【正文】 不通電狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的 保持扭矩電機繞組通電不轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值工作扭矩電機繞組通電轉(zhuǎn)動時的最大輸出扭矩值注意保持扭距比工作扭矩大選電機是要以工作扭矩為選擇依據(jù)靜轉(zhuǎn)矩電機在額定靜態(tài)電作用下電機不作旋轉(zhuǎn)運動時電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩此力矩是衡量電機體積幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān) 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)但 過份采用減小氣隙增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 1 步距角精度 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差用百分比表示誤差步距角 100 不同運行拍數(shù)其值不同四拍運行時應(yīng)在 5 之內(nèi)八拍運行時應(yīng)在 15 以內(nèi) 失步電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)稱之為失步 失調(diào)角 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的 最大空載起動頻率 電機在某種驅(qū)動形式電壓及額定電流下在不加負(fù)載的情況下能夠直接起動的最大頻率 最大空 載的運行頻率電機在某種驅(qū)動形式電壓及額定電流下電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率這個速度遠(yuǎn)大于啟動頻率 電機一旦選定電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流而非靜態(tài)電流平均電流越大電機輸出力矩越大即電機的頻率特性越硬如圖所示其中曲線 3電流最大或電壓最高曲線 1電流最小或電壓最低曲線與負(fù)載的交點為負(fù)載的最大速度點要使平均電流大盡可能提高驅(qū)動電壓使采用小電感大電流的電機 圖 44 轉(zhuǎn)距圖 443 步進電機的驅(qū)動 1 單電壓驅(qū)動 單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時只用一個電壓電源進行對繞組供電它的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)它只有一個電源電路中的限流電阻 R1 決定了時間常數(shù)但 R1 太大會使繞組供電電流減小這一矛盾不能解決時會使電機的高頻性能下降可在 R1 兩端并聯(lián)一個電容以使電流的上升波形變陡改善高頻特性但這樣做又是低頻性能變差單電壓驅(qū)動一般適合于小功率步進電機的驅(qū)動 2 雙電壓驅(qū)動 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡這樣產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動 雙電壓驅(qū)動有兩種方法雙電壓法和高電壓法 雙電壓法的基本思路是在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動 當(dāng)電動機在低頻工作時給 T1 低電平使 T1 關(guān)閉這時電動機的繞組由低電壓VL供電控制脈沖通過 T2使繞組得到低電壓脈沖電源當(dāng)電動機在高頻工作時給 T1高電平使 T1 打開這時蓄流二極管反向截止切斷低 電壓源 VL 電動機繞組由高電壓 VH 供電控制脈沖通過 T2 使繞組得到高電壓 3 步進電機的其它驅(qū)動方 式 步進電機的驅(qū)動方式還有許多種像斬波驅(qū)動細(xì)分驅(qū)動以及用集成電路進行驅(qū)動等都可以完成步進電機的功能結(jié)合具體情況加以選擇最合適的驅(qū)動方式根據(jù)多功能吸塵器的需要以及降低成本 