飛行模擬轉(zhuǎn)臺設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 目錄 1. 緒論 . 1 1.1 選題的依據(jù)及意義 . 3 1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 . 3 2 . 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 . 4 2.1 單片機的選用及功能介紹 . 5 2.2 片外存儲器功能簡介 . 5 2.3 顯示與鍵盤部分設(shè)計 . 7 2.4 交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) . 9 2.4.1 交流異步電動機變頻調(diào)速原理 . 9 2.4.2 主電路和逆變電路工作原理 . 10 2.4.3 變頻與變壓 . 12 2.4.4 電動機與單片機的接口 . 14 2.5 位移和轉(zhuǎn)速檢測部分的設(shè)計 . 16 2.5.1 位移檢測傳感器和轉(zhuǎn)速檢測傳感器的選用 . 16 2.5.2 光柵位移和轉(zhuǎn)速傳感器與單片機的接口設(shè)計 . 16 3 機械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 .20 3.1 升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 . 21 3.1.1 液壓缸結(jié)構(gòu) . 21 3.1.2 液壓缸零部件分析 . 24 3.1.3 油缸的壁厚校驗 . 26 3.2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與計算 . 27 3.2.1 電動機的選擇 . 27 3.2.2.2 軸尺寸設(shè)計 . 30 3.2.3 鍵的選擇與校核 . 32 3.2.4 皮帶的選擇 . 33 3.3 液壓系統(tǒng)分析 . 36 3.3.1 液壓系統(tǒng) . 36 3.3.2 液壓泵與電動機的選擇 . 37 結(jié)論 .39 參考文獻 .40 致謝 .41 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 1. 緒論 1.1 選題的依據(jù)及意義 隨著飛機和導彈的快速發(fā)展，要求其具有更高的性能和穩(wěn)定性 ,這就要我們通過對他們的性能參數(shù)進行測量評估進而進行改進，但一架真正的飛機或一枚導彈的成本太高 ,我們不可能也沒有必要用一架真正的飛機或?qū)梺磉M行實驗采集數(shù)據(jù) ,這就要求我們采用一些比較合理的實驗裝置來實現(xiàn)飛機或?qū)椀娘w行狀態(tài)，這樣飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺得以發(fā)展。該轉(zhuǎn)臺可以將重物放在其上面也可以用來對飛行員進行培訓，因為它可以模擬飛機在空中飛行的各種姿態(tài)。該裝置的出現(xiàn)既達到了對飛機或?qū)椥阅軈?shù)的采集，進而改進，在成本上遠遠低于一架飛機或 導彈的價格，對飛機和導彈的發(fā)展具有不可估量的價值。 1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 目前 ,大部分飛行模擬轉(zhuǎn)臺采用串聯(lián)式機構(gòu) ,而本設(shè)計則采用并聯(lián)式機械機構(gòu)來充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 實現(xiàn)的。采用并聯(lián)機構(gòu)其承載能力大 ,機構(gòu)簡單。本機構(gòu)由上下兩個工作平臺 ,下平臺固定在地面上 ,上平臺用來放待實驗的物品 ,在上下平臺之間采用三個液壓缸連接 ,通過液壓缸上聲高度的不同 ,來實現(xiàn)上平臺的傾斜 ,而上平臺可由電動機帶動旋轉(zhuǎn)從而達到模擬飛機在飛行過程中的各種狀態(tài)。 飛行模擬器研制及應(yīng)用被認為是飛行模擬技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)性工程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直受到世界各國尤其是發(fā) 達國家的高度重視。美國是世界上最早開展飛行模擬器研究和應(yīng)用的國家，在技術(shù)和數(shù)量上一直居領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計，美國的飛行模擬器研制和采辦費用每年增長一倍，僅 1995 年 2000 年的費用就高達 36 億美元。俄羅斯同樣是世界上的飛行模擬大國和強國，他們的所有飛機都配備有相應(yīng)的飛行模擬器，僅空中飛行模擬器就有 20 余種，其中包括先進的空地綜合飛行模擬系統(tǒng)。值得提出的是，俄羅斯在飛行模擬器的基礎(chǔ)理論研究，特別是人 -機工效學和飛行員建模與仿真等方面都名列前茅。英、德、法等國的飛行模擬器研制及應(yīng)用也始終處于世界先進行列。 我國在飛行模擬器研制及應(yīng)用方面雖然起步比美、俄、英法等國較晚，但仍是世界上發(fā)展飛行模擬器較早的國家。于 20 世紀 60 年代開始使用射擊練習器和儀表飛行練習器，并建立了研究用飛機控制系統(tǒng)模擬試驗臺、航空發(fā)動機模擬試驗臺。 