欧阳剑飞变速箱测控毕业设计指导书.doc

欧阳剑飞变速箱测控毕业设计指导书 基于ARM的变速箱测控系统设计毕业设计指导书王祖麟1.研究的意义与目的随着市场经济的竞争，企业为了占有更多的市场份额就必须提高产品质量，降低产品价格，增强产品性能。 变速箱作为汽车等运输车辆的重要组成部件，在出厂前必须做出厂试验，如空载试验、加载试验等。 变速箱试验台就是用试验的方法测定传动装置的承载能力及其它有关性能的基本手段与设备。 目前，国内的大部分变速箱试验台都是用传统的测量仪来独立测试产品。 因此设计一种计算机控制的测控平台，不仅能控制试验过程并对各种参数进行自动采集、处理和打印，而且能自动进行试件失效判断及自动报警的操纵方便、功能齐全、自动化程度高、测试精度高、节能效果显著，智能化的变速箱试验台是具有重要意义的。 这样，不仅能够增加产品的出厂合格率，降低售后服务成本，为企业赢得声誉；而且能够提高生产效率，降低产品成本，增强国际市场竞争力。 本项目源于格特拉克传动器有限公司，是国际著名的汽车传动器生产厂家，因此项目的研究有较好的工程应用背景。 2.计算机控制技术的概述计算机控制技术在起步于50年代，80年代随着微处理器与功能的不断增强、价格急剧降低、计算机控制系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。 而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，由于仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了其本身的发展。 要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的计算机控制系统，完成现场自动化设备的控制与通信，实现底层现场设备之间、以及自动化与外界的信息交换。 因此可以把计算机技术的出现说成是标志着一个自动化新时代的开端。 由于计算机控制适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 可带动整个工业控制、楼宇自动化、仪表制造、工业控制、计算机软硬件等行业的技术、1产品的更新换代。 它的出现，为我国自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机遇，也提出了严峻的挑战。 3.变速箱试验台技术的简述与方案确定我国为数不多的单位开展大功率机械传动负载测试系统的研究以有多年历史，为工作需要根据各自条件，建立自己的试验台，进行不同的加载试验。 在这些试验台中，可试验较大功率的机械传动试验台大致有两类。 一类是能量消耗型机械传动试验台，另一类是能量回馈型机械传动试验台。 3.1能量消耗型机械传动试验台典型的能量消耗型机械传动试验台根据其加载方式有以下几种: (1)液压加载机械传动试验台，这种试验台的加载元件是液压泵，加载介质是液压油。 (2)涡流测功机加载机械传动试验台。 (3)发电机加载机械传动试验台。 图1能量消耗型试验台结构这三种方案都是由调速器向直流电动机供电;或由变频器向交流电动机供电来提供机械动力。 齿轮箱的负载由机械摩擦盘、电涡流测功机或发电机产生，其能量分别由摩擦盘、测功机或电阻消耗掉。 由此我们可以看出长期应用于大功率设备的试验，能量消耗惊人，导致试验费用高，技术经济性能差。 3.2典型的能量回馈型机械传动试验台典型的能量回馈型机械传动试验台根据回馈方式的不同有以下几种: (1)机械传动能量回馈型试验台，利用齿轮箱及传动轴将机械能量反馈到动力提供端。 这种方案优点是能量能够直接回馈，但是机械结构复杂传动效率低，能量损耗大，而且力矩不易控制。 (2)电机组交流电量输出、返回电网型试验台。 采用直流电动机+直流发电机+直流电动机+交流发电机方案，将作为机械负荷的交流发电机发出的电能反馈电网，实现能量回馈，节约电费开支。 但使用设备多，一次性投资大，特别是由于能量要返回电网进行并网发电，对电气设备运行的同步同相要求较高，导致电2气设备复杂，工作可靠性差。 (3)变频器交流电输出、返回电网型试验台，采用将变频器+交流电动机+发电机组发出电能反馈电网，实现能量回馈。 这种试验台结构比较简单，但是需要价格较高的直流电动机和变频器，而且工作可靠性较低，维护成本高。 (4)直流电输入、直流能量回馈型试验台，采用直流电动机+直流发电机，发出直流电回馈直流电动机。 这种试验台结构设计简单，直流电动机调速、调功性能优越，技术成熟。 但是采用直流发电机，维护不方便，价格昂贵。 从上述分析可知这些方案都不太理想，通过对实验设备和相关技术的仔细分析与研究，我们提出了一种直流电动机+交流发电机的可以实现能量回馈、力矩控制方便、投资少的系统设计方案，即“交流发电，直流能量回馈”方案。 4.总体方案设计本系统中，直流电动机拖动被测变速箱，输出速度、力矩等测试要求数据由人通过微机监控操作界面给定，之后微机控制系统自动控制试验台满足给定，同时进行实时监控。 