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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 設計要求及工作內(nèi)容 6
1.6 目標、主要特色及工作進度 7
2． 機械結構與液壓傳動系統(tǒng)設計 7
2.1系統(tǒng)結構分析 7
2.2 千斤頂零部件分析 9
2.3 油缸與螺紋的校驗 12
2.3.1油缸的壁厚校驗 12
2.3.2 鎖母螺紋牙剪切強度校驗 13
2.3.3鎖母螺紋牙的彎曲強度校驗 14
2.4 液壓系統(tǒng)分析 14
2.5 液壓泵與電動機的選擇 15
2.6 超高壓泵站簡介 16
3 . 單片機控制系統(tǒng)設計 17
3.1 單片機的選用及功能介紹 17
3.2 片外存儲器功能簡介 18
3.3 顯示部分設計 21
3.4 鍵盤部分設計 25
3.5 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) 27
3.5.1 交流異步電動機變頻調(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 位移檢測部分的設計 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的接口設計 40
3.7 位移傳感器部分的設計 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的接口設計 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)設置與仿真參數(shù)設置 62
5.4.3 系統(tǒng)仿真與分析 64
6.結論 67
7.致謝 68
8. 參考文獻 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確的提升至預定位置則成為最難解決的問題，這時傳統(tǒng)的千斤頂和起重機等設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)應運而生，并在建筑、機械加工、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、復雜工作表面的工件的能力，并具有同步升降、點動升降、連續(xù)升降、側翻仰俯等功能的機電一體化設備。其控制系統(tǒng)可以是微機、單片機、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、結構簡單、控制方便、使用靈活等優(yōu)點被廣泛的用于電力、建筑、機械制造、礦山、鐵路橋梁、造船等多種行業(yè)中，在設備安裝、起頂拆卸、靜力壓樁、設備校調(diào)、基礎沉降等工作崗位發(fā)揮了重要的作用?；趩纹瑱C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)點使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領域都有很高的使用度。其重要性不言而喻，對其進行研究和開發(fā)具有很大的市場空間和實用價值。
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)點使得其在中小企業(yè)、民營單位甚至輕工業(yè)領域都有很高的使用度。美國實用動力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 服務公司就采用了 ENERPAC（恩派克）提供的同步頂升液壓系統(tǒng) 成功地完成了重達 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個高精度頂升點的計算機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定高度并順利完成平移任務。
我國在這領域起步雖晚，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200噸、面積相當于籃球場大的上游人字閘門安裝就位。此舉標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鍵基礎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眾望，順利完成任務，其同步頂升精度≤0.03mm，達到國際先進水平。我國浙江省海鹽縣有“千斤頂之鄉(xiāng)”的美譽。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800萬臺以上，銷量位居世界前列。
1.3 單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
單片機，就是單片微型計算機的簡稱，又稱微控制器。自上世紀70年代面世以來不過短短30余年的歷史，但因嵌入式應用而得到迅猛的發(fā)展，各種新穎的單片機層出不窮，令人目不暇接。它具有因體積小、成本低、控制能力強等優(yōu)點，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)，廣泛的應用于家用電器、機器人、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多個品種的單片機產(chǎn)品。與早期經(jīng)典的8位單片機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?，F(xiàn)代科技的發(fā)展使得單片機的功能正日漸完善:
1、單片機集成越來越多資源，內(nèi)部存儲資源日益豐富，用戶不需要擴充資源就可以完成項目開發(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、單片機抗干擾能力加強，使的它更加適合工業(yè)控制領域，具有更加廣闊的市場前景。
3、單片機提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開發(fā)進程，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)試變的非常復雜，同時由于單片機資源有限，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)提供了強大功能，加速了開發(fā)進程，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，使得單片機系統(tǒng)的調(diào)試與開發(fā)變得更加方便、快速。
隨著單片機的發(fā)展，人們對事物的要求越來越高，單片機的應用軟件技術也發(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，結構性，而且對于跨平臺的移植也提供了方便，另外一些復雜的系統(tǒng)開始在單片機上采用操作系統(tǒng)，一些小的嵌入式實時操作系統(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，另外也為更復雜的實現(xiàn)提供了可能。當前比較流行的RTOS有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS等等。
本次設計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、單片機和可編程控制器的成本、控制的難易程度和結構化布線等因素后，也擬定采用單片機進行控制。
1.4 PID控制算法的發(fā)展概況
PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、積分、微分，指的是一項流行的線性控制策略。由于在工業(yè)生產(chǎn)過程的實際控制中，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，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化的適應能力，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、微分進行控制（PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術最成熟、應用最為廣泛的一種控制技術。它結構簡單、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飛速發(fā)展的今天仍然具有強大的生命力，在長期應用中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。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，在這種情況下，PID控制就更顯示它的威力。其應用經(jīng)久不衰，應用范圍越來越廣泛，改進方法也越來越多。二十世紀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、積分和微分進行控制是過程控制中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行經(jīng)驗和理論分析都充分證明，這種控制規(guī)律在相當多的工業(yè)對象的控制中是可以得到較滿意的控制效果的，在計算機控制系統(tǒng)里首先采用的控制算式也是PID。
1.5 設計要求及工作內(nèi)容
1.由單片機控制四個液壓千斤頂以設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定。
2.設計具有位置檢測功能的液壓千斤頂。
3.設計千斤頂?shù)囊簤夯芈贰?
