汽车轮胎压力控制系统及汽车曲轴油孔加工设备的电气设计-毕业设计论文

计算机控制系统设计性实验报告学生姓名:学号：学院:自动化工程学院班级自动题目汽车轮胎压力控制系统目录1.选题背景 12.方案论证（设计理念） 22.1间接式汽车轮胎压力控制系统 22.2直接式汽车轮胎压力控制系统 22.2.1主动式TPMS 42.2.2被动式TPMS 42.3复合式ＴＰＭＳ 43.过程论述 53.1TPMS工作原理 53.2TPMS的总体结构 53.3TPMS硬件设计 63.3.1传感器 63.3.2微控制处理器与无线发射芯片ATAR862-3 63.3.3轮胎模块电源 73.3.4无线射频接收芯片 73.3.5无线接收处理系统电路设计 73.3.6接收模块电源 83.3.7显示报警单元 83.4TPMS软件设计 103.4.1轮胎发射系统的软件设计 103.4.2轮胎各项数据的读取程序设计 113.4.3通信协议 133.4.4轮胎模块发射程序流程 133.5轮胎模块接收程序流程 133.5.1无线信号接收程序设计 133.5.2接收数据处理程序设计 143-10数据处理流程图 143.5.3显示报警程序设计 144.TPMS系统的抗干扰设计 154.1系统的干扰现象分析 154.2硬件抗干扰设计 164.3系统软件的抗干扰设计 165.结果分析 176.结论 177.设计心得体会 18显示模块选题背景显示模块报警模块信号处理模块图1-1系统组成框图信号接收模块报警模块信号处理模块图1-1系统组成框图信号接收模块汽车轮胎是汽车的重要组成部件之一,与汽车行驶的安全性!经济性有重要的关系"而轮胎的压力和温度又是轮胎运行中的重要参数,随时保持在正确的胎压下行驶,对驾驶者的人身安全及提高轮胎的使用寿命是非常重要的"图l一1轮胎气压与使用寿命关系图轮胎的可用行驶里程与轮胎气压有密切的关系,如图1一1所示,统计表明当轮胎气压偏离标准值25%时,轮胎使用寿命将缩短巧%一20%。当汽车重载时,这一情况更为严重。轮胎的充气度将直接影响汽车的经济性!操纵性!稳定性和舒适性。轮胎的充气度将直接影响汽车的经济性!操纵性!稳定性和舒适性。轮胎充气不足将加大轮胎变形,加速轮胎磨损,增大车轮滚动摩擦阻力,从而耗油增加。汽车在高速状态下行驶时,胎压低于下限值,轮胎将因急剧升温而导致脱层,为爆胎埋下隐患。轮胎压力过高则将减小轮胎与地面的的接触面,轮胎局部压力增大,磨损加剧,减小附着力,汽车操纵性下降,高速行驶时遇障碍物易发生爆胎。据统计,在中国高速公路上有70%车祸是由于爆胎引起的,在美国这一系数高达80%。故一个可以实时!准确地显示轮胎压力、温度等信息的汽车轮胎压力监测系统(TPMs)显得十分必要。2000年n月1号美国总统克林顿批准签署了国会关于修改联邦运输法的提案,要求2003年12月31号后所有的新车都需把“轮胎压力检测装置”作为标准配置。随着美国安全法案的推出必将导致胎压检测发展的新一轮浪潮。其实汽车轮胎压力监测系统已有多年历史,期间还出现了可以根据路况自动调节轮胎压力的控制装置,但由于技术与成本问题没有得到推广。目前,丁PMS所应用的测量压力方法主要有直接测量压力法与间接测量压力法。间接测量压力法是基于ABS系统的,基本原理是利用ABS检测的轮子转速信号,通过计算各车轮转速差达到检测车轮直径变化的目的,间接判断压力异常与否。间接法的缺点是误差大,并且只有当轮子转速达到一定差值之后才能实现功能。本文要介绍的是直接测量压力法,此方法直接得到压力等数据"随着集成电路的发展和微处理器的广泛应用,此方法成本也将不断降低。但由于系统下位机是安装在轮毅上的,它只能由电池供电,故要求小体积与低功耗的特性,这也是本课题研究重点之一。目前,很多高档轿车安装有直接式胎压检测系统,例如AudiASQuattor及奔驰的S级轿车。在国内TPMS也是大势所趋,所以可以说这个项目是具有很高的工业应用价值和很广阔的市场前景。方案论证（设计理念）监测汽车轮胎压力的方法很多。大致可分为间接式监测和直接式监测两种。2.1间接式汽车轮胎压力控制系统间接式汽车轮胎压力控制系统是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而报警。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。同时，由间接式TPMS判断轮胎缺气的原当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。这个比率可用下列等式来表达，见公式2-1。如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则（FinalRuling）所规定的25%原则，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。2.2直接式汽车轮胎压力控制系统直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们都会检测出这种状态，当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7kPa的压降。直接式TPMS技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主要区别是主动式TPMS中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。图1直接式TPMS传感器和信号传输装置图2安装在汽车轮毂部分的轮胎压力检测模块图3安装在驾驶员前方的中央监测模块2.2.1主动式TPMS主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。系统主要由传感器，发射器、接收器和显示器组成。主动式技术的优点是:它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端，如电池的寿命有限;当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少，这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。2.2.2被动式TPMS被动式TPMS，也叫无电池TPMS。用一个中央收发器(CentralTransceiver)代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发(Transponder)(代替了发射器)接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池TPMS短期内还难以流行。