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用于 检测 系统 控制 电路设计 含有 CAD 文件

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南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)前期工作材料学生姓名:吴继娟学 号：05010205系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化设计(论文)题目:用于检测系统的控制电路设计指导教师:陆宝春副教授 材 料 目 录序号名 称数量备 注1毕业设计(论文)选题、审题表12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12009年5月 南京理工大学泰州科技学院本科生毕业设计（论文）选题、审题表系部机械工程系指导教师姓 名陆宝春专业技术职 务副教授课题名称用于检测系统的控制电路设计适用专业机械工程及自动化课题性质ABCDE课题来源ABCD课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难适中易课题简介本控制电路是某元件检测系统的一个分系统，用于控制被测元件的转角，从而实现检测系统对元件的测量。本课题主要是设计驱动被测元件转角的控制电路。课题应完成的任务和对学生的要求要求学生运用已学过的知识，根据控制电机的参数及所采用的控制方式，设计控制电路，经过实验来验证自己的设计。实验所需的条件，本教研室都具备。所在专业审定意见： 专业负责人(签名)： 年 月 日注：本课题由 吴继娟 同学选定，学号： 05010205 注：1该表由指导教师填写，经所在专业负责人签名后生效，作为该专业学生毕业设计（论文）选题使用；2有关内容的填写见背面的填表说明，并在表中相应栏内打“”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。填 表 说 明1该表的填写只针对1名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由2名及2名以上同学选择，应在申报课题的名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明。2“课题性质”一栏：A产品设计；B工程技术研究；C软件开发；D研究论文或调研报告E其它。3“课题来源”一栏：A自然（社会）科学基金与省（部）、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校、院（系）级基金课题；D自拟课题。4“课题简介”一栏：主要指该课题的背景介绍、理论意义或实用价值。 南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书系部：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：吴继娟学 号：05010205设计(论文)题目：用于检测系统的控制电路设计起 迄 日 期:2009年3月9日 6月14日设计(论文)地点:南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师:陆宝春 王荣林专业负责人:龚光容发任务书日期: 2009 年 2月26日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：要求学生根据毕业设计的题目，通过相关学习，了解执行系统的工作原理；同时了解这一技术在应用中要注意的问题。通过实践，去验证自己的设计，为今后的工作积累一些实际经验。通过毕业设计，可以检验学生是否能把所学的理论运用到实际中，通过实践可以锻炼学生分析问题和解决问题的能力，动手能力。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：要求学生利用所学过的理论知识完成：设计可调的直流信号源，幅值限制在4V；1. 设计三角波发生器，频率是1500HZ2000HZ,发生器的波形以零线对称，频率可调，输出幅值10V（以零线对称、峰峰值10V）；2. 设计比较器；3. 设计延时电路的延时时间，时间要可调，延迟时间是2030S；4. 分析功率放大电路，要能反映信号的大小，方向（控制电路必须能控制电机正、反转）；5. 论文中要分析三角波、比较器的输出波形。7.注意：控制电路与功率电路的电源是不同的；8.电机参数 电机型号额定功率额定电流额定电压S221D36W1.5A24V毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：1. 完成此控制电路的设计；2. 完成此控制电路的实验；3. 应用计算机绘制此控制电路图并注明参数；4主要参考文献：1 秦继荣，沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计M.北京：机械工业出版社，1993.11.2 李宁，刘启新.电机自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2003.7.3 章燕申，袁曾任等.控制系统的设计与实践M .北京：清华大学出版社，1992.3.4 邓为民.自动控制原理试验教程M.北京：航天工业出版社，1991.8.5 冯国楠.现代伺服系统的分析与设计M.北京：机械工业出版社， 1990.4.6 曾乐生，施妙和.随动系统M .北京：北京工业学院出版社，1988.6.7 胡家耀，赵雅君. 现代控制理论基础M .北京：轻工业出版，1990.4.8 孙辉，张涛，张旭东. 快学易学Protel 99M.北京：邮电大学出版社，2001.1.9 冯国楠.现代伺服系统的分析与设计M.北京：机械工业出版社，1990.4.10 彭志瑾.电气传动与调速系统M.北京：北京理工大学出版社，1988.12.11 张燕宾.PWM变频调速应用技术M.北京：机械工业出版社，1997.12.12 王远.模拟电子技术M.北京:北京理工大学出版社,1991.13 何希才.常用电子电路（应用365例）M.北京：电子工业出版，2006.9. 14 杨兴瑶等.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版社，2007.4. 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2009 年3月9日 3月28日3月29日 4月15 日4月16日 5月15日5月16日 6月8日6月9日 6月14 日学生查资料，根据题目写开题报告（文献综述）、翻译一篇与题目相关的外文资料根据题目的要求，制定出初步的放大器原理方案根据修改后的设计方案，做实验用Protel画最终的电路，并完成毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系部意见：系部主任： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：吴继娟学 号：05010205专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：用于检测系统的控制电路设计指 导 教 师:陆宝春 王荣林 2009年 3月 22 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 本毕业设计题目是用于检测系统的控制电路设计。此控制电路是某元件检测系统的一个分系统，用于控制被测元件的转角，从而实现检测系统对元件的测量。本课题主要是设计驱动被测元件转角的控制电路。关键词 伺服系统 闭环系统 小功率电机控制 直流电动机1 伺服系统的设计为了更多地了解该系统，我查阅了许多相关的资料，进而了解到用于检测系统的控制电路设计本质就是一个伺服系统设计。伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统的一种，它用来控制被控制对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能1。设计伺服系统主要依据被控对象工作的性质和特点，明确对伺服系统的基本性能要求；同时要充分了解市场上器材、元件的供应情况，了解它们的性能质量、品种规格、价格与售后服务，了解新技术、新工艺的发展动态。在此基础上着手设计，以避免闭门造车。系统设计的主要内容和步骤可分为以下几点：（1）系统总体方案的初步制订；（2）系统的稳态设计；（3）建立系统的动态数学模型；（4）系统的动态设计；（5）系统的仿真试验25。