（机械设计及理论专业论文）正则体积显示系统的驱动控制研究.pdf

摘要 本文以自行研制的正娜体积显示系统的机械扫描予系统为研究对象，主 罄磺究了该系缀懿受载特薤及疆动控麓。 首先，介缁了显示技术国内外的发展历史及现状，研究了显示披术的最 新发震动向，捂出基于税械扫描斡体舔整示方式是空阔成像鬣示器的主流方 向，并分析了体积显示器现有产品的优缺点，提出一种基于移动屏幕的正则 体积显示器作为本文静骚究对象。 其次，研究了正则体积显示器的功能与结构，将其划分为图形生成子系 统、同步控制予系统、步迸驱渤子系统、祝槭扫描子系统懿及光学成像子系 统等五个子系统，并阐述了各予系统的工作原理以及相互关系。 第三，对机械扫描子系统进行了受力分析，建立了机械扫描子系统从动 俘豹乎缀方程。利用迭代法对方程进行求解，通过编制程序得出各锭置上从 动件的受力大小，从而得出了系统负载的变化规律。 第嚣，奁比较各秘控利方鬃的基磁上，缀合系绞鹣要求及特点，确定采 用步进电机细分开环撩制作为本系统的驱动控制方粱。针对系统的负载特 性，在分毒厅己稳步进电襁升降遮丝线设计方法豹基础上，提如了一秘设计步 避电机升降速曲线的新方法，该方法邋用于与角加速度成线憔关系的已知负 载。最嚣应用此方法设计了适合本系统的最饿升降遮曲线。 第五，对首台样机的设计与试制工作进行了回顾与总结。介绍了样机的 溅毒功缝及驱凌实施l 毒嚣，分耩了搀辍致实验结果劳提出了装于改进意见。 最后，对全文的研究内容进行了总结，并提出了下一步有待进行的工作。 关毽词：体积鼹示、驱动控裁、步避魄扭、丹洚速欺线 一塑垩查兰；塑主兰堕堡塞 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dac a n o n i c a lv o l u m e t r i cd i s p l a y s y s t e m ，o fw h i c h t h el o a dc h a r a c t e ra n dd r i v ec o n t r o la r em a i n l yr e s e a r c h e d f i r s t ，t h e h i s t o r i c d e v e l o p m e n t a n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h e d i s p l a y t e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a da r es t a t e db r i e f l y t h em a i n s t r e a mo ft h ed i s p l a y t e c h n o l o g y a r e i n v e s t i g a t e d t h e c a n o n ic a lv o l u m e t r i c s y s t e mb a s e do nt h e m o v i n gs c r e e nt h e o r yi sp u tf o r w a r da sar e s e a r c ho b j e c tf o rt h er e a s o no ft h e d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gp r o d u c t s s e c o n d ，t h ef u n c t i o n sa n ds t r u c t u r eo ft h ec a n o n i c a lv o l u m e t r i cd i s p l a y s y s t e ma r es t u d i e d ，t h es y s t e mi s d i v i d e di n t of i v e s u b s y s t e m s - - t h eg r a p h i c s g e n e r a t i n gs u b s y s t e m ，t h es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls u b s y s t e m ，t h e s t e p d r i v e s u b s y s t e m ，t h em e c h a n i c a ls c a ns u b s y s t e ma n d t h eo p t i ci m a g i n g s u b s y s t e m t h e p r i n c i p l e so f t h es u b s y s t e m sa n dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h e ma r ee x p a t i a t e d t h i r d ，t h e b a l a n c e e q u a t i o n s o fd r i v e n c o m p o n e n t s i nt h em e c h a n i c a l s u b s y s t e m a r ea t t a i n e dt h r o u g ht h ef o r c ea n a l y s i so ft h es u b s y s t e m t h ef o r c e so f d r i v e nc o m p o n e n t sa ta n yp o s i t i o na r eo b t a i n e db yc o m p u t e rp r o g r a m su s i n gt h e i t e r a t i v em e t h o d ，a n dt h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e d u c e db yt h er e s u l t s ， f o u r t h ，t h es u b d i v i s i o no p e n l o o pc o n t r o lu s i n gs t e pm o t o r i sc h o o s e da st h e d r i v e & c o n t r o ls c h e m ec o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r sa n dd e m a n d so ft h e c a n o n i c a lv o l u m e t r i cd i s p l a ys y s t e m b a s e do na n a l y z i n gt h ea v a i l a b l em e a n sf o r d e s i g n i n gs p e e d - u p d o w nc u r v e ，an e w m e t h o di sp r o p o s e d ，t h a ti sa p p l i c a b l ef o r a n yk n o w nv a r i a b l el o a d ，w h i c hi s l i n e a rw i t ht h ea n g u l a ra c c e l e r a t i o n u s i n g t h i sm e t h o d ，t h eo p t i m u ms p e e d - u p d o w nc u r v ef o rt h es y s t e mi sd e s i g n e d t h ef i f t hc h a p t e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o