本次設(shè)計步進電機的驅(qū)動采用單電壓驅(qū)動根據(jù)電源要求步進電機的供電電壓為 12V 其驅(qū)動電路的原理與前面介紹的單電壓驅(qū)動相同其電路圖如圖 45 左側(cè)輸入由單片機發(fā)出的脈沖 經(jīng)過反向器的反向控制在低電平三極管導(dǎo)通使光電隔離器工作從而使右側(cè)的三極管接通使步進電機的繞組通電不斷的導(dǎo)通與斷開使步進電機開始工作旋轉(zhuǎn) 圖 05 步進電機驅(qū)動電路 第五章 電 動風(fēng)機的工作原理及驅(qū)動 51 電動風(fēng)機的工作原理 多功能吸塵器主要是利用電動機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時在密封殼體內(nèi)產(chǎn)生空氣負(fù)壓吸取塵埃碎屑電動機和葉輪組合一體稱為電動風(fēng)機系統(tǒng)電動風(fēng)機系統(tǒng)是多功能吸塵器中關(guān)鍵件一般的家用吸塵器電動風(fēng)機系統(tǒng)功率 輸入電功率 從幾十瓦到一千瓦以上較大功率的電風(fēng)機系統(tǒng)一般都采用單相串勵電動機驅(qū)動電動風(fēng)機系統(tǒng)在吸塵器工作時工況不斷變化風(fēng)量最大時吸入真空度為零此時稱為電風(fēng)機系統(tǒng)的短路狀態(tài)吸入真空度為最高時風(fēng)量最小此時稱為電風(fēng)機系統(tǒng)的空載狀態(tài)電風(fēng)機系統(tǒng)的最大輸入功率最大流量最大真空度等都是電風(fēng)機系 統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)而吸塵器在進行風(fēng)箱試驗時吸入口在 050875 時常被認(rèn)為是電風(fēng)機系統(tǒng)的額定狀態(tài) 由于多功能吸塵器選用了車用吸塵器的風(fēng)機樣式所以多功能吸塵器的的風(fēng)機由永磁直流電機和葉輪等部分組成其基本結(jié)構(gòu)和上面介紹的大功率風(fēng)機結(jié)構(gòu)相似不同之處在于多功能吸塵器電動風(fēng)機的電機是鐵氧體永磁直流電機用 12V直流電源供電大功率風(fēng)機用交流 220V 家用電源供電全自動吸塵器的電動風(fēng)機和大功率風(fēng)機一樣要求電動機有很高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速不低于 10000rmin 型號 空載轉(zhuǎn)速 rmin 額定轉(zhuǎn)速 rmin 轉(zhuǎn)矩 NM 電流 A 額定電壓 V 功率 W ZYT2814 15500rmin 12021rmin 80mNm 155A 12V 186W 表格 01 電動風(fēng)機主要參數(shù) 52 電動風(fēng)機的特性及驅(qū)動電路 1 吸塵器風(fēng)機的工作特性 葉輪的外特性 通常吸塵器使用后傾式葉片的葉輪葉輪旋轉(zhuǎn)時空氣從吸風(fēng)口進入葉輪再從葉輪外緣經(jīng)導(dǎo)流板進入電機最后排放大氣中葉輪在一定轉(zhuǎn)速下吸塵器的風(fēng)量口 ms 和真空度 H Pa 之間的關(guān)系稱葉輪外特性在轉(zhuǎn)速一定時葉輪產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度主要取決少吸風(fēng)口大小及風(fēng)路中其他部分風(fēng)阻有關(guān)吸風(fēng)口全部打開時葉輪有最大 流量口這時進風(fēng)口與大氣直通真空度為零當(dāng)吸風(fēng)口全部關(guān)閉時沒有空氣進入葉輪此時流經(jīng)葉輪的流量為零但吸風(fēng)口內(nèi)有最大真空度 HH 與口之間的關(guān)系曲線如圖 46 在不同轉(zhuǎn)速外特性不同產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度值不同轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度值越大 2 吸塵器電風(fēng)機系統(tǒng)的運行 