机械毕业设计1563液压飞行模拟转台机械结构设计
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机械毕业设计1563液压飞行模拟转台机械结构设计,机械毕业设计论文
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1 液压飞行模拟转台机械结构设计 1. 绪论 1.1 选题的依据及意义 随着飞机和导弹的快速发展，要求其具有更高的性能和稳定性 ,这就要我们通过对他们的性能参数进行测量评估进而进行改进，但一架真正的飞机或一枚导弹的成本太高 ,我们不可能也没有必要用一架真正的飞机或导弹来进行实验采集数据 ,这就要求我们采用一些比较合理的实验装置来实现飞机或导弹的飞行状态，这样飞行模拟实验转台得以发展。该转台可以将重物放在其上面也可以用来对飞行员进行培训，因为它可以模拟飞机在空中飞行的各种姿态。该装置的出现既达到了对飞机或导弹性能参数 的采集，进而改进，在成本上远远低于一架飞机或导弹的价格，对飞机和导弹的发展具有不可估量的价值。 1.2 国内外研究概况及发展趋势 目前 ,大部分飞行模拟转台采用串联式机构 ,而本设计则采用并联式机械机构来实现的。采用并联机构其承载能力大 ,机构简单。本机构由上下两个工作平台 ,下平台固定在地面上 ,上平台用来放待实验的物品 ,在上下平台之间采用三个液压缸连接 ,通过液压缸上声高度的不同 ,来实现上平台的倾斜 ,而上平台可由电动机带动旋转从而达到模拟飞机在飞行过程中的各种状态。 飞行模拟器研制及应用被认为是飞行模拟技术发展的基 础性工程和关键环节，一直受到世界各国尤其是发达国家的高度重视。美国是世界上最早开展飞行模拟器研究和应用的国家，在技术和数量上一直居领先地位。据统计，美国的飞行模拟器研制和采办费用每年增长一倍，仅 1995 年 2000 年的费用就高达 36 亿美元。俄罗斯同样是世界上的飞行模拟大国和强国，他们的所有飞机都配备有相应的飞行模拟器，仅空中飞行模拟器就有 20 余种，其中包括先进的空地综合飞行模拟系统。值得提出的是，俄罗斯在飞行模拟器的基础理论研究，特别是人 -机工效学和飞行员建模与仿真等方面都名列前茅。英、德、法等国的飞行模拟 器研制及应用也始终处于世界先进行列。 我国在飞行模拟器研制及应用方面虽然起步比美、俄、英法等国较晚，但仍是世界上发展飞行模拟器较早的国家。于 20世纪 60年代开始使用射击练习器和仪表飞行练习器，并建立了研究用飞机控制系统模拟试验台、航空发动机模拟试验台。 20 世纪 80年代发展更快，先后研制成功了一系列研制用飞行模拟器和工程用飞行模拟器，并普及设计、制造和使用了各个机种的飞行模拟训练器。出此，我国还是世界上少数能够设计和建造空中飞行模拟器的国家之一，所以可堪称为“飞行模拟器大国”。 1 nts 2 2 机械结构与液 压传动系统设计 该液压飞行模拟实验转台由升降系统、传动系统和控制系统三部分组成，可以通过升降系统来实现上工作平台的倾斜角度、通过传动系统来实现上工作平台的旋转，从而达到模拟飞机或导弹在空中飞行时的各种姿态，而控制系统则用来控制升降系统中各个液压缸上升的高度和传动系统中的电动机的转速从而达到工作平台要求的工作角度和旋转速度。升降系统有液压式、气电式、气压式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。传动系统有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、螺纹传动、带轮传动，考虑到有冲 击则采用带轮传动，同时采用离合器从而减少对电动机的惯性冲击。 控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的飞行模拟实验转台仅有 3个液压缸和一个电动机，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机 MCS-51足以。所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。 该液压飞行模拟实验转台机械结构如图 2-1 所示。 2.1升降系统结构分析 升降系统有液压式、气电式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。该升降系统由三个液压缸组成。 我们所设计的 液压飞行模拟转台 的主要参数是总高约 1500mm，最大行程为400mm，最大载荷为 1t。因 液压飞行模拟转台 载荷较大，位置精度要求较高，故上升速度不宜过大，最大上升速度应控制在 50mm/min 以内。 2.1.1 液压缸结构 由于液压缸的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷，所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础上针对液压缸的使用特性进行调整其总体结构如图 2-2 所示。 为了实现工作平台的倾斜角度，液压缸的工作台与活塞杆应采用转动连接副相连。当液压缸工作时，液压缸的工作台自由转动，所以设计时 将活塞杆顶部插入球头，与工作台形成转动副。如图 2-3 所示。球头与活塞杆采用紧固螺钉固定。 由于光栅尺尺寸较长，只能 将活塞和活塞杆做成中空状来放置光栅传感器。这样活塞与活塞杆之间不宜采用螺母紧固， 方便起见，我们将活塞和活塞杆合为一体，材料同为 45号钢。工作时发光元件与光敏元件随活塞作同步运动，光栅尺下端固定在底盖上不动，光源与光栅尺的相对位移量通过读数头转化为数字信号传递给单片机。 