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蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 摘 要 本文首先對玩具遙控車的國內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹 同時根據(jù)設(shè)計要求對 玩具遙控車的整體方案進行了分析 包括幾何尺寸 驅(qū)動芯片的選擇和程序的 編制 然后從玩具遙控車性能要求的角度出發(fā) 分別對玩具遙控車的運動方式 模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較 最終確定了非完整約束輪驅(qū)四移動結(jié)構(gòu)模 型 后輪同軸驅(qū)動 前輪轉(zhuǎn)向的玩具遙控車 文章對玩具遙控車硬件結(jié)構(gòu)做了詳細的可行性分析及設(shè)計 并且做了相應 的計算 校核 主要包括 驅(qū)動輪電機和轉(zhuǎn)向輪電機的選擇及其驅(qū)動電路的設(shè) 計 齒輪的設(shè)計計算和校核 前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計和車體的一些機 械結(jié)構(gòu)設(shè)計等 并且針對本設(shè)計所研究的玩具遙控車 設(shè)計了驅(qū)動模塊 最后 本文對所作研究和主要工作進行了總結(jié) 并將設(shè)計的玩具遙控車的 結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合調(diào)試 實驗結(jié)果表明 該系統(tǒng)性能穩(wěn)定 可靠 可控制性高 安 全性高 達到了本設(shè)計的設(shè)計要求 關(guān)鍵詞 玩具遙控車 硬件結(jié)構(gòu) 驅(qū)動電路 驅(qū)動模塊 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 I Abstract Firstly the domestic toy remote control cars for the current development is introduced and according to the design requirements of the overall scheme of remote controlled toy vehicle are analyzed including the selection and compilation of program size the driving chip Then from the perspective of the performance of remote controlled toys do exercise respectively on toy remote control car body model structure and forming method and ultimately determine the four wheel drive driven nonholonomic mobile structure model rear wheel coaxial remote controlled toy vehicle with front wheel steering This paper made a feasibility analysis and detailed design of the remote controlled toy vehicle hardware structure and the corresponding calculation checking mainly includes wheel driving motor and steering wheel motor and its driving circuit design design and check gear before and after the shock absorber system and vehicle steering mechanism design and some mechanical structure design etc And for the remote controlled toy vehicle research of this design the drive module design Finally this paper summarizes the research work and main structure toy remote control cars and will design the joint debugging The experimental results show that the system is stable reliable high controllability high safety meet the design requirements of the design Keywords remote control toy car hardware drive circuit drive module 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 II 目錄 摘 要 I Abstract II 目錄 III 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的目的與意義 1 1 2 我國玩具行業(yè)的發(fā)展概況 1 1 3 我國玩具行業(yè)的消費現(xiàn)狀 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 4 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過渡 4 1 4 2 提高玩具附加值勢在必行 4 1 5 方案分析及設(shè)計要求 4 1 6 本課題主要研究內(nèi)容 5 第 2 章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2 1 玩具遙控車運動方式的選擇 7 2 2 玩具遙控車驅(qū)動方案的選擇 8 2 3 玩具遙控車驅(qū)動輪組成 9 2 3 1 驅(qū)動電機選擇 10 2 3 2 減速機構(gòu)的設(shè)計與校核 14 2 3 3 變速箱體及后減震 24 2 3 4 驅(qū)動車輪及輪轂 24 2 4 玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成 26 2 4 1 驅(qū)動電機選擇 27 2 4 2 傳動機構(gòu)及前減震機構(gòu) 29 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 III 2 4 3 前車體及電池箱 30 2 4 4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 30 2 6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計 32 第 3 章 玩具遙控車驅(qū)動設(shè)計 33 3 1 玩具遙控車驅(qū)動組成 34 3 2 轉(zhuǎn)向電機控制 34 3 2 1 電機驅(qū)動芯片的選擇 34 3 2 2 電機驅(qū)動電路設(shè)計 36 3 2 3 程序控制流程及代碼 38 3 3 直流電機控制 41 3 3 1 直流電機驅(qū)動芯片的選擇 41 3 3 2 直流電機驅(qū)動電路設(shè)計 42 3 3 3 直流電機 PWM 調(diào)速 43 3 3 4 閉環(huán)反饋控制模塊 44 3 3 5 程序控制流程及代碼 46 結(jié)論 50 致謝 51 參考文獻 52 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 0 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的目的與意義 中國是玩具大國 玩具出口在我國的外貿(mào)出口中占主要地位 中國的玩具 廠商要在國際上站穩(wěn)腳跟 