线性位置驱动器定位，驱动器必须具有精确的位置机构、克服 调节作用的足够的力、足够快的响应时间以对发动机负荷急剧变化作出反应。 驱动器最大行程为1 1 0 毫米，为获得稳定的特性，驱动器应提供足够的定位精 度，这给流量控制以一个宽的动态范围。驱动器总图如图2 。2 所示。 4 圈2 - 2 驱动器总图 2 1 3 流量控制原理【4 】1 5 1 6 j 流量定义为单位时间内通过管内横截面的流体的体积。 众所周知，通过阀口的气体流量不仅与阀的开口面积有关，雨且受阀口前 后压差的影响。因目前还没有类似于压力传感器那样不阻断流道的动态流量传 感器，所以仅用一个比例节流阀就无法精确控制流量。要想比例地控制流量， 一种方法是在比例节流阀前( 或后) 串联一个定差减压阀消除负载变化的影响： 另一种方法是用一个二通插装阀与位移检测单元组成的流量传感器和比例节流 阀一起控制流量。这两种方法都需在比例节流阀之外再增设额外的器件，增加 了制造难度和维护的复杂性。本系统采用的比例节流阀的原理是将阀口压差变 化转换成阀开口面积的变化，不需设置检测液阻，只用一比例节流阀就可精确 控制流量，简化了阀的结构，扩大了阀的流量控制范围。 1 比例节流阀的流量控制原理 假定当阀口压差为最小可控压差p d ( 一般为1m p a ) 时，通过阀的流量为 一基准，即： 万一 = c , a ( x - - x o n 暑蝎( 2 - ” 式中 g d 一一基准流量 。一一流量系数 x 一一阀芯位移 如一一阀芯死区 p 一一气体密度 a ( x x o ) 一一主阀开口面积函数 可见，基准流量与阀开口面积成线性关系，这时仅控制阀开口面积即可控 制通过阀的流量。但实际使用中，压差a p 口由负载决定，所以通过n 的流量应为 q 。，如式( 2 2 ) 所示： 厅一 q v = c a a ( x 一) 1 f 三尸 ( 2 2 ) yp 与基准流量的偏差为a q ： q _ 巴如啦临一4 - 酉0 ) ( 2 _ 3 ) 可以设想，这时如果用控制方法使n 节流1 2 1 关小到刚好是流量q 所能通 过的面积一( x - x o ) ，就可使压差变化后通过阀的流量恢复到基准值q v 。，所以 应有： q 舡x 。啦临一4 - 鬲o o ) = c a a ( x 一。啦a p ( 2 - 4 ) 得： 削g 刊= 4 0 j - j 等) ( 2 - s ) 阀实际的开口面积为： 爿( x - x o ) = a ( x 砂- 鲥g 一) = 4 g 一) j 等 ( 2 - 6 ) 式中x 为使通过阀的流量维持在基准值所需阀的实际位移。考虑到阀采用 锥阀结构，则主阀开口面积与阀芯位移的线性关系为： a ( x 一工叫；以( x - x o( 2 - 7 ) m x - x ) = 取( x - x )( 2 - 8 ) 式中，呒为阀面积增益系数。, - q - 得： x = 。懵 ( 2 - 9 ) 这样，只要使阀的实际位移x 与阀口前后压差p 、阀芯初始位移x 之间 满足关系式( 2 9 ) ，就可保证通过阀的流量不随负载而改变，从而将与压差有关 的流量控制转化为阀芯位移的控制。 2 比例节流阀的优点 查阅文献表明，比例节流阀的优点是应用压差变化位移校正的流量控制 原理，仅用一个比例节流阀就可实现阀输出流量的精确控制，与负载无关，动 静态性能均优于压差补偿型的比例流量阀，结构也最为简单。在实际使用中， 该阀的流量控制范围也较同样通径的比例调速阀大；检测压差用的压力传感器 还可用来控制闭环系统压力，迸一步简化系统结构和降低成本。 2 2 电控系统硬件结构设计 本文讨论的是基于c a n 总线的电喷发动机双燃料系统的子系统：基于c a n 总线的位置控制器，以实现电控喷射器喷射天然气时的流量控制。 位置控制器由传感器、信号调理电路、单片机、步进电机驱动电路、c a n 总线接口电路组成。理想位置指令值通过c a n 总线从上位机发出，单片机接 收后与a d 采进的实际位置值比较，两者的偏差值经控制算法处理后输出控制 变量，驱动步进电机转到理想位置。系统构成框图如图2 - 3 所示。 