時間：2022-03-14 14:02:57
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【關鍵詞】微型汽車；動力系統；改裝
0 引言
微型純電動汽車具有無污染、低噪聲、小體積、低速度和易駕駛等優點，是解決能源危機和環境污染的重要途徑，已成為當今研究的熱點[1]。它能夠穿梭于城市的各種道路，最高時速一般為 50km/h，因此微型純電動汽車作為代步或教學工具是相當合適的，不僅適合上班族的快速交通需要，也能為普通人短距離慢速交通提供方便。它的總體開發主要有兩種方式，即改裝和全新設計，但由于技術上的制約，我國對微型電動汽車的研究絕大多數建立在改裝車的基礎上，并且對電動汽車改裝方面的研究還不夠深入，有些文獻只是從理論上分析，沒有路面試驗，因此，本文在介紹電動汽車改裝理論的基礎上，進行了將大眾桑塔納轎車改裝為純電動轎車的工作，并對改裝車進行了路面性能試驗。
1 微型電動汽車的發展現狀
微型純電動汽車已成為國外市場、商業化的輕型純電動汽車新品種。在日本，微型電動汽車享有不用年檢、不用車位證，還有停車優惠的政策，并且日本有一些企業和社區內還設置了微型純電動車的停放站，一般會停放著二三十輛微型純電動汽車，使用者打卡就能夠開走車，用完汽車后放回停放站車子就可以充電，因此擁有不錯的市場。在美國，微型純電動汽車電機額定功率一般為3-7.5kw，最高速度為60km/h，續駛里程為50-80km，只能用作城市內街道和社區交通、高爾夫球場和特殊場合，不能上高速公路[2]；在歐洲，純電動汽車經過十幾年的發展，已經在歐洲各國尤其是在政府部門當中擁有大量的用戶。但商業化進程緩慢，原因是沒有成功地解決續駛里程問題，而且各大汽車廠商發展電動汽車的熱情明顯不如日本和美國，其注意力更多地轉向了其它新能源車的開發和發展。
我國電動汽車的研發也有一定的歷史，基本與國外處于同一起跑線。“十五”期間，國家設立“電動汽車重大科技專項”，目的就是通過組織企業、高等院校和科研院所等方面力量進行聯合攻關從而維護我國能源安全、改善大氣環境、提高汽車工業競爭力。中國加人WTO后，國內企業將面對開放市場和經濟全球化的壓力和沖擊，中國汽車工業更是面臨嚴峻挑戰，要在電動汽車產品上與國外開展競爭，就必須通過技術創新和組織管理創新，以高新技術帶動傳統汽車工業，在新一代汽車技術上取得突破， 實現我國工業的跨越式發展[6，7，8]。目前，我國的部分高校、汽車研究所以及生產企業正在聯合開發充電電池和純電動汽車，已取得了一些成果。根據國情，我國企業還開發了各種形式的微型純電動汽車，如“Micro 哈里”，它是由清華大學與清能華通共同研發，采用了自主研發的新型四輪智能驅動技術和高性能鋰離子動力蓄電池，百公里能耗低，續駛里程大于120km，最高車速 65km/h。2010年7月，清華大學、常州市政府及潤物控股有限公司簽訂協議，在常州共建微型純電動汽車試運行示范基地，以推動微型純電動汽車的產業化發展。
2 改裝電動車的總體方案
設計中將原有大眾桑塔納汽車的發動機系統、傳動系統、電器及控制系統、儀表板及相關附屬件拆除，保留變速箱、行走、轉向和制動系統。為減輕車重，將車殼去掉，改敞蓬。電動汽車總體布置如圖1所示。
圖1 電動汽車總體布置圖
圖1 為微型純電動汽車的總體布置圖，從圖中可以看出，微型純電動汽車的動力系統主要由電氣系統和機械傳動系統兩部分組成，其中電氣系統主要由蓄電池組、電動機及其控制器組成；機械傳動系統主要是由變速傳動裝置以及驅動車輪構成。動力系統的控制器可以根據制動踏板和加速踏板輸入的信號，發出相應的控制指令來控制功率轉換器。功率轉換器的功能是調節電動機和電源之間的功率流，控制功率電路的功率輸出，實時控制驅動電機的轉速和轉矩，然后電機輸出的動力再通過變速器傳動裝置，驅動車輪按駕駛員要求行駛[3]，因此選電動機及控制系統是設計的關鍵。
