电机减速器

关键词： 转矩 治疗 驱动 系统

电机减速器（精选九篇）

电机减速器 篇1

安飞电子玻璃有限公司产品侧边研磨工序的主要设备是定位块研磨机，由变频器控制减速电机(SEW DH90S4/BHG/HF/VS型)带动凸轮使产品上下运动，同时接触产品侧边其他3个普通电机带动的砂轮，实现产品研磨。减速电机自带使用制动模块控制的盘式刹车器，在凸轮上升至最高点时定位(设备要求，否则会出现转过或转不到位造成惯性下降)。减速电机制动机构接线见图1，电机通电同时也向制动模块供电，盘式刹车器线圈得电，盘式刹车器松开，电机工作，电机断电时，盘式刹车器不松开，实现定位。设备使用过程中制动模块易损坏。

2. 问题分析

(1)工艺要求研磨时产品下降速度为20r/min，上升速度为150r/min，因此通过变频器改变减速电机转速(20r/min和150r/min时频率一般设定在3Hz和25Hz)，制动模块长期工作在低频、低电压状态，超出其正常使用范围(要求工作在50Hz)。减速电机长期工作在低频状态，相当于增大了功率，而制动模块功率并未增大，相对于减速电机功率，制动模块功率变小，长期工作在超负荷状态。

(2)工艺节拍较快，减速电机运行频繁，温度较高，制动模块安装在接线盒，散热不好。

(3)研磨产品时需要用水，环境差。

3. 改进措施

电机减速器 篇2

目录

一、PID简介··································（6）

二、设计原理··································（7）

三、设计方案··································（8）

四、心得体会

·······························（16）

五、参考文献 ·······························（16）

二、设计原理

基本的设计核心是运用PID调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值；用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高-转速高-脉冲多），单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的检测值；应用数字PID模型作单片机控制编程，其中P、I、D参数可按键输入并用LED数码显示；单片机PWM调宽输出作为输出值，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的PID调压调速功能。

基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的原理如下见原理图2.0

图2.0 PID调速设计原理图

如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用AD芯片，运用单片机来控制AD芯片来转换模拟电压到数字电压，AD给定的电压越大，则产生的数字量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个PWM，PWM占空比越大，就驱动晶体管导通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也就越大，电压越大，则压频转换器输出的计数脉冲再单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大，其转速也就会越快，我们再用单片机对压频转换器的输出脉冲计数，PID调节器就把这个计数脉冲和预先设定的 值进行比较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到AD的给定电压，这样就相当于加大了PWM的占空比，要是比设定值大，这样也会得到一个偏差，就把这个变差与给定的电压向减，这样就可以减少PWM的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间，就可以改变压频转换器的输入电压，也就改变压频转换器的单位计数脉冲，达到调电动机速度的目的。

三、设计方案

3.1 PWM的调制

AD芯片给定一定的电压，应用单片机来控制来产生一个PWM,给定的电压不同，就会的得到不同的PWM波形。在产生PWM波形我们采用ADC0808芯片和AT89C51两个核心器件。

ADC0808芯片是要外加电压和时钟，当输入不同的电压的时候，就可以把不同的电压模拟量转化为数字值，输入的电压越大，其转换的相应的数字也就会越大，ADC0808芯片有8个通道输入和8个通道输出。其具体的管脚图见3.01

图3.01 ADC0808芯片管脚图

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.02所示

图3.02 AT89C51芯片管脚图

3.2基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 3.21调速原理

当基于以上产生一个PWM后，就可以借助PWM脉冲来控制晶体管的导通和关断，来给压频转换器来提供一定的电压，在PROTUES中仿真中，给定一个+12V的电压，就通过晶体管的导通和关断来给压频转换器供电，压频转换器就会输出很多的脉冲，借助单片机P3.5来计数，其计数送给P0来显示，通过给定不同的ADC的输入电压，就可以的得到不同的计数显示，电压越大，其计数显示也就越大，通过改变计数脉冲的周期和硬件压频转换器（LM331）的电阻和电容，就可以得到与输入电压接近的数值显示，可能由于干扰的原因，其显示值和实际值有一点偏差，这是在没有什么负载的情况下，或者说是在空载的情况下，这样就可以得到一个很理想的开环系统，也为闭环PWM调节做好准备。

当开环系统稳定后，加上一个扰动，或者说是加上负载，这样就使的压频转换器的电压减少，在给定一定电压的时候，当负载分压的时候，也就相当于直流电机的电压就会减少，这样直流电机的转速就会下降，或者说当有负载的时候，压频转换器的输入电压就会减少，这样输入的脉冲在单位时间就会减少，这样PID调节器，通过改变PID的参数，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数这样就会得到一个偏差，通过这个偏差来改变原来的PWM的占空比，使得晶体管的导通时间加长或减少，这样就改变了直流电机的输入电压，也就是该变了在PROTUES压频转换器的输入电压，使得输出的计数脉冲在单位时间发生改变，也就是模拟了直流电机的转速的改变，我们希望通过PID的调节，使得输出的计数脉冲的显示值和预先设定的值接近，由于偏差的存在，使得PID调节器不断的去修正，使得显示值近可能的接近我们所预期的设定值。

3.22基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统原理图

图3.07 PID调速原理图 3.23波形仿真

在不同的给定电压下开换系统会有不同的PWM波形和计数脉冲个数。在不同的波形中从上之下以此为pwm波形，经过驱动后的波形，LM331的输入电压，LM331的输出脉冲。

