1739_飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1739_飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì),飛行,模擬,摹擬,轉(zhuǎn)臺(tái),設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11. 緒論1.1 選題的依據(jù)及意義隨著飛機(jī)和導(dǎo)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(duì)他們的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)，但一架真正的飛機(jī)或一枚導(dǎo)彈的成本太高,我們不可能也沒有必要用一架真正的飛機(jī)或?qū)梺磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù),這就要求我們采用一些比較合理的實(shí)驗(yàn)裝置來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)或?qū)椀娘w行狀態(tài)，這樣飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)得以發(fā)展。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以將重物放在其上面也可以用來對(duì)飛行員進(jìn)行培訓(xùn)，因?yàn)樗梢阅M飛機(jī)在空中飛行的各種姿態(tài)。該裝置的出現(xiàn)既達(dá)到了對(duì)飛機(jī)或?qū)椥阅軈?shù)的采集，進(jìn)而改進(jìn)，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一架飛機(jī)或?qū)椀膬r(jià)格，對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈的發(fā)展具有不可估量的價(jià)值。1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)目前,大部分飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)采用串聯(lián)式機(jī)構(gòu),而本設(shè)計(jì)則采用并聯(lián)式機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)其承載能力大,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。本機(jī)構(gòu)由上下兩個(gè)工作平臺(tái),下平臺(tái)固定在地面上,上平臺(tái)用來放待實(shí)驗(yàn)的物品,在上下平臺(tái)之間采用三個(gè)液壓缸連接,通過液壓缸上聲高度的不同,來實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的傾斜,而上平臺(tái)可由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到模擬飛機(jī)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(rèn)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(dá)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(jì)，美國的飛行模擬器研制和采辦費(fèi)用每年增長(zhǎng)一倍，僅 1995 年～2000 年的費(fèi)用就高達(dá) 36 億美元。俄羅斯同樣是世界上的飛行模擬大國和強(qiáng)國，他們的所有飛機(jī)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(jìn)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(jī)工效學(xué)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(jìn)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(jì) 60 年代開始使用射擊練習(xí)器和儀表飛行練習(xí)器，并建立了研究用飛機(jī)控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)。20世紀(jì) 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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2器，并普及設(shè)計(jì)、制造和使用了各個(gè)機(jī)種的飛行模擬訓(xùn)練器。出此，我國還是世界上少數(shù)能夠設(shè)計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)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)的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)僅有 3 個(gè)液壓缸和一個(gè)電動(dòng)機(jī)，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(gè)模塊：顯示部分逆變電路單片機(jī)位移和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路片外存儲(chǔ)器鍵盤部分光電隔離 驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)圖 2-1 單片機(jī)模塊圖2.1 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(chǔ)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(chǔ)器、定時(shí)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(shí)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(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，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(hào)；引腳 ALE 接地址鎖存器 74LS373、8155、8279 和 SA4828 的使能端；EA/V PP端因不訪問片內(nèi)存儲(chǔ)器而接地；X1、X2 接 6MHz 的晶振；RESET 端接重啟電路。 [8]南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32.2 片外存儲(chǔ)器功能簡(jiǎn)介片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括程序存儲(chǔ)器（ROM）擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展。MCS-51 系列單片機(jī)具有 64KB 的程序存儲(chǔ)空間，其中 8051、8071 片內(nèi)有 4KB 的程序存儲(chǔ)器，8031 片內(nèi)無程序存儲(chǔ)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(shí)，就需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理如圖 2-2 所示： [2]圖 2-2 外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展原理圖外部程序存儲(chǔ)器可選用 EPROM、E 2PROM、PAGED EPROM 和 KEPROM 等。紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)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(gè)玻璃口，在紫外線下照射 20 分鐘左右，存儲(chǔ)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠?jī)?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(chǔ)器。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài) RAM 和動(dòng)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(chǔ)器的擴(kuò)展方法如圖 2-3 所示： [2]指令EPROMOEP0 口EAALEP2 口PSN數(shù)據(jù)輸出鎖存器數(shù)據(jù)輸入D ～ D07地址RAMCEWOP0 口ALEP2 口WRD鎖存器譯 碼南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4圖 2-3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理圖6264 是 8Kx8 位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片，采用 CMOS 工藝制造，單一+5V 供電，額定功率 200mW，典型存儲(chǔ)時(shí)間 200ns，為 28 線雙列直插式封裝。6264 的 A0～A 12這13 條地址線與鎖存器的輸出及 P2 口對(duì)應(yīng)線相連，6264 的 D0～D 7這 8 條數(shù)據(jù)線與8031 的 P0 口對(duì)應(yīng)相連，6264 的 和 與 8031 的 和 對(duì)應(yīng)，CS 0接高電平。OEWRW[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(dāng)向該片 6000H 單元寫有個(gè)數(shù)據(jù) DATA 時(shí)，可用如下指令：MOV A，#DATAMOV DPTA，#6000HMOVX @DPTR，A從 7FFFH 單元讀一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，可用如下指令：MOV DPTR，#7FFFHMOVX 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 8Kx8 位的 EPROM 和 8Kx8 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(shí)，P2、P0 發(fā)出的地址信號(hào)應(yīng)能選擇其中一片的一個(gè)存儲(chǔ)單元，即 8 片 2764 不應(yīng)該同時(shí)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?？偣部商峁?16 個(gè)片選信號(hào)。2.3 顯示與鍵盤部分設(shè)計(jì)顯示設(shè)備有 CRT、LCD、LED 等，我們選用的是功能簡(jiǎn)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(gè)字段的陽極為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。LED 要正常工作需要通過 I/O 接口芯片 8155 與 8051 相連。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文58155 芯片內(nèi)具有 256 個(gè)字節(jié)的 RAM，兩個(gè) 8 位、一個(gè) 6 位的可編程 I/O 和一個(gè)14 位計(jì)數(shù)器，與 MCS-51 接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)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：0200HA 口：0201HB 口：0202HC 口：0203H定時(shí)器低位：0204H定時(shí)器高位：0205H設(shè) 8051RAM 中有 6 個(gè)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(gè)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(duì)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 R0MOV R3，#01H ；使顯示器最右邊位亮MOV A，R3LD0： MOV DPTR，#0101H ；掃描值送入 PA 口MOVX @DPTR，AINC 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(shí)INC R0 ；緩沖區(qū)地址加 1MOV A，R3 ；JB ACC.5，LD1 ；掃到第 6 個(gè)顯示位了嗎？南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6RL A ；沒有，R3 左環(huán)移一位，掃描下一個(gè)顯示位MOV R3，AAJMP LD0LD1： RETDSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；顯示段碼表DSEG1： DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CHDSEG2： DB 39H，5EH，79H，71H，73H，3EHDSEG3： DB 31H，61H，1CH，23H，40H，03HDSEG4： DB 18H，00H，00H，00HDL1： MOV R7，#02H ；延時(shí)子程序DL： MOV R6，#0FFHDL6：DJNZ R6，DL6DJNZ R7，DLRET鍵盤共設(shè)有 32 個(gè)鍵，由 4 條行線 8 條列線組成開關(guān)矩陣。對(duì)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(qǐng)求輸出端，于是不得不采用鍵盤掃描程序不斷的檢測(cè)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(shí)有可能造成系統(tǒng)無法響應(yīng)，所以我們?cè)谶@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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)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(dòng)機(jī)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)占有量始終第一位。然而，長(zhǎng)期以來，交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速始終是一個(gè)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(dòng)機(jī)調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。 [9]目前，交流異步電動(dòng)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(dòng)力源或運(yùn)動(dòng)源，并起到節(jié)約電能、提高設(shè)備自動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)控制專業(yè)技術(shù)人員必須要掌握南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文7的知識(shí)?