3 微型電動汽車動力系統的設計
3.1 電動汽車電動機的選擇
本次設計選用了三種類型的電動機，即有刷直流電動機、開關磁阻電動機和永磁無刷直流電動機。
（1）有刷直流電動機。其優點是控制簡單、技術成熟，但其過載能力與轉速提升能力不足。如長時間運行，要經常維護，更換電刷和換向器，而且轉子散熱條件差，限制了電機轉矩質量比的進一步提高。由于上述缺陷，在新研制的電動汽車上已不采用。
（2）開關磁阻電動機。其結構上省去了轉子上的滑環、繞組和永磁體等，是一種新型電動機。具有維修容易，可靠性好，易冷卻，調速范圍寬，控制靈活等特點，而且效率比交流感應電動機高，但由于其具有較高的非線性特性，驅動系統復雜，輸出轉矩波動大，功率變換器的直流電流波動也大，因此需要在直流母線上需裝一很大的濾波電容，不符合本文汽車改裝方案的設計要求。
（3）永磁無刷直流電動機。由于利用了電子換相器取代了傳統的機械電刷和機械換相器，因此結構簡單、無機械磨損、運行可靠。同時還具有調速精度高、高效率、高啟動轉矩等優點[4]，是一種高性能的電動機，而且永磁無刷直流電動機無換向火花和無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便，具有更高的能量密度和效率，在電動汽車中有很好的應用前景。
經過上述三種電動機優缺點的比較以及性能的分析，采用永磁無刷直流電動機作為本次電動汽車改裝的動力機較合適。
3.2 電動汽車用電動機的參數選擇
（1）電動機的額定功率
由于改裝用于研究或代步工具使用，設計時速為最高40公里/小時，電機的額定功率，公式為：
根據上述設計計算的電動機的額定功率和額定轉速，選擇額定電壓96伏，額定功率5kW，額定轉速為3000r/min的永磁直流無刷電動機較為合適。
3.3 對電池的選擇
本次設計選用鉛酸電池，其可靠性高、原料易得、價格便宜，是電動汽車儲能動力源中較為成熟的一種，而且它的比功率基本上能滿足電動汽車加速和爬坡要求。電池容量的選擇主要考慮最大輸出功率和輸出能量，其中電池單節容量為150A?h，電壓為12V，尺寸為300×170 ×210mm，電池數目為8節，以保證電動汽車的動力性和續駛里程。
4 結論與展望
我們對改裝后的微型純電動汽車進行了路面行駛試驗，其最大行駛里程45km，最大爬坡度15%，最大速度大于25km/h，可作日常代步或教學工具。本次改裝試驗說明利用普通汽油車改微型純電動汽車方案可行，稍加改進就可應用于人們的日常需求，實現日常代步，同時也減少了廢氣污染，減輕了能源危機。
但本文的方案設計還有許多需要改進的地方，如動力系統系統，它是微型純電動汽車的關鍵系統，關乎微型純電動汽車整車的動力性能，詳細敘述如下：
（1）本文只對動力系統的主要部件電動機、蓄電池和改裝車整體結構選型進行了設計分析，沒有涉及到動力系統的具體部件及電路方面的設計分析，對動力系統的具體部件和電路加以設計分析是后續研究工作的重點。
（2）在微型電動汽車改裝過程中，由于受原車結構及蓄電池性能的影響，電動汽車的整車動力性能仍存在缺陷，以后的工作中應繼續對整車結構和蓄電池的布置進行優化，提高整車的動力性能。
（3）本文對微型純電動汽車動力系統只是進行了初步布置設計，對動力系統在整車上進行詳細的布置設計，并建模型分析動力系統布置對車架受力的影響，以及對整車舒適性的影響將是下一步應該進行的工作。
【參考文獻】
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[6]張智文，申金升，徐一非.國家重大科技項目組織管理[M].北京：中國鐵道出版社，2000.