在设计伺服系统时，首先要拟订一个设计方案，这个方案通常是个粗线条的、梗概性的描述，在此基础上才便于开展定量的工程设计计算及工程试验，使设计方案逐步具体化，以指导工程实践7。设计方案主要包含系统的构成及各主要元、部件采用什么类型，系统的输入采用什么形式，是机械位移（或转角）？是模拟电量？还是数字信号？相应的系统输出机械转角（或直线位移）采用什么类型的检测装置？系统的执行元件是采用交流伺服电机？还是直流伺服电机？相应的功率驱动装置打算选用什么类型？系统各主要元、部件之间相互连接的形式，以及信号传递、信号转换的形式810。制定系统设计方案是综合平衡的工作，要求设计者做广泛地、深入地调查研究，仔细地分析实际需要，认真地探讨各种实现的可能性，对新元件、新技术的出现要敏感，要善于吸取，以推动伺服技术的发展。通过分析，我准备在设计的电路中采用PWM技术。2 现代直流PWM伺服驱动技术的发展目前，用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用得最为广泛的驱动形式，称之为PWM驱动装置。这种装置能实现宽范围的速度和位置控制，较常规的驱动方式（交磁电机扩大机驱动、电液驱动、晶闸管驱动）具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高，PWM驱动装置一跃成为现代伺服驱动系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视11。21 国内外发展概况国外于60年代已开始注意PWM伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统；70年代中后期，在中等功率的直流伺服系统上较为广泛地使用PWM驱动装置；到80年代，PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。最近从国外引进的高精度伺服系统大都采用PWM伺服控制，现在各工业先进国家竟相发展PWM伺服机构，如美国Kollmorgen公司Inland电机部为本公司所生产的支流伺服电机研制了各种HRB-AND PWM驱动装置，日本的“安川电机”为数控机床研制了CPCR-MR-N 型晶体管PWM驱动装置，其YASNACB系列新的数控装置都采用CPCR-MR-N PWM 驱动；德国AEG公司为坦克火炮稳定器、舰载平台、雷达天线、自行火炮等伺服系统研制了GEADRIVE系列晶体管PWM驱动装置，对于近20t重的大惯量坦克武器，其低速平稳跟踪速度优于0.2mrad/s，最大跟踪速度达0.785rad/s，打破了长期以来电液驱动垄断大功率武器伺服系统的局面。当然，其它国外生产制造直流PWM驱动装置的厂家还很多，美国的GE、哥德、盖梯司公司，日本的三菱电机、东荣电机、FANUC、TOSNUC公司，意大利的奥利维蒂公司，德国的西门子公司，瑞士的BBC公司，英国的LUCAS公司，法国的CEM公司等都有他们自己的系列产品，其中大部分用于数控机床伺服系统和机器人驱动系统，目前国外公司达到的制造水平是输出电压320V，电流300A，调制频率110kHz，调速范围达1：，输出转矩150Nm。国内有些高校，研究所和工厂在70年代末期相继开展了PWM系统的研究，就PWM控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计作了不少工作，取得了一些研究成果，在一定的范围内达到了工业推广水平。1986年5月中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会召开了一次全国性的“直流PWM控制技术学术交流会”，为推动我国PWM技术的发展做出了贡献。由于目前受能制造出的大功率晶体管的电压及电流等级限制，以它为功率转换元件的PWM系统，在国内仅能作到几十瓦到十几千瓦，电压达到220V。随着巨型功率晶体管的电压和电流等级日益提高，制造出的PWM驱动装置的容量也越来越大，应用范围日益广泛。在一定功率范围内，由它取代晶闸管驱动装置，已成为明显趋势13。总而言之，直流PWM伺服技术是一个正在发展中的新领域，具有很好的发展前景12。22 直流PWM伺服驱动装置的工作原理和特点PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速10。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM驱动装置与一般的晶闸管驱动装置相比较具有下列特点：需要用的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽；快速性好；电流波形系数好，附加损耗小；功率因数高，对用户使用有利等等14。事物总是一分为二的 。PWM驱动装置有许多优点毋庸置疑，但它也也有不足之处，表现在：由于功率转换电路的晶体管工作在开关状态，它是系统的严重干扰源，所以电磁兼容性设计在PWM系统中显得相当重要；PWM控制中的大功率晶体管属电流控制型器件，其功率放大倍数远低于晶闸管相位控制，且大功率晶体管的基极驱动电路远比晶闸管的触发电路复杂，它必须提供一定的激励功率15。总之，晶体管PWM控制有许多突出优点，但也存在一些不足之处，随着时间的推移，功率微电子技术的发展和应用电子技术的进步，缺点正在得到改善和克服，其优越性会得到更大的发挥。 参 考 文 献1 王远.模拟电子技术M.北京：北京理工大学出版社，1991.2 李宁，刘启新.电机自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2003.3 许建国.电机与控制M.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998.4 章燕申，袁曾任等.控制系统的设计与实践M.北京：清华大学出版社，1992.5 邓为民.自动控制原理试验教程M.北京：航天工业出版社，1991.6 冯国楠.现代伺服系统的分析与设计M.北京：机械工业出版社，1990.7 曾乐生，施妙和.随动系统M.北京：北京工业学院出版社，1988.8 胡家耀，赵雅君.现代控制理论基础M.北京：轻工业出版，1990.9 彭志瑾.电气传动与调速系统M.北京：北京理工大学出版社，1988.10 张燕宾.PWM变频调速应用技术M.北京：机械工业出版社，1997.11 秦继荣，沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计M.北京：机械工业出版社，1993.12 何希才.常用电子电路（应用365例）M.北京：电子工业出版社，2006.13 扬兴瑶等.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版社，2007.14 金钰等.伺服系统设计指导 M.北京：北京理工大学出版社，2000.15 黄锦安等.电工技术基础M.北京：电子工业出版社，2004. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题所要研究的核心问题是PWM伺服驱动装置的设计。首先必须了解PWM驱动装置的工作原理：PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：将信号放大后传递给电动机的电路称为功率转换电路；其余部分称为控制电路。控制系统工作的信号一般是由计算机给出的，而我的系统的信号是由一个模拟的直流信号源给出的。根据任务书的要求，此系统应包括的部分为：直流信号源，放大器，三角波发生器，比较器，延迟电路，隔离电路，功率放大电路，执行电机，速度反馈和位置反馈。这个系统必须满足以下要求：（1）信号源为直流且幅值在4V；（2）三角波发生器频率是1500-2000，输出的三角波峰峰值是10V，发生器的波形以零线对称，频率可调；（3）延迟电路的延迟时间要可调，延迟时间是20-30；（4）功率放大电路必须反应信号的大小，方向。直流信号源发出一个模拟信号，而直流放大器把信号进行整理、放大；信号比较器把测速发电机的速度负反馈信号与主通道信号进行比较，还有位置测量元件的位置负反馈信号与计算机的输出信号进行比较；三角波发生器需要产生15002000基波，与主通道的信号在比较器中比较后变为脉冲波，经过延时的信号可以防止功率放大器中的大功率管子“共态击穿”；隔离电路是消除地环路一起共阻抗耦合干扰的有效措施，一般隔离的方法有采用隔离变压器，隔离放大器和光电耦合器。差分电路和平衡电路均可以减小地环路，起到抑制干扰的作用。差分电路和平衡电路均可以减小地环路，起到抑制干扰的作用。开关式功率放大器的晶体管是工作在开关状态下的，它不是饱和就是截止，它的输出直接加到执行电机电枢两端。