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目錄
1. 引言 2
1.1 選題的依據(jù)及課題的意義 2
1.2 國內(nèi)外的研究概況 3
1.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 4
1.4 PID控制算法的發(fā)展概況 5
1.5 設(shè)計(jì)要求及工作內(nèi)容 6
1.6 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 7
2． 機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 7
2.2 千斤頂零部件分析 9
2.3 油缸與螺紋的校驗(yàn) 12
2.3.1油缸的壁厚校驗(yàn) 12
2.3.2 鎖母螺紋牙剪切強(qiáng)度校驗(yàn) 13
2.3.3鎖母螺紋牙的彎曲強(qiáng)度校驗(yàn) 14
2.4 液壓系統(tǒng)分析 14
2.5 液壓泵與電動機(jī)的選擇 15
2.6 超高壓泵站簡介 16
3 . 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
3.1 單片機(jī)的選用及功能介紹 17
3.2 片外存儲器功能簡介 18
3.3 顯示部分設(shè)計(jì) 21
3.4 鍵盤部分設(shè)計(jì) 25
3.5 交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 27
3.5.1 交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理 28
3.5.2主電路和逆變電路工作原理 28
3.5.3 變頻與變壓 32
3.6 位移檢測部分的設(shè)計(jì) 38
3.6.1 位移檢測傳感器的選用 38
3.6.2 光柵位移傳感器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 40
3.7 位移傳感器部分的設(shè)計(jì) 43
3.7.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 43
3.7.2 壓力傳感器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 47
4．系統(tǒng)的PID控制算法 48
4.1 PID控制原理 48
4.2 數(shù)字PID控制算法 50
4.2.1 位置式PID控制算法 50
4.2.2 增量式PID控制算法 51
4.3 智能自適應(yīng)PID控制器 52
5. 系統(tǒng)模擬仿真 57
5.1 SIMULINK概述 58
5.2 SIMULINK的窗口和菜單 58
5.3 用SIMUINK創(chuàng)建模型 60
5.4 用SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)仿真與分析 61
5.4.1 建立控制系統(tǒng)模型 61
5.4.2 系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置與仿真參數(shù)設(shè)置 62
5.4.3 系統(tǒng)仿真與分析 64
6.結(jié)論 67
7.致謝 68
8. 參考文獻(xiàn) 68
1. 引言
1.1 選題的依據(jù)及課題的意義
隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷深入，大尺寸、大重量、不規(guī)則表面的工件越來越多的成為工廠加工的對象。而在加工過程中如何將這些工件準(zhǔn)確的提升至預(yù)定位置則成為最難解決的問題，這時傳統(tǒng)的千斤頂和起重機(jī)等設(shè)備就顯示出先天不足的缺陷來。也正是在這種環(huán)境下，同步頂升系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并在建筑、機(jī)械加工、造船等行業(yè)扮演著越來越重要的角色。同步頂升系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制多個千斤頂，使其具備頂升大重量、大體積、復(fù)雜工作表面的工件的能力，并具有同步升降、點(diǎn)動升降、連續(xù)升降、側(cè)翻仰俯等功能的機(jī)電一體化設(shè)備。其控制系統(tǒng)可以是微機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器等；其動力系統(tǒng)有液壓式、氣電式、汽液兩用式等；噸位從幾百公斤到幾千噸不等，主要由動力方式和千斤頂?shù)膫€數(shù)來決定 。由于其體積小、承載重、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的用于電力、建筑、機(jī)械制造、礦山、鐵路橋梁、造船等多種行業(yè)中，在設(shè)備安裝、起頂拆卸、靜力壓樁、設(shè)備校調(diào)、基礎(chǔ)沉降等工作崗位發(fā)揮了重要的作用。基于單片機(jī)控制、液壓傳動的四頂頂升系統(tǒng)是較常見的，控制算法較簡單的一種。由于其控制簡便、噸位適中、價格也很低廉的優(yōu)點(diǎn)使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領(lǐng)域都有很高的使用度。其重要性不言而喻，對其進(jìn)行研究和開發(fā)具有很大的市場空間和實(shí)用價值。
1.2 國內(nèi)外的研究概況
國外對同步系統(tǒng)的研究起步較早，基于單片機(jī)控制、液壓傳動的四頂頂升系統(tǒng)是較常見的，控制算法較簡單的一種。由于其控制簡便、噸位適中、價格也很低廉的優(yōu)點(diǎn)使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領(lǐng)域都有很高的使用度。美國實(shí)用動力ENERPAC是這一行業(yè)的佼佼者，在澳大利亞的昆士蘭州，G&S 工程技術(shù) 服務(wù)公司就采用了 ENERPAC（恩派克）提供的同步頂升液壓系統(tǒng) 成功地完成了重達(dá) 3500 多噸的礦山巨型索斗鏟的頂升，誤差小于 0.5mm。在上海因廣場改造而需要整體平移的上海音樂廳使用了ENERPAC公司開發(fā)的一套具有四組共60個高精度頂升點(diǎn)的計(jì)算機(jī)控制同步頂升和頂推系統(tǒng)，以小于0.2mm的誤差將建筑物同步頂升至預(yù)定高度并順利完成平移任務(wù)。
我國在這領(lǐng)域起步雖晚，但發(fā)展迅速，經(jīng)過多年的發(fā)展也獲得了許多曙目的成就，今年（2006年）1月4日，目前世界上最大的閘門——葛洲壩1號船閘重達(dá)200噸、面積相當(dāng)于籃球場大的上游人字閘門安裝就位。此舉標(biāo)志著我國自主研制的第一套大型船閘門同步頂升系統(tǒng)獲得成功。在上海興建的磁懸浮列車的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件軌道梁是確保磁懸浮列車快速、平穩(wěn)、安全的重要保證，其加工精度要求非常高，但每段軌道梁長25米，重16噸，對其進(jìn)行精確升舉困難重重，上海千斤頂廠自主開發(fā)的高精度同步頂升裝置不負(fù)眾望，順利完成任務(wù)，其同步頂升精度≤0.03mm，達(dá)到國際先進(jìn)水平。我國浙江省海鹽縣有“千斤頂之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。在千斤頂和同步系統(tǒng)方面形成規(guī)?；a(chǎn)，年生產(chǎn)能力達(dá)800萬臺以上，銷量位居世界前列。
