天車防撞系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)書

1、本科生課程設(shè)計(jì)（論文）摘要目前，很多廠礦企業(yè)車間使用的天車往往是多臺配合使用。 一直以來，因天車碰撞發(fā)生的安全事故給國民生產(chǎn)生活造成了巨大損失。 傳統(tǒng)的解決方案難以有效解決這一難題， 本文將超聲波測距技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)， 提出了一種較為可靠的方案。本設(shè)計(jì)采用 AT89C51單片機(jī)為核心，搭建系統(tǒng)的控制模塊， 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度，信號的處理，并給出相關(guān)的外圍接口電路。 超聲波接收模塊選用 CX20106作為接收器，完成信號的采集處理放大。 電機(jī)減速模塊選用西門子 MM440變頻器，利用DAC0832將單片機(jī)的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬控制信號， 然后將模擬信號輸入到變頻器中達(dá)到改變頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2、 通過利用單片機(jī)對超聲波往返時(shí)間的計(jì)算，達(dá)到測量天車距離的目的。然后使用 LCD1602液晶模塊顯示實(shí)時(shí)距離，并利用單片機(jī)判斷天車距離是否達(dá)到報(bào)警距離和危險(xiǎn)距離，并做出相應(yīng)的處理。本文設(shè)計(jì)的天車防碰撞系統(tǒng)技術(shù)可靠經(jīng)濟(jì)實(shí)用， 具有很好的使用價(jià)值。 設(shè)計(jì)功能完善，接口資源豐富，可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；超聲波；測距；報(bào)警I本科生課程設(shè)計(jì)（論文）AbstractCranes are often used in many factories and mineAll along ，safety incidents occurred in cranes collision cause

3、d a great loss of lives andpropertyTraditional solutions Can not effectively solve this problem In this paper,radio frequency identification technology has been used in this system，proposed amore reliable optionThis design uses AT89C51 microcontroller as the core, to build the system control module,

4、 responsible for the scheduling, signal processing, and gives the associated peripheral interface circuit. CX20106 ultrasonic receiver module used as a receiver, signal acquisition and processing to complete amplification. Motor deceleration Siemens MM440 Inverter module selection, the use of the DA

5、C0832 digital control signal the microcontroller converts the analog control signal, then the analog signal input to the inverter to change the purpose of frequency control motor speed. Through the use of single-chip ultrasonic round-trip time calculations, to achieve the purpose of measuring the di

6、stance crane. LCD1602 display module and then use the real-time distance, and the use of the microcontroller to determine whether the alarm distance from the crane and dangerous distance, and make the appropriate treatment.This design of crane anti-collision technology, reliable and economical syste

7、m, has a very good value. Functional design, the interface is rich in resources, the system can be easily secondary development.Keywords: microcontroller； ultrasonic； range- distance；warning;II本科生課程設(shè)計(jì)（論文）目錄第 1 章緒論.11.1天車防碰系統(tǒng)研究意義與前景 .11.2天車防碰系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展 .11.3任務(wù)要求 .2第 2 章方案論證 .32.1總方案框圖 .32.2主控制模塊的選擇 .32

8、.3測距模塊的選擇 .42.4顯示模塊的選擇 .62.5電機(jī)調(diào)速模塊的選擇 .7方案確定.12第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) .133.1 AT89C51 主控制模塊 .133.2 CX20106 超聲波接受模塊 .153.3發(fā)射電路方案設(shè)計(jì) .163.4系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì) .163.5驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) .17第 4 章軟件設(shè)計(jì) .254.1系統(tǒng)軟件功能程序流程圖 .254.2系統(tǒng)安全天車距離模型 .284.2.1系統(tǒng)安全跟車距離模型的建立 .284.2.2模型中各參數(shù)的確定 .31第5章結(jié)論.33致謝 .34參考文獻(xiàn) .35附錄 .36附錄 .錯(cuò)誤！未定義書簽。附錄 .45II本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第

9、1章緒論1.1 天車防碰系統(tǒng)研究意義與前景天車又稱起重機(jī)、吊車，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要裝備，種類繁多，使用量大。它是一種用來起吊、 放下和搬運(yùn)重物的設(shè)備， 在工礦企業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行， 起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行， 構(gòu)成矩形的工作范圍， 可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。 隨著天車在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位越來越重要， 天車的使用越來越廣泛， 對于天車的使用、 管理與安全檢驗(yàn)等方面的要求也越來越嚴(yán)格，尤其是安全檢驗(yàn)方面。為此，國家專門頒布了起重機(jī)安全檢驗(yàn)大綱等規(guī)定，對起重機(jī)的安全防碰撞裝置有了更新的要求。很多廠礦企業(yè)車