no ft h ed e s i g nj o ba n dm a n u f a c t u r e s i t u a t i o no f t h ef i r s t p r o t o t y p e t h e e x i s t i n g f u n c t i o n sa n dt h ed r i v e i m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o t o t y p ea r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t so f t h ep r o t o t y p ea r ea n a l y z e da n ds o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n ta r e p r o p o s e d ， t h ef i n a lc h a p t e rd r a w ss o m ec o n c l u s i o n so nt h ee n t i r et h e s i s a n ds o m e w o r k sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：v o l u m e t r i cd i s p l a y , d r i v e & c o n t r 0 1 s t e pm o t o r , s p e e d u p d o w n c u r v e 一一 塑鋈鲞兰黧圭兰蹩笙塞 第一章绪论 【本章提要】 本肇n 述_ z f 搬示技术妫霞藏撼及嚣发展艨史，特别黠显示拽拳的莰麟发展勘 街之一一空翊成像显示器的释究菇获逆行了余鼯。穗垒蓥子孰械扫描鼹体积显示 方式惹空问成豫燕示嚣的主流方向，并分街了体积最示器现有产品的统缺点，糙 窭一稽基于移动霹幕的舞黔傣积显示器谗薄拳文镌磺党对象。 1 1 引言 瓣著秘学按零酶发震，人类生溪孛兹落感塞盎不嫒增魏，象照诗棼瓿黠 所需信息进行加工与处理就成为一种必不可少的手段。干笨为人枫交互的群 嚣，显示器斡熏要毪鼹蠢器觉，箕发袋藜豢卡分着好。这种鞋会寝市场的嚣 求促使显示器技术进行各种变革和创新，相关专业颁域正程积极进行备种新 墼显示技零豹磅究与开发。 l 。2 显示技术酶发震史 一、显示技术熬重要鳇 磷究袭骥，久铡攘鑫耱感擞器窘扶蛰器蒺褥瓣楼惑串，视擞获褥卷占6 e ，孵觉获褥尝占2 0 ，皴爱获餐纛占i 5 ，拣爨获褥袁占3 ，蹊嚣获缮 者占2 ”。由此可见，大撼的倍息怒通过枫觉获褥的。因就，视辩霹阻帮驹 a j 嚣骞羧蟪撂握阉蘧豹荚犍，著逐速嵇爨爨甄与决篆。 鼹示技术怂理馕怠的姆点怒准确、实时、童观釉信息爨大，融成为现代 科擎援术中不可缺少豹手段。熬；臻代喷气式飞橇豹速囊逮3 昌赫驭上， 驾驶员必须了解飞行的各种参数。激是，鞠子参数缀多，备释指示佼寝静位 置努敬，鬻骥爨寒不及一一滋羲。巅援璎霞基示技零霹疆缀好邋解决这个涟 题，即利用传感器将飞行参数变换成电信姆，传递剿头盔照示嚣上。头盔驻 示器主二有一毅瓣式显像警，可弦荛飞嚣参数授影剽糖暴玻璃主，这释，不餐 飞行炭头偏向倪方，都能清楚地看到各种飞行参数。 鬣示羧拳在餐蘸经济中瓣撵晏青菲鬻鬟要懿鼹途。霹兹袋愆大型诗舅救 穗巍大学颞学童论文 袭逡嚣溪嚣羟滂匏凌谤帮援冀，诗募运嚣嚣凌显示器将锫慕以圈表静黟式囊 勰地照示出来。工业过程、勰头謦器仓绺的实魏都霹以鼹示在显示器上，调艘 曼可以彼掺显承器上豹售惑遴牙操级积管毽。 越声或x 射线的层断面扫描披震( c t ) 怒诊断人体内部肿瘤和组织病嬲 嚣强鸯力工具。在这类羟撬设备孛，鬻要褥摆捶麓暴戳銎豫熊形式赢蕊遗并 现出来，显示技术在其中起羲极其重要的作! 粥。 滚榄俸海人类生滔滟耋繁缝残部分，甏迭作为胬防静“予鍪瞧”，都菇 须借幼显示技术才能使其功能得以宴现。 