1.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
單片機(jī)，就是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，又稱微控制器。自上世紀(jì)70年代面世以來不過短短30余年的歷史，但因嵌入式應(yīng)用而得到迅猛的發(fā)展，各種新穎的單片機(jī)層出不窮，令人目不暇接。它具有因體積小、成本低、控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又由于現(xiàn)在開發(fā)環(huán)境的不斷改善，正在以空前的速度迅速取代經(jīng)典電子系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、工業(yè)控制單元、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、金融電子系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等嵌入式產(chǎn)品中。
目前單片機(jī)的種類繁多，世界各國廠商已研制出大約50個系列、30多個品種的單片機(jī)產(chǎn)品。與早期經(jīng)典的8位單片機(jī)MCS－51相比，無論是頻率、字寬、尋址范圍、集成度等方面都有了巨大的突破。現(xiàn)代科技的發(fā)展使得單片機(jī)的功能正日漸完善:
1、單片機(jī)集成越來越多資源，內(nèi)部存儲資源日益豐富，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以完成項(xiàng)目開發(fā)，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧美觀，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，目前該方向即是發(fā)展為SOC(片上系統(tǒng))。
2、單片機(jī)抗干擾能力加強(qiáng)，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場前景。
3、單片機(jī)提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，為企業(yè)產(chǎn)品上市贏得寶貴時間。
4、在線仿真變的容易。用戶一旦開發(fā)一個比較大的系統(tǒng)，開發(fā)調(diào)試變的非常復(fù)雜，同時由于單片機(jī)資源有限，不能象PC一樣直接調(diào)試自己的軟件，于是出現(xiàn)了品種繁多的專業(yè)仿真器，為用戶的開發(fā)提供了強(qiáng)大功能，加速了開發(fā)進(jìn)程，降低了開發(fā)難度。目前還已經(jīng)有公司推出了可以在線調(diào)試的單片機(jī)，使得單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試與開發(fā)變得更加方便、快速。
隨著單片機(jī)的發(fā)展，人們對事物的要求越來越高，單片機(jī)的應(yīng)用軟件技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，從最初的匯編語言，開始演變到C語言開發(fā)，不但增加了語言的可讀性，結(jié)構(gòu)性，而且對于跨平臺的移植也提供了方便，另外一些復(fù)雜的系統(tǒng)開始在單片機(jī)上采用操作系統(tǒng)，一些小的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）等，一方面加速了開發(fā)人員的開發(fā)速度，節(jié)約開發(fā)成本，另外也為更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)提供了可能。當(dāng)前比較流行的RTOS有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS等等。
本次設(shè)計(jì)的四頂同步頂升系統(tǒng)再選擇控制系統(tǒng)時在綜合考慮了微機(jī)、單片機(jī)和可編程控制器的成本、控制的難易程度和結(jié)構(gòu)化布線等因素后，也擬定采用單片機(jī)進(jìn)行控制。
1.4 PID控制算法的發(fā)展概況
PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、積分、微分，指的是一項(xiàng)流行的線性控制策略。由于在工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)際控制中，總是存在外界的干擾和系統(tǒng)中各個參數(shù)的變化，它們將會使系統(tǒng)性能變差。為了改善系統(tǒng)的性能，提高控制質(zhì)量，通常在控制中引入比例（Proportional）環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)的快速性；為了消除靜態(tài)誤差，提高精度，加強(qiáng)系統(tǒng)對參數(shù)變化的適應(yīng)能力，引入積分(Integral)環(huán)節(jié)；為了提高系統(tǒng)對動態(tài)過程的預(yù)知能力，克服慣性的影響，引入微分(Derivative)環(huán)節(jié)。這就是通常所說的PID控制。
按照偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制（PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。它結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整、穩(wěn)定性能好、可靠性高，使它在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天仍然具有強(qiáng)大的生命力，在長期應(yīng)用中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是工業(yè)過程控制中，在決定系統(tǒng)參數(shù)的時候往往要借助現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下，PID控制就更顯示它的威力。其應(yīng)用經(jīng)久不衰，應(yīng)用范圍越來越廣泛，改進(jìn)方法也越來越多。二十世紀(jì)60年代發(fā)展、成熟起來的現(xiàn)代控制理論和近幾年發(fā)展的智能控制理論仍在大量的PID控制的方法和思想。按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制是過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析都充分證明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)對象的控制中是可以得到較滿意的控制效果的，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)里首先采用的控制算式也是PID。
1.5 設(shè)計(jì)要求及工作內(nèi)容
1.由單片機(jī)控制四個液壓千斤頂以設(shè)定的速度同步頂升大重量工件。要求四頂頂升時必須同步，頂升速度和高度可以人為設(shè)定。
2.設(shè)計(jì)具有位置檢測功能的液壓千斤頂。
3.設(shè)計(jì)千斤頂?shù)囊簤夯芈贰?