位置传感器h 信号调理电路f 1单片机 习 c a n 总线 执行机构k _ 一步进电机l + 一驱动电路 图2 - 3 位置控制器构成框图 1 位置传感器设计方案 本系统所面临的工作环境十分恶劣，易受震动、冲击等的影响，并且要求 系统具有高可靠性和长寿命，为此位置传感器采用抗干扰能力较强，非接触式 的差动变压器式传感器。 变压器式电感传感器在位移测量方面有以下特点【7 】【8 1 ： ( 1 ) 由于无活动触点，比电位器式传感器工作可靠，寿命长： ( 2 ) 分辨力高，能达到的最高分辨力为0 1pm 的线位移和0 1 。的角位移； ( 3 ) 灵敏度好，每毫米位移量输出信号电压可达几百m v 到几v ； ( 4 ) 线性好，重复性好，高精度的电感传感器和差动变压器线性可达到o ，1 ： ( 5 ) 测量范围宽，可测位移量为2 5 n m 5 0 0 r a m ； ( 6 ) 分辨率高时，测量范围小；分辨率低时，测量范围大： ( 7 ) 存在零位输出电压，给测量造成误差： ( 8 ) 对激励电源频率和幅值的稳定性要求较高； ( 9 ) 不宜用于高频动态测量。 基于以上的特点，本系统采用差动变压器式传感器是合理的。 2 信号调理电路设计方案和准则 本系统的信号调理电路由传感器激励电源电路、相敏检波电路、低通滤波 电路、放大电路和a d 转换电路组成。激励电源电路采用非对称式多谐振荡器 产生方波，以此方波作为载波，对传感器测杆位移引起的电流直流分量进行调 制，输出调幅波，由相敏检波电路对此调幅波进行解调。动态测量信号经相敏 检波电路后，输出波形中仍然含有高频成分，因而必须通过低通滤波器滤除高 频分量取出被测信息。a d 转换电路采用了m a x i m 公司的m a x l 2 7 0 芯片， 与传统的a d 芯片并行数据输出方式不同，该芯片采用串行数据输出方式，可 7 以通过单片机输出的串行移位脉冲来控制采样数据的读取。对信号调理电路的 主要要求为精、快、灵，具体要求如下： ( 1 ) 精度高，为了实现高精度，电路应具备下列性能【9 】： 低噪声和高抗干扰能力 低漂移、高稳定性 线性度好 有合适的输入与输出阻抗 ( 2 ) 响应快 实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向，测量电路没有良好的频率 特性、高的响应速度，就不能准确地测出被测对象的运动状况，无法对被测系 统进行准确控制。 ( 3 ) 转换灵活 为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求信号调理电路有灵活地进 行各种转换的能力。它包括： 模数与数模转换 信号形式的转换 信号的选取 信号的处理与运算 3 单片机选用 本系统采用p 8 9 c 5 1 单片机，这是一款p h i l i p s 公司推出的带8 kf l a s h 存储器的单片机，其i o 口线完全满足位置控制器系统的要求。 4 通信方案设计 控制器局部网( c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，最 初是由德国b o s c h 公司为汽车电气控制雨开发的一种信号多路复用协议，是 一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，也是目前具有国际标准 的现场总线( i s 0 1 1 8 9 8 ：用于高速通信；i s 0 1 1 5 1 9 ：用于低速通信) 。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般通信总线相比，它 的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下【1 0 】： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息，而不分主从； ( 2 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实 时要求，优先级高的数据最快可在1 3 4 微秒内得到传输； ( 3 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息而出 现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而优先级最高的节点可不受 