闭式功率流变速器试验台控制系统设计毕业设计.docx

本科学生毕业设计闭式功率流变速器试验台控制系统设计 the graduation design for bachelors degreethe research of closed test platformscontrol for transmissioncandidate：bai zhifeispecialty：vehicle engineeringclass：b05-16supervisor：associate prof. ji junlingheilongjiang institute of technology2009-06harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要随着工程车辆工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，成为工程车辆的关键性传动部件之一。齿轮传动效率影响整个工程车辆的动力性，经济性和排放性等。目前，国内外大多将变速箱安装在试验台上进行试验，试验台主要分两种形式，一种是采用开式功率流变速器试验台，它的特点是：结构简单，试验方法简单，通用性好，但是由于需要采用原动机作为驱动电机来驱动，造价高，耗电量大。另外一种是采用闭式功率流变速器试验台，它的特点是：与开式功率流试验台相比可以大大节省动力消耗，这对数量大，周期长，大功率的齿轮传动试验具有巨大的经济效益。本课题以闭式功率流试验台为研究对象，结合其物理结构，实现了试验台的自动控制。本课题的研究方法是在已做出的物理结构及查阅资料的基础上，按照上下位机的结构，上位机为pc机，负责控制模式的选择，参数的设定，及转矩、转速、时间、转向和运算结果的显示。下位机采用c8051f060单片机，负责传感器信号的监测、电机驱动、多路显示等。通过选择合适的单片机，传感器，电动机，变频器完成控制部分的硬件设计，通过visual basic程序和单片机程序实现软件的设计，最终实现了实验台的自动控制。关键词：变速箱；闭式功率流；试验台；串行通信；变频器abstractalong with the fast development of the vehicle industry, transmission is becoming one of the crucial parts of project vehicles drive train because of its merits such as fixed ratio, t- he big driving moment, compact structure and so on . gear drives efficiency influences the power, efficiency and emission of entire vehicles and so on. at present, transmissions expe- riments are mostly carried on test platform both in home and abroad, the test platform can ma- inly divided in two forms, one kind is open text platform which uses the power flowing the gearbox text platform. its characteristic is: the structure is simple, the testing method is si- mply the nature is good, but because it needs to be derived with the prime electrical machin- ery the construction cost is high, the power consumption is big. the other one kind is called closed text platform which uses the closed power to flow gearbox test platform,. its charact- eristic is: it can save great power compared with the open text platform , and it has huge economic efficiency to the gear drive experiment with big quantity, long cycle , specially with high efficiency. this topic takes the closed test platform as the object of study, united the design of structural, and