就要有所發(fā)展 一定要有新的 高層次的產(chǎn)品 國 內(nèi)的大型玩具企業(yè)已經(jīng)充分意識到這一點 正在和科研院所合作 研發(fā)高端兒 童玩具車產(chǎn)品 企業(yè)的參與將為兒童玩具車的發(fā)展起到推動作用 隨著人們對休閑 娛樂需求的增加 以及人們對玩具功能觀念的改變 玩 具的消費群體也正在迅速擴大 玩具已不再是兒童的專利 越來越多高檔 新 穎的玩具開始成為成年人的休閑 娛樂用品 而目前 我國成人玩具的開發(fā)還 是一個空白 顯然這個市場有著巨大的潛力去開發(fā) 從而解決了因玩具出口受 限而轉(zhuǎn)內(nèi)銷的市場銷量瓶頸 有關(guān)數(shù)據(jù)顯示 中國現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬余家 從 業(yè)人員超過 400 萬 年產(chǎn)值 1000 多億元 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 70 以上 而 目前高端成年人玩具市場卻是眾多玩具業(yè)廠商不重視的一個市場 所以對于內(nèi) 銷市場 國內(nèi)企業(yè)應該加大投入力度 力爭中國市場成為另外一個美國市場 成為中國玩具業(yè)最堅定 最雄厚的一條頂梁柱 通過本課題 讓學生在畢業(yè)設(shè)計過程中綜合大學所學基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程 培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力 進 一步培養(yǎng)學生分析問題 創(chuàng)造性地解決實際問題的能力 1 2 我國玩具行業(yè)的發(fā)展概況 中國是全球玩具第一大生產(chǎn)國 我國玩具行業(yè)是從上世紀 80 年代后發(fā)展 起來 70 以上還是來料加工和來樣加工 自主開發(fā)和創(chuàng)新的能力不強 能夠 以自創(chuàng)品牌出口的還為數(shù)不多 要從依附式發(fā)展轉(zhuǎn)向自主式發(fā)展還需要一定的 過程 中國國內(nèi)市場的玩具質(zhì)量合格率僅為 76 3 還面臨著嚴峻的知識產(chǎn)權(quán)保 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 1 護和歐盟貿(mào)易壁壘等難題 而且近一年來國際石油價格不斷攀升 使得塑料原 料價格大幅上揚 玩具生產(chǎn)成本增加 市場競爭加劇 東部沿海一些地區(qū)出現(xiàn) 的電力供應緊張以及勞動力短缺問題 也制約著玩具行業(yè)發(fā)展 現(xiàn)代玩具工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段 二戰(zhàn)后 由于塑料的出現(xiàn) 塑料玩具代替了木制玩具 70 年代 電子玩具的出現(xiàn)已成為玩具的發(fā)展潮流 80 年代末 兩家日本玩具商搶先推出托架玩具 行銷一時 現(xiàn)在 世界幾家大 型玩具生產(chǎn)商從傳統(tǒng)產(chǎn)品中脫穎而出 轉(zhuǎn)產(chǎn)電子游戲 為應對多媒體的挑戰(zhàn) 搶占市場 這些公司又捷足先登 研發(fā)智能玩具 我國是世界上最大的玩具制造國和出口國 全球 70 的玩具是在我國境 內(nèi)制造的 我國現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬余家 從業(yè)人員超過 400 萬 年產(chǎn)值 1000 多億元 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 70 以上 其中 廣州的產(chǎn)值達 300 億元 2005 年全國玩具出口額達 150 多億美元 廣東 江蘇 浙江 上海 山東和福建這 五省一市歷來是中國玩具最重要的生產(chǎn)和出口基地 占中國玩具年銷售額的 95 以上 其中廣東占中國玩具年銷售額 50 以上 其主要生產(chǎn)基地在深圳 東莞以及澄海地區(qū) 澄海玩具禮品生產(chǎn)單位超 3000 家 從業(yè)人員 10 多萬人 2005 年產(chǎn)值 120 億元 并以年均 30 的速度遞增 全區(qū) 250 多家企業(yè)在 126 個國家和地區(qū) 建立營銷渠道或固定銷售網(wǎng)點 產(chǎn)品外銷達 70 以上 占全國玩具出口量的 9 左 右 有了這些基礎(chǔ) 澄海區(qū)正積極申報建設(shè) 國家澄海玩具特色產(chǎn)業(yè)基地 玩具制造業(yè)在我國屬于開放程度較高的行業(yè) 目前 三資企業(yè)仍占據(jù)行 業(yè)的主導地位 取得全行業(yè)產(chǎn)品銷售收入的 65 8 和利潤總額的 62 7 民營 企業(yè)的經(jīng)濟效益則是行業(yè)內(nèi)最好的 國內(nèi)市場的玩具約有 3 萬多個品種 大部分適合 4 歲 8 歲兒童 適合嬰 幼兒的玩具不多 適合成年人的玩具更少 殘障兒童玩具市場有待開發(fā) 玩具用塑料原料主要有 ABS PP PE PVC POM EVA 樹脂 PA 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 2 不飽和聚酯 熱塑性彈性體等 在我國的用量較大 而且增長潛力巨大 統(tǒng)計 數(shù)字表明 僅 2003 年全國各類塑料玩具用樹脂量達到近 180 萬噸 銷售額已 突破 140 億元 預計還將以每年 40 的速度繼續(xù)遞增 這也預示著作為制造塑 料玩具的基礎(chǔ)原料也將在玩具業(yè)的推動下進入一個快速增長的黃金時代 1 3 我國玩具行業(yè)的消費現(xiàn)狀 我國玩具消費正以每年 30 40 的速度增長 到 2010 年我國玩具消費總 額將超過 1000 億元 中國社會調(diào)查事務所日前進行的一項中國玩具產(chǎn)業(yè)調(diào)查 的結(jié)果顯示 中國玩具市場蘊藏著巨大商機 中國 14 歲以下人口為 3 億多 其中的城市人口為 8000 萬人 構(gòu)成了龐大的玩具消費群體 城市兒童每年人 均玩具消費額為 35 元 城市成年人 12 元 大中城市的消費者普遍可接受的玩 具價格在 100 元以下 一些售價在 1000 元以上的高檔玩具同樣有市場 在中 國玩具市場 毛絨玩具和兒童車最為暢銷 模型玩具 遙控玩具和塑膠玩具的 銷量持續(xù)看好 有 34 的城市消費者選購電子玩具 31 選擇智能型玩具 23 選 擇高檔毛絨 布制玩具 農(nóng)村消費者以傳統(tǒng)的玩具類型為主 48 的農(nóng)村消費 者愿意購買電動玩具 28 愿意購買拼裝玩具 24 愿意購買中 低檔毛絨 布制玩具 以下玩具將成為市場新寵 模型玩具 專利授權(quán)玩具 電影玩具 卡通玩具 等 玩偶 高科技玩具 益智玩具 互聯(lián)網(wǎng)兼容玩具 以及適合成年人休閑 娛樂的成人玩具 成年男士比較喜愛電腦智力型玩具 成年女士喜歡高檔精美 的裝飾性玩具 如布娃娃 毛絨娃娃 木制玩具和小動物玩具等 中年人多會 選購消遣性 輕度運動型玩具 老年人較喜歡各種觀賞型玩具 如 小動物玩 具 玩偶等 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過渡 玩具智能化成為玩具行業(yè)的發(fā)展新趨勢 高科技智能化玩具不僅滿足了兒 童的好奇心 加強了孩子和玩具的互動 同時也激發(fā)了孩子的求知欲 玩具企 業(yè)將計算機 電子 通訊等領(lǐng)域內(nèi)的先進技術(shù) 嫁接 到玩具產(chǎn)品中 突破了 傳統(tǒng)玩具的局限性 賦予玩具 聽 說 功能 與人進行互動 智能化玩具 的形式多樣 內(nèi)容豐富 寓知于樂 可以與孩子們進行 情感 交流 進而培 養(yǎng)孩子良好的習慣 并在愉悅中學習 體會生活 真正達到寓教于樂的目的 而且玩具已經(jīng)不在僅是兒童的專利 據(jù)中國玩具協(xié)會統(tǒng)計 約 64 的成 人消費者表示有興趣購買適合自己的玩具 估計成人休閑益智玩具市場每年約 值 500 億元人民幣 傳統(tǒng)玩具的市場日趨下滑 益智類 成人類玩具的出口已 不斷呈現(xiàn)增長趨勢 1 4 2 提高玩具附加值勢在必行 近年來 國際油價持續(xù)攀高 