他励直流电动机有三种调速方法
1 、降低电枢电压调速 ——基速以下调速
2 、电枢电路串电阻调速——
3 、弱磁调速——基速以上调速
各种调速成方法特点：
1 、降低电枢电压调速，电枢回路必须有可调压的直流电源，电枢回路及励磁回路电阻尽可能小，电压降低转速下降，人为特性硬度不变、运行转速稳定，可无级调速。
2 、电枢回路串电阻调速，人为特性是一族 过 n 。的射线，串电阻越大，机械特性越软、转速越不稳定，低速时串电阻大，损耗能量也越多，效率变低。调速范围受负载大小影响，负载大调速范围广，轻载调速范围小。
3 、弱磁调速，一般直流电动机，为避免磁路过饱和只能弱磁不能强磁。电枢电压保持额定值，电枢回路串接电阻减至最小，增加励磁回路电阻 Rf ，励磁电流和磁通减小，电动机转速随即升高，机械特性变软。转速升高时，如负载转矩仍为额定值，则电动机功率将超过额定功率，电动机过载运行、这是不允许的，所以弱磁调速时，随着电动机转速的升高，负载转矩相应减小，属恒功率调速。为避免电动机转子绕组受离心力过大而撤开损坏，弱磁调速时应注意电动机转速不超过允许限度。
提供一些内燃机车专业毕业论文的题目，供参考。
1、机车主电路接地判断与查找
2、机车无流无压的分析与处理
3、机车动轮擦伤原因分析及防止
4、励调器在内燃机车上的应用
5、柴油机飞车原因分析
6、机车运用中突然停机的分析与处理
7、JZ—7机车制动系统的改进
8、电喷系统在柴油机上的应用
9、东风4B 内燃机车空气滤清系统存在的问题及改进
10、机车轮缘喷油器的改进
11、联合调节器在运用中存在的问题及改进
12、异步牵引电动机恒功率调节的分析
13、LKJ—2000型监控装置常见问题分析及处理
14、DF4B 内燃机车辅助传动系统交流化研究
15、提高机车粘着重量利用率的措施
16、东风4B 内燃机车抱轴瓦辗片故障分析及对策
17、增压器常见故障原因分析及预防措施
18、机车行车安全
24、铁路内燃机车修理制度研究
25、内燃机车车体损伤形式分析
26、内燃机车气缸活塞部件损伤分析
27、内燃机车维修制度发展研究
28、内燃机车节能研究
29、内燃机车实行部分状态修研究
30、降低内燃机车运用成本研究
31、机务段布局设计
33、内燃机车维修研究
34、机车制动系统研究
35、DF4型机车机油压力低故障原因分析及对策
43、重载列车制动计算方法的探讨
45、货运内燃机车交路调整的探讨
46、内燃机车柴油机运行故障分析及处理方法研究
47、内燃机车柴油机连杆无损探伤工艺研究
48、机车柴油机故障诊断的趋势分析方法探讨
49、机车司机室人机工程分析
50、计算机在内燃机车上的应用
51、机车轴承的故障诊断
摘 要
现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。
关键词: 交流调速系统, 异步电动机, PWM技术.....
目录
摘 要 1
前言 3
1.1 设计的目的和意义 3
1.2变频器调速运行的节能原理 3
第二章 变频器 4
2.1变频器选型： 4
2.2变频器控制原理图设计： 4
2.3变频器控制柜设计 6
2.4变频器接线规范 7
2.5变频器的运行和相关参数的设置 8
2.6 常见故障分析 8
第三章 交流调速系统概述 10
3.1 交流调速系统的特点 10
第四章变频电动机的特点 14
4.1电磁设计 14
4.2结构设计 14
第五章 变频电机主要特点和变频电机的构造原理 15
5.1 变频专用电动机具有如下特点： 15
5.2变频电机的构造原理 15
第六章 交流异步电动机 16
6.1交流异步电动机变频调速基本原理 16
6.2 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 18
6.3变压变频运行时机械特性分折 19
第七章 PWM技术原理 24
7.1 正弦波脉宽调制(SPWM） 25
7.2单极性SPWM法 ..................................................................................................................26
结论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
前言
1.1 设计的目的和意义
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．
1.2变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r／rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％ ，电源频率降低30％ ，出胶压力降低57％ 。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60•f 8（1—8）／p
第二章 变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.1变频器选型：
变频器选型时要确定以下几点：
1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3) 变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
2.2变频器控制原理图设计：
1) 首先确认变频器的安装环境；
I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。
II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。
III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。
IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。
V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。
2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；
I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。
II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。