综上看来，由于直接式TPMS有着测量精度高，稳定性好，体积较小，功耗较低等特点，因此本文主要论述直接式TPMS的设计。设计使用更加灵活，系统更加安全，可靠的汽车压力监测系统。2.3复合式ＴＰＭＳ为了满足多轮胎压力检测要求，推出了复合式ＴＰＭＳ。它通过在两个对角轮胎内装备压力传感器及一个四轮间接式测压装置来实现多轮胎压力检测。与前两种ＴＰＭＳ相比，复合式ＴＰＭＳ可以降低成本，同时可以弥补间接式监测系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。它的缺点是不能直接提供所有轮胎内的实际压力和温度数据，因此应用范围较有限。通过对间接式、直接式、复合式ＴＰＭＳ的比较，直接式监测系统具有明显的优势，将成为未来轮胎压力监测系统的主导。过程论述3.1TPMS工作原理在轮胎的胎骰上安装一个内置气压感应装置,,它将气压和温度信号转换为电信号,通过无线发射装置将信号发射出来。传感器发射出来的气压信息由接收机接收处理后,再安装在驾驶台上的显示器中显示出来,在行驶过程中实时地进行监视。驾驶员从监视器上就可以清楚地知道每个轮胎的气压值,当轮胎的气压低于设定的气压下限时,监视器将自动报警。驾驶员可以根据显示数据及时地对轮胎进行加气或放气,发现渗漏可以及时处理。3.2TPMS的总体结构TPMS系统由轮胎发射模块和中央接收模块组成。以四个轮胎的轿车为例，系统由1个中央模块和4个轮胎模块组成。4个轮胎模块分别安装在汽车的四个轮胎中，对轮胎的压力参数进行实时的测量，并将测量的数据通过射频(RF)通信接口发送到中央模块进行处理。中央模块接收来自轮胎模块的数据，对数据进行分析处理，并进一步进行判断轮胎参数是否正常，如果发现异常，则及时进行报警。其原理框图见图3-1。压力传感器信号处理MCU信号压力传感器信号处理MCU信号发射(RF)信号接收(RF)信号处理MCU声光报警图3-1TPMS系统原理框图图3一2直接式TPMS结构示意图,3.3TPMS硬件设计轮胎发射模块在汽车行驶时实时检测轮胎内部气压和电池电压，并通过无线方式将信息发送到主机显示模块，所以检测模块主要包含传感器、微控制器、信号发射器以及供电电池。整个模块被放置在轮胎里面，在汽车高速行驶时轮胎内部产生高温情况下要能正常运行，并且能保证有效工作5~10年，所以模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计是十分重要。发射模块包括：具有压力、加速度、电压检测的智能传感器：4~8位单片机（MCU）；RF射频发射芯片；锂亚电池；天线。外壳选用高强度塑料。所有器件、材料都要满足-40℃～+125℃的使用范围。3.3.1传感器传感器选用SP12传感器。SP12传感器是德国InfineontechnologiesAG（英飞凌公司）面向汽车轮胎压力监视系统（TPMS）应用而推出的，是直接式TPMS的关键元件，该器件是个SoC模块，整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器，温度传感器和一个电池电压检测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量，信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路。3.3.2微控制处理器与无线发射芯片ATAR862-3由于TPMS发射模块工作在剧烈震动，环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，适应工作在-40℃到+125℃温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积，节省功耗和增强功能，采用处理器和无线发射天线一体芯片ATAR862-3。其内部框图如图3-2所示。ATAR862-3微ATAR862-3微控制器T5754发射芯片图3-2ATAR862-3内部框图ATAR862-3是24引脚封装，有UHFASK/FSK发送器的微控制器，在单封装内集成了三个芯片，4位微控制器，UHFASK/FSK发送器和512位EEPROM，有用作应用程序的闪存控制器，发射功率要求PA在9.5mA时能输出7-10dbm。工作电压2.0-4.0V，频率范围310-330MHz,数据速率高达32K波特，工作温度-40摄氏度到125摄氏度，SSO24封装，只有七个外接元件，可用在汽车接入和轮胎压力监视以及工业和消费类电子产品。ATAR862-3的UHFRF发送器其内部嵌入的是T5754UHFASK/FSK发送器，T5754由PLL，压控振荡器（VCO），功率放大器(PA)等组成，外部晶振源经XTO(串口谐振器)供给VCO，PLL向MCU提供时钟，MCU将以编码的数据流经PA调制在UHF指定频率，交由天线发射，天线采用印制在PCB板上的环形天线。3.3.3轮胎模块电源轮胎模块的电源关系到轮胎模块的寿命，甚至整个系统的可行性和稳定性，轮胎模块的电源选择是整个系统的重要组成部分。轮胎模块工作环境非常恶劣，不仅要耐高低温(-40℃~125℃)，而且还要能抗击振动、离心作用和高气压，因此要求非常高，所以电池也应该采用准军工级(汽车电子)的品类才能达到可靠和安全的目的。目前，工业级的电池中主要是锂亚电池(锂/亚硫酰氯，Li/SOCL2),锂锰电池(锂/二氧化锰，Li/MnO2)及锂氟化碳(锂/氟化碳，Li/CF)。3.3.4无线射频接收芯片摩托罗拉的MC33594器件是集成UHF超外差无线电接收模块。该芯片采用LQFP24封装,工作频率在300～450MHz频段,电压在4.5～5.5V范围内;接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口SPI(SerialPeripheralInterface)。通过SPI,它允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信,交换信息。SPI接口使用四条线:串行时钟线(SCK),主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线RESET。3.3.5无线接收处理系统电路设计接收系统由无线接收芯片MC33594和中央处理器89C2051芯片及外围电路组成的，其框图如图3-3所示。MC33594芯片MCUAT89C2051报警显示MC33594芯片MCUAT89C2051报警显示电路图3-3无线接收系统电路原理图3.3.6接收模块电源接收器模块采用的是汽车电源，由于绝大部分轿车的电源电压为12伏，并且电压波动范围大，干扰大，而接收器模块需要的电压为5V，必须进行电平转换。