4.設計單片機控制系統(tǒng)的電路。
5.設計相關控制算法。
6.使用MATLAB進行仿真試驗。
1.6 目標、主要特色及工作進度
目標：設計一個由液壓驅(qū)動，單片機控制，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、結構簡單、控制方便，具有很高的實用價值和市場空間。
2． 機械結構與液壓傳動系統(tǒng)設計
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。
我們所設計的四頂頂升系統(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、實用性、使用舒適度等因素，我們最終選用了技術比較成熟的液壓系統(tǒng)。
2.1系統(tǒng)結構分析
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構原型，并在此基礎上針對液壓千斤頂?shù)氖褂锰匦赃M行調(diào)整。
為了適應復雜工作表面的工件，千斤頂?shù)墓ぷ髋_與活塞桿應采用轉(zhuǎn)動連接副相連。當頂升系統(tǒng)工作時，液壓千斤頂工作臺可隨工件表面形狀進行自由轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，所以設計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，采用鎖母來提供機械支撐，當活塞上升時，鎖母隨其同步上升，到達預定位置后，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。
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400mm，當工作臺旋轉(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。所以有必要設計一個支撐套進行保護。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。螺桿長度比實際所需的長3～5mm，可通過增加墊片的方法達到使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，可能會因操作不當而對千斤頂?shù)鬃斐奢^大沖擊，導致整個系統(tǒng)遭到破壞。所以底座采用具有較高強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、導向套等零件構成密封的容器，用于容納壓力油液，同時還是活塞的運動軌道。所以設計油缸時，應該正確的確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊力；缸筒的內(nèi)表面應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、運動平穩(wěn)性和耐用性。
對油缸材料的可選空間很大，對其進行篩選需要有足夠的耐心。對油缸的要求：1．要有足夠的強度，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。
本次設計雖然活塞與活塞桿采用了一體式設計，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滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，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，使液壓缸達不到要求的設計性能?；钊牧衔覀冞x用的是45號鋼?；钊鈴降呐浜弦话悴捎胒9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，活塞桿表面需進行鍍鉻處理，鍍層厚0.03～0.05mm，并進行拋光或磨削加工。
活塞桿導向套裝在缸筒和支撐套的內(nèi)側，被限制在缸筒和支撐套的卡槽之內(nèi)，但不固定死。用以對活塞桿進行導向，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 導向套的設計
導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。
本次設計中所有的密封裝置都采用的是O型密封圈。O型密封圈在往復運動過程中，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果，又業(yè)中所含的“極性分子”便在金屬便表面形成一個堅固的邊界層油膜，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運動軸之間，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的標準。
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的標準。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的標準。
2.3 油缸與螺紋的校驗
2.3.1油缸的壁厚校驗
油缸的額定壓力Pn應低于一定極限：
…………………………（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，油缸壁所受壓力在許可范圍之內(nèi)。
2.3.2 鎖母螺紋牙剪切強度校驗
螺紋牙的剪切應力：
…………………………………………(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]為材料許用剪切應力
鎖母內(nèi)螺紋的公差直徑d設為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，
許用應力[σ]=σS/4=60Mpa，
材料許用剪切應力[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，鎖母的螺紋牙根的剪切強度在許用范圍之內(nèi)。
2.3.3鎖母螺紋牙的彎曲強度校驗
螺紋牙的彎曲應力：
………………………………………………………(2.3.3-1)
式中：l*為彎曲力臂;
[σb]為許用彎曲應力。
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，
許用彎曲應力[σb]=1.2[σ]=72Mpa
經(jīng)計算σb=29.44MPa＜72Mpa．
經(jīng)校驗螺紋牙的彎曲強度在許用范圍之內(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和保護措施。
由于該頂升系統(tǒng)采用單片機控制，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?，所以可通過單片機控制油缸內(nèi)的壓力、進油口的流量和活塞的運動速度。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。
在液壓油路的進油端設置一個溢流閥，給液壓系統(tǒng)提供雙重保護。在回油端設置一濾油器，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，我們將液壓原理圖設計如下：
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)是由單片機控制的，當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于一個單向閥；反之，當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，當上腔壓力達到一定值時，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。從而實現(xiàn)了千斤頂升降換向功能，并具有過載保護和斷電保護的功能。
2.5 液壓泵與電動機的選擇
為了保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設備系統(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\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，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)查閱電動機產(chǎn)品目錄選用功率大于0.266kW的電動機。