4.設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路。
5.設(shè)計(jì)相關(guān)控制算法。
6.使用MATLAB進(jìn)行仿真試驗(yàn)。
1.6 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個由液壓驅(qū)動，單片機(jī)控制，使用PID控制算法的四頂同步頂升系統(tǒng)。
特色：該系統(tǒng)具有位置檢測和壓力檢測功能，可適用于不規(guī)則工作表面的工件，并且體積小、承載適中、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，具有很高的實(shí)用價值和市場空間。
2． 機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
四頂同步頂升系統(tǒng)由千斤頂、超高壓泵站、控制系統(tǒng)和操作臺四部分組成。
我們所設(shè)計(jì)的四頂頂升系統(tǒng)的主要參數(shù)是每只千斤頂高約1000mm，最大行程為400mm，最大載荷為20t。因千斤頂載荷較大，位置精度要求較高，故頂升速度不宜過大，最大頂升速度應(yīng)控制在60mm/min以內(nèi)。
千斤頂?shù)膭恿ο到y(tǒng)有液壓式、氣電式、汽液兩用式等，考慮到成本、實(shí)用性、使用舒適度等因素，我們最終選用了技術(shù)比較成熟的液壓系統(tǒng)。
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
由于千斤頂?shù)耐庑纬叽巛^大，需承受的較大的沖擊載荷，所以初步擬定采用了法蘭型液壓缸的結(jié)構(gòu)原型，并在此基礎(chǔ)上針對液壓千斤頂?shù)氖褂锰匦赃M(jìn)行調(diào)整。
為了適應(yīng)復(fù)雜工作表面的工件，千斤頂?shù)墓ぷ髋_與活塞桿應(yīng)采用轉(zhuǎn)動連接副相連。當(dāng)頂升系統(tǒng)工作時，液壓千斤頂工作臺可隨工件表面形狀進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，所以設(shè)計(jì)時將活塞桿頂部插入球頭，與工作臺形成轉(zhuǎn)動副。如圖2.1-1所示。球頭與活塞桿采用緊固螺釘固定。
為了能使頂升系統(tǒng)能夠提供長時間而穩(wěn)定的支撐力，采用鎖母來提供機(jī)械支撐，當(dāng)活塞上升時，鎖母隨其同步上升，到達(dá)預(yù)定位置后，活塞停止上升，再將鎖母旋到螺紋底部，這時通過千斤頂箱體對鎖母的支撐使得工作臺所受載荷全部轉(zhuǎn)變?yōu)殒i母和活塞桿之間的梯形螺紋所受到的切應(yīng)力。這樣即使是在油壓壓力不足或掉電的情況下也能穩(wěn)定的承載重物。
由于光柵尺的尺寸較長，只能將活塞和活塞桿做成中空狀來放置光柵傳感器。這樣活塞與活塞桿之間就不宜采用螺母緊固，為方便起見，我們將活塞和活塞桿合為一體，材料同為45號鋼。工作時發(fā)光元件與光敏元件隨活塞作同步運(yùn)動，光柵尺下端固定在底蓋上不動，光源與光柵尺的相對位移量通過讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)。
圖2.1-1 千斤頂?shù)墓ぷ髋_與活塞之間的連接
由于千斤頂?shù)男谐梯^長，達(dá)400mm，當(dāng)工作臺旋轉(zhuǎn)一個角度去承載重物時容易產(chǎn)生較大的彎曲力矩使活塞桿折斷。所以有必要設(shè)計(jì)一個支撐套進(jìn)行保護(hù)。支撐套與油缸壁之間采用通孔螺釘緊固。
圖2.1-2 液壓缸底蓋的固定方式
由于光柵傳感器放在千斤頂內(nèi)部，考慮到其信號線的連接問題，我們將油缸底蓋與千斤頂?shù)鬃g留有一定空間。為了方便裝卸，不宜將底蓋與油缸焊接。經(jīng)過多方面的考慮，比較了多種方案后，采用了如圖2.1-2所示的方法固定底蓋。圖2.1-2中千斤頂?shù)鬃庌D(zhuǎn)有4個螺紋孔，用4個型號為M32x85的六角頭螺栓將底蓋頂起至油缸卡槽處。螺桿長度比實(shí)際所需的長3～5mm，可通過增加墊片的方法達(dá)到使4個螺栓平均分配載荷的目的。底蓋上套有密封圈，防止漏油。千斤頂?shù)鬃c油缸通過6個內(nèi)六角螺釘緊固。在底座和油缸兩側(cè)各開一個通孔用于連接光柵傳感器和壓力傳感器的信號線。
2.2 千斤頂零部件分析
由于頂升系統(tǒng)可能會在比較惡劣的條件下使用，而且在裝載和卸載重物時，可能會因操作不當(dāng)而對千斤頂?shù)鬃斐奢^大沖擊，導(dǎo)致整個系統(tǒng)遭到破壞。所以底座采用具有較高強(qiáng)度和韌性的球墨鑄鐵QT600－３。
油缸是液壓系統(tǒng)的主要零件，它與底座、底蓋、油口、導(dǎo)向套等零件構(gòu)成密封的容器，用于容納壓力油液，同時還是活塞的運(yùn)動軌道。所以設(shè)計(jì)油缸時，應(yīng)該正確的確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運(yùn)動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強(qiáng)度，能足以承受液壓力、負(fù)載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應(yīng)具有合適的公差等級、表面粗糙度和形位公差等級，以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動平穩(wěn)性和耐用性。
對油缸材料的可選空間很大，對其進(jìn)行篩選需要有足夠的耐心。對油缸的要求：1．要有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)壓力而不致產(chǎn)生永久變形；2．要有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝時的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲；3．內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向套的摩擦作用下，能長期工作而磨損很少，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性；4．最好還需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的時候不致產(chǎn)生裂紋或過大變形。最后我們選定各方面性能良好的45號鋼。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或熱軋無縫鋼管，現(xiàn)在國內(nèi)市場上已有內(nèi)孔經(jīng)珩磨或內(nèi)孔精加工的無縫鋼管賣，只需按所要求的長度切割即可。
本次設(shè)計(jì)雖然活塞與活塞桿采用了一體式設(shè)計(jì)，采用相同的材料，但對他們的工藝要求很不相同，所以分開來介紹。
由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能?；钊牧衔覀冞x用的是45號鋼。活塞外徑的配合一般采用f9的公差等級，外徑對內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半，內(nèi)孔的工作表面粗糙度Ra值選用0.16μm。
活塞桿要在導(dǎo)向套中滑動，一般采用H8/f7的配合。太緊了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滯現(xiàn)象和單邊磨損。其圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半。安裝活塞的軸徑與外圓的同軸度公差不大于0.01mm，是為了保證活塞缸外圓與活塞外圓的同軸度，以避免活塞與缸筒、活塞桿與導(dǎo)向套的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。