nts 3 nts 4 图 2-2 液压缸总体结构图 图 2-3 液压缸的工作台与活塞之间的连接 由于液压缸的行程较长，达 400mm，当工作台旋转 一个角度去承载重物时容易产生较大的弯曲力矩使活塞杆折断。所以有必要设计一个支撑套进行保护。支撑套与油缸壁之间采用通孔螺钉紧固。 nts 5 由于光栅传感器放在液压缸内部，考虑到其信号线的连接问题，我们将油缸底盖与液压缸底座之间留有一定空间。为了方便装卸，不宜将底盖与油缸焊接。经过多方面的考虑，比较了多种方案后，采用了如图 2-4所示的方法固定底盖。图 2-4中液压缸底座处转有 4 个螺纹孔，用 4 个型号为 M16x44 的六角头螺栓将底盖顶起至油缸卡槽处。螺杆长度比实际所需的长 3 5mm，可通过增加垫片的方法达到使 4 个螺栓平均分配载 荷的目的。底盖上套有密封圈，防止漏油。液压缸底座与油缸通过 4个内六角螺钉紧固。在底座和油缸两侧各开一个通孔用于连接光栅传感器的信号线。 2.1.2 液压缸零部件分析 由于液压缸可能会在比较恶劣的条件下使用，而且在装载和卸载重物时，可能会因操作不当而对千斤顶底座造成较大冲击，导致整个系统遭到破坏。所以底座采用具有较高强度和韧性的球墨铸铁 QT600。 图 2-4 液压缸底盖的固定方式 油缸是液压系统的主要零件，它与底座、底盖、油口、导向套等零件构成密封的容器，用于容纳压力油液，同时还是活塞的运动轨道。所以设 计油缸时，应该正确的确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性nts 6 和耐用性。 对油缸材料的可选空间很大，对其进行筛选需要有足够的耐心。对油缸的要求：1要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态压力而不致产生永久变形；2要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不致产生弯曲； 3内表面与活塞密封件及导向套的摩擦作用下 ，能长期工作而磨损很少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性； 4最好还需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的时候不致产生裂纹或过大变形。 4最后我们选定各方面性能良好的 45号钢。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，现在国内市场上已有内孔经珩磨或内孔精加工的无缝钢管卖，只需按所要求的长度切割即可。 本次设计虽然活塞与活塞杆采用了一体式设计，采用相同的材料，但对他们的工艺要求很不相同，所以分开来介绍。 由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不 能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞材料我们选用的是 45号钢。活塞外径的配合一般采用 f9的公差等级，外径对内孔的同轴度公差不大于 0.02mm，端面与轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，内孔的工作表面粗糙度 Ra值选用 0.16 m。 活塞杆要在导向套中滑动，一般采用 H8/f7 的配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起 卡滞现象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴径与外圆的同轴度公差不大于 0.01mm，是为了保证活塞缸外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，以保证活塞安装不产生歪斜。 活塞杆的外圆粗糙度 Ra值取 0.16 m。太光滑了，表面无法形成油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚 0.030.05mm，并进行抛光或磨削加工。 活塞杆导向套装在缸筒和支撑套 的内侧，被限制在缸筒和支撑套的卡槽之内，但不固定死。用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒的密封。上方装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。如图 2-5所示： 导向套的材料我们选用的是摩擦系数较小、耐磨性好的青铜 ZQSn-1。导向套外nts 7 圆与缸筒内孔工作表面的配合多为 H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合也可采用 H8/f7。外圆与内孔的同轴度公差不大于 0.03mm，圆度和圆柱度公差 0.05mm。 本次设计中所有的密封装置都采用的是 O型密封圈。 O型密封圈在往复运动过程中 ，除了自密封作用外，由于压力的作用和液体分子与金属表面相互作用的结果，又业中所含的“极性分子”便在金属便表面形成一个坚固的边界层油膜，且对轴产生很大的附着力。该油膜始终存在于密封件与往复运动轴之间，从泄露的角度看，这是有害的，长时间的使用后会造成油液的泄露；但它对运动密封面的再润滑却起到异常重要的作用。所用材料是橡胶。符合 GB3452.1-82的标准。 4 图 2-5 导向套的设计 液压缸底座与油缸之间的连接、光栅尺密封层与活塞之间的连接还有支撑套与油缸壁之间的连接件采用的都是沉头内六角螺钉。