廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設(shè)計(jì)

廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設(shè)計(jì),廣告,無人機(jī),控制系統(tǒng),可收放式,起落架,設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 題目：廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r 通過導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)，現(xiàn)已完成以下內(nèi)容： （1）飛空系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 近年來國際上各種無人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，國外許多型號(hào)的無人機(jī)已經(jīng)可以參與實(shí)戰(zhàn)。 1.1整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整體系統(tǒng)可以分為機(jī)載部分和地面部分，機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標(biāo)規(guī)劃并發(fā)送給機(jī)載部分，同時(shí)為了確保安全，防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控，添加可由操作手控制的控制器，在緊急情況下切換到操作手遙控方式。 1.2?機(jī)載控制系統(tǒng) 為了完成自主飛行任務(wù)，飛機(jī)需要相關(guān)功能部件完成對(duì)飛機(jī)狀態(tài)信息的采集、對(duì)執(zhí)行部分的控制以及對(duì)地面站命令的響應(yīng)等功能。在無人機(jī)上，替代飛行員或操作手完成飛行任務(wù)的自主機(jī)構(gòu)包括圖像設(shè)備、飛控模塊、高度測(cè)量、舵機(jī)控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，均可單獨(dú)完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實(shí)現(xiàn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。 1.2.1飛行控制計(jì)算機(jī) 飛行控制計(jì)算機(jī)是直升機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。 1.2.2導(dǎo)航系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的控制，需要有飛機(jī)各個(gè)方向的速度位置姿態(tài)信息等，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法通過對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分，得到機(jī)體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。 1.2.3超聲波測(cè)高模塊 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射回來，超聲波接收器收到反射波即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。 1.2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)是無人直升機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過操縱舵機(jī)來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度，就可以控制作用于飛機(jī)上的力和力矩，從而改變機(jī)體飛行狀態(tài)。 1.3 地面系統(tǒng) 地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)與機(jī)載部分通訊，發(fā)送控制指令，接收飛機(jī)狀態(tài)信息并處理飛機(jī)發(fā)回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。 1.3.1 視覺處理 從直升機(jī)上面的攝像頭拍到的圖片中檢測(cè)出固定的幾類圖標(biāo)的位置。 1.3.2 地面站 地面控制站程序的作用是觀察飛機(jī)的各項(xiàng)飛行信息，包括GPS信息、飛機(jī)狀態(tài)信息、飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行控制。地面站和視覺程序結(jié)合起來，利用飛機(jī)當(dāng)前的高度、航向以及飛機(jī)所處的位置，可以計(jì)算出圖標(biāo)的實(shí)際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。 (2) 起落架的設(shè)計(jì) 起落架是航空器下部用于起飛降落或地面（或水面）滑行時(shí)支撐航空器并用于地面（或水面）移動(dòng)的附件裝置。起落架是唯一一種支撐整架飛機(jī)的部件。 2.1 減震器 現(xiàn)代飛機(jī)上應(yīng)用最廣的是油液空氣減震器。當(dāng)減震器受撞擊壓縮時(shí)，空氣的作用相當(dāng)于彈簧，貯存能量。而油液以極高的速度穿過小孔，吸收大量撞擊能量，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使飛機(jī)撞擊后很快平穩(wěn)下來，不致顛簸不止。 2.2 收放系統(tǒng) 收放系統(tǒng)一般以液壓作為正常收放動(dòng)力源，一般前起落架向前收入前機(jī)身，而某些重型運(yùn)輸機(jī)的前起落架是側(cè)向收起的。主起落架收放形式大致可分為沿翼展方向收放和翼弦方向收放兩種。 (3） 控制系統(tǒng) 3.1 步進(jìn)電機(jī)模塊 對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2Π/，而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。 3.2 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性 對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在其繞組中通電的相序不同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和步進(jìn)精度有所不同。步進(jìn)電機(jī)對(duì)繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進(jìn)電機(jī)的最大步進(jìn)速度，就會(huì)產(chǎn)生失步。 3.3 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理 3.4 交流電機(jī)的星—三角形啟動(dòng) 對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)，為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，一般采用Y/△降壓?jiǎn)?dòng)方法來達(dá)到限制啟動(dòng)電流的目的。 3.5 元件選擇 有繼電器、接觸器、熔斷器、行程開關(guān)等，要以低價(jià)實(shí)用為目的選取。 (4) 完善了開題報(bào)告，完善了方案設(shè)計(jì)。完成了機(jī)構(gòu)等圖的基本設(shè)計(jì) 2 存在問題及解決措施 (1) 方案的選擇 因?yàn)橄胍獎(jiǎng)?chuàng)新，研究了大量的相關(guān)書籍和背景知識(shí)。有了初步的想法，并把想法付諸于圖紙之上，但是問題也隨之而來。因?yàn)橹皼]有做過相關(guān)的研究和設(shè)計(jì)，所以沒有任何文獻(xiàn)可以參考。解決方法：因?yàn)橛?jì)算了創(chuàng)新方案的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了大量的設(shè)計(jì)性缺陷。數(shù)值的定量，強(qiáng)度的校核很多都不盡人意。因此選擇了相對(duì)保守但安全的新型的氣動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。 (2) 常見故障及處理措施 常見的故障，根據(jù)上網(wǎng)查閱和老工人的交談中了解到了很多故障及意外情況，針對(duì)這些意外故障，做了大量的準(zhǔn)備工作。 (3) 設(shè)計(jì)的可靠性 設(shè)計(jì)主要還是根據(jù)書本知識(shí)來進(jìn)行的，可靠性還是很難得到保障的。解決方案：多去實(shí)驗(yàn)室，親身實(shí)踐，了解有關(guān)的系統(tǒng)知識(shí)。不僅在這方面的知識(shí)有所增長，在相關(guān)領(lǐng)域也能豐富自己的見聞。 3 后期工作安排 （1） 對(duì)所確定的實(shí)施方案進(jìn)行全面的、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析; （2） 完善液壓、控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)以及相關(guān)計(jì)算; （3） 完善裝置的零件圖與裝配圖; （4） 撰寫畢業(yè)論文; （5） 準(zhǔn)備答辯; 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 - 5 - 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 題目： 廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放 式起落架的設(shè)計(jì) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況） 1.1題目背景 無人機(jī)即無人駕駛飛機(jī)，也稱為遙控駕駛飛行器，是機(jī)上沒有駕駛員，靠自身程序控制裝置操縱，自動(dòng)飛行或者由人在地面或母機(jī)上進(jìn)行遙控的無人駕駛飛行器，在它上面裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)著陸系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制飛行。無人機(jī)大體上由無人機(jī)載體、地面站設(shè)備(無線電控制、任務(wù)控制、發(fā)射回收等起降裝置)以及有效負(fù)荷三部分組成。 由于無人機(jī)具有低成本、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此深受世界各國軍隊(duì)的廣泛歡迎，近年來得到了快速發(fā)展。對(duì)于無人機(jī)而言，其自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無人機(jī)各項(xiàng)性能(包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性能、系統(tǒng)的自動(dòng)化性和可維護(hù)性等)。因此，研究無人機(jī)的自動(dòng)飛行控制技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是在軍事上的重要性己經(jīng)得到國內(nèi)外的高度重視，而無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)能夠安全、有效地完成復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略使命的基本前提，因此迫切需要加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究工作。 