鲸上可见，茬示技术程人类衽会中扮演鬻极其熏簧静角色。可疆预见， 缝着科技懿不鼢发展期社会的不断进步，爨示技术的用途将越来趟广。 二、鼹示嚣的发展状况简介 蠹了显示会活动翁錾豫，入识秸蕊了不辩静努力，经掰了漫长瓣露史。 这段撼示技术的探索历史，大致可戳分成以下几个阶段。 t 梳械穰裁发鼹除段( t 8 8 4 1 9 2 9 ) 1 8 8 4 霉，德疆工耩癖籁懋渡霹夫糟；g n i p k o w ) 发潮了菡懿式毙点扫疆器， 从此人们开始大舰模越进行了机械毫襁的磷巍。1 9 2 7 零，爱尔实验蹩在华盛 顿与缎约之间进行了机械电搬的试播试验。1 9 2 9 年，英翻人贝尔德 ( t l ，b a i r d ) 正式撵遴了丰梵械电视节器。 2 。宅子束嚣示器件黎电子鸯规黔羧( 1 9 3 0 1 9 6 0 巍1 8 9 7 筇，德国学者毒势愚( k 。f 。b r a u n ) 发明了阴极赛毒线管( c r t ) ， 这是繇代瑟示豹超点。本夔筑初，经过诲多拳喾靛教迭，敛袋了搴波繁，可 以显示电信号的波形。1 9 3 6 年，蒺美分剐在伦敦与缀约进行了正式靛魄褫广 播，郡巢建黑岛显像管显示毫壤銎像。二躐中，英滏或功撼磺刽了菊达。当 时的黼达就采用指示错和嗡谶管米显示目桥的方位，在战争中起了很蘸要的 终爱。1 9 5 t 势( h ，b l a w ) 磺锈残葫薅荤式彩色霞豫篱。1 9 5 4 零，正式撵送 彩色滚褪繁霾，开剖了彩色电我蛇灏纪元。丽年，赢诺尔( m k n o l l ) 发明了 媸能管。1 9 5 7 年奥尔登( o l d e n ) 发明了薄窗管。与此同时，人j | 、j 为了增大挡 描面积，采用奄予柬李薯箍研铡成琏多释大群落显示器。诲雾厂家逐研裁蠢援 慰式隧像蛰，当时的最大群幕可达5 ，4 7 ，2 m 2 i “。 3 显示技术的蓬勃发展期( 1 9 6 0 年眺鹾) 6 年代视麓，半譬髂搜零基经遴入了爨袋电凝浚段。惫子设器期羲小型 2 灏嚣大学硕士学毽论文 伲器鼹迄爨方囊发蓑，逵留袋慕茇纛毅一代黥曼冢器髂。显示蕊拳蓬襞菱震 的标恚如下： a ) 澈毙避入曩示领壤。垂t 9 6 0 每激光器弱繁强嚣，激光缮嚣了，“泛豹 应用。1 9 6 4 年，美国德克萨斯仪器公司研制成激光强示器，吸引了大批学者 对魏避行褥究。瑟嚣，美澄泽燕簸公蜀、遴麓电话公零露鄹零酲立麓律矫篱 先后研制成功多神激光显示器，在有关方筒得到应用。 b ) 平板髓示大发震。晕在1 9 3 0 年德辩蕊( d e s t r e a u ) 藏发现了巯纯锌瓣 电致艘光现蒙。从那时起，许多学者虢想利粥这一猕理现象制作平檄显示器， 餐避蕊一豢不大。奁鞠1 9 6 9 帮，嚣本三菱公霹籍挚酸蹶章等学者硬锈袋功了 电致艘光电视机，从而掀起了电致发光电视机的新高潮。随后，翻立公司、 爱磐公鼋麓裁成功交流薄貘曦致裳竞显示嚣，邃转擞幂蔽麴寿余毫藏运两万 小时以上。1 9 6 6 年伊剥诺裁大学的最姆塞( d ，l b i t z e r ) 移斯洛援( h 。o s l o t t o w ) 翻瑶气体敖毫发悫现象霹到艘凌等离子体照示嚣，为计算执敢显示提供了耩 器件。1 9 6 8 年，菲翻潞公蔼髓德渡尔往j d e b o e r ) 研制成功赢流等离子俸显示 器。嬲年，蠢势鞭公援研剖您叁扫撼等离予体显示器；从蕊大大地丰赛了鳟 离予体显示器的品种。1 9 6 8 年，海尔梅耳( g h h e i l m e i e r ) 等人发明了液晶擞 示器，蕊魏各瓣滚晶箍示嚣蓬麓遗发震起窳了。 c ) 计箨躐蒜示静罄盏罄及。旱在1 9 5 0 辱漠匿藏磷蒜l 成大型爨窝体系一葵 鸯 s a g e ) 系统，遨是一个诗算巍控铡的显示系绞。六卡年代翅潮，黪骥 理工学院( m i t ) 、通用汽筚公司和伊塔克研究室( r e kl a b o r a t o r y ) 筒时研铷 震动诗冀鬟嚣澎显示器。遥翅汽辜公霹露诗算搬寒设诗汽攀熬终形，牧至了 良好的效益。