20 世紀 80 年代發(fā)展更快，先后研制成功了一系列研制用飛行模擬器和工程用飛行模擬器，并普及設(shè)計、制造和使用了各個機種的飛行模擬訓練器。出此，我國還是世界上少數(shù)能夠設(shè)計和建造空中飛行模擬器的國家之一，所以可堪稱為“飛行模擬器大國”。 2 . 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)可以是微機 、單片機、可編程控制器等，考慮到本次設(shè)計的飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺僅有 3個液壓缸和一個電動機，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： 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 圖 2-1 單片機模塊圖 2.1 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(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(gòu)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。 8 2.2 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 2-2所示： 2 顯示部分 逆變電路 單 片 機 位移和轉(zhuǎn)速檢測電路 片外存儲器 鍵盤部分 光電隔離 驅(qū)動電路 電動機 指令 EPROM OE P0 口 EA ALE P2 口 PSEN 數(shù)據(jù)輸出 鎖存器 數(shù)據(jù)輸入 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 圖 2-2 外部程序存儲器擴展原理圖 外部程序存儲器可選用 EPROM、 E2PROM、 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（ 2Kx8 位 ） 、2732A（ 4Kx8 位 ） 、 2764A（ 8Kx8 位 ） 、 27128A（ 16Kx8 位 ） 、 27256（ 32Kx8 位 ） 和27512（ 64Kx8 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)?1。以后通過編程器可將這些程序固化到這些芯片中。 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 2-3 所示： 2 圖 2-3 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展原理圖 6264 是 8Kx8 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 A0 A12這 13條地址線與鎖存器的輸出及 P2 口對應(yīng)線相連， 6264 的 D0 D7這 8 條數(shù)據(jù)線與 8031的 P0 口對應(yīng)相連， 6264 的 OE 和 WE 與 8031 的 RD 和 WR 對應(yīng)， CS0接高電平。 8 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： D0 D7地址 RAM CE WE OE P0 口 ALE P2 口 WR RD 鎖存器 譯 碼 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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(yīng)用中，可能需要擴展多片 EPROM 或 RAM。本次設(shè)計要擴展 8Kx8 位的 EPROM 和 8Kx8 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(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。 2.3 顯示與鍵盤部分設(shè)計 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 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(yīng)的字段就點亮。 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(yīng)用系統(tǒng)中使用最廣泛的芯片。 8 8155 可以和 MCS-51 直接相連。 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 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 定時器高位： 0205H 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 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 DJNZ R7， DL RET 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(yīng)，所以我們在這里選用了專門用于鍵盤連接的 8279 芯片。 8279 采用單一 5V 電源供電， 40腳封裝。 