realized the movement simulation process of the test platform.this technique of this topic is on the foundation of this subject have been made in the physical structure and studying of material, in accordance with the structure of upper and lower machine, upper computer is pc, responsible for the choice of control mode. parameter settings and torque, speed, time, shift and the computing results are displayed. under-bit machine using the next-bit single-chip c8051f060, responsible for monitoring the sensor signals, motor-driven, multi-channel display and so on. by choosing suitable single-chip, sensors, motors, inverter complete control of part of the hardware design, through visual basic procedures and procedures for the realization of single-chip design software, the eventual realization of the automatic control of the test-bed.key words: gear box; closed text platform; test-bed; serial communication; transduceriv目录摘要iabstracti第1章 绪论11.1 课题研究的来源和目的11.2 汽车变速器性能试验台的发展概况11.2.1 传统汽车变速器性能试验装置的类型及特点11.2.2 先进汽车变速器性能试验装置的类型及特点11.3 课题研究的主要内容及技术路线11.3.1 课题研究内容11.3.2 课题研究技术路线11.4 变速器试验台控制系统总体方案1第2章 变速器试验台控制系统的原理12.1 电机转速控制原理12.1.1 交流异步电动机变频调速原理12.1.2 主电路和逆变电路的工作原理12.1.3 变频与变压12.2 电机的运转时间原理12.3 电机的转向控制原理12.4 本章小结1第3章 变速器试验台控制系统硬件部分设计13.1 硬件的选择13.1.1 电动机的选择13.1.2 单片机的选择13.1.3 变频器的选择13.1.4 传感器的选择13.1.5 锁存器的选择13.1.6 其余硬件的选择13.2 硬件的连接及参数的确定13.2.1 rs232的db9与max232的连接13.2.2 锁存器74hc573与发光二极管led及单片机c8051f060的连接13.2.3 jn338转速转矩传感器与单片机的连接13.3 本章小结1第4章 变速器试验台控制系统软件部分设计14.1 vb软件设计14.2 单片机软件设计14.3 本章小结1结论1参考文献1致谢1附录a vb程序清单1附录b 单片机程序清单错误！未定义书签。附录c c8051f060数据手册(部分)错误！未定义书签。第1章 绪论1.1 课题研究的来源和目的自1886年诞生第一辆汽车以来，汽车工业经历了100年的发展过程。在我国，从1953年第一汽车制造厂动土兴工到现在，汽车工业的发展有了50年的历史了。由于社会需求的不断增长和科学技术的发展的推动，汽车日趋精巧，其运输生产率和各项性能都有很大提高。因此，现代汽车已成为世界经济与人民生活中不可缺少的一种运输工具。由于汽车工业是科技含量高、利润高和对相关产业带动大的产业，汽车产品的质量及其设计水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志之一。得到了各国政府和企业家的重视，很多国家都把汽车工业作为支柱产业，汽车工业的竞争也越来越残酷，对技术和质量的要求也越来越高。但就我国的设计水平而言，载货汽车方面，我们经历了从全套改进到仿制，再到自主开发的三个阶段。轿车方面，我们虽然在50年代末期在仿制的基础上生产了“红旗”、“上海”牌轿车，但至今基本上仍属于引进阶段。近年来，捷达和桑塔纳改型成功，表明我国自主开发的能力方面开始取得进展，但是这只是一个良好的开端，我们还有更多的工作需要做。虽然我国建国较晚，同时又受到世界上一些国家的封锁造成我国汽车工业相对落后世界先进水平，同时我们也面临着起步晚，经验不足，资金缺乏和技术落后等一系列困难，造成了我国汽车工业还仍然处于不完善状态。