活塞桿的外圓粗糙度Ra值取0.16μm。太光滑了，表面無法形成油膜，反而不利于潤滑。為了提高耐磨性和防銹性，活塞桿表面需進(jìn)行鍍鉻處理，鍍層厚0.03～0.05mm，并進(jìn)行拋光或磨削加工。
活塞桿導(dǎo)向套裝在缸筒和支撐套的內(nèi)側(cè)，被限制在缸筒和支撐套的卡槽之內(nèi)，但不固定死。用以對活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒的密封。上方裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。如圖2.2-1所示：
圖2.2-1 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向套的材料我們選用的是摩擦系數(shù)較小、耐磨性好的青銅ZQSn-1。導(dǎo)向套外圓與缸筒內(nèi)孔工作表面的配合多為H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿外圓的配合也可采用H8/f7。外圓與內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.03mm，圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半。
本次設(shè)計(jì)中所有的密封裝置都采用的是O型密封圈。O型密封圈在往復(fù)運(yùn)動過程中，除了自密封作用外，由于壓力的作用和液體分子與金屬表面相互作用的結(jié)果，又業(yè)中所含的“極性分子”便在金屬便表面形成一個堅(jiān)固的邊界層油膜，且對軸產(chǎn)生很大的附著力。該油膜始終存在于密封件與往復(fù)運(yùn)動軸之間，從泄露的角度看，這是有害的，長時間的使用后會造成油液的泄露；但它對運(yùn)動密封面的再潤滑卻起到異常重要的作用。所用材料是橡膠。符合GB3452.1-82的標(biāo)準(zhǔn)。
千斤頂?shù)鬃c油缸之間的連接、光柵尺密封層與活塞之間的連接還有支撐套與油缸壁之間的連接件采用的都是沉頭內(nèi)六角螺釘。符合GB70-85的標(biāo)準(zhǔn)。工作臺與蓋板之間的連接和對油缸底蓋的頂升都采用了六角頭螺栓，并符合GB5783-86的標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 油缸與螺紋的校驗(yàn)
2.3.1油缸的壁厚校驗(yàn)
油缸的額定壓力Pn應(yīng)低于一定極限：
…………………………（2.3.1-1）
式中：Pn－額定工作壓力；
D1－油缸外徑，本次為175mm；
D－油缸內(nèi)徑，本次為147mm；
σS－油缸材料屈服強(qiáng)度。
油缸的材料為45號鋼，查表可得σS=360MPa；
由此可知上式 右邊=37.094 MPa
液壓缸最大工作載荷為20t，面積為7077.56mm2
…………(2.3.1-2)
其中：Wmax為最大工作載荷，本次為200000N。
經(jīng)校驗(yàn)，油缸壁所受壓力在許可范圍之內(nèi)。
2.3.2 鎖母螺紋牙剪切強(qiáng)度校驗(yàn)
螺紋牙的剪切應(yīng)力：
…………………………………………(2.3.2-1)
式中: F為千斤頂?shù)淖畲筝d荷，本次為200000N；
d為公差直徑；
b為螺紋牙根部寬度；
u為旋合圈數(shù)；
[τ]為材料許用剪切應(yīng)力
鎖母內(nèi)螺紋的公差直徑d設(shè)為160mm，
查表可得 螺距P為16mm，
梯形螺紋牙根寬度b=0.65P=10.4mm。
鎖母高度H為48mm，旋合圈數(shù)u=H/P=3
鎖母材料為45號鋼，查表可知這種材料的屈服極限σS為240Mpa，
許用應(yīng)力[σ]=σS/4=60Mpa，
材料許用剪切應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=36MPa
將以上數(shù)據(jù)代入式中，得τ=12.76MPa＜36MPa
經(jīng)檢驗(yàn)，鎖母的螺紋牙根的剪切強(qiáng)度在許用范圍之內(nèi)。
2.3.3鎖母螺紋牙的彎曲強(qiáng)度校驗(yàn)
螺紋牙的彎曲應(yīng)力：
………………………………………………………(2.3.3-1)
式中：l*為彎曲力臂;
[σb]為許用彎曲應(yīng)力。
鎖母內(nèi)螺紋的公差直徑d為160mm，查表可知螺紋中徑d2為152mm
彎曲力臂l*=(d-d2)/2=4mm，
許用彎曲應(yīng)力[σb]=1.2[σ]=72Mpa
經(jīng)計(jì)算σb=29.44MPa＜72Mpa．
經(jīng)校驗(yàn)螺紋牙的彎曲強(qiáng)度在許用范圍之內(nèi)。
2.4 液壓系統(tǒng)分析
液壓系統(tǒng)的主要功能是為千斤頂提供動力，通過換向裝置使千斤頂具有上升和下降的功能。為千斤頂?shù)恼９ぷ魈峁┍ＷC和保護(hù)措施。
由于該頂升系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，并配有壓力傳感器和光柵位移傳感器來檢測壓力信號和千斤頂?shù)奈灰屏?，所以可通過單片機(jī)控制油缸內(nèi)的壓力、進(jìn)油口的流量和活塞的運(yùn)動速度。這樣在一般液壓系統(tǒng)中常用到的節(jié)流閥、調(diào)速閥、背壓閥、減壓閥等元器件可不必使用到，液壓回路得到極大的簡化。
在液壓油路的進(jìn)油端設(shè)置一個溢流閥，給液壓系統(tǒng)提供雙重保護(hù)。在回油端設(shè)置一濾油器，保證油液清潔，可提高使用壽命。使用二位四通的電磁換向閥改變油路方向。為使液壓缸的運(yùn)動速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，我們在油缸的下腔進(jìn)油口處安裝一個平衡閥，該閥不但能保證千斤頂升降時都處于進(jìn)油調(diào)速狀態(tài)，同時還具有單向閥的功能，所以無論是停電還是破管時，平衡閥均能無泄漏的立即將下腔封閉，保證工件不會自由下滑。使千斤頂在停電狀態(tài)仍能可靠承載。
綜合上述觀點(diǎn)，我們將液壓原理圖設(shè)計(jì)如下：
如圖2.4-1所示，二位四通電磁換向閥的電磁鐵的工作狀態(tài)是由單片機(jī)控制的，當(dāng)換向閥電磁鐵通電時，換向閥左位接入系統(tǒng)，油液經(jīng)電磁換向閥和平衡閥進(jìn)入油缸下腔，使得千斤頂上升，再從油缸上腔流出，經(jīng)電磁換向閥和濾油器流回到油箱內(nèi)，這時平衡閥的作用相當(dāng)于一個單向閥；反之，當(dāng)換向閥電磁鐵斷電時，換向閥右位接入系統(tǒng)，油液經(jīng)換向閥流入油缸上腔，當(dāng)上腔壓力達(dá)到一定值時，平衡閥上位接入系統(tǒng)，這時平衡閥的作用相當(dāng)于一個節(jié)流閥，油液從油缸下腔流出，經(jīng)平衡閥、電磁換向閥和濾油器流回到油箱。從而實(shí)現(xiàn)了千斤頂升降換向功能，并具有過載保護(hù)和斷電保護(hù)的功能。
2.5 液壓泵與電動機(jī)的選擇
為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右。正常工作時千斤頂?shù)淖畲髩毫?8.656MPa。所以為滿足要求，泵的工作壓力為：
p=28.565/0.8=35.71 MPa
千斤頂?shù)淖畲筮\(yùn)動速度為60mm/min，液壓缸的有效面積為7077.56mm2。所以液壓泵向液壓缸提供的最大流量為：
q=7077.56x60/1000000=0.425L/min
若回路中的泄漏按液壓缸輸入流量的10%估計(jì)，則液壓泵的總流量為
Q=0.425x1.1=0.467L/min。