影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很 重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 ( 4 ) c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点 及全局广播等几种方式传送接收数据： ( 5 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧 报文标识符有1 l 位，丽扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； ( 7 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率 极低； ( 8 ) c a n 的每帧信息都有e r e 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果； ( 9 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上的 其他节点的操作不受影响。 0 dc a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节 点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 目前c a n 总线已在汽车电子、工业自动化、建筑物环境控制、机床、医 疗设备等领域得到较广泛的应用。 本系统采用p h i l i p s 公司的c a n 控制芯片s i a l 0 0 0 和c a n 收发接口芯片 t j a l 0 5 0 实现c a n 总线智能通信节点的设计。其中c a n 控制器s j a l 0 0 0 可完 成物理层和数据链路层的所有功能，具有高性能通信所要求的全部必要特性， 并提供了和微处理器的宣接接口，如数据地址总线( a d o - a d ，) ，读( r d ) 、写 ( w r ) 信号以及提供给微处理器的外部中断( 1 n t ) 等。t j a l 0 5 0 是c a n 控 制器s j a l 0 0 0 与物理总线间的接口芯片，可提供对总线的差动发送能力和对 c a n 控制器的差动接收能力。 5 驱动方案设计 本系统采用通过控制步进电机转动参数来达到控制流量的目的。步进电机 是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号， 步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。近3 0 年来，数字技术、 计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展，为步迸电机的应 用开辟了广阔的前景。 步进电机有如下特点【： ( 1 ) 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没 有累计误差，具有良好的跟随性。 ( 2 ) 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非 9 常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 ( 3 ) 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 ( 4 ) 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此， 一般可以不用减速器直接驱动负载。 ( 5 ) 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源或 直流电源。 ( 6 ) 步进电机存在振荡和失步现象。必须对控制系统和机械负载采取相应的 措施。 ( 7 ) 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 步进电机的驱动方式有很多种，我们可以根据实际需要来选用。