III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。
IV. 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。
3) 变频器控制原理图；
I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。
II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。
4) 变频器的接地；
变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。
2.3变频器控制柜设计
变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题
1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。
2) 电磁干扰问题：
I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。
II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。
3) 防护问题需要注意以下几点：
I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。
II. 防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。
III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。
2.4变频器接线规范
信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。
信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。
1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。
2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。
2.5变频器的运行和相关参数的设置
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
2.6 常见故障分析
1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。
2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。
3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。
第三章 交流调速系统概述
3.1 交流调速系统的特点
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。
纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。
随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。
3.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较
由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：
n= 60ƒ1 (1-s) pn (1-1)
式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；
f1——电动机定子电压供电频率；
s ——电动机的转差率。
从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。
（1）改变电动机的磁极对数
由异步电动机的同步转速
no= 60ƒ1 pn
可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。
（2）变频调速
从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
（3）变转差率调速
改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。
定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。
电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。
绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。
绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。
上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。
在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：
1）转差功率消耗型
这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。
2）转差功率回馈型
这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。
3）转差功率不变型
这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。
第四章变频电动机的特点
4.1电磁设计
对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：
课题名称四柱压力机的设计（电子控制）
姓 名 陈晨
学 号 060503350715
专 业 机电一体化
班 级 06机电
指导老师 曹晓冶
2009年 03 月
目录
1. 课题- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1
2. 课题简介 技术要求及设计参数
3. 油压机的介绍
4.设计前油压机是电机厂的专用设备。
5．油压机的总体结构及油压机压制工安全操作规程。
6.总体设计对液压缸的要求
7.液压缸的密封
8.油缸的缓冲和排气
9.液压控制原理图及油器和阀类压力顺损失分析
