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正文內(nèi)容

新型角加速度傳感器的研制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-文庫(kù)吧資料

2025-07-04 04:45本頁(yè)面
  

【正文】 和DIV以外)都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,系統(tǒng)最大的時(shí)鐘頻率為12~24MHz。C8051F020器件是使用Cygnal專(zhuān)利的CIP51微控制器內(nèi)核。MCU工作條件都可在工業(yè)溫度范圍(45~+85)—。 通過(guò)配置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器可將系統(tǒng)片內(nèi)的硬件中斷、串行通信總線、計(jì)數(shù)器或定時(shí)器、轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器的輸出以及微控制器內(nèi)部的其它各數(shù)字信號(hào)映射到前四個(gè)I/O端口引腳。這是一個(gè)功能大的數(shù)字開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),允許將其內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到前四個(gè)(P0、PP2和P3)的I/O端口引腳。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止,這使器件低功耗使用埋下了一些基礎(chǔ)。這些I/O端口的工作條件與標(biāo)準(zhǔn)8051基本相同,但稍有一些修改。C8051F020U具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口(0、2和3)。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可以正常工作。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)軟件支持在線觀察修改存儲(chǔ)器和寄存器,支持?jǐn)帱c(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。C8051F020具有邊界掃描和調(diào)試電路接口,通過(guò)4位引得腳JTAG接口。在線調(diào)試系統(tǒng)不但支持?jǐn)?shù)據(jù)觀察以及修改存儲(chǔ)器和寄存器,支持觀察點(diǎn)、斷點(diǎn)、單步運(yùn)行和停止命令。FLASH存儲(chǔ)器還有在線系統(tǒng)重新編程能力,可對(duì)非易失性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),且準(zhǔn)許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。C8051F020是獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。10. 具有無(wú)個(gè)捕捉/比較模塊的定時(shí)器陣列/可編程計(jì)數(shù)器。8. 硬件可實(shí)現(xiàn)SPI通信、SMBus 和兩個(gè)全雙工UART 串行接口 。6. 片內(nèi)RAM具有4352字節(jié)。 4.. 兩個(gè)12 位DAC,具有可編程數(shù)據(jù)的更新方式 。2. 全速、片內(nèi)非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口。C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片, 其具有8個(gè)數(shù)字I/O 口64個(gè)引腳。相比PLC、工控機(jī)等有較高的性價(jià)比。它體積小科員做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有限的生產(chǎn)過(guò)程、控制過(guò)程。角加速度傳感器C8051F020 MCU INA128PA 放大模塊 LCD顯示模塊SD卡讀寫(xiě)模塊USB串口 角加速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 第四章 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)提高。系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制模塊,可方便的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用C8051F020單片機(jī)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理,協(xié)調(diào)各模塊之間的工作,并進(jìn)行復(fù)雜的控制決策??紤]到單片機(jī)具有體積小、性能強(qiáng)大、成本低的特點(diǎn),越來(lái)越受到企業(yè)用戶的青睞。因此簡(jiǎn)單實(shí)用且方便,便于各種旋轉(zhuǎn)角加速度的場(chǎng)合測(cè)量。 如上面的描述,本課題的傳感器是利用電磁感應(yīng)原理構(gòu)成旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器,被測(cè)系統(tǒng)與測(cè)量傳感器同軸安裝,從而直接把旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度變換成電壓信號(hào)輸出,輸出的電壓信號(hào)和旋轉(zhuǎn)角加速度可以直接對(duì)應(yīng)。采用補(bǔ)償繞組來(lái)消除剩余電壓。 通常為了減小由于轉(zhuǎn)子和磁路的不對(duì)稱性引起的剩余電壓,杯形轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)通常是四極電機(jī)。產(chǎn)生剩余電壓的主要原因有:磁路不對(duì)稱、氣隙不均勻、輸出繞組與勵(lì)磁繞組不正交、以及溫升增加、繞組匝短路,繞組端部藕合,鐵芯片間短路、轉(zhuǎn)子杯材料不均勻、形狀不規(guī)格等。理想的測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與它的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。