，F(xiàn)代流行的交流異步電動(dòng)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(jiǎn)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(chǎng)上也有較多的相關(guān)產(chǎn)品。2.4.1 交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由式(2-1)表示：…………………………………………………………………………(2-1)[9]s)-1(pf60n=式中: n--電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速p--電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)f--電源頻率s--轉(zhuǎn)差率由上式可知，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)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(dòng)機(jī)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(shí)質(zhì)上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)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 2-4[2]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-直電路南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8整流管 D1～D6 組成三相整流橋，對(duì)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[2]濾波電容 Cr 濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件，加限流電阻 Ra。延時(shí)一段時(shí)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(shí)，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(shí)間較長(zhǎng)（數(shù)分鐘） ，幾百伏的高電壓會(huì)威脅人員安全，因此，在維修時(shí)要等指示燈熄滅后進(jìn)行。Rc 是制動(dòng)電阻。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)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(huì)損壞電路元件。所以，應(yīng)給一個(gè)放電通路，使這部分再生電流耗在電阻 Rc 上。制動(dòng)時(shí)，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 [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(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突變將為 0，但由于電動(dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二級(jí)管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流二級(jí)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(shí)，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(shí)，VCE 迅速升高，Ic 迅速降低，過高增長(zhǎng)率的電壓對(duì)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(zhǎng)率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時(shí)，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(zhǎng)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?dāng)逆變開光管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電。為了解決這個(gè)矛盾，在電子兩端并聯(lián)二極管（D13～D18） ，使電容在充電時(shí)，避開電阻，通過二極管充電，在放電時(shí)，通過電子放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文9（2） 三相逆變橋的工作原理三相逆變橋的電路簡(jiǎn)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(dǎo)通的時(shí)序，其中深色部分表示逆變導(dǎo)管。圖 2-5（b）可以看出，每一時(shí)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(duì)逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。在 t1 時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。 [9]圖 2-5 電路簡(jiǎn)圖和逆變管通斷時(shí)序在 t5 時(shí)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(shí)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，得到的線電壓為 UBR 和-UYB。線電壓 URY、UYB、UBR 的波形見圖 2-6[9]。從圖中可以看出，三者之間互差120，它們的幅值是 U。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文10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(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(dòng)機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動(dòng)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 變頻與變壓由前面的敘述可知改變電源頻率可達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，但實(shí)際上當(dāng)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，必定會(huì)造成通過電動(dòng)機(jī)鐵芯的磁通量的改變。由于電動(dòng)機(jī)的磁通容量與電動(dòng)機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)時(shí)與達(dá)到最大容量，因此，當(dāng)磁通量增加時(shí)，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(dòng)機(jī)改變電源頻率 f 時(shí)，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(duì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。怎樣實(shí)現(xiàn)變頻的同時(shí)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(gè)周期的輸出波形用一組等寬脈沖波來表示，如圖 2-7[10]所示。