10.电控设计
11.课程总结
12.设计总结
13.参考资料
14.毕业实习报告
一． 设计课题 四柱液压机
二． 课题简介 具体要求及主要参数
四柱压力机为中型油压机。一般用于成型压力机针对电机厂压轴的要求进行设计。利用液腔、电控装置采用四轴单缸散梁的 结构，力求工作平稳效率等、操作方便。
具体要求、主要参数。
1. 四柱式下压结构、活动横梁上下运动，为方便于吊梁起见，有手动小车及卸载导轨。
2. 压机公称压。40吨
3. 活动横梁行程。600mm
4. 活动横梁下行速度。17mm/s
5. 电机效率。7.5kw左右
6. 活动横梁返回速度。50mm/s
7. 油缸公称压力 P=250kgf/cm
8. 选用10YcY14-1。柱塞变量泵
三． 油压机的介绍
油压机由主机及控制机构两大部分组成。油压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。动力机构在电气装置的控制下，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。油压机是电机厂的专用设备，是将转子的轴压进转子中。
（1）油压机的分类
利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，种类很多。当然，用途也根据需要是多种多样的。如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压。锻造水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。模锻水压机要用模具，而自由锻水压机不用模具。我国制造的第一台万吨水压机就是自由锻造水压机。油压机按结构形式现主要分为：四柱式油压机、单柱式（C型）油压机、卧式油压机、立式框架油压机等。
（2） 油压机的用途
主要分为金属成型液压机、折弯液压机、拉伸液压机、冲裁液压机、粉未（金属，非金属）成型液压机、压装液压机、挤压液压机等
（3） 油压机工作原理
液压传动是利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式． 液压装置是由液压泵，液压缸（液压马达等执行机构），液压控制阀和液压辅助元件
液压泵：将机械能转换成液压能的转化装置．
液压缸（液压马达等执行机构）：将液压能转化为机械能．
控制阀：控制液压油的流量，流向，压力，液压执行机构的工作顺序等及保护液压回路作用．讲的通俗一点就是控制和调节液压介质的流向，压力和流量．从而控制执行机构的运动方向，输出的力或力矩．运动速度．动作顺序，以及限制和调节液压系统的工作压力，防止过载等作用（如单向阀，换向阀，溢流阀，减压阀，顺序阀，节流阀．调速阀等）
辅助元件：1、油箱：用来储油，散热．分离油中空气和杂质作用 2、油管及油管接头 3、滤油器 4、压力表 5、密封元件
四． 设计前油压机是电机厂的专用设备。
为了更好的地完成设计课题。我们多次前往南通电机厂实地参观参考仔细了解了工作全过程。
1. 活动横梁起动，并以17mm/s速度下行。
2. 当活动横梁压入转子时，吨位加大导致转子的轴压入转子。
3. 到位后，活动横梁速度为零。瞬间的停止谓之保持状态。
4. 活动横梁回程运动，以吨位50mm/s速度上行，完成一个工件的工作过程。另外，我们也对其他压力机有了较为详尽的了解参阅有关情报资料，为设计油压机打下基础。
五．油压机的总体结构及油压机压制工安全操作规程。
油压机一般有主体（主机）操作系统及泵站等三大部分组成。
泵站为动力源，供给液压机各执行结构以及控制机构予以高压液体。操作系统属于控制结构，它通过控制工作液体流向来使各执行机构按工艺要求完成应有的动作，本体为液压机执行机构。
总体布局：按照工艺要求，液压机三面须留有1米的观察空间，以观察工件的渗透情况。根据此要求，泵站布置在距主机1米处，油管从上面横跨于主机于液压站之间高度大于2米油管安装应设置支架。液压站上压力表应正对操作者安装，便于观察。
外购件油压缸安装时也要避开此空间。
在主机的一面安装有工作台等高的相互垂直的输送滚道，用于减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率。
液压站和邮箱为一体，方便于散热、液压站应安装在通风良好之处。
电气控制盒的安装应便于操作工人的操作。
油压机压制工安全操作规程:
1．操作者应熟悉油压机的一般性能和结构，禁止超负荷使用。 2．使用前，应按规定润滑加油，检查高压泵、压力表、各种阀、密封圈等是否正常。 3．开机前，应检查模具是否配套，料重是否符合要求，称料工具是否准确。 4．压制时，摸具必须放在垫板中心位置，禁止偏心使用。每班开机前，试压后，应检查一次模具是否有裂损。 5．多人操作时，要有专人开机，相互协调配合。 6．严禁将手，头置于模具与压头之间。 7．工作完毕，应将压制品、工具、模具整理好并放到指定地方。
六．总体设计对液压缸的要求
要求油缸竖直放置，并与上横梁固定。活塞杆上下运动。活塞杆行程达600mm。总体设计还要求缸筒与端盖固定。结构尽量减少。这样子以不产生油压机头重脚轻的弊病使其整体结构美观。
液压缸的作用在于把液体压力能转换为机械能。
液压缸通常分为柱塞式、活塞式盒差动柱塞式三种。按运动方式分为推力油缸，摆动油缸，利用油液压力推动缸中活塞正反方向运动的油缸，称“双作用油缸”其中常用有双活塞式、齿条活塞式及伸缩套简式。
根据设计要求，泵用双作用单活塞杆式油缸。这种油缸的特点在于活塞两端的有效面积不等，而构成的密封容积腔的大小不同。如果以相同流量的压力油分别进入左腔盒右腔。活塞移动的速度盒进油腔的有效面积成反比，也就是说油液进入有效面积大的一端速度来得小，而相反，油液进入有效面积小的一端速度却要快些。由此得出结论：活塞上产生的最大推力与进油腔的有效面积成反比。
七．液缸的密封
油缸中的压力油可能通过固定部件的联接处及相对运动部件的配合处渗漏，渗漏使液压缸的容积效率降低盒油液发热外泄露还会污染工作场所。泄露严重时会影响液压缸的 工作性能，甚至使液压缸不能正常工作。所以必须采用密封装置。而且，密封装置还有防止空气和污染物侵入的作用。
密封性能的好坏直接影响油缸的性能和效率。要求密封性能在一定工作压力下具有良好性能。具有能随压力升高自动提高，使泄露不致用压力升高而显著增加，还要求密封装置造成的摩擦阻力小，不使相对运动的零件卡死，或造成运动不均匀现象。此外，还要求密封件有良好的耐磨性，即保证足够使用寿命。密封件与液压缸有良好的相合性，结构简单。