符合 GB70-85的标准。工作台与盖板之间的连接和对油缸底盖的顶升都采用了六角头螺栓，并符合 GB5783-86的标准。 2.1.3 油缸的壁厚校验 油缸的额定压力 Pn应低于一定极限： 21221sn D )D-D(35.0P （ 2-1） 4 式中： Pn额定工作压力； D1油缸外径，本次为 116mm； D油缸内径，本次为 86mm； nts 8 S油缸材料屈服强度。 油缸的材料为 45 号钢，查表可得 S=360MPa； 由此可知上式 右边 =50.745 MPa 液压缸最大工作载荷 为 1t，面积为 4757.1mm2 MP745.50MP102.2)D-D( w4swP aa221m a xm a xn = (2-2)4 其中： Wmax为最大工作载荷，本次为 10000N。 经校验，油缸壁所受压力在许可范围之内。 2.2 传动系统结构分析与计算 传动系统是由电动机提供动力，为了防止在启动和关闭是电动机受到冲击，在电动机与轴连接处采用离合器，然后通过皮带轮将动力传到工作台带动工作台旋转，从而达到模拟飞行的转动。由于工作时平台上将放重物为了减少轴承所承受的稠向力 ,所以在工作台下用滚球与支撑台接触 ,既减少了对 轴承的力而且采用滚珠是滚动摩檫使得摩檫力不是很大从而所需要的转距不大。该系统由电动机、离合器、皮带轮以及轴和轴承组成。其结构图如图 2-6所示。 图 2-6传动机构图 2.2.1 电动机的选择 电动机是已经系列化了的标准产品。在设计中，主要根据所需电动机的输出功率、nts 9 工作条件及经济要求，从产品目录中选择其类型、结构形式、容量（功率）和转速、并确定其型号。 （ 1）电动机类型的选择 因为三相交流异步电动机（特别是鼠笼式感应电动机）具有结构简单，工作可靠，价格便宜和维护方便等优点，所以应用广泛。尤其在中小功率，无须 调速而又长期带动稳定或变动载荷的设备中用得较多。 在选择电动机的类型时，主要考虑的是：静载荷或惯性载荷的大小，工作机械长期连续工作还是重复短时工作，工作环境是否多灰尘或水土飞溅等方面。 对于一般用途，无特殊要求的工作机械（如机床，鼓风机，水泵等）通常选用J2 或 JO2 型电动机。对于灰尘较多或水土飞溅的地方（如磨粉机，碾米机，农用机械，矿山机械等）则必须选用 JO2 型封闭自冷式电动机。 对于起动载荷或惯性载荷较大的机械（如连续运输机械，压缩机，锤击机，柱塞式泵等），则宜选用 JO3 或 JO2 型电动机。 对于各种型式的 起重机，牵引机和冶金机械设备等，必须选用 JZ， JZR 型起重及冶金用三相异步电动机。 （ 2）电动机转速的选择 同一功率的异步电动机有每分钟转速为 3000、 1500、 1000、 750 的几种。当工作机械（如鼓风机，压缩机等）转速较高时，一般选用同步转速为 3000 转 /分的电动机较为经济。如果工作机械的转速太低（即传动装置的总传动比太大），将导致传动装置机构复杂，价格较高，所以需要全面考虑。 在一般机械中 1500 和 1000 转 /分的电动机用得最多。它们适应性大，供应普遍。同步转速为 750 转 /分的电动机，只有要求低转速， 在功率较大，起动次数频繁等情况下才使用。 （ 3）电动机功率的选择 电动机功率的选择与电动机本身发热，载荷大小，工作时间的长短有关，因此应根据不同的工作情况考虑。对于长期连续工作，载荷稳定或很少变化的工作机械，一般应根据电动机的额定功率约大于所需功率 10%来选择电动机。 可以通过以下几种方法确定电动机的功率： 1. 可以在测定和估算出工作机构的有用功率，查表得到有关机械传动的效率之后，运用公式计算 2. 看看功率相仿的同类型机械所用的电动机，进行类比选择。 nts 10 3. 假如根据同类机器进行仿造，需要重新考虑电动机功率，则可先用钳型电 流表测定机器的满载电流，然后按“ 2.5 安约需 1 千瓦”的经验数据估算出来。 5 （ 4）电动机的计算和具体选择 由于工作台最大载荷为 1t,约为 10000N。由 f=u*F,T=f*L（ 2-3） 5 式中： f-摩檫力 ,单位 N; u-摩檫系数 ,单位 1; F-物体重力 ,单位 N; T-扭距 ,单位 N m; L-力臂长度 ,单位 m。 在额定状态下运行时有：n P55.9T =式中 :n-转速 ,单位 r/min。可估算出 P 1.2kW 考虑到 V带传动 、 离合器和设计余量取该电动机的额定功率 P为 1.5kw。据以上计算所得电动机参数以及考虑到电机工作的环境选择砂轮电动机的型号为： Y100L-6。其功率为 1.5kw，同步转速为 1000r/min，满载转速为 9400r/min、电流 3.97A、效率 77.5%、功率因数（ cos） 0.74， 堵转电流为额定电流的 6倍，堵转转矩为额定转矩的 2倍 。 5Y2系例三相异步电动机完全封闭， 外扇冷式、鼠笼型结构。具有设计新颖、造型美观、噪声低、效率和转矩较高、起动性能好 、结构紧凑、使用维护方便等优点。整机采用F级绝缘，且按国际惯例的绝缘结构评定方法设计，从而大大提高了整机安全可靠性。 2.2.2 计算各轴的转距及 尺寸设计与校核 2.2.2.1轴转距计算 取轴的离合器的传动效率为 0.99 1轴： kw458.199.05.1pp 1 = （ 2-4）mN09.15940 99.05.19550T 1 = （ 2-5）6 2轴： kw411.195.099.05.1pp 12 = m.N17.71880 95.099.05.19550T 2 = 由于设计的方案中，与轴进行装配的零件只有离合器，重量都比较轻，故所受的弯矩很小，可以忽略不计。