当给定电压为较高（E8H）其波形见如下图3.08、图3.09 中电压给定对应的波形

PID波形

图3.10 低电压给定对应的波形

;

图3.11 PID 控制LM331的输入电压波形

3.24 PID调速程序 PWM 输出驱动程序

ADC

EQU

35H

CLK

BIT

P2.4

ST

BIT

P2.5

EOC

BIT

P2.6

OE

BIT

P2.7

PWM

BIT

P3.7

;

PID 调节设置

EK0

EQU

40H

EK1

EQU

41H

EK2

EQU

42H

PP

EQU

43H

II

EQU

44H

DD

EQU

45H

UK0

EQU

70H

UK1

EQU

71H

ORG

00H

SJMP

START

ORG

0BH

LJMP

INT_TO

START:

MOV

TMOD, #62H

MOV

TH0, #00H

MOV

TL0, #00H

MOV

IE, #86H

SETB

TR0

;SETB

TR1

MOV

R0, #00

MOV

R1, #00

MOV

R2, #00

MOV

R3, #00

MOV

R4, #00

MOV

R5, #00

MOV

R6, #00

MOV

R7, #00

;PID 赋值

MOV

PP, #05

MOV

II, #03

MOV

DD, #02

MOV

EK0,#00H

MOV

EK1,#00H

MOV

EK2,#00H

MOV

UK0,#00H

MOV

UK1,#00H WAIT:

CLR

OE

INC

R7

CLR

ST

SETB

ST

CLR

ST

JNB

EOC, $

SETB

OE

MOV

ADC, P1

MOV

R0,ADC

MOV

A,70H

ADDC

A,ADC

MOV

ADC ,A

;CLR

OE

SETB

PWM

SETB TR1

MOV

A, ADC

LCALL

DELAY

CLR

PWM

;等待转换完成;高电平延时 8

MOV

A, #255

SUBB

A, ADC

LCALL

DELAY

;低电平延时

CJNE

R7, #20, WA2 WA1:

CLR

TR1

MOV

R7, #00

MOV

A, TL1

MOV 50H,A

mov P0,50H

;PID求偏差

MOV A,EK1

MOV EK2,A

MOV A,EK0

MOV EK1,A

MOV A,R0

SUBB A,50H

MOV EK0,A

;PP的计算

MOV

A,EK0

SUBB A,EK1

MOV B,PP

MUL AB

MOV R1,A

MOV R2,B

AJMP X

WAIT1:AJMP WAIT

;II的计算

X: MOV A,EK0

MOV B,II

MUL AB

MOV R3,A

MOV R4,B

;DD的计算

MOV A,EK1

RL A

MOV EK1,A

MOV A,EK0

SUBB A,EK1

ADDC A,EK2

MOV B,DD

MUL AB

MOV R5,A

MOV R6,B

;PID总的计算

MOV A,R1

ADDC A,R3

ADDC A,R5

MOV 60H,A

MOV A,R2

ADDC A,R4

ADDC A,R6

MOV 61H,A

MOV A,60H

ADDC A,70H

MOV

70H,A

MOV A,61H

ADDC A,71H

MOV

71H,A

MOV TL0,#00H

MOV

TL1,#00H

;SETB TR1

WA2:

SJMP

WAIT1

INT_TO:

CPL

CLK

RETI

DELAY:

MOV

R6, #1 D1:

DJNZ

R6, D1

DJNZ

ACC, D1

RET

END 10

四、心得体会

我们进行了为期一周的计算机控制技术课程设计。通过这两周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到了提高。

刚刚拿到课题，我感到有些茫然，对于以前没有做过的人来说要全部做完的确有一定的难度。由于我对计算机控制不是很熟悉，在设计的过程中走了不少弯路。

通过亲身体验做课程设计，我觉得安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。我的收获有一下几点：

第一，我对所学专业有了一些了解，增强了自己的兴趣和对以后可能从事的职业的热爱。第二，通过课程设计我明白到了理论到实践有一段很远的路程。设计过程中的每一步都是一门学问，我终于知道了每一个实现的过程，每一个认识的过程都存有人类无数的的汗水与对待事物一丝不苟得，缜密的思考以及不懈的努力，只有这样才会有一个新生事物的诞生。而以上种种的过程必须要你亲自去体会去认识去发现，那才是属于你的“收获”，只有这时才会对自己的作品无比的骄傲。

第三，通过这次设计加强了我们的设计创新能力。使我们的理论知识与实践充分地结合。第四，通过两周的课程设计，我学到了很多书本上学习不到的知识。两周的时间很短，但是我学到比两年的还多，在以后的学习生活中，我需要更努力地读书和实践。

对我们电气专业的学生来说，实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。通过课程设计，让我们找出自身状况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

在设计过程中，体会到了设计一项课题的不易，也体会到了设计成功之后的小小成就感和同学之间相互合作的默契。更重要的是，通过课程设计，我发现了自身存在的更多不足之处和实际应用能力方面的欠缺，这些不足之处在今后的学习之中要有意识的弥补和改变。

最后，感谢在课程设计过程中关心帮助我的老师同学。

五、参考文献

电机减速器 篇3

1教材设计的学生实验

江苏科技出版社的八年级上册物理教材中，有一学生实验“研究气泡的运动规律”（图1）.