10、間使用的天車往往是多臺配合使用，以起吊大型超重的設(shè)備。在同一建筑物內(nèi)，同層、上下層、或上中下三層設(shè)置軌道運(yùn)行式起重機(jī)的情況下，由于調(diào)度不易，容易出現(xiàn)碰撞事故，造成操作人員生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失。而且天車使用頻繁、現(xiàn)場灰塵大、噪音大、電磁干擾嚴(yán)重、環(huán)境惡劣，尤其是夜間操作時(shí)，視線昏暗，更容易出現(xiàn)生產(chǎn)事故。近年來，天車撞人致傷、致死事故屢屢發(fā)生。經(jīng)分析，事故發(fā)生的原因是天車自帶的安全裝置即防碰撞裝置未起作用或根本就沒有安裝防碰撞裝置所致。 因此，研究一種安全可靠， 能夠穩(wěn)定運(yùn)行的天車防碰系統(tǒng)有著重要的意義。1.2 天車防碰系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展天車防碰系統(tǒng)是石油、天然氣、鹽業(yè)、地礦等鉆探作業(yè)中，鉆機(jī)游動滑車

11、頂撞天車事故安全預(yù)防的保障系統(tǒng)。 隨著微電子學(xué)、 傳感技術(shù)、自動化控制的迅猛發(fā)展，這些技術(shù)已經(jīng)完全應(yīng)用于天車防碰系統(tǒng)中， 出現(xiàn)了新一代的數(shù)顯防碰裝置。在鉆井過程中， 它能對鉆機(jī)游動滑車的上升或下放過程實(shí)行直觀的高度顯示， 并對頂撞天車事故實(shí)施隨鉆監(jiān)測、聲光報(bào)警、自動控制，特別在雪天、雨天、大霧天、夜間等特殊情況下， 使司鉆可直觀方便地通過觀察顯示數(shù)據(jù)而清楚地知道此刻游動滑車所處的距離位置。天車防碰系統(tǒng)發(fā)展分為普通型防碰系統(tǒng)和數(shù)字型防碰系統(tǒng)。國內(nèi)外 1997 年以前生產(chǎn)的天車上配備大多為普通型防碰系統(tǒng)， 它是通過絞車滾筒軸上方的防碰肘閥 (過卷閥 )來控制剎車氣路。國外 IDECO 公司系列天車

12、、修井機(jī)所采用的天1本科生課程設(shè)計(jì)（論文）車防碰系統(tǒng) (KOoMEY 公司的產(chǎn)品 )均屬此原理。國內(nèi)部分產(chǎn)品離合器控制閥的進(jìn)氣不是來自天車防碰開關(guān)，天車防碰系統(tǒng)不起作用，離合器仍能結(jié)合進(jìn)行作業(yè)，一旦滾筒過卷， 剎車氣缸作用， 滾筒離合器不能自動斷開， 如果司鉆沒能及時(shí)關(guān)閉離合器控制閥， 動力或傳動系統(tǒng)的勢能仍能輸入滾筒， 滾筒在動力或傳動系統(tǒng)的勢能和剎車的共同作用下，不能保證迅速制動。自從 1997 年數(shù)顯防碰天車問世以來，國內(nèi)外生產(chǎn)的電驅(qū)動天車及部分機(jī)械驅(qū)動天車配備了此套裝置。 它是集顯示天車游動滑車距離及防止游動滑車碰撞天車于一身的新型控制器，能顯示游動滑車從 0.1m 至鉆臺以上 200