其输出波形是正负交替且正负幅值相等的矩形脉冲。功率放大器的输出可以分解成一个直流分量和一个交流分量。执行电机一方面在直流分量的作用下旋转，同时又在交流分量作用下强迫振动。由于交流分量的频率要比执行电机的频率高的多。因此，振动幅度很小。我将在下一阶段进行线路的设计，然后进行实验，通过实验来证明我的设计。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 吴继娟 学 号： 05010205 外文出处： Hydraulics and Pneumatics Transmission 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：结合毕业设计课题查找相关资料，完成翻译。译文比较正确地表达了原文的意义、概念描述基本符合汉语的习惯，语句较通畅，层次较清晰。成绩评定为良。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文典型液压系统及实例近年来，液压传动技术已广泛应用于机床、建筑机械、矿山机械、农业机械、起重运输机械、轻工机械、航海航空航天工程机械、机械制造业、冶金机械等领域。由于液压系统所服务的主机的工作循环、动作特点等各不相同，相应的各液压系统的组成、作用和特点也不尽相同。本章通过对四个典型液压系统的分析，让学生进一步熟悉各液压元件在系统中的作用和各种基本回路的组成，并掌握分析液压系统的方法和步骤。另外，它能够提供必需的知识和技能给在工程师行业的具备充分分析素质的学生。一般而言，阅读一个较复杂的液压系统图，大致可按以下步骤进行：(1) 了解设备的工艺对液压系统的动作要求；(2) 初步浏览整个系统，了解系统中包含哪些元件，并以各个执行元件为中心，将系统分解为若干块（以下称为子系统）；(3) 对每一个系统进行分析，搞清楚其中含有哪些基本回路，然后根据执行元件的动作要求，参照动作循环表读懂这一子系统；(4) 根据液压设备中各执行元件间互锁、同步、防干扰等要求，分析各子系统之间的联系；(5) 在全面读懂系统的基础上，归纳总结整个系统有哪些特点，以加深对系统的理解；(6) 综述功能的系统。9.1 组合机床动力滑台液压系统YT4543动力平台是一个普通的组成部分的模块化组成机床，这是用来完成进刀的动作。组合机床是由通用部件和某些专用部件所组成的高效率和自动化程度较高的专用机床，安装不同的主轴箱，该平台可以开展许多加工工作，它能完成钻、镗、铣、刮端面、倒角、攻螺纹等加工和工件的转位、定位、夹紧、输送等动作。动力滑台是组合机床的一种通用部件。在滑台上可以配置各种工艺用途的切削头，例如安装动力箱和主轴箱，钻削头、铣削头、镗削头、镗孔、车端面等。YT4543型组合机床液压动力滑台可以实现多种不同的工作循环，其中一种比较典型的工作循环是：快进一工进二工进死挡铁停留快退停止。该系统的要求是，进给速度范围从6.6毫米到600毫米每分钟，最大进给力是45，000N，此外，进给速度应该是稳定的，重新运作的方向应该是平稳，电力利用率应该是合理的，这一制度的效率，应尽可能高和产生的热量应尽可能低.图9.1 YT4543型组合机床动力滑台液压系统原理图1-滤油器；2-变量泵；3、9、16-单向阀；4、8、10、11、18、20-管道；6-电液动换向阀；5-背压阀；7-顺序阀；12、13-溢流阀；14、电磁阀；15-压力继电器；17-行程阀；19-液压缸完成这一动作循环的动力滑台液压系统工作原理如图9.1所示。系统中采用限压式变量叶片泵供油，并使液压缸差动联接以实现快速运动，由电液换向阀换向、用行程阀、液控顺序阀实现快进与工进的转换，用二位二通电磁换向阀实现一工进和二工进之间的速度换接。为保证紧急的尺寸精度，采用了死挡铁停留来限位。实现工作虚幻的工作原理如下：(1) 快进按下启动按钮，三位五通电液动换向阀5的先导电磁换向阀1YA得电，使之阀芯右移，左位进入工作状态，这时的主油路是：进油路：滤油器1变量泵2单向阀3管路4电液换向阀5的P口到A口管路10、11行程阀17管路18液压缸19左腔。回油路：缸19右腔管路20电液动换向阀5的B口到T口油路8单向阀9油路11行程阀17管路18缸19左腔。这时行程差动连接回路。因为快进时，滑台的载荷较小，同时进油可以经阀17直通油缸左腔，系统中压力较低，所以变量泵2输入流量大，动力滑台快速前进，实现快进。(2) 第一次工进在快进行程结束时，滑台上的挡铁压下行程阀17，行程阀上位工作，使油路31和18断开。电磁铁1YA继续通电，电液动换向阀5左位仍在工作，电磁换向阀14的电磁铁处于断电状态。进油路必须经调速阀12进入液压缸左腔，与此同时，系统压力升高，将液控顺序阀7打开，并关闭单向阀9，使液压缸实现差动连接的油路切断。回油经顺序阀7和背压阀6回到油箱。这时的主油路是：进油路：滤油器1变量泵2单向阀3电液动换向阀5的P口到A口进油10调速阀12二位二通电磁换向阀14油路18液压缸19左腔。回油路：缸19右腔油路20电液动换向阀5的B口到T口 管路B顺序阀7背压阀6油箱。因为工作进给时油压升高，所以变量泵2的流量自动减少，动力滑台向前做第一次工作进给，进给量的大小可以用调速阀12调节。(3) 第二次工作进给在第一次工作进给结束时，滑台上的挡铁压下行程开关，使电磁阀14的电磁铁3YA得电，阀14右位接入工作，切断了该阀所在的油路，经调速阀12的油液必须经过调速阀13进入液压缸的右腔，其它油路不变。由于调速阀13的开口量小于阀12，进给速度降低，进给量的大小可有调速阀13来调节。(4) 死挡铁停留当动力滑台第二次工作进给终了碰上死挡铁后，液压缸停止不动，系统的压力进一步升高，达到压力继电器15的调定值时，经过时间继电器的延时，在发出电信号，使滑台退回。爱事件继电器延时动作前，滑台停留在死挡铁限定的位置上。(5) 快退时间继电器发出电信号后，2YA得电，1YA失电，3YA断电，电液动换向阀5右位工作，这时的主油路是：进油路：滤油器1变量泵2单向阀3油路4换向阀5的P口到B口油路20缸19的右腔。回油路：缸19的左腔油路18单向阀16油路11电液动换向阀5的A口到T口油箱。这时系统的压力较低，变量泵2输出流量大；动力滑块快速退回。由于活塞杆的面积大约为活塞的一半，所以动力滑台快进、快退的速度大致相等。(6) 原位停止当动力滑台退回到原始位置时，挡块压下行程开关，这时电磁快1YA、2YA、3YA都失电，电液动换向阀5处于中位，动力滑台停止运动，变量泵2输出油液的压力升高，使泵的流量自动减至最小。表9.1是这个液压系统的电磁铁和行程阀的动作表。YT4543型组合机床动力滑台液压系统电磁铁和行程阀的动作表1YA2YA3YA压力开关机械操纵的方向控制阀快进+-打开一工进+-关闭二工进+-+-关闭死挡铁停留+-+关闭快退-+-关闭-打开原位停止-打开通过以上分析可以看出，为了实现自动工作循环，该液压系统应用了下列一些基本回路： (1) 调速回路：采用了由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。它既满足系统调速范围大，低速稳定性好的要求，又提高了系统的效率。进给时，在回油路上增加了一个背压阀，这样做一方面是为了改善速度稳定性（避免空气渗入系统，提高传动刚度），另一方面是为了使滑台能承受一定的与运动方向一致的切削力。(2) 快速运动回路：采用限压式变量泵和差动连接两个措施实现快进，这样既能得到较高的快进速度，又不致使系统效率过低。动力滑台快进和快退速度均为最大进给速度的10倍泵的流量自动变化，即在快速行程时输出最大流量，工进时只输出与液压缸需要相适应的流量，死挡铁停留时只输出补偿系统泄露所需的流量。系统无溢流损失，效率高。(3) 换向回路：应用电液动换向阀实现换向，工作平稳、可靠，并由压力继电器与时间继电器发出的电信号控制换向信号。(4) 快速运动与工作进给的换接回路：采用行程换向阀实现速度的换接，换接的性能较好。同时利用换向后，系统中的压力升高使液控顺序阀接通，系统由快速运动的差动联接转换为使回油排回油箱。(5) 使用机械操作2 / 2方向控制阀和顺序阀的调整的快速发展，首先进给工作不仅保证了定位精度，而且保证了更高的可靠性和平滑性。利用电磁操作换向阀作为重新从一工进到二工进，能满足该系统以来，两工进的速度很低。两种工作进给的换接回路：采用了两个调速阀串联的回路结构。(6) 使用压力补偿流量控制阀在用仪表电路不仅确保调整进给速度方便，而且确保了稳定的进给速度（阀本身的特点）。此外，利用背压阀不仅确保气缸可承受一定的负荷超越，但也保护空气进入该系统。也就是说，利用背压稳定的进给速度。(7) 使用压力补偿变量泵以及方向控制空挡的位置卸载以确保该系统利用功率合理地和有效地运行，因此产生较少的热量。