线性三端稳压器件具有使用方便、调整率高、纹波抑制大等优点。设计中采用固定电压线性稳压电源器件，进行电压转换。设计中采用LM7805C三端5V正稳压器，输入电压范围为7.5V-35V之间，输出电流可以达到IA,满足接收器模块的容量需求，应用电路如图3-4所示。图3-4图3-4接收模块电路其中电容Cl用于输入电压的滤波，电容C2用于提高输出电压的暂态相应，C1,C2的值参考器件厂家的典型应用设计。二极管DI起保护作用，当输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电，从而会引起三端集成稳压器的损坏，D1在此时就起到保护稳压器的作用。3.3.7显示报警单元在轮胎压力监测系统中，接收器模块能向驾驶员提供必要的信息：轮胎压力，轮胎温度，轮胎模块状态等；在报警时，能同时进行声光报警，迅速提醒驾驶员注意。因此系统应包括报警和信息显示两部分。报警部分分为语音报警和指示灯报警两部分，原理如图3-5所示，指示灯报警与信息显示相关联。11D/A转换滤波放大扬声器LED指示灯显示报警D/A转换滤波放大扬声器LED指示灯显示报警图3-5报警系统框图根据香农定理，采样频率只有大于信号有限带宽信号的最高频率的2倍时，才能由采样信号唯一地决定出原始信号。人耳能听到的声音的最高频率大概在16-3000Hz之间，所以，将语音的采样频率定为10KHz，以保证语言传送的清晰度。由语音处理技术可知，语音信号是由多种因素决定的，其中最重要的参数是“过零率”。因此我们采用1位A心转换器，以l0KHz的频率工作，即可实现语音信号的报警。微控制器语音报警电路由1位D/A转换器外加一个滤波放大和扬声器组成，如图3-6所示，触发器74LS74的D端与Q端相连，微控制器向触发器74LS74输送语音脉冲信号。每当D触发器74LS74的CP端接受到一个脉冲信号，就将是其输出端Q改变一次状态，从而完成1位D/A转换。信号通过放大滤波电路的输入端相接，放大滤波电路的输出驱动8Ω扬声器。图3-6声音报警电路液晶显示模块采用的是20*2字符型液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度数值，同时也具有报警信息的显示功能。显示电路采用的方法通常有静态显示和动态显示两种显示方式，静态显示的缺点是硬件电路过于复杂，动态显示的缺点是占有的微控制器的时间较多，在设计中，采用与微控制器基于SPI接口进行通讯的集成数码显示驱动电路，有效的减少硬件电路，有利于提高可靠性和较低成本，在把显示数据串行通讯到微控制器之后，不再需要CPU的参与，减少微控制器的使用率。在系统的设计中，用89C2051单片机进行显示的控制，该单片机与中央处理器通过SCI串行口通信，这样减轻了中央处理器的负担，使控制逻辑更加简单。LED指示灯的设计相对容易些，由4个I/O口直接控制4个LED灯。电路如图3-7所示。图3-7图3-7接收器显示电路3.4TPMS软件设计系统的软件设计主要包括轮胎发射模块的软件设计和接收器模块的软件设计两部分。轮胎发射模块软件设计包括压力温度数据读取程序设计和无线信号发射软件设计。接收模块的软件设计包括无线信号接收处理软件设计和显示报警的程序设计。其功能框图如图3-8所示。接收数据处理程序设计图3-8系统功能框图系统程序设计轮胎发射模块中央接收模块数据读取程序设计无线信号发射程序设计显示报警程序设计无线信号接收程序设计接收数据处理程序设计图3-8系统功能框图系统程序设计轮胎发射模块中央接收模块数据读取程序设计无线信号发射程序设计显示报警程序设计无线信号接收程序设计3.4.1轮胎发射系统的软件设计软件设计是轮胎压力检测系统研究工作的重要组成部分。本系统的轮胎温度和压力数据的采集，人机交互，无线信号的收发，数据分析和报警，都需要通过软件来实现的。因此开发性能优良、工作稳定的应用软件是整个系统能够正常和可靠运行的基本前提。本系统将采用软件工程的方法来进行相关控制软件的设计，并使这些软件具有高度的可扩展性和可维护性，满足系统最终的设计要求。根据系统的设计思想，该程序要完成压力和温度信号的采样，数据处理，数据编码和发送这几部分的功能。因为轮胎模块只有一块电池供电，所以系统需要具有高效率的计算能力，因此设计时必须综合考虑一下问题：(1)测量部分参数使用的能量要少于获得完整的加速度，压力，温度和电压所需要的能量；(2)选择适当的气压，温度测量频率和数据发送的频率；(3)为确保在任何恶劣的环境下都能使数据到达接收器，轮胎模块应能多次发送报警信号。3.4.2轮胎各项数据的读取程序设计为了节约能量，将车辆的行驶状况分为停放，启动，高速行驶三种状态，由测得的轮胎加速度决定车辆处于哪种状态中。不同的状态轮胎需测量的数据和发送的频率不同。轮胎模块测量部分流程图如图。停止状态轮胎模块上电复位，测量轮胎加速度，如果加速度为0g，则不测量其他数据，也不发射数据。ATAR862设置SP12为待机模式,而自身为休眠模式。6秒钟后SP12的唤醒信号唤醒ATAR862进入工作模式，再重新测量实时的加速度。启动状态一旦测量的加速度不等于0g且大于存储在ROM里的设定加速度阈值A，则车辆进入启动状态。在该状态中，轮胎模块测量压力数据和温度数据并发送。每6秒发送一次，只发送一帧。高速行使状态加速度如果小于设定的加速度阈值，车辆便进入高速行驶状态。轮胎模块除了测量压力和温度数据外，还需测量传感器的电压值。传输数据的时间间隔也相应缩短，每800ms测量一次并发送。3-9数据读取流程图3.4.3通信协议为了实现4个轮胎模块与中央接收模块进行无线通信的目的,发射机和接收机都需要按要求支持一个简单的通信协议。数据以9600bps的速率传送,采用FSK调制时,其发射方必须采用曼彻斯特编码方式,只有这样的码型接收机才能够接收。曼彻斯特编码就是一个数字信号值在每一个比特位周期内作高、低电平之间切换。前半周期低电平后半周期高电平表示数字0,而先高后低表示数字1。轮胎模块以数据包(帧)的形式发送数据,当轮胎模块中的MCU决定要发送数据(由传感器采集到的温度、压力数据)时,通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块,随后后发送数据帧，其数据帧格式如下：3.4.4轮胎模块发射程序流程因为轮胎模块要适应长期工作，因此轮胎模块传输程序的算法选择不但要保证数据的可靠传输，同时还要保证最低的电能消耗。发射程序流程如图所示。如果车辆的状态为启动状态，则只发送一次数据帧。如果车辆进入高速行使状态，则表示任何轮胎的状况都会产生严重的后果，应保持警戒状态。所以，此时为了增加接收机接收数据的可靠性，连续发送255帧。