本文的新型角加速度傳感器可根據(jù)空心杯交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)得運(yùn)行條件而轉(zhuǎn)換成角加速度傳感器。如果被測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸作勻轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng),則杯形繞組也同樣作恒轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng),在杯形轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),此電勢(shì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流,從而轉(zhuǎn)子電流形成對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁磁場(chǎng),然而此時(shí)由于恒速轉(zhuǎn)動(dòng),則此時(shí)的勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁幅值恒定,從而導(dǎo)致輸出繞組的輸出電勢(shì)為零;如主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸做非恒速運(yùn)動(dòng),則此時(shí)有旋轉(zhuǎn)角加速度,因?yàn)橹餍齽?dòng)軸與角加速度傳感器的軸相聯(lián),從而杯形繞組也做非恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。 電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器的工作原理本傳感器的工作原理;在內(nèi)外定子鐵心之間產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)(氣隙磁場(chǎng)),杯形轉(zhuǎn)子繞組處于內(nèi)外定子鐵心之間氣隙磁場(chǎng)中,且與內(nèi)外定子鐵心位于同以軸心上,杯形繞組與轉(zhuǎn)軸連接可相對(duì)于內(nèi)外定子鐵心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。*杯形轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)通常為四極可減少由于磁路和轉(zhuǎn)子電阻的不對(duì)稱對(duì)性能的影響。A 為電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器結(jié)構(gòu)式意圖:6(外定子鐵心)與8(內(nèi)定子鐵心)的材料為硅鋼片(低磁材料);4(構(gòu)成外定子鐵心輸出繞組)的材料為電磁漆包線;2為高速轉(zhuǎn)軸;構(gòu)成7(杯形繞組)的材料為銅導(dǎo)線或鋁線;構(gòu)成1(轉(zhuǎn)軸)的材料為不銹鋼材料;構(gòu)成前端蓋3,機(jī)座5,后端蓋9的材料為鋁合金等金屬材料。杯形轉(zhuǎn)子繞組,杯底裝于轉(zhuǎn)軸上,且和轉(zhuǎn)軸同軸心,杯底置于內(nèi)外定子鐵心的氣隙磁場(chǎng)之間,且和轉(zhuǎn)軸同軸心。勵(lì)磁磁場(chǎng)是由外定子鐵心上繞組槽內(nèi)的勵(lì)磁繞組加上直流恒流源來(lái)作為內(nèi)定外定子鐵心之間的磁路的勵(lì)磁源所形產(chǎn)生的。還包括:外定子鐵心,外定子鐵心與轉(zhuǎn)軸同軸心置于基座內(nèi),在外定子鐵芯上設(shè)有鑲嵌輸出繞組的繞組槽。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí),輸出繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)在勵(lì)磁不變的情況下與成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)( n0)時(shí),空心杯轉(zhuǎn)子因切割磁力線從而產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),同時(shí)在的作用下將產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而在輸出繞組的軸線方向產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁通。 空心杯轉(zhuǎn)子交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖 而當(dāng)勵(lì)磁繞組兩側(cè)加為直流電源時(shí),會(huì)產(chǎn)生恒定不變的電流通過(guò)勵(lì)磁繞組,竟而產(chǎn)生一個(gè)恒定的氣隙磁通。在轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí),脈振磁通在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電勢(shì)(空心杯轉(zhuǎn)子可以看成有無(wú)數(shù)根導(dǎo)條的籠式轉(zhuǎn)子,相當(dāng)于變壓器短路時(shí)的二次繞組,而勵(lì)磁繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組),產(chǎn)生的磁場(chǎng)與勵(lì)磁電源同頻率的脈振磁場(chǎng),在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子切割直軸磁通,在杯型轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì),其大小正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,并以勵(lì)磁磁場(chǎng)的脈振頻率交變,又因空心杯轉(zhuǎn)子相當(dāng)于短路繞組,故旋轉(zhuǎn)電勢(shì)在杯型轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生交流短路電流,若忽視杯型轉(zhuǎn)子的漏抗的影響,那么此短路電流所產(chǎn)生的脈振磁通在空間位置上與輸出繞組的軸線一致,因此轉(zhuǎn)子脈振磁場(chǎng)與輸出繞組相交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。