对设计的液压缸中，活塞与活塞杆处，上端盖与缸筒导向套与缸筒接触处均导用O型密封圈。因为它与基面油液有良好的相合性，结构简单，密封性能好，摩擦力小，它的摩封性能随压力的增加而提高。缺点是当压力较高时，或者沟槽选择不当时，密封圈易被挤出而造成磨损。因此，在设计中，我在O型密封圈侧面放置挡圈。
O型密封圈安装时，要有一定的预压缩量。（本液压缸采用20*机油）
对于活塞与缸筒导向套盒活塞杆的密封采用Y型密封还是V型密封圈。从密封圈的摩擦阻力看，V型密封圈的摩擦阻力，比Y型大得多，从密封圈结构看，V型密封圈由支承环、密封环、压环三部分叠合而成。而Y型密封圈结构较简单，因此，本液压缸采用“Y”型密封圈。“Y”型也是随压力增大而域压愈紧。
密封圈用聚氨酯浇注模压而成，能耐油、耐磨、耐高压。
八．油缸的缓冲盒排气
当油缸带动质量较大的移动部件以较快速度运动时。因为惯性力较大。具有很大的动量，使行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击盒噪音，引起破坏性事故或严重影响精度，为此，大型高速高精度的油缸常带有缓冲装置。
氧化物。腐蚀液压装置的零件，为了及时排除积存在油缸内的空气，油液最好从油缸的最高点进入和引出。要去高的油缸，常在油缸两端分别装一只排气塞。
本油缸，行程较短，速度不太高，它是转子压轴专用，目的是将转子的轴压入转子，靠轴上和压轴肩限位，到位以后，压不动为止。基于以上原因，这台油压机的设计，缓冲装置和排气阀没有采用。
九．液压控制原理图及速回油路和阀类损失分析
1. 液压系统工作原理如图（见第 页）.
原理简析：液压系统中有两个泵，泵是一个高压，大流量恒功率的变量泵。最高工作压力为315kgf/cm2。其压力通过远程调压阀国定。辅助泵2是一个低压小流量的定量泵，主要用以供给电磁阀，液动的控制压力油，其压力由溢流阀22调整。
<1>主缸运动
①下行压制
按下按钮电磁阀YA通电,电磁阀18处于右座,泵2供油径18至液动阀17,17在液控压力油的作用下处于送至单向阀14,然后送至主缸上腔,而主缸下腔的油径单向顺序阀<11.1>组合从17右位至单向阀15然后回到上腔因滑块自重快速下行而造成的上腔真空。
②保压
当主缸上腔的油压达到预定值,压力继电器16发出信号,使电磁铁YA1断电,阀18回复中位,于是阀17失去控制,油压力17也回复中位,此时,油缸上,下腔油路都被封闭。
③泄压回程
保压过程结束时间继电器发生信号使电磁铁YA2通电，<当定程压制时,由行程开关SQ2发信号>使电磁铁18处于左位控制回程由泵2油提供的压力油径18左位送至17,使17处于左位泵与供油径17的右位送至主缸下腔,而上腔的通过液控单向阀14流至17,然后回到油箱。
④停止
当按下电控系统的停止按钮（定位状态时，挡铁压下行程开关SQ1）电磁铁YA2断电主缸被阀17所紧（17已回复中位）停止运动，回程结束，此时，应将溢流阀的压力值调大，以防止活塞滑块因自重而下滑11.12组成单向顺序阀，此处作为平衡回路。
<2>顶处缸
① 顶出
按下启动按钮YA3通电吸和,电磁阀19处于左位,泵2供油径19的左位至20,使液动阀20处于左位,则泵5供油从20的左位送至顶出缸下腔,而其上腔的油径20的左位回到油箱。
② 退回
YA3断电YA4吸和，油路换向，顶出缸活塞下降。
2. 速回油路和阀类压力损失分析
根据液压原理图和速回油路管道及阀类元件的压力损失，液压系统的压力损失是：
（1） 管路系统的压力损失
因为实际液压系统中，其管道往往是一般一段的直管。通过一定方式连接。此外，为了控制、测量和其他需要，还要在管道上安装控制阀和其他元件。这样除了y
沿程损失外。液体流过各接头、阀门等局部时会产生撞击，漩涡流等现象，导致一定的能量损失。
（2） 进油路压力损失
（3） 阀类的局部压力损失
根据液压系统进行分析，经对此获知总压力损失与原假设总压力损失相差不大。因为液压缸的工作压力与假设最大工作压力相差不大，所以不必对泵设计进行修正。
十.电控设计
可编程序控制器的设计
1.PC的概述
PLC使在传统的继电器—接触器控制的基础上，总结先进的微机技术发展起来的新型工业控制装置。PLC把计算机的功能完善通用，灵活的特点与继电接能控制的简单，直观价格便宜等特点结合起来，形成以微机技术为核心的电子控制设备。
PLC接受由操作面上的按钮开关，选择开关，数字开关等给出的主令输入信号及表示设备状态的限位开关光电开关等。传感器送来的输入信号。去控制如电磁阀，马达，电磁离合器等驱动性负载及指示灯，数字显示器性负荷。
PC使一种小类的可靠性极高的智能控制工具，是各种自动控制系统中的核心部件。小电磁阀，导向阀等小型负载可由可编程控制器直接驱动，而三相马达。大容量电磁阀等大负载则需要通过接能器或中间继电器的驱动。可编程控制器的内部结构。
PC采用以微型计算机为核心的电子线路。它可等效地看成普通继电器定时器计时器等组成的综合件。
PC中的输入继电器由接通输入端的外部开关来驱动。
PC中的输出继电器除提供外部输出接触点外，还有多种内部辅助点供编程使用。
PC的内部部件还有：
定时器（T） 计算器（C）
辅助继电器（M） 状态寄存器（S）功能块线圈（F）等，这些元件都有许多供编器，使用的 常开触头和常闭触头，可在编程控制器内部使用，
机型选择：
F系列可编程控制器是输入输出点数12~120点的 小型专用，可编程控制器，具有优异的技术性能，尤其突出了容易操作和方便应用的 特点，
考虑本设计中将用到将近30个输出接点，我们选择F—30MR（共30个 点）输入输出元件号，
输入继电器
401—407，410—413，11点
500—503，510 5点
输出继电器 基本单位
430—437 8点
450—451 2点 400
特殊辅助继电器（本设计所需的）
M71 初始化脉冲
M574 禁止状态转移
2．本设计PC控制的具体运行情况
（一）工作方式
1．调整（点，动） 2，手动
3，单循环 4，自动
（二）输入输出点安排
1，旋钮开关（规范选择）
调整*500 手动*501
单循环*502 自动*503
2．现场器件（按钮）
输入点：SQ3（顶缸上限接近开关）*401
SQ4（顶缸下限接近开关）*403
SB6（主缸下行起动开关）*404
SB7（主缸上行启动开关）*404
SP（压力继电器）*407
SQ1 (主缸上行接近开关)*410
SQ2（主缸上行接近开关）*411
SQ8（顶缸顶出起出开关）*412
SB9（顶缸退回开关）*413
SB3（PC停止开关）*402
SB4（PC传动开关）*510
输出点：
YA1（电磁铁KA1）Y430 接显示灯 Y434