3.5轮胎模块接收程序流程3.5.1无线信号接收程序设计接通电源后，接收机先后自行初始化和配置。一旦确认接收机配置完成，所有的LED就闪烁一次告知使用者模块准备就绪。在收到一个数据帧后，就要重新计算校验并与已经接收到的数据帧进行比较。数据帧经过确认后，某个轮胎和ID则要与存储在8051存储器中的4个ID值比较。如果发现一个相配的ID，则数据就被处理并点亮相应的LED。最后，数据帧通过串行口发送出去以供外部数据接收和存储。由于每个轮胎模块要发送相同格式的数据，接收机控制器能在收到全部数据帧后中断，这样它可以在大部分时间都处于低能耗睡眠状态。它还有许多节能选项，即使汽车停很长时间，也不会消耗完一块电池。3.5.2接收数据处理程序设计数据处理在接收到数据之后进行，首先保存接收的数据:历史采样压力、温度值依次移动，保存当前温度值与压力值在采样压力值1与采样温度值1单元:轮胎状态值保存在轮胎发射模式字节中，首先转变为千帕的量纲，然后变成BCD码保存在“压力转换值”，因为温度数据具有强的非线性，所以，对于温度信号先进行线性化转换为度的量纲，然后转换为BCD码进行保存:最后把轮胎无数据计数两个清零，完成数据处理。程序框图如图所示。3-10数据处理流程图3.5.3显示报警程序设计显示报警模块在中断部分调用，并且在多次计数，当显示内容变换时进行调用。在无报警状态，循环显示压力、温度值，并通过指示灯对所显内容的属性进行指示。在有报警状态时，显示报警是首要的，循环显示报警的内容，首先要对数据进行判断看是否有报警，报警分为压力报警和温度报警，另外无信号指示在正常数据循环显示时进行指示。根据转换的数据，判断压力是否有高报警和低报替，判断温度是否有高报警，分别设置报警状态对应的位。判断无信号时间是否长于设定时间，如果是，设置报警状态对应的位，并且无信号时间字节减I。然后4个轮胎的报警状态汇总到实际报警状态一个字节，经与报警屏蔽码进行与操作以后，保存在报警屏蔽码再用实际报警状态与报警屏蔽码进行异或操作，保存在显示报警状态中。当显示报警状态中出现报警时，循环扫描判断这一个字节，进行对应报警，并用报警计数记忆报警的内容，在下次扫描时，从当前内容之后进行，根据报警的内容设置显示内容的3个字节。无报警时，进入正常循环显示的内容。无报警正常循环显示时，根据正常显示循环计数的值判断应该显示值的属性，然后判断对应轮胎是否长时间无数据，由此得出应该显示的内容，设置显示内容，并且调整正常显示循环计数的值指示下次显示的内容。4.TPMS系统的抗干扰设计由于汽车轮胎内部的环境非常复杂，系统的环境干扰对整个系统的影响是比较大的。因此在轮胎检测系统的设计中，特别是涉及到高频无线信号，必须考虑与设计系统的抗干扰能力。抗干扰设计主要包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。4.1系统的干扰现象分析干扰一般都是以脉冲的形式进入微控制器，干扰窜入系统的渠道主要有三条：空间干扰，通过电磁波的辐射窜入系统；I/O通道干扰，由于用电设备的频繁启动电火花的干扰，用电设备对电源的污染都可以从系统的电源窜入。微控制器应用系统出错的主要现象及原因：（1）死机。主要原因是微控制器内部程序指针错乱，指向了其他位置，程序进入死循环；还可能是RAM数据被冲乱，使系统进入死循环。（2）显示数据混乱或闪烁。主要原因是微控制器内部程序指针混乱，连续不断进行错误显示数据输出，在显示电路部分的寄存器或者输入数据的干扰，造成显示单元不断的闪烁。（3）测量数据不准确。主要原因是系统的上述干扰现象，主要从硬件，软件两方面着手考虑。硬件技术适合于消除频率较高信号干扰，软件技术则适宜消除频率较低信号中的干扰。4.2硬件抗干扰设计子机的工作频率很高，因此采样发射部分的抗干扰及电磁兼容性设计就显得尤为重要。针对此问题采取了如下措施：（1）原件的布置。子机前置部分与高频发射部分间隔一定距离，避免高频信号对数字电路的干扰。整个电路布件，走线紧凑；高频电路中分布参数小。（2）电源去耦。极化的去耦电容，额定电容是0.1uF。去耦电容的最典型的使用值是0.01uF到0.1uF。一般使用0.1uF电容，因为它有多余的容抗以防止电扰动，并由于它的低等效串接电阻而能够对电流涨落快速响应。（3）数字地与模拟地。前置放大级的模拟地，发射电路的模拟地和单片机系统的数字地分开，单独走线，最后在一点交合，在电气安装上遵循“一点接地”的原则。（4）走线的布置。数字信号输入端与模拟信号输入端尽量远离，否则数字信号将通过布线间的寄生电容耦合到模拟输入端；在有感应的线路中间要置一根隔地线，且尽量缩短信号线长度。走线平滑自然，避免长距离平行走线以抑制印刷线条之间的串音干扰；尽可能用铜箔做成大面积接地；在印刷板的各关键位置配置去耦电容。（5）精心选择元器件。元器件是构成系统的基础。应该选择那些继承化程度高，抗干扰能力强，功耗又小的元器件。我们基本上都采用贴片元件。它们有体积小，高频性能好，电器性能好，温度系数小等优点。4.3系统软件的抗干扰设计系统在使用时，大量的干扰源一般不会造成硬件系统的损坏，但常常46使系统不能正常运行，传入系统的干扰，频带很宽，而硬件系统采用的抗干扰措施，只能抑制高频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还必须采用软件抗干扰措施。在该系统中，干扰会造成的后果:程序运行失常，数据的采集或通讯时发生数据的改变，以至于造成误报警。干扰引起的程序运行失常，以至于系统的失效，是一种比较严重的干扰后果，一般会造成程序乱飞或者陷入死循环，对这种干抚后果的软件对策主要是发现失常时，能够及时引导程序恢复原始状态，传统上常用的方法有：（1）指令冗余技术程序计数器PC值因干扰出现错误，会使程序出现乱飞，出现操作数数值改变以及操作数或者操作码的错误。为了避免这种结果，应该多使用单字节指令，在关键部分插入NOP空指令，或者有效单字节指令重写，指令。（2）软件陷阱技术对于跑飞的程序指向非程序区，则指令冗余方法无能为力了，这就需要软件陷阱技术，也就是用引导指令强行将捕捉到的乱飞程序引向复位入口指令，使程序纳入正轨。（3）看门狗技术看门狗(Watchdog)技术是针对程序陷入死循环的状态，看门狗技术就是不断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为进入了“死循环”，强制复位。使系统纳入正轨。5.结果分析 采用上述选用的器件用仿真软件进行电路连接，整套设备的基本功能可以实现。传感器采集压力信号，单片机将传感器信号进行处理和调制后，经无线发射电路把信号送给接收器接收，中央处理器对接收到的信号进行处理，以便显示和报警。综上所述，本系统的研制实现以下五项功能：（1）通过安装在轮胎内部的压力传感器，在线实时监测轮胎的压力信号。