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11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(gè)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(duì)脈沖波的占空比和PWM 波的頻率分別進(jìn)行調(diào)整。 [10]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(jiǎn)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(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖所示，其相等的時(shí)刻（即交點(diǎn)）作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文12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(shí)刻控制的，如圖 2-8[11]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(dòng)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。 [11]2.4.4 電動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(duì)計(jì)算做一些簡(jiǎn)化，并事先計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)，將其制成表格，使用時(shí)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(hào)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(shí)間用于檢測(cè)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(shí) MITEL 公司推出的一種專用于三相 SPWM 信號(hào)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(hào)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(shí)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(shí)器。SA4828 采用 28 腳的 DIP 和 SOIC 封裝。來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)通過總線控制和譯碼進(jìn)入初始化寄存器或控制寄存器。它們對(duì)相控邏輯電路進(jìn)行控制。外部時(shí)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(jìn)行比較，自動(dòng)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?yàn)檫@樣的脈沖不起任何作用，只會(huì)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(gè)開關(guān)管不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間短路?？撮T狗定時(shí)器用來防止程序跑飛，當(dāng)時(shí)間條件滿足時(shí)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(qiáng)型波形和高效波形。如圖所示。每一種波形各 1536 個(gè)采樣值。增強(qiáng)型波形又稱三次諧波，它可以使輸出南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13提高 20%，三相諧波互相抵消，防止電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。高效型波形又稱帶死區(qū)的三次諧波，它是進(jìn)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(gè) 8 位寄存器 R0～R5 和 R14、R15。其中 R0～R5 用來暫存來自單片機(jī)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(gè)虛擬的寄存器，物理上不存在。當(dāng)向 R14 寫操作時(shí)，實(shí)際是將 R0～R5 中存放的 48位數(shù)據(jù)送入初始化寄存器。當(dāng)向 R15 寫操作時(shí)，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(jī)接口，這次我們選用的是 INTEL 公司的8051 單片機(jī)。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(hào)控制。同時(shí)，連接的控制信號(hào)還有讀、寫信號(hào) RD 和 WR。SA4828 的片選信號(hào) CS 用譯碼器 74LS138 的控制信號(hào) SASEL 控制。 [8]SA4828 的 8 個(gè)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(jī)能夠在異常情況下封鎖SA4828 的輸出。ZPPR 引腳接 8051 的 P3.2（INT0） ，測(cè)量調(diào)制波的頻率，用于顯示。SA4828 的 TRIP 引腳接一只發(fā)光二極管，當(dāng) SA4828 的輸出被封鎖時(shí)，發(fā)光二極管燈亮報(bào)警。SA4828 的 6 個(gè)輸出引腳 RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB 分別通過各自的驅(qū)動(dòng)電路，來驅(qū)動(dòng)逆變橋的 6 只開關(guān)管。2.5 位移和轉(zhuǎn)速檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)2.5.1 位移檢測(cè)傳感器和轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器的選用由于轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)要求可知所設(shè)計(jì)的液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)統(tǒng)必須具備位置檢測(cè)功能。所以必須通過高精度的位移傳感器對(duì)位移量進(jìn)行檢測(cè)和絕對(duì)式編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，反饋給單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果作為控制量對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓缸升降速度的精確和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的控制，也就是對(duì)位移量的精確控制。在此我們選用光柵位移檢測(cè)傳感器。原因有如下幾點(diǎn)：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14（1）輸出數(shù)字信號(hào)。光柵傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，這使得它易于與數(shù)字電路，特別是單片機(jī)接口。這樣就省去了模-數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了電路。（2）高精度。