常见的驱 动方式有以下几种： ( 1 ) 单电压驱动 ( 2 ) 双电压驱动 ( 3 ) 高低压法驱动 ( 4 ) 斩波驱动 ( 5 ) 细分驱动 细分驱动使实际步距角更小，可以大大地提高对执行机构的控制精度。同 时，也可以减小或消除振荡、噪声和转矩波动。另外，步进电机驱动电路集成 化已成为一种趋势，所以本系统采用了美国a l l e g r o 公司生产的，带细分驱 动功能的a 3 9 5 5 芯片，它是两相步进电机驱动的专用集成芯片。 1 0 第三章 位置传感器及信号调理电路原理及设计 位移量是一种基本的机械参量，许多机械量如位置、速度、加速度等可由 位移量推导得出，因此位移测量在机械系统中占有重要的地位。差动变压器是 众多位移传感器中的一种，它以工作寿命长、测量范围大、灵敏度及精度较高、 性能稳定可靠等特点而获得广泛应用。 3 1 螺管型差动变压器式传感器的工作原理及特性 对于大位移的测量一般采用螺管式差动变压器，它由一个受正弦电源激励 的初级线圈，两个按差动方式连接的次级线圈以及一根插在这三个线圈内可由 被测位移带动的铁芯棒组成。初次级线圈的耦合随铁芯棒的位置而变化，在次 级线圈上将得到与位移量对应的感生电势，再经相敏检波等测量电路转换为直 流位移电信号输出。 3 1 1 螺管型差动变压器式传感器的工作原理【1 2 】 差动变压器式传感器的工作原理是把被测量的变化转换成互感系数m 的变 化。传感器本身是其互感系数可变的变压器，当 一次侧线圈接入激励电源后，二次侧线圈就将产 生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相 应变化。一般，这种传感器的二次侧线圈有两个， 接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式 传感器。其结构原理图如图3 1 所示。当初级线 圈通入交流电时，两个同参数的次级线圈耽、 中就产生感应电势输出，其大小与线圈之间的 互感成正比。 工程应用中，常将传感器的两个次级线圈反 向串联成图3 2 的形式。测量时，铁芯p 与被测物 体接触，当铁芯处于中间位置( 即被测位移石= o ) 时，次级线圈间的互感相等( 即m j = m d ，因而 输出的感应电势口。j = 占，2 ；当铁芯偏离中间位置 时，f 。，f s 2 , 因此两互感之差值( 或两输出感 应电势之差值) 即可反映被测位移。由于差动变压 器的输出电压为交流量，其幅值与铁芯位移成正 比，输出电压只能反映铁芯位移的大小，不能反 映位移的方向。 图3 一l 结构原理图 图3 2 连接形式 3 1 2 螺管型差动变压器式传感器的等效电路】【1 4 】 当忽略差动变压器的涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响后，可将它看 作一个理想的差动变压器，其等效电路如图3 3 所示。 根据差动变压器的实际情况，可作如下假设： ( 1 ) 次级线圈的电感和电阻工，、月p 、l 。j 、曰。，、l 。2 、月。? 与铁芯位 置无关，且在使用范围内的变化可忽略； ( 2 ) 铁芯不饱和情况下，两互感之差值；m ，m 2 在铁芯位移x 为零时也 为零，在铁芯偏离中心位置时成比例变化，但在使用范围内远小于三，、 三s 值； ( 3 ) 负载电阻曰c 远大于输出阻抗，所以次级电流很微小，因此次级电流反 射到初级的电流可忽略。 幽3 - 3 差动变压器等效电路 由此可以认为，次级感应电势与初级电流成比例。即： e h = 一j r a m l ipe s l = - j o 、如 0 。 ( 2 ) 载波信号为下半周( j 2j r ) 时，以上负下正，、与以同相，故 以，、如也是上负下正。 易的阴极接碍，的负端，历导通 肛的阴极接以，的正端，仍截止 历的阳极接的正端，厉导通 鼠的阳极接以。的负端，级截止 历的阳极接的负端，协截止 坑的阳极接的正端，厉导通 凸的阴极接的正端，虏截止 nvjl 历的阴极接如的负端，历导通 故电流的流向为：以，的负端3 仍r r 2 r j d 日如负端f 端 d 6 d r 一的负端。