YA2(电磁铁KA3) Y431 Y435
YA3(电磁铁KA4) Y432 Y436
YA4(电磁铁KA5) Y433 Y437
KT1 T450
KT2 T451
三．整体程序机构图
四．操作面板
五．各部分程序及说明
1.主控程序的设计（见PC图）
主控程序包括以下程序：
（1） 状态的初始化程序。
（2） 状态的转移起劲。
（3） 状态的转移禁止。
（1） 初始化说明
当开机第一个扫描周期，MT1即对S600复位，做好状态传递的准备。
单循环状态时，X502即对S600复位。
当PC处于调整（X500）手动状态（X501）将600复位。
当PC位调整及手动状态时或开机后一个工作周期，可利用功能指令将S601~S606全部复位。
（2） 转移启动说明
当按下启动按钮X405时，中间继电器M100接通、执行转移启动命令，PC运行一个周期，单周期传送停止。
(3) 状态转移禁止说明
当按下停止按钮X402，特殊辅助继电器M574指定用于禁止状态转移。所有状态转移均被禁止。同样在调整手动状态下禁止状态转移。只有当手动，调整复位后再按启动按钮使M101产生脉冲解除禁止。当PC运行单循环和自动时，按停机按钮，M574自锁，停止在当前过程，当按循环启动按钮时，从该过程开始动作。
2. 调整及手动程序设计（见PC图纸）
说明：（1）无论在调整还是手动状态，程序执行跳转指令CTP700~E3P700间的内容。（2）当手动时，输出Y430~Y433均执行自锁功能。
3. 单循环及自动循环程序设计
（1） 功能图
（2）
（3） 程序图（见PC图纸）
依照梯形图（见A2图纸PC控制梯形图）
设计整体程序如下：
1. LD M71
2. OR X502
3. S S600
4. LD X500
5. OR X501
6. R S600
7. LD X500
8. OR M71
9. OR M71
10. OUT F671
11. K 601
12. OUT F672
13. K 606
14. OUT F670
15. K 103
16. LD X510
17. OUT M100
18. LD X510
19. PLS M101
20. LD X402
21. OR X500
22. OR X501
23. OR M71
24. OR M574
25. ANT M101
26. OUT M574
27. LDI X500
28. ANI X501
29. CJP 700
30. LD X501
31. AND Y430
32. OR X404
33. ANI X411
34. ANI Y431
35. OUT Y430
36. LD X501
37. AND Y431
38. OR X405
39. ANI Y410
40. ANI Y430
41. OUT Y431
42. LD X501
43. AND Y432
44. OR X412
45. ANI X401
46. ANI Y433
47. AND X410
48. OUT Y432
49. LD X501
50. AND Y433
51. OR X413
52. ANI X403
53. ANI Y432
54. AND X410
55. OUT Y433
56. EJP 700
57. STC S600
58. AND X410
59. AND X403
60. AND M100
61. S S601
62. STL S601
63. OUT Y430
64. OUT Y434
65. LD X407
66. S S602
67. LD X411
68. S S603
69. STC S602
70. OUT T450
71. K 60
72. LD T450
73. S S603
74. STC S603
75. OUT Y431
76. OUT Y435
77. LD X410
78. S S604
79. STC S604
80. OUT Y432
81. OUT Y436
82. LD X410
83. S S608
84. STC S605
85. OUT T451
86. K 300
87. LD T45
88. S S606
89. STC S606
90. OUT Y433
91. OUT Y437
92. LD X403
93. AND X502
94. S S600
95. LD X403
96. AND X503
97. S S601
98. RET
99. END
十二.课程总结
通过这次毕业设计。我学到了平时在课堂学不到的知识。培养了我们灵活运用所学知识，时一次综合性的实践过程。不仅提高了 我们的动手实践能力。还使我进一步提高了分析和解决工程技术。问题的能力，进一步掌握了设计程序，规范和方法，树立正确的设计思想（安全第一，制造容易，使用方便，外形美观）。从而巩固、扩大、深化了所学的基本理论。基本知识和基本技能，提高了制图、计算、编写说明书的能力以及正确使用技术资料、标准手册等工具书籍的能力。
在整个设计过程中，我一直保持着严肃认真，一丝不苟和实事求是的工作之风。这次我设计的是油压机中油缸部分，由于对这方面知识掌握得还不十分充足，所以设计中若有错误和不妥之处，务必请指导老师批评指正，以使得我能够进一步完善油缸设计方案。
LM331的内部资源如下：1号管脚为脉冲电流输出端。2号管脚为输出脉冲电流的幅度调节，其外接电阻越大，输出的电流就越小。5号管脚为单稳态提供外接时间常数。6号管脚为脉冲输入管脚，低于7号管脚电压触发有效。7号管脚为比较器提供基准电压。输入脉冲信号经过有电阻和电容组成的微分电路转变为窄脉冲然后再输入LM331里的单稳态触发器。这个微分电路可以消除输入脉冲信号低电平宽度太大而对单稳态电路的正常工作所带来的影响。输出部分采用低通滤波器电路，在取得较好的动态特性时保持较好的滤波效果。通过反馈电阻来调整整个电路的灵敏度，使得输出电压幅值和阻抗能与后端的控制电路相匹配。
图3-6 F/V转换电路
3.8 PID控制器
PID控制器问世至今已有将近70年历史。PID控制器性能可靠、稳定性好、结构简单、易被人们熟悉和掌握、控制效果好。在实际工业控制中，PID控制器是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。其调节的实质是根据输入的误差值，利用比例、积分、微分的函数关系进行运算，计算出的控制量用于输出控制。
PID控制器是一种线性控制器。其将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)积分(I)微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID调节器的微分方程：