由于在某些使用場(chǎng)合下對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)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(xì)分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對(duì)局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測(cè)量精度。目前，用于長(zhǎng)度測(cè)量的光柵，其測(cè)量誤差可控制在0.2～0.4μm/m 以內(nèi)，精度為 0.5～3μm/1500mm，分辨率可做到 0.1μm，允許計(jì)數(shù)速度為 200mm/s。（3）具備大量程。這次我們?cè)O(shè)計(jì)的同步頂升系統(tǒng)，其每個(gè)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(gè)缺點(diǎn)。（4）性價(jià)比高。在測(cè)量精度方面，光柵傳感器和絕對(duì)式編碼器僅次于激光測(cè)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(dòng)光柵片與固定光柵片之間的間隙很小，因此對(duì)環(huán)境條件如濕度、溫度、振動(dòng)、沖擊等較為敏感。環(huán)境的變化會(huì)影響光柵傳感器的性能和可靠性。所以設(shè)計(jì)液壓缸的結(jié)構(gòu)時(shí)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(yùn)動(dòng)，活塞升降時(shí)應(yīng)盡量避免油液滲透進(jìn)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(dòng)，亦可保護(hù)光柵傳感器。2.5.2 光柵位移和轉(zhuǎn)速傳感器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)單片機(jī)與光柵傳感器的接口電路如圖 2-9 所示。它有 3 個(gè)部分組成，包括光柵信號(hào)檢測(cè)電路、辨向電路、位置計(jì)數(shù)電路。光柵信號(hào)檢測(cè)電路由光敏三極管和兩個(gè)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(hào)加到兩個(gè)比較器的鎮(zhèn)輸入端上，而在這 2 個(gè)比較器的負(fù)輸入端分別由 2 個(gè) 5.1kΩ 的電阻和 2 個(gè) 5.1kΩ 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(hào) 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(jī)的 ALE 和 T0 端提供。因此，當(dāng) 95 的接收脈沖端 LD 有脈沖下降沿產(chǎn)生時(shí)，則 Ua、Ub 的電平分別由 D1 和 D0 端輸入到 Q1、Q0 去。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文15當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)，電偏平變化序列為 00011110；但當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)，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(shí)，則有邏輯信號(hào)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(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)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(duì)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(diǎn)，通過邏輯電平辨別光柵移動(dòng)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 3-1[10]中所列的代碼。從單片機(jī)送來的脈沖信號(hào)是 95 接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率較高，但這個(gè)信號(hào)從 95 的 LD 段輸入時(shí)，就產(chǎn)生了這種情況：只有當(dāng)現(xiàn)行的 Ua、Ub 電平變化時(shí)，才會(huì)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(huì)完全一樣。例如，UaUb=01，而且不變，則接收數(shù)據(jù)信號(hào)從 LD 輸入時(shí)，95 接收的結(jié)果為 0101,當(dāng) UaUb=00 時(shí)，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：（1）當(dāng) Ua、Ub 不變時(shí)，95 的 Q3Q2 和 Q1Q0 相同。所以，只有當(dāng) Q2Q1 不等時(shí)，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文17Q3Q0 也不等；當(dāng) Q2Q1 相等時(shí)，Q3Q0 也相同。（2）當(dāng) Ua、Ub 變化時(shí)，95 的 Q3Q2 寄存 Q1Q0 上次的數(shù)據(jù)，Q1Q0 寄存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，即 Ua、Ub 電平。表中有，Q3Q0 相同，Q2Q1 不同時(shí)，莫爾條紋下移；Q3Q0 不同，Q2Q1 相同時(shí)，莫爾條紋上移。為了實(shí)現(xiàn)上面 2 點(diǎn)結(jié)論，在圖中采用了 Y1、Y2、E1、E2、E3 組成的邏輯電路。當(dāng) Ua、Ub 不變時(shí)，Y1、Y2 不應(yīng)產(chǎn)生任何計(jì)數(shù)信號(hào)。這時(shí)，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(dāng) Q2Q1 不等時(shí)，就輸出1，同時(shí) Q3Q0 也不等，E3 也輸出 1，這樣，E1 就會(huì)輸出 0。所以 Y1、Y2 也就輸出0，它們都不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。當(dāng) Q2Q1 相同，Q3Q0 也相同時(shí)，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(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。在 Ua、Ub 變化的情況下，當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)，則必有 Q2Q1 相同，Q3Q0 不同。這時(shí)，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(jì)數(shù)器 193 進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)，必有 Q2Q1 不同，Q3Q0 相同。這時(shí) 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(jì)數(shù)器193 進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。位置計(jì)數(shù)電路由 2 片 93 串聯(lián)組成，形成 8 位計(jì)數(shù)器。