2.4 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(jié)構(gòu)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(yīng)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。 9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(shè)備的動力源或運動源，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(yīng)用得較多，市場上也有較多的相關(guān)產(chǎn)品。 2.4.1 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 (2-1)表示： s)-1(p f60n = (2-1)9 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 和電源充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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。 2.4.2 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 2-42是主電路的原理圖，它是變頻器常用的最基本的格式。 圖 2-4 電壓型交 -直 -交變頻調(diào)速主電路 （ 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 = 513V2 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(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(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 導通，充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 形成放電通路。 直 -交電路 2 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：當逆變開關(guān)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(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行緩解。當逆變開關(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（ R1R6），限制電容的放電電流?？墒钱斈孀冮_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 2-5（ a） 9所示，圖中 R、 Y、 B為逆變橋的輸 出。圖2-5（ b） 9是各逆變管導通的時序，其中深色部分表示逆變導管。圖 2-5（ 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(guān)斷；并且 T1 與 T4、 T2 與 T5、T3 與 T6 每對逆變管不能同時導通。 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(shè)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。 9 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 圖 2-5 電路簡圖和逆變管通斷時序 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 2-69。從圖中可以看出，三者之間互差 120，它們的幅值是 U。 圖 2-6 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(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。 2.4.3 變頻與變壓 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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(guān)，通常在設(shè)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(shè)法維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使 E / f = K = 常數(shù) 這就要求，當電動機改變電源頻率 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 3-6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 2-710所示。 圖 2-7 含有等寬載波的脈寬調(diào)制波形 如圖 2-8 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為 =t1/（ t1+t2） 調(diào)節(jié)占空比，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。 10 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(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充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。 