1.2研究意義 我校在無人機(jī)研究方面，目前比較少"無人機(jī)作為自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)高端產(chǎn)品，代表了自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展前沿"開展無人機(jī)控制系統(tǒng)與技術(shù)的研究，無疑具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義"自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，無人機(jī)的幾乎所有動(dòng)作都要依靠它來控制完成，因此，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)無疑是無人機(jī)的組成核心，更是無人機(jī)控制技術(shù)的研究核心"要進(jìn)行無人機(jī)控制技術(shù)的研究，一個(gè)供實(shí)驗(yàn)用的硬件平臺(tái)必不可少"但是，由于此類產(chǎn)品的敏感性，能買到的無人機(jī)產(chǎn)品幾乎都是黑匣子，資料都屬保密，難以進(jìn)行研究和二次開發(fā)"因此，本課題的主要目的是:構(gòu)筑一個(gè)基本的自動(dòng)飛行控制器的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 1.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況： 1.3.1國外無人機(jī)研究相關(guān)情況 無人機(jī)起初主要用于軍事用途，受到許多國家的青睞，發(fā)展迅猛，直到20世紀(jì)90年代引發(fā)了世界范圍的無人機(jī)研制熱潮，將無人機(jī)推向了多用途、綜合性的飛速發(fā)展階段。目前世界上有41個(gè)國家己使用80種不同型號(hào)的無人機(jī)，而32個(gè)國家正在發(fā)展或制造超過250種型號(hào)的無人機(jī)，其中美國、以色列研制的無人機(jī)尤為出色。 1.3.2國內(nèi)無人機(jī)研究相關(guān)情況 我國的無人機(jī)研究起始于20世紀(jì)六十年代，目前，國內(nèi)無人機(jī)的研究發(fā)展在總體設(shè)計(jì)、飛行控制、組合導(dǎo)航、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對(duì)抗與反對(duì)抗、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造和民用等諸多技術(shù)領(lǐng)域，同發(fā)達(dá)國家相比仍有不小差距"即使在軍用領(lǐng)域，我國無人機(jī)還不能很好適應(yīng)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。采用國外現(xiàn)成技術(shù)的途徑也不容樂觀，盡管國外有多家廠商在開發(fā)無人機(jī)，但不僅價(jià)格都很昂貴，并且由于西方對(duì)我國的技術(shù)限制并不出售，目前，只有MICROPILOT公司研制的產(chǎn)品AP50對(duì)國內(nèi)開放，但其定型較早，許多技術(shù)己明顯處于落后。 2 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要內(nèi)容： （1） 設(shè)計(jì)低成本、低耗能、高性能的微小無人機(jī)的姿態(tài)確定方案以及起落控制 系統(tǒng) （2）飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可收放式起落架系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 （3）設(shè)計(jì)可收放式起落架及起落部分電氣控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩種以上比較經(jīng)濟(jì)的 廣告宣傳途徑。 （4）最終方案確定，并建立二維、三維幾何模型，進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析、計(jì)算強(qiáng) 度、選型并進(jìn)行校核。 （5）對(duì)起落架主要部分進(jìn)行強(qiáng)度校核以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并繪制零件圖和裝配 圖。 2.2方法： （1） 在分析和掌握無人機(jī)自動(dòng)飛行控制原理和系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)滿足基 本實(shí)驗(yàn)所需的飛行控制器硬件組成結(jié)構(gòu)。 （2） 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于ARM微處理器的無人機(jī)飛行控制器控制板、傳感器接口及 其驅(qū)動(dòng)。 （3） 選擇高度傳感器、速度傳感器、羅盤、GPS、以及舵機(jī)等部件，與控制板 一起組成飛行控制器硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 （4） 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試所需的基本驅(qū)動(dòng)和初始化軟件進(jìn)行飛行控 制器控制板、傳感器通信和舵機(jī)控制等必要的實(shí)驗(yàn)調(diào)試。 2.3方案 設(shè)計(jì)一個(gè)無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，用到的傳感器包括：GPS接收機(jī)、磁航向傳感器、氣壓高度傳感器、空速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、偏航角速度傳感器；用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)油門、升降舵、方向舵。如圖該方案能夠?qū)崿F(xiàn)降低成本和便于使用的目標(biāo)。 圖2.1 飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 3 畢業(yè)論文重點(diǎn)、難點(diǎn)及已展開工作 3.1重點(diǎn): 如何將機(jī)械、控制技術(shù)、傳感器的知識(shí)結(jié)合在一起，以及在實(shí)際上的結(jié)合。 3.2難點(diǎn): 設(shè)計(jì)無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是本課題的關(guān)鍵和難點(diǎn)，是此設(shè)計(jì)中最重要的一步。 3.3已展開工作： 查找各種中外文獻(xiàn)，明確了設(shè)計(jì)要求.整理了設(shè)計(jì)方案。 4 工作方案及進(jìn)度計(jì)劃 第1～2周：收集資料，借閱參考書，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。 第3～4周：無人機(jī)控制系統(tǒng)的建立及可收放式起落架的方案設(shè)計(jì)，撰寫開題報(bào) 告。 第5～8周：篩選電氣控制系統(tǒng)方案、可收放式起落架方案和廣告宣傳方案，建 立模型，以及計(jì)算強(qiáng)度。 第9～12周：通過不同方案的對(duì)比，分析結(jié)論，完成論文的撰寫。 第13～15周：整理資料，準(zhǔn)備終期答辯。 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 參考文獻(xiàn) [1] 濮連貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社.2007. 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Journal of Aircraft,1998.35(1). 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設(shè)計(jì) II II 廣告無人機(jī)控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設(shè)計(jì) 摘要 無人機(jī)在軍事、民用和科技領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。旋翼無人機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、無人駕駛、可垂直起降和定點(diǎn)懸停、操作性好等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的關(guān)鍵與核心，飛行控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定了旋翼無人機(jī)的飛行性能及其完成任務(wù)的情況。因此研制適合多旋翼無人機(jī)的輕型化、低成本、低功耗的飛行控制系統(tǒng)具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。 以起落架四點(diǎn)布局無人機(jī)為研究對(duì)象,在考慮摩擦力、側(cè)向力和角速率等各種因素的情況下,全面分析研究了四輪無人機(jī)地面滑跑時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和受力情況,建立了四輪無人機(jī)地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上,對(duì) 全量非線性模型進(jìn)行了起飛、著陸時(shí)地面滑跑情況的仿真,仿真結(jié)果表明系統(tǒng)模型的正確性。 關(guān)鍵詞：無人機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；地面運(yùn)動(dòng) III I 西安工業(yè)大學(xué)也北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Advertising UAV Control System And Retractable Landing Gear Design Abstract UAVs in military, civil and technology plays a more and more important role. Rotor UAV has the advantages of small volume, light weight, unmanned, vertical take off and landing and hovering, good operability advantages. Design of UAV flight control system is the key and core non autonomous flight of UAV flight control system, performance directly determines the performance of rotor UAV flight and complete the task of. Therefore the development of light flight control system, low cost, low power consumption for multi rotor UAV has important theoretical and engineering application value. The landing gear four UAV as the research object, considering the friction force, lateral force and angular rate and other factors, a comprehensive analysis of the movement characteristics of the four round of UAV Ground taxiing and stress, the dynamic and kinematic equations of the four round of the UAV Ground motion. On this basis, to the whole nonlinear model simulation taxiing, take-off landing situation, the simulation results show the correctness of system model. Keywords: UAV; Flight Control Systems; Ground Motion 目 錄 1 緒論 1 2 飛控系統(tǒng) 3 2.