因此下面将主要校核轴径尺寸、轴的刚度以及轴的扭转变形。 nts 11 2.2.2.2轴尺寸设计 根据轴的扭转强度条件为： d2.0 np9550000WTT3tT =（ 2-6） 6 其中： T 为扭转切应力，单位为 Mpa T 为轴所受的扭矩，单位为 N.mm tw为轴的抗扭截面系数，单位为 3mm n 为轴的转速，单位为 r/min p为轴传递的功率，单位为 kw d 为计算截面处的直径，单位为 mm 由上式可得的直径 6 3033 T3 T nPAnP2.09 5 5 0 0 0 0n.2.0 p9 5 5 0 0 0 0d =其中 3 T0 2.09550000A =根据所选轴的材料为 45号钢，查表 15 3，取 1100 =A6 则对于 1轴： mm76.1294099.05.1110d 3 = 所以取与离合器配合段的轴径为 50mm， 则另一端安装皮带轮处的直径为 40mm。 对于 2轴： mm9.9188095.099.05.1110d 3 =初 所以取与皮带轮配合段的轴径为 45mm， 则另一端安装工作台处的直径为 60mm并采用花键形式。 2.2.2.3 校核各轴的扭转刚度 根据下面公式进行校荷各轴 tmaxmax wT = （ 2-7）6 nts 12 设计时，各轴选材都为 45号钢，其 MPaT 4525 = ，在这里取 30mpa，由于各轴的结构形式基本相同，故它们的扭距图也相同。如下图 2-7所示： 图 2-7 各轴的扭矩示意图 对于 1轴 : M P a30M P a20.1)1040(1601.1516D01.15wT33-3tm axm ax = nts 16 式中 : 1 -包角 ,单位度。 所以主动轮上的包角合适。 （ 6） 计算窄 V带的根数 z6 la00ca kk)pp( pz += (2-15) 式中 : Ka-包角系数，单位 1； KL-长度系数 , 单位 1； P0-单根皮带的基本额定功率 ,单位 kW； 0p-额定功率增量 ,单位 kW Z-皮带根数。 由 min/r940n 1 = mm100d 2d = i=2 ，查表 8 5a和表 8 5b得 kw42.1p 0 = kw19.0p 0 = 查表 8 8 得： 96.0ka = 查表 8 2 得： 93.0kl = 则： 2.193.096.0)19.042.1( 5.1z =+=故取 z = 2 根。 （ 7） 计算预紧力0F6 2aca0 qv)1-k 5.2(vzp500F += (2-16) 式中 :F0-预紧力 ,单位 N； v-线速度 ,单位 m/s； q-V带单位长度质量 ,单位 Kg/m。 查表 8 4得： q = 0.10kg/m， 故 N81.7084.910.0)1-96.0 5.2(284.9 5.1500F 20 =+= （ 8） 计算作用在轴上的压轴力pF6 N86.2802 14.165s i n81.70222s i nzF2F 10P = （ 2-17） （ 9） 带轮的结构设计见零件如图 2-8所示。 nts 17 图 2-8 大皮带轮结构图 2.3 液压系统分析 2.3.1 液压系统 液压系统的主要功能是为液压缸提供动力，通过换向装置使液压缸具有上升和下降的功 能。为转台的正常工作提供保证和保护措施。 由于该液压系统采用单片机控制，并配有光栅位移传感器来液压缸的位移量，所以可通过单片机控制进油口的流量和活塞的运动速度。这样在一般液压系统中常用到的节流阀、调速阀、背压阀、减压阀等元器件可不必使用到，液压回路得到极大的简化。 在液压油路的进油端设置一个溢流阀，给液压系统提供双重保护。在回油端设置一滤油器，保证油液清洁，可提高使用寿命。使用二位四通的电磁换向阀改变油路方向。为使液压缸的运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，我们在油缸的下腔进油口处安装一个平衡阀，该阀不但 能保证千斤顶升降时都处于进油调速状态，同时还具有单向阀的功能，所以无论是停电还是破管时，平衡阀均能无泄漏的立即将下腔封闭，保证工件不会自由下滑。使液压缸在停电状态仍能可靠承载。 综合上述观点，我们将液压原理图设计如图 2-9 所示。 如图 2-9 所示，二位四通电磁换向阀的电磁铁的工作状态是由单片机控制的，当换向阀电磁铁通电时，换向阀左位接入系统，油液经电磁换向阀和平衡阀进入油缸下腔，使得千斤顶上升，再从油缸上腔流出，经电磁换向阀和滤油器流回到油箱内，这时平衡阀的作用相当于一个单向阀；反之，当换向阀电磁铁断电时，换 向阀右位接入系统，油液经换向阀流入油缸上腔，当上腔压力达到一定值时，平衡阀上位接入系统，这时平衡阀的作用相当于一个节流阀，油液从油缸下腔流出，经平衡阀、电磁换向阀和滤油器流回到油箱。从而实现了液压缸升降换向功能，并具有过载保护和断电保护nts 18 的功能。 图 2-9液压缸升降系统液压原理图 2.3.2 液压泵与电动机的选择 为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的 80%左右。正常工作时液压缸的最大压力为 2.102MPa。所以为满足要求，泵的工作压力为： （ 10） p=2.102/0.8=2.63 MPa4 液压缸的最大运动速度为 60mm/min，液压缸的有效面积为 4757.1mm2。所以液压泵向液压缸提供的最大流量为： （ 11） q=4757.1x60/1000000=0.285L/min4 若回路中的泄漏按液压缸输入流量的 10%估计，则液压泵的总流量为 Q=0.285x1.1=0.314L/min。 （ 12） 根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最终确定所选液压泵的型号为7631-R0.61。 4这种液压泵的额定工作压力为 40MPa，流量为 0.61L/min，完全符合工作要求。 液压缸的 最大工作载荷为 1t，即 10000N，运动速度为 60mm/min，即 0.001m/s。按液压泵的总效率为 0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为： P=10000x0.001/0.75=0.0.013kW nts 19 根据此数据查阅电动机产品目录选用功率大于 0.013kW的电动机。 （ 13） 最后我们综合考虑了液压泵、电动机、液压回路等因素后，选用 BZ40-0.61型超高压油泵站。这个油泵站的外形尺寸（ mm）为 650x370x765，主要部件包含有 1 个 HAWE公司生产的 7631-R0.61液压泵、 1个二位四通的电磁换向阀与溢流 阀组件，一个 ABB 公司生产的 M2QA 90L4A 型电动机、两根 63MPa高压软管和两个软管接头。液压泵的额定压力为 40Mpa，流量为 0.61L/min，电动机的功率为 1.5kW，所采用的工作介质是 Y-N32 型抗磨液压油，储油量为 45L。这种液压油需要经过过滤精度为 0.5 m过滤后才能使用，这样可提高同步系统的可靠性并延长泵站使用寿命。 4 选用这个超高压的原因是站内设有溢流阀和二位四通电磁换向阀组件，具有电动控制部分，使油泵站具备操作简单、使用方便、安全可靠的优点。 nts 20 3 . 单片机控制系统设计 该液压飞行模拟实验转台的控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的飞行模拟实验转台仅有 3个液压缸和一个电动机，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机 MCS-51足以。所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。 将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块： 图 3-1 单片机模块图 3.1 单片机的选用及功能介绍 MCS-51系列单片机是美国 INTEL公司在 1980年推出的 8位单 片微型计算机。其典型产品有 8031、 8051 和 8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。在此我们选用了较为常用的 8051 芯片。其引脚示意图如图3.1-1 所示： MCS-51 系列单片机由微处理器、存储器、定时器 /计数器、串行和并行的 I/O接口、中断系统合振荡器构成。 8051的 P0.0 P0.7这 8根引脚采用分时复用的方法作低 8位地址线与双向 8位数据线； P2.0 P2.4 这 5 根引脚在访问片外存储器或扩展 I/O 接口时，提供高位地址； P2.5 P2.7和 P1.0 这 4根引脚接 2片 74LS138译码器，产生片选信号；引脚 ALE接地址锁存器 74LS373、 8155、 8279 和 SA4828 的使能端； EA/VPP端因不访问片内存储器而接地； X1、 X2 接 6MHz的晶振； RESET 端接重启电路。 8 3.2 片外存储器功能简介 片外存储器扩展包括程序存储器（ ROM）扩展和数据存储器（ RAM）扩展。 MCS-51系列单片机具有 64KB的程序存储空间，其中 8051、 8071 片内有 4KB的程序存储器， 8031片内无程序存储器。当采用 8051、 8071型单片机而程序超过 4KB，或采用 8031单片机时，就需 对程序存储器进行外部扩展。 外部程序存储器的扩展原理如图 3-2所示： 2 显示部分 逆变电路 单 片 机 位移和转速检测电路 片外存储器 键盘部分 光电隔离 驱动电路 电动机 nts 21 图 3-2 外部程序存储器扩展原理图 外部程序存储器可选用 EPROM、 E2PROM、 PAGED EPROM和 KEPROM 等。紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM，典型产品有 Intel 公司的系列芯片 2716（ 2Kx8位 ） 、2732A（ 4Kx8位 ） 、 2764A（ 8Kx8位 ） 、 27128A（ 16Kx8位 ） 、 27256（ 32Kx8位 ） 和27512（ 64Kx8位 ） 等 ， 在 这些芯片上均设有一个玻璃口 ， 在紫外线下照射 20分钟左右 ， 存储中的各位信息均变为 1。以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。 Intel 2764是 8Kx8位的 E2PROM，单一 +5V 供电，最大工作电流为 140mA，维持电流 60 mA。由于片内编程所需要的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。 8031单片机内部仅有 128个字节 RAM存储器，而 CPU对内部的 RAM具有丰富的操作指令。如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的 RAM是远远不够的，因此必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态 RAM和动态 RAM两种。