與石油相關(guān)的原材料價格亦隨之上揚 塑料 價格較年前上漲 30 40 而一件玩具中 塑料成本大概占據(jù)總成本的 60 70 這大大增加了塑料玩具的生產(chǎn)成本 這就要求生產(chǎn)企業(yè)必須跨越原料價格高漲 貿(mào)易壁壘和 3C 認證等重重障 礙 有人認為 國內(nèi)玩具企業(yè)面臨著如此多的困難 制約其發(fā)展的主要因素可 以歸結(jié)為質(zhì)量不高和技術(shù)含量低 據(jù)此 我們不難找到解決難題的路徑 研發(fā) 符合安全和環(huán)保要求的產(chǎn)品 利用科技創(chuàng)新 提高產(chǎn)品附加值 并向高檔化邁 進 1 5 方案分析及設(shè)計要求 本文所討論玩具遙控車系統(tǒng)運動學模型近似于汽車 因此稱為玩具遙控車 它的組態(tài)由玩具遙控車在工作環(huán)境中的位態(tài)確定 它作為一種小型玩具遙控車 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 4 是一種非線性控制系統(tǒng) 為了能發(fā)揮將來加載到這種玩具遙控車上的功能 因 而對小車性能作了要求 作為主要用于娛樂的玩具遙控車長度不宜超過 1000mm 高度要控制在玩 具遙控車平衡穩(wěn)定運作的范圍內(nèi) 因此 車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小 各部件排列方式應盡量減小縱向尺寸 使車體緊湊 內(nèi)置于其中的電路板和電 池的尺寸也要受到限制 設(shè)計電路是要盡量選用功能大 集成度高的芯片 而 電池要選用體積小并且耐用的型號 因此 本課題控制器設(shè)計選用 SPCE061A 系列單片機來實現(xiàn)控制電路的架構(gòu) 并且減少外圍邏輯電路 使板面布局緊湊 車體系統(tǒng)的運動是影響系統(tǒng)性能 決定玩具遙控車性能達標的重要因素 因此 在軟硬件選型時 滿足快速性 準確性要求是考慮的第一要素之一 要 求機構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性 能夠具有更大的跨越障礙的能力 最好 采用減震設(shè)計 它有利于保護玩具遙控車各組成部件 特別是電器元件 我們設(shè)計的玩具遙控車所處的環(huán)境所受的強磁干擾要小得多 但是要達到 系統(tǒng)運作實時 準確 某些干擾就顯得較為明顯 首先 玩具遙控車體積很小 電機及其驅(qū)動系統(tǒng) 處理器系統(tǒng) 無線模塊同處于很小的空間 這幾部分之間 的相互干擾 特別是電機及其驅(qū)動系統(tǒng)對處理器的干擾 無線模塊對處理器的 干擾以及無線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視 本課題中 分別采用了硬件 抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計 其次 玩具遙控車工作環(huán)境周圍的電器將對其 產(chǎn)生影響 1 6 本課題主要研究內(nèi)容 課題主要完成玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計 驅(qū)動電機選擇 驅(qū)動芯片的選擇及程 序的編制 驅(qū)動電路設(shè)計 1 機械結(jié)構(gòu)部分包括玩具遙控車構(gòu)成方案選擇 玩具遙控車本體機構(gòu)設(shè)計 和驅(qū)動電機的選擇 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 5 2 針對設(shè)計要求結(jié)合所選用的電機 設(shè)計電機的驅(qū)動模塊 并討論系統(tǒng)設(shè) 計的可靠性問題 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 6 第 2 章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 玩具遙控車運動方式的選擇 玩具遙控車運動方式歸納起來基本有三種 輪子方式 履帶方式和腿足方 式 為了得到我們設(shè)計需要最合適的方式 我們對以上三種方式做了簡單的比 較如下表 2 1 2 文 獻 表 2 1 運動方式的比較 考慮因素 驅(qū)動方式 適應的環(huán)境 驅(qū)動方面的考慮 機構(gòu)方面的考慮 輪子方式 適于室內(nèi) 硬路 面等平整地面 特別不適合松軟 或崎嶇地面 驅(qū)動方式簡單多樣 力矩相對較小主要有 兩輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向加隨 動輪 兩輪差動加輔 助輪 驅(qū)動輪加轉(zhuǎn)向 輪 機構(gòu)實現(xiàn)相對簡單 相互約束條件少 穩(wěn)定性較好 輪子 安裝需要一定精度 要求 履帶方式 適應環(huán)境最廣泛 特別是崎嶇不平 地和濕洼地形 驅(qū)動方式單一 力矩 較大 使用兩側(cè)輪差 動 實現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向 不需要輔助輪 機構(gòu)實現(xiàn)較輪子復 雜 需要履帶的張 緊設(shè)計 支撐面積 大 穩(wěn)定性好 腿足方式 適應范圍較廣 適應地形受其步 態(tài)影響 不適合 崎嶇山路 驅(qū)動復雜 對平衡和 穩(wěn)定要求極高 自由 度越多 驅(qū)動控制部 分越多 有較多的 運動部 件和關(guān)節(jié) 要求較 高的加工和裝配等 級 對材料性能要 求較高 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 7 通過對以上方式的比較 我們選用輪子方式做為玩具遙控車運動方式 它 符合我們的設(shè)計要求 適應室內(nèi)活動環(huán)境 需要動力較小 能量消耗少 結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)簡單可靠 2 2 玩具遙控車驅(qū)動方案的選擇 玩具遙控車的機械結(jié)構(gòu) 如圖 2 1 圖 2 2 圖 2 3 5 文 獻 圖 2 1 驅(qū)動結(jié)構(gòu) 圖 2 2 前輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 圖 2 3 后輪驅(qū)動 前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 如圖 2 1 采用兩輪獨立驅(qū)動的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū) 動 提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩 前輪為萬向輪 可任意移動 這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 8 簡單輕便 控制性好 運動靈活轉(zhuǎn)彎半徑小 缺點 承載能力低 對地面環(huán)境 的要求高 圖 2 2 中的玩具遙控車 稱為前輪驅(qū)動玩具遙控車 后輪為輔助輪 方向 不變 前輪為驅(qū)動輪兼轉(zhuǎn)向輪 兩輪驅(qū)動速度相同 轉(zhuǎn)向速度一致 這種結(jié)構(gòu) 優(yōu)點 運動平穩(wěn) 穩(wěn)定性好 缺點 結(jié)構(gòu)復雜 控制難度高 我們根據(jù)設(shè)計需要和實現(xiàn)的難易程度選擇了圖 2 3 中的玩具遙控車 我們 稱之為后輪驅(qū)動玩具遙控車 它是一種典型的非完整約束的玩具遙控車模型 后輪為驅(qū)動論方向不變 提供前進驅(qū)動力 兩輪驅(qū)動速度相同 前輪為轉(zhuǎn)向輪 稱為舵輪 通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步控制兩輪轉(zhuǎn)向 使玩具遙控車按照要求的方向移 動 移動機構(gòu)又主要分三個輪 四個輪 三輪支撐理論上是穩(wěn)定的 然而 這 種裝置很容易在施加到單獨輪的左右兩側(cè)力 F 作用下翻倒 因此對負載有一定 限制 我們?yōu)樘岣叻€(wěn)定性和承載能力 決定選用四輪機構(gòu) 后輪為兩驅(qū)動輪 兩個轉(zhuǎn)向輪為前輪 