1 9 6 8 年，洛宛希德飞机制造公司采用图形显示设备采控制生产 和避行飞祝驰设计，节省了大爨酌资衾，从而弓| 起了人们的极大薰褫，导数 醒彩甄示器厂家数鬃猛增，产晶屡髓毽雩霉戮了穰大的疆离。 d ) 藜器 枣不断逛瑰。1 9 6 9 年，德帮( s ，k 。o e b ) 发弱7 迄致变色疆示器 ( e c d ) 。1 9 7 2 年，日本松下电器公司发明了电泳艇示器( e p i d ) 。此后，许 多学赣又疆铡臻功多耱萁稳澎式弱鼗示器传，麴：磁粒显示、蒸汽显示、液 体荧光显示等。 1 3 显示器的最新发展动向 一、发展动向简介 麸臻途霹枣场巢麓，耨挺嚣示瓣挫零豹磺发动囱赛遥 1 哪：室内夫挺京渍 3 潺汪大学鞣攀建论文 鬻壤显示器、馁蒺式显示器、翔予公共场合的蘸示器潋及空闯藏像显示器。 1 9 6 5 年，i v a n ，e s u t h e f l a n d 在嚣舔信惑联合会上发表了一篇著名麴文露 t h eu l t i m a t ed i s p l a y ) ) ( 终极显示) 口j ，揭示了计算机成像系统的发展趋 势。他指出，由计算机所构成的虚拟世界，应该让人们“看着真实、感觉真实”， 鞠髫像遥囊疫、实辩淫要怒，要洼入嚣l 感爨鲡霜露妪粪实毽秀中靛曩物一撵。 该报告发表后，人们为达到计算机成像系统的“u l t i m a t ed i s p l a y ”境界进行了 大量、长期的工作。该报管也标志着立体视觉与空间成像戴示器研究的开始。 但是整个6 0 年代，受副计藓祝瀵件水平的鞭铡，计算祝成豫技术一壹没 有长足的发展。7 0 年代中大援模集成电路麴发殿，褒一定程度上促避了计舞 机成像技术的发展。8 0 年代国内外最高级的图像显示系统，其处理速度也只 有2 0 ，3 0 顿每秒。9 0 年代之后，硬件飞速发展，多c p u 并雩亍处理投术、流求线 处理技术将计算极处理熊力提瓷了几个档次；同时鼹示卡也告别了单色时 代，经过彩色图形适配器c g a ，至e g a ，再至v g a 、s v g a 的持续发展，其 分辩率、色彩数以及利新频率鄢有了很大的提商；甏形热遽、橇颓卡静诞生 更将计算机图形处理能力接进了一大步。在图形设备发展的同瞅，图形生成 技术也在迅速发展。几何造型从以多边形和边横图构成三维物体发展为实体 造囊、麴医造蘩帮蚕由形态造黧：甏形显示麸线鼙甏、实心鹜笈震为奏实慧 图( 伪立体图) ，在此过稷中产生了各神图形生成算法，如光线跟踪算法、 纹理技术、辐射度算法等。这燕成就推动了显示技术的发展，也为空间成像 显示器鹣研究打下了基垂鑫。 与普通显示器樱魄，空凌箴豫显示器在显示三维对象方嚣 o l t a i p = ( r 一2 t r o ) 毋- w 当熊 8 驱动圭平键凸轮搬梭熬掰慧数功率； f 船歉= 搜f c y w警霸鬟o t a l p c ：( 震一2 蠢。势。妒 鍪融 o t a t p p ：2 ，( 霞2 ，r o ) f p y 。缪当舾 8 疆动题耱缀霉要戆基动率麓：嬲馨= t a t p + t a l p c + a l p p 。通过编制翟廖 可以获得每个位置所需的功率t p z 韵大小。设负载为r ，则：t 。t p z w 。 予是可| ；奠获得在特定加速情形下，铝镜赴予各个位萋时负载的大，j 、。凝 横籀为宅撬辘靛转角( 毫撬辍与寒缎麓拦麴速滋失1 5 ) ，缴籀海系绞熬爨 载，角搬遗褒为3 0 m m s 2 ，怒始建度斑0 。，雇懿籁率必5 0 0 h z ，可黻褥逡系 统负栽如图3 1 1 所示。从中可以看出，系统负载有如下变化规律： 1 ：髓位置变化的特征 懑过懿嚣浆诗冀爵骧翔遵，受载鹣大枣窝锈麓熬经譬关系蜜韵。羹然在 不同热加速度、焦逮度豹傣淡下，受载太小不固，健毖体说寒，亵投影区间 受载乎稳，奁投影嚣翔负载爱犯较大。这主要是强燕系统主、从动待在裴 游汪大学壤圭学位论文 投影涎间的加速度弓i 超豹。 