（2）利用加速度传感器使系统具有唤醒功能，减少系统的功耗。（3）通过装在轮胎内部的微控制器对测量的压力数据进行分析和处理，并控制无线发射模块进行数据处理的传送。（4）主机接收无线信号，进行信号的转换和处理，对实际压力值进行轮流实时显示。（5）通过主机系统进行判断，压力过高或过低时，轮胎模块发生故障时进行报警，提醒驾驶员注意。6.结论汽车轮胎压力控制系统是目前汽车消费者最为关心的汽车安全技术，也得到了越来越多汽车厂商的重视，无疑有着广阔的市场。目前汽车轮胎压力监视系统己经有相关产品问世。而相对于这些只监视轮胎气压的产品来说，我们所研发的新型轮胎压力无线监测系统无疑有着更高的实用价值和更强的市场竞争力。本论文主要进行了如下几个方面的研究与设计工作：（1）分析了当前轮胎检测系统的优缺点，综述了国内外轮胎压力检测系统的发展概况，提出了一种可行的系统设计方案；（2）在轮胎模块上，采用微控制器对传感器进行设置，采样，并且通过无线信号进行采集数据的传送；（3）采用集成化芯片以及低功耗技术，保证了轮胎模块要求体积小，重量轻，能耗小的要求，延长系统的使用寿命；（4）在软件设计上，根据轮胎状态的不同，采用不同的运行模式，即保证系统数据的可靠性，也有效减少了轮胎模块的能耗。（5）在无线数据传输上，采用FSK模式的调频载波的方式，以及进行CRC校验，提高系统数据传输上的抗干扰能力。（6）通过对系统的软件编码，实现了软件的异步串行通信。（7）进行硬件与软件的综合抗干扰设计，尤其是高频电路板的电路布局与布线设计，全面提高了系统的可靠性。7.设计心得体会本次设计我花费了很长的一段时间，原因是第一次做设计性实验，设计的产品涵盖的知识面广，涉及的内容多，其中包括了很多自己不曾学过也不曾了解的知识。尽管有些知识是学过的但因为隔的时间久也忘得差不多了。通过这次设计，我系统的复习了以前学过的有关传感器的知识，protel等仿真软件的使用，还掌握不少新的知识，包括无线发射与接收设备的使用，A/D与D/A转换器的使用等。明显的提高了动手能力。同时我还熟练的学会了中国知网的使用。掌握了如何做好一次设计性实验，拿到一个不懂的题目如何入手。设计性实验是一个重要的教学环节，通过设计性实验使我了解到一些实际与理论之间的差异。通过设计性实验不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。设计性实验给我很多专业知识以及专业技能上的提升。

总之，这次设计性实验使我收获很多、学会很多、比以往更有耐心很多。感谢学校及老师给我这次设计实验的机会，最真挚的感谢老师，在设计过程中，老师精心的辅导和不厌其烦地的态度才使得我以顺利的完成这次设计，他那无私的奉献的精神照耀着我对学习的热爱，同时也增加我对知识的追求和欲望度。汽车曲轴油孔加工设备的电气设计摘要：本设计是基于应用的技术开发，据用户提出的加工工艺要求及汽车曲轴的外形结构等特点，结合加工设备的机械部分设计出汽车曲轴油孔加工设备的电气部分、编制相应程序、仿真、调试。其中动力头速度可调且可正反转，采用变频器加三相异步电机实现；动力头滑台及工件滑台以PLC的高速脉冲输出控制伺服系统实现精确的定位控制；工件的夹紧、定位、旋转操作使用了液压系统，其控制通过PLC控制电磁阀实现。本文设计了机床电气控制系统的整体方案、机床主电路、机床控制电路、操作面板及PLC的控制程序，完成了完整的汽车曲轴油孔加工专用机床的设计方案，能稳定、准确、良好地完成对加工设备的动作控制，以按要求自动快速地完成汽车曲轴油孔的加工，应用到实际生产中可达到汽车曲轴油孔加工自动化，提高生产效率。关键词：电气设计；汽车曲轴油孔；PLC；伺服控制；变频调速AutomotivecrankshaftholeoftheelectricaldesignofprocessingEquipmentAbstract:Thedesignisbasedontheapplicationoftechnologydevelopment,accordingtousersrequirementsofprocessingtechnologyandautomotivecrankshaftstructuralfeaturessuchasshape,combinedwiththemechanicalpartsofprocessingequipmentdesignedcrankshaftholeprocessingequipmentautomotiveelectricalparts,thepreparationofthecorrespondingprocedures,simulation.Speedadjustableheadwhichcanbepositive,increasetheuseoffrequencyconverterthree-phaseasynchronousmotor;powerstationsandthefirstslidetoslidetheworkpiecePLChigh-speedpulseoutputtocontrolservosystemtoachieveprecisepositioningcontrol;workpiececlamping,positioning,rotatingtheuseofhydraulicsystemoperation,thecontrolsolenoidvalvethroughtherealizationofPLCcontrol.Inthispaper,thedesignofthemachineelectricalcontrolsystemasawholeprogram,machinetoolmaincircuit,machinecontrolcircuit,operationofthecontrolpanelandthePLCprogram,thecompletionofacompleteautomotivecrankshaftholeprocessingmachinetooldesigndedicatedtoastable,accurateandwellcompletionoftheprocessingofmotioncontrolequipmenttoautomaticallyandquicklyasrequiredtocompletetheprocessingofautomobilecrankshaftholeappliedtotheactualproductioncanbeachievedintheautomotivecrankshaftholeprocessingautomation,increasingproductivity.