2.6 超高壓泵站簡介
最后我們綜合考慮了液壓泵、電動機、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、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。
3 . 單片機控制系統(tǒng)設計
同步頂升系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以是微機、單片機、可編程控制器等，考慮到本次設計的頂升系統(tǒng)僅有4個千斤頂，控制器需要進行的運算量不大，而且本系統(tǒng)提供的功能并不復雜，單片機MCS-51足以。所以從節(jié)省成本的角度出發(fā)選擇了單片機控制系統(tǒng)。
將本次單片機的控制系統(tǒng)劃分為以下幾個模塊：
圖3-1 單片機模塊圖
3.1 單片機的選用及功能介紹
MCS-51系列單片機是美國INTEL公司在1980年推出的8位單片微型計算機。其典型產(chǎn)品有8031、8051和8751三種機型，除片內(nèi)程序存儲器的容量不同外，其內(nèi)部結構與引腳完全相同。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系列單片機由微處理器、存儲器、定時器/計數(shù)器、串行和并行的I/O接口、中斷系統(tǒng)合振蕩器構成。
8051的P0.0～P0.7這8根引腳采用分時復用的方法作低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
片外存儲器擴展包括程序存儲器（ROM）擴展和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴展。
MCS-51系列單片機具有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。當采用8051、8071型單片機而程序超過4KB，或采用8031單片機時，就需對程序存儲器進行外部擴展。
外部程序存儲器的擴展原理如圖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。如在實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠內(nèi)部的RAM是遠遠不夠的，因此必須擴展外部數(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)存儲器的擴展原理圖
8031單片機應用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM最為常用，因為這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的擴展。
6264是8K 8位的靜態(tài)隨機存儲芯片，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口對應線相連，6264的D～D這8條數(shù)據(jù)線與8031的P0口對應相連，6264的和與8031的和對應，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擴展一片EPROM或RAM的方法。在實際應用中，可能需要擴展多片EPROM或RAM。本次設計要擴展8K8位的EPROM和8K8位的RAM各3片。當CPU通過指令MOVC A，@A+DPTR發(fā)出讀EPROM操作時，P2、P0發(fā)出的地址信號應能選擇其中一片的一個存儲單元，即8片2764不應該同時被選中，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 顯示部分設計
顯示設備有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dp。將7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當某個字段的陽極為高電平時，對應的字段就點亮。如下圖所示
點亮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，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，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亮各位顯示器。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示位的亮度顯示位的亮度跟導通電流有關，也和點亮時間和間隔時間的比例有關。動態(tài)顯示器因為其成本較低，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)點位，共計8段，因此提供LED顯示器的顯示段碼為一個字節(jié)。各段碼位的對應關系如表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位計數(shù)器，與MCS-51接口簡單，是單片機應用系統(tǒng)中使用最廣泛的芯片
8155的結構框圖如圖3.3-2所示。
圖3.3-2 8155的邏輯結構圖和引腳示意圖
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 鍵盤部分設計
鍵盤共設有32個鍵，由4條行線8條列線組成開關矩陣。對于開關矩陣的接法大多數(shù)單片機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，這樣就給單片機造成了很大的運算負擔，運算量較大時有可能造成系統(tǒng)無法響應，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:復位輸入線，8279復位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點回彈型式，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，單片機在CS端為低時可以對8279讀/寫操作。
A0:緩沖器低位地址，當A0為高電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)， 當為低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當為低電平時，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，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與掃描線聯(lián)接， 這些回送線內(nèi)部設置有上拉電路，使之保持為高電平，只有當一個按閉合時，對應的返回線變?yōu)榈碗娖剑粺o按鍵閉合時，均保持高電平。
SHIFT:換位功能，當有開關閉合時被拉為低電平，沒有按下SHIFT開關時，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CNTL/STB開關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 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)
交流異步電動機因為結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、維護方便的特點，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應用。與其他種類電動機相比，交流異步電動機的市場占有量始終第一位。
然而，長期以來，交流異步電動機的調(diào)速始終是一個不好解決的難題。直到20世紀70年代，由于計算機的產(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調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。目前，交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛用于數(shù)控機床、風機、泵類、傳帶機、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設備的動力源或運動源，并起到節(jié)約電能、提高設備自動化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的良好效果。因此，交流異步電動機調(diào)速技術是現(xiàn)代自動控制專業(yè)技術人員必須要掌握的知識。現(xiàn)代流行的交流異步電動機調(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，因此應用得較多，市場上也有較多的相關產(chǎn)品。