附件2：外文原文 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第I页 共 I 页 目 录1 引言11.1 现代直流 PWM 伺服驱动技术的发展概况11.2直流 PWM 伺服驱动装置的工作原理和优缺点31.3 PWM 系统发展中待研究的问题51.4 技术展望62 设计内容与要求73 PWM 位置系统设计分析93.1 简易输入信号93.2 放大电路的设计原理与分析93.3 三角波发生器设计原理 123.4 脉冲宽度调制器设计原理143.5 阻容延迟电路设计原理 163.6 功率放大电路理论分析 203.7 测速发电机 223.8 位置测量元件234 实验内容与问题的解决 254.1 直流信号源与放大电路 254.2 三角波发生器的调试254.3 电压比较器的调试264.4 延迟电路的调试264.5 整个实验电路的调试27结束语31致 谢32参考文献33图 A：试验电路图 34 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第1页 共 37 页1 1 引言引言本控制电路是某元件检测系统的一个分系统，用于控制被测元件的转角，从而实现检测系统对元件的测量。本课题主要是设计驱动被测元件转角的控制电路。其工作原理是：计算机输出信号控制直流电动机转动，直流电动机带动被测元件旋转。我所设计的控制电路就是把计算机的控制信号放大，控制电动机的转动。为了更多地了解该系统，我查阅了许多相关的资料，进而了解到该控制电路本质上是一个伺服系统。所以要进行控制电路设计，其实就是一个专用的伺服系统的设计。在设计伺服系统时，首先要拟订一个设计方案，这个方案通常是个粗线条的、大概性的描述，在此基础上才便于开展定量的工程设计、计算及工程试验，使设计方案逐步具体化，以指导工程实践。制定系统设计方案是综合平衡的工作，要求设计者做广泛地、深入地调查研究，仔细地分析实际需要，认真地探讨各种实现的可能性，对新元件、新技术的出现要敏感，要善于吸取，以推动伺服技术的发展。通过分析，我准备在设计的电路中采用 PWM 技术。1.11.1 现代直流现代直流 PWMPWM 伺服驱动技术的发展概况伺服驱动技术的发展概况目前，用大功率晶体管 PWM 控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用得最为广泛的驱动形式，称之为 PWM 驱动装置。这种装置能实现宽范围的速度和位置控制，较常规的驱动方式（交磁电机扩大机驱动、电液驱动、晶闸管驱动）具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高，PWM 驱动装置一跃成为现代伺服驱动系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。国外于 60 年代已开始注意 PWM 伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统；70 年代中后期，在中等功率的直流伺服系统上较为广泛地使用 PWM 驱动装置；到 80 年代，PWM 驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。最近从国外引进的高精度伺服系统大都采用 PWM 伺服控制，现在各工业先进国家竟相发展 PWM 伺服机构，如美国 Kollmorgen 公司 Inland 电机部为本公司所生产的支流伺服电机研制了各种HRB-AND PWM 驱动装置，日本的“安川电机”为数控机床研制了 CPCR-MR-N 型晶体管 PWM 驱动装置，其 YASNACB 系列新的数控装置都采用 CPCR-MR-NPWM 驱动；德国AEG 公司为坦克火炮稳定器、舰载平台、雷达天线、自行火炮等伺服系统研制了GEADRIVE 系列晶体管 PWM 驱动装置，对于近 20t 重的大惯量坦克武器，其低速平稳 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第2页 共 37 页跟踪速度优于 0.2mrad/s，最大跟踪速度达 0.785rad/s，打破了长期以来电液驱动垄断大功率武器伺服系统的局面。当然，其它国外生产制造直流 PWM 驱动装置的厂家还很多，美国的 GE、哥德、盖梯司公司，日本的三菱电机、东荣电机、FANUC、TOSNUC 公司，意大利的奥利维蒂公司，德国的西门子公司，瑞士的 BBC 公司，英国的 LUCAS 公司，法国的 CEM 公司等都有他们自己的系列产品，其中大部分用于数控机床伺服系统和机器人驱动系统，目前国外公司达到的制造水平是输出电压320V，电流 300A，调制频率 110kHz，调速范围达 1：，输出转矩 150Nm。410国内有些高校，研究所和工厂在 70 年代末期相继开展了 PWM 系统的研究，就PWM 控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计作了不少工作，取得了一些研究成果，在一定的范围内达到了工业推广水平。1986 年 5 月中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会召开了一次全国性的“直流 PWM 控制技术学术交流会” ，为推动我国 PWM 技术的发展做出了贡献1。由于目前受能制造出的大功率晶体管的电压及电流等级限制，以它为功率转换元件的 PWM 系统，在国内仅能作到几十瓦到十几千瓦，电压达到 220V。应用于数控机床、精密机床、仿形机床、重型机床的进给，机器人驱动装置及精密速度控制中，也用于军用雷达天线驱动、天文望远镜驱动、火炮和导弹发射架驱动等快速跟踪高精度伺服系统中。直流斩波调速在电气车辆上也得到了较广泛的应用，所用元件多是晶闸管系列，功率可做的较大但调制频率较低。随着巨型功率晶体管的电压和电流等级日益提高，制造出的 PWM 驱动装置的容量也越来越大，应用范围日益广泛。在一定功率范围内，由它取代晶闸管驱动装置，已成为明显趋势。尽管目前对交流伺服系统的研究比较“热门” ，但是其控制性能还达不到直流PWM 系统的要求。控制工程师切不可强调一面，而忽视了另一面，直流 PWM 控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。直流 PWM 技术不但可应用于新机械设备的传动装置上，也可以应用于原有设备的技术改造上，特别在机电一体化设备上大有用武之地。如我国许多大型机械制造厂的重型镗床的进给改进系统，多使用交磁电机扩大机、交磁电机扩大机加电子管放大器或早期的晶闸管系统，它们长期存在低速不能稳定运行的故障，致使进给的低速区无法使用，如使用 PWM 技术进行技术改造，就可以把镗床进给的低速区运用起来，将会大大提高机床的加工能力，为工厂多创造财富。在国防工业上，现装备武器的伺服系统大多数为电液驱动和交磁电机扩大机驱动，无论技术性能和战术使用要求，都不能适应现代武器装 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第3页 共 37 页备的要求，各工业发达国家都在用直流 PWM 伺服技术来改造现有武器装备的伺服系统，使旧武器焕发青春，这已成为旧式装备改造的潮流2。总而言之，直流 PWM 伺服技术是一个正在发展中的新领域，具有很好的发展前景。1.21.2直流直流 PWMPWM 伺服驱动装置的工作原理和优缺点伺服驱动装置的工作原理和优缺点1.2.1 直流 PWM 伺服驱动系统的原理：PWM 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”3。PWM 控制示意图如图 2.2 示，可控开关 S 以一定的时间间隔重复地接通和断开，当 S 接通时，供电电源开关 S 施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电机储sU存能量；当开关 S 断开时，中断了电源向电机提供能量，但在开关 S 接通期间电枢电感所存储的能量此时通过续流二极管 VD 使电机电流继续流通。图 1-1 PWM 控制示意图在电动机两端间得到的电压波形如图 2.5 所示，电压均值可用下式表示： （1-1）sonavUTtU式中 开关每次接通的时间；ont 开关通电的工作周期（即开关接通时间和关断时间之和） ；Tontofft 占空比，。Tton由式（2-1）可见，改变开关的接通时间和开关周期 的比例亦可改变脉冲的ont 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第4页 共 37 页占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变（如图 1.3 示） ，因而电动机转速得到了控制。