但是，自改革开放以来，我国汽车工业经过了艰苦创业，已经迎来了蓬勃发展的机会，显示出了良好的发展势头。通过使用来鉴别汽车的零部件质量是最为实际、有效的，也很客观。但这种方法不能全部应用于汽车零部件。因为这种方法要耗费太多的人力、物力和财力，且周期长，见效慢，明显不能适应现代汽车发展的节奏。所以，我们要寻求周期短，耗人力和物力较少的实验方法，室内台架实验正好满足了这一需要。但是我国室内台架实验水平太低，实验设备，实验方法等等方面还有很多不尽人意之处。所以，为了提高我国汽车产品的质量，设计，制造出精度高，操作简便，适用性强，可靠性强，成本低的试验设备便成为摆在我们面前的首要任务。在汽车的传动系中，变速器起着非常重要的作用。因为在汽车上广泛采用活塞式内燃机，其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。变速器正是为解决这一矛盾而设置的，保证变速器具有良好的工作性能，将对提高汽车的质量和性能起着非常重要的作用。同时变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，所以，变速器应保证汽车有必要的动力性和经济性，应保证换档迅速、省力、工作可靠。此外，还应满足效率高、噪声低、体小质轻、制造容易、成本低等。因此从产品开发到生产到使用都要对其进行大量的试验，以确定其各种性能参数，为汽车的生产、销售、维修单位以及汽车的使用者提供可靠的参考，防止出现重大的事故。在此领域各国都在潜心研究，以不断提高试验的准确性，从而提供更可靠的试验数据，为社会服务。由于变速器复杂的使用条件和复杂的内部结构，造成变速器受力比较复杂，破坏形式更是多种多样，面对变速器如此多的损坏形式，变速器的实验台也应该是多种多样的。因为如果设计出一台能够试验所有变速器的损坏形式的实验台，困难是非常大的，通常变速器的损坏试验包括以下几种：(1) 变速器效率实验主要用于衡量变速器性能、标志着变速器功率损耗的多少。(2) 变速器总成动态刚性试验是评价变速器设计水平的重要指标之一，是指变速器各轴在传递扭矩时变形的大小。(3) 变速器总成噪声测定变速器总成噪声作为汽车噪声的一个重要组成部分，近几年已被人们所重视，在tb3987-85标准中已被列为产品定型的必试项目。(4) 同步器试验(5) 变速器总成静扭强度试验该项试验的目的在于暴露变速器总成的薄弱环节，以及确定其静扭强度储备系数。(6) 变速器单对齿轮疲劳试验实验目的是在规定的条件下测定变速器齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命。(7) 变速器总成疲劳寿命试验由此可见，变速器效率实验台在变速器实验中占据着非常重要的地位,可以完成变速器机械效率的测试，因为试验台台工作载荷变化大，试验周期长，要求其具有良好的强度和刚度。我本次进行的设计是机械闭式试验台效率试验台模型搭建与运动仿真研究，是配合结构设计，进行包括总体结构、加载机构、传动机构在电机驱动下的运动过程仿真及力学分析。主要是为求得试验台在进行运动分析时各个元件及连接对的位置，速度及加速度，元件之间的干涉，元件的轨迹曲线等等，以进一步保证闭式汽车变速器性能试验台设计结果的合理性。1.2 汽车变速器性能试验台的发展概况随着工程车辆工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，成为工程车辆的关键性传动部件之一。齿轮传动效率影响整个工程车辆的动力性，经济性和排放性等。以前，国内外大多将变速箱安装在工程车辆上，在工程车辆的行驶中进行试验，或在试验车特定条件下进行道路试验。但这种试验方式周期长、费用大。建立工程车辆变速箱齿轮传动试验台，可以加强齿轮传动特性研究，性能验证及效率测试等。对变速箱总成试验也可起到很好的作用。目前，汽车变速器试验台主要分为传统变速器性能试验装置和先进变速器性能试验装置两种形式。现分别介绍如下：1.2.1 传统汽车变速器性能试验装置的类型及特点汽车变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，因此从产品开发到生产到使用都要对其进行大量的试验。国内外变速器总成效率试验台的形式很多，但就其功率循环的方式而言，传统的汽车变速器试验台的形式主要分为以下几种，即开式试验台和机械封闭式试验台，开式试验台与机械封闭式试验台相比较而言各有各的优点和缺点,现分别介绍如下：1、 开式功率流变速器试验台常见的开式功率流汽车传动系零部件试验台由驱动装置、加载装置、测量装置，被试装置等四部分组成。（1）驱动装置 驱动电机多用转速可调的直流电机或电力测功机。（2）加载装置 加载装置种类很多，常见的有： 直流电机或电力测功机（作为负载装置用时是发电机）； 电涡流测功机； 水力测功机；其负荷调节较为困难，不易稳定，所以在变速器试验台中这些年已很少使用了。 磁粉加载器；这种负荷装置是近几年才用于汽车实验领域的，其主要特点是：负荷控制方便噪声小低速加载性能好但以为其滑差功率小（大扭距时允许的转速很低），所以只适用于小吨位车辆变速器疲劳寿命试验。 