圖 2-8 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 2-811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。 11 2.4.4 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(wù)。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(shè)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。充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 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(yīng)不平衡負載；看門狗定時器。 SA4828 采用 28 腳的 DIP 和 SOIC 封裝。來自單片機的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進入初始化寄存器或控制寄存器。它們對相控邏輯電路進行控制。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi) ROM 中的調(diào)制波形進行比較，自動生成 SPWM 輸出脈沖。通過脈沖刪除電路，刪去比較窄的脈沖（如圖所示），因為這樣的脈沖不起任何作用，只會增加開關(guān)管的損耗。通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，保證任何橋臂上的兩個開關(guān)管不會在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路。看門狗定時器用來防止程序跑飛，當時間條件滿足時快速封鎖輸出。 片內(nèi) ROM 存有 3 種可供選擇的波形 ，它們是純正弦波、增強型波形和高效波形。如圖所示。每一種波形各 1536 個采樣值。增強型波形又稱三次諧波，它可以使輸出提高 20%，三相諧波互相抵消，防止電動機發(fā)熱。高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進一步優(yōu)化的三次諧波，可以減小逆變開關(guān)管的損耗，提高功率利用率。 寄存器列陣包含 8個 8 位寄存器 R0 R5 和 R14、 R15。其中 R0 R5用來暫存來自單片機的數(shù)據(jù) ,這些數(shù)據(jù)可能是初始化數(shù)據(jù) ,或者是控制數(shù)據(jù)；而 R14、 R15 是兩個虛擬的寄存器，物理上不存在。當向 R14 寫操作時，實際是將 R0 R5 中存放的 48位數(shù)據(jù)送入 初始化寄存器。當向 R15 寫操作時，是將 R0 R5 中存放的 48 位數(shù)據(jù)送入控制寄存器。 SA4828 芯片可以與多種不同種類單片機接口，這次我們選用的是 INTEL 公司的8051 單片機。 8051 的地址與數(shù)據(jù)總線，因此， SA4828 芯片的 MUX 引腳接高電平或者懸空不接。通過 8051 的 P0 口與 SA4828 的 AD口相連，提供 8 位數(shù)據(jù)和低 8位地址，SA4828 芯片中的地址鎖存器可以鎖存來自 8051 的低 8 位地址，從而將 AD 口輸入的地址與數(shù)據(jù)分開。 SA4828 的地址鎖存器由 8051 的 ALE 信號控制。同時，連接的控制信號還有讀、 寫信號 RD 和 WR。 SA4828 的片選信號 CS 用譯碼器 74LS138 的控制信號SASEL 控制。 8 SA4828 的 8 個寄存器的地址為 ,寄存器 R0 R5 的地址： 0000H 0005H；虛擬寄存器 R14,R15 的地址 :000EH,000FH。 SA4828 的 SETTRIP 引腳接 8051的 P1.1，使單片機能夠在異常情況下封鎖 SA4828的輸出。 ZPPR 引腳接 8051 的 P3.2（ INT0），測量調(diào)制波的頻率，用于顯示。 SA4828充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 的 TRIP 引腳接一只發(fā)光二極管，當 SA4828 的輸出被封鎖時，發(fā)光二極管燈亮報警。SA4828 的 6 個輸出引腳 RPHT、 YPHT、 BPHT、 RPHB、 YPHB、 BPHB 分別通過各自的驅(qū)動電路，來驅(qū)動逆變橋的 6只開關(guān)管。 2.5 位移和轉(zhuǎn)速檢測部分的設(shè)計 2.5.1 位移檢測傳感器和轉(zhuǎn)速檢測傳感器的選用 由于轉(zhuǎn)臺控制量的要求精度較高，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，又由設(shè)計要求可知所設(shè)計的液壓飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺統(tǒng)必須具備位置檢測功能。所以必須通過高精度的位移傳感器對位移量進行檢測和絕對式編碼器對轉(zhuǎn)速進行檢測，將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，反饋給單片機，通過單片機對這些數(shù)據(jù)進行處理，處理的結(jié)果作為控制量對電動機進 行控制，從而實現(xiàn)對各個液壓缸升降速度的精確和工作臺轉(zhuǎn)速的控制，也就是對位移量的精確控制。