该实验是通过测量、计算等过程得出玻璃管中的气泡是做匀速直线运动的结论.完成该实验过程中，存在如下不足之处：

（1）气泡的运动不完全是匀速运动.

（2）玻璃管内径如果过小，由于分子间作用力，气泡会被吸附在管中某处而不运动.如果内径过大，气泡向上运动时，压强变小，浮力变大，气泡会做加速运动，而达不到实验目的.

（3）玻璃管易碎，存在安全隐患.

一次偶然，笔者发现教室内投影幕在打开和收起时，缓慢地升降，近似于匀速运动，经过测量，影幕上升时，非常近似于匀速运动，下落时是加速度很小的加速运动.于是笔者决定跟学生一起以影幕为研究对象，研究它的运动规律.在黑板上画一直线，每20厘米为一段，分成四段，将其剪成红色箭头贴在影幕下端横杆上，能较为准确地判断影幕所在位置，以便于准确测量.将学生分成若干小组，每组由四人负责记时，一人发令，一人记录并处理数据，合作完成实验并得出结论.通过实践，效果比较理想，能较好地得出每一区间的速度近似相等.从而得出影幕上升时做的是匀速直线运动.表1是某一小组获得的数据.

2让减速电机在物理实验中发挥作用

投影幕之所以做的是匀速直线运动，是因为有一减速电机在工作，也就是说减速电机能较稳定地保持匀速运动，而初中物理实验中，很多实验需要物体的运动，有的甚至要做匀速直线运动.如物体受平衡力作用时怎样运动；研究匀速直线运动；研究滑动摩擦力与哪些因素有关的实验；测定滑轮组的机械效率等实验；研究阿基米德原理时需要让物体缓慢进入液体等.原来完成这些实验都是靠手来拉动物体，使其缓慢运动或匀速运动，在具体的操作过程中，往往不能保持拉力不变，也不能完全保持匀速直线运动，给实验效果带来一定的影响；再则，实验时，往往一边用手拉物体，使其做勻速直线运动，同时还要读出弹簧测力计的示数，或者做其它操作，做不到一心多用，影响实验效果.如研究匀速直线运动时，让物体运动的同时，需要测量每个阶段的时间；研究阿基米德原理，物体缓慢浸入水中的同时，需要用小桶接水，还要读弹簧测力计的示数等等.减速电机具有结构紧凑，体积小，造型美观， 传动平稳、振动、冲击和噪音均小，减速比大，通用性广，容易固定，便于操作等特点.如果用减速电机代替人来拉动物体，一方面可把人手解放出来，专心只做一项活动；另一方面又能较好地保持匀速直线运动，使实验效率更高，效果更好.笔者所在课题组的同志尝试了用减速电机辅助完成以上几个实验，取得了满意的效果.

减速箱用电机轴断裂分析 篇4

某石油机械减速机在安装试运行三天发现电机输出轴端断裂。断裂面位于轴头 (阳锥) 与一级齿轮轴轴套过盈连接台阶下退刀槽处 (见图1) , 过盈量约0.184% (0.196/106) , 断面直径d=φ105.3mm, 过盈处采用热装装配方式, 试验运行了约5.2×106次。但是在查看设计图纸时发现现场该轴的末端并未按照图纸要求 (图2) 装配圆柱滚子轴承NU2218, 故怀疑去掉这个轴承可能是断裂发生的主要原因, 因而对现场所使用的结构及图纸要求的结构两种情况的应力水平进行了断裂原因分析。

2 应力计算及分析

齿轮参数:Z=15, Mn=8, β=13°, α=20°, 计算直径d1=φ123.156mm, 输入功率W=450k W, 转速n=1200r/min。

2.1 对现场工况使用的一级主动轴结构进行应力计算

轴向力:Fr2=Ft×tanβ=13426N

断面上应力:来自T, Ft, Fr及自重作用。

剪应力:

弯曲应力:

轴系部分按照图纸取重量约60kg, g=10N/kg, 则断裂面准105.3处轴向拉伸应力为

, 可见轴向应力相比较而言是很小的, 可以不计。

将以上计算应力予以叠加计算 (不取减, 只考虑最大状况)

2.2 对图纸要求加轴承进行应力计算

将图2所示结构可以看成一个超静定状态, 分成两个静定受力如图3、4, 再加以分析。

由式 (1) 可知:P点处受力后的挠度为

三角函数关系可得P点处

可以得到此时D点处的总位移为

由式 (2) 可知:只受力FD时D点处的挠度为

该点变形量V总=V=V′可以得到

FD=-0.6825P (负号代表FD方向与P方向相反) 由此可以得到:

当P=Ft=58154N时, D点处的切向力FDt=39690N

当P=Fr1=21723N时, D点处的径向力FDr=14826N

计算此时设计图纸所示结构断裂面d=105.3处d的弯曲应力:

叠加计算可得 (不取减, 只考虑最大状况) :

另外, 还应该将装配应力考虑进去, 由图纸要求可知允许安装不对中度0.05mm, 可以按照简单超静定的方法估算装配应力:

弹性模量E=200GPa, 惯性矩I= (π×d4) /64=6032025.4mm4

考虑轴运行时为动应力, 可以简单按2倍计入为1.364×2=2.728MPa, 再累加到σj1上去, 得到新的σj2=31.42+2.728=34.148MPa

2.3 对上述两种状态下的应力进行比较

按照手册推荐估算42Cr Mo调质状态下疲劳极限均值

现场使用状态断轴时的疲劳安全系数

注:许用安全系数[S]按照手册选取至少取1.3-1.5。

结论:此时安全系数明显不足, 断裂是必然结果。

而按照图纸设计机构时的疲劳安全系数

结论:此时安全系数远远大于许用安全系数[S], 完全没有问题。

3 结论及改进措施

从现场断裂轴来看, 断面呈贝壳状花纹, 属于典型疲劳断裂, 有三个独立疲劳区, 自表面向中心发展。最终断面很小, 约φ30mm, 占断面10%。多源显示起始应力高或高应力集中特征, 属低周疲劳特征。终断区断面小表明相对扭矩并不大。而这跟我们的计算结果是符合的, 断裂是由现场去掉设计图纸中的末端轴承时工作中的高弯曲应力造成, 断裂面位于过盈配合外的退刀槽底部, 这里拥有复杂的三维应力状态及高的应力集中系数, 这种情况下轴会产生较大的径向位移, 从而造成齿轮的啮合精度下降, 而现场齿面接触也证明了这一点, 偏向电机一侧, 进而又会产生新的附加应力, 共同作用下导致断裂, 总体情况可以断定, 现场使用去掉图纸设计中轴的末端轴承导致结构方式不合理是断裂发生的主要原因。

改进措施: (1) 按照图纸要求对电机齿轮轴末端加上所要求的轴承。 (2) 如果想采取现场所使用的悬臂结构, 则需要对电机齿轮轴重新设计。

摘要：运用应力计算及强度理论对减速机主动轴断轴原因进行分析, 并提出了相应地改进措施。

关键词：减速机,断轴,应力,分析

参考文献

[1]苏翼林.材料力学[M].天津:天津大学出版社, 2001.

[2]成大先.机械设计手册 (第一卷) .北京:化学工业出版社, 1997.

直线加速器治疗床电机驱动及控制 篇5

1 硬件设计

1.1 功能分析

本控制系统的控制对象为医用加速器治疗床,系统使用的控制芯片是Atmega128单片机,驱动床运动的电机是1000DC型直流电机。该运动控制系统的基本要求是:(1)使用PC机上的控制程序与Atmega128单片机进行通信,从而控制直流电机转动,使治疗床实现启动/停止、加速/减速、上升/下降;(2)显示治疗床位置。根据功能分析,系统的整体结构如图1所示。

1.2 硬件系统设计

(1)基于Atmega128单片机的控制模块

本设计采用Atmega128单片机作为控制核心,该单片机基于AVR内核,采用RISC结构,增强型低功耗8位控制器。其内部资源丰富,可大量减少外部电子元件数量[1]。

本设计的单片机控制模块参考了个人电脑CPU的可插拔方式。将与单片机相关的晶振电路、供电电路、复位电路和USBISP下载接口等与单片机焊接在一块PCB板上,将单片机上的所有I/O口通过插针引出,需要使用该模块时只需安插在运动控制板的相应接口上即可,这样可以减少运动控制板上的电路,方便下载程序,并可以快速更换不同型号的单片机。单片机控制模块实物图如图2所示。该模块使用了外部晶振,频率为11MHz,单片机通电即实现复位。模块上提供ISP接口,可以直接通过ISP下载器下载程序到Atmega128单片机中。

(2)H桥驱动模块

H桥驱动电路原理图如图3所示,该模块由两片IR2112驱动芯片和四片FGA25N120的IGBT管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成。该电路具有响应快、高压高速、调速频带宽的特点[2]。使用100V的直流电源。经测试,电机在转动时,电流最大可达到20A,FGA25N120型IGBT管最大可承受40A的集电极电流,所以选用该型号IGBT管。单片机的PE3接口发送PWM信号,使用TLP521光耦进行光电隔离,这样既保证了能够直接驱动MOSFET,又使驱动电路和PWM控制电路有效隔离。加载到IR2112芯片上后,IR2112上的HIN和LIN两个引脚输入的PWM波形需是反向的,所以在电路中加了CD4069UDC反向器。

图3中Q1和Q4以及Q2和Q3分别组成两条通路,当PE3发送的PWM波占空比为100%时,IR2112驱动芯片会使Q1和Q4一直导通,Q2和Q3一直截止,电机两端的压差达到最大,电机正转的速度最大;当占空比为50%时,电机两端压差为0,电机停止[3]。

2 软件设计

整个控制程序主要包括主程序、初始化程序和中断服务程序[4]。系统上电后,单片机所有的I/O口和寄存器完成初始化并自测,然后开启A/D转换器和中断,完成初始化后开始循环执行主程序,主程序流程如图4(a)所示。主程序循环检测电脑发送的两种指令(手动操作控制治疗床、治疗床精确自动运动),如果指令为1,则进入手动操作控制治疗床子程序;如果指令为2则进入治疗床精确自动运动子程序;如果是这两个指令以外的其它指令,则检测治疗床的位置并显示出来,之后重新检测指令,一直循环执行[5]。

手动操作控制治疗床子程序要求能够控制治疗床的运动方向和速度,并且显示治疗床的状态,其流程图如图4(b)所示,这亦是一个循环函数体。首先检测并显示治疗床的位置,当按下开始运动键时,床以最低速度上升;当按下加减速键时将修改定时器的初值,改变定时器中断的频率,进而改变PWM波的占空比,使电机转速改变[6];当检测到电脑发送的改变控制方式的指令时,跳出循环。