上述四种负载装置中，目前应用最多的是电涡流测功机和电力测功机。（3）载荷测量装置如果应力测功机作为驱动装置，则载荷即可应用测功设备配备的测力装置测量；若应用其他电机驱动，则多使用就距测量仪。（4）被试装置被试装置为待试验的汽车变速箱。开式试验台的结构形式如图1.1所示： 图1.1 开式功率流变速器实验台动力传递路线如图1.2所示：驱动装置传感器变速器传感器加载装置测量装置控制系统t1it2图1.2 开式功率流变速器实验台动力传递路线则所测机械效率为: 它的特点是：结构简单，试验方法简单，通用性好，但是由于需采用原动机作为驱动电机来驱动，造价高，耗电量大，尤其是做耗时较长的疲劳寿命试验时，更是如此。不宜进行大功率加载试验，目前它适用于科研、教学和小型生产厂，例如吉林大学汽车试验室、哈尔滨齿轮厂研发部等。2、 机械封闭式功率流变速器试验台机械封闭式试验台，是目前为止国内汽车变速器驱动桥齿轮试验中应用最多的试验台。这类试验台的结构如图1.3所示： 陪试变速器 被试变速器齿轮箱 驱动电机加载装置 齿轮箱传动轴 图1.3 闭式功率流变速器实验台动力传递路线它的特点是：结构复杂，操作较复杂，控制繁琐，通用性差，但是功耗少、投资省，适于疲劳寿命试验。本课题将对这种试验台的机械部分进行模型仿真及动态仿真研究。1.2.2 先进汽车变速器性能试验装置的类型及特点目前比较先进的变速器性能试验装置是电功率流封闭变速器试验台。这种类型试验台的结构如图1.4所示： 被试变速器 电力测功器（动力用） 可控硅整流器电力网陪试变速器电力网可控硅整流器电力测功器（加载发电用）图1.4 电封闭式功率流变速器实验台动力传递路线它的特点是：机械系统结构简单、通用性好，能源利用较好，总体造价高，操纵控制系统复杂，所以很少被采用。目前已在此基础上开发有档次较高的实验装置，但是受到价格的约束，尚未在一般科研部门、院校及企业应用。1.3 课题研究的主要内容及技术路线1.3.1 课题研究内容依据给定汽车变速器性能试验的标准，以及机械部分设计的成果，确定控制模式及参数，设计变速器性能试验台的电子控制系统，包括：动力部分、控制部分、执行部分和辅助部分。1.3.2课题研究技术路线本次设计的技术路线可用图1.5来表示。1.4变速器试验台控制系统总体方案控制系统总体方案如图1.6。确定设计内容学习protel、vb、单片机软件的理论和应用熟悉变速器实验台的硬件结构结合设计内容做出软件界面并编写出相应程序选择单片机和传感器做出硬件电路板将软件与硬件通过接口技术连接起来进行模拟实验发现问题并完善程序图1.5技术路线图通过vb做的参数输入界面将要控制的电机参数输入到上位机的串行通迅口，本设计采用rs232的com1口，然后通过max232芯片将rs232c电平转换成ttl电平送到单片机的串行口，本设计采用uart0口，再由单片机从接收缓冲器subf0中读出数据，经单片机处理后，将电机的转速转换成对应的pwm（脉宽调制信号）信号由单片机的通用i/o口送入到变频器中，由变频器再输出对应的频率来控制电机的转速，从而实现变频调速功能。转速转矩传感器信号反馈显示板（转速）ad转换器四路显示驱动显示板（转矩）串口rs232pc机单片机显示板（效率）显示板（时间）pwm发生器urrrr电动机变频器vs380vwt图1.6控制系统总体方案第2章变速器试验台控制系统的原理本设计主要控制以下三个参数：电机转速、电机的运转时间和电机的转向。2.1电机转速控制原理本设计要用到大转矩，大功率的电机，故选用三相异步交流电机。交流异步电动机（以下均指的是感应交流异步电动机）因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛的应用，与其他种类电动机相比.交流异歩电动机的市场占有量始终居第一位。然而长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。直到20世纪70年代。由于计算机的产生.以及近20年来新型快速的电力电子元件的出现.才使得交流异歩电动机的调速成为可能，并得到迅速的普及。目前.交流异歩电动机调速系统已广泛应于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、投卨设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。现在流行的交流异歩电动机调速控制方法可分为两种：变频变压法vvvf(variable voltage variable frequency)和矢量控制法，前者的原理相对比较简单，有20多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，目前市场出售的变频器多数都是釆用这种控制方法。由于使用这种控制方法对交流异步电动机进行调速时，可能会使电动机的机械特性变差.因此人们开始研究矢量控制技术。矢量控制的思路是：设法在三相交流异步电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。