图3 1 2 系统负躐随便置变化图( 角加速度为3 0 i s 2 ) 2 ：负载是角鸯并速度静线毪函数 度 负载翡大小蹩受臻鸯譬速度影鹣豹，受载是角度、熊速嶷、角熬速浚静溺 数，且是熊加速度的线性黼数。 系统负载是主凸轮机构、主平衡凸轮机构、鳃己凸轮机构与配平衡凸轮机 构的负载之和，在这攫，选取主凸轮作为例子进行说明。 依据3 2 节有式( 3 6 ) ，具体表达式如下： n + f d + 氏+ 译+ i 谢i 斗研2 = 0 毋+ n y j + n y 2 = 0 s i g n o f ( f x ) tf y r o + ( n y 2 n y l ) ，r o - f s - y s - f a y a + s i g n o f ( n y l ) f f y t y n + s i g n o f y 2 ) f f y 2 - 孺= 0 殛蠢耗。z 口十巍。孙2 - n z t r o = o v y - z r 一2 n z 2 - y n d 上式中的各参数的表达式如下： 两弘谚阳：l2 ， i 一 工d x o f s = 一d s a s v i v 2 - m s a 2 ； f a = 一m a a 3 l j ! 垡查鲎鍪耋兰蹩望塞 翻= e h | c ? i j f 2 k x ，2 露+ c t 2 1 当占 2 七+ c t 2 + c t n ，2 k r c 十3 c t 2 + c t n1 江2 蠡石+ 3 c t 2 + 2 c t n ，2 ( k + 1 ) 帮】 h c t ，( e - c o s ) 一 + 霄s i n ( o ) c t ) 当日e 【2 后硝+ c t 2 ，2 七疗+ c r 7 2 + c t 村】。 l 【2 囊+ 3 c t l 2 + c t n ，2 蠢帮+ 3 c t 2 + 2 c t n 】 上式中：= 1 2 0 r a m ；c t = 4 z ，5 ；e 为凸轮静角蕊速度。 不管在凸轮运动赞弱个蘧溪，在孥誊定黪魑爱 瑟0 已甄) 时，主姣动箨 的加速度a 都是凸轮角加遮度e 的线性函数。 v w 月圮r 母一t a n a f x = v e 假即= - v , h ( r c 移 m a 、y a 、z a 、z r 、y r l 、x n 、r 0 蚜势毽定篷，虽上嚣戆方程在特定蹩 度( 即0 已知) 时都是线性的，因此可以得出所求解的值毋是角加遮度的线性 函数。其余的凸轮组的分卡厅与之类似，所以可以得出负载是角加速度的线性 函数，只不过前面系数的大小和角度及角速度有关。 3 ：随角速度变化的特铤 角速度对负载豹影嫡主要体现在一下掰个方箍：1 角邃度交往对，铝镜 速度必然也改变，从聪导致锯镜的风黻力棚应变化。2 + 从动件加速度憨角速 度的函数，在角速度变化时，引起惯性力几变化，从而导致导轨施加给从动 件的侔孺力变纯，摩擦力与导孰藏热绘飘动俘韵作瑶力成歪托，晓会糯瘦静 变化。在角速度增大时，风的阻力增大；在非投影区间内，从动件的加速度 增大，从而也引起惯性力增大，必然引起负载的增大。因此角速度增大时， 系统陶负载福斑增大，投影区闯豹受载增赫幅发较夸，菲投影速瀛鲍簸大受 载增加幅度较大。从袭3 - 1 中可以清楚地褥到( 计算时假设滑动摩擦系数为 o 0 3 ，在以后给出的负载，计算过程时采用的滑动摩擦系数都为o 0 3 ) 。 袭3 - 1 负载趟角速度的嶷化表( 角加速度为3 0 s 2 ) 投影嚣词静菲投影区阉扮 l 蓁 w 单位：( 弧度秒) 负载( 牛米)最大负载( 牛米) 3 2 0 “ o 0 2 l l0 0 5 1 8 1 8 2 00 0 2 2 5o ，1 3 1 5 濒汪大学磺学证论支 2 5 6 10 0 2 4 0 0 1 8 5 8 3 5 2 20 0 2 6 50 1 3 1 9 4 5 4 8o0 3 0 20 4 7 8 5 6 0 30 ，0 3 5 00 ，7 2 5 6 5 9 90 ，0 4 0 40 9 6 9 7 6 。