以下为静态 RAM与 MCS-51的接口 外部数据存储器的扩展方法如图 3-3所示： 2 图 3-3 外部数据存储器的扩展原理图 P0 口 EA ALE P2 口 PSEN 数据输出 锁存器 数据输入 指令 EPROM OE P0 口 ALE P2 口 WR RD D0 D7地址 RAM CE WE OE 锁存器 译 码 nts 22 6264 是 8Kx8 位的静态随机存储芯片，采用 CMOS 工艺制造，单一 +5V 供电，额定功率 200mW，典型存储时间 200ns，为 28 线双列直插式封装。 6264 的 A0 A12这 13条地址线与锁存器的输出及 P2 口对应线相连， 6264 的 D0 D7这 8 条数据线与 8031的 P0口对应相连， 6264的 OE 和 WE 与 8031 的 RD 和 WR 对应， CS0接高电平。 8 按照这种片选方式， 6264 的 8KB 地址范围不唯一， 6000H 7FFFH 是一种地址范围。当向该片 6000H 单元写有个数据 DATA时，可用如下指令： MOV A， #DATA MOV DPTA， #6000H MOVX DPTR， A 从 7FFFH单元读一个数据时，可用如下指令： MOV DPTR， #7FFFH MOVX A， DPTR 上面讨论的是 8031 扩展一片 EPROM 或 RAM 的方法。在实际应用中，可能需要扩展多片 EPROM或 RAM。本次设计要扩展 8Kx8 位的 EPROM和 8Kx8位的 RAM各 3片。当CPU通过指令 MOVC A， A+DPTR发出读 EPROM 操作时， P2、 P0发出的地址信号应能选择其中一片的一个存储单元，即 8 片 2764 不应该同时被选中，这就是所谓的片选。我们采用了地址法译码，译码芯片为 2片 74LS138。总共可提供 16个片选信号。 3.3 显示与键盘部分设计 显示设备 有 CRT、 LCD、 LED等，我们选用的是功能简单的 LED数码管显示器。 LED显示器由 7 条发光二极管组成显示字段，有的还带有小数点 dp。将 7段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。 LED要正常工作需要通过 I/O接口芯片 8155与 8051相连。 8155芯片内具有 256个字节的 RAM，两个 8位、一个 6位的可编程 I/O和一个14位计数器，与 MCS-51接口简单，是单片机应用系统中使用最广泛的芯片。 8 8155可以和 MCS-51直接相连。 8155的 RAM和各端口 地址如下： RAM的地址： 000H 00FFH 命令口： 0200H A口： 0201H B口： 0202H C口： 0203H nts 23 定时器低位： 0204H 定时器高位： 0205H 设 8051RAM中有 6个显示缓冲单元 79H 7EH，分别存放 6位显示器的显示数据。8155的 A口扫描输出总有一位为高电平， 8155 的 B口输出相应位的显示数据的段数据，使每一位显示出一个字符，其余位为暗，依次改变 A口输出的饿高电平位及 B口输出对应的段数据， 6位显示器就显示出缓冲器的显示字符。程序清单如下： DIR： MOV R0， #79H ；显示缓冲区首址送 R0 MOV R3， #01H ；使显示器最右边位亮 MOV A， R3 LD0： MOV DPTR， #0101H ；扫描值送入 PA口 MOVX DPTR， A INC DPTR ；指向 PB口 MOV A， R0 ；取显示数据 MOV A， #12H ；加上偏移量 MOVX A， A+PC ；取出字形 MOVX DPTR， A ；送出显示 ACALL DL1 ；延时 INC R0 ；缓冲区地址加 1 MOV A， R3 ； JB ACC.5， LD1 ；扫到第 6个显示位了吗？ RL A ；没有， R3左环移一位，扫描下一个显示位 MOV R3， A AJMP LD0 LD1： RET DSEG： DB 3FH， 06H， 5BH， 4FH， 66H， 6DH ；显示段码表 DSEG1： DB 7DH， 07H， 7FH， 6FH， 77H， 7CH DSEG2： DB 39H， 5EH， 79H， 71H， 73H， 3EH DSEG3： DB 31H， 61H， 1CH， 23H， 40H， 03H DSEG4： DB 18H， 00H， 00H， 00H DL1： MOV R7， #02H ；延时子程序 DL： MOV R6， #0FFH nts 24 DL6： DJNZ R6， DL6 DJNZ R7， DL RET 键盘共设有 32 个键，由 4条行线 8条列线组成开关矩阵。对于开关矩阵的接法大多数单片机的入门教科书上大多是采用 8155 作为键盘 I/O的接口芯片，但 8155芯片不具备中断请求输出端，于是不得不采用键盘扫描程序不断的检测是否有按键被使用，这样就给单片机造成了很大的运算负担，运算量较大时有可能造成系统无法响应，所以我们在这里选用了专门用于键盘连接的 8279芯片。 8279采用单一 5V 电源供电， 40脚封装。 3.4 交流异步电动机变频调速系统 交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛应用。与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终第一位。 然而，长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。