按照式（2-1） ，改变占空比可获得两种调制方法，即开关周期 恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，这就是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为 PWM） ；另一种方式导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率（）来改变占空比，亦即脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写Tf1为 PFM） 。由于 PFM 控制是依靠脉冲频率的变化来改变占空比的，当遇到某个特殊频率下的机械谐振时，常导致系统振荡和出现音频啸叫声，这一严重缺点导致 PFM 控制在伺服系统中不适用。目前，直流电动机的控制中，以应用 PWM 控制方式为主。在 PWM 调速系统中，在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取dUOU决于占空比的大小，即改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。一般可以采用定宽调频、调宽调频、定频调宽三种方法改变占空比的值， 但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡，因此常采用定频调宽法改变占空比的值，从而改变直流电动机电枢两端电压2。 （1-10:12110rrdrddUUTtUtttU占空比，2）图 1.2 PWM 调速控制输出电压波形1.2.2 PWM 驱动装置与一般的晶闸管驱动装置相比较具有下列特点：(1) 需要用的大功率可控器件少，线路简单；例如，在不可逆无制动 PWM 驱动 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第5页 共 37 页装置中仅用一个大功率晶体管，而在晶闸管驱动装置中至少要用三个晶闸管。(2) 调速范围宽；与宽调速直流伺服电机配合，可获得 600010000 的调速范围，而一般的晶闸管装置的调速范围仅能达到 100150，如果采用低速自适应控制或锁相环控制等措施，也能达到 600010000 的调整范围，但其线路要比 PWM 系统复杂得多。(3) 快速性好；PWM 系统的调制频率高(1lOkHz)，失控时间小，可减小系统的时间常数，使系统的频带加宽，动态速降小，恢复时间短。(4) 电流波形系数好，附加损耗小；由于 PWM 调制频率高，不需要平波电抗器就可获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于 1。因而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的附加损耗都小。(5) 功率因数高，对用户使用有利；PWM 装置是把交流电经全波整流成一个固定的直流电压，再对它进行脉宽调制，因而交流电源侧的功率因数高，系统工作对电网干扰小 4。1.2.3 PWM 驱动装置还具有下列优点:同晶体管线性功率放大相比，功率高，功耗小；与交磁电机扩大机驱动相比，体积小、重量轻、寿命长、频带宽、滞后小；与电液驱动相比，维护方便、性能/价格比优良、非线性小、受环境影响的敏感度低5。1.2.4 PWM 驱动装置不足之处： 由于功率转换电路的晶体管工作在开关状态，它是系统的严重干扰源，所以电磁兼容性设计在 PWM 系统中显得相当重要；PWM 控制中的大功率晶体管属电流控制型器件，其功率放大倍数远低于晶闸管相位控制，且大功率晶体管的基极驱动电路远比晶闸管的触发电路复杂，它必须提供一定的激励功率。表现为以下四个方面：(1) 目前进入实用的 PWM 驱动装置均不能向交流电网回馈电能；(2) 功率转换电路的晶体管工作在开关状态，它是系统的严重干扰源；(3) 大功率晶体管不能承受高峰电流，过载能力差；(4) 放大倍数低，驱动电路复杂，需要提供一定的激励功率。总之，晶体管 PWM 控制有许多突出优点，但也存在一些不足之处，随着时间的推移，功率微电子技术的发展和应用电子技术的进步，缺点正在得到改善和克服，其优越性会得到更大的发挥。1.31.3 PWMPWM 系统发展中待研究的问题系统发展中待研究的问题 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第6页 共 37 页在我国，由模拟量元件组成的 PWM 系统的设计、研制与应用已有一定数量成功的实例，由 PWM 驱动装置配合脉宽调速直流伺服电机能获得相当宽广的调速范围、较好的动态性能。PWM 驱动装置对普通直流电机也有较强的适应能力，调试简便，也能获得优于晶闸管系统的调速性能3。但是，PWM 系统在我国毕竟是在成长阶段，为使它进一步发展完善，还有不少待研究的课题。(1) 应该进一步扩大晶体管 PWM 驱动装置的容量，使之能达到 100kW 以上，复合型大功率晶体管的出现使之成为可能。还要是产品系列化、大功率组件和控制组件标准化，使它变成正式工业产品。把目前仅限于机床、军工设备上的应用，扩展到冶金及其他行业。(2) 研究大功率晶体管工作状态检测电路，使它保证在开关状态下安全工作。研究减少大功率晶体管开关损耗既简单而效果又显著的电路。(3) 晶体管 PWM 驱动装置中最易出现的严重问题是大功率晶体管的二次击穿与短路烧毁，应研究合理的驱动方式、恰当的保护方法以及参数计算方法。(4) 开展微处理机在 PWM 系统中的应用研究。(5) 就 PWM 控制原理本身来说，它是具有继电特性的本质非线性控制，严格地说，直流 PWM 系统是一种典型的非线性控制系统，为了使这种非线性系统有良好的工作特性，需对由非线性引起的一些特殊问题，如自激振荡、线性化的条件等进行深一步的研究。(6) PWM 控制的特点就是开关控制，电磁兼容性问题是工程实用中至为重要的问题，随着开关频率的提高，这个问题更加突出，因而，开展这方面研究具有使用价值。1.41.4 技术展望技术展望电子技术、半导体技术最近的进步，导致控制技术的大变革。特别是微处理机和数字信号处理器的出现，使得伺服系统电脑化，控制装置的功能由软件所决定。惊人的设计趋向是在现代伺服回路的反馈部分，基于“Ifthen”软件规则的动态变化的数字式反馈补偿，在现代的最新设计中，可显著地提高伺服系统的性能。采用推理方法设计伺服系统，使得任何可能损害回路性能的可观测的输出参数在反馈子回路中得到处理，以消除或减少其影响。据此，可通过使位置信号产生偏移来消除静摩擦误差，也可将它与电机的综合效应结合在一起，以形成一个速 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第7页 共 37 页度误差为零的伺服系统。总而言之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的成批生产、微计算机的广泛使用，使得伺服控制技术获得迅猛发展。展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝着“智能化”的方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近几年内必将获得广泛应用46。2 2 设计内容与要求设计内容与要求本次毕业设计的控制电路可以概括为是 PWM 位置系统电路的设计。PWM 位置系统电路包括信号源，放大器，信号比较器，三角波发生器，比较器，延迟电路，隔离电路，功率放大电路和执行电机，测速发电机，位置测量元件等几部分。其中被测元件为负载。图 2-1 为它的结构简图：直流放大器信号比较器比较器延时电路隔离电路功率放大电路直流电动机测速发电机速度反馈三角波发生器位置反馈位置测量元件件信号源被测元件图 2-1 PWM 位置系统简图设计中需满足：（1）设计输出幅值4V 的直流信号源；（2）三角波发生器频率是 1500-2000，发生器的波形以零线对称，频率可调；ZH（3）延迟电路的延迟时间要可调，延迟时间是 20-30；S（4）功率放大电路可以反应信号的大小、方向。直流信号源是一个模拟信号发出的单元，直流放大器把信号进行整理；信号比 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第8页 共 37 页较器把测速发电机的速度负反馈信号与主通道信号进行比较；三角波发生器产生的2000基波，与主通道的输出信号在比较器中比较后为脉冲波，经过延时的信号可ZH以防止功率放大器中的大功率管子“共态击穿” ；隔离电路是消除地环路一起共阻抗耦合干扰的有效措施，一般隔离的方法有采用隔离变压器，隔离放大器和光电耦合器，差分电路和平衡电路均可以减小地环路，起到抑制干扰的作用。