2.1.1交流异步电动机变频调速原理根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由下式表示 n=60f(1-s)/p (2.1)式中: n电动机转速；p电动机磁数：f电源频率；s转差率。由式（2.1)可知，影响电动机转速的因素有:电动机的磁极对数p、转差率s和电源频率f。其中,改变电源频率来实现交流异歩电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。2.1.2主电路和逆变电路的工作原理变频凋速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交直交方式， 即先将交流电转变成直流电（整流、滤波）再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。图2.1是主电路的原理图。它是变频器常用的最基本的格式。图2.1变频器主电路图1、主电路各元件的功能主电路中各元件功能如下：(1) 交直电路整流管d1d6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流，整流后的直流电压为：u1.35380v513v。滤波电容cr滤除整流后的电压波形，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大,为了保护电路元件，加限流电阻ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关jk闭合，将限流电阻短路。电源指示灯lp除了指示电源通断外，还可以在电源断开时作为滤波电容cr放电通路和指示。滤波电容cr容量通常很大;所以放电的时间较长(数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时,要等指示灯熄灭后进行。rc是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放.使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路,使这部分再生电流消耗在电阻rc上。制动时.通过控制电路使开关管tc导通，形成放电通路。(2) 直交电路逆变开关管t1t6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管igbt、功率场效应管mosfei。续流二极管d7d12的作用是：当逆变开关管由通状态变为截止时，虽然电压突变降为零.但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放,续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外.当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源：电阻r1r6、电容c1c6、二极管d13d18组成的缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时要受集电极电流ic和集电极与发射极间电压vce的冲击，如图2.2所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，vce迅速升高，ic迅速降低，过髙增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容c1c6来减小电压增长率，当逆变开关管开通时，vce迅速降低，而ic则迅速升高，并联在逆变开关管两端的电容c1c6由于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流ic的增长率，造成逆变开关管的损坏。所以增加电阻r1r6限制电容的放电电流。可是当逆变开关管关断时，该电阻又会阻止电容的充电，为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管d13d18，使电容在充电时.避开电阻,通过二极管充电，在放电时，通过电阻放电，实现缓冲功能。图2.1这种缓冲电路的缺点是增加了损耗，所以它只适用于中小功率变频器。(a) 开关管开通波形(b) 开关管关断波形图2.2开关管开通与关断波形缓冲电路还有其他形式，图2.3给出了另外3种形式，其中图2.3(a是交叉式缓冲电路、它避开了图2.1所示的缓冲电路的缺点.适用于中大功率变频器；图2.3(b)是为了吸收高于直流电压的电压尖峰而设计的，适用于小功率变器；2.3（c）是在逆变开关管前面串联一个di/dt抑制电路.使缓冲效果更好。2、三相逆变桥的工作原理三相逆变桥的电路简图如图2.4（a）所示，图中r、y、b为逆变桥的输出。2.4（b）是各逆变管的时序,其中深色部分表示逆变管导通。