193 是 4 位加/減計(jì)數(shù)器，加法計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)信號(hào)由 CU 端輸入，進(jìn)位信號(hào)從 CY 端輸出；減法計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)信號(hào)由 CD 端輸入，借位信號(hào)從 BW 端輸出。193 可以預(yù)置數(shù)據(jù)，預(yù)置數(shù)據(jù)從 D0～D3 輸入，接收預(yù)置數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)從 LD 端輸入。當(dāng) LD=0 時(shí)，193 接收 D0～D3 輸入的數(shù)據(jù)。CLR 是清 0 端，CLR=1 時(shí) 193 清 0。在預(yù)置和計(jì)數(shù)時(shí)，要求 CLR=0。在圖 3-9 中，2 個(gè) 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(jì)數(shù)脈沖信號(hào)確定。單片機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)該液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)由升降系統(tǒng)、傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)上工作平臺(tái)的傾斜角度、通過傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上工作平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到模擬飛機(jī)或?qū)椩诳罩酗w行時(shí)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(gè)液壓缸上升的高度和傳動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到工作平臺(tái)要南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文18求的工作角度和旋轉(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(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)。傳動(dòng)系統(tǒng)有齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)，考慮到有沖擊則采用帶輪傳動(dòng)，同時(shí)采用離合器從而減少對(duì)電動(dòng)機(jī)的慣性沖擊?？刂葡到y(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)的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)僅有 3 個(gè)液壓缸和一個(gè)電動(dòng)機(jī)，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)。該液壓飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)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(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)。該升降系統(tǒng)由三個(gè)液壓缸組成。我們所設(shè)計(jì)的液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)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(duì)液壓缸的使用特性進(jìn)行調(diào)整其總體結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。為了實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的傾斜角度，液壓缸的工作臺(tái)與活塞桿應(yīng)采用轉(zhuǎn)動(dòng)連接副相連。當(dāng)液壓缸工作時(shí)，液壓缸的工作臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以設(shè)計(jì)時(shí)將活塞桿頂部插入球頭，與工作臺(tái)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。如圖 3-3 所示。球頭與活塞桿采用緊固螺釘固定。由于光柵尺尺寸較長(zhǎng)，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不宜采用螺母緊固，方便起見，我們將活塞和活塞桿合為一體，材料同為 45 號(hào)鋼。工作時(shí)發(fā)光元件與光敏元件隨活塞作同步運(yùn)動(dòng)，光柵尺下端固定在底蓋上不動(dòng)，光源與光柵尺的相對(duì)位移量通過讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文19南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文20圖 3-2 液壓缸總體結(jié)構(gòu)圖圖 3-3 液壓缸的工作臺(tái)與活塞之間的連接由于液壓缸的行程較長(zhǎng)，達(dá) 400mm，當(dāng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度去承載重物時(shí)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(gè)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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21由于光柵傳感器放在液壓缸內(nèi)部，考慮到其信號(hào)線的連接問題，我們將油缸底蓋與液壓缸底座之間留有一定空間。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 3-4 所示的方法固定底蓋。圖 3-4 中液壓缸底座處轉(zhuǎn)有 4 個(gè)螺紋孔，用 4 個(gè)型號(hào)為 M16x44 的六角頭螺栓將底蓋頂起至油缸卡槽處。螺桿長(zhǎng)度比實(shí)際所需的長(zhǎng) 3～5mm，可通過增加墊片的方法達(dá)到使 4 個(gè)螺栓平均分配載荷的目的。底蓋上套有密封圈，防止漏油。液壓缸底座與油缸通過 4個(gè)內(nèi)六角螺釘緊固。在底座和油缸兩側(cè)各開一個(gè)通孔用于連接光柵傳感器的信號(hào)線。3.1.2 液壓缸零部件分析由于液壓缸可能會(huì)在比較惡劣的條件下使用，而且在裝載和卸載重物時(shí)，可能會(huì)因操作不當(dāng)而對(duì)千斤頂?shù)鬃斐奢^大沖擊，導(dǎo)致整個(gè)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。圖 3-4 液壓缸底蓋的固定方式油缸是液壓系統(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(shí)還是活塞的運(yùn)動(dòng)軌道。所以設(shè)計(jì)油缸時(shí)，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(dòng)速度和有效行程，同時(shí)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)表南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文22面應(yīng)具有合適的公差等級(jí)、表面粗糙度和形位公差等級(jí)，以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和耐用性。