式中e(t)=r(t)c(t)
2、PID调节器的传输函数：
PID控制器各校正环节的作用：
1、比例环节指成比例控制系统的误差信号e(t)当产生误差时控制器立即投入控制作用以减小误差。当Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降。
2、积分环节主要是用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。当Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢。
3、微分环节能反应误差信号的变化速率，在误差信号值变得太大之前。在系统中引入一个有效的早期修正的信号，从而提高系统快速性，减小调节时间。当Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。
图3-7 模拟PID控制系统原理框图
3.9 TCA785移相触发电路
TCA785晶闸管单片移相触发集成芯片是德国西门子公司研发的。TCA785芯片能比较可靠识别零点，移相范围较宽，适用温度范围较宽，输出的脉冲稳定整齐等特点。TCA785的输出脉冲宽度可以进行手动调节，因此适应范围很宽广。
TCA785芯片的5管脚是外接同步信号端，用来检测交流电压过零点。通过不同的电阻可接不同的同步电压，在应用中接正反向并联的二极管限幅电路进行保护。10管脚为片内产生的同步锯齿波，锯齿波斜坡的最大、最小值由9、10两管脚的外接电阻与电容所决定。通过与11管脚的控制电压相比较，在15和14管脚输出同步脉冲信号。这两个管脚可输出宽度变化、相位互差180°的脉冲。可以通过改变11管脚的控制电压进而进行移相控制，脉冲的宽度则由12管脚的外接电容所决定。
图3-8 TCA785移相触发电路
3.10 功率调节电路
功率调节电路部分主要由两个LM7805为光电耦合器提供电源以及两个双向可控硅组成。通过TCA785移相触发器通过15和14管脚输出相位互差180°同步脉冲信号。然后分别作用于两个光电耦合器，通过光电耦合器将弱电系统与强电系统隔离开来。隔离强电系统所造成的干扰，保持系统稳定工作，提高系统的抗干扰能力。霍尔电压电流传感器测量负载电路中的电压电路，然后通过电能计量芯片采样可以计算出电压电流值和有功功率。可以通过单片机读取并且通过液晶显示，同时输出与功率成正比的脉冲信号。经过频率/电压转换电路转换为电压输出。输出电压与设定功率相对应的电压得出误差信号，然后经过PID控制器作用于TCA785移相触发器。移相触发器的输出作用于光电耦合器，光电耦合器输出信号直接控制两个双向可控硅的门极。然后就能控制双向可控硅的导通和关断来控制负载电路中的电压、电流值。进而使电路中的功率恒定，即使当负载发生变化时也能通过控制可控硅的导通和关断来恒定电路功率。整个调功系统构成一个闭环控制，通过提高控制精度与速率来提高合成金刚石的产量和质量。
双向可控硅内包含有三个PN结，是一个三端接口元件。可以把双向可控硅看成由两个单向可控硅反向并联组合而成，并且只要一个门极就能控制可控硅。
双向可控硅可以通过触发来控制其导通。但是不论双向可控硅出于正向还是反向电压，只要向门极施加一个正或负极性的脉冲触发信号，双向可控硅就能够导通。
在双向可控硅导通的状态下，如果没有触发脉冲信号，双向可控硅能维持导通而不被关断。如果双向可控硅两极的电流变到比维持电流小时双向可控硅被关断或者当在没有触发脉冲信号得情况下双向可控硅两极电压的极性发生变化时双向可控硅被关断。
3.11 数模转换器（D/A）
数模转换器将离散形式的二进制表示的数字信号转换成为连续的模拟信号。D/A转换器通常用来作为微机控制的输出通道，然后与被控执行对象相连接。以实现某些系统的的自动控制以及输出信号。本调功系统采用串行数模转换芯片DAC101S101为PID控制器提供参考电压。该D/A转换芯片的分辨率达到千分之一，保证了系统控制精度。通过单片机控制D/A转换器并向D/A中写入数据以输出电压信号。这个电压与设定的有功功率成正比，即一个有功功率有自己对应的电压信号，这个电压信号作为PID控制器提供参考电压。电能计量芯片CS5460A输出与有功功率成正比的脉冲信号经过频率/电压转换电路转换成相应的电压信号与D/A输出经过比例放大后的电压信号相比较，得到一个误差信号。然后对调功系统进行PID控制把误差消除，以达到恒功的目的。
3.12 显示和按键电路
本系统采用LCD1602液晶来显示电压、电流和功率值。通过三个弹性按键来设定功率，操作简单方便。
选取LCD1602液晶作为显示界面。因为其体积小，编程简单而且能够满足本系统的要求。1602液晶能分为两列显示32个数字、符号和字母字符，每列显示16个。LCD1602液晶内包含有5x11或5x7点阵型模块，每个字符的显示都由点阵型模块来实现。1602液晶有16个管脚，其内部含有128个字符的ASCLL字符库。通过并行向1602中写入数据，可以通过可调电阻控制背光的亮度。
弹性按键是机械弹性的开关，可以通过压按来控制线路的导通与关断，进而完成对系统的控制与设定。该弹性按键一端接地并作为STC89C52单片机的I/O口的输入信号，当按键被按下为闭合。然后单片机I/O口与地相连接变为低电平。单片机可以通过检测与按键相连I/O的电平高低来判断按键是否被按下。然后就能通过程序执行某些指令，达到自动控制的目的。
第四章系统软件设计
4.1 主程序模块
本调功系统软件由主程序模块、电能计量芯片CS5460A子程序模块、LCD1602液晶显示子程序模块、D/A子程序模块、按键子程序模块等组成。它们是整个调功系统的核心部分，整个硬件系统都要靠程序来执行操作。主程序模主要任务是调功系统上电启动之后对各个元件进行初始化操作和构建整体调功系统的软件框架。元件初始化主要为STC89C52单片机初始化、1602液晶初始化、D/A初始化、电能计量芯片CS5460A等。然后设置中断，单片机判断弹性按键是否被按下设定有功功率参数，运行调功系统。然后可以执行相关模块的调用，持续控制调功软件系统直到系统运行停止。
4.2 电能计量芯片CS5460A子程序模块
电能计量芯片CS5460A通过SPI串行接口与单片机进行通信，只需要用四根线就能控制和读取CS5460A芯片寄存器里的数据。CS5460A主要有三类寄存器：数据寄存器、校准寄存器和控制寄存器。通过这些寄存器可以采用读取电压电流和功率值。CS5460A的具体使用操作如下：