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 2.2 機(jī)載控制系統(tǒng) 4 2.2.1 飛行控制計(jì)算機(jī) 4 2.2.2 導(dǎo)航系統(tǒng) 5 2.2.3 超聲波測(cè)高模塊 5 2.2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 6 3 地面系統(tǒng) 7 3.1 視覺處理 7 3.2 地面站 8 4 起落架的設(shè)計(jì) 10 4.1起落架的組成 10 4.1.2 減震器 10 4.1.3 收放系統(tǒng) 10 4.2 液壓系統(tǒng)的組成 11 4.2.1液壓技術(shù)的現(xiàn)狀 11 4.2.2 液壓元件 11 4.2.3 系統(tǒng)集成與控制技術(shù) 12 4.2.4 密封技術(shù) 12 4.3 液壓技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展 13 4.3.1液壓現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 13 4.3.2 液壓節(jié)能技術(shù) 14 5 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì) 16 5.1 步進(jìn)電機(jī)模塊 16 5.1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 16 5.1.2 步進(jìn)電機(jī)的步距角與工作拍數(shù) 19 5.1.3 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性 19 5.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理 22 5.3 交流電機(jī)的星—三角形啟動(dòng) 23 5.4 電氣元件介紹 23 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 28 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 29 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 30 附錄 31 1 緒論 無人機(jī)即無人駕駛飛機(jī)，也稱為遙控駕駛飛行器，是機(jī)上沒有駕駛員，靠自身程序控制裝置操縱，自動(dòng)飛行或者由人在地面或母機(jī)上進(jìn)行遙控的無人駕駛飛行器，在它上面裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)著陸系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制飛行。無人機(jī)大體上由無人機(jī)載體、地面站設(shè)備(無線電控制、任務(wù)控制、發(fā)射回收等起降裝置)以及有效負(fù)荷三部分組成。由于無人機(jī)具有低成本、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此深受世界各國軍隊(duì)的廣泛歡迎，近年來得到了快速發(fā)展。 對(duì)于無人機(jī)而言，其自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無人機(jī)各項(xiàng)性能(包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性能、系統(tǒng)的自動(dòng)化性和可維護(hù)性等)。因此，研究無人機(jī)的自動(dòng)飛行控制技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，尤其是在軍事上的重要性己經(jīng)得到國內(nèi)外的高度重視，而無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)能夠安全、有效地完成復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略使命的基本前提，因此迫切需要加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究工作。 我校在無人機(jī)研究方面，目前比較少"無人機(jī)作為自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)高端產(chǎn)品，代表了自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展前沿"開展無人機(jī)控制系統(tǒng)與技術(shù)的研究，無疑具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義"自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，無人機(jī)的幾乎所有動(dòng)作都要依靠它來控制完成，因此，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)無疑是無人機(jī)的組成核心，更是無人機(jī)控制技術(shù)的研究核心"要進(jìn)行無人機(jī)控制技術(shù)的研究，一個(gè)供實(shí)驗(yàn)用的硬件平臺(tái)必不可少"但是，由于此類產(chǎn)品的敏感性，能買到的無人機(jī)產(chǎn)品幾乎都是黑匣子，資料都屬保密，難以進(jìn)行研究和二次開發(fā)"因此，本課題的主要目的是:構(gòu)筑一個(gè)基本的自動(dòng)飛行控制器的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 無人機(jī)起初主要用于軍事用途，受到許多國家的青睞，發(fā)展迅猛，直到20世紀(jì)90年代引發(fā)了世界范圍的無人機(jī)研制熱潮，將無人機(jī)推向了多用途、綜合性的飛速發(fā)展階段。目前世界上有41個(gè)國家己使用80種不同型號(hào)的無人機(jī)，而32個(gè)國家正在發(fā)展或制造超過250種型號(hào)的無人機(jī)，其中美國、以色列研制的無人機(jī)尤為出色。 我國的無人機(jī)研究起始于20世紀(jì)六十年代，目前，國內(nèi)無人機(jī)的研究發(fā)展在總體設(shè)計(jì)、飛行控制、組合導(dǎo)航、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對(duì)抗與反對(duì)抗、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造和民用等諸多技術(shù)領(lǐng)域，同發(fā)達(dá)國家相比仍有不小差距"即使在軍用領(lǐng)域，我國無人機(jī)還不能很好適應(yīng)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。采用國外現(xiàn)成技術(shù)的途徑也不容樂觀，盡管國外有多家廠商在開發(fā)無人機(jī)，但不僅價(jià)格都很昂貴，并且由于西方對(duì)我國的技術(shù)限制并不出售，目前，只有MICROPILOT公司研制的產(chǎn)品AP50對(duì)國內(nèi)開放，但其定型較早，許多技術(shù)己明顯處于落后。 28 2 飛控系統(tǒng) 近年來國際上各種無人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，國外許多型號(hào)的無人機(jī)已經(jīng)可以參與實(shí)戰(zhàn)，比如美國的全球鷹、捕食者等。相比較而言，我國在無人機(jī)技術(shù)上仍有很大差距。作為國際無人機(jī)技術(shù)的一個(gè)縮影，國際空中機(jī)器人比賽的經(jīng)過十幾年的發(fā)展到今天，比賽水平已經(jīng)有了相當(dāng)大的提高。參賽隊(duì)圍繞不斷提高的比賽目標(biāo)要求，從系統(tǒng)架構(gòu)到底層實(shí)現(xiàn)以及控制算法都做出了許多創(chuàng)新性的工作，有許多相關(guān)論文發(fā)表在IEEE的期刊上。 ??? 為了促進(jìn)國內(nèi)對(duì)無人機(jī)技術(shù)的研究，提供一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)和學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)高素質(zhì)的航空航天人才，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)和科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心舉辦的中國空中機(jī)器人大賽將每年舉辦一屆。中國空中機(jī)器人大賽的口號(hào)是“自主翱翔，放飛理想”，比賽按旋翼、固定翼兩類飛行器分組進(jìn)行。本文對(duì)清華大學(xué)“清揚(yáng)隊(duì)”參加首屆大賽的無人直升機(jī)作一介紹。 2.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)可以分為機(jī)載部分和地面部分，機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標(biāo)規(guī)劃并發(fā)送給機(jī)載部分，同時(shí)為了確保安全，防止自主飛行機(jī)構(gòu)失控，添加可由操作手控制的控制器，在緊急情況下切換到操作手遙控方式。地面部分與機(jī)載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路―一條負(fù)責(zé)傳送圖像；一條負(fù)責(zé)傳送飛行狀態(tài)和指令。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺(tái)，前者與機(jī)載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機(jī)狀態(tài)信息，后者獲取機(jī)載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標(biāo)。具體將在后面兩部分詳述。 圖2.1? 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2 機(jī)載控制系統(tǒng) 為了完成自主飛行任務(wù)，飛機(jī)需要相關(guān)功能部件完成對(duì)飛機(jī)狀態(tài)信息的采集、對(duì)執(zhí)行部分的控制以及對(duì)地面站命令的響應(yīng)等功能。在無人機(jī)上，替代飛行員或操作手完成飛行任務(wù)的自主機(jī)構(gòu)包括圖像設(shè)備、飛控模塊、高度測(cè)量、舵機(jī)控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，如圖2.2所示。 圖2.2? 控制系統(tǒng)模塊構(gòu)成 各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，均可單獨(dú)完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實(shí)現(xiàn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標(biāo)準(zhǔn)，但是在直升機(jī)實(shí)際飛行的環(huán)境中存在震動(dòng)、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑸榱吮ＷC正確的數(shù)據(jù)傳輸，采用了兩套互為備份的總線系統(tǒng)―422總線和CAN總線。