13、 m 內(nèi)任意位置距離，具有在特定位置報(bào)警并對絞車制動的動能，可以大大方便司鉆的操作。該裝置由可編程控制器、 數(shù)顯操作盤、 編碼器等主要部件組成。 由安裝在絞車滾筒軸端的編碼器， 將游車大鉤的距離轉(zhuǎn)換成絞車滾筒的旋轉(zhuǎn)量， 再把滾筒的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化成脈沖輸出給可編程控制器， 可編程控制器通過數(shù)學(xué)運(yùn)算， 將編碼器送來的脈沖進(jìn)行處理、 轉(zhuǎn)換后輸出 2 路信號：一路送至數(shù)顯操作盤以供顯示； 一路輸出給天車電動機(jī)，控制剎車動作。普通型天車防碰系統(tǒng)根據(jù)對現(xiàn)場使用情況的考查， 工作基本正常。 但由于天車防碰系統(tǒng)屬于一種安全預(yù)防事故發(fā)生的裝置， 安全可靠很總要。 普通型天車防碰系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)機(jī)械式防碰系統(tǒng)。無法顯示實(shí)

14、時(shí)距離，設(shè)備可靠性差。 已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品。數(shù)顯型天車防碰系統(tǒng)數(shù)顯天車防碰系統(tǒng)以其安全可靠、 操作簡便、數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全被現(xiàn)場使用者所認(rèn)可。 在近幾年現(xiàn)場使用情況的基礎(chǔ)上， 又對其進(jìn)行了改進(jìn)， 使用性能不斷趨于合理和完善， 從而很好的滿足了天車現(xiàn)場的需要。1.3 任務(wù)要求該設(shè)計(jì)主要完成對天車距離的自動監(jiān)測與報(bào)警。包括傳感器與測量電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)、主機(jī)及擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)、通信部分和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。技術(shù)要求：（1）天車行進(jìn)不能碰撞。（2） 當(dāng)天車之間的距離小于 5 米時(shí)，提出聲光報(bào)警，當(dāng)距離小于 2 米時(shí)，切斷天車的電源， 并啟動制動裝置， 同時(shí)繼續(xù)報(bào)警， 只有當(dāng)天車啟動反向運(yùn)動時(shí)才能重新開

15、啟天車。（3） 距離檢測范圍： 0.2m-8m，檢測精度： 0.1m；當(dāng)距離小于 5m 時(shí)，控制天車減速，并以低速運(yùn)行，防止因天車高速行進(jìn)并瞬間急停造成吊鉤的擺動。（4）檢測目標(biāo)距離并顯示在液晶屏上；2本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第2章方案論證2.1總方案框圖如 2.1 系統(tǒng)方框圖所示單片機(jī)作為主控制模塊。超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波，之后接收模塊接收到反饋信號。利用發(fā)射與接收的時(shí)間差 t，來計(jì)算出天車的距離，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷。 并進(jìn)行距離顯示。當(dāng)單片機(jī)判斷為警報(bào)距離時(shí)，光報(bào)警模塊便會啟動。 以提醒天車駕駛員注意， 同時(shí)控制模塊控制三相電機(jī)減速。當(dāng)單片機(jī)檢測到危險(xiǎn)距離時(shí)， 單片機(jī)會強(qiáng)制輸出停止指

16、令， 令電動機(jī)馬上停止。從而保證了人員安全。只有距離大于危險(xiǎn)距離時(shí)，電機(jī)才能前進(jìn)。超聲波發(fā)生器超聲波接收傳感器主控制模塊LCD 顯示聲光報(bào)警模塊控制模塊交流電機(jī)電源圖 2.1系統(tǒng)方框圖2.2主控制模塊的選擇單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及其采用的半導(dǎo)體工藝， 使之具有顯著的特點(diǎn)，優(yōu)異的性價(jià)比。大大降低了控制成本。單片機(jī)的體積小， 可靠性高， 其內(nèi)部采用總線式結(jié)構(gòu)， 減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力，可以用于惡劣的環(huán)境下工作。單片機(jī)的控制能力強(qiáng)大能滿足設(shè)計(jì)要求單片機(jī)指令系統(tǒng)中均含有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 接口指令及位處理功能。 單片機(jī)的邏輯控制功能均高于同一檔次的微機(jī)。因此選用單片機(jī)作

17、為主控制器。AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能8 位單片機(jī)，片內(nèi)含3本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4K bytes 的可反復(fù)檫寫的只讀程序存儲器 (PERONM) 和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域2.3測距模塊的選擇本文涉及到距離的檢測?？捎?2 種方案供選擇。 其一是激光測距，其二是超聲波測距。 由于題目要求的測距范圍是 80m 以下因此激光的波速太