1、功率测量芯片CS5460A含有多个控制命令。要使CS5460A完成对电压电流以及功率的计算就必须先要写入控制命令字。然后就可以执行相应操作，控制命令字如下：
（1）启动转换命令，即0xe8
对功率测量芯片CS5460A写入0xe8控制命令字，功率测量芯片启动A/D转换，然后可以输出计算后的结果。一般是在功率测量芯片进行复位后输入时写入这个控制命令，使得功率测量芯片CS5460A 能够正常的工作。
（2）同步控制命令1（0xff）和同步控制命令0（0xfe）
在写入读写控制命令前要执行同步控制命令对串行通信接口进行复位。
（3）上电和停止控制(0xa0)
在芯片系统校准电压电流前写入这个控制命令，可以停止功率测量芯片在执行某些操作时候，然后运行系统校准控制命令。
（4）校准控制住命令
通过写入不同的控制命令完成某些要求的系统校准。最低位O可以选择是否运行偏置校准；G位可以选择是否运行增益校准；R位可以在DC和AC校准之间选择；VI两位可以选择电压电流通道。
2、控制寄存器
K[3:0]通过这四位设置MCLK主频一倍、二分之一和四分之一倍分频为功率测量芯片的DCLK内部时钟。
IHPF位为选择电流通道是否运行高通滤波器。
VHPF位为选择电压通道是否运行高通滤波器。
RS位控制复位CS5460A芯片复位控制位。
DL[1：0]选择EOUT和EDIR通用输出口以及输出电平。
EOD为允许EDIR，EOUT的控制位。
SI[1：0]为设置中断信号方式，电平有效还是沿边有效。
GI位设置电流的增益。
PC[6：0]通过调节这这个寄存器实现相位补偿。
3、CS5460A芯片启动和设置
对CS5460A芯片进行复位操作，复位信号的脉宽至少为10ms。然后写入同步控制命令。再将设定的校准值写入校准寄存器当中，通过控制寄存器设定相关的寄存器参数。启动CS5460A芯片A/D转换,读取A/D的转换值然后计算出电流电压以及功率值。
CS5460A芯片校准
CS5460A可以通过校准控制寄存器执行增益校准和偏置校准。然后校准信号就可以对电流、电压输入通道进行操作。当系统执行系统校准时候A/D不能执行转换，可以通过寄存器停止你转换操作。
4.3 LCD1602子程序
4.3 LCD1602子程序模块
本调功系统采用1602液晶显示电压电流值以及有功功率值。1602液晶为16引脚，有八个数据口。在对1602液晶写入数据前要先进行初始化设置，即设置显示模式、光标的开关和左右移设置。然后写入操作时序将数据指针定位，先写命令，再写入数据。
4.4 D/A子程序
数模转换器将离散形式的二进制表示的数字信号转换成为连续的模拟信号。只需要调整输入的数字信号，D/A就能通过模拟输出端输出一个对应于数字信号的模拟信号。但是数字信号变化频率不能超过数模转换器的最高转换速率。在编写D/A程序时要先对其进行初始化，然后再启动转换。通过一个标志位可以判断数模转换器是否转换完成。
4.5 按键子程序
该弹性按键一端接地并作为STC89C52单片机的I/O口的输入信号。当按键被按下为闭合，然后单片机I/O口与地相连接变为低电平。单片机可以通过检测与按键相连I/O的电平高低来判断按键是否被按下。然后就能通过程序执行某些指令，达到自动控制的目的。在编写按键程序的时候要考虑抖动现象，为了简化电路设计。本系统选择通过软件延时的方法来消抖，不需要增加专用的消抖电路就能实现。程序执行检测按键是否被按下，当被按下时延时几个毫秒之后再检测按键是否被按下。当确认被按下时等待按键被释放，被释放之后就可以执行相应的程序代码。
系统仿真与调试
5.1 系统仿真
系统仿真通过某些仿真软件完成电路的仿真分析。省略电路板制作的过程以及节省元件减低了做板成本。还可以从仿真软件中选用虚拟的电子元件和仪表等虚拟工具搭建成仿真电路。可以直观的测到元件输出波形以及如何设定参数，还可以把程序加载到仿真电路，验证程序是否正确。系统的了解电路的工作原理以及可以通过仿真电路找到电路设计的缺陷与不足，大大提高了设计电路的效率。
5.1.1 仿真软件介绍
本调功系统选择Proteus仿真软件对系统电路进行仿真验证以及了解其工作原理。Proteus软件是由英国的Lab Center Electronics公司研发的一款EDA仿真软件。Proteus仿真软件不只含有其他EDA仿真软件的功能，这个仿真软件还可以对单片机和外围电路进行仿真。Proteus仿真软件广泛运用于单片机及外围电路的仿真，其虽在国内起步较晚。但是由于其操作方便、功能强大受到单片机相关学习以及工作人员的好评。
5.1.2 系统仿真结果
本系统采用Proteus软件进行电路仿真。但部分元件如CS5460A在仿真软件里没有相应虚拟元件，而且用仿真软件仿真时其是带有一定理论性。因此只对调功系统的一部分电路模块进行仿真，仿真所得的结果为设计电路提供参考。做出板子后调试逐渐完善电路。
通过一个高阻值的电阻将交流回路电压信号引入移相触发芯片TCA785的外接同步信号端，用来检测交流电压过零点。并且并联正反向的二极管限幅电路进行保护。经过芯片内部电路的检测以及计算，然后在片内形成一个同步锯齿波。锯齿波的幅值可以由9、10两管脚的外接电阻电容值调节。同步锯齿信号与11管脚的输入控制电压进行比较，在15和14管脚输出相位互差180°的同步脉冲信号触发可控硅。11管脚输入的电压信号就可以控制移相触发角的大小，12管脚的外接电容决定输出的同步脉冲信号的脉冲宽度。输出的触发角ϕ范围为0°~180°。
5.2 电路板制作
在设计本系统电路原理图以及画PCB电路时使用Altium Designer Winter 09软件。这个软件功能强大，含有比较完整的库资源为用户提供一体化的电子设计环境。
在PCB布线时PCB尺寸太大阻抗会变大，信噪比减小，但太小时散热不足，容易受到相邻线路的干扰。根据电路功能分模块整齐放置元件进行布局，尽量按照信号流方向布局各电路模块使其信号方向一致。对于高频元件应该尽量缩短连线距离，以减小电磁干扰。对于电压相差很大的线路和元件，布线的时候应该相应的远离，防止放电而造成短路的情况。画线路时在拐弯处应该尽量避免尖角，否则会给电路造成干扰。当布双面板时，底层和顶层线路尽可能不要平行走线降低产生寄生耦合。数字地和模拟地应该分开进行布线操作，最后才相连接到一个点上。
在制作电路板的过程中，没有相应的设备，靠手工制作。先用专用纸将PCB打印出来，用砂纸擦磨裁剪好的铜板，将其表面的氧化层去掉。然后将PCB纸对准铜板，用熨斗按压加热PCB纸使油墨粘贴到铜板上，铜板上的线路有损时可以用油笔修补。修补好的铜板就可以进行腐蚀，先放水，然后再加浓盐酸和浓双氧水。水、浓盐酸、浓双氧水的比例为3：1：2。腐蚀液不能太浓否则容易将板子腐蚀坏，由于腐蚀液具有强腐蚀性，在腐蚀过程操作要注意安全。腐蚀完成后进行擦洗和转孔，可以在线路上涂一些松香油防止铜板被氧化和焊接方便减少虚焊。