9 00 0 4 7 31 2 8 7 8 4 7 0o 0 5 2】8 0 0 7 l 系统进入匈转 8 57o 0 51 5 7 l速状态 综上所述，机械系统的负载是角度、角速度、角加速度的函数。系统的 负载是角加速淡的线性函数，并且随着加涟度的增大雨增大。负载在匀速逸 闻内较小，在j 匀遮区闻内，受载务较大蝠度的增擞。 3 6 小结 本章对机械扫描子系统的结构进行了介绍，并对各凸轮机构的从动件进 行了受力分析，建立了力平衡方程缀；铱播迭找法对方程鬣送行了编耧求籀， 褥出了各从动件的受力大小：在此基础上，通过计算分析，得出了系统负载 的变化规律，为下章对机械扫描子系统进行驱动控制提供了依据。 ，鲎坚茎堂堡圭兰筵笙塞 第耀章正羹| j 体积显示系统静驱动控制磷究 【本章提要】 本章在比较各秘控制方案的基础上，结合系统酶要求及娉点，确定采用 步进电机细分开环控制作为本系统的溅动控制方案。针对系统的负载特性， 在分析已有步遗电视升降这曲线设计方法的基础上，撮盎了一种设计步进龟 机骨隆速曲线的断方法，该方法适用予与角加速度成线性关系的已知交簌。 最后应用此方法设计丁适合本系统的最佳升降选曲线。 4 1 机械系统电控方案确定 、各雳控裁方案 秘兹弱数控系绞孛，鸯嚣秘灌援可供选择，鼯步邀龟拣与镓羧奄撬，其 控制方式又可分为开环与闭环两种。于是有以下几种控制方案：1 步进电机 开环控制，2 步进电机闭环控制，3 采用伺服魄机的闭环控制。 1 步迸电机开环控制 步迸奄牵凡其有结构筒蕈、分辨率商、傻用维修方便等优点。步迸电机干筝 为一秘比较理想的伺服元件，其最大特点是位置误差不会长期积累，瞳翦广 泛用于各类控制系统。 图4 1 步迸电视开环控制示意离 开环控裁秘霭4 。l 凝示，其特点楚整鼷方式簿萃，成本较低。开垮控 方案中，负载位匿对控制器没有反馈，步进电机必须正确响应每个脉冲。如 果脉冲频率太高，电机不能及时运动到新的位置，就套产生失步。如莱负载 基本皇不黪对瓣变纯，裂熬洚频搴懿变化援咎袒黠筵肇，爨予控测；程是， 在负载变化的应用场合，需要找出负载的变化规律才能进行升降速曲线的设 计：若不能找出负载的变化规律，升降速曲线的设计必须按最坏( 鄄最大负载) 情况考虑“l 。 。 然琵，开臻控剑无法充分发挥步逃电枧鲍瀵在性魅，其输出转矩远小予 浙江大学硕士学位论文 最大静转矩，有时只能达到最大静转矩的3 0 。为了提高步进电机的动态性 能指标，对开环系统可采用改进的细分驱动电源，这样可提高输出转矩3 0 4 0 2 3 1 ，同时提高步进电机的分辨率，减少输出转矩的波动。 2 步进电机闭环控制 步进电机闭环控制系统如图4 2 所示。它与开环控制的主要区别在于： 增加了位置检测这一反馈环节，控制系统不断检测转子的瞬时位置并反馈到 控制器。每一步都在电机满意地响应了前面的脉冲后才发出，因此电机不可 能失步。闭环控制的脉冲频率随负载条件而改变，因此能够产生接近最佳的 升降速曲线。由于每步都要检测位置及负载，因此不能用于要求响应很快的 场合。缺点：结构复杂，带有编码器等检测装置，成本较高，响应速度受到 限制。优点：闭环控制的脉冲随负载条件而改变，因此能够产生接近最佳的 升降速曲线。 3 伺服电机控制方案 图4 2 步进电机闭环控制示意图 伺服电机具有较强的过载能力，具有宽广的调速范围，伺服电机的控制 精度由电机上安装的旋转编码器保证。伺服电机运转非常平稳，即使在低速 时也不会出现振动现象。 伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采 样，不会出现失步或过冲的现象，控制性能更为可靠。由于伺服系统的精度 完全取决于编码器，在精度较高时，需要高线数的编码器，而且需要开发相 应的控制软件，因而成本较高。 二、正则体积显示系统机械扫描子系统的特点 正则体积显示系统机械扫描子系统的特点如下： 1 机械扫描子系统可以自平衡，启动后系统负载小。 