这个回路中的电流我们用i ，表示，在这个回路中以，、 也是反向串联的，所以 i ：生l 二坠( 3 - 1 1 ) r 】+ r 2 + r 3 显然，也是自上而下流经r ，、r 2 、r j 的，即i ， 0 。 这样我们可以得出结论：当衔铁在零点以上移动时，不论载波是正半周期 还是负半周期，在负载电阻上的电压始终为正。 2 当衔铁在零点以下移动( 以， o ) ( 1 ) 载波信号为上半周( o 刀) 时，以上正下负，以。与同相，故 以，、如也是上正下负。 根据前面的方法可分析出 0 ，其流向与前述相反，因而在负载电阻上 得到的电压为负。 ( 2 ) 载波信号为下半周( j r 2 刀) 时，以上负下正，以，、如与以同相， 故以，、也是上负下正。同样 1 0 0 x l o ， c ， 】0 - 0 1 0 1 - 0 0 1 o 0 1 一o 0 0 i ( j0 0 0 1 0 0 ) x1 0 6 ( j 0 0 ，l o ) x 1 0 。6 3 2 4 放大电路的设计9 】 传感器的输出信号经二阶低通滤波器后得到直流信号，经实验得知此直流 信号的幅值范围为0 1 3 v 左右，而a d 模数转换芯片的输入范围为0 5 v ， 为此我们在二阶低通滤波器与a d 模数转换芯片之间加了一级电压放大电路。 放大电路的放大倍数为一3 0 一5 o 之间可调，放大电路如图3 1 3 所示。 图3 - 1 3 放大电路 这是一个反向比例放大器，放大倍数为 小一半( 3 - 1 7 ) 根据放大倍数的要求和式( 3 - 1 7 ) ，图3 1 3 中的器件参数选择如下，舻i o k ， r 亍色k 。r 产3 0 k ，r 严2 0 k 。 第四章步进电机的智能控制系统设计 我们设计的位置控制器要求能在恶劣的环境下工作，这对执行部件的选择 就要求严格了，通过调研我们选用了步进电机、丝杠等作为系统执行部件的组 成部分。这主要是步进电机能够在恶劣的环境下工作，结构简单紧凑。步进电 机的工作状态不易受各种干扰因素( 如电源电压的波动，电流的大小，负载的变 化) 的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动的影响，仅与脉冲频率 有关。只要这些干扰因素没有引起步迸电机产生“丢步”就不影响其工作状态。 虽然步进电机的步距角有误差，但是转子转过一周后，其累积误差为零，不会 产生累积误差。而且步迸电机的控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢 步”。这些特点使它适合于在数字控制的开环系统中作为驱动电机，并使系统大 大简化。 4 1 步进电机 步进电机是执行部件的重要传动部件，它的工作稳定性和精度是影响位置 控制器位移精度的主要因素之一。系统采用两相混合式步进电机，步距角臼。 ( r a d ) 的大小是由转子齿数乃、控制绕组的相数1 1 1 所决定。它们之间存在以 下关系”： p ：3 6 0 。( 4 1 ) m z ， 步进电机的转速为： 。：掣锄) ( 4 _ 2 ) m z , 7 步进电机的平均转速还可以用步距角来表示： n = 詈黑3 6 0 = 黑3 6 0 詈m z = 6 只 ( 4 - 。) 埘z ， 。 o 3 、。4 由式( 4 - 2 ) 和( 4 - 3 ) 可见，步进电机豹平均速度疗与，和鼠成正比，即 步进电机的转速取决于外加控制脉冲的重复频率，改变控制脉冲的重复频率 就可以改变步进电机的转速，很方便的实现了无级调速。 4 1 1 步进电机的运行性雏”“”“ 1 步距角和静态步进误差 步距角是指步进电机在一个电脉冲作用下( 即一拍) ，转子所转过的角位移， 也称为步距。它的大小由式( 4 - 1 ) 来决定。从理论上讲，每一个脉冲信号应使 电机的转子转过同样步距角。但在实际上，由于定、转子的齿距分度不均匀， 定、转子之间的气隙不均匀或铁心分段时的错位误差等，都会使实际步距角和 和理论步距角之间存在偏差，这个偏差称为静态步距角误差。在测定静态步距 角误差时，既要测量相邻步距角误差，又要计算步距角的累积误差a 步进电机 的最大累积误差是取电机转轴的实际停留位置超过或滞后理论停留位置两者最 大误差值的绝对值之和的一半来计算。静态步距角误差将直接影响到角度控制 时的角度误差，也影响到速度控制时的角速度误差，还影响到速度控制时转子 瞬时转速的稳定度大小，因此应尽量减少这一误差。 