這種結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)運動規(guī)劃 穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務 可 適應復雜的地形 承載能力強 但是軌跡規(guī)劃及控制相對復雜 2 3 玩具遙控車驅(qū)動輪組成 后輪驅(qū)動裝置機械傳動結(jié)構(gòu)如圖 2 4 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 9 1 變速箱底座 2 變速箱蓋 3 軸承 4 齒輪 5 齒輪 6 齒輪 7 電動機 8 中間軸 9 輪轂 10 輪胎 圖 2 4 驅(qū)動輪機械傳動示意圖 根據(jù)上面所確定的方案 玩具遙控車后輪驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機 減速裝置 車輪及輪轂組成 2 3 1 驅(qū)動電機選擇 目前在玩具遙控車的運動控制中較為常用的電機有直流電機和交流電機 對它們的特性 工作原理與控制方式有分類介紹 下面總結(jié)如表 2 2 所示 一般玩具遙控車用電機的基本性能要求 1 啟動 停止和反向均能連續(xù)有效的進行 具有良好的響應特性 2 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同 且運行特性穩(wěn)定 3 良好的抗干擾能力 對輸出來說 體積小 重量輕 4 維修容易 不用保養(yǎng) 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 10 驅(qū)動輪為兩后輪 要求控制性好且精度高 能耗要低 輸出轉(zhuǎn)矩大 有一 定過載能力 而且穩(wěn)定性好 通過比較以上電機的特性 工作原理 控制方式 以及玩具遙控車的移動性能要求 自身重量 傳動機構(gòu)特點等因素 所以我們 決定選用直流電機作為驅(qū)動電機 直流電動機以其良好的線性調(diào)速特性 簡單的控制性能 較高的效率 優(yōu) 異的動態(tài)特性 一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位 雖然近年不斷受 表 2 2 不同電機的特性 工作原理與控制方式 電機類型 主要特點 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流電機 接通直流電即可 工作 控制簡單 啟動轉(zhuǎn)矩大 轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩容易控 制 效率高 需 要定時維護和更 換電刷 使用壽 命短 噪聲大 由永磁體定子 線圈轉(zhuǎn)子 電刷 和換向器構(gòu)成 通過電刷和換向 器使電流方向隨 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度 而變化 實現(xiàn)連 續(xù)轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)動控制采用電 壓控制方式 兩 者成正比 轉(zhuǎn)矩 控制采用電流控 制方式 兩者也 成正比 交流電機 沒有電刷和換向 器 無須維修 驅(qū)動電路復雜 價格高 按結(jié)構(gòu)分為同步 和異步 無刷直 流電機結(jié)構(gòu)與同 步電機相同 特 性與支流電機相 同 分為電壓控制和 頻率控制兩種方 式 異步電機常 采用電壓控制 到其他電動機 如交流變頻電動機 步進電動機等 的挑戰(zhàn) 但直流電動機仍然 是許多調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇 在生產(chǎn) 生活中有著廣泛的應用 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 11 所需電機的功率計算 玩具遙控車小車的受力簡圖如圖 2 5 所示 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產(chǎn)生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動所受摩擦力F 圖 2 5 玩具遙控車小車的受力簡圖 則有 cossinmgFa 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 據(jù)課題要求 可以按 0 計算 則玩具遙控車在水平面上運動的功率為 WVFPa 61 58 90315 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 12 傳動裝置的總效率 2BG 按照 中表 2 1 1 確定的個部分效率有 齒輪傳動效率 14 文 獻 滑動軸承效率 97 0 G 97 0B 代入得到 89 0 2 所需直流電機的最小功率 WPw 697 01 通過以上的比較和計算 我們決定選用廣東德昌微電機公司生產(chǎn)的 SRC 555 3250 型直流電動機其外觀如圖 2 6 所示 尺寸如圖 2 7 所示 技術(shù)參 數(shù)如表 2 3 所示 圖 2 6 電動機其外觀如圖 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 13 圖 2 7 直流電機尺寸圖 表 2 3 直流電機技術(shù)參數(shù)表 空載 最大效率下 制動 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 力矩 功率 力矩 功率型號 額定電壓 r min A r min A g cm W g cm W SRC 555 3250 12v CONSTAN T 6100 0 24 5300 1 49 229 12 4 1650 9 20 2 3 2 減速機構(gòu)的設(shè)計與校核 直流電機輸出轉(zhuǎn)速較高 一般不能直接接到車輪軸上 需要減速機構(gòu)來降 速 同時也提高了轉(zhuǎn)距 減速裝置的形式多種多樣 選擇一種合適的減速裝置 對玩具遙控車的性能有著相當重要的作用 2 3 2 1 減速形式的選擇 驅(qū)動輪機械傳動形式有多種 主要分為 鏈條傳動 皮帶傳動 蝸桿傳動 和齒輪傳動等 1 鏈條傳動 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 14 優(yōu)點是 工況相同時 傳動尺寸緊湊 沒有滑動 不需要很大的張緊力 作用在軸上的載荷小 效率高 能在惡劣的環(huán)境中使用 缺點 瞬時速度不均勻 高速運轉(zhuǎn)是傳動不平穩(wěn) 不易在載荷變化大和急 促反向的傳動中使用 工作噪音大 2 皮帶傳動 優(yōu)點是 能緩和沖擊 運行平穩(wěn)無噪音 制造和安裝精度要求低 過載時 能打滑 防止其他零件的損壞 缺點 有彈性滑動和打滑 效率低不能保證準確的傳動比 軸上載荷大 壽命低 3 蝸桿傳動 優(yōu)點 結(jié)構(gòu)緊湊 工作平穩(wěn) 無噪聲 沖擊震動小 能得到很大的單級傳 動比 缺點是 傳動比相同下效率比齒輪低 需要用貴重的減磨材料制造 4 齒輪傳動 工作可靠 使用壽命長 易于維護 瞬時傳動比為常數(shù) 傳動效率高 結(jié) 構(gòu)緊湊 功率和速度使用范圍很廣 缺點是 制造復雜成本高 不宜用于軸間 距的傳動 比較以上傳動形式 結(jié)合本設(shè)計中玩具遙控車的要求 輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效 率高噪音小等條件 我們采用兩級齒輪傳動 減速比為 15 電機軸直接作為輸 入軸安裝主動齒輪 不是用聯(lián)軸器 既提高了精度又減輕了重量 輪轂和齒輪 3 安裝在同一根軸上 他們轉(zhuǎn)速相同 齒輪類型為漸開線直齒齒輪 聯(lián)軸器相 聯(lián) 齒輪與車輪裝在同一個軸上 它們的轉(zhuǎn)速相同 齒輪參數(shù)如下 第一級減速 m 3 mm mm 31 i10z3 d302 z92d 第二級減速 m 3 mm mm 53 51 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 15 2 3 2 2 齒輪傳動的計算與校核 設(shè)計中第一級齒輪傳動的齒輪強度計算與校核 如下 1 齒面接觸疲勞強度計算 