在此我們選用光柵位移檢測傳感器。原因有如下幾點： （ 1）輸出數(shù)字信號。光柵傳感器輸出的是數(shù)字信號，這使得它易于與數(shù)字電路，特別是單片機接口。這樣就省去了模 -數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，簡化了電路。 （ 2）高精度。由于在某些使用場合下對轉(zhuǎn)臺的工作精度要求較高，所以應(yīng)選用具有較高精度的位移檢測傳感器。而光柵尺完全符合這種需求，由于精密的光刻技術(shù)和電子細分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測量精度。目前 ，用于長度測量的光柵，其測量誤差可控制在 0.2 0.4m/m以內(nèi)，精度為 0.5 3 m/1500mm，分辨率可做到 0.1 m，允許計數(shù)速度為 200mm/s。 （ 3）具備大量程。這次我們設(shè)計的同步頂升系統(tǒng)，其每個液壓缸的最大行程為400mm，所以需要傳感器具有較大的量程。但是一般的大量程的傳感器其分辨率都不高，但光柵尺卻可以很好的克服這個缺點。 （ 4）性價比高。在測量精度方面，光柵傳感器和絕對式編碼器僅次于激光測量，而成本卻低的多。 10 但是由于光柵傳感器的光柵片一般是用玻璃制作的，而且移動光柵片與固定 光柵片之間的間隙很小，因此對環(huán)境條件如濕度、溫度、振動、沖擊等較為敏感。環(huán)境的變化會影響光柵傳感器的性能和可靠性。所以設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)時我們將光柵尺密封在活塞內(nèi)腔中，但不與活塞一起上下運動，活塞升降時應(yīng)盡量避免油液滲透進內(nèi)腔污染光柵尺和電子原件。千斤頂?shù)牡鬃赏ㄟ^螺釘與固定支架相連，可提高千斤頂?shù)姆€(wěn)定性，減少振動，亦可保護光柵傳感器。 2.5.2 光柵位移和轉(zhuǎn)速傳感器與單片機的接口設(shè)計 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 單片機與光柵傳感器的接口電路如圖 2-9所示。它有 3個部分組成，包括光柵信號檢測電路、辨向電路、位置計數(shù)電路。 光柵信號檢測 電路由光敏三極管和兩個比較器 LM339 組成。來自光柵的莫爾條紋照到光敏三極管 Ta和 Tb 上，它們所輸出的電信號加到兩個比較器的鎮(zhèn)輸入端上，而在這 2個比較器的負輸入端分別由 2個 5.1k的電阻和 2 個 5.1k的可調(diào)電阻形成一定的參考電壓，該參考電壓應(yīng)使光柵輸出的 Ua、 Ub 的高、低電平寬度一樣（即整形）。從 LM339 輸出的整形后的電壓信號 Ua、 Ub 送到辨向電路中去，辨向電路是由與門 Y1、 Y2、異或門 E1E2E3 和 4 位寄存器 95 組成。 95 的數(shù)據(jù)輸入端 D1 接收 Ua， D0接收 Ub，接收脈沖由單片機的 ALE 和 T0 端提供。 因此，當 95 的接收脈沖端 LD有脈沖下降沿產(chǎn)生時，則 Ua、 Ub 的電平分別由 D1和 D0 端輸入到 Q1、 Q0 去。 當莫爾條紋上移時，電偏平變化序列為 00011110；但當莫爾條紋下移時，電平變化序列為 00101101。在考慮的現(xiàn)新行狀態(tài)和上次狀態(tài)時，則有邏輯信號如表所列。從表中可以看出，但把上次與本次的狀態(tài)組合成一個數(shù)碼時，對于莫爾條紋上移的情況，兩端的位總是不等，中間兩位總是相等，對于莫爾條紋下移的情況，兩端的位總是相等，中間兩位總是不等。利用這種明顯相反的特點，通過邏輯電平辨別光柵移動方向。 因此，在 4 位寄 存器 95 中，把 Q0 輸出接到 D2 輸入端，把 Q1 輸出接到 D3輸入端，其意義也就是 Q3、 Q2 寄存 Ua、 Ub 原來的電平，用 Q1、 Q0 寄存 Ua、 Ub 現(xiàn)在的電平。這樣在 95中就形成了表 3-110中所列的代碼。 從單片機送來的脈沖信號是 95 接收數(shù)據(jù)的時鐘信號，這個時鐘信號的頻率較高，但這個信號從 95 的 LD段輸入時，就產(chǎn)生了這種情況：只有當現(xiàn)行的 Ua、 Ub 電平變化時，才會產(chǎn)生表所列的編碼；如果 Ua、 Ub 電平不變，在 95 中的 Q3Q2 的數(shù)碼和 Q1Q0中的數(shù)碼會完全一樣。例如， UaUb=01，而且不變，則接收數(shù)據(jù)信號從 LD 輸 入時， 95接收的結(jié)果為 0101,當 UaUb=00 時，在 95接收后為 0000。這些情況有利于判別 Ua、Ub 電平變化。很明顯，有如下結(jié)論： 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 （ 1）當 Ua、 Ub不變時， 95 的 Q3Q2 和 Q1Q0 相同。所以，只有當 Q2Q1 不等時， 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 Q3Q0 也不等；當 Q2Q1 相等時， Q3Q0 也相同。 （ 2）當 Ua、 Ub 變化時， 95 的 Q3Q2 寄存 Q1Q0 上次的數(shù)據(jù)， Q1Q0 寄存當前的數(shù)據(jù)，即 Ua、 Ub 電平。表中有， Q3Q0 相同， Q2Q1 不同時，莫爾條紋下移； Q3Q0 不同， Q2Q1相同時，莫爾條紋上移。 