直到 20世纪 70年代，由于计算机的产生，以及近 20 年来新型快速的电力电子原件的出现，才使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速的普及。 9目前，交流异步电动机调速系统已广泛用于数控机床、风机、泵类、传 带机、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。因此，交流异步电动机调速技术是现代自动控制专业技术人员必须要掌握的知识。现代流行的交流异步电动机调速控制方法是变频变压法（ VVVF）。这种调速方法的原理比较简单，而且有 20 多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，市场上也有较多的相关产品。 3.4.1 交流异步电动机变频调速原理 根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由式 (3-1)表示： s)-1(pf60n = (3-1)9 式中 : n-电动机转速 p-电动机磁极对数 f-电源频率 s-转差率 由上式可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 p、转差率 s和电源nts 25 频率 f。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。 3.4.2 主电路和逆变电路工作原理 变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通 常采用交 -直 -交方式，即先将交流电转变成直流电（整流、滤波），再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。图 3-42是主电路的原理图，它是变频器常用的最基本的格式。 图 3-4 电压型交 -直 -交变频调速主电路 （ 1） .主电路中各元件的功能 主电路中各元件的功能如下。 交 -直电路 整流管 D1 D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压 U=1.35 x 380V = 513V2 滤波电容 Cr滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时，瞬时冲击电流较大， 为了保护电路元件，加限流电阻 Ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关 JK闭合，将限流电阻短路。 电源指示灯 LP除了指示电源通断外，还可以在电源断开时，作为滤波电容 Cr放电通路和指示。滤波电容 Cr容量通常很大；所以放电的时间较长（数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时要等指示灯熄灭后进行。 Rc是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流耗在电阻 Rc上。制动时，通过控制电 路使开关管 Tc导通，nts 26 形成放电通路。 直 -交电路 2 逆变开关管 T1 T6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 IGBT、功率效应管 MOSFET。 续流二极管 D7 D12的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变将为 0，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二级管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二级管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。 电阻 R1 R6、电容 C1 C6、二极管 D13 D18组成 缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 Ic和集电极与发射极间电压 VCE的冲击，如图所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时， VCE迅速升高，Ic迅速降低，过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（ C1 C6）来减少电压增长率；当逆变开关管开通时， VCE 迅速降低，而Ic则迅速升高，并联在逆变开光管两端的电容（ C1 C6)由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流 Ic的增长率，造成逆变开光管的损坏。所以增加电阻（ R1R6），限制电容 的放电电流。可是当逆变开光管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。为了解决这个矛盾，在电子两端并联二极管（ D13 D18），使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电子放电，实现缓冲功能。 （ 2） 三相逆变桥的工作原理 三相逆变桥的电路简图如图 3-5（ a） 9所示，图中 R、 Y、 B为逆变桥的输出。图3-5（ b） 9是各逆变管导通的时序，其中深色部分表示逆变导管。图 3-5（ b）可以看出，每一时刻总能有 3只逆变管导通，另 3 只逆变管关断；并且 T1 与 T4、 T2与 T5、T3与 T6每对逆变管不能同时导通。 