CAN總線對(duì)于數(shù)據(jù)包的傳送更為方便，克服了422總線只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點(diǎn)，并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。 2.2.1 飛行控制計(jì)算機(jī) 飛行控制計(jì)算機(jī)是直升機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。飛控計(jì)算機(jī)處理器采用德州儀器（Texas Instruments，TI）公司適用于控制的TMS320F2812 DSP，具有多路數(shù)字總線和模擬采樣通道，功耗低，運(yùn)算速度足以滿足實(shí)時(shí)控制的需要。 直升機(jī)模型較為復(fù)雜，而且通道之間存在耦合，如果考慮復(fù)雜情況則控制率較難實(shí)現(xiàn)，所以采用簡(jiǎn)單的PID控制器分通道進(jìn)行控制，為了解決非線性問題，采取不同狀態(tài)下采用不同參數(shù)的控制方法。具體將飛機(jī)飛行狀態(tài)劃分為起飛、降落、懸停、向左、向右等狀態(tài)，在不同狀態(tài)下設(shè)定不同的控制目標(biāo)值。例如，懸停狀態(tài)高度設(shè)定為固定值，俯仰、滾轉(zhuǎn)以及偏航的角度都設(shè)置為零，利用四個(gè)不同的控制器分通道控制，使得飛機(jī)姿態(tài)達(dá)到設(shè)定值。以偏航方向的控制為例，如圖2.3所示。 圖2.3? 偏航方向控制示意圖 2.2.2 導(dǎo)航系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的控制，需要有飛機(jī)各個(gè)方向的速度位置姿態(tài)信息等，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法通過對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分，得到機(jī)體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來說，該模塊是實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)加速度和角速度傳感器的信息采集，但是僅僅通過以上簡(jiǎn)單的慣導(dǎo)算法本身很難得到有用的信息，慣性傳感器的漂移和定步長積分的累計(jì)誤差會(huì)使計(jì)算結(jié)果很快偏離實(shí)際值。導(dǎo)航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對(duì)得到的PVA結(jié)果作出修正。 圖2.4? 導(dǎo)航系統(tǒng)模塊 慣性導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號(hào)并進(jìn)行解算，給出飛行器相對(duì)與給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，通過總線實(shí)時(shí)地發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。采集的傳感器信號(hào)包括三軸的加速度、角速度、地磁在三軸的分量以及GPS（全球定位系統(tǒng)）信號(hào)。通過各種傳感器信號(hào)的信息融合，可以有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精度。 2.2.3 超聲波測(cè)高模塊 雖然GPS系統(tǒng)或者慣導(dǎo)系統(tǒng)都可以提供高度信息，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)直升機(jī)起飛降落這樣的任務(wù)來說，這些高度信息的精度是無法滿足要求的，需要有超聲測(cè)距、紅外測(cè)距或者激光測(cè)距等高精度的距離測(cè)量方法。激光測(cè)距的精度較高，但是購買的成本較高，自主開發(fā)的難度也更大；紅外測(cè)距的作用距離有限，同樣存在著開發(fā)難度較大的問題；超聲測(cè)距結(jié)合了測(cè)量距離較遠(yuǎn)（可測(cè)10m）以及開發(fā)難度低的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇超聲高度測(cè)量方案。另外超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。高度測(cè)量模塊的主要工作過程如下：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射回來，超聲波接收器收到反射波即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。 2.2.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)是無人直升機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過操縱舵機(jī)來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度，就可以控制作用于飛機(jī)上的力和力矩，從而改變機(jī)體飛行狀態(tài)。比賽用直升機(jī)仍然采用航模直升機(jī)的舵機(jī)，該舵機(jī)輸入為PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，脈沖寬度對(duì)應(yīng)于舵機(jī)的位置。 為了實(shí)現(xiàn)可靠的控制，防止在一定條件下飛機(jī)失控，在舵機(jī)模塊增加控制切換功能，即可以通過飛控計(jì)算機(jī)控制或者通過遙控手直接遙控。 圖2.5? 陀機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3 地面系統(tǒng) 地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)與機(jī)載部分通訊，發(fā)送控制指令，接收飛機(jī)狀態(tài)信息并處理飛機(jī)發(fā)回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。 3.1 視覺處理 視覺是無人機(jī)的一個(gè)重要部分，無人機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用―無人偵察，就是以計(jì)算機(jī)視覺為基礎(chǔ)。視覺程序的目的是：從直升機(jī)上面的攝像頭拍到的圖片中檢測(cè)出固定的幾類圖標(biāo)的位置。整個(gè)檢測(cè)過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段從圖片中檢測(cè)出圖標(biāo)所在矩形的位置，并放縮為32*32大小的標(biāo)準(zhǔn)矩形；第二個(gè)階段對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形進(jìn)行判斷，決定它是哪類圖標(biāo)。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)如圖3.1所示。 圖3.1 三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo) 第一階段獲取矩形位置的流程是如下。圖3.2為攝像頭傳回的一幀圖片。 圖3.2 攝像頭傳回的一幀圖片 首先從攝像頭傳回的視頻中得到一幀圖片，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖；然后對(duì)其進(jìn)行均值濾波平滑處理，消除掉圖片上的一些雜質(zhì)；接下來進(jìn)行sobel邊緣檢測(cè)，將矩形從圖像中分離出來，在邊緣檢測(cè)的同時(shí)也進(jìn)行了閾值化的過程。得到區(qū)域邊緣后還需要判斷是不是矩形或者平行四邊形，只有矩形或者平行四邊形的區(qū)域可能是目標(biāo)區(qū)。 第二階段需要判斷32*32大小的區(qū)域是哪一個(gè)圖標(biāo)。方法是：把32*32大小的區(qū)域認(rèn)為是1024的一個(gè)向量空間，事先準(zhǔn)備好3幅標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，每幅圖標(biāo)有4個(gè)方向，所以一共是12類圖標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算每類圖標(biāo)在向量空間中的位置；然后把第一階段得到的區(qū)域乘以轉(zhuǎn)換矩陣，得到它在向量空間中的位置，判斷它和那一類圖標(biāo)最接近，就屬于哪一類，并計(jì)算出匹配度，匹配度低于某個(gè)值則認(rèn)為是干擾目標(biāo)。圖3.3為識(shí)別出的圖標(biāo)，m1、m2、m3分別指出圖標(biāo)屬于哪一類，59、66、77是該區(qū)域?qū)τ谀且活悎D標(biāo)的匹配度。 圖3.3 識(shí)別出的圖標(biāo) 3.2 地面站 無人機(jī)地面地面系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱地面站）是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對(duì)無人機(jī)的地面控制與管理，無人機(jī)地面站是在現(xiàn)代無人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用過程中逐步提出的。為了更好的監(jiān)視無人機(jī)的飛行狀況并對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遙控，人類設(shè)計(jì)了各種類型的地面站，來輔助操作員對(duì)無人機(jī)的各種飛行數(shù)據(jù)和任務(wù)設(shè)備狀況的進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以便在一些應(yīng)急情況發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)的采取相應(yīng)處理措施來保證無人機(jī)的安全。地面站硬件部分一般包含有地面站計(jì)算機(jī)、通信數(shù)據(jù)鏈和輔助操控手柄等設(shè)備。由于地面站系統(tǒng)能在飛行期間根據(jù)環(huán)境的變化實(shí)時(shí)改變預(yù)定的任務(wù)計(jì)劃，從而有效的提高了無人機(jī)執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的能力。 地面控制站程序的作用是觀察飛機(jī)的各項(xiàng)飛行信息，包括GPS信息、飛機(jī)狀態(tài)信息、飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行控制。地面站和飛機(jī)之間的通訊遵循設(shè)定好的測(cè)控協(xié)議。 圖3.4? 地面站界面 左邊空白處的文字是顯示飛機(jī)發(fā)送回來的GPS信息和三軸線加速度、角速度信息。 界面右邊的各項(xiàng)文字、儀表顯示了飛機(jī)的各種狀態(tài)信息，可以用于分析飛機(jī)的運(yùn)行情況，其中右中的4個(gè)操縱桿可以給飛機(jī)設(shè)定升降舵、方向、風(fēng)門、副翼四個(gè)參量。界面下方的按鈕群是主要的操作部分，可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行各種操作。界面最底下的一欄是狀態(tài)欄，顯示了一些程序運(yùn)行的信息。 