1 初步計算 轉(zhuǎn)矩 T8 651024 5 905 96161 nPmN 8 齒數(shù) d 接觸疲勞極限 liH 由 表 12 13 取 2 文 獻 6 0 d 由 表 1 73文 獻 6 0 d MPaH251lim li 初步計算的許用接觸應力 H 259 0 1lim1 H2li2 MPa5 1 H92 值dA 由 取 3 文 獻 0d 初步計算小齒輪直徑 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 16 muTAdHd 18 235 19608323211 取 251m 初步齒寬 b 256 01 d 5 2 校核計算 圓周速度 93 610652106 ndsm93 精度等級 由 表 12 6 2 文 獻 選 6 級精度 齒數(shù) z 和模數(shù) m 初取齒數(shù) 10 3012 iz31zd 由 表 12 3 取 這里往大或往小取均可 視驗算結(jié)果而定 2 文 獻 m 則 1031 dz12 im 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 17 10 z32 使用系數(shù) AK 由 表 12 9 文 獻 5 1 A 動載系數(shù) v 由 表 12 9 2 文 獻 1 vK 齒間載荷分配系數(shù) HK 由 表 12 10 先求 9 文 獻 NdTFt 264 5821 mbKtA 3 0 mNbFKtA 103 79854 1 2 62 3cos12 812 z9 035 4 Z 由此得 21 12 ZKH5 130Z2 H 齒向載荷分布系數(shù) HK 由 表 12 11 文 獻 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 18 103 1507 6109 22321 bcdbKH 3 H 載荷系數(shù) K85 13 2 15 HvAK 彈性系數(shù) EZ 由 表 12 12 2 文 獻 MPaE4 56 節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ 由 圖 12 16 文 獻 5 2 HZ 接觸最小安全系數(shù) minHS 由 表 12 14 文 獻 05 1min HS 總工作時間 ht602 3 ht60 應力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計 則指數(shù) 2 文 獻 9710 LN78 m 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 19 6 78 78 78 178 maxax1103 7 302502060 ni hiihminihivLtTttN 原估計應力循環(huán)次數(shù)正確 6612 107 23 iNL610 7 2L 接觸壽命系數(shù) NZ 由 圖 12 18 文 獻 5 1 NZ2 許用接觸應力 H 05 12min1l1 NHSZ in2l2 MPaH1 3 2 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 20 23 15103 428 1 054 6 ubdKTZHE 計算結(jié)果表明 接觸疲勞強度教為合適 齒輪尺寸無需調(diào)整 否則 尺寸 調(diào)整后還應在進行驗算 MPaPaHH1 323 2 2 齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) Y74 052 1 07 25 0 4 齒間載荷分配系數(shù) FK 由 表 12 10 2 文 獻 35 174 0 Y35 1 FK 齒向載荷分布系數(shù) FK48 325 0 hb 由 圖 12 14 文 獻 6 1 FK 載荷系數(shù) 89 3615 2 1 FvA 齒形系數(shù) aY 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 21 由 圖 12 21 2 文 獻 75 1 FaY432 應力修正系數(shù) SaY 由 圖 12 22 文 獻 38 1 SaY42 彎曲疲勞極限 limF 由 圖 12 23c 文 獻 MPaF81lim 2li 彎曲最小安全系數(shù) minFS 由 表 12 14 文 獻 25 1min FS 應力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計 則指數(shù) 文 獻 106103 LN94 m 7 94 94 91 4191 4maxax110 3 30250206606 ni hiihminihivL tTtt 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 22 原估計應力循環(huán)次數(shù)正確 7712 103 3 iNL710 23L 彎曲壽命系數(shù) NY 由 圖 12 24 文 獻 5 21 NY 尺寸系數(shù) X 由 圖 12 25 2 文 獻 0 1 XY 許用彎曲應力 F 1625 8min1l1 XNFSY in2l2 F MPaF16 2 驗算 05 274 3815 2310489 2111 YmbdKTSaFF 9 0 122 SaFFY 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 23 傳動無嚴重過載 故不做靜強度校核 1105 2FFMPa 2 第二級嚙合齒輪 的計算校核也采用以上步驟 通過計算知 強度均3z4 符合要求 2 3 3 變速箱體及后減震 變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下 應盡量減輕車架的重量 以提高 有效承載重量 其次 變速箱體應保證其它元件安裝上以后 能達到平衡 對 稱和同軸 材料為 ABS 厚度為 6mm 軸承盒集成在箱體上 降低了制造難 度 為保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動的損傷 和提高躍障能力 在變速箱與前車體間 加一減震彈簧 它不但能緩沖震動 而且當玩具遙控車遇到低于 100mm 的幛 礙物 或者高低不平的路面時不至于被架空 2 3 4 驅(qū)動車輪及輪轂 本設(shè)計中可選用玩具遙控車的運動方式為輪子方式 輪子方式可以提供多 種排列方式 從而滿足不同情況需要 而且轉(zhuǎn)向容易 可以實現(xiàn)運動的精確控 制 機構(gòu)實現(xiàn)簡單 所以我們考慮到所設(shè)計玩具遙控車的工作環(huán)境和控制要求 我們選用了四輪方式 選擇車輪需要考慮多種因素 有玩具遙控車的尺寸 重量 地形狀況 電 機功率等 車重加負載重量為 2kg 4 5kg 所以用質(zhì)地堅硬且易于加工的聚苯乙 烯作輪轂 采用不充氣的中空橡膠輪胎 其優(yōu)點在于不僅重量小而且橡膠與地 面的附著系數(shù)大 保證了足夠的驅(qū)動能力 其中輪胎直徑 d 300mm 則車輪轉(zhuǎn)一圈移動的為 mdS942 031 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 24 車輪最大轉(zhuǎn)速為 電機轉(zhuǎn)速 傳動比 min3 5101ri 則玩具遙控車的最大線速度為 smS5 i8 2 942 01 玩具遙控車小車的受力簡圖如圖 2 13 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產(chǎn)生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動所受摩擦力F 則有 ssinmga 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 則玩具遙控車在水平面上的功率為 wVFPa 47 25 89315 0 其最大加速度為 2 1 smma 其中 的計算在 2 3 1 中作了介紹 aF 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 25 圖 2 8 玩具遙控車小車的受力簡圖 2 4 玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成 轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用 不產(chǎn)生驅(qū)動力矩 在小車轉(zhuǎn)向時它可以以一定 角度轉(zhuǎn)動 主要機械組成結(jié)構(gòu)如圖 2 9 1 前減震彈簧 2 轉(zhuǎn)向連桿 3 拉桿 4 拉緊彈簧 5 撥叉 6 電機 7 前車體蓋 8 轉(zhuǎn)向節(jié) 9 前輪軸 10 前輪轂 11 輪胎 12 電池盒蓋 13 后減震彈簧 14 連接軸 15 變速箱 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 26 圖 2 9 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖 玩具遙控車前輪裝置由以下幾部分構(gòu)成 驅(qū)動電機 蓄電池和充電部 分 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和前減震機構(gòu) 前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分 如上 圖 2 15 所示 2 4 1 驅(qū)動電機選擇 轉(zhuǎn)向輪的電機通過對表 2 1 不同電機的特性 工作原理與控制方式的分析 比較 為了滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動精度高 控制性能強 并且控制簡單容易實現(xiàn)的 特點 我們決定選用電機作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)驅(qū)動電機 電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移 或線位移 的機電元件 對這種電 機施加一個電脈沖后 其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度 稱為一步 脈沖數(shù)增加 角位 移 或線位移 就隨之增加 脈沖頻率高 則電機旋轉(zhuǎn)速度就高 反之就低 分配 脈沖的相序改變后 電機的轉(zhuǎn)向則隨之而變 電機的運動狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn) 的電動機有一定的差別 它是步進形式的運動 故也稱其為步進電動機 電機的主要指標有 相數(shù) 產(chǎn)生不同對極 N S 磁場的激磁線圈對數(shù) 常用 m 表示 拍數(shù) 完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示 或指電 機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù) 以四相電機為例 有四相四拍運行方式即 AB BC CD DA AB 八拍運行方式即 A AB B BC C CD D DA A 步距角 對應一個脈沖信號 電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 表示 360 度 轉(zhuǎn)子齒數(shù) J 運行拍數(shù) 以常規(guī)二 四相 轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機為例 四拍運 行時步距角為 360 50 4 1 8 俗稱整步 八拍運行時步距角為 360 50 8 0 9 俗稱半步 定位轉(zhuǎn)矩 電機在不通電狀態(tài)下 電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩 由磁場齒形的 諧波以及機械誤差造成的 靜轉(zhuǎn)矩 電機在額定靜態(tài)電作用下 電機不作旋轉(zhuǎn)運動時 電機轉(zhuǎn)軸的鎖 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 27 定力矩 此力矩是衡量電機體積 幾何尺寸 的標準 與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等 無關(guān) 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比 與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān) 但過分 采用減小氣隙 增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的 這樣會造成電機的發(fā) 熱及機械噪音 步距角精度 電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差 用百分比表 示 誤差 步距角 100 不同運行拍數(shù)其值不同 四拍運行時應在 5 之內(nèi) 八拍運行時應在 15 以內(nèi) 失步 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù) 不等于理論上的步數(shù) 稱之為失步 失調(diào)角 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角 由失 調(diào)角產(chǎn)生的誤差 采用細分驅(qū)動是不能解決的 最大空載起動頻率 電機在某種驅(qū)動形式 電壓及額定電流下 在不加負 載的情況下 能夠直接起動的最大頻率 最大空載的運行頻率 電機在某種驅(qū)動形式 電壓及額定電流下 電機不 帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率 運行矩頻特性 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 稱為運行矩頻特性 這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的 也是電機選擇的根本 依據(jù) 電機有其獨特的優(yōu)點 歸納起來主要有 1 步距值不受各種干擾因素的影響 簡而言之 轉(zhuǎn)子運動的速度主要取 決于脈沖信號的頻率 而轉(zhuǎn)子運動的總位移量取決于總的脈沖個數(shù) 2 位移與輸入脈沖信號相對應 步距誤差不長期積累 因此可以組成結(jié) 構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng) 也可以在要求更高精 度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 3 可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制 整個結(jié)構(gòu)簡單廉價 4 無刷 電動機本體部件少 可靠性高 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 28 5 控制性能好 起動 停車 反轉(zhuǎn)及其他運行方式的改變 都在脈沖內(nèi) 完成 在一定的頻率范圍內(nèi)運行時 任何運行方式都不會丟步 6 停止時有自鎖能力 7 步距角選擇范圍大 可在幾角分至 大范圍內(nèi)選擇 在小范圍情況 180 下 通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)距穩(wěn)定的運行 通過比較各種指標和參數(shù)后 我們決定選用常州豐源公司生產(chǎn)的 35BYHJ03 減速 電機 自帶 25 1 的減速器 參數(shù)如表 2 6 所示 表 2 6 電機參數(shù) 步距 角 相 數(shù) 電壓 U V 電流 I mA 電阻 R 減速 比 空載運 行頻率 F pps 空載啟 動頻率 F pps 起動 轉(zhuǎn)距 T g cm 鎖定 轉(zhuǎn)距 T g c m 7 5 25 4 12 255 47 1 25 550 680 750 1400 2 4 2 傳動機構(gòu)及前減震機構(gòu) 在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 我們采用了兩前 置轉(zhuǎn)向輪 轉(zhuǎn)向輪不作為驅(qū)動輪 只提供支撐和轉(zhuǎn)向作用 結(jié)構(gòu)形式模仿普通 