从图2.4(b)可以看出，每一(a)(b) (c)图2.3缓冲电路时刻总有3只逆变管导通，另3只逆变管关断;并且，t1与t4、t2与t5、t3与t6每对逆变管不能同时导通。在t1时间段，t1、t3、t5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从r到y和从b到y(设从r到y、从y到b、从b到r为正方向，下同，得到线电压为ury和uyb。在t2时间段，t1、t5、t6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从r到y从r到b，得到线电压为ury和ubr。在t3时间段，t1、t2、t6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从y到r和从y到b，得到线电压为ubr和uyb。在t4时间段，t2、t4、t6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从y到r和从y到b，得到线电压为ury和uyr。在t5时间段，t2、t3、t4这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从y到rt3t6t5t2t1t4（a）电路简图（b）逆变管通断时序图2.4三相逆变桥工作原理和从b到r，得到线电压为ury和ubr。在t6时间段，t3、t4、t5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从b到r和从b到y，得到线电压为ubr和uyb。线电压ury、uyb、ubr的波形见图2.5。从图中可以看出，三者之间互差120o，它们的幅值是u。因此，只要按图2.4（b）的规律控制6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而矩形波三相交流电的频率可在逆变时受到控制。2.1.3变频与变压根据电机学理论，交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值可由下式计算 ekf (2.2)式中k与电动机结构有关的常数； f电源频率；磁通。而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为 u=e+ir+jix (2.3)该式表示.加在电机绕组端的电源电压一部分产牛感应电动势，另一部分消耗在阻抗（线圈电阻r和漏电感x）上。其中定子电流ii1i2 (2.4)图2.5逆变输出线电压波形分成两部分：少部分（i1）用于建立主磁场磁通，大部分（i2）用于产生电磁力带动机械负载。当交流异步电动机进行变频调速时，例如频率f下降,则由式（2.2可得e降低；在电源电压u不变的情况下，根据式(2.3），定子电流i将增加;此时，如果外负载不变时，i2不变，由式(2.4)可知，i的增加将使i1增加，也就是使磁通量增加；根据式（2.2），的增加又使e增加，达到一个新的平衡点。理论上这种新的平衡对机械特性影响不大；但实际上，由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时已达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变,削弱电磁力矩，影响机械特性。为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使 e/f=k=常数 (2.5)这就要求，当电动机凋速改变电源频率f时，e也应该作相应的变化,来维持它们的比值不变。但实际上，e的大小无法进行控制。由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压u很小，如果略去的话，则式(2.3)可简化成 ue (2.6)这说明可以用加在绕组端的电源电压u来近似地代替e。调节电压u，使其跟随频率f的变化，从而达到使磁通量恒定不变的目的，即 e/fu/f=k=常数 (2.7)所以在变频的同时也要变压，这就是所谓vvvf。如果频率从f调到fx，则电压u也要调到ux。用频率调节比kf表示频率的变化，用电压调节比ku表示电压的变化，则它们分别可表示为kf=fx/fn (2.8)ku=ux/un (2.9)式中fn电动机的额定频率；un电动机的额定电压。要使磁通量保持近似恒定,就要使ku=kf (2.10)图2.6含用等宽载波的脉宽调制波形为此，可采用脉宽调制信号（pwm）来同时满足调频时调压，含用等宽载波的脉宽调制波形如图2.6。如图所示，脉冲的宽度为t1，相邻脉冲的间隔为t2,t1+t2=t2(脉冲波周期)，则等宽脉冲的占空比为 (2.11)调节占空比就可以调节输出的平均电压，调节pwm的频率1/t1就可以改变电源的频率，实现调整，通过控制电路就可以容易的实现对脉冲的占空比和频率分别进行调节。