Keywords:electricaldesign;automotivecrankshafthole;PLC;servocontrol;Frequency目录绪论…………………………11.概述……………………21.1设计要求…………………………21.2组成………………22.系统构成………………32.1曲轴………………32.2定位………………32.3液压传动机构…………………42.4PLC控制器………………………42.4.1可编程控制器的组成及系统配置………52.4.2PLC的工作原理…………2.4.3PLC的特点和应用领域…………………2.5三相异步电动机…………………72.5.1三相异步电动机的结构…………………72.5.2三相异步电动机的工作原理……………72.6三相异步电动机的变频调速与变频器………102.6.1三相异步电动机的变频调速…………102.6.2变频器…………………132.7伺服系统………………………142.7.1伺服电机………………142.7.2伺服驱动器……………162.8PLC与运动控制………………183.系统硬件设计…………………………183.1分析控制对象…………………193.2PLC的选择……………………203.3I/O地址分配…………………203.4控制电路………………………214.系统程序设计…………………………224.1机床工作流程分析……………244.2程序编写过程…………………264.3程序说明………………………264.4仿真……………344.5调试……………35结论…………………………40致谢…………………………41参考文献……………………42附录…………………………43绪论国内外的汽车曲轴油孔加工目前普遍采用普通钻床进行加工，针对性、适应性不强，速度较慢，无法实现流水线自动快速加工的要求。复合加工机床已成为机床发展的一个重要方向。因为复合加工机床突出体现了工件在一次装夹中完成大部分或全部加工工序，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。干式加工是未来金属切削加工发展又一个重要趋势。切削冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分繁琐，且成本很高，切削液的处理是不经济的，引起了费用增加。切削液对环境和操作者身体健康的危害一直受到使用限制。因此，未来加工的方向是采用尽量少的切削液，耐高温切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能。本文将结合加工设备的机械部分设计汽车曲轴油孔加工设备的电气部分，以稳定、准确、良好地完成对加工设备的动作控制，按要求自动快速地完成汽车曲轴油孔的加工。应用到实际生产中可达到汽车曲轴油孔加工自动化，提高生产效率。论文完成的主要工作本设计是基于应用的技术开发，据汽车曲轴的外形结构等特点及加工工艺要求，再结合加工设备的机械部分设计出汽车曲轴油孔加工设备的电气部分、编制相应程序、仿真、调试。本设计要求速度控制、准确的位置控制，且工序较为复杂需要考虑手动、自动、间断、连续等操作方式，这就使本设计要考虑使用变频器、伺服电机、带PTO输出且含较多输入输出点的PLC。其中动力头速度可调且可正反转，采用变频器加三相异步电机控制；动力头滑台及工件滑台以PLC的高速脉冲输出控制伺服系统实现精确的定位控制，工件的夹紧、定位、旋转操作使用了液压系统，其控制通过PLC控制电磁阀实现。本文设计了完整的汽车曲轴油孔加工专用机床的方案，能稳定、准确、良好地完成对加工设备的动作控制，具体包含以下内容：曲轴油孔加工专用机床的总体设计：曲轴斜油孔加工工艺方案的确定、机床的总体设计、机床的控制与互锁夹具：曲轴的定位与支承、曲轴的夹紧操作面板设计电气控制设计：机床电气控制系统的整体方案、机床电气控制系统的任务、控制方式、机床主电路图、机床控制电路、机床主电路分析、机床工步控制流程图、I/O分配、PLC的梯形图控制程序、控制指令程序、机床控制电路分析、程序仿真及调试。第1章概述设计要求该项目是应用户的要求而设计的汽车曲轴直油孔的加工专机，孔是通孔，其位置要求很准确，而且效率要高。要求对这台专机进行电气设计、编制相应程序完成对曲轴的油孔加工，即在规定的时间内完成整个动作，实现自动控制。为了准确定位，油孔的加工应该先划中心孔定位，再钻孔加工。由于孔很深，且为通孔，所以可以采用两面加工的方法。又由于需要加工的孔有五个，为了提高效率，采用多头刀具同时加工的方法实现，从而满足整条流水线的要求。采用PLC作为控制器，对工作台水平定位移动和多轴箱的垂直定位加工进行控制，对多轴箱的交流电动机进行变频调速，通过编制程序实现整台设备的自动运行。动作流程：总启动——定位——夹紧——划中心孔定位——工件滑台平移——钻孔——退刀——工件滑台平移回——工件旋转180度——加工另一面（划中心孔定位--平移--钻孔--退刀）——工件转回到0度位置——松开工件——拔定位销——暂停切换工件加工下一工件/停止组成曲轴油孔的加工专机整体结构示意如下：图1—1曲轴油孔的加工专机整体结构示意图液压系统：为工件旋转、定位、夹紧等装置提供动力。通过电磁阀控制阀芯接通位置进而控制液压缸活塞的运动方向，再驱动各装置的动作方向。定位夹紧装置：机床在加工时，必须使曲轴的油道与刀具保持正确的相对位置，如主轴中心线的高度，应与切削动力头的主轴线高度一致，这就要靠定位夹紧装置来实现。定位支承系统除用以对曲轴进行定位外，还要承受曲轴的重量和夹压力及切削力。定位支承系统由定位机构及支承夹紧装置组成。动力头：提供刀具钻孔的动力，钻头旋转速度采用变频器控制三相交流异步电动机，要求有几个速度即可。动力头滑台、工件滑台：拖动动力头和工件的移动。钻头前进的速度位置和工作台移动的位置都用PLC来控制伺服电机实现，即用PLC编制程序进行运动控制。电机拖动主电路系统：电机与电源、驱动等的连接。控制系统：机床电气控制系统的整体方案、控制方式、机床控制电路、PLC控制器I/O分配、据机床工步控制流程图编制程序。操作面板：提供人机操作界面。第2章系统构成2.1曲轴曲轴由主轴颈、曲柄销、曲柄臂、曲轴自由端、功率输出端等部分组成，曲柄与汽缸对应。曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。是发动机上的一个重要的机件，其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑．这个一般都是压力润滑的，曲轴中间会有油道和各个轴瓦相通，发动机运转以后靠机油泵提供压力供油进行润滑、降温。发动机工作过程就是，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源。图2—1曲轴结构图2—2曲轴示例2.2定位机床在加工时，必须使曲轴的斜油道与刀具保持正确的相对位置。这就要靠定位支承系统来实现。如主轴中心线的高度，应与切削动力头的主轴线高度一致，同时还要考虑到安装方便及可操作性。定位支承系统除用以对曲轴进行定位外，还要承受曲轴的重量和夹压力及切削力。定位支承系统由定位机构及辅助支承系统组成。它们直接与曲轴接触，因此其尺寸、结构、精度和布置都直接影响着曲轴斜油道的加工精度。定位装置实现工件定位准确的标志为：(1)、同一批工件安装在夹具中，特别是对被加工表面而言，只能有一个位置。(2)、同批工件先后安放在夹具中，特别是对被加工表面而言，进给系统要求得到一致的位置。根据以上叙述，可设置定位支承、中间支承、压板以达到定位所要求的目标。2.3液压传动机构一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：

（1）、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。

（2）、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。

（3）、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。