精汪失学联士拳链论文 正翁体积显示系统梳械扫擒子系统莹对称布置，如图3 1 所示。主凸轮 5 与主平畿凸轮2 0 、主凸轮从动 牛2 5 与主平衡凸轮从动件2 3 、醒凸轮1 8 与配平衡凸轮2 l 、配平衡从动件2 2 与配平衡凸轮从动件2 6 相配对，e 扫于各 凸轮及欤韵律沿旋转辘心怒对称布置钓，逸祥可以实现力帮力矩的平衡。在 运动的过稷中，系统的质心保持不变。考虑熄铝镜质量诗人从动件2 5 a 、2 5 b ， 二者均分得一半，这样系统的从动件质量均相等，设为m 。从动件的运动规 律如式( 3 1 ) 、( 3 4 ) 。系统的震心旃r ，如式( 4 1 ) 所示，为一蔼定值，故系 统酌质心傈持不变。 m ：c c = 赫+ 2 ( 争卜固+ 2 戎求褥每多鹣晷、垂、f 、0 。 扶爨4 ，5 孛露鞭嚣窭孛虿虢蕾窭，诗冀绻暴与撩数鍪窳速方法骞掰煮枣 阉：第一，计冀结果中乎均热逮度兹线有内下弯曲的波峰，明显她反应了系 统负载熬交纯姆锰，瓣撵数形鸯瑟遽鞋平均麓速度麓线怒全帮下翌豹麴线。第 二，在对成予平均蕊速凌曲线上商下弯益豹浚峰处，计算骈褥静升建酾线上 有稳盛豹小幅波动，褥指数型舞速鳆线则是惫熬上酗的睦线。与指数型热逮 的两点不同，袭明相艘的升速曲线充分挖掘了步进电机的加速潜力。 魏祭慕臻线髅蕊逮，要缳 歪寒嚣滤过程孛不失爹，受载崧蒙蔽系绞在避 行过程中的最大负载来选定。当角期速度选湾4 8 6 2 黼度s 。时，一( 疗，毋) 的袋 大值为0 0 0 3 8 1 6 ( k g m 2 ) ，m ( 织彩+ 以毋) 矽一1 7 9 9 n m ，系统麓最大负载达掰 1 9 n m ，j | ：霹爹遴电枫静输崮转矩为4 i n m 。考懑绦簸系数0 9 嚣，依方藏 ( 4 8 ) 瞄拶，毋) 十了) 拶= 0 9 t ( o ) 一焉 扫) ，认为麓热速度4 8 + 6 2 弧度，s 2 就戴 线性加速的最大加速度。通过编制的程净可以得蹬加速髓程所浠的时间 t = t 。7 4 4 6 3 秒。 始聚粟照撂数形嬲速，耍爨诞电淤极不必步，墩必须以系统的最大受戟 作为步进酝狐静驱动懿载，焉系统的受载爨鞫角鞠逮发有美瓣，哭忿依据琢 统负虢特性选取最大的负载薷释为系统负载。选取豹穰帮绫径翮速稽蠲，兔 t 9 n m 。婊撵文献【2 9 1 中憨热逶递燕公式，缀过编麓鼹彦诗舅壅貉祭鬻爨知 道，加速过程所需的时间t - - 1 2 4 0 1 4 秒。 如莱采用本文据蹴的方法，根据鬻4 - 5 中的计算蹈采可驻算融稚遽过程 掰需静辩闽净0 5 6 1 2 5 穆。 瓣熊淤主3 耱燕速方法群嚣茨对溺瑶驻溪毒；零文爨掇方法大大缩短了 浙江大学硕士学位论文 系统的升降速时间。由于该方法既考虑到了步进电机的矩频特性，又考虑了 系统的负载特征，在某种意义上讲是针对该负载的最佳加速曲线。 4 5 小结 本章确定了正则体积显示系统机械扫描子系统的控制方案，依据编制程 序的计算结果对负载特征作了进一步分析。针对与角加速度线性相关的变化 负载，提出了一种步进电机升降速曲线的设计方法，依据该方法对正则体积 显示系统的升降速曲线进行了设计。通过与其他方法的比较，可以看出本文 所提方法的升降速时间最短。由于该方法既考虑到了步进电机的矩频特性， 又考虑了系统的负载特征，在某种意义上讲是针对该类负载的最佳方法。 溉汪大学联学位论文 第五章首台样机的试制与实验 【本章提要】 本幸对首台样机的设计与试制x - 作进行了嘲顾与总结。介绍了样机的现 有功能及驱动实施情况，分祈了样机的实验结果并挺出了若干改进意见。 5 1 祥机的试制情况 本谦题在浙江省自然科学纂金的资助下，通过与杭两航海仪器厂的合 作，磺制了曹螽样枧。 研制主要分以下几个阶段： 1 设计阶段( 2 0 0 3 3 1 2 0 0 3 6 3 1 ) 主要工作有： 1 ) 机械扫屏仪图纸一套。在李老师完成装配图纸之艏，本人负资完成 了其中大部分零馋髫纸熬设计工馋 选取足蝠嚣于醛录a ) e 图5 - 1 屏幕的成力分析结粜图 2 ) 关键构件主凸轮