治疗床精确自动运动子程序主要是根据电脑输入的具体位置,由单片机检测治疗床的高度,进而精确地控制治疗床运行到目标位置。该精确运动的子程序使用了PID控制,在治疗床运行到接近目标位置时,运行速度下降,该控制方法使治疗床能够更平稳精确地运行到目标位置[7]。

3 结束语

本文设计的直线加速器治疗床的电机驱动及控制系统具有以下特点:

(1)本系统以Atmel公司生产的Atmega128单片机为控制单元,该单片机技术先进,性能稳定,在控制领域使用较广,产品较为成熟,质量也相对较好,并且控制电路采用了模块化设计,方便更换。

(2)采用了H桥驱动模块,并使用PWM控制方式控制电机,该技术具有较高的调速精度、较短的响应时间和宽调速范围等特点。

本文的研究已在广东中能加速器科技有限公司生产的直线加速器治疗床中使用,直线加速器治疗床实物图如图5所示。经过一系列的实验,取得比较理想的效果,该系统能实现控制治疗床升降、调速、停止和精确运动等操作。

摘要：直线加速器治疗床主要用于肿瘤治疗时将病员的病灶置于辐射野内。为提高其运动精度和可靠性,本文以Atmega128单片机作为控制单元,运用PWM控制方式,采用驱动芯片IR2112、FGA25N120构成H桥驱动单元,设计了一种高性能的电机驱动控制系统。经过实际测试使用,该系统能提供足够大的驱动功率,使治疗床平稳和精确地运动。

关键词：AVR单片机,PWM,直线加速器,H桥

参考文献

[1]吴守箴,戚英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]廖冬初,聂汉平.电力电子技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.

[4]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].计算机PLC应用,2008,35(1):45-47.

[5]耿德根,宋建国,马潮,等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用(修订版)[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6]常海,李广东.IR2112在IGBT交流调压控制电路中的应用[J].电子元器件的应用,2008,10(02):28-31.

步进电机加减速的S曲线控制 篇6

电机的加减速控制是数控系统的重要组成部分, 也是其关键技术之一。快速准确的定位更是加减速控制的重中之重, 要实现这一目标就需要保证电机在不失步的情况下启动和停止, 并以最快的速度达到指定位置。目前常见的加减速曲线有:梯形曲线、S型曲线和指数曲线等。由步进电机的特性可知, S型曲线控制更适用于实际应用。

2 S型曲线数学模型

目前运用最为广泛的仍为7段S型曲线, 它把整个过程分为加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速这7个过程。它能够有效的保证加速度与速度的连续, 但根据实际不同的路劲长度, 可分成多种情况进行考虑, 整体的数学模型就相对而言比较复杂, 计算量也偏大。

在七段S曲线的基础上, 为了简化模型, 降低整体系统的计算量, 文章提出了五段S曲线, 其分为五个阶段:加加速、加减速、匀速、加减速、减减速。与七段S曲线相比, 减少了匀加速和匀减速这两个过程, 但其仍可以满足加速度a和速度v连续。设Vs为起始速度, Ve为终止速度, V为设定的最高速度, T1~T5为各个阶段的运行时间。

假设在T1, T2, T3, T5时间段内, 加速度a的变化率J的值是恒定的。为了保证运行轨迹在起始位置与减加速末位置的加速度a均为0, 应该保证加加速的时间与减加速的时间相同, 即T1=T2, 同理可得T4=T5, 又由于加速度的变化率J恒定, 可得T1=T2=T4=T5=Tm, 这里的Tm由起始速度Vs、最高速度V和加速度变化率J决定, 进一步推导可得初始速度等于终止速度, 即Vs=Ve。

利用加速度、速度、位移之间的积分关系可以推导出加速度a、速度v、位移s之间的积分关系可直接列出公式, 只要确定了Tm和T3两个变量, 就可以任意时刻的加速度、速度和位移, 可以构造出完整的S曲线。相比于七段S曲线, 该算法较简单, 易于实现, 但其计算过程中间参数较多, 相对比较复杂。

3五段S曲线加减速控制算法

S曲线的加减速可分为前加减速和后加减速, 后加减速对各个坐标轴进行速度控制, 不需要预测减速点, 计算量较小, 但会带来一定的位置误差;前加减速仅对合成速度进行控制, 需要预测减速点, 其计算量比较大, 但可以保证位置的精度。为了保证系统的精度, 文本采用前加减速控制的方式。

在实际过程中, 根据路径S长短不同, 可分为两种情况。

(1) 当路径较长时。在这种情况下, 系统的速度能达到设定的最高速度, 它是一条完整的五阶段S曲线。

(2) 当路径较短时。在这种情况下, 系统的运行速度达不到设定的最高速度, 它是一条不完整的五段S曲线, 缺少了中间的匀速阶段, 剩下的4个阶段的运行时间完全相同。由图1可知, 在这种情况下, 系统实际运行的最高速度Vmax小于设定的最高速度V。

4仿真及结果分析

为了检验这种算法能否保证系统速度、加速度的连续性以及满足柔性加减速的要求, 对上述加减速控制进行仿真验证。取a=2000mm/s2, T=1ms, Ve=Vs=0进行仿真, 其结果图如图1所示。由图可知, 当路径较短时, S曲线加减速控制新算法可使系统具有较高的柔性, 减小了实际加工过程中的冲击, 缩短了程序的运行时间, 提高了机床运行的平稳性。

5结束语

文章给出了一种S曲线的控制策略, 简化了其中间运算过程, 提高了系统运行的实时性。经过仿真验证了其可行性, 并且已经在实际项目中进行了运用。

参考文献

[1]孙蓓, 张志义, 张学文.一种单片机实现步进电机的加、减速控制[J].北华大学学报 (自然科学版) , 2003 (10) .