3.5.1 交流異步電動機變頻調(diào)速原理
根據(jù)電機學理論，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可由式(3.5.1)表示：
………………………………………………(3.5.1)
式中: n--電動機轉(zhuǎn)速
p--電動機磁極對數(shù)
f--電源頻率
s--轉(zhuǎn)差率
由上式可知，影響電動機轉(zhuǎn)速的因素有：電動機的磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電動機調(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)速實質(zhì)上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(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，并在負載變化時保持電壓平穩(wěn)。
當變頻器通電時，瞬時沖擊電流較大，為了保護電路元件，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行。
Rc是制動電阻。電動機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管Tc導通，形成放電通路。
直-交電路
逆變開關管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、功率效應管MOSFET。
續(xù)流二極管D7～D12的作用是：當逆變開關管由導通狀態(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，當電動機制動時，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，來保護逆變開關管。由于開關管在開通和關斷時，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行緩解。當逆變開關管關斷時，VCE迅速升高，Ic迅速降低，過高增長率的電壓對逆變開關管造成危害，所以通過在逆變開關管兩端并聯(lián)電容（C1～C6）來減少電壓增長率；當逆變開關管開通時，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?？墒钱斈孀冮_光管關斷時，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）是各逆變管導通的時序，其中深色部分表示逆變導管。圖3.5.2-2（b）可以看出，每一時刻總能有3只逆變管導通，另3只逆變管關斷；并且T1與T4、T2與T5、T3與T6每對逆變管不能同時導通。
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只逆變管導通，電機線圈電流的方向是從R到Y和從B到Y（設從R到Y、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只逆變管導通，電機線圈電流的方向是從R到Y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只逆變管導通，電機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只逆變管導通，電機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只逆變管導通，電機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只逆變管導通，電機線圈電流的方向是從B到R和從B到Y，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只逆變管的導通和關斷，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產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等不利結果。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到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的，但實際上當交流異步電動機進行變頻調(diào)速時，必定會造成通過電動機鐵芯的磁通量的改變。由于電動機的磁通容量與電動機的鐵芯大小有關，通常在設計時與達到最大容量，因此，當磁通量增加時，將產(chǎn)生磁飽和，造成實際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機械特性。
為了解決機械特性下降的問題，一種解決方案是設法維持磁通量恒定不變，即設法使
E / f = KΦ = 常數(shù)
這就要求，當電動機改變電源頻率f時，E與應該作相應的變化，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的變化的方法達到使磁通恒定不變的目的，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。
怎樣實現(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，實現(xiàn)調(diào)速。通過控制電路，可以容易的實現(xiàn)對脈沖波的占空比和PWM波的頻率分別進行調(diào)整。
但是，雖然實現(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行比較，如圖所示，其相等的時刻（即交點）作為開關管“開”或“關”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，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 電動機與單片機的接口
在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這3項參數(shù)中，不論哪一項發(fā)生變化時，都使得載波與調(diào)制波的交點發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時，都要重新計算交點的坐標。顯然，單片機的計算能力和速度不足以勝任這項任務。過去通常的作法是：對計算做一些簡化，并事先計算出交點坐標，將其制成表格，使用時進行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機的負擔也很重。
為了使單片機從這一沉重的負擔中解脫出來，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的負擔，使單片機可以空出大量的時間用于檢測和監(jiān)控。在本次設計中，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。它既可以單獨使用，也可以與大多數(shù)型號的單片機接口。該芯片的主要特點為：全數(shù)字控制；兼容INTEL系列和MOTOROLA系列單片機；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)）；可單獨調(diào)整各相輸出以適應不平衡負載；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，可以快速關斷全部SPWM信號輸出，高電平有效。
RESET：硬件復位引腳，低電平有效。復位后，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既可以單獨外接時鐘，也可以與單片機公用時鐘。
MUX：用于總線選擇。當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相的上臂開關管。
它們都是標準TTL輸出，每一