地面站和視覺程序結(jié)合起來，利用飛機(jī)當(dāng)前的高度、航向以及飛機(jī)所處的位置，可以計(jì)算出圖標(biāo)的實(shí)際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 起落架的設(shè)計(jì) 4.1起落架的組成 起落架（Undercarriage）是航空器下部用于起飛降落或地面（或水面）滑行時(shí)支撐航空器并用于地面（或水面）移動(dòng)的附件裝置。起落架是唯一一種支撐整架飛機(jī)的部件，因此它是飛機(jī)不可分缺的一部份；沒有它，飛機(jī)便不能在地面移動(dòng)。當(dāng)飛機(jī)起飛后，可以視飛機(jī)性能而收回起落架。 在過去，由于飛機(jī)的飛行速度低，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形的要求不十分嚴(yán)格，因此飛機(jī)的起落架都由固定的支架和機(jī)輪組成，這樣對(duì)制造來說不需要有很高的技術(shù)。當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時(shí)，起落架仍然暴露在機(jī)身之外。隨著飛機(jī)飛行速度的不斷提高，飛機(jī)很快就跨越了音速的障礙，由于飛行的阻力隨著飛行速度的增加而急劇增加，這時(shí)，暴露在外的起落架就嚴(yán)重影響了飛機(jī)的氣動(dòng)性能，阻礙了飛行速度的進(jìn)一步提高。 因此，人們便設(shè)計(jì)出了可收放的起落架，當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時(shí)就將起落架收到機(jī)翼或機(jī)身之內(nèi)，以獲得良好的氣動(dòng)性能，飛機(jī)著陸時(shí)再將起落架放下來。然而，有得必有失，這樣做的不足之處是由于起落架增加了復(fù)雜的收放系統(tǒng)，使得飛機(jī)的總重增加。但總的說來是得大于失，因此現(xiàn)代飛機(jī)不論是軍用飛機(jī)還是民航飛機(jī)，它們的起落架絕大部分都是可以收放的，只有一小部分超輕型飛機(jī)仍然采用固定形式的起落架（如蜜蜂系列超輕型飛機(jī)）。 4.1.2 減震器 飛機(jī)在著陸接地瞬間或在不平的跑道上高速滑跑時(shí)，與地面發(fā)生劇烈的撞擊，除充氣輪胎可起小部分緩沖作用外，大部分撞擊能量要靠減震器吸收?，F(xiàn)代飛機(jī)上應(yīng)用最廣的是油液空氣減震器。當(dāng)減震器受撞擊壓縮時(shí)，空氣的作用相當(dāng)于彈簧，貯存能量。而油液以極高的速度穿過小孔，吸收大量撞擊能量，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使飛機(jī)撞擊后很快平穩(wěn)下來，不致顛簸不止。 4.1.3 收放系統(tǒng) 收放系統(tǒng)一般以液壓作為正常收放動(dòng)力源，一般前起落架向前收入前機(jī)身，而某些重型運(yùn)輸機(jī)的前起落架是側(cè)向收起的。主起落架收放形式大致可分為沿翼展方向收放和翼弦方向收放兩種。收放位置鎖用來把起落架鎖定在收上和放下位置，以防止起落架在飛行中自動(dòng)放下和受到撞擊時(shí)自動(dòng)收起。對(duì)于收放系統(tǒng)，一般都有位置指示和警告系統(tǒng)。 4.2 液壓系統(tǒng)的組成 4.2.1液壓技術(shù)的現(xiàn)狀 20世紀(jì)是液壓技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)世紀(jì)。從20世紀(jì)初的礦物油作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)概念的引入，到柱塞泵、三大類閥的發(fā)明，到四、五十年代電液伺服閥的發(fā)明和電液伺服控制理論的確立，再到1970年代插裝閥及比例閥的發(fā)明，這些都是液壓技術(shù)領(lǐng)域極具革命性的技術(shù)進(jìn)步。經(jīng)過將近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，液壓技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)及流體原理方面已很少再有創(chuàng)新。但液壓技術(shù)卻從與之相關(guān)的技術(shù)中得益良多。正如1998年德國國際流體技術(shù)年會(huì)(IFK)上引用的數(shù)據(jù)表明：近20年來，液壓技術(shù)的發(fā)展來源于自身的科研成果僅約20％，來源于其他領(lǐng)域的發(fā)明占50％，移植其他技術(shù)成果占30％。 液壓技術(shù)正是在汲取與其相關(guān)技術(shù)并與替代性技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中得以發(fā)展的?？梢哉f，電氣傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)不單純是與液壓技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，其互相的融合也正是技術(shù)發(fā)展、完善的一種方向。就目前而言，液壓技術(shù)主要在以下領(lǐng)域中擁有不可替代的作用：需要大功率傳遞、要求功率重量比大的場(chǎng)合；需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的場(chǎng)合。下面從液壓元件、系統(tǒng)集成與控制、密封技術(shù)等方面分別闡述液壓技術(shù)的現(xiàn)狀。 液壓傳動(dòng)是以流體作為工作介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行傳動(dòng)和控制的一種傳動(dòng)形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機(jī)件控制之后來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。因而在工程機(jī)械、冶金、軍工、農(nóng)機(jī)、汽車、輕紡、船舶、石油、航空和機(jī)床行業(yè)中，液壓技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用。隨著原子能、空間技術(shù)、電子技術(shù)等方面的發(fā)展，液壓技術(shù)向更廣闊的領(lǐng)域滲透，發(fā)展成為包括傳動(dòng)、控制和檢測(cè)在內(nèi)的一門完整的自動(dòng)化技術(shù)?，F(xiàn)今，液壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國對(duì)液壓工業(yè)的發(fā)展都很重視，所以采用液壓傳動(dòng)的程度已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。如發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的95%的工程機(jī)械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動(dòng)線都采用了液壓傳動(dòng)。 4.2.2 液壓元件 液壓元件近年來的主要成果： （1）元件的小型化、模塊化元件的小型化，如電磁閥的驅(qū)動(dòng)功率逐漸減小，從而適應(yīng)電子器件的直接控制，同時(shí)也節(jié)省了能耗。元件的功能日益復(fù)合，如螺紋插裝閥的大量運(yùn)用，使系統(tǒng)的功能拓展更靈活。 （2） 節(jié)能化變量泵在國外的研發(fā)已日趨成熟。目前，恒壓變量、流量壓力復(fù)合控制，恒功率比例伺服控制等技術(shù)已被廣泛地集成到柱塞泵上。節(jié)能、減少系統(tǒng)發(fā)熱已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題之一。值得一提的是變頻調(diào)速技術(shù)得到了足夠的重視。 4.2.3 系統(tǒng)集成與控制技術(shù) （1）比例閥技術(shù) 比例閥的發(fā)展主要在頻寬的增大及控制精度的提高上，以期性能接近伺服閥。同時(shí)，比例閥又沿著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及廉價(jià)的方向發(fā)展，以促進(jìn)其應(yīng)用。前者如Bosch 的帶位置反饋的比例伺服閥，其性能已很接近電液伺服閥的性能。后者如螺紋插裝式比例閥，在某些工程機(jī)械中得到了運(yùn)用。 （2）電液伺服技術(shù) 電液伺服閥是最早將液壓技術(shù)引入自動(dòng)控制領(lǐng)域的功臣。但電液伺服閥的結(jié)構(gòu)自發(fā)明以來，就少有改進(jìn)。除了在傳統(tǒng)的需要特別高頻響的場(chǎng)合外，其傳統(tǒng)地位正日益受比例技術(shù)的挑戰(zhàn)。MOOG 公司也開始生產(chǎn)與比例閥類似的采用永磁式線性力馬達(dá)的直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥（DDV）。 （3）控制理論 控制理論是該領(lǐng)域最為活躍的一個(gè)分支。液壓控制系統(tǒng)正從不斷發(fā)展的自動(dòng)控制理論中得益，并不斷豐富自控理論的實(shí)踐。目前，自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等均得到了不同程度的運(yùn)用。 4.2.4 密封技術(shù) 自從液壓技術(shù)誕生以來，泄漏一直是困擾著業(yè)界人士的一大難題。伴隨著泄漏的是：礦物油的浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的污染、系統(tǒng)傳動(dòng)效率的降低等等。在靜密封領(lǐng)域，橡膠類密封件擁有不可替代的地位，當(dāng)然，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合（如溫度）的不同，又有丁腈橡膠及氟橡膠之分。在動(dòng)密封領(lǐng)域，聚四氟乙烯（PTFE）已擁有不可動(dòng)搖的地位。近年來，密封技術(shù)的進(jìn)步也主要集中在PTFE 的使用方面。隨著對(duì)材料及密封機(jī)理的深入了解，已可以在PTFE 中有針對(duì)性的添加某些材料以達(dá)到提高性能的要求。國外許多大的密封件公司均有針對(duì)不同應(yīng)發(fā)已日趨成熟。目前壓變量、流量壓力復(fù)合控制，恒功率、比例伺服控制等技術(shù)已被廣泛地集成到柱塞泵上。節(jié)能、減少系統(tǒng)發(fā)熱已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題之一。值得一提的是變頻調(diào)速技術(shù)得到了足夠的重視。采用定量泵變轉(zhuǎn)速的方案是與恒轉(zhuǎn)速變量泵相異的種思路。目前的研究尚處于初步階段。 （1） 新材料的應(yīng)用 新材料如陶瓷技術(shù)的使用是與非礦物油介質(zhì)元件的要求及提高摩擦副的壽命聯(lián)系在一起的。目前，已有德、英、芬蘭等國的廠商在純水液壓件上使用了該項(xiàng)技術(shù)。新型磁性材料的運(yùn)用是與電磁閥、比例閥的性能提高結(jié)合在一起的。由于磁通密度的提高，可以使閥的推力更大，其直接作用便是閥的控制流量更大，響應(yīng)更快，工作更可靠。 （2）環(huán)保 環(huán)保的要求體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的人文關(guān)懷。環(huán)保的液壓元件應(yīng)當(dāng)至少無泄漏及低噪聲，這也是液壓元件發(fā)展的一個(gè)永恒的主題。 （3）非礦物油介質(zhì)元件 非礦物油介質(zhì)元件是應(yīng)用于特殊場(chǎng)合的元件，如要求耐燃、安全、衛(wèi)生，此時(shí)就需要考慮采用高水基或純水元件。能源危機(jī)催生了該類元件的誕生，但目前的發(fā)展動(dòng)力可能更大程度上與環(huán)保、工作介質(zhì)的廉價(jià)及其安全性相關(guān)。目前，丹麥的Danfoss 公司提供了成套的NESSIE系列純水液壓元件，已在食品等行業(yè)得到了運(yùn)用。 