被测变速箱的输出轴连接试验台变速器，将转速变换到合适的转速，此后带动交流发电机。 交流发电机此刻处于发电状态，则提供试验台变速器一个电磁力矩。 由微机控制系统根据所给定的试验力矩要求，实时对发电机励磁力矩进行控制，从而达到发电机提供的输出力矩恒定在要求值。 发电机所产生的电能可以回收利用，达到节能效果，有效地降低生产成本。 由于数字计算机具有记忆，高速运算和便于集中控制等优点，而且计算机程序具有灵活性，可以方便地组成和更换、修改控制算式，人机对话性好，故能构成模拟控制系统难以实现的复杂控制系统。 整个系统实行微机实时控制。 各种操作、给定、监控等均可通过微机监控人机对话界面完成。 操作员只需点击各个菜单，选择或输入相应数据，即可实现试验过程的自动控制。 而且可以随时切换各种控制、数据详细显示画面，随时得到系统运行中的各个控制状态和准确数据及曲线直观图。 并有打印、保存等功能。 系统总框图如图2所示。 4.1控制系统各主要部分 (1)主电机:输出功率，为系统提供源动力。 (2)调速柜将电机转速恒定在给定值处。 (3)传感器1及接口测量试验变速箱的输入转速、转矩、并将所测信号转换放大，送至微机控制部分。 (4)传感器2及接口测量试验变速箱的输出转速、转矩、并将所测信号转换放大，送至微机控制部分。 3 (5)微机控制部分根据现场检测的各种信号，以及操作员输入的给定值，进行运算处理，之后将处理结果送至励磁电流控制部分，则实现了控制励磁电流的大小最终达到控制复合转矩大小的目的。 图2控制系统总框架图速，以确保交流发电机工作在较佳状态。 (7)交流发电机:为试验变速箱提供负载转矩，同时产生电能,进行能量回馈给直流电动机。 (6)变速器通过选择适当的变速档，把试验变速箱输出转速变换为适当转 (8)励磁电流控制及接口从微机控制部分得到控制信号，将其转换成相应的发电机励磁电流，从而控制发电机的负载转矩。 (9)负荷切换在系统工作时接直流电机，进行能量回馈，给直流电机供电达到节能效果。 (10)平衡电抗器用以平衡三相整流桥整流输出电压间的相位差，并使电流连续。 5.微机控制部分设计微机控制部分可分为计算机和单片机两部分。 转矩、电流控制环均可由计算机及单片机软件编程实现，较之电路硬件实现有精确、稳定、灵活、低成本、高4效率等优点。 单片机从传感器得到采样信号，经过转换之后，由内部的实时控制软件对得到的信号数据进行处理，然后输出控制信号。 同时，计算机和单片机通过现场总线进行数据交换，计算机通过监控人机界面完成数据给定、显示、计算、统计、管理以及系统运行时的同步监控等功能。 图3微机控制部分框图在设计控制软、硬件时，考虑到实际情况，采用监控功能分离方法，在单片机部分设计了独立的控制功能和独立的输入/输出、显示功能，这些功能不依赖上级计算机，可与计算机分离。 当系统长时间运行时，可关闭计算机，完全可由单片机单独承担控制输入/输出的功能，对系统运行无任何影响。 这样设计，充分发挥了单片机适应长时间工作，控制速度快，实时性强等优点，而避开了计算机使用上的缺点，延长计算机的使用寿命，减少了计算机和单片机间的数据交换量，避免了可能的故障。 6.微机监控人机对话界面设计利用Windows下的Visual C+或C语言进行编程设计，主界面采用菜单式，各分项控制采用组件框架式结构，以便操作使用简单直观。 整个监控界面美观、直接、统 一、易用，有极强的人机对话性。 (1)数据输入采用控件选择和键盘输入两种方式相结合，控制命令则可直接点击菜单和控件选择实现。 (2)实时现场数据显示有列表、直观曲线等多种方式，精确且直接。 (3)有一定的数据分析和处理能力，并有数据打印、存储功能； (4)有各种越限报警保护功能及紧急故障自动处理能力；5 (5)自动/手动切换功能。 7.课题设计的难点 (1)系统闭环控制的理论分析与计算； (2)各控制部分的硬件设计； (3)有效控制算法与软件设计。 8.课题研究的进度xx年3月课题调研与开题xx年4-5月课题（项目）设计、实验与论文撰写xx年6月准备答辩。 参考文献1安学礼，22KW电封闭试验台控制系统的参数计算J，吉林工业大学学报，1989 （3）2崔亚光等，开放电功率流型机械传动试验台加载特性分析J，机械传动，1995 （2）3卫良保等，车辆试验台能耗式电加载测功J，水利电力机械，1997 （4）4蒋玉迪等，计算机集散监控下的机械封闭式试验台J，传动技术，1998 （4）5陆贵友，电加载机械传动实验台的设计J，吉林工业大学自然科学学报，1999 （3）6魏俊秀等，现场总线技术在控制系统中的应用J，沈阳化工学院学报，xx （2）7许江平等，机械传动系统多功能试验台的设计研究J，机电工程，xx （3）8罗玉涛等，电动车制动能量再生反馈控制研究J，机床与液压，xx （5）9C Alexopoulos,P MGriffin、Path Planningfor aMobile RobotJ、 1992、22 (2)、IEEE Transon SysMan andCybern、318-322。 10李尹.PID控制算法及其在风速控制中的应用.天津大学