开关式功率放大器的晶体管是工作在开关状态下的，它不是饱和就是截止，它的输出直接加到执行电机电枢两端。其输出波形是正负交替且正负幅值相等的矩形脉冲，功率放大器的输出可以分解成一个直流分量和一个交流分量。执行电机一方面在直流分量的作用下旋转，同时又在交流分量作用下强迫振动。由于交流分量的频率要比执行电机的频率高的多，因此，振动幅度很小。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第9页 共 37 页3 3 PWMPWM 位置系统设计分析位置系统设计分析3.13.1 简易输入信号简易输入信号由于试验没有使用计算机输出信号，因此，设计了一个简易输入直流信号用以代替计算机输出的信号。设计要求直流信号源的最终输出幅值为4V，而实验室常用直流信号源为12V，需要经过降压处理。因此采用两个 10K 的电阻和一个 10K 的可调电位器，便可达到降压可调保护电路的目的；具体如何计算详见后面对直流控制信号的调试部分。图 3-1 为它的结构简图。图 3-1 简易输入信号其中电阻 R 和 R 阻值为 10K，可调电位器 R最大阻值为 10K。121w3.23.2 放大电路的设计原理与分析放大电路的设计原理与分析 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第10页 共 37 页根据设计要求，直流信号源的输出幅值应为4V，考虑到经过压降处理后可能电压大小不能达到理想的可调效果，因此采用运算放大器来达到电压放大的作用，并且为保证放大前后电压极性保持一致，采用两极放大。另外放大电路中添加了调零电路，以保证当输入为 0 时，输出也为 0。放大器选用 741 集成运放；如图 3-2 所示。图 3-2 放大电路3.2.1 调零电路计算机输出的电压值通常在 05V 之间，因此为了得到更宽范围的信号，通常先经过调零电路将其调整到-5V+5V，这样就能由电压的正负来控制电机的正转和反转。电路图如 3-3 所示： 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第11页 共 37 页图 3-3 调零电路图由上图可以看出，从计算机接口板输出的控制电压是 05V，适当调节电位器的位置，使得经过电阻后叠加一个-2.5V，这样控制电压就转换成了-2.5V2.5V，再经过运算放大器的放大就可以得到-5V5V 的电压信号。放大电路中选用 F741 运算放大器，其工作原理如下：图 3-4 F741 工作原理图电阻引入电压并联负反馈，输入信号经电阻接到运放的反相输入端，同相fR1R输入端经电阻接地。对于理想运算放大器，是否接入不影响分析结果。但是在2R2R实际电路中，由于运放的输入级为差放电路，为了保证差放电路两个输入端的参数对称，以免产生附加的偏差电压，一般选择。ffRRRRR112根据虚断 （3-0ii1） 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第12页 共 37 页故 （3-fiiv1, 02）根据虚短 （3-0vvvi3）所以 （3-111RvRvviii4）于是 （3-fiffoRRvRiv15）电压增益 （3-1RRvvAfiovf6）由上述关系式可知，该电路实现了反相比例运算，即输出电压与输入电压的幅值成正比，但电位反相。电路增益取决于电阻之比，而与运算的内部参数无fRR 和1关。该电路的放大器选用普通的运算放大器 F741 即可实现，F741 的管脚示意图如图3.5 所示：需要注意的是，在这里要用两极运算放大器。因为运算放大器通常是反相输入，经过一级放大后电压将反相，这样输入到比较器的信号将与电源信号相反，为了不改变输入信号的方向，我们采用两极放大器来进行放大和调整电位。图 3.5 F741 管脚图3.33.3 三角波发生器设计原理三角波发生器设计原理 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第13页 共 37 页三角波产生电路如图 3-6 所示。前一个集成运放组成滞回比较器，后一个组成积分电路。滞回比较器的输出加在积分电路的反相输入端，积分电路的输出又反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的参考电压。其中需要注意的是，前一个运放REFV放大器的反相输入端需加上可调输入信号，以保证调节电位器使三角波以零线对称。假设初始转态滞回比较器的输出为高电平，即 V = +V ,而电容的初始电压 V1OZ(0)=0,这样电容 C 开始充电，同时 V 按线性规律逐渐下降。CO当 V 的下降使前一运放放大器的同相端 V 小于 V时，滞回比较器的输出发生OPN跳变，V从+V 跳变为-V ，即 V = -V 。1OZZ1OZ此后，电容 C 开始放电，V 按线性规律逐渐上升。当 V 的上升使前一运放放大OO器的同相端 V 大于 V时，滞回比较器的输出发生跳变，V从-V 跳变为+V 。这PN1OZZ样的过程不断重复，由于 V 的上升、下降时间相等，斜率绝对值也相等，就可得到O如图 3-7 的三角波输出 V 。O图 3-6 三角波发生电路原理图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第14页 共 37 页图 3-7 三角波发生器的输出波形假设为三角波的输出峰值，由于滞回比较器的同相端电位为omVOOPVRRRVRRRV2121211而三角波输出达到最大时，V = V ，V = V，将这些条件代入上式，oVomV1OZPN可得omZNPVRRRRRVRVV212211这样便可求得正向峰值与负向峰值。由于输出电压由负向峰值向正向峰值变化的过程中有omTzVdtRVC21204因此振荡周期为。zomVVCRT44 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第15页 共 37 页即根据所需要输出的峰值和周期值代入上述公式结合实验确定出各个电阻、电容、稳压管的大小7。3.43.4 脉冲宽度调制器设计原理脉冲宽度调制器设计原理脉冲宽度调制器是一个自动的电压-脉宽变换器（亦称 V/W 电路，它是英文 Voltage Pulse Width Converter 的缩写） 。它的本质在于：一个直流控制信号电压u 和一个固定频率的三角波（或锯齿波）叠加，产生一个等幅的、占空比与 u 大小ii成比例的方波脉冲序列，以它作为功率转换电路的调制信号，使 u 通过对此调制脉i冲宽度的变换实现对功率转换电路输出电压的控制，从而达到调节直流电机转速的目的。显而易见，脉冲宽度调制器是 PWM 系统的基础组成部件。实际上，脉冲宽度调制器是一个电压比较器，比较器的灵敏度决定了 PWM 控制的死区和调节脉冲前后沿的斜率。从理论上来讲，对脉冲宽度调制器的基本要求是死区要小，调制脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度足够高。应当指出的是，在实际设计脉宽调制器时，一般不必过分追求比较器的灵敏度，而应当与系统的控制模式、实际系统的具体要求等综合考虑，否则在整个系统的线路处理上会带来一定困难。同时亦需要考虑与功率转换电路的耦合问题，防止功率转换电路同侧对管在切换时的共态直通。选用 LM393 电压比较器（如图 3-8 所示）作为脉冲宽度调制器。LM393 内部包括两个独立精密电压比较器。可以单电源操作：（电源范围 2V 至 36V ）或双电源操作：（电源范围18V） ，LM393 系列可直接与 TTL 及 CMOS 逻辑电路接口。图 3-8 LM393 电压比较器 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第16页 共 37 页我们可以先分析输入 LM393 引角 2、3 经过的电压比较器（如图 3-6 所示） ，因为另一个比较器由于输入正反相端的与其相反，所以输出波形必成电压高低峰值互换态势。这样，在其中一比较器两个输入端分别施加三角波和直流控制信号电压，此时，比较器输出将按下述规律变化：（1）直流控制信号电压 三角波电压时，输出正的电压 + V；cc（2）直流控制信号电压 三角波电压时，输出正的电压 - V；cc图 3-9 电压比较器比较器 LM393 在本次设计中电路中的接法如图 3-7 所示，注意：用双电源时，“4”引脚接负电源；“4”引脚接接地8。直流信号1u三角波2u图 3-10 比较器 LM393 在电路中的接法3.53.5 阻容延迟电路设计原理阻容延迟电路设计原理 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第17页 共 37 页3.5.1 GTR 的开关特性工作在开关状态的 GTR（大功率晶体管） ，由饱和到截止，或者相反的转换过程，也就是其内部电荷“建立”和“消失”的过程，因而需要一定的时间。