, 兩側(cè)的勵(lì)磁繞組與輸出繞組在空間位置上嚴(yán)格嚴(yán)格保持垂直的電角度, 此電機(jī)的勵(lì)磁繞組以交流勵(lì)磁時(shí)用來(lái)測(cè)量速度,當(dāng)勵(lì)磁繞組以直流勵(lì)磁時(shí)則可以用來(lái)測(cè)量角加速度。從上文分析可以得到, 旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度的測(cè)量關(guān)鍵問(wèn)題在于角加速度的測(cè)量。從上式可以看出,對(duì)于某一系統(tǒng)而言,旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度與轉(zhuǎn)速成正比, 因此可以由轉(zhuǎn)速的變化來(lái)反映旋轉(zhuǎn)角加速度的大小的變化。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí),原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡,為不變值,此時(shí)系統(tǒng)無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速,即角加速度為零。為角加速度。為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。本論文主要研究基于C8051F020MCU的新型角加速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),大致共分為六章:第一章主要介紹了角加速度傳感器工程背景、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及研究?jī)r(jià)值,并簡(jiǎn)要地介紹了本課題研究的主要內(nèi)容;第二章主要介紹了新型角加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理;第三章主要介紹了角加速度的傳感器測(cè)量系統(tǒng)的方案論證; 第四章主要介紹了測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);第五章主要介紹了測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì);第六章總結(jié)與展望;第2章 新型角加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 電磁式角加速度傳感器的測(cè)量原理 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為: 上式中, 測(cè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,分布去逐項(xiàng)實(shí)現(xiàn)各子模塊。實(shí)現(xiàn)角加速度系統(tǒng)的測(cè)量,首先應(yīng)根據(jù)所要功能需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的選型配置和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì),及總體設(shè)計(jì)。 本課題研究的主要內(nèi)容本文提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)角加速度的測(cè)量方法。比如作為工業(yè)支柱的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中,歐美國(guó)家已有十余種角加速度傳感器投放生產(chǎn),而本國(guó)的汽車(chē)角加速度傳感器市場(chǎng)卻非常不景氣絕大部分依賴外國(guó)進(jìn)口,這也導(dǎo)致本國(guó)汽車(chē)業(yè)深發(fā)展得到了阻礙。角加速度傳感器除了應(yīng)用在控制系統(tǒng)領(lǐng)域中,還廣泛地應(yīng)用在各種檢測(cè)方面:如飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能的測(cè)試;車(chē)輛工具的啟動(dòng)及剎車(chē)性能的測(cè)試;以及研究汽車(chē)碰撞時(shí)對(duì)司機(jī)以及搭乘者的所經(jīng)受碰撞沖擊情況,則通常將角加速度傳感器安裝在人的頭部或者人身的重要部位;在高精密機(jī)械儀器中,通過(guò)測(cè)量齒輪的角加速度來(lái)研究齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性;在探討汽輪機(jī)組和鉆機(jī)的扭震;檢測(cè)工作母機(jī)上刀具的顫震及斷裂[8];甚至在體育事業(yè)中也可以采用角加速度傳感器,檢查運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作以待提高其運(yùn)動(dòng)水平。如國(guó)內(nèi)的某研究機(jī)構(gòu)研制的炮身增穩(wěn)系統(tǒng),在使用了角加速度傳感器后,使坦克上的武器裝備在顛簸的行駛條件下,其控制精度得了到顯著的提升。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家,如蘇聯(lián)和美國(guó)等,都比較注重角加速度傳感器的研究工作。在1940年,德國(guó)研制的V2型導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制系統(tǒng)中,就第一次采用了角加速度傳感器。因此測(cè)量各種運(yùn)動(dòng)物體的角加速度的傳感器相繼成功研發(fā)并投入生產(chǎn)使用,夠成了傳感器領(lǐng)域的另一個(gè)分支。且其測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,即使用空心杯交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī),通過(guò)將測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度的測(cè)速發(fā)電機(jī)與被測(cè)轉(zhuǎn)軸同軸聯(lián)接即可,在改加直流勵(lì)磁源的情況下,其輸出能直接反映出機(jī)械角加速度的變化情況,可適用于各種旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)械角加速度的測(cè)量場(chǎng)合??