電動風(fēng)機采用鐵氧體永磁直流電機為轉(zhuǎn)動源因此需要有直流電機驅(qū)動器對其進行驅(qū)動通常直流電動機的驅(qū)動選用驅(qū)動電路驅(qū)動電路既能控制流過電動機的電流大小又能驅(qū)動電動機的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動電路必須對照電動機的特性選定為了旋轉(zhuǎn)電機只要連接電動機的電池即可為了控制它由晶體管組成開關(guān) 電路 電路如圖 47 由于輸入側(cè)為高電平所以電動機旋轉(zhuǎn) 圖 47 電機驅(qū)動 由于考慮到電機工作的穩(wěn)定性通過單片機控制驅(qū)動芯片的工作來使風(fēng)機旋轉(zhuǎn)或停止在這里選用 L6203 圖 48 L6203 管角圖 這個電動機驅(qū)動器導(dǎo)通電阻控制在 03 且發(fā)熱小使用簡單供電電壓可以使用在 48V驅(qū)動電動機的平均電流可以達(dá)到 4A另外峰值電流可以諧調(diào)到 5A有關(guān)這個IC 引腳進行一下說明圖 48 是 L6203 的外形在引腳上標(biāo)有名稱 OUT12 端連接電動機電源的正負(fù)級分別連接 VSGND 為了控制這時電動機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和停止信號為ENABLE 引腳和 IN1IN2 引腳設(shè) ENABLE 的引腳電壓為 5V 時可以控制電動機的旋轉(zhuǎn)相反設(shè)電壓為 0 時電機停轉(zhuǎn)當(dāng) IN1 引腳為 5VIN2 引腳為 0V 時電動機正轉(zhuǎn)相反則反轉(zhuǎn) 第六章 全自動吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制 61 全自動塵器工作過程分析 多功能吸塵器的運動主要是沿直線行走在使用時先將它放置在需要清潔空間的墻壁左側(cè)這種方式就像我國規(guī)定的汽車通行方式一樣吸塵器的右側(cè)靠近墻壁 當(dāng)開關(guān)閉合后多功能吸塵器向前沿直線行走同時超聲波傳感器對墻壁等障礙進行檢測熱釋電紅外線傳感器對人的活動 進行檢測當(dāng)檢測到有人的存在時多功能吸塵器會先停止前進而后有發(fā)聲器發(fā)聲音當(dāng)檢測到前面沒有人時會繼續(xù)前進直到遇到墻壁為止當(dāng)遇到墻壁時多功能吸塵器會暫時停止前進而后開始左傳右側(cè)步進電機正轉(zhuǎn)左側(cè)步進電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎半徑近似為 0 由數(shù)字羅盤引導(dǎo)轉(zhuǎn)道 90度而后前進一端距離這段距離通過控制步進電機的步進轉(zhuǎn)角實現(xiàn)同時超聲波傳感器檢測是否到了邊緣如果到了邊緣則停止前進向左旋轉(zhuǎn)到 180 度然后前進直到有墻壁存在時整個吸塵器停止工作如果在轉(zhuǎn)過 90 度之后沿墻壁行走過程中走到了步進電機的步數(shù)后吸塵器停止前進向左旋轉(zhuǎn)直到 180 度然后前進同樣利 用超聲波傳感器對墻壁等障礙進行檢測熱釋電紅外線傳感器對人的活動進行檢測當(dāng)檢測到有人的存在時多功能吸塵器會先停止前進而后有發(fā)聲器發(fā)聲音當(dāng)檢測到前面沒有人時會繼續(xù)前進直到遇到墻壁為止當(dāng)遇到墻壁時多功能吸塵器會暫時停止前進而后開始右傳這時的轉(zhuǎn)動方向與前面相反直到轉(zhuǎn)會到 90 度同樣而后前進一端距離同時超聲波傳感器檢測是否到了邊緣如果到了邊緣則停止前進向右旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)回到 0 度然后前進直到有墻壁存在時整個吸塵器停止工作如果在轉(zhuǎn)過90 度之后沿墻壁行走過程中走到了步進電機的步數(shù)后吸塵器停止前進向右旋轉(zhuǎn)直回到 0 度在不斷的重復(fù)前面的過 成直到將整個清潔區(qū)打掃干凈實際上多功能吸塵器的轉(zhuǎn)向為 2 次左轉(zhuǎn) 2 次右轉(zhuǎn)的循環(huán) 62 步進電機的脈沖信號 多功能吸塵器系統(tǒng)中單片機產(chǎn)生脈沖信號經(jīng)過 