做好PCB板之后，再将元件安装并焊接到板子上，放置之前要验证元件是否有损坏或不能正常工作，正确放置元件有极性的要对照PCB放置。放置元件先时应该先放置体积较小，再放置体积大的，先低后高的顺序放置。焊接时候要小心虚焊，对于管脚较多的贴片芯片，先焊接对角的两个管脚这样就能固定住芯片，然后再进行其他引脚的焊接。
5.2 系统硬件调试
焊接完成之后要进行硬件电路进行检查调试，硬件调试是设计电路很重要的环节，可以通过不断的调试电路发现设计缺陷和不足。电路调试步骤如下：
（1）查看电路：检查电路是否有虚焊、漏焊、连锡、错焊、毛刺等焊接缺陷；看芯片方向和极性元件方向是否焊接正确。
（2）上电观察：调整好供电电源后按正确接法接到系统电路上，初步判断电路是否有短路现象。同时做好随时断电准备，如有冒烟、发出气味、元件发烫等异常现象马上断开电源，然后寻找故障原因并解决。
（3）静态调试：在没有输入信号得情况下，测量电路电源电压、纹波是否正常和集成芯片、元件引脚电流电压值测量。调试晶体是否起振、频率、占空比、幅值是否满足芯片正常工作要求，调试主要通道电气特性是否正常。初步判定各芯片及电路是否能正常工作，电路是否有错。
（4）动态调试：对系统电路施加输入信号，借助仪器测量芯片电路的输出信号波形、幅值等能否满足要求。并且做好调试记录，为后续调试提供依据和参考数据。调整电路的电容和电阻多次试验直到参数符合要求。
（5）性能指标调试：通过静动态调试对系统电路进行调试系统正常后，对系统所要求的指标进行调试。记录并分析测试得到的数据，多次试验后得出调试总结并对比性能指标是否满足系统设计的要求。如达不到预期效果，找出问题所在并修改部分甚至整个电路以完善设计。
5.3 系统软件调试
软件调试即把编写好的的程序下载到系统硬件中运行，编译系统程序进行调试。根据调试时所发现的错误情况进行程序语法和时序修正。仔细阅读芯片技术手册，把相关的寄存器操作、读写以及控制时序弄懂。当系统运行出错时要找出出错代码，逐行检查，可以通过标志位反应出程序运行情况。
软件调试有两种方法：
（1）静态调试：将寄存器以及相关部分的内容输出，这样可以直接读取指标是否满足要求，通过测试找出问题所在。读取主要变量值，测试变量值在程序运行过程是否和预期值相同。
（2）动态调试：通过专业调试软件分析程序执行过程的动态情况。运用Keil软件对程序进行调试，可以进行多种设置如单步、全速以及跳出或进入函数内部等等。可以查看变量在执行程序时发生的改变以及可以知道执行代码的所花的时间。
5.4 调试结果
本调功系统用50W白炽灯作为电路负载，在系统运行过程中可以实现恒功率控制。在电路中接入一盏白炽灯待系统稳定后记录电流、电压以及功率值，然后再在电路中并联接入另一盏白炽灯。接入瞬间系统功率发生变化，调功系统及时作出反应，通过采样回路中的电流电压计算出功率值，然后相应的芯片输出信号。信号经过处理电路处理之后生产触发脉冲信号，并且作用于双向可控硅。通过双向可控硅的导通和关断操作改变电路中的电压，以达到恒功控制的目的。还可以通过按键设置功率的设定值，使得系统可以控制一定范围的恒功值。经过多次实验并记录测量结果，统计后进行分析误差均保持在2%左右，符合系统设计要求。
5.5 误差分析
不管直接或间接测量电流电压值，都会存在误差。因为算法、传感器、仪器和外部干扰等因素都会产生误差，设计电路时找出误差所在尽量减小误差。如下为引起误差的环节：
（1）传感器产生的测量误差。本系统采用霍尔电压、电流传感器测量电路中的电压和电流，但是还是会有误差存在。霍尔传感器会受到温漂的影响而产生温差电势，导致引进误差。同时霍尔传感器工作在交流电,因为霍尔极不能做到相同,所以一直存在一个微小的输出值而产生感应零位电势。材料的不均匀和生产工艺的原因也会产生一定的误差。
（2）电能计量芯片CS5460A存在自身性能误差和采样误差。CS5460A在对霍尔电流、电压传感器的输出信号进行采样，将连续的模拟信号转变为离散的数字信号，但是这些误差都是很微小的，对系统的影响不大。
（3）测量仪器误差。由于测量仪器设计、制造、精度等级等会存在一定的测量误差。仪器的使用也会发生老化从而引进误差，但这些不是系统设计而引进的误差。
（4）由环境因素所引起的误差。比如环境的湿度、温度、海拔以及电磁干扰等因素都会引起误差。
结论
本次设计以STC89C52单片机为核心控制元件，完成了金刚石合成调功系统的设计与实现。通过双向可控硅控制系统，并使系统保持功率恒定。系统学习了通过仿真软件调试为硬件系统设计提供参考依据，调节参数。运用模块化编写程序，可读性强，调试方便，当程序有误时易于找到出错语句。通过不断的调试，逐步完善系统，完成了相应的功能和指标。同时也学习到了设计一个产品的流程，先了解设计的相关背景，查找相关资料，从而总体了解了设计的核心内容。然后确定系统设计方案，所用元件的选型，并且要熟悉芯片的工作原理。在画原理图和PCB的时候要仔细认真，因为没一点小错误都会导致设计的缺陷，例如封装不正确可能就要重新作板。金刚石合成调功系统的主要内容如下：
（1）本系统以STC89C52单片机为核心控制元件，以霍尔电流、电压传感器为系统输入通道。功率测量芯片CS5460A采样霍尔传感器输出的电流电压信号，经过转换并处理之后通过单片机读取。并且通过1602液晶显示电流、电压以及功率值。可以通过按键设置功率值，并且经过D/A将对应的数字信号转换为模拟信号，作为单片机输出的控制信号，间接控制双向可控硅。以双向可控硅作为最终的输出通道，通过控制可控硅的导通和关断达到功率恒定的目的。
（2）采用功率测量芯片CS5460A采样霍尔传感器输出的电流电压信号，经过计算处理后，单片机通过SPI接口读取电流、电压以及功率值。同时CS5460A输出一个与功率成正比的脉冲信号，经过频率/电压转换电路转换成电压信号。再与D/A输出正比于设定功率的电压信号相比较，得出一个误差信号。误差信号经过PID控制电路控制移相触发电路输出相应的触发角控制可控硅。同时对触发电路与双向可控硅之间进行光电隔离，防止干扰调功系统。
（3）本系统运用PID闭环控制，通过PID控制电路反馈控制信号。不断的调整系统，使得输出功率稳定在设定值不变。即使当负载变化引起功率瞬时变化时，系统能及时作出反应并且稳定功率到设定值。
（4）选择C语言编写系统程序，与汇编相比C可读性强，可以模块化编程，调试方便。使用Keil软件编写程序，同时还可以进行仿真调试。