（4）、可自动实现过载保护。

（5）、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。

（6）、很容易实现直线运动。

（7）、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。液压传动机构工作原理如下图所示，通过电磁阀控制阀芯接通位置进而控制液压缸活塞的运动方向，再驱动各装置的动作方向。图2—3液压原理图2.4PLC控制器可编程控制器是一种进行数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储能执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.4.1可编程控制器的组成及系统配置PLC系统由CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、编程装置等组成，如下图：图2—4PLC控制系统的组成PLC的硬件系统基本组成部分包括CPU、存储器和I／O系统三个部分。PLC的系统程序和用户程序都存放在存储器中，现场输入信号经过I/O系统传送至CPU,CPU按照用户程序存储器里存放的程序指令执行逻辑或算术运算，并发出相应的控制指令，该指令通过I/O系统传送至现场，驱动相应的执行机构动作，从而完成相应的控制任务。图2—5PLC的硬件系统PLC的软件含两大部分系统软件：系统的管理程序、用户指令的解释程序、专用标准程序块等。应用软件：又叫用户软件，是用户为达到某种控制目的、采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。2.4.2PLC的工作原理PLC通电后先对硬件和软件作一些初始化工作，为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，包括读取输入、执行用户程序、通讯处理、CPU自诊断测试、改写输出，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。图2—6CPU的扫描周期2.4.3PLC的特点和应用领域可编程控制器的特点：PLC具有许多适合工业控制的独特优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，其主要特点如下：适合工业控制环境、高可靠性、可编程、易于扩展、体积小，易于维护。PLC的主要功能：(1)条件控制PLC具有逻辑运算功能，可代替继电器进行开关量控制。(2)限时控制PLC具有定时功能，它为用户提供了用定时指令设置的若干个电子定时器进行限时控制和延时控制。(3)计数控制PLC具有计数控制功能，它为用户提供了用设置指令计数的若干个计数器，电子值可以在运行中读出与修改。(4)步进控制PLC具有步进控制功能，使系统在完成前道工序后才能转入下道工序，实现步进控制。(5)数据处理PLC具有数据处理功能，如并行运算、并行数据传送、BCD码的自行运算等。(6)通信和联网PLC采用通信技术，进行上位链接，构成一台计算机与每台PLC的分布控制网络，以完成复杂的网络控制和通信。(7)A／D、D／A转换可完成对模拟量的控制。(8)对控制系统进行监控操作人员可以通过监控命令监控有关程序的运行状态，调整时间、计数设定值。(9)自诊断功能可以在线诊断系统的软、硬件故障状况，诊断机器和生产过程中的故障状况。PLC的应用领域：（1）用于开关量逻辑控制：逻辑动作控制，如机床电器控制、电机控制等；顺序控制和程序控制，如高炉上料系统、电梯控制、采矿带的运输等。总之，可用于单机控制、多机控制和自动生产线的控制。（2）用于闭环过程控制：给PLC配上PID调节控制、比例控制等过程控制软件包后，能广泛应用于锅炉、酿酒、水处理等场合，可用于闭环的位置控制和速度控制，如自动电焊机控制、辊轧机的位置控制等。（3）用于机械加工的数字控制：PLC能和机械加工中的数控装置组成一体，联机使用。（4）用于组成分布控制系统：PLC具有通信联网功能，可组成小型分布式控制系统，广泛应用于石油、化工、电力等部门。2.5三相异步电动机2.5.1三相异步电动机的结构图2—7三相异步电动机的结构上图是一台笼式三相异步电动机的结构图。它主要是由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有一个较小的空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。2.5.2三相异步电动机的工作原理（1）旋转磁场的产生旋转磁场——一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。三相对称绕组——A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了三相对称绕组。当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。图2—9三相对称电流波形图图2—8旋转磁场的产生（2）旋转磁场的转向旋转磁场的转向与三相绕组中所流过的三相电流的相序有关。三相电流的相序为：A相→B相→C相时，（A相→C相→B相时）其旋转磁场的转向也为：A相→B相→C相（A相→C相→B相）（3）旋转磁场的极数三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。图2—10旋转磁场的极数和三相绕组的安排的关系（4）旋转磁场的转速三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又取决于电动机的极对数和电流的频率（即电源的频率）当电源频率为f1，电动机极对数为p时，旋转磁场的转速为（5）三相异步电动机的工作图2—11三相异步电动机的工作将定子绕组接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场，转子导条切割旋转磁场，在导条内产生感应电动势,由于转子绕组闭合而产生感生电流，感生电流和旋转磁场相互作用产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转起来。转差率异步电动机的工作原理决定了它的转速一般低于同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。转差n1-n的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。三相异步电动机的铭牌数据：额定功率——电动机在额定运行时输出的机械功率,单位kW额定电压——在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压，单位V额定电流——电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位A额定频率——我国的电网标准频率为50Hz额定转速——电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位r/min此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形）绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。2.6三相异步电动机的变频调速与变频器2.6.1三相异步电动机的变频调速1、异步电动机的调速根据异步电动机的转速表达式：得出异步电动机有三种基本的调速方法：变频调速变极调速变转差率调速——转子串电阻调速:绕线式异步电动机转子回路串接电阻。串级调速:绕线式异步电动机转子串接电势。调压调速:改变异步电动机定子电压从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是回收，显然是评价调速系统效率的一个指标。据此，又可把异步电动机的调速方法分为三类：1）转差功率消耗型——全部转差功率都转换成热能消耗掉。