18、快其往返時(shí)間太短，接收系統(tǒng)很難捕捉到反射信號。而且在工廠中，油污粉塵比較大。而激光的衍射能力弱， 激光發(fā)射器探頭極易受到油污的干擾。 因此不能選擇激光測距系統(tǒng)。經(jīng)過多方面研究調(diào)查，選用超聲波發(fā)生器最為合適。因?yàn)槌暡ǖ牟ㄋ俾?。因?80 米的距離往返時(shí)間比較大。接收器更容易捕捉到反射信號。為了以超聲波作為檢測手段必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。 因此我們需要設(shè)計(jì)使用超聲波發(fā)送器和接收器。 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波 ;而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 防撞報(bào)警系統(tǒng)主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢，所以選擇超聲波方案

19、。超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間， 再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即 S=VT.超聲波接收器使用 CX20106 芯片。使用 CX20106 集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、 濾波。該芯片接受信號后直接進(jìn)行處理分析。 輸出數(shù)字信號可直接輸入單片機(jī)。 不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換， 可以大大的簡化了電路設(shè)計(jì)。 從而降低設(shè)計(jì)成本。該題目的重點(diǎn)是距離檢測。 因次選擇設(shè)計(jì)一個(gè)好的超聲波傳感器就顯得尤為重要。下面介紹一下壓電式傳感器的原理和設(shè)計(jì)思路。壓電式超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化， 即在發(fā)射超聲波

20、的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)， 壓電晶片將會發(fā)生共振， 并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。如果兩電極間未外加電壓， 當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)， 將壓迫壓電晶片作振4本科生課程設(shè)計(jì)（論文）動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了，如圖2.2：圖 2.2超聲波接收器超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性， 這里以課題中選用的傳感器特性為例子。圖 2.3 超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度如圖 2.3 所示是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和

21、靈敏度。 其中，40KHz 處為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在 40KHz 兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率40KHz 的交流電壓來激勵(lì)。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。 曲線在 40KHz 處曲線最尖銳， 輸出電信號的幅度最大， 即在 40KHz 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。 超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關(guān)系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并目

22、在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并目最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用， 才能有較高得接收靈敏5本科生課程設(shè)計(jì)（論文）度?？紤]到實(shí)際工程測量要求,可以選用超聲波的頻率f = 40kHz ,波長 = 0.85cm。實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片， 可以把表而上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球而波 (子波 )，這些子波沒有一指向性。但離開超聲傳感器得空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果 (衍射 )，卻有一指向性。圖 2.4 是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向圖。圖 2.4

23、超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu)超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0 度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40 到 80 度，課題要求發(fā)射傳感器的指向角為60 度。綜上所述選擇恒隆達(dá) GH-311RT 超聲波模塊。論文基于 AT89C51 單片機(jī)天車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和 AT89C51 單片機(jī)結(jié)合于一體， 設(shè)計(jì)出一種基于 AT89C51 單片機(jī)的天車防撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。2.4 顯示模塊的選擇單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED 和 LCD 。這兩種器件

24、都具有成本低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。LCD 每一個(gè)點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度， 恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。而且體積小、重量輕。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。LCD 功耗低。相對而言， LCD 的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。因此根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求對天車距離進(jìn)行顯示選擇LCD 顯示，且由于需要顯6本科生課程設(shè)計(jì)（論文）示的

25、內(nèi)容不多，所以選擇 LCD 顯示模塊。在液晶 (LCD)方面，從選型角度，我們將常見液晶分為以下幾類：段式（也稱 8 字）、字符型和圖形點(diǎn)陣。常見段式液晶的每字為 8 段組成，即 8 字和一點(diǎn)，只能顯示數(shù)字和部分字母，如果必須顯示其它少量字符、 漢字和其它符號， 一般需要從廠家定做， 可以將所要顯示的字符、漢字和其它符號固化在指定的位置， 比如計(jì)算器。對于段式液晶，我們提供定做業(yè)務(wù)。 字符型液晶， 顧名思義，字符型液晶是用于顯示字符和數(shù)字的，對于圖形和漢字的顯示方式與段式液晶無異。 字符型液晶一般有以下幾種分辨率，81，161、162、164、202、204、402、404等，其中 8(16

26、、20、40) 的意義為一行可顯示的字符 ( 數(shù)字 ) 數(shù)，1(2 、4) 的意義是指顯示行數(shù)。因此綜上所述， LCD1602 液晶模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。 LCD1602 模塊可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符，采用 5V 電源供電，外圍電路配置簡單，價(jià)格便宜，與有很高的性價(jià)比。因此選擇 LCD1602 作為顯示模塊2.5 電機(jī)調(diào)速模塊的選擇在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機(jī)， 改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能