根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品目錄，最終確定所選液壓泵的型號為7631-R0.61。這種液壓泵的額定工作壓力為40MPa，流量為0.61L/min，完全符合工作要求。
千斤頂?shù)淖畲蠊ぷ鬏d荷為20t，即200000N，運(yùn)動速度為60mm/min，即0.001m/s。按液壓泵的總效率為0.75，，則液壓泵驅(qū)動電動機(jī)所需的功率為：
P=200000x0.001/0.75=0.266kW
根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱電動機(jī)產(chǎn)品目錄選用功率大于0.266kW的電動機(jī)。
2.6 超高壓泵站簡介
最后我們綜合考慮了液壓泵、電動機(jī)、液壓回路等因素后，選用BZ40-0.61型超高壓油泵站。這個油泵站的外形尺寸（mm）為650x370x765，主要部件包含有1 個HAWE公司生產(chǎn)的7631-R0.61液壓泵、1個二位四通的電磁換向閥與溢流閥組件，一個ABB公司生產(chǎn)的M2QA 90L4A型電動機(jī)、兩根63MPa高壓軟管和兩個軟管接頭。液壓泵的額定壓力為40Mpa，流量為0.61L/min，電動機(jī)的功率為1.5kW，所采用的工作介質(zhì)是Y-N32型抗磨液壓油，儲油量為45L。這種液壓油需要經(jīng)過過濾精度為0.5μm過濾后才能使用，這樣可提高同步系統(tǒng)的可靠性并延長泵站使用壽命。
選用這個超高壓的原因是站內(nèi)設(shè)有溢流閥和二位四通電磁換向閥組件，具有電動控制部分，使油泵站具備操作簡單、使用方便、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。
3 . 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
同步頂升系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以是微機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器等，考慮到本次設(shè)計(jì)的頂升系統(tǒng)僅有4個千斤頂，控制器需要進(jìn)行的運(yùn)算量不大，而且本系統(tǒng)提供的功能并不復(fù)雜，單片機(jī)MCS-51足以。所以從節(jié)省成本的角度出發(fā)選擇了單片機(jī)控制系統(tǒng)。
將本次單片機(jī)的控制系統(tǒng)劃分為以下幾個模塊：
圖3-1 單片機(jī)模塊圖
3.1 單片機(jī)的選用及功能介紹
MCS-51系列單片機(jī)是美國INTEL公司在1980年推出的8位單片微型計(jì)算機(jī)。其典型產(chǎn)品有8031、8051和8751三種機(jī)型，除片內(nèi)程序存儲器的容量不同外，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳完全相同。在此我們選用了較為常用的8051芯片。其引腳示意圖如圖3.1-1所示：MCS-51系列單片機(jī)由微處理器、存儲器、定時器/計(jì)數(shù)器、串行和并行的I/O接口、中斷系統(tǒng)合振蕩器構(gòu)成。
8051的P0.0～P0.7這8根引腳采用分時復(fù)用的方法作低8位地址線與雙向8位數(shù)據(jù)線；P2.0～P2.4這5根引腳在訪問片外存儲器或擴(kuò)展I/O接口時，提供高位地址；P2.5～P2.7和P1.0這4根引腳接2片74LS138譯碼器，產(chǎn)生片選信號；引腳ALE接地址鎖存器74LS373、8155、8279和SA4828的使能端；EA/VPP端因不訪問片內(nèi)存儲器而接地；X1、X2接6MHz的晶振；RESET端接重啟電路。
圖3.1-1 MCS-51芯片引腳示意圖
3.2 片外存儲器功能簡介
片外存儲器擴(kuò)展包括程序存儲器（ROM）擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴(kuò)展。
MCS-51系列單片機(jī)具有64KB的程序存儲空間，其中8051、8071片內(nèi)有4KB的程序存儲器，8031片內(nèi)無程序存儲器。當(dāng)采用8051、8071型單片機(jī)而程序超過4KB，或采用8031單片機(jī)時，就需對程序存儲器進(jìn)行外部擴(kuò)展。
外部程序存儲器的擴(kuò)展原理如圖3.2-1所示：
指令
EPROM
P0口
ALE
P2口
數(shù)據(jù)輸出
鎖存器
數(shù)據(jù)輸入
圖3.2-1 外部程序存儲器擴(kuò)展原理圖
外部程序存儲器可選用EPROM、EPROM、PAGED EPROM和KEPROM等。紫外線擦除電可編程只讀存儲器EPROM，典型產(chǎn)品有Intel公司的系列芯片2716（2K8位）、2732A（4K8位）、2764A（8K8位）、27128A（16K8位）、27256（32K8位）和27512（64K8位）等，在這些芯片上均設(shè)有一個玻璃口，在紫外線下照射20分鐘左右，存儲中的各位信息均變?yōu)?。以后通過編程器可將這些程序固化到這些芯片中。
Intel 2764是8K8位的EPROM，單一+5V供電，最大工作電流為140mA，維持電流60 mA，其24腳的管腳及原理框圖見圖2-6。由于片內(nèi)編程所需要的高壓脈沖產(chǎn)生電路，因此無需外加編程電源和寫入脈沖。
8031單片機(jī)內(nèi)部僅有128個字節(jié)RAM存儲器，而CPU對內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。如在實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠內(nèi)部的RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM兩種。以下為靜態(tài)RAM與MCS-51的接口
外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展方法如圖3.2-2所示：
D～D
地址
RAM
P0口
ALE
P2口
鎖存器
譯 碼
圖3.2-2 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展原理圖
8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM最為常用，因?yàn)檫@種這種存儲器無需考慮刷新問題。但是與動態(tài)RAM相比，需要消耗較大的功率，價格也較高。下面對本文中所涉及的6264為例，介紹靜態(tài)RAM的擴(kuò)展。
6264是8K 8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲芯片，采用CMOS工藝制造，單一+5V供電，額定功率200mW，典型存儲時間200ns，為28線雙列直插式封裝。6264的A～A這13條地址線與鎖存器的輸出及P2口對應(yīng)線相連，6264的D～D這8條數(shù)據(jù)線與8031的P0口對應(yīng)相連，6264的和與8031的和對應(yīng)，CS接高電平。
按照這種片選方式，6264的8KB地址范圍不唯一，6000H～7FFFH是一種地址范圍。當(dāng)向該片6000H單元寫有個數(shù)據(jù)DATA時，可用如下指令：
MOV A，#DATA
MOV DPTA，#6000H
MOVX @DPTR，A
從7FFFH單元讀一個數(shù)據(jù)時，可用如下指令：
MOV DPTR，#7FFFH
MOVX A，@DPTR