GTR 的开关时间由延迟时间、上升时间、存储时间和下降时间组成。开关时间的长短不仅取决于GTR 本身的结构工艺，且与外电路有密切的关系。延迟时间定义为基极施加正向驱动电流后，GTR 由截止转态过渡到线性工作区所需的时间。上升时间是指 GTR 从线性区移到饱和区所需要的时间。下降时间物理意义解释为集电结两侧过量电荷消失后，由正向偏置转为反向偏置，基区余下的电荷逐渐消散所需要的时间。存储时间指 GTR从饱和区移到线性区所需的时间，它和 GTR 饱和时储存于集电极两侧过量电荷消失有关。“存储时间”亦称“关断延迟” ，它是由于 GTR 饱和引起的，在存储时间内，GTR 的工作点一直位于饱和区。饱和意味着发射极电子到达集电结的数量受外电路的限制，而相应在基区的复合却非常大，因而使基区积累了过量的电子电荷。饱和时，集电结和发射结都处于正向偏置，集电区也有空穴电荷储存。当基极正向驱动信号结束时，存储在集电结两侧的过量电荷不能立即消散，两个 PN 结仍处于正向偏置而维持导通，集电极电流仍旧保持在最大值。过量电荷的消散需要时间，因而造成关断延迟。显然，关断延迟的长短取决于 GTR 的饱和深度。3.5.2 GTR 存储时间对 PWM 系统的影响由前面对 GTR 开关特性的分析可知，在存储时间内 GTR 呈饱和状态，尽管它与GTR 集电极的功率损耗没有直接关系，然而对 PWM 功率转换的可靠性和开关频率的选择有严重的影响，也可以说这是 PWM 系统特有的重要问题。存储时间可导致 H 型功率转换电路同侧对管发生“共态直通” ，烧毁 GTR，这是损坏功率转换电路的根源。同时，存储时间的存在还会影响开关频率的上限和控制信号的调节能力。总之，存储时间对 PWM 系统的影响是重大的，必须引起足够的注意。“共态直通”是指 T 型、H 型功率转换电路中的 GTR 在一个开关周期内的切换瞬间把主电源短路的现象。 “共态直通”的发生原因是由于 GTR 存储时间的存在和基极驱动的 PWM 信号过零点无延迟而引起的。因此，要求 GTR 的存储时间尽可能地短，同时在设计基极驱动电路时应使饱和导通，也就是使同侧对管在开关切换期间有一个“共同休止”的延时死区。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第18页 共 37 页鉴于存储时间的离散性，同时，电路应能适应于不同类型的 GTR，因此，在设计控制电路时，延时宽度应根据实际需要而可方便地加以调节。在 PWM 系统中，功率转换电路提供的功率随电动机的负载情况而变化，而基极驱动通常采用恒流驱动（即以最大负载情况设计的基极驱动电流） ，这样就使得存储时间亦随电动机的负载情况而变化。当电动机分别工作在加速、制动及负载大扭矩切削过程中，集电极电流最大，饱和深度最浅，存储时间也最小，在电动机轻载运行时，集电极电流最小，饱和深度最深，存储时间也最大。开通延迟时间的选取必须以存储时间的最大值考虑。GTR 集电极导通脉冲的最小宽度由电动机的运行条件决定，而由控制信号决定的输出正向脉宽的最小值则是 GTR 的开关特性和集电极、基极电路的条件所决定。可见，由存储时间引入开通延迟相当于开关周期的正向基极驱动脉冲的宽度不能变化的部分，它将直接影响到系统的调节能力，特别在频率较高时，这种影响更大。综上所述，存储时间的存在限制了开关频率的上限，在存储时间内引入开通延迟将影响调节能力，因而在设计系统时，基极驱动应采取自适应技术，以使存储时间尽可能短，或者采取受限模式控制，尽可能地提高开关频率，避开存储时间的影响。3.5.3 阻容延迟电路的设计由于工作在 T 型、H 型可逆 PWM 功率转换电路中的 GTR，由于存储时间 t 的存在，s在同侧对管交替切换时易产生“共态导通” ，使电源通过这两个“共态导通”的GTR 而短路，产生很大的穿通电流，造成 GTR 损坏。换言之，在分析 GTR 工作过程中都认为晶体管的导通和关断是瞬时的，即理想开关。事实上并非如此，饱和管退出饱和区往往需要存储时间，在桥路同侧对应管切换时，必须等待导通的管子确实关断之后，另一管子才能开通。否则，势必造成同侧对应管直通，将电源短路。为了避免直通短路，必须引入开通延时，延时时间必须大于晶体管的存储时间（通常 520） ，所以开关频率的上限就受到了限制。s为了避免这一现象的发生，除功率转换电路自身要采取有效保护外，一般需在脉宽调制电路（V/W 电路）中产生“不灵敏区”控制（称为保护型脉宽调制） ，或者对 PWM 信号进行适当分配，保证跨接在电源两端的串接 GTR 瞬时关断、延迟开通，防止由于存储时间内的共态穿通电流而损坏 GTR。因此，为了避免“共态穿通”现象的发生，工程中常使用 PWM 信号延迟电路。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第19页 共 37 页用图 3-8 所示的 RC 阻容延迟电路可以实现双极或单极模式功率转换 GTR 先关后通的逻辑。比较器 LM393 形成的调宽脉冲信号，分别经 RC 和 RC 延时电路加到电压192203比较器。上面的电压比较器为同相比较，另一个为反相比较，两个二极管的作用是对调宽脉冲的上升沿延时，而基本上不影响加到即将截止的管的基极脉冲沿，只要延迟电路的参数选择得适当，就可以确保在正常工作时，桥臂不会发生短路。通常，功率等级越大，延迟时间相对就长。改变 RC 和 RC 的参数，并考虑到比较器的192203门限电压就可获得所需的延迟时间。这种延迟电路的缺点是电路参数的调整涉及到两个支路，故调整中需仔细反复调整。延时电路由两部分组成。一是阻容延时电路，它有二极管、电阻以及电容组成。当信号输入为高电平时，二极管反向截止，+12V 的电源经过 R19，R20 给电容C2，C3 充电，电容两端的电压升高。当输入由高电平变为低电平时，二极管正向导通，电容通过二极管放电。电容两端电压下降。重复以上过程，便可以达到对波形的延时作用。延时时间由公式得到：21715CRRts对波形的延时时间一般视 H 桥负载电流的大小不同而不同。按照任务书的要求延时时间调整在 2030之间。s经过阻容延时后输出的波形并不十分理想，还需要进行整形。同时为了调节延时时间，选用比较器和附加电路完成这一功能。通过与比较器的反向端相连的电位计可以调节到使反向端有一负偏压，使延时时间增加。反之使延时时间减少。延时后的信号分别由比较器的同向端输入，对延时后的输出波形进行整形。根据要求比较器选用 LM311 电压比较器9。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第20页 共 37 页图 3-11 阻容延迟电路通过公式我们计算一下延时电路的延时时间。由设计的电路可得：R15=R16=3KR17=R18=5K延时时间 msKKts4 .261033005312所以设计的电路符合任务书上的要求。3.63.6 功率放大电路理论分析功率放大电路理论分析 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第21页 共 37 页在完成了比较器电路的接线后，我按照图 3-10 所示的多级放大电路作为整个电路的功率放大环节。在接完线路后，我测得一组数据如下表 4-2 所示：a1b2eoutU-1.50V1.76V19.40V18.89V-1.00V1.23V20.3V19.80V-0.50V0.73V21.2V20.6V0021.4V20.9V表 4-2 功率放大电路数据注：a 点电压为信号发生器输出端的电压。对电路进行了改造。见下图 4-3 所示。这个功率放大器电路是由运算放大器LM358、三极管 3DG182H 和 3DD102C 及一些电阻、二极管等元件组成的13。有一点需要加以说明，二极管 D11 是起了一个保护的作用，在这个设计中，输出端的负载接的是直流电机，在驱动电机工作的时候，会产生一个反向电动势，因此为了防止反向电动势对整个系统造成影响，需要在系统的输出端并联一个二极管。这样，当产生反向电动势时，电机与二极管组成一个回路，从而保护了大功率管和系统的安全性。可调电位计在线路中起负反馈的作用。 3RW 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第22页 共 37 页图 3-12 功率放大器电路电路中要用到的三极管参数如表 4-3 所示： 型号参数号3DG6C3DG182H3DD102CCMP100mW700mW30WCMI200mA300mA3ACBOBV20VV140200VEBOBV4V5V4V表 3-2 三极管参数注：和是直流参数，分别为受基极击穿电压和发射极击穿电压；和CBOBVEBOBVCMP是极限参数14。