2.2电机的运转时间原理要实现电机的运转时间用单片机很易做到，但本设计采用上下位机的结构，故用上位机来控制会更简单，在vb参数输入界面中设置一定时器，vb中自带一定时器timer，但只能定时约一分钟，先将timer的interval属性设为60000（即为1分钟），每次在进入中断时，让progressbar1.value自加一，这样就能实现任意分钟的定时，在时间到了预定时间时，触发一信号，再将此信号通过串口发送到单片机，单片机收到信号后便停止工作。2.3电机的转向控制原理在上位机中的vb界面中设置一对option，一为正向，一为反向，当选中正向时让变量change为1，当选中反向时让change为2，将此信号送入单片机后，再由单片机将正反信号通过i/o口送入变频器的正反转输入端ui，让变频器控制电机运转的正反向。2.4本章小结本章分别从电机的转速控制、电机的运转时间和电机的转向三个方面阐述了闭式功率流变速器实验台控制系统的工作原理，其中电机的转速控制是本设计的控制主要工作，因此本章结合变频器主电路图的工作原理较详细的说明了其控制方案，同时也从总体上阐述了电机的运转时间控制和转向控制的原理。第3章变速器试验台控制系统硬件部分设计3.1硬件的选择由于此实验台的物理结构已由上届学长们做出，在此只选择控制部分的硬件，包括电动机的选择、单片机的选择、变频器的选择、转矩传感器的选择、转速传感器的选择、显示电路的选择以及pc机的选择。3.1.1电动机的选择此实验台的物理结构简图3.1。图3.1实验台的物理结构简图根据能量守恒可得下式：(3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) (3.7)由由公式（3.1）(3.7)得出： (3.8)又 (3.9) (3.10) (3.11) (3.12) (3.13) (3.14)故： (3.15)由已知和查手册得：所有的效率都为0.99。t24t26为变速器的最大转矩档位，即一档时的机械特性曲线。由上得 (3.16)实验台总传动效率为：0.980.980.980.980.990.990.90。则所需电机容量为:pw=p(1-)=1000.1=10kw。选用电机型号为：y160m4，性能参数见表2.1。表2.1y160m4电机性能参数额定功率（kw）额定电压（v）同歩转速（r/min）满载转速（r/min）堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩质量（kg）11380150014602.22.2123由电机型号知，此电机的极数为4，查表知：其转差率为： (3.17)因此，由式（2.1）可知，电机的转速为： (3.18)则电机的平衡点如图3.2。图3.2 电机的平衡点图中t1额定转矩；ts启动转矩；tk临界转矩，又称颠覆转矩。对于交点n，若负载增加t，则由功率守恒知，系统要减速n,从电机的机械特性曲线上可知，电机的转矩增加t，平衡了负载的增加，形成新的平衡点，则n点为平稳工作点。故电机选型正确。3.1.2 单片机的选择本实验中单片机最主要的功能为产生pwm波（脉宽调制信号），基于此，单片机选用c8051f060，此单片机的功能如下：1、 模拟外设(1) 两个16 位sar adc 16 位位分辨率； 0.75 lsb inl，保证无失码； 可编程转换速率，最大1 msps； 可作为两个单端或一个差分转换器； 直接存储器存取；数据存储器到ram 中，不需额外软件开销； 数据相关窗口中断发生器； 内建温度传感器。(2) 10 位sar adc 可编程转换速率，最大200ksps； 8 个外部输入，单端或差分方式； 内部温度传感器。(3) 两个12 位dac可用定时器触发同步输出，用于产生无抖动波形。(4) 三个模拟比较器可编程回差电压/响应时间。(5) 电压基准；(6) 精确vdd 监视器和欠压检测器。2、 片内jtag 调试和边界扫描(1) 片内调试电路提供全速、非侵入式的在片/在系统调试；(2) 支持断点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察/修改存储器和寄存器；(3) 比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能。(4) 符合ieee1149.1 边界扫描标准；(5) 完全的开发套件。3、 高速8051 微控制器内核(1) 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；(2) 速度可达25mips（使用25mhz 时钟时）；(3) 灵活的中断源。4、 存储器(1) 4352 字节内部数据ram（4k + 256）；(2) 64kb flash；可以在系统编程，扇区规模为512 字节；(3) 外部64kb 数据存储器接口，可编程为非复用方式。5、 数字外设(1) 59 个通用i/o 引脚，耐5v；(2) bosch 控制器局域网；(3) 可同时使用的硬件smbus(i2ctm 兼容)、spitm 及两个uart 串行端口；(4) 可编程的16 位计数器/定时器阵列，有6 个捕捉比较模块；(5) 5 个通用16 位计数器/定时器；(6) 专用的看门狗定时器；双向复位引脚。