[2]郭新贵, 李从心.S曲线加减速算法研究[J].机床与液压, 2002 (5) :60-62.

[3]胡建华, 廖文和, 周儒荣.CNC系统中几种升降速控制曲线的研究与比较[J].南京航空航天大学学报, 1999, 31 (6) :706-711.

柴油机调速器电机的故障与处理 篇7

小松柴油机调速器电机由电位器、齿轮和步进电机等组成。当调速电机或线路出现故障后,可能造成柴油机转速不正常。具体表现为:柴油机工作过程中转速忽高忽低;柴油机点火后只有怠速,没有其他速度;当柴油机转速低于额定转速时,将步进电机旋钮调到最高位置也不起作用,空载状态下不太严重,重载状态明显感觉柴油机动力不足,冒黑烟。上述故障原因及处理方法如下:

1. 电位器故障

该电位器是近似于半圆形的弧形轨道,当柴油机工作时电位器即处于工作状态,其滚轮会不停地在这个弧形轨道内往复运动,其电阻值不断发生变化以改变柴油机转速。但是,久而久之轨道就会磨损,电阻值随之发生变化,因此发给油门控制器面板错误信号,结果导致柴油机工作过程中对转速进行了错误的选择,一会变高一会变低,使柴油机无法正常工作。此时必须更换调速器电机的电位器。

2. 电位器两边挡块撞断

电位器近似于半圆形的弧形轨道两边有两个塑料挡柱,是为了防止滚轮跑出弧形轨道。当柴油机工作时,电位器即处于工作状态,滚轮会不停地在弧形轨道内往复运动,时间久了就会把挡柱撞断,跑出弧形轨道,造成调速器电机处于开路状态。这种情况导致柴油机只有怠速,怎样调节挡位旋钮都没有用。处理方法是重新预埋一个挡柱并调整电位器。调整方法:将挡位旋钮先调整到Ⅰ,电位器调整到两端任意位置,启动着车后从仪表盘上观察转速或仔细听转速的高低,若正常说明电位器已调整到位;若不正常可先将挡位旋钮调整到Ⅹ,调节两次基本可以调整到位。

3. 步进电机插头故障

该插头两端为铜接头,时间过长会发生氧化,造成接触不良。处理方法是采用水砂纸磨去氧化铜即可。

4. 步进电机烧毁

这种情况较少,由于电机发生短路造成内部烧毁,只能更换电机总成。

5. 调速器线路发生短路或断路

这种故障一般发生在调速器电机附近,控制调速器电机的线路有4根,每两根一组控制电机的正反转。若线路老化、绝缘脱落,会使线路发生短路。处理方法是重新布线或将脱落线头重新接好即可。

电机减速器 篇8

一、堆垛机结构及计算参数的确定

如图1所示, 堆垛机由两个行走轮支承, 所有重量均作用于这两个行走轮上, 其中一个是驱动轮, 由一个减速电机直接驱动;另一个是从动轮。根据结构设计, 设备自重8500kg, 额定起重量500kg, 即选型计算所需的堆垛机总重为m=9000kg。行走轮直径为D=315mm, 钢制。驱动轴颈轴承直径为d=160mm。地轨为P38钢轨。设计水平行走速度为v=160m/min, 加速度与减加速度相等为α=0.5m/s2, 一个工作循环内的负载持续率ED=60%。

二、减速电机选型计算过程

1. 水平行走受力分析

为简化计算, 可假定堆垛机全部载荷作用在一个轮子上, 受力情况如图2所示, 车轮由减速电机的输出轴提供扭矩驱动, 由于车轮、轨道的微量变形, 支反力N将偏离作用线一个距离f, 也称为滚动摩擦杠杆臂。堆垛机沿直线轨道运行时, 车轮与地轨间以及车轮轴承中产生的滚动摩擦阻力。参考SEW实用传动工程手册, 滚动阻力可由下式计算:

式中:Ff——堆垛机运行滚动阻力;

m——堆垛机总重;

g——重力加速度9.81m/s2;

D——行走轮直径315mm;

d——驱动轴颈轴承直径160mm;

uL——滚动轴承摩擦系数0.005;

c——轮缘摩擦附加系数0.003;

f——滚动摩擦杠杆臂, 钢对钢, f=0.5mm。

2. 电机功率计算及选型

(1) 静功率

堆垛机满载以匀速运行时, 电机所需提供的静功率可由下式求出

式中:P静——堆垛机满载运行静功率, k W;

ηL——机械效率, 取ηL=0.9;

(2) 最大加速动功率

堆垛机以一定的加速度运行到额定速度时, 电机所需提供的功率达到最大值。最大加速动功率为:

(3) 电机所需提供的总功率

(4) 电机型号确定

SEW的三相鼠笼异步电机, F级绝缘, 220V△/380VY/50Hz, 将其接以380V△电压, 可将其基频提升至87Hz, 电机扭矩保持不变, 功率提高。同样通过变频器控制有基频以下恒扭矩, 基频以上恒功率的特性。自冷电机在87Hz的扭矩曲线见图3。与50Hz基频使用相比87HZ基频使用有以下优点:①速比加大, 负载惯量与电机的惯量比可减小, 利于控制。②选择低的电机功率型号, 降低成本。③速比增大, 服务系数不变的情况下有可能选小一号的减速机, 降低成本。

因为87HZ基频使用具有以上特点, 且水平行走场合对于刹车制动安全性能要求不高, 所以水平行走驱动电机常按87Hz基频升功率使用。

电机功率为:

查SEW选型样本, 若选择9.2k W, 电机全程过载很小。因为最大功率只是在加速的末段出现, 时间很短, 只要电机的温升符合电机绝缘耐热性能等级的要求 (F级绝缘允许温升105K) , 且电机装有过热保护传感器, 允许电机短时过载使用, 可减一档选择电机。行走电机需带制动器, 选择电机型号为DRE132MC4BE11, 额定功率PN=7.5k W;额定转矩MN=48.5N·m;50Hz额定转速n50Hz=1470r/min;额定电流IN=15.2A;启动转矩MA=106.7N·m;加速转矩MH=87.3N·m;电机转子和制动器的转动惯量和:JMot-BE=0.0355kg·m2;功率因数cosψ=0.082。

3. 减速电机的选型计算

(1) 减速比估算

87Hz下要求减速机输出转速

87Hz下电机转速

减速机减速比

(2) 减速机侧负载扭矩计算

加速阶段:

静态负载扭矩

加速动态扭矩

加速阶段减速机输出轴端所需提供的总扭矩

减速阶段:

减速动态扭矩

减速阶段减速机输出轴端所需提供的总扭矩

(3) 减速电机型号确定

根据结构设计要求选择KH系列减速机, i=15.75, 最大需求扭矩在加速阶段为M加总=922.08N·m。查SEW减速电机样本, 选择减速电机型号为KH77DRE132MC4BE11, 减速比为15.84, 额定输出扭矩为MGear N=770N·m, 减速机允许使用系数fB=1.8, 减速机的极限扭矩为MGear Max=770×1.8=1386N·m。

(4) 电机侧负载扭矩计算

加速阶段:

静态扭矩

加速动态扭矩

加速阶段电机侧所需提供的总扭矩

减速阶段:

静态扭矩

减速动态扭矩

减速阶段电机侧所需提供的总扭矩

4. 制动扭矩选择

堆垛机的水平行走驱动电机一般由变频器控制, 正常运行减速制动时, 变频器控制电机转速逐渐降到最小, 然后制动器抱闸, 电机停止。当堆垛机紧急制动, 制动器在高速下抱闸。若制动扭矩过大, 会出现行走轮抱死。由于堆垛机自重大, 惯性大, 有可能发生行走轮在地轨上滑动, 损坏行走轮和地轨, 甚至损坏减速机, 必须避免此现象的发生。应使制动扭矩小于行走轮的蠕滑扭矩。

折算到电机侧的行走轮蠕滑扭矩:

式中:μ——钢对钢的滑动摩擦系数, 取μ=0.12。查SEW电机技术手册, 选择制动扭矩MB=80N·m<Mpu。

三、校验与仿真分析

1. 负载惯量与电机转动惯量比校核

根据实际经验, 一般要求惯量比j<30, 满足堆垛机水平运动定位控制的要求。

2. 电动机过载验算

电机过载率:

在电机的过载能力150%的范围内。

3. 减速机实际使用系数验算

减速机实际使用系数:

4. 软件仿真校核

(1) 运动循环图

采用SEW公司的workbench软件模拟堆垛机一个工作循环的运动过程。运动循环图如图4所示, 按负载持续率 (电机工作时间与工作循环总时间之比) ED=60%, 运动行程为30m。1为加速阶段、2为匀速阶段、3为减速阶段、4为停止阶段。

(2) 仿真结果分析

电机的负载扭矩和热功率如图5所示。从图5中可看出所有负载扭矩均在电机极限扭矩曲线 (蓝色曲线) 之下, 且电机的等效负载扭矩S1、匀速负载扭矩X2和减速负载扭矩X3均在电机热功率曲线 (红色曲线) 之下。只有加速阶段的负载扭矩在电机热功率曲线之上, 电机满足使用。

四、结语

综上所述, 经过一系列的计算与应用SEW公司workbench软件的校核, 最终确定减速电机型号KH77DRE132MC4BE11, 减速比15.84, 制动扭矩80N·m。经过实践检验, 此选型是合适的, 提供了足够的扭矩和合适的转速, 设备的运行速度和加速度达到设计要求, 电机的发热也在合理的范围内。

摘要：结合工程实例, 通过受力分析、静功率和动功率、减速比、负载转动惯量、制动扭矩等的计算, 阐述双立柱堆垛机水平行走驱动减速电机的选型计算过程, 并用软件对选型进行校核验算, 证明了选型符合设计要求。

关键词：堆垛机,减速电机,选型,计算

参考文献

[1]SEW-传动设备有限公司.实用传动工程手册[Z].2001.

[2]SEW-传动设备有限公司.DR系列电机技术手册[Z].2012.