為了實現(xiàn)上面 2 點 結(jié)論，在圖中采用了 Y1、 Y2、 E1、 E2、 E3 組成的邏輯電路。當 Ua、 Ub 不變時， Y1、 Y2 不應(yīng)產(chǎn)生任何計數(shù)信號。這時，由于 Ua、 Ub不變，則有Q2Q1 不等， Q3Q0 也不等；或者 Q2Q1 相同， Q3Q0 也相同。當 Q2Q1 不等時，就輸出 1，同時 Q3Q0 也不等， E3 也輸出 1，這樣， E1 就會輸出 0。所以 Y1、 Y2 也就輸出 0，它們都不會產(chǎn)生計數(shù)信號。當 Q2Q1 相同， Q3Q0 也相同時， E2 輸出 0,E3 輸出 0,故 E1也輸出 0,使 Y1、 Y2 必定輸出 0，也不會產(chǎn)生計數(shù)信號。 在 Ua、 Ub變化的情況下，當莫爾條紋上移 時，則必有 Q2Q1 相同， Q3Q0 不同。這時， E2 輸出 0， E3 輸出 1,使 E1輸出 1。因此 ,Y1 輸出 0,Y2 輸出 1.Y2 輸出的上升沿使 4位加 /減同步計數(shù)器 193 進行加法計數(shù)。 當莫爾條紋下移時，必有 Q2Q1 不同， Q3Q0 相同。這時 E2 輸出 1， E3 輸出 0，使E1 輸出 1。因此， Y輸出 1， Y2輸出 0。 Y1輸出的上升沿使 4位加 /減同步計數(shù)器 193進行減法計數(shù)。 位置計數(shù)電路由 2片 93 串聯(lián)組成，形成 8 位計數(shù)器。 193 是 4位加 /減計數(shù)器，加法計數(shù)時，計數(shù)信號由 CU 端輸入，進位信號從 CY 端輸出；減法計數(shù)時，計 數(shù)信號由 CD 端輸入，借位信號從 BW 端輸出。 193 可以預置數(shù)據(jù)，預置數(shù)據(jù)從 D0 D3 輸入，接收預置數(shù)據(jù)的脈沖信號從 LD 端輸入。當 LD=0 時， 193 接收 D0 D3 輸入的數(shù)據(jù)。CLR 是清 0端， CLR=1 時 193 清 0。在預置和計數(shù)時，要求 CLR=0。 在圖 3-9中， 2 個 193 的 LD 端連在一起，通過電阻 R1 接 +5V，并經(jīng)電容 C0 接地。所以，愛接通電源的瞬間有 CLR=0， LD=0，使 193 接收 D0 D3 輸入的數(shù)據(jù)，即 193清 0。然后， 193 的內(nèi)容由 CU 和 CD 端的計數(shù)脈沖信號確定。單片機通過 P1口接收193 輸出的 8 位數(shù)據(jù) ，從而得到光柵的現(xiàn)行位置。 3 機械結(jié)構(gòu)與液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 該液壓飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺由升降系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，可以通過升降系統(tǒng)來實現(xiàn)上工作平臺的傾斜角度、通過傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)上工作平臺的旋轉(zhuǎn)，從而達到模擬飛機或?qū)椩诳罩酗w行時的各種姿態(tài)，而控制系統(tǒng)則用來控制升降系統(tǒng)中各個液壓缸上升的高度和傳動系統(tǒng)中的電動機的轉(zhuǎn)速從而達到工作平臺要求的工充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 作角度和旋轉(zhuǎn)速度。升降系統(tǒng)有液壓式、氣電式、氣壓式、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(shù)比較成熟的液壓系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)有齒輪傳動 、蝸輪蝸桿傳動、螺紋傳動、帶輪傳動，考慮到有沖擊則采用帶輪傳動，同時采用離合器從而減少對電動機的慣性沖擊。 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(shè)計的飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺僅有 3個液壓缸和一個電動機，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)。 該液壓飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。 3.1 升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 升降系統(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(shù)比較 成熟的液壓系統(tǒng)。該升降系統(tǒng)由三個液壓缸組成。 我們所設(shè)計的 液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺 的主要參數(shù)是總高約 1500mm，最大行程為400mm，最大載荷為 1t。因 液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺 載荷較大，位置精度要求較高，故上升速度不宜過大，最大上升速度應(yīng)控制在 50mm/min 以內(nèi)。 3.1.1 液壓缸結(jié)構(gòu) 由于液壓缸的外形尺寸較大，需承受的較大的沖擊載荷，所以初步擬定