2 静特性 步进电机的静特性，是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、矩角特性 及静态稳定区。 ( 1 ) 初始稳定平衡位置 它是指步进电机在空载情况下，控制绕组中通以直流时，转子的最后稳定 位置。从理论上讲，此时电机的转矩为零。 ( 2 ) 失调角日 它是指步进电机转子偏离初始稳定平衡位置的电角度，转子一个齿距所对 应的电角度应为2 j f 。 ( 3 ) 矩角特性 在单脉冲且电流不变的情况下，步进电机的静转矩与转子失调角的关系， 即7 = f ( 0 ) ，称为矩角特性。如图4 1 所示。 r 。 a 稳定平衡点 f 1 8 0 。 一 0 v 静稳定区 一 ( 4 ) 静稳定区 由步进电机的矩角特性可知，当失调角口在一z 到+ z ( 即相当于士i 2 齿 距) 的范围内，若去掉负载，转子仍能回到初始稳定平衡位嚣。因此一n 0 ，( d 。系统的运 动方程为 ( b ) 图4 4 速度曲线的图解法 蛊 一瓦u ) = 五+ j p 2 0 l d t 2 ) ( 4 - 9 ) 式中兀( 0 是步进频率，情况下的减速转矩。用式( 4 - 5 ) 代入上式并重新整理 d f l d t = 也0 0 + r , c e ) x , , , z ( 2 , a ) ( 4 - 1 0 ) 负载转矩帮助电机转矩对系统惯置减速。减速期间的速度曲线可以通过对上 述方程积分求得 罱肛罱一l酾af2 2 m 粕冗i 厂) f l ( ， ) 式中t 是从初始步进频率五减速到步进频率，所花的时间。为了对函数 l 五( 幻+ 兀( 0 ，必须再一次使用图解法。 图4 3 中表示的是典型的速度曲线和它的积分。图中，负载被加速到失步 频率，并且在这种速度下运动直到接近目标位置。后一阶段，将在使电机有足 够时间对负载惯量减速的位置上开始减速，以便以低于启停频率的速度达到目 标位置。 单片机控制步进电机时，加速过程和减速过程的具体实现要靠微机在一定 的时刻发送一定的脉冲来实现，从而需先通过加减速曲线推算出脉冲定时t 。和 脉冲间隔r 。在步迸电机行程较短，升速运行的步数不是很多( m 1 0 ) 的情 况下，每一步都改变脉冲频率的方法来加速和减速是可靠和方便的。但当升速 段的步数大干1 0 时，利用每一步都改变脉冲频率的方法来加速和减速就不方便 了。因此在升速段的步数大于1 0 的情况下，将加速段和减速段分成几段，在每 一段改变频率的方法来实现。 在该系统中加减速段的行程为l l m m ，步进电机每一步所对应的直线位移 量即脉冲当量可由下式确定： a l = 二一目 ( 4 1 2 ) 3 6 0 。 式中：工一脉冲当量值 p 一一丝杆螺距 8 一步距角 在系统中丝杠的螺距p 为2 m m ，步距角只为0 9 0 ，则由式( 4 1 2 ) 可得步进电机 每一步所对应的位移量三为5 pi t i ，通过微步驱动技术，将三四细分，则实 际的岛为1 2 5 1 1 m 。 4 1 3 步进电机的细分驱动原理2 ”2 ”州1 细分驱动( 也称为微步驱动) 技术是步进电机实现步距高分辨率控制的关 键技术。步进电机采用微步驱动技术，除了提高电机的分辨率以外，另一重要 目的是为了提高其转动的均匀性，常规的步进电机系统在低速运行时，有明显 的步进感，若把一整步分成很多小步，减小或消除了振荡、噪声和转矩波动，转 动的均匀性自然要提高，使得步进电机运行更加平稳。通常，步进电机的驱动是 靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机励磁磁场合成方面 的变化来使步进电机转动的，一般情况下，步进电机的步距角通过计算可以表 示为： 只= 器( 4 - 1 3 ) 式中 z 一一步进电机的转子齿数 - - 一步进电机的楣数 卜一接入绕组的线路状态数 从上式中可以看出，步进电机的步距角由电机的自身参数z 、和接入电 机绕组的线路状态数f 决定，通常由于受电机制造工艺的影响，使得靠增加z ， 埘来减小步距角受到一定的限制，在步距角要求较小的场合常常满足不了要求， 而且电机一旦制造出来五、 就不可变了。但是若在电机的驱动线