滌綸短絲裝置是上海石化股份公司滌綸部西區的一個主要裝置，共有六條生產線，設計單線產量為1.5萬噸/年。前紡電氣傳動采用德國AEG公司SEMIVERTER變頻器及永磁同步電動機，后紡采用直流電動機長軸傳動。該紡絲裝置是我國80年代初自己設計、自行制造的大型生產裝置，雖然建成初期創造了一定的經濟效益和社會效益，但是由于受到歷史條件的局限，出現了一些先天性不足，產品的種類和單耗達不到部頒標準，不能適應市場的需要，為此在原一號線位置上改造、引進了一條3萬噸/年滌綸短絲生產線(簡稱新生產線)，電氣傳動采用德國西門子6SE70系列變頻器和永磁同步電動機(前紡)、異步電動機(后紡)。本文就共用直流母線多逆變器調速系統在紡絲線上的應用作一些探討。
2 合成纖維紡絲機變頻調速系統發展概況
合成纖維紡絲機變頻調速系統發展大致可分為3個階段:
(1) 大變頻器調速 由一臺大功率變頻器來驅動多臺永磁同步電動機。電動機可逐臺起動或分組啟動。優點是系統簡單、控制方便，可保證多電機同步運行。缺點是變頻器容量必須選用很大;單臺電動機短路故障有可能引起變頻跳閘，造成整臺紡絲機停車。
(2) 多臺小變頻器驅動 每臺電動機均有一臺小變頻器驅動。對比大變頻器驅動，優點有:a)、一臺變頻器驅動一臺電機，可以實現軟起動，變頻器容量基本與電動機相同;b)、當某臺電動機發生故障時，對應變頻器停止工作，不會影響整臺紡絲機的正常運轉。缺點是:a)、總設定、總啟動需另加調節環節;b)、幾臺變頻器輸出頻率會有離散性，為達到轉速同步，需加串行通信接口。
(3) 共用直流電源多臺小逆變器驅動 采用共用直流電源多臺小逆變器驅動。除了保持小變頻器拖動的特點外，更重要的是可以實現再生發電制動，也可防止電網瞬時低電壓(含瞬時失電)帶來的停役故障。
3 滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統的基本要求及對原有拖動系統的分析
(1) 滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統的基本要求
紡絲機對電氣傳動的要求為“四高”和“一少”。
四高:即高同步性(一臺紡絲機不同紡位的電機轉速要求橫向轉速一致，縱向比例同步);高精確性(轉速穩定，精確度高達0.1%～0.01%);高轉速或甚高轉速(在沒有升速齒輪箱條件下，電機轉速高達8000～9000r/min);高可靠性(至少保證一年安全連續運行8000小時)。
一少:即少維修或免維修，無須照看。在采用了高精度的變頻調速器和永磁同步電動機組成的調速系統后，高同步、高精度、高轉速和少維修可以實現，但高可靠性還做不到，影響了紡絲裝置安穩長滿優生產。以3萬噸/年短絲生產線為例，其日產量為100噸短纖維，若外來電網瞬時低電壓(或瞬時失電)，引起計量泵變頻器停役電機停轉，會造成聚酯熔體壓力增大，迫使聚酯裝置熔體增壓泵停止，從而影響聚酯裝置正常生產。
(2) 原有電力拖動系統的優缺點
原1.5萬噸/年短絲直接紡裝置的變頻器屬于第一代變頻器，即一臺變頻器驅動多臺永磁同步電動機，此類變頻器在技術上采用公用換流環節，具有輔助充電裝置的換流電路。優點是:a)、即使直流電壓很低時也能可靠換流。b)、在短時間內數倍額定電流(最大為3倍)時，也能可靠換流。c)、變頻器由空載狀態到負載狀態時，能夠迅速抑制起動電流的極限值。但變頻裝置在運行中尚存在以下不足之處:a)、短絲裝置由于多臺電動機共用一臺變頻器，無法實現軟起動，所以選用時既要考慮到最高頻率時直接起動，又要考慮到若干臺電機高速運轉時，某一紡位故障排除后又繼續投入運行，因此變頻器容量不得不選用偏大。b)、紡絲機故障停臺率偏高。但因變頻器不能承受電網瞬時低電壓(含瞬時失電)，而由于雷電、電纜接地故障及開關倒閘操作，定會出現瞬時低壓現象，造成變頻器停役，致使整臺紡絲機停產，釀成巨大損失。c)、無法實現再生發電制動。后紡采用直流拖動，電動機維護和保養很麻煩，牽伸比調節也很困難。