6、 时钟源(1) 内部校准的可编程振荡器：3 24.5mhz；(2) 外部振荡器：晶体、rc、c 或外部时钟。7、 供电电压：2.73.6v多种节电休眠和停机方式。8、 100 脚tqfp 和64 脚tqfp 封装；9、 温度范围：-40c+85c。3.1.3 变频器的选择此变频器功用为接收来自单片机的pwm波信号，输出对电机速度控制的频率可调频率信号，因本实验所用电动机功率为11kw，而15kw以下的g7系列变频器内部已经配置了制动单元，为简单起见，在此选择安川g7a20p41c变频器。1、 主电路图3.3输入端：容量小于31kva（配用15kw电动机）的变频器，输入线的标志为r、s、t，接电源进线。输出端：输出端的标志为u、v、w，接电动机。制动电阻与制动单元接线端：15kw以下的g7系列变频器内部已经配置了制动单元。2、 控制电路（如图3.4）外接频率给定端：变频器为外接频率给定提供10v电源（正端为“v”，负端为“ac”），信号输入端分别为a1、a3（电压信号）和a2（电流信号）。输入控制端:s1-s12为多功能输入控制端，具体功能均可通过功能预置来设定。各端子功能的出厂设定如下：图3.3安川g7a20p41c变频器主电路图s1正转控制端；s2反转控制端；s3外部故障输入端；s4复位端；s5、s6、s9、s10多档控制端；s7点动控制端；s8封锁外部信号控制端；s11加、减速时间选择控制端；s12异常停机控制端。通信接口输入端：从r、r、s、s输入。故障信号输入端：由ma、mb、mc组成，为继电器输出，可接到sc250v（1a以下）或dc30v（1a以下）电路中。多功能运行信号输出端m1、m2继电器输出端；p1p4晶体管输出端。多功能测量信号输出端am、fm模拟量输出端；mp数字量输出端。编码器输入端从插件pgb2输入。图3.4安川g7a20p41c变频器控制电路图3.1.4传感器的选择因本实验中所用传感器的任务是采集电机的转速转矩信号传送给单片机，处理的是数字信号，而jn338转矩转速传感器是一款全数字信号的传感器，故本设计选择jn338转矩传感器。jn338转矩传感器被广泛应用于电动机、内燃机、风机、水泵、搅拌机、卷扬机、钻探机械等众多的旋转动力系统中，此外，在近年来兴起的数控机械加工中心及自动机床等机电一体化设备中也获得了广泛的应用。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号，并采用导电滑环来耦合桥压输入及应变信号输出，但由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免的存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠还能引起测量信号波动误差增加。jn338转矩转速传感器采用了两组特殊环形旋转变压器以实现电源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中,能源及信号如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递的问题，该传感器同时还可实现旋转轴转速的测量，从而可方便的根据转矩、转速测量值计算出轴输出功率。jn338转矩传感器的结构原理如图3.5图3.5jn338转速转矩传感器测量原理图1、 jn388转矩转速传感器的主要特性(1) 传感器的主要特性 以应变电测技术为检测手段； 测量精度高，信号检出、处理均采用数字技术，抗干扰能力强，无需调零即可工作，可靠性高,信噪比高，工作寿命长； 既可以测量静止扭矩，也可测量旋转转矩； 既可测量稳态扭矩，也可测量过渡过程动态转矩； 无需反复调零即可连续测量正反转矩； 无集流环，电刷等磨损件，可以高速长时间运行； 转矩信号的传递与是否旋转无关，与转速大小无关，与旋转方向无关； 测量弹性体强度大，可承受150%过载； 体积小、重量轻、安装方便，有套装式，卡装式，联轴式等多种安装方式； 传感器输出信号以频率量方式给出，便于和计算机接口。2、 传感器的主要技术参数及规格参数jn338转矩传感器的主要技术参数和产品规格参数分别见表3.1和表3.2。3、 jn338转矩转速传感器的结构及测量原理(1) jn338的结构该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上即可组成应变电桥，向应变电桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形旋转变压器所承担的，因此实现了能源及信号的无接触传递功能。根据表3.2，选择200规格的jn338转矩传感器。表3.1 jn338转矩传感器主要技术参数参数指标转矩准确度0.5%重复性0.5% f.s线性0.5% f.s滞后0.5% f.s过载能力150%f.s绝缘电阻200m表3.2 jn338转矩传感器产品规格参数规格转矩测量范围（n.m）最高转速(r/min)1001010060002002030050005