CMI 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第23页 共 37 页LM311 的管脚图如图 4-4 所示：图 3-13 LM311 的管脚图这时，经测量，当输入为零的时候，输出也为零。这时因为在功率放大器电路中引入了负反馈15。3.73.7 测速发电机测速发电机测速元件是闭环控制系统中的关键元件。为了扩大调速范围，改善低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。对于模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机，它已被广泛应用于伺服系统中。直流测速发电机是能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号的机电装置。它对伺服系统的最重要的贡献是为控制系统提供转轴速度负反馈。尽管它存在由于空气隙和温度变化以及电刷的磨损而引起测速发电机输出斜率的改变等问题，但它还具有在宽广的范围内提供速度信号的能力等优点。因此直流测速发电机仍是伺服系统中的主要反馈元件。3.7.1 直流测速发电机的形式直流测速发电机，按照励磁方式划分，有两种型式：(1) 永磁式 其定子磁极由矫顽力较高的永久磁铁制作，没有励磁绕组。(2) 他励式 定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产生磁场。永磁式测速发电机结构简单，无需外励磁电源，使用便利。目前在伺服系统中应用较多的是永磁式测速发电机11。3.7.2 伺服系统对直流测速发电机的要求一般来说，伺服系统对控制元件的基本要求是：精度好、灵敏度高、可靠性好等。具体地说，直流测速发电机，在电气性能方面应满足以下几项要求：(1) 输出电压和转速的特性曲线呈线性，即线性度好。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第24页 共 37 页(2) 输出特性的斜率要大。(3) 温度变化对输出特性的影响要小。(4) 输出特性的对称性要一致。3.7.3 直流测速发电机的误差因素一台理想的测速发电机其输出电压应当与其转轴的角速度成正比例。事实上直流测速发电机的输出信号中，还包含有纹波分量或无用信号，通常被称之为测速发电机的噪声。它是由以下各种因素所引起：(1) 换向纹波 换向纹波是构成测速发电机噪声的主要部分，它由测速发电机电刷和换向器之间的相对运动引起的。(2) 电枢偏心 电枢偏心是产生噪音的第二个重要因素，它产生周期性的有害信号，其基波频率等于测速发电机的角频率。由于这一信号频率相对比较低，所以对系统是有害的。(3) 高频噪声 对噪声影响的第三个因素是高频噪声或称“白噪声” 。它是由许多因素引起的，最主要的是电磁感应。因为“白噪声”的信号频率较高，可以滤除掉，故对整个系统工作影响不大。作为系统设计师，在设计并构造系统时，是要选择适用的测速发电机，而并不是去制造测速发电机。为在实际中正确选择合适的测速发电机，必须了解影响其偏离理想状况的原因。3.83.8 位置测量元件位置测量元件位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是测量位移（角位移或线位移）并发出反馈信号，起着相当于人眼睛的作用。实践表明，一个设计完善的闭环伺服系统，其定位精度和加工、测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度伺服系统对测量元件的质量要求是相当高的。为适应高精度及大中型数控系统、机器人控制、工业控制、武器火力控制等领域的需要，必须有性能优良的测量元件与 PWM 系统配套。在伺服系统中广泛使用的位置测量元件有旋转变压器和同步机、轴角编码器。(1) 正余弦旋转变压器 亦称解算器成分解器的一般结构特点与微型交流电机相同。它由定子和转子组成，转子和定子均具有两个空间成 90 的绕组。若在一个定子绕组上施加交流参考电压，则当转子绕组与定子绕组平行时，在转子绕组内将产生最大的电压，当两绕组呈90 时，则输出电压为零。随着轴的转动，在一个转子 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第25页 共 37 页绕组内感应电压呈正弦波，而另一个转子线圈内感应电压成余弦波。当轴角固定时，旋转变压器的输出电压波形为正弦波，幅度大小与轴角的正弦或余弦有关。应当明确的是旋转变压器的输出信号仅仅引入了空间的相对唯一而不是时间上的相移。(2) 同步机 亦称自整角机，与旋转变压器在原理上是相似的。在伺服系统中常成对使用，以作为伺服机构的角误差检测器。同步机作角误差测量的角同步跟踪系统原理框图，它是利用与输入轴-输出轴之间的误差角成比例的感应电动势去控制伺服电动机的转动。这是同步机最典型的应用，也是伺服控制工程师熟知的12。(3) 轴角编码器 目前不少控制系统都是由计算机控制的系统。计算机输出的控制信号是数字信号，因此，在这种系统中也常用轴角编码器来做主反馈元件。轴角编码器测量电动机的转角位置，发出一个位置数字信号，直接回馈给计算机13。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第26页 共 37 页4 4 实验内容与问题的解决实验内容与问题的解决4.14.1 直流信号源与放大电路直流信号源与放大电路根据前述原理，连接好直流信号源电路和两极放大电路，接上 12V 的电源，利用万用表测量输出直流控制信号的值；同时调节电位器，使放大器的输出最高达到4V,这为后面的波形比较打下基础，同时也尽量扩大电机速度的调节范围。为了使输出幅值限制在4V，经过计算必须满足：VRRRRVVW424121121经过不断的试验和计算，取电阻 R =R =R=10K；则：121w 满足要求VKKVV410)101010(24121在试验过程中，连接好线路时，用万用表测量输出电压值，虽然不断调节变位器，但输出始终最多2V；之后经过仔细的检查，发现原来问题在于：两个运算放大器未接电源导致输出受到很大限制。这个疏忽给我留下了很深的印象，同时为以后的试验提供了经验。最终，在加上电源后，测量范围大了很多，足以满足设计要求14。 4.24.2 三角波发生器的调试三角波发生器的调试进行试验之前，首先需要选用三角波发生器中各个电阻、电容、稳压管的值。由于设计要求三角波输出幅值为5V，所以稳压管很明显选用稳压范围在 5V 左右的，因此选用的是 2CW53，稳压范围 4 5.8 V。对于电阻和电容的选用则是结合了以下公式（详见图 3.3）的推算和具体试验的调试。其中设计要求有：三角波发生器频率是 1500-2000，发生器的波形以零线对称，频率可调；可推出电容大小，并选ZH用两个 100K 的电位器，以方便调节到所需的频率和幅值，om21221Z1V) V ( RRRRRRvvNP 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第27页 共 37 页omTZVdtRVC212/04ZomVVCRT44 试验中出现的最大问题是，按初始状态推算的电阻值调节，借助示波器我们可以看到波形，不是理想的三角波，准确地说是锯齿波，既然采用的是三角波的电路就必须要解决这个问题。结合参考资料，在运算放大器 A3 输出端至反馈线前没选用任何阻值的电阻，于是尝试加上各个不同的电阻，看对锯齿波的影响，最后发现当加上 1K 的电阻时，锯齿波波形变成了需要的三角波。波形问题是解决了，但随之而来的问题是无论怎么调节电位器，三角波的输出幅值始终无法达到 5V，而锯齿波却可以达到。由于是幅值不能达到要求，而频率可以经过调节达到要求，根据设计原理，输出幅值和 R成正比，和 R成反比。因此，6112慢慢调换电阻使 R增大，同时调换 R使其阻值减小，最终达到了幅值要求。6112改进后的电路图如下图 4-1 所示。这个电路可以满足要求：三角波发生器频率是 1500，发生器的波形以零线对称，频率可调。ZH图 4-1 三角波发生电路实际线路图4.34.3 电压比较器的调试电压比较器的调试试验选用的是 LM393 电压比较器，其基本参数在前面已经介绍过了，如图 3-7 “比较器 LM393 在电路中的接法”所示。试验内容只需要将直流信号输出接到 LM393 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第28页 共 37 页电压比较器 2、5 端口，三角波信号接到 3、6 端口。借助示波器观察并记录 LM393电压比较器 1、7 端口输出所需的脉冲波形。由于直流控制信号与三角