對(duì)油缸材料的可選空間很大，對(duì)其進(jìn)行篩選需要有足夠的耐心。對(duì)油缸的要求：1．要有足夠的強(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)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(shí)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(zhǎng)期工作而磨損很少，尺寸公差等級(jí)和形位公差等級(jí)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(shí)候不致產(chǎn)生裂紋或過大變形。 [4]最后我們選定各方面性能良好的 45 號(hào)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(chǎng)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)配合表面；間隙過大，會(huì)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(hào)鋼。活塞外徑的配合一般采用 f9 的公差等級(jí)，外徑對(duì)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?；钊麠U要在導(dǎo)向套中滑動(dòng)，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?；钊麠U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(duì)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(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。如圖 3-5 所示：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文23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 0.05mm。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(dòng)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(gè)堅(jiān)固的邊界層油膜，且對(duì)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(dòng)軸之間，從泄露的角度看，這是有害的，長(zhǎng)時(shí)間的使用后會(huì)造成油液的泄露；但它對(duì)運(yùn)動(dòng)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)。 [4]圖 3-5 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)液壓缸底座與油缸之間的連接、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(tái)與蓋板之間的連接和對(duì)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)。3.1.3 油缸的壁厚校驗(yàn)油缸的額定壓力 Pn應(yīng)低于一定極限：………………………………………………………（3-1） [4]21snD)-(σ35.0≤P式中：P n－額定工作壓力；南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24D1－油缸外徑，本次為 116mm；D－油缸內(nèi)徑，本次為 86mm；σ S－油缸材料屈服強(qiáng)度。油缸的材料為 45 號(hào)鋼，查表可得 σ S=360MPa；由此可知上式 右邊=50.745 MPa液壓缸最大工作載荷為 1t，面積為 4757.1mm2…………………………(3-2) [4]MP745.0≤12.)D-(πw4sP aa21maxaxn==其中：Wmax 為最大工作載荷，本次為 10000N。經(jīng)校驗(yàn)，油缸壁所受壓力在許可范圍之內(nèi)。3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，為了防止在啟動(dòng)和關(guān)閉是電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊，在電動(dòng)機(jī)與軸連接處采用離合器，然后通過皮帶輪將動(dòng)力傳到工作臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到模擬飛行的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于工作時(shí)平臺(tái)上將放重物為了減少軸承所承受的稠向力,所以在工作臺(tái)下用滾球與支撐臺(tái)接觸,既減少了對(duì)軸承的力而且采用滾珠是滾動(dòng)摩檫使得摩檫力不是很大從而所需要的轉(zhuǎn)距不大。該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、離合器、皮帶輪以及軸和軸承組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖 3-6 所示。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文25圖 3-6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)是已經(jīng)系列化了的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)所需電動(dòng)機(jī)的輸出功率、工作條件及經(jīng)濟(jì)要求，從產(chǎn)品目錄中選擇其類型、結(jié)構(gòu)形式、容量（功率）和轉(zhuǎn)速、并確定其型號(hào)。（1）電動(dòng)機(jī)類型的選擇因?yàn)槿嘟涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)（特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格便宜和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。尤其在中小功率，無須調(diào)速而又長(zhǎng)期帶動(dòng)穩(wěn)定或變動(dòng)載荷的設(shè)備中用得較多。在選擇電動(dòng)機(jī)的類型時(shí)，主要考慮的是：靜載荷或慣性載荷的大小，工作機(jī)械長(zhǎng)期連續(xù)工作還是重復(fù)短時(shí)工作，工作環(huán)境是否多灰塵或水土飛濺等方面。對(duì)于一般用途，無特殊要求的工作機(jī)械（如機(jī)床，鼓風(fēng)機(jī)，水泵等）通常選用J2 或 JO2 型電動(dòng)機(jī)。對(duì)于灰塵較多或水土飛濺的地方（如磨粉機(jī)，碾米機(jī)，農(nóng)用機(jī)械，礦山機(jī)械等）則必須選用 JO2 型封閉自冷式電動(dòng)機(jī)。對(duì)于起動(dòng)載荷或慣性載荷較大的機(jī)械（如連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，壓縮機(jī)，錘擊機(jī)，柱塞式泵等） ，則宜選用 JO3 或 JO2 型電動(dòng)機(jī)。對(duì)于各種型式的起重機(jī)，牽引機(jī)和冶金機(jī)械設(shè)備等，必須選用 JZ，JZR 型起重及冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)。（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇同一功率的異步電動(dòng)機(jī)有每分鐘轉(zhuǎn)速為 3000、1500、1000、750 的幾種。