它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调效率越低。这类调速方法的效率最低。2）转差功率回馈型——转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高3）转差功率不变型——转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但由于这类调速方法无论转速高低，转差率保持不变，所以转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。2、变频调速从异步电动机的转速公式n=n1(1-s)可知，若改变电源频率f1，则可平滑地改变异步电动机的同步转速n1=60f1/p，异步电动机的转速n变频调速属于转差功率不变型调速类型，具有调速范围宽，平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。随着电力电子技术的发展，许多简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速装置已得到广泛应用。在异步电动机调速时，总是希望主磁通Fm保持为额定值，这是因为如果磁通太弱，电动机的铁心得不到充分利用，是一种浪费；如果磁通太强，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时甚至会因绕组过热而损坏电机。根据异步电动机定子每相电动势有效值的公式：如果略去定子阻抗压降，则定子端电压U1≈E1，即有：可见：在变频调速时，若定子端电压不变，则随着频率f1的升高，气隙磁通Fm将减小。又从转矩公式可知:在I2’相同的情况下，Fm减小势必导致电动机输出转矩下降，使电动机的利用率恶化，同时，电动机的最大转矩也将减小，严重时会使电动机堵转。反之，若减小频率f1，则Fm将增加，使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此，在变频调速过程中应同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。（1）基频以下调速：要保持Fm不变，应使定子端电压U1与频率f1成比例地变化，即由最大转矩公式其中，当f1相对较高时因可忽略定子电阻r1，这样上式可简化为由于，为了保证变频调速时电机过载能力不变，就要求变频前后的定子端电压、频率及转矩满足:对于恒转矩调速，因为TN=T’N，由上式可得,采用恒压频比控制方式，既保证了电机的过载能力不变，同时又满足主磁通Fm保持不变的要求。这说明变频调速适用于恒转矩负载。由于U1/f1=常数，且当f1相对较高时，不同频率时的最大转矩Tm保持不变，所对应的最大转差率为：不同频率时最大转矩所对应的转速降落为因此恒压频比控制变频调速时，由于最大电磁转矩Tm和最大转矩所对应的转速降落△nm均为常数，此时异步电动机的机械特性是一组相互平行且硬度相同的曲线，如下图所示：图2—12恒压频比控制变频调速的机械特性但在f1变到很低时，也很小，R1不能被忽略，且由于U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的份额比较大。此时最大转矩和最大转矩对应的转速降落不再是常数，而是变小了。为保持低频时电动机有足够大的转矩，可以人为地使定子电压U1抬高一些，以补偿一些定子压降。对于恒功率调速，由于即保持变频前后恒定,即恒定，而，则,即由此可见，在恒功率调速时，①如按控制定子电压的变化，能使电机的过载能力保持不变但磁通将发生变化；②若按控制定子电压的变化，则磁通Fm将基本保持不变，但电机的过载能力保持将在调速过程中发生变化。（2）基频以上调速频率f1从额定频率f1N往上增加，若仍保持U1/f1=常数，势必使定子电压U1超过额定电压UN，这是不允许的这样，基频以上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，通过增加频率f1，使磁通Fm与f1成反比地降低，这是一种类似于直流电机弱磁升速的调速方法。设保持定子电压U1=UN，改变频率时异步电动机的电磁转矩由于f1较高，可忽略定子电阻R1，故最大转矩为最大转差率最大转矩的转速降落为由此可见：保持定子电压U1不变，升高频率调速时，最大转矩随频率的升高而减小，而最大转矩对应的转速降落是常数，因此对应的机械特性是平行的，硬度也相同。但频率越高，最大转矩越小，如下图所示。图2—13由基频向上变频调速的机械特性基频以上变频调速过程中，异步电动机的电磁功率为正常运行时s很小，所以电磁功率可近似为：由于变频调速过程中，若保持U1不变，转差率s变化也很小，故可近似认为调速过程中Pem是不变的，即在基频以上的变频调速，可近似为恒功率调速。把基频以下和基频以上两种情况综合起来，可得到异步电动机变频调速控制特性，如下图所示。图2—14异步电动机变频调速控制特性要实现变频调速必须有专用的变频电源，随着新型电力电子器件和半导体变流技术、自动控制技术等的不断发展，变频电源目前都是应用电力电子器件构成的变频装置。下图所示为采用电力电子变频器供电的异步电动机变频调速系统。图2—15异步电动机变频调速系统综上所述，三相异步电动机变频调速具有优异的性能，调速范围大，调速的平滑性好，可实现无极调速；调速时异步电动机的机械特性硬度不变，稳定性好；变频时U1按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。但是，要实现变频调速必须有专用的变频电源。随着新型电力电子器件和半导体变流技术、自动控制技术等的不断发展，变频电源目前都是应用电力电子器件构成的变频装置。2.6.2变频器控制原理图2—16交-直-交PWM变压变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。2.7伺服系统伺服系统也称随动系统，本文具体到位置伺服控制，位置伺服系统组成有以下5个部分：位置传感器检测位置信号反馈给控制部件电压比较放大器（A）给定信号与反馈信号在其中比较与放大后再发出控制信号电力电子变换器（UPE）主要起功率放大作用，同时也放大了电压伺服电机（SM）在小功率直流伺服系统中多用永磁式直流伺服电机，在其他情况下采用交流伺服电机。由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置伺服系统的执行机构。减速器与负载以上五个部分是各种位置伺服系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大差异。图2—17伺服系统其中电压比较放大器（A）与电力电子变换器（UPE）一起构成伺服驱动器，即我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。而位置传感器、减速器常与伺服电机（SM）做在一起，如上图所示。所有的交流永磁伺服系统包括：电力驱动、伺服电机和至少一个反馈传感器。所有这些部件都在一个控制闭环系统中运行：驱动器从外面接收参数信息，然后将电流输送给电机，通过电机转换成扭矩，然后带动负载，负载根据它自己的特性进行动作或加速，传感器测量负载的位置，使驱动装置对参数信息值和实际位置值进行比较，然后通过改变电机电流使实际位置值和参数信息值保持一致。

2.7.1伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机是加有反馈的闭环控制的电机，电机是鼠笼的，定子、转子形状不同有好几种类型。伺服电机可以是普通电机+编码器+伺服驱动器。靠伺服驱动器控制消除电机的滑差。伺服电机一般为永磁式同步电动机，电机后带绝对编码器或增量编码器作为位置反馈。交流伺服电机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相差空间位移90°电角度的励磁绕组Wc和控制绕组接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电