上面討論的是8031擴(kuò)展一片EPROM或RAM的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要擴(kuò)展多片EPROM或RAM。本次設(shè)計(jì)要擴(kuò)展8K8位的EPROM和8K8位的RAM各3片。當(dāng)CPU通過指令MOVC A，@A+DPTR發(fā)出讀EPROM操作時，P2、P0發(fā)出的地址信號應(yīng)能選擇其中一片的一個存儲單元，即8片2764不應(yīng)該同時被選中，這就是所謂的片選。我們采用了地址法譯碼，譯碼芯片為2片74LS138。總共可提供16個片選信號。
3.3 顯示部分設(shè)計(jì)
顯示設(shè)備有CRT、LCD、LED等，我們選用的是功能簡單的LED數(shù)碼管顯示器。
LED顯示器由7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有小數(shù)點(diǎn)dp。將7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個字段的陽極為高電平時，對應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。如下圖所示
點(diǎn)亮LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個8位輸出口控制，占有硬件較多，一般僅用于顯示器位數(shù)較少的場合。
圖3.3-1 數(shù)碼管的引腳示意圖
所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。顯示位的亮度顯示位的亮度跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。動態(tài)顯示器因?yàn)槠涑杀据^低，多數(shù)顯示撕常常采用。為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼（或稱字形代碼），組成一個“8”字形的7段，再加上一個小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供LED顯示器的顯示段碼為一個字節(jié)。各段碼位的對應(yīng)關(guān)系如表3.3-1：
表3.3-1
段碼位
D
D
D
D
D
D
D
顯示位
dp
g
f
e
d
c
b
a
LED要正常工作需要通過I/O接口芯片8155與8051相連。
8155芯片內(nèi)具有256個字節(jié)的RAM，兩個8位、一個6位的可編程I/O和一個14位計(jì)數(shù)器，與MCS-51接口簡單，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的芯片
8155的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3-2所示。
圖3.3-2 8155的邏輯結(jié)構(gòu)圖和引腳示意圖
在8155內(nèi)部具有：
（1）256字節(jié)的靜態(tài)RAM，存取時間為400ns。
（2）三個通用的輸入/輸出口。
（3）一個14位的可編程定時/計(jì)數(shù)器。
（4）地址鎖存器及多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線。
（5）單一+5V電源，40腳雙列直插式封裝。
8155可以和MCS-51直接相連，見附圖所示。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
定時器低位：0204H
定時器高位：0205H
6位LED顯示器和8155的接口邏輯見附錄圖所示。設(shè)8051RAM中有6個顯示緩沖單元79H～7EH，分別存放6位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8155的A口掃描輸出總有一位為高電平，8155的B口輸出相應(yīng)位的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使每一位顯示出一個字符，其余位為暗，依次改變A口輸出的餓高電平位及B口輸出對應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6位顯示器就顯示出緩沖器的顯示字符。程序清單如下：
DIR： MOV R0，#79H ；顯示緩沖區(qū)首址送R0
MOV R3，#01H ；使顯示器最右邊位亮
MOV A，R3
LD0： MOV DPTR，#0101H ；掃描值送入PA口
MOVX @DPTR，A
INC DPTR ；指向PB口
MOV A，@R0 ；取顯示數(shù)據(jù)
MOV A，#12H ；加上偏移量
MOVX A，@A+PC ；取出字形
MOVX @DPTR，A ；送出顯示
ACALL DL1 ；延時
INC R0 ；緩沖區(qū)地址加1
MOV A，R3 ；
JB ACC.5，LD1 ；掃到第6個顯示位了嗎？
RL A ；沒有，R3左環(huán)移一位，掃描下一個顯示位
MOV R3，A
AJMP LD0
LD1： RET
DSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；顯示段碼表
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 ；延時子程序
DL： MOV R6，#0FFH
DL6：DJNZ R6，DL6
DJNZ R7，DL
RET
3.4 鍵盤部分設(shè)計(jì)
鍵盤共設(shè)有32個鍵，由4條行線8條列線組成開關(guān)矩陣。對于開關(guān)矩陣的接法大多數(shù)單片機(jī)的入門教科書上大多是采用8155作為鍵盤I/O的接口芯片，但8155芯片不具備中斷請求輸出端，于是不得不采用鍵盤掃描程序不斷的檢測是否有按鍵被使用，這樣就給單片機(jī)造成了很大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，運(yùn)算量較大時有可能造成系統(tǒng)無法響應(yīng)，所以我們在這里選用了專門用于鍵盤連接的8279芯片。
8279芯片的引腳示意圖如圖3.4-1所示：
圖3.4-1 8279的引腳示意圖
8279采用單一＋5V電源供電，40腳封裝。
DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線，用來傳送8279與CPU之間的數(shù)據(jù)和命令。
CLK:時鐘輸入線，用以產(chǎn)生內(nèi)部定時的時鐘脈沖。
RESET:復(fù)位輸入線，8279復(fù)位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點(diǎn)回彈型式，程序時鐘前置分頻器被置為31,RESET信號為高電平有效。
CS:片選輸入線，低電平有效，單片機(jī)在CS端為低時可以對8279讀/寫操作。
A0:緩沖器低位地址，當(dāng)A0為高電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)， 當(dāng)為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當(dāng)為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。
RD:讀信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線。
WR:寫信號輸入線，低電平有效，將緩立器讀出,將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入8279的緩沖器。
IRQ:中斷請求輸出線，高電平有效，在鍵盤工作方式下，當(dāng)FIFO/傳感器RAM中有數(shù)據(jù)時，此中斷線變?yōu)楦唠娖?，在FIFO/傳感器RAM每次讀出時，中斷線就下降為低電平，若在RAM中還有信息，則此線重又變?yōu)楦唠娖?。在傳感器工作方式中?每當(dāng)探測到傳感器信號變化時，中斷線就變?yōu)楦唠娖健?