偟膩?lái)說(shuō)目前直接來(lái)測(cè)量叫加速的的設(shè)備的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,而間接來(lái)測(cè)量叫加速的的方法中對(duì)信號(hào)的處理比較困難,尤其突出的是延遲特性和噪聲放大的問(wèn)題不容易解決[6]。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證得出,力平衡壓阻式角加速度計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)測(cè)量靈敏度高、閾值相對(duì)較小、價(jià)格比較低廉、耐沖擊能力強(qiáng)等。通過(guò)測(cè)量液體流動(dòng)電勢(shì)從而可直接得到與角加速度信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。這種角加速度傳感器主要結(jié)構(gòu)由基準(zhǔn)板、放大電路以及液環(huán)構(gòu)成,其中液環(huán)是核心部分,它由液體腔、液體、電極和轉(zhuǎn)換器元件組成。1992年 Godler和一些人設(shè)計(jì)出一種機(jī)械光電式角加速度傳感器 [3],將角加速度轉(zhuǎn)換成徑向位移,并利用光柵盤(pán)產(chǎn)生的干涉效應(yīng)檢測(cè)偏移量來(lái)進(jìn)行測(cè)量。上面利用壓阻效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備其信號(hào)的傳輸上較麻煩和困難。前者典型代表是一種利用壓阻效應(yīng)來(lái)測(cè)量的方法,如1995年Furukawa等人設(shè)計(jì)的一種壓阻式角加速度傳感器[1],其原理是利用黏貼在兩側(cè)的壓敏電阻,通過(guò)阻值在加速度產(chǎn)生時(shí)隨著懸臂梁表面相應(yīng)張力的變化而進(jìn)行檢測(cè)的。直接測(cè)量法通常使用特殊敏感的器件來(lái)直接測(cè)量。然而對(duì)于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)講各種動(dòng)態(tài)干擾都會(huì)以轉(zhuǎn)軸角加速度體的形式表現(xiàn)出來(lái), 因而快速準(zhǔn)確、有效的測(cè)量處轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度是提升系統(tǒng)高精度控制的前提。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1對(duì)于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度,通常只有處于兩種狀態(tài),一種是穩(wěn)定狀態(tài)和另一種不穩(wěn)定狀態(tài)也就是俗稱的動(dòng)態(tài)。該加速度傳感器是用于測(cè)量振動(dòng)加速度,由于其結(jié)構(gòu)的奇特,其銅環(huán)直接連接在外殼上,導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量旋轉(zhuǎn)角加速度。也有采用流動(dòng)電勢(shì)原理制作的直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)角加速度的液環(huán)式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器,但是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中比較復(fù)雜以及精度比較低。旋轉(zhuǎn)角加速度的測(cè)量是機(jī)械測(cè)量中很常見(jiàn)的測(cè)量物理量之一。 Induction motor 。 測(cè)量IAbstractThe angular acceleration of a rotary shaft is one o f the most important parameters for revolution mechanism, which is widely employed in practical applications .The principles and approaches for measuring angular acceleration were studied to find a feasible way to obtain the accurate and successive value of angular acceleration .A new method to measure the mechanical angular acceleration of rotating system is established by changing the exciting mode of AC asynchronous tachogenerator, and form a angular acceleration tachogenerator to measure the mechanical angular acceleration directly. This method can reflect the changes of mechanical angular acceleration in various rotating system, and it is suitable for the fields where the mechanical angular acceleration changes so quickly. Experimental results generated from testing of mechanical angular acceleration caused by rotating magnetic field when the induction motor is operating without any load are truly feasible.I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SOC speed measuring instrument. The system is the motor angular acceleration measurement, and PC and can municate that the motor angular acceleration, and to observe the motor running the basic situation.
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