PMM8713 脈沖分配器將驅(qū)動信號分配給步進電機的 4 四相經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)通過改變脈沖頻率可以控制步進電動機速度用改變 PMM8713 脈沖分配器控制信號的高低可以實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn) 控制步進電動機速度的方法可有兩種 第一種是通過軟件延時的方法改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率但這種方法使 CPU 長時間等待．占用大量機時因此沒有實用價值 第二種是通過定時器中 斷的方法在中斷服務(wù)子程序中進行脈沖輸出操作調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速這種方法占用 cFU 時間較少在各種單片機中都能實現(xiàn)是一種比較實用的調(diào)速方法 多功能吸塵器的的步進電機調(diào)速使用定時器法利用定時器進行工作根據(jù)脈沖頻率 40HZ 和單片機的機器周期來計算定時常數(shù)．這個定時常數(shù)決定了定時時間當(dāng)定時時間到而使定時器產(chǎn)生溢出時發(fā)生中斷．在中斷子程序中進行改變 P10電平狀態(tài)的操作這樣就可以得到一個給定頻率的方波輸出改變定時常數(shù)就可以改變方波的頻率從而實現(xiàn)調(diào)速使用定時器 To 工作方式 l 多功能吸塵器的步進電機脈沖頻率由公 式 51 為 F 51 40HZ 用于改變速度的定時常數(shù)存放在內(nèi)部 RAM 30H 低 8 位 和 31H 高 8 位 中則定時器中斷服務(wù)子程序為 AA CPL P10 改變 P1． o 電平狀態(tài) PUSH ACC 累加器 A 進錢 PUSH PSW CLR C CLR TR0 停定時器 MOV ATL0 取 TL0 當(dāng)前值 ADD A08H 加 8 個機器周期 ADD A30H 加定時常數(shù) 低 8 位 MOV TL0A 重裝定時常數(shù) 低 B 位 178。 5176。m 77 圖 38 扭矩圖 4 做出計算彎矩 根據(jù)已做出的總彎矩圖和扭矩圖計算彎矩 Mca 由公式 36 36 881 N178。m 75 M 圖 37 彎矩圖 3 T 955179。 10 圖 05 軸的裝配簡圖 通過中間的軸進行定位選擇軸承蓋將軸承固定并且密封鍵的選取 根據(jù)《機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)》 選定選取 GB109679 鍵 4179。 d 5179。 ≥ 796mm 軸的截面上有一個 鍵槽將直徑增大 5％得 d≥ 796 15％ ≥ 835mm 取標(biāo)準(zhǔn)值 d 10mm 即為軸直徑最小直徑 2 擬定軸上零件的裝配方案 為了便于聯(lián)軸器的連接以及車輪的安裝許用下述方按如圖 35 在軸的左側(cè)需要連接聯(lián)軸器以便于和步進電機的軸相互連接在軸的右側(cè)有鍵主要用來和車輪連接在右側(cè) 同時加工螺紋使車輪能夠沿軸向固定在軸的中間留有軸間用來固定軸承逐步選定軸的直徑為 D 10mm 軸間 D 12mm 則根據(jù)軸的直徑來選擇軸承和聯(lián)軸器等由于軸的直徑 較小現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器很難滿足設(shè)計的要求因此需要單獨設(shè)計聯(lián)軸器選用鋼管加工滿足要求的孔而后加工兩個徑向螺紋孔用螺釘將電機軸與轉(zhuǎn)軸相連接軸上面的平臺可以通過磨削的方式實現(xiàn)滾動軸承的選取根據(jù)《軸承手冊》選用深溝球軸承軸承的型號 61800 其基本尺寸 B179。 A mm 33 式中 P 為軸所傳地的功率 KW N 為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 rmin A 為軸的許用應(yīng)力系數(shù)其值可以查《機械設(shè)計》教材表 103 在這里選取軸的材料為 45 號鋼則 A 108 由步進電機的參數(shù)由公式 34可知 P VI