27、無換向電動機(jī)調(diào)速等。從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看， 有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變， 因此無轉(zhuǎn)差損耗， 如多速電動機(jī)、 變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法， 能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中； 電磁離合器的調(diào)速方法， 能量損耗在離合器線圈中； 液力偶合器調(diào)速， 能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。（1）變極對數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差

28、損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價(jià)格低； 有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。（2）變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。7本科生課程設(shè)計(jì)（論文）變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器， 變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類， 目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。 其特點(diǎn)： 效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)

29、雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。（3）串級調(diào)速方法串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。 大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置， 把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。 根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式， 串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、 機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 70 90的生產(chǎn)機(jī)械上； 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停

30、產(chǎn)； 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。（4）繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻， 使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大， 電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。（5）定子調(diào)壓調(diào)速方法當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時(shí)， 可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多， 其調(diào)速范圍較小， 使一般籠型電動機(jī)難以應(yīng)用。 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍， 調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值

31、大的籠型電動機(jī)， 如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)， 或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1 以上的場合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。 調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、 自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制；調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW 以下的生產(chǎn)機(jī)械。（6）電磁調(diào)速電動機(jī)調(diào)速方法電磁調(diào)速電動機(jī)由籠型電動機(jī)、 電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源 （控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小， 通常

32、由單相半波或全波晶閘管整流器組成， 改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極8本科生課程設(shè)計(jì)（論文）和勵(lì)磁繞組三部分組成。 電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系， 都能自由轉(zhuǎn)動。 電樞與電動機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動部分， 由電動機(jī)帶動； 磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對接稱從動部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)， 如勵(lì)磁繞組通以直流， 則沿氣隙圓周表面將形成若干對 N、S 極性交替的磁極， 其磁通經(jīng)過電樞。 當(dāng)電樞隨拖動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對運(yùn)動， 因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流， 此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)， 但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速 N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速

33、方式， 變動轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流， 便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)：裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 對電網(wǎng)無諧影響； 速度失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。（7）液力耦合器調(diào)速方法液力耦合器是一種液力傳動裝置， 一般由泵輪和渦輪組成， 它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時(shí)，就在同一轉(zhuǎn)向上給渦輪葉片以推力， 使其帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。 液力耦合器的動力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對充液量的

34、大小是一致的。 在工作過程中， 改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉(zhuǎn)速，作到無級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要； 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價(jià)低； 尺寸小，能容大； 控制調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)自動控制。 本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。改變供電電壓的頻率可以實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的速度控制，這就是變頻器調(diào)速。現(xiàn)在變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛， 這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價(jià)格的大幅度降低。實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)： 一是大功率開關(guān)器件。 雖然早就知道變頻器調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法， 但是受限于大功率電力電子器件的實(shí)用化問

35、題，變頻器調(diào)速直到 20 實(shí)際 80 年代才取得了長足的發(fā)展。 二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性。變頻調(diào)速的特點(diǎn)有： 可以使用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)， 可以連續(xù)調(diào)速， 可以通過電子回路改變相序、改變旋轉(zhuǎn)方向。其優(yōu)點(diǎn)是啟動電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動機(jī)可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，原因是節(jié)能效果顯著。它應(yīng)用于機(jī)床和起重機(jī)等。變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器， 變頻器有很多種類型宣選擇合適的變頻器很重要。9本科生課程設(shè)計(jì)（論文）根據(jù)變流分類可分為現(xiàn)在使用的變頻器主電路大多數(shù)為交 -直 -交電壓型變頻器，它整流器、中間電路和逆

36、變器組成，而對逆變器的控制主要采用 V/f 控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三種方式。變頻器的選擇大致分為 3 類，通用型變頻器、高性能變頻器和專用變頻器。（1）通用型變頻器通常指配備一般 V/F 控制方式的變頻器，也成簡易變頻器。該類變頻器成本較低，使用較為廣泛。（2）高性能變頻器通常指配備矢量控制功能的變頻器。該類變頻器使得自適應(yīng)功能更加完善，用于對調(diào)速性能較高的場合。（3）專用變頻器針對某種類型的機(jī)械而設(shè)計(jì)的變頻器，如泵、風(fēng)機(jī)用變頻器，電梯專用變頻器，起重機(jī)專用變頻器，張力控制變頻器等。綜合本設(shè)計(jì)的要求，我們選擇通用型變頻器。變頻器容量的選擇變頻器的容量一般用額定輸出電流 (A) 、輸出容量