4.3 液壓技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展 4.3.1液壓現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 液壓現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸 、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為工作站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備兩層結(jié)構(gòu)，它可以看作是一個(gè)由數(shù)字通訊設(shè)備；和監(jiān)控設(shè)備組成的分布式系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)角度看，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；從通信角度看，它是一種新的全數(shù)字串行、雙向、多路設(shè)備的通信方式；從工程角度看，它是一種工廠結(jié)構(gòu)化布線。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，流體控制技術(shù)和電子控制技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，在液壓領(lǐng)域越來越多的人開始使用或關(guān)注總線技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，液壓技術(shù)人員也越來越感受到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)越性。液壓系統(tǒng)是在液壓總線的供油路和回油路間安裝數(shù)個(gè)開關(guān)液壓源，與其各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。開關(guān)液壓源包括液感元件、高速開關(guān)閥、單向閥、液容元件。根據(jù)開關(guān)液壓源功能不同，它可組合成升壓或降壓增流型開關(guān)液壓源。由于將開關(guān)源的輸入端直接掛在液壓總線上，通過高速開關(guān)方式加以升壓或降壓增流。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，最終輸出與各執(zhí)行器需求相適應(yīng)的壓力和流量。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在液壓系統(tǒng)應(yīng)用中也能具有以下特點(diǎn)： (1) 經(jīng)濟(jì)性。任何一種新技術(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)與使用，其成本是首先需要考慮的因素之一，總線技術(shù)也不例外。設(shè)計(jì)開發(fā)總線技術(shù)產(chǎn)品的初衷之一就是降低系統(tǒng)及工程成本。所以，應(yīng)用單位使用總線產(chǎn)品和供應(yīng)商提供產(chǎn)品的第一前提應(yīng)該是以降低總線系統(tǒng)的使用成本為目的。 (2) 按I E C 6 1 1 3 1 — 3標(biāo)準(zhǔn)的柔性化程序，易學(xué)、易懂，可操作性強(qiáng)。 (3) 可靠性、可維護(hù)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用總線代替一對(duì)一的 I ／ O連線。對(duì)于大規(guī)模 I ／ O系統(tǒng)來說，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素，同時(shí)系統(tǒng)具有在線故障診斷，報(bào)警記錄功能；可完成現(xiàn)場(chǎng)液壓系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定 、 修改等參數(shù)化工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。 (4) 友好的人機(jī)對(duì)話界面，可方便進(jìn)行液壓系統(tǒng)的參數(shù)修改和故障監(jiān)控。 (5) 滿足所有有關(guān)人身安全 、電磁兼容、抗沖擊及抗震動(dòng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。 (6) 相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓比例控制系統(tǒng)更具有其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 4.3.2 液壓節(jié)能技術(shù) 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能量損失包括各元件中運(yùn)動(dòng)件的機(jī)械摩擦損失 、泄漏損失溢流損失、節(jié)流損失、輸入和輸出功率不匹配的無功損失幾方面。機(jī)械摩擦損失、泄漏損失所占比例與所選元件本身的機(jī)械效率 、容積效率 、介質(zhì)粘度、回路密封性以及系統(tǒng)組成的復(fù)雜程度有關(guān)；溢流損失、節(jié)流損失所占比例與回路和控制形式有關(guān)；而輸入和輸出功率不匹配的無功損失所占比例與控制策略有關(guān)。因此節(jié)能是液壓技術(shù)的重要課題之一，隨著節(jié)能和環(huán)保要求的日益高漲，有效活用能源和降低噪聲已成為液壓行業(yè)的重要目標(biāo)。綜觀國內(nèi)外液壓技術(shù)發(fā)展歷程，無時(shí)無刻不伴隨節(jié)能的需要及創(chuàng)新。 (1) 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)系統(tǒng)由恒壓油源、二次元件(液壓泵／ 馬達(dá))、工作機(jī)構(gòu)和控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)二次元件斜盤傾角來改變二次元件排量，以適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，使負(fù)載按設(shè)定的規(guī)律變化。系統(tǒng)中的壓力基本保持不變，二次元件直接與恒壓油源相連，在系統(tǒng)中沒有原理性節(jié)流損失，從而提高了系統(tǒng)效率。另外，蓄能器的加入，不但抑制了壓力限制元件發(fā)熱所引起的功率損耗。而且還通過回收 、釋放液壓能有效提高液壓系統(tǒng)的工作效率。 (2) 電液負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)。負(fù)載感應(yīng)就是將變化的負(fù)載壓力反饋到壓力補(bǔ)償裝置或液壓泵的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) ，使液壓系統(tǒng)壓力 與負(fù)載壓力相適應(yīng) ，消除了系統(tǒng)壓力過剩，由于負(fù)載感應(yīng)裝置與變量泵的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)聯(lián)系在一起，使變量泵的流量 與負(fù)載流量相適應(yīng)，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過剩流量。 (3) 定量泵加變頻調(diào)速電機(jī)電液系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)避免節(jié)流損耗和溢流損耗，另外，交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)還大大提高了原動(dòng)機(jī)——異步電動(dòng)機(jī)的效率，并顯著改善功率因數(shù)，是其它液壓調(diào)速方式所無法比擬的。利用變頻器改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵的輸出流量與系統(tǒng)所要求相適應(yīng)，可以使溢流損失降至最低，有效地節(jié)約了能量。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)在大功率間歇運(yùn)動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)中，其優(yōu)越性更為顯著。 (4) 盡可能地節(jié)省空間。采用無油壓控制閥可以減少系統(tǒng)裝置空間，依據(jù)閉回路的構(gòu)成使油箱小型化，減少發(fā)熱量從而不須使用冷卻器。例如，采用伺服馬達(dá)使液壓泵正反轉(zhuǎn)向，不必使用方向、流量 、壓力控制閥也能達(dá)到控制的效果。采用閉回路系統(tǒng)，可以自我形成油量補(bǔ)償機(jī)能，混合式伺服系統(tǒng)可以使油箱控制在儲(chǔ)存最小作動(dòng)油的狀態(tài)下作功，體現(xiàn)油箱小型化的優(yōu)點(diǎn)。由于只在需要時(shí)使液壓泵輸出必要的流量，從而將發(fā)熱源控制降至最低，也就無需再加裝冷卻器。因?yàn)椴恍枥鋮s水的循環(huán)以及減少作動(dòng)油的消費(fèi)量，所以也能節(jié)省資源。另外，降低噪聲也依然重要。 (5) 一體化構(gòu)造。將液壓泵 、馬達(dá)、油箱、油量補(bǔ)償回路構(gòu)成為一體，形成無配管的一體構(gòu)造。 (6) 省電節(jié)能的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高的響應(yīng)速度、高的控制精度和重復(fù)精度的比例閥、比例泵、伺服閥的應(yīng)用；由轉(zhuǎn)速叮調(diào)的伺服電機(jī)+柱塞泵、伺服馬達(dá)螺桿驅(qū)動(dòng)、蓄能器 +高速伺服組成閉環(huán)同路控制油電式高速注塑機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。有高低壓雙聯(lián)或多聯(lián)式泵、變量泵、蓄壓器系統(tǒng)等的推出：針對(duì)閥控電液系統(tǒng)有較大能量損失的問題，推出了泵和電液比例閥結(jié)合的負(fù)載感應(yīng)型，泵和比例壓力、比例流量控制閥結(jié)合的注塑機(jī)電液控制系統(tǒng)。 5 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì) 5.1 步進(jìn)電機(jī)模塊 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專門的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以用作伺服電動(dòng)機(jī)。它在工業(yè)過程控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場(chǎng)合應(yīng)用更為廣泛。 圖5.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 5.1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場(chǎng)合。 1、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200 個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)18 度，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來控制。 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可分為全部勵(lì)磁及半步勵(lì)磁，其中全步勵(lì)磁又有1相勵(lì)磁及2 相勵(lì)磁之分，而半步勵(lì)磁又稱1-2 相勵(lì)磁。圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制等效電路，適應(yīng)控制A、B、/A、/B 的勵(lì)磁信號(hào)，即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號(hào)，即可步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 分述如下： A、1 相勵(lì)磁法：在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動(dòng)較大，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若欲以1 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 表5.1 勵(lì)磁順序：A→B→C→D STEP A B C D 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 4 0 0 0 1 B、2 相勵(lì)磁法：在每一瞬間會(huì)有二個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，故為目前用最多的勵(lì)磁方式，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走1.8 度。若以2 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 表5.2 勵(lì)磁順序：AB→BC→CD→DA→AB STEP A B C D 1 1 1 0 0 2 0 1 1 0 3 0 0 1 1 4 1 0 0 1 C、1-2 相勵(lì)磁法：為1 相與2 相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走0.9 度，故亦廣泛被采用。若以1 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 表5.3 磁順序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A STEP A B C D 1 1 0 0 0 2 1 1 0 0 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 0 1 0 6 0 0 1 1 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 D、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即不再運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。 下面介紹的是國產(chǎn)20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，它使用+5V直流電源，步距角為18度。電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅(qū)動(dòng)方式為二相激磁方式，電機(jī)示意圖和各線圈通電順序如圖5.3和表5.2 表5.4 線圈通電順序 相順序 A B C D 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 圖5.3 步進(jìn)電機(jī)原理圖 相順序從0到1稱為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過18度，0à1à2à3à4則稱為通電一周，轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過72度，若循環(huán)進(jìn)行這種通電一周的操作，電機(jī)便連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來，而進(jìn)行相反的通電順序如4à3à2à1將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢ǖ臅r(shí)間，若信號(hào)頻率過高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)。 5.1.2 步進(jìn)電機(jī)的步距角與工作拍數(shù) 對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為，而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角可以表示如下： (5.1) 或 (5.2) 其中：k是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 例如：對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距時(shí)換相三次；六拍則是換相六次。而在三拍方式中還有單三拍和雙三拍之分。從公式(5.2)可知：為了使步進(jìn)電機(jī)工作的步距角減小，也即：使控制精度增高，步進(jìn)電機(jī)在相數(shù)一定的情況下應(yīng)增加工作拍數(shù)。 5.1.3 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性 進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率。通常給出的也是空載情況下的運(yùn)行頻率。當(dāng)電機(jī)帶羊一定的負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)，兩者的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，在技術(shù)數(shù)據(jù)中通常也是發(fā)表格或曲線形式表示。提高運(yùn)行頻率對(duì)于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有很大的實(shí)際意義。由于運(yùn)行頻率比起動(dòng)頻率要高得多，所以使用時(shí)常通過自動(dòng)升、降頻控制線路先在低頻（不大于起動(dòng)頻率）下使電機(jī)起動(dòng)，然后逐漸升頻到工作頻率使電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行，升頻時(shí)間一般不大于1秒。 對(duì)應(yīng)于三相，五相一樣，只是有的廠家把三相或者五相的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算轉(zhuǎn)換成兩相的了（如本身是三相電機(jī)，機(jī)械上是300齒，步距角是1.2度，驅(qū)動(dòng)器本該接受300個(gè)脈沖帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，但若驅(qū)動(dòng)器軟件本身作了處理，則還是200個(gè)脈沖一圈），這樣便于統(tǒng)一計(jì)算。 進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率。通常給出的也是空載情況下的運(yùn)行頻率。當(dāng)電機(jī)帶羊一定的負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)，兩者的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，在技術(shù)數(shù)據(jù)中通常也是發(fā)表格或曲線形式表示。提高運(yùn)行頻率對(duì)于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有很大的實(shí)際意義。由于運(yùn)行頻率比起動(dòng)頻率要高得多，所以使用時(shí)常通過自動(dòng)升、降頻控制線路先在低頻（不大于起動(dòng)頻率）下使電機(jī)起動(dòng)，然后逐漸升頻到工作頻率使電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行，升頻時(shí)間一般不大于1秒。 對(duì)應(yīng)于三相，五相一樣，只是有的廠家把三相或者五相的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算轉(zhuǎn)換成兩相的了（如本身是三相電機(jī)，機(jī)械上是300齒，步距角是1.2度，驅(qū)動(dòng)器本該接受300個(gè)脈沖帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，但若驅(qū)動(dòng)器軟件本身作了處理，則還是200個(gè)脈沖一圈），這樣便于統(tǒng)一計(jì)算。 對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在其繞組中通電的相序不同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和步進(jìn)精度有所不同。步進(jìn)電機(jī)對(duì)繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進(jìn)電機(jī)的最大步進(jìn)速度，就會(huì)產(chǎn)生失步。一般步進(jìn)電機(jī)的通電頻率，即起動(dòng)頻率為 ?50步／秒到2000步／秒。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線，是步進(jìn)電機(jī)的工作頻率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所作出的曲線，典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線和很多因素有關(guān)，這些因素包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長、.控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的拍數(shù)等。在使用中會(huì)影響到步進(jìn)電機(jī)頻率特性而又能由用戶確定的因素有：控制拍數(shù)、控制線路的電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。 下面分析這幾種因素對(duì)步進(jìn)電機(jī)頻率特性的影響。 (1)工作方式對(duì)頻率特性的影響 在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，它的工作方式是以一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來表示的。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，值得指出的是換相是指對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應(yīng)式電機(jī)拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇多拍的控制方式。 (2)線路時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率特性的影響 步進(jìn)電機(jī)的每相繞組供電都是通過功率開關(guān)電路進(jìn)行的。步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(guān)電路如圖3.2所示。其中L為步進(jìn)電機(jī)繞組電感；為繞組電阻；為晶體管T的集電極電阻；D是續(xù)流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管T是大功率開關(guān)管。也是個(gè)外接的功率電阻，它是一個(gè)消耗性負(fù)載，一般為數(shù)歐姆。這時(shí)線路的時(shí)間常數(shù)為： （5.3） 其中：L單位為亨，、單位為歐姆，單位為秒。 圖5.4 步進(jìn)電機(jī)一線繞組的開關(guān)回路 開關(guān)回路時(shí)間常數(shù)對(duì)注入電機(jī)繞組的電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間有極大關(guān)系，它影響到步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。