機動車的一些結(jié)構(gòu) 電機變速箱輸出軸連接撥叉 撥叉撥動左右轉(zhuǎn)向節(jié)連桿來 實現(xiàn)轉(zhuǎn)向 為了消除傳動間隙和電機反轉(zhuǎn)死區(qū) 我們在機構(gòu)中加裝了兩個拉緊 桿和一條拉緊彈簧 很大程度上消除了誤差 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)受力簡圖如圖 2 10 為保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動的損傷 提高玩具遙控車在不平地面上的行走能 力 在每個轉(zhuǎn)向節(jié)軸上加裝減震彈簧 它不但能緩沖震動 而且防止在特殊情 況下玩具遙控車被架空 它與后減震配合工作效果更加明顯 工作原理與后減 震類似 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 29 圖 2 10 傳動機構(gòu)受力簡圖 2 4 3 前車體及電池箱 前車體是轉(zhuǎn)向機構(gòu)零件的載體 其結(jié)構(gòu)復雜 要求精度也高 實物模型圖 如圖 特別是轉(zhuǎn)向節(jié)安放孔和電機支撐座等 要求同軸度和垂直度高 因此為 了提高裝配精度 車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設(shè)計 其結(jié)構(gòu)見圖 紙裝配圖 1 保證了裝配的精度 為簡化制造工序 提高車體的緊湊程度和牢固程度 將電池盒設(shè)計到前車 體后部 并且盡量降低電池盒與地面間距 以降低玩具遙控車的重心高度 為了保證運行時電池在和內(nèi)的牢靠程度和降低噪聲 電池盒蓋內(nèi)側(cè)附貼一 薄層海綿 結(jié)構(gòu)見圖紙裝配圖 1 控制電路容易受到電動機和驅(qū)動電路的影響 因此我們將控制電路板與驅(qū) 動板并列排列 2 4 4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料 輪轂的軸孔與軸相對滑動 所以 要求較后輪精度高機 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 本設(shè)計中玩具遙控車采用四輪支撐 即兩后輪 驅(qū)動輪 和兩前輪 轉(zhuǎn)向 輪 為了增加車輪和地面的滑動摩擦系數(shù) 每個車輪的輪胎材料均為橡膠 滑動軸承和輪轂采用了具有自潤滑能力的塑料 摩擦力很小 可以忽略不計 采用這些結(jié)構(gòu) 使小車具有一很好的運動性能 玩具遙控車小車受力如圖 2 11 所示 有如下關(guān)系 滑動摩擦力 grNF 支撐反力 Gg am 水平方向受力 Fr 以上關(guān)系可推出加速度 mNga 從上式可以看出 由于小車質(zhì)量 m 一定 若想增加加速度只有增加摩擦 系數(shù) 和減少支撐力 N 由于玩具遙控車活動場所在室內(nèi)需要頻繁的更換速 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 31 圖 2 11 小車受力圖 度 只有加速度大一些時 才能滿足足球玩具遙控車快速性 實時性要求 在摩擦系數(shù)一定時 只有盡量減少支撐力 N 加速度才能達到最大 這 直接關(guān)系到小車重心的位置 小車的電池和后加負載是小車中比重較大者 在 放置是應該盡量靠近后輪 這樣支撐力 N 就會減小 加速度在啟動時就能保持 盡量大 通過計算玩具遙控車通過實驗驗證最優(yōu)加速度為 3 92m s 左右 2 6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計 控制系統(tǒng)質(zhì)量的高低主要表現(xiàn)在技術(shù)性能 可靠性 適應性和經(jīng)濟性四個 方面 其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面 但在系統(tǒng)的具體設(shè)計工作中 往 往特別強調(diào)其技術(shù)性能指標而忽視了它的可靠性 而由于可靠性設(shè)計的不周密 在偶然囚素或意外事件的作用下 系統(tǒng)便不能正常工作 從而可能造成災難性 的后果 系統(tǒng)的可靠性保證有賴十完善的可靠性設(shè)計 嚴格的部件制作 規(guī)范 的設(shè)備安裝調(diào)試 正確的操作使用和經(jīng)常性的維護 本運動控制系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了可靠性這一指標 主要體現(xiàn)在以下兒個 方面 1 屏蔽技術(shù) 本系統(tǒng)中 直流電機 驅(qū)動部件 甚至是微控制器使用的振蕩器 都是電 磁干擾的噪聲源 當距離較近時 電磁波會通過分布電容和電感藕合到信號回 路而形成電磁干擾 當距離較遠時 電磁波則以輻射形式構(gòu)成干擾 針對上幾 述情況 主要要通選用高導磁材料做成屏蔽體 使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻 磁路快速衰減 以降低干擾 2 地線的處理 理解產(chǎn)生地線噪聲的機制對于減小地線干擾至關(guān)重要 所有地線都有阻抗 和所有電路一樣 電流必須流回其源點 電流通過地線卜的有效陰 抗將產(chǎn)生 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 32 一個電壓降 這些電壓降就是地線干擾的原因 正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾 所必須注意的重要問題 在設(shè)計中若能把接地和屏蔽正確的結(jié)合 可很好地消 除外界丁擾的影響 接地設(shè)計的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時所 產(chǎn)生的噪聲電壓 以及免受電磁場和地位差的影響 即使其不能形成地環(huán)路 3 抑制自感電動勢干擾 在本系統(tǒng)中 使用了電動機這種具有較大電感量的器件 當電感回路的電 流被切斷時 會產(chǎn)生很大的反電勢而形成噪聲干擾 這種噪聲不但能產(chǎn)生電磁 場干擾其它回路 甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件 對此在線圈 兩端并聯(lián)了二極管來抑制反向自感電勢的干擾 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 33 第 3 章 玩具遙控車驅(qū)動設(shè)計 3 1 玩具遙控車驅(qū)動組成 玩具遙控車驅(qū)動設(shè)計主要包括步進電動機和直流電動機的控制 其中包括 各驅(qū)動芯片的選擇 驅(qū)動電路的設(shè)計以及程序的編制 3 2 轉(zhuǎn)向電機控制 轉(zhuǎn)向電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟動 停止 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 以滿足玩具遙 控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎 3 2 1 電機驅(qū)動芯片的選擇 電機的功率驅(qū)動芯片我們選擇 SGS 公司的 L298 L298 功率集成電路采用 SGS 公司特有的 Multiwatt 塑料封裝 15 個引腳 可用螺釘固定在散熱器上 L298 內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計制作在一塊石英基片上 由于制作工藝的同一 性 因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性 工作穩(wěn)定 L298 是雙 H 橋高電壓大電流功率集成電路 它接受標準 TIL 邏輯信號 可以用來 驅(qū)動繼電器 線圈 直流電動機和步進電動機等電感性負載 兩個 H 橋能夠使 其接受或不接受輸入信號 它的每個 H 橋的下側(cè)臂晶體管發(fā)射極連在一起 相 應外接電流檢測電阻 L298 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 1 