37、 (kVA) 、適用電動機(jī)功率 (kW) 表 示。其中，額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值。額定輸出電流采用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)調(diào)速時(shí)，在異步電動機(jī)確定后， 通常應(yīng)根據(jù)異步電動機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值 (最大值 )來選擇變頻器。（1）連續(xù)運(yùn)行的場合由于變頻器供給電動機(jī)的電流是脈動電流， 其脈動值比工頻供電時(shí)的電流要大。因此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。一般令變頻器的額定輸出電流（ 1.051.1）倍的電動機(jī)的額定電流 (銘牌值 ) 或電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。（2）短時(shí)加、減速運(yùn)行的場合變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩是由變頻器的最大輸出電流決定

38、的。 一般情況下，對于短時(shí)間的加、 減速而言，變頻器允許達(dá)到額定輸出電流 130% 150% (視變頻器容量有別 )。因此，在短時(shí)間加、減速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以增大；反之如只需要較小的加、減速轉(zhuǎn)矩時(shí)，也可降低選擇變頻器的容量。由于電流的脈動原因，此時(shí)應(yīng)將變頻器的最大輸出電流降低 10%后再進(jìn)行選定。（3）頻繁加、減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的場合對于頻繁加、減速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行曲線如圖 5-4 所示。變頻器容量的選定可根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下變頻器的電流值來確定變頻器額定輸出電流 IINV 。10本科生課程設(shè)計(jì)（論文）額定輸出電壓變頻器的輸出電壓按電動機(jī)的額定電壓選定。在我國低壓電動機(jī)多數(shù)為380V，可選

39、用 400V 系列變頻器。應(yīng)當(dāng)注意變頻器的工作電壓是按 U/f 曲線變化的。變頻器規(guī)格表中給出 的輸出電壓是變頻器的可能最大輸出電壓，即基頻下的輸出電壓。輸出頻率變頻器的最高輸出頻率根據(jù)機(jī)種不同而有很大不同，有 50Hz/60Hz、120 Hz、240 Hz 或 更高。50 Hz/60 Hz 的變頻器，以在額定速度以下范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)為目的，大容量通用 變頻器幾乎都屬于此類。最高輸出頻率超過工頻的變頻器多為小容量。在 50 Hz/60 Hz 以上 區(qū)域，由于輸出電壓不變，為恒功率特性，要注意在高速區(qū)轉(zhuǎn)矩的減小。例如，車床根據(jù)工件的直徑和材料改變速度，在恒功率的范圍內(nèi)使用；在輕載時(shí)采用高速可以

40、提高生產(chǎn)率，但 需注意不要超過電動機(jī)和負(fù)載的允許最高速度?？紤]到以上各點(diǎn)，根據(jù)變頻器的使用目的所確定的最高輸出頻率來選擇變頻器。變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大， 考慮到散熱的經(jīng)濟(jì)性， 除小容量變頻器外幾乎都是開啟式結(jié) 構(gòu)，采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。變頻器設(shè)置場所在室外或周圍環(huán)境惡劣時(shí)，最好裝在獨(dú)立盤 上，采用具有冷卻熱交換裝置的全封閉式結(jié)構(gòu)。對于小容量變頻器， 在粉塵、油霧多的環(huán)境或者棉絨多的紡織廠也可采用全封閉式結(jié)構(gòu)。變頻器容量的選擇歸根結(jié)底是對其額定電流的選擇。 總的原則是變頻器的額定電流一定要大于拖動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的最大電流。由于本設(shè)計(jì)是驅(qū)動單一的電機(jī)， 所以變頻器的額定電流選擇為電動機(jī)的額定電流的 1.倍即可。綜上所述減速控制模塊選用西門子 MM440 變頻器作為減速控制模塊。 因?yàn)樽冾l控制是目前最簡單有效的交流電機(jī)速度控制方法。 可以實(shí)現(xiàn)高性能高可靠性的控制。只要將單片機(jī)的數(shù)字控制型號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸入到變頻器中， 就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。因?yàn)镈AC0832 與微處理器完全兼容。具有8 為分辨率。其價(jià)格便宜、接口簡單、