并且有：越小，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間小，相應(yīng)電機(jī)工作頻率高；反之，越大，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間長，電機(jī)工作頻率低。 從式(5.3)可知：要減少，可以采用增大Rc的辦法。但是，增大Rc時(shí)，又會(huì)使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機(jī)的力矩。為了減少 ，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可采用在增大Rc的同時(shí)，也提高供電電壓的辦法。 在高頻應(yīng)用中，要盡量減小 以改善步進(jìn)的特性，所以常在開關(guān)回路中采用較大的Rc，同時(shí)也提高回路的電源電壓U。但這樣也會(huì)使效率降低，在低頻段工作時(shí)也會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇。在實(shí)際中，可根據(jù)客觀情況來考察選擇恰當(dāng)?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進(jìn)電機(jī)處于合適的工作頻率狀態(tài)。 (3)開關(guān)回路電壓對(duì)頻率的影響 在一般應(yīng)用中，開關(guān)電路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會(huì)隨開關(guān)電路換相頻率的提高而相應(yīng)減小。開關(guān)電路產(chǎn)生的控制電壓是以矩形波方式加在繞組上的。隨著換相頻率的提高，矩形脈沖電壓波頻率相應(yīng)提高，這樣，矩形脈沖電壓的寬度和周期也就會(huì)變小，當(dāng)矩形脈沖電壓窄到一定程度，流入電機(jī)繞組的電流就無法達(dá)到穩(wěn)定值I ，步進(jìn)電機(jī)就難以步進(jìn)工作了。為了保證在矩形脈沖電壓相當(dāng)窄時(shí)，也即頻率足夠高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)仍能正常步進(jìn)工作，可以提高開關(guān)回路的電壓。 開關(guān)回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進(jìn)電機(jī)中要設(shè)法增大起動(dòng)電流，以提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即提高其工作頻率。由于步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，所以進(jìn)入繞組的電流脈沖是以指數(shù)形式上升，即這時(shí)電流脈沖i為： （5.4） 其中：i是電流脈沖瞬時(shí)值； 是在開關(guān)回路電壓為u時(shí)的電流穩(wěn)態(tài)值； 是開關(guān)回路的時(shí)間常數(shù)， 綜上所述，本設(shè)計(jì)選用三相步進(jìn)反應(yīng)式電機(jī)，采用運(yùn)行中根據(jù)工作頻率對(duì)電源電壓升壓補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā? 5.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理 在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，常要求用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制方向相反的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，如小車的左行、右行；機(jī)械手的上升、下降等。 本設(shè)計(jì)對(duì)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示： 圖5.5 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖 要實(shí)現(xiàn)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當(dāng)中的任意兩相調(diào)換一下位置就可以了。如圖4.4所示：假如接觸器KM1閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，則當(dāng)接觸器KM1斷開，接觸器KM2閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。從圖中我們可以看出：要改變?nèi)嘟涣麟姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需要任意交換其中兩相就可以達(dá)到目的。圖中各元器件的作用如表所示： 表5.5 元器件作用列表 連接的外部設(shè)備 功能說明 SB1 停止命令 SB2 電機(jī)正轉(zhuǎn)命令 SB3 電機(jī)反轉(zhuǎn)命令 FR常開 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù) KM1 控制電機(jī)正轉(zhuǎn) KM2 控制電機(jī)反轉(zhuǎn) 5.3 交流電機(jī)的星—三角形啟動(dòng) 對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)，為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，一般采用Y/△降壓?jiǎn)?dòng)方法來達(dá)到限制啟動(dòng)電流的目的。Y/△降壓?jiǎn)?dòng)的原理如圖1所示：在啟動(dòng)過程中將電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形，即接觸器KMY閉合。此時(shí)電動(dòng)機(jī)每相繞組承受的電壓為額定電壓的，啟動(dòng)電流為三角形接法時(shí)啟動(dòng)電流的1/3。接觸器KMY閉合的同時(shí)定時(shí)器開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，接觸器KMY斷開，接觸器KM△閉合。電動(dòng)機(jī)繞組為三角形接法，進(jìn)入正常運(yùn)行階段。 控制電路要有自鎖、互鎖、定時(shí)等常用電路，要求合上啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）按鈕后，電機(jī)先作星型連接啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)6秒后自動(dòng)換接到三角形連接運(yùn)轉(zhuǎn)。按下停止，電機(jī)停轉(zhuǎn)。按下反轉(zhuǎn)按鈕后，進(jìn)行反轉(zhuǎn)的Y/△啟動(dòng)。要求正反轉(zhuǎn)互鎖、Y/△互鎖。 5.4 電氣元件介紹 （1）繼電器 繼電器是根據(jù)某種輸入信號(hào)來接通或斷開小電流控制電路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和保護(hù)的自動(dòng)控制電器。其輸入量可以是電流、電壓等電量。也可以的溫度、時(shí)間、速度、壓力等非電量，而輸出則是觸頭的動(dòng)作或者是電路參數(shù)的變化。 繼電器的種類很多,按輸入信號(hào)的性質(zhì)分為：電壓繼電器、電流繼電器、時(shí)間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等。按工作原理分為：電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器、電動(dòng)式繼電器、熱繼電器、電子式繼電器等。按輸出形式分為：有觸點(diǎn)和無觸點(diǎn)兩類。本設(shè)計(jì)主要用電磁繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器等。 （2）接觸器 接觸器是用來接通或分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)主電路或其他負(fù)載電路的控制電器。用它可以實(shí)現(xiàn)頻繁的遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制，接觸器最主要的用途是控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和調(diào)速等。因此它是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的控制電器之一。它具有低電壓釋放保護(hù)功能。它具有比工作電流大數(shù)倍乃至十幾倍的接通和分?jǐn)嗄芰?，但不能分?jǐn)喽搪冯娏?。它是一種執(zhí)行電器，即使在先進(jìn)是可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)中.它一般也不能被取代。 接觸器種類很多，按驅(qū)動(dòng)力不同分為電磁式、氣動(dòng)式、和液壓式，以電磁式應(yīng)用最廣泛。 （3） 熔斷器 熔斷器基于電流熱效應(yīng)原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設(shè)計(jì)，具有一定的瞬動(dòng)特性，用于電路的短路保護(hù)和嚴(yán)重過載保護(hù)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用維護(hù)方便、分?jǐn)嗄芰^高、限流性能良好等特點(diǎn)，以內(nèi)功用十分廣泛。 熔斷器在結(jié)構(gòu)上主要由熔斷管(或蓋、或座) 、熔體及導(dǎo)電部件等部分組成。其中熔體是主要部分，它既是感測(cè)元件又是執(zhí)行元件。熔斷管的作用是便于安裝熔體和有利于熔體熔斷時(shí)熄滅電弧。 （4） 行程開關(guān) 行程開光又稱限位開關(guān)，是一種利用生產(chǎn)機(jī)械某些運(yùn)動(dòng)部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方向、速度、行程大小或位置的一種自動(dòng)控制器件。行程開關(guān)廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床、起重機(jī)械以及輕工機(jī)械的行程控制。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)到某一預(yù)定位置時(shí)，行程開關(guān)通過機(jī)械可動(dòng)部分的動(dòng)作，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制，限制它們的動(dòng)作和位置，借此對(duì)生產(chǎn)機(jī)械給以必要的保護(hù)。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 結(jié)論 近十余年來，由于液壓技術(shù)借助微電子技術(shù)，大力發(fā)展電液傳動(dòng)與控制，使液壓技術(shù)產(chǎn)生新的活力。液壓技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)者是機(jī)械傳動(dòng)和電氣傳動(dòng)，只要沿著機(jī)電一體化方向走下去，并不斷跟蹤和移植信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、摩擦磨損技術(shù)、潤滑技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及新材料新工藝等的成果，充分發(fā)揮液壓技術(shù)功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，克服漏油和噪聲大等缺點(diǎn)，液壓技術(shù)作為現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的重要組成部分，將不