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 34 圖 3 1 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L298 各引腳特性如下 CURRENT SENSING A 和 CURRENT SENSING B 引腳 1 和引腳 15 用來連接電流檢測電阻 LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS 引腳 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V SUPPLY VOLTAGE VS 引腳 4 為電機驅(qū)動電源 INPUT1 INPUT2 INPUT3 INPUT4 引腳 5 7 10 12 輸入 標準 TTL 邏輯電平信號 用來控制 H 橋的開與關(guān) ENABLE A 和 ENABLE B 引腳 6 和引腳 11 為使能控制端 當為 低電平時 L298 不工作 OUTPUT1 OUTPUT2 OUTPUT3 和 OUTPUT4 引腳 2 3 13 14 為輸出 控制電機 GND 引腳 8 則為接地腳 L298 的封裝及各管腳如圖 3 2 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 35 圖 3 2 L298 的封裝圖 3 2 2 電機驅(qū)動電路設(shè)計 本設(shè)計中將電機采用 L297 L298 實現(xiàn)環(huán)行分配器與功率放大器的功能 L297 是電機控制集成芯片 包括環(huán)形分配器 采用模擬 數(shù)字電路兼容的 I L 工藝 20 腳 DIP 塑料封裝 常以 5V 供電 全部信號線是 TTL CMOS 兼2 容 L297 四相驅(qū)動信號 應用于微處理機控制兩相雙極性和四相單極性電機 電動機可由半階梯 正常和斬波驅(qū)動模式驅(qū)動 同時設(shè)于晶片內(nèi)的 PWM 斬波 線路容許以開關(guān)形式控制線路的電流 此器件只需要時鐘 方向和模式輸入信 號 相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的 因此可減輕微處理機和程序設(shè)計的負擔 單片機 L297 L298 構(gòu)成步進電動機控制驅(qū)動器電路 單片機發(fā)出時鐘信號 正反轉(zhuǎn) 信號 工作模擬信號 復位信號 使能輸入信號及控制信號 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 36 圖 3 3 電機驅(qū)動電路 L297 的引腳 17 控制電機的轉(zhuǎn)向 取 1 和取 0 時的轉(zhuǎn)向CW 相反 18 為步進脈沖信號輸入端 在每一個脈沖的下降沿 電機CLOK 產(chǎn)生一步步進 19 為半步或基本步矩模式設(shè)置 為 1 時是半FULHA 步模式 為 0 時是基本步距 取低電平 當脈沖分配器工作于奇L 數(shù)狀態(tài) 則為兩相激勵方式 當工作于偶數(shù)狀態(tài) 則為單相激勵方式 11 斬波控制 當為 0 時控制 5 和 8 當為 1 時CONTRL1INT2I 控制 10 使能輸入 當為 0 時 ABDE NTAB 和 4 6 7 和 9 都為 0 20 是異步復位信號 其作用是將RES 環(huán)行脈沖分配器復位 當輸入為 0 時 脈沖分配器回到初狀態(tài) HOME 此時 狀態(tài)輸出信號 HOME 為 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 37 L298 引腳 SENSE A 和 SENSE B 1 和 15 用來連接電流檢測電阻 VSS 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V VS 4 為電機驅(qū)動電源 IN1 IN2 IN3 IN4 5 7 10 12 輸入標準 TTL 邏輯電平信號 既從 L297 的輸出口 4 6 7 9 輸出的信號 用來控制 H 橋的開與關(guān) EnA 和 EnB 6 和 11 為使能控制端 當為低電平時 L298 不工作 OUT1 OUT2 OUT3 和 OUT4 2 3 13 和 14 為輸出 控制電機 GND 8 則為接地腳 用 L297 輸出信號可控制 L298 雙 H 橋驅(qū)動集成電路 構(gòu)成一個完整的系統(tǒng) 驅(qū)動四相步進電動機 最高電壓為 46V 每相電流達 2 5A 單片機與 L297 L298 集成電路構(gòu)成的單片機控制驅(qū)動器 具有需要的元件 少 可靠性高 占空間少 裝配成本低等優(yōu)點 并且通過軟件開發(fā) 可以簡化 和減輕微型計算機的負擔 設(shè)計電路如圖 3 3 3 2 3 程序控制流程及代碼 步進電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟動 停止 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 以滿足玩具遙 控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎 在此應用 80c51 單片機 需要改變運動狀態(tài)時 由外部開關(guān) S1 S2 控制單片機中斷主程序的執(zhí) 行 實時控制電機按命令的要求運動 命令執(zhí)行結(jié)束后 重新返回主程序繼續(xù) 執(zhí)行 S1 用于控制電機正轉(zhuǎn) S2 用于控制電機反轉(zhuǎn) 由設(shè)計過程知 采用定時器 T0 工作于方式 1 TMOD 值為 01H 時間常數(shù) 為 TH0 0FBH TL0 1EH 程序控制流程如圖 3 4 程序代碼如下 入口程序 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 38 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INQP 開 始 初始化 定時器 T0 初始化 啟動定時器 T0 開中斷 自動控制子程序 圖 3 4 電機控制流程 主程序 MAIN MOV TMOD 01H MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH SETB TR0 SETB ET0 SETB EA AJMP 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 39 AJMP INQP T0 中斷程序 INQP MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH CJNE P3 0FAH X1 CPL P1 0 SETB P1 1 X1 CJNE P3 0F6H X2 CPL P1 0 SETB P1 1 X2 CJNE P3 0F5H X3 CPL P1 0 CLR P1 1 X3 CJNE P3 0F9H X4 CPL P1 0 CLR P1 1 X4 CJNE P3 0FEH X5 CPL P1 0 SETB P1 1 X5 CJNE P3 0FDH X7 CPL P1 0 CLR P1 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設(shè)計 論文 40 X6 RETI 3 3 直流電機控制 直流電動機是玩具遙控車的動力來源 直流電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟 動 停止 加速 減速 以滿足玩具遙控車能夠?qū)崿F(xiàn)以不同的速度前進 在此 應用 SPCE061A 單片機 3 3 1 直流電機驅(qū)動芯片的選擇 直流電機驅(qū)動芯片仍然選 L298 其芯片引腳功能在 3 2 1 中已經(jīng)做過介紹 在此不在贅述 只對其控制直流電機做說明 L298 控制直流電機原理圖 3 5 如 下 由以上的 L298 控制直流電機的原理圖知道 當使能端接高電平時 又一 下三種情況 1 C 端接高電平 D 端接低電平 電機前進 即正轉(zhuǎn) 2 C 端接低電平 D 端接高電平 電機反向 即反轉(zhuǎn) 3 C 端和 D 端電平一樣時 電機快速制動 當使能端接低電平時 電機緩慢的停止轉(zhuǎn)動