SL0～SL3:掃描線，用來掃描按鍵開關(guān)，傳感器陣列和顯示數(shù)字， 這些可被編程或被譯碼。
RL0～RL7:回送線，經(jīng)過按鍵或傳感器開關(guān)與掃描線聯(lián)接， 這些回送線內(nèi)部設(shè)置有上拉電路，使之保持為高電平，只有當(dāng)一個按閉合時，對應(yīng)的返回線變?yōu)榈碗娖?；無按鍵閉合時，均保持高電平。
SHIFT:換位功能，當(dāng)有開關(guān)閉合時被拉為低電平，沒有按下SHIFT開關(guān)時，SHIFT輸入端保持高電平，在鍵盤掃描方式中，按鍵一閉合，按鍵位置和換位輸入狀態(tài)一起被存貯起來。
CNTL/STB:當(dāng)CNTL/STB開關(guān)閉合時將其拉到低電平，否則始終保持高電平， 對于鍵盤輸入方式，此線用作控制輸入端，當(dāng)鍵被按下時，按鍵位置就和控制輸入狀態(tài)一起被存貯起來，在選通輸入方式中，作選通用，把數(shù)據(jù)存入FIFO RAM中。
OUTA3～OUTA0及OUTB3～OUTB0:顯示輸出A口及B口，這兩個口是16×4切換的數(shù)字顯示。這兩個端口可被獨(dú)立控制，也可看成一個8位端口。
BD:空格顯示,此輸出端信號用于在數(shù)字轉(zhuǎn)換時將顯示空格或者用顯示空格命令控制其顯示空格字符。
VCC:＋5V電源輸入線。
VSS:地線輸入線。
3.5 交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)
交流異步電動機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、維護(hù)方便的特點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。與其他種類電動機(jī)相比，交流異步電動機(jī)的市場占有量始終第一位。
然而，長期以來，交流異步電動機(jī)的調(diào)速始終是一個不好解決的難題。直到20世紀(jì)70年代，由于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，以及近20年來新型快速的電力電子原件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動機(jī)調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。目前，交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類、傳帶機(jī)、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的動力源或運(yùn)動源，并起到節(jié)約電能、提高設(shè)備自動化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的良好效果。因此，交流異步電動機(jī)調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代自動控制專業(yè)技術(shù)人員必須要掌握的知識。現(xiàn)代流行的交流異步電動機(jī)調(diào)速控制方法是變頻變壓法（VVVF）。這種調(diào)速方法的原理比較簡單，而且有20多年比較成熟的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，因此應(yīng)用得較多，市場上也有較多的相關(guān)產(chǎn)品。
3.5.1 交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由式(3.5.1)表示：
………………………………………………(3.5.1)
式中: n--電動機(jī)轉(zhuǎn)速
p--電動機(jī)磁極對數(shù)
f--電源頻率
s--轉(zhuǎn)差率
由上式可知，影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動機(jī)的磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。
3.5.2主電路和逆變電路工作原理
變頻調(diào)速實(shí)質(zhì)上是向交流異步電動機(jī)提供一個頻率可控的電源。能實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，即先將交流電轉(zhuǎn)變成直流電（整流、濾波），再將直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的矩形波交流電（逆變）。圖3.5.2-1是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。
圖3.5.2-1 電壓型交-直-交變頻調(diào)速主田路
（1）.主電路中各元件的功能
主電路中各元件的功能如下。
交-直電路
整流管D1～D6組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的直流電壓
U=1.35 x 380V = 513V
濾波電容Cr濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時保持電壓平穩(wěn)。
當(dāng)變頻器通電時，瞬時沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件，加限流電阻Ra。延時一段時間后，通過控制電路使開關(guān)JK閉合，將限流電阻短路。
電源指示燈LP除了指示電源通斷外，還可以在電源斷開時，作為濾波電容Cr放電通路和指示。濾波電容Cr容量通常很大；所以放電的時間較長（數(shù)分鐘），幾百伏的高電壓會威脅人員安全，因此，在維修時要等指示燈熄滅后進(jìn)行。
Rc是制動電阻。電動機(jī)在制動過程中處于發(fā)電狀態(tài)，由于電路是處在斷開情況下，增加的電能無處釋放，使電路電壓不斷升高，將會損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個放電通路，使這部分再生電流耗在電阻Rc上。制動時，通過控制電路使開關(guān)管Tc導(dǎo)通，形成放電通路。
直-交電路
逆變開關(guān)管T1～T6組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管IGBT、功率效應(yīng)管MOSFET。
續(xù)流二極管D7～D12的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突變將為0，但由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二級管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機(jī)制動時，續(xù)流二級管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。
電阻R1～R6、電容C1～C6、二極管D13～D18組成緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流Ic和集電極與發(fā)射極間電壓VCE的沖擊，如圖所示，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時，VCE迅速升高，Ic迅速降低，過高增長率的電壓對逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容（C1～C6）來減少電壓增長率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時，VCE迅速降低，而Ic則迅速升高，并聯(lián)在逆變開光管兩端的電容（C1～C6)由于電壓降低，將通過逆變開關(guān)管放電，這將加速電流Ic的增長率，造成逆變開光管的損壞。所以增加電阻（R1～R6），限制電容的放電電流。可是當(dāng)逆變開光管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電容的充電。為了解決這個矛盾，在電子兩端并聯(lián)二極管（D13～D18），使電容在充電時，避開電阻，通過二極管充電，在放電時，通過電子放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。
（2）.三相逆變橋的工作原理
三相逆變橋的電路簡圖如圖3.5.2-2（a）所示，圖中R、Y、B為逆變橋的輸出。圖3.5.2-2（b）是各逆變管導(dǎo)通的時序，其中深色部分表示逆變導(dǎo)管。圖3.5.2-2（b）可以看出，每一時刻總能有3只逆變管導(dǎo)通，另3只逆變管關(guān)斷；并且T1與T4、T2與T5、T3與T6每對逆變管不能同時導(dǎo)通。
圖3.5.2-2 電路簡圖和逆變管通斷時序
在t1時間段,T1、T3、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從B到Y(jié)（設(shè)從R到Y(jié)、從Y到B、從B到R為正方向），得到線電壓為URY和-UYB。