在 t1时间段 ,T1、 T3、 T5这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 R到 Y和从 B到 Y（设从 R 到 Y、从 Y到 B、从 B到 R为正方向），得到线电压为 URY和 -UYB。 在 t2时间段， T1、 T5、 T6这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 R到 Y和从 R到 B，得到的线电压为 URY和 -UBR。 在 t3时间段， T1、 T2、 T6这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 R到 B和从 Y到 B，得到的线电压为 -UBR和 UYB。 在 t4时间段， T2、 T4、 T6这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 Y到 R和从 Y到 B，得到的线电压为 -URY和 UYB。 9 nts 27 图 3-5 电路简图和逆变管通断时序 在 t5时间段， T2、 T3、 T4这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 Y到 R和从 B到 R，得到的线电压为 -URY和 UBR。 在 t6时间段， T3、 T4、 T5这 3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 B到 R和从 B到 Y，得到的线电压为 UBR和 -UYB。 线电压 URY、 UYB、 UBR的波形见图 3-69。从图中可以看出，三者之间互差 120，它们的幅值是 U。 图 3-6 逆变输出线电压波形 因此，只要按图的规律控制 6只逆变管的导通和关断 ，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而绝、形波三相交流电的频率可在逆变是受到控制。 然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果。为了使输出的波形接近正弦波，可采用正弦脉宽调制波。 3.4.3 变频与变压 nts 28 由前面的叙述可知改变电源频率可达到改变电动机转速的目的，但实际上当交流异步电动机进行变频调速时，必定会造成通过电动机铁芯的磁通量的改变。由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时与达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和， 造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。 为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使 E / f = K = 常数 这就要求，当电动机改变电源频率 f时， E与应该作相应的变化，来维持它们的比值不变。由于阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压 U很小，可略去。则： U E 这就说明可以通过调节电压 U，使其跟随频率 f的变化的方法达到使磁通恒定不变的目的，从而调整电动机的转速。 怎样实现变频的同时也变压？我们采用的方法是脉宽调制（ PWM）。将图 3-6所示的一个周期的输出波形用一组等宽脉冲波来表示，如图 3-710所示。 图 3-7含有等宽载波的脉宽调制波形 如图 3-8所示，买个脉冲的宽度为 t1,相邻脉冲的间隔为 t2， t1+t2=Tz(脉冲周期 )。则等宽脉冲的占空比为 =t1/（ t1+t2） 调节占空比，就可以调节输出的平均电压；调节 PWM波的频率 1/T，就可以改变电源频率，实现调速。通过控制电路，可以容易的实现对脉冲波的占空比和 PWM波的频率分别进行调整。 10 但是， 虽然实现了变频与变压，可是逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波，而不是正弦波，仍然存在许多高次谐波的成分，因此还要进行改变。 一种方法是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦波的变化规律，如图所示。我们把这样的波称为正弦脉宽调制波，简称 SPWM波。 SPWMnts 29 波大大地减少了谐波成分，可以得到基本满意的效果。 产生正弦脉宽调制波 SPWM的方法是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图所示，其相等的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。 图 3-8 SPWM 波形生成方法 将这 组等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和扶植时刻控制的，如图 3-811所示，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。 11 3.4.4 电动机与单片机的接口 在调制波的频率、幅值和载波的频率这 3项参数中，不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。显然，单片机的计算能力和速度不足以胜任这项
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