电机减速器 篇9

步进电机是将一定序列的电脉冲信号转变为角或者线位移的电磁执行机构,由于它在开环控制情况下也具有高精度、无积累误差等优点,被广泛应用于数控系统中。要实现步进电机的快速准确的定位,就要防止失步和过冲现象的发生,并以最快的速度到达指定的位置,所以步进电机的加减速控制是数控系统的关键技术之一,也是实现数控系统高实时性的瓶颈[1,2]。

从步进电机的矩频特性曲线可知,步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降,启动频率越高,启动转矩就越小,带动负载的能力越差,启动时会造成失步,而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速地达到所要求的速度又不失步或过冲,其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩,又不能超过这个转矩。因此,步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速3个阶段,要求加减速过程时间尽量短,恒速时间尽量长。

以往的文献主要针对个别加减速方法进行了分析,本研究拟通过详细对比分析几种主要的步进电机加减速控制方法,并给出了具体的数学描述和指出了各种方法适合的应用场合,为研究电机加减速控制方面的学者提供一定的帮助。

1 加减速控制曲线

目前国内外步进电机控制曲线主要包括3种。

1.1 直线加减速曲线

根据待加工的的长度不同,直线加减速曲线可以分为以下3种情况:对于长线段,是加速-匀速-减速的过程;对于短线段,只有加速-减速过程;而无匀速过程,其中又可分为加速到最高速度时即减速和仅加速到介于起跳速度和最高速度之间的某一速度即减速两种情况[2],直线加减速法的3种速度曲线如图1所示。其数学方程式为:

v(t)= vs+ at (1)

式中:v(t)—进给速度,vs—加减速起始速度,a—加速度。

本研究设vm为指令代码给定的进给速度,则当vm不等于v(t)时,系统根据加减速进行加速或减速控制。

这种方法控制简单、节省资源,但匀加速和匀减速阶段速度变化不符合步进电机速度变化规律。而且加速和匀速、匀速和减速阶段速度不能平滑过渡,这将影响步进电机的运行效率和使用寿命,所以此种加减速方法主要适用于控制系统处理速度较慢,且对升降速过程要求不高的场合[3]。

1.2 指数型加减速曲线

指数型加减速曲线如图2所示。其数学方程式为[4]:

加速升频阶段:

v(t)=vm(1-e-t/τ) (2)

匀速运行阶段:

v(t)=vm (3)

减速降阶阶段:

v(t)=vme-t/τ (4)

式中:v(t)—进给速度,vm—指令代码给定的进给速度,τ—加减速时间常数。

与直线加减速法相比,指数法平滑性好,运动精度高,但在加减速的起点仍然存在加减速突变[5],因此也不适合于高速进给数控系统。

1.3 S型加减速曲线

常用的S曲线加减速通过限制加加速度(即加减速的导数)来控制加速度的突变现象。

本研究利用多项式表示法将整个速度规划分为5个或者7个阶段,其中七段论S曲线加减速控制方法的7个阶段分别为加加速运动阶段、匀加速运动阶段、减加速运动阶段、匀速运动阶段、加减速运动阶段、匀减速运动阶段、减减速运动阶段。5段论S曲线加减速控制方法是在7段论S曲线加减速控制方法的基础上精简运动控制分段得到的[6],7段论S曲线如图3所示[7,8,9]。其加加速度j、加速度a和速度v的方程如下:

式中:amax—电机允许最大加速度,jmax—电机允许最大加加速度,vs—起始速度。

这种方法任何一点的速度变化都是连续变化的,从而避免了柔性冲击,速度的平滑性较好,运动控制精度高,这种方法适合于速度精度控制要求高的场合。

2 步进电机加减速控制实现

步进电机每个通电状态保持时间的长短,也就是状态指针的移动周期决定了电机的转度。定时器的周期寄存器装载不同的周期值,每分钟就会产生不同的脉冲数,而这脉冲数就是步进电机的步数,假设设定电机驱动器的步距角后,步进电机为400步/转,并假设定时器的时钟频率跟晶振频率一致,定时器的周期寄存器为pr,晶振频率为fosc,则步进电机的转速v与定时器的周期寄存器PR的计算公式如下:

对于不同的速度代号,通过查询定时器常数表可以得到相应的周期寄存器值,其对应关系如表1所示。

在试验中,本研究选用三相混合式步进电机,分别用直线加减速法和S型加减速进行控制,由于S型曲线计算复杂,在实现过程中采用阶梯型曲线来逼近S型曲线,S型曲线加减速程序流程图如图4所示[11]。

试验结果显示,用直线加减速法,时间较短,但当进给速度较快时,电机抖动比较厉害;而用S型加减速法,虽然速度变化频繁,时间较长,电机则一直比较平稳。当本研究取直线加减速法的起始转速为100 r/min,加速度a为20,速度对比结果如表2所示,可见在一定条件下,S型加减速在速度方面也具有良好的效果,在使用中可根据需要选取[12,13]。

3 结束语

本研究在结合步进电机矩频特性的基础上,对几种主要的加减速控制曲线进行了详细分析和比较,并给出了具体的数学描述,为研究电机加减速控制的学者和实际工程应用提供了一定的帮助。最后对直线加减速法和S型加减速法进行了深入研究,通过实例表明,两种加减速法各有自己的优势,可根据不同场合选取。目前,笔者把S型曲线加减速方法应用在了自己研发的数控系统中,在使用S型加减速方法过程中,数控系统在水晶生产加工中运行良好。