在t2時間段，T1、T5、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從R到B，得到的線電壓為URY和-UBR。
在t3時間段，T1、T2、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到B和從Y到B，得到的線電壓為-UBR和UYB。
在t4時間段，T2、T4、T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從Y到B，得到的線電壓為-URY和UYB。
在t5時間段，T2、T3、T4這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從B到R，得到的線電壓為-URY和UBR。
在t6時間段，T3、T4、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從B到R和從B到Y(jié)，得到的線電壓為UBR和-UYB。
線電壓URY、UYB、UBR的波形見圖3.5.2-3。從圖中可以看出，三者之間互差120，它們的幅值是U。
圖3.5.2-3 逆變輸出線電壓波形
因此，只要按圖的規(guī)律控制6只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相交流電；而絕、形波三相交流電的頻率可在逆變是受到控制。
然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分，將使交流異步電動機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等不利結(jié)果。為了使輸出的波形接近正弦波，可采用正弦脈寬調(diào)制波。
3.5.3 變頻與變壓
由前面的敘述可知改變電源頻率可達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但實(shí)際上當(dāng)交流異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時，必定會造成通過電動機(jī)鐵芯的磁通量的改變。由于電動機(jī)的磁通容量與電動機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)時與達(dá)到最大容量，因此，當(dāng)磁通量增加時，將產(chǎn)生磁飽和，造成實(shí)際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機(jī)械特性。
為了解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使
E / f = KΦ = 常數(shù)
這就要求，當(dāng)電動機(jī)改變電源頻率f時，E與應(yīng)該作相應(yīng)的變化，來維持它們的比值不變。由于阻抗上產(chǎn)生的壓降相對于加在繞組端的電源電壓U很小，可略去。則：
U ≈ E
這就說明可以通過調(diào)節(jié)電壓U，使其跟隨頻率f的變化的方法達(dá)到使磁通恒定不變的目的，從而調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
怎樣實(shí)現(xiàn)變頻的同時也變壓？我們采用的方法是脈寬調(diào)制（PWM）。將圖3.5.2-3所示的一個周期的輸出波形用一組等寬脈沖波來表示，如圖3.5.3-1所示。
圖3.5.3-1 含有等寬載波的脈寬調(diào)制波形
如圖3.5.2-3所示，買個脈沖的寬度為t1,相鄰脈沖的間隔為t2，t1+t2=Tz(脈沖周期)。則等寬脈沖的占空比α為
α=t1/（t1+t2）
調(diào)節(jié)占空比α，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié)PWM波的頻率1/T，就可以改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過控制電路，可以容易的實(shí)現(xiàn)對脈沖波的占空比和PWM波的頻率分別進(jìn)行調(diào)整。
但是，雖然實(shí)現(xiàn)了變頻與變壓，可是逆變電路輸出的電壓波形仍然是一組矩形波，而不是正弦波，仍然存在許多高次諧波的成分，因此還要進(jìn)行改變。
一種方法是將等寬的脈沖波變成寬度漸變的脈沖波，其寬度變化規(guī)律應(yīng)符合正弦波的變化規(guī)律，如圖所示。我們把這樣的波稱為正弦脈寬調(diào)制波，簡稱SPWM波。SPWM波大大地減少了諧波成分，可以得到基本滿意的效果。
產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的方法是：用一組等腰三角形波與一個正弦波進(jìn)行比較，如圖所示，其相等的時刻（即交點(diǎn)）作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。
圖3.5.3-2 SPWM波形生成方法
將這組等腰三角形波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波。正弦波的頻率和扶植時刻控制的，如圖3.5.3-2所示，改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變了輸出電壓。
3.5.4 電動機(jī)與單片機(jī)的接口
在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這3項(xiàng)參數(shù)中，不論哪一項(xiàng)發(fā)生變化時，都使得載波與調(diào)制波的交點(diǎn)發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時，都要重新計(jì)算交點(diǎn)的坐標(biāo)。顯然，單片機(jī)的計(jì)算能力和速度不足以勝任這項(xiàng)任務(wù)。過去通常的作法是：對計(jì)算做一些簡化，并事先計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)，將其制成表格，使用時進(jìn)行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機(jī)的負(fù)擔(dān)也很重。
為了使單片機(jī)從這一沉重的負(fù)擔(dān)中解脫出來，近些年來，一些廠商推出了專用于生成三相或單項(xiàng)SPWM波控制信號的大規(guī)模集成電路芯片，如HEF4752、SLE4520、SA4828等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，使單片機(jī)可以空出大量的時間用于檢測和監(jiān)控。在本次設(shè)計(jì)中，我們采用的便是SA4828 三相SPWM波控制芯片。
SA4828時MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成芯片。它既可以單獨(dú)使用，也可以與大多數(shù)型號的單片機(jī)接口。該芯片的主要特點(diǎn)為：全數(shù)字控制；兼容INTEL系列和MOTOROLA系列單片機(jī)；輸出調(diào)制波頻率范圍0～4kHz；16位調(diào)速分辨率；載波頻率最高可達(dá)24kHz；內(nèi)部ROM固化3種可選波形；可選最小脈寬和延遲時間（死區(qū)）；可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載；看門狗定時器。
SA4828采用28腳的DIP和SOIC封裝。其引腳如圖3.5.4-1所示。
SA4828的各引腳功能如下：
AD0～AD7：地址或數(shù)據(jù)輸入通道。
SETTRIP：通過該引腳，可以快速關(guān)斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。
RESET：硬件復(fù)位引腳，低電平有效。復(fù)位后，寄存器的INH、CR、WTE和RST各位為0。
圖3.5.4-1 SA4828的引腳示意圖
CLK：時鐘輸入端，SA4828既可以單獨(dú)外接時鐘，也可以與單片機(jī)公用時鐘。
MUX：用于總線選擇。當(dāng)MUX高電平時，使用地址與數(shù)據(jù)共用總線，這時，地址/數(shù)據(jù)引腳RS不用；當(dāng)MUX低電平時，使用地址與數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存引腳ALE接低電平，RS引腳要與一條地址線相連，來區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。
CS：片選引腳。
WR、RD、ALE：用于“RD/WR”模式，分別接收寫、讀、地址鎖存指令。
R/W、AS、DS：用于“R/W”模式，分別接收讀/寫、地址、數(shù)據(jù)指令。
RPHB、YPHB、BPHB：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的下臂開關(guān)管。
RPHT、YPHT、BPHT：這些引腳通過驅(qū)動電路控制逆變橋的R、Y、B相的上臂開關(guān)管。
它們都是標(biāo)準(zhǔn)TTL輸出，每一