當(dāng)工作機(jī)械（如鼓風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)等）轉(zhuǎn)速較高時(shí)，一般選用同步轉(zhuǎn)速為 3000 轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)較為經(jīng)濟(jì)。如果工作機(jī)械的轉(zhuǎn)速太低（即傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比太大） ，將導(dǎo)致傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，所以需要全面考慮。在一般機(jī)械中 1500 和 1000 轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)用得最多。它們適應(yīng)性大，供應(yīng)普遍。同步轉(zhuǎn)速為 750 轉(zhuǎn)/分的電動(dòng)機(jī)，只有要求低轉(zhuǎn)速，在功率較大，起動(dòng)次數(shù)頻繁等情況下才使用。（3）電動(dòng)機(jī)功率的選擇電動(dòng)機(jī)功率的選擇與電動(dòng)機(jī)本身發(fā)熱，載荷大小，工作時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，因此應(yīng)根據(jù)不同的工作情況考慮。對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)工作，載荷穩(wěn)定或很少變化的工作機(jī)械，一般應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率約大于所需功率 10%來選擇電動(dòng)機(jī)?？梢酝ㄟ^以下幾種方法確定電動(dòng)機(jī)的功率：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文261. 可以在測(cè)定和估算出工作機(jī)構(gòu)的有用功率，查表得到有關(guān)機(jī)械傳動(dòng)的效率之后，運(yùn)用公式計(jì)算2. 看看功率相仿的同類型機(jī)械所用的電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行類比選擇。3. 假如根據(jù)同類機(jī)器進(jìn)行仿造，需要重新考慮電動(dòng)機(jī)功率，則可先用鉗型電流表測(cè)定機(jī)器的滿載電流，然后按“2.5 安約需 1 千瓦”的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出來。 [5]（4）電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和具體選擇由于工作臺(tái)最大載荷為1t,約為10000N。由f=u*F,T=f*L………………（3-3） [5]式中：f-摩檫力 ,單位N;u-摩檫系數(shù) ,單位1;F-物體重力,單位N;T-扭距,單位N m;?L-力臂長(zhǎng)度,單位 m。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)有： 式中:n-轉(zhuǎn)速,單位r/min?？晒浪愠鰊P5.9T=P 1.2kW≈考慮到V帶傳動(dòng)、離合器和設(shè)計(jì)余量取該電動(dòng)機(jī)的額定功率P為1.5kw。據(jù)以上計(jì)算所得電動(dòng)機(jī)參數(shù)以及考慮到電機(jī)工作的環(huán)境選擇砂輪電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：Y100L-6。其功率為1.5kw，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為9400r/min、電流3.97A、效率77.5%、功率因數(shù)（cos?）0.74，堵轉(zhuǎn)電流為額定電流的6倍，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍。 [5]Y2系例三相異步電動(dòng)機(jī)完全封閉，外扇冷式、鼠籠型結(jié)構(gòu)。具有設(shè)計(jì)新穎、造型美觀、噪聲低、效率和轉(zhuǎn)矩較高、起動(dòng)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。整機(jī)采用F級(jí)絕緣，且按國際慣例的絕緣結(jié)構(gòu)評(píng)定方法設(shè)計(jì)，從而大大提高了整機(jī)安全可靠性。3.2.2 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)距及尺寸設(shè)計(jì)與校核 3.2.2.1 軸轉(zhuǎn)距計(jì)算 取軸的離合器的傳動(dòng)效率為 0.991軸：……………………………………………（3-kw458.190.ηp=×=4） ………………………………………（3-mN095T1?5） [6]南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文272軸：kw41.950.1ηp=×=mN78950T由于設(shè)計(jì)的方案中，與軸進(jìn)行裝配的零件只有離合器，重量都比較輕，故所受的彎矩很小，可以忽略不計(jì)。因此下面將主要校核軸徑尺寸、軸的剛度以及軸的扭轉(zhuǎn)變形。3.2.2.2 軸尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：………………………………………………（3-6） [6]]τ[≤d2.0np95WTτT3t=其中： 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MpaTτT 為軸所受的扭矩，單位為 N.mm為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為tw3mn 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/minp 為軸傳遞的功率，單位為 kwd 為計(jì)算截面處的直徑，單位為 mm由上式可得的直徑 [6]303T3TnPA]τ[2.095n].τ[2095≥=×=其中 30]τ[.A根據(jù)所選軸的材料為45號(hào)鋼，查表15—3，取 [6]10=A則對(duì)于 1 軸：m76.12940.51≥d3×所以取與離合器配合段的軸徑為 50mm， 則另一端安裝皮帶輪處的直徑為40mm。對(duì)于 2 軸：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文28m9.1805..≥d3=×初所以取與皮帶輪配合段的軸徑為 45mm， 則另一端安裝工作臺(tái)處的直徑為 60mm并采用花鍵形式。3.2.2.3 校核各軸的扭轉(zhuǎn)剛度根據(jù)下面公式進(jìn)行校荷各軸…………………………………………………………………（3-7）tmaxwTτ=[6]設(shè)計(jì)時(shí)，各軸選材都為 45 號(hào)鋼，其 ，在這里取 30mpa，由于MPaT45~2]τ[=各軸的結(jié)構(gòu)形式基本相同，故它們的扭距圖也相同。如下圖 2-7 所示：圖 3-7 各軸的扭矩示意圖對(duì)于 1 軸: MPa302.1)04(π6.156D.wTτ 3-3tmax ×°式中: -包角, 單位度。1所以主動(dòng)輪上的包角合適。（6） 計(jì)算窄 V 帶的根數(shù) z[6]…………………………………………………………(3-15)la0ck)pΔ(z+=式中:Ka-包角系數(shù)，單位 1；KL-長(zhǎng)度系數(shù), 單位 1；P0-單根皮帶的基本額定功率,單位 kW；-額定功率增量,單位 kWΔpZ-皮帶根數(shù)。由 i=2 ，查表 8—5a 和表 8—5b 得min/r940n1=10d2=kw4.pkw19.0pΔ=查表 8—8 得： 96a查表 8—2 得： 3.0l則：