4 前紡裝置變頻調速系統特點分析(由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環同步拖動系統)
新生產線的前紡部分變頻調速系統如圖1。前紡裝置變頻調速系統主要是由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環同步拖動系統組成，前紡裝置的主要改進是電源系統采用UPS(西門子System4233，330kVA)供電。
正常情況下由市電進行供電，若電網瞬時失電或低電壓，由電子開關控制自動切換到蓄電池供電，確保逆變器不受影響。為保證紡絲的精度，前紡沒有采用1臺逆變器帶1臺電動機的控制方式，而是由2臺大逆變器分別向32臺計量泵電機(永磁同步電動機)提供可變頻交流電源。裝置控制采用集散式數字工藝控制系統(DCS)和微處理機網絡系統，在兩臺逆變器之間用PLC加串行通信接口組成開環控制，確保兩變頻器的輸出頻率相同，即保證了32臺計量泵電動機轉速的絕對同步。與原生產線相比，雖然一次性投入較大，但可確保在瞬時低電壓(含瞬時失電)時，計量泵可正常工作，提高經濟效益。在前紡調速系統中，32臺計量泵電動機、7輥導絲輥電動機及喂入輪電動機的所有逆變器均接在共用直流母線上。
5 后處理裝置變頻調速系統特點分析
后紡裝置的變頻調速系統如圖2。后處理裝置中牽伸、緊張熱定型、疊絲、卷曲的拖動采用共用直流多逆變器變頻調速系統，其逆變器接同一直流母線。電動機則采用大功率的異步電動機。共用直流母線由＃1、＃2整流裝置供電。兩套整流器的疊加既可擴大容量，又可減少紋波和諧波，穩定直流電壓。與原生產線相比有如下優點:
(1) 采用共用直流母線可以自適應調整不同牽伸比條件下被拖電動機的制動力矩。比如對某一設定好的牽伸比，頭道、二道、三道牽伸機的轉速分別為n1、n2、n3，由于絲的張力作用，在沒有制動功能時，頭道牽伸輥會被后面牽伸輥拖著跑，而現在采用共用直流母線的變頻調速后，一旦n1的數值超過設定值，電動機便進入了再生發電制動狀態。一方面被拖電機變成發電機，發出的電能經續流二極管整流變成直流回饋到直流母線，電動機不僅無須從電網吸收能量，還可將制動能量供給其他逆變器，既可穩定直流母線電壓，又由于電動機容量較大(如第二牽伸機電動機為400KW)，電能節約也相當可觀。另一方面，被拖電動機處于制動狀態，只要設置相應的頻率比，就能控制轉速比，確保了牽伸比控制精度。
(2) 滌綸短絲后處理牽伸緊張熱定型聯合機組是滌綸短纖維生產中的一道關鍵工序，主要承擔著將原絲按一定牽伸倍率進行拉伸和定型。滌綸部原短絲裝置的后紡拖動由一臺功率較大的直流電動機拖動一根機械長邊軸，再帶動各道牽伸輥、緊張熱定型輥等。直流電動機雖然在調速的范圍、調速的精度及動態響應等方面性能較好，但直流拖動最致命的問題就是直流電動機的維護和保養很麻煩，并且對環境要求也較高。另外采用長邊軸傳動，若要改變生產品種，則牽伸比的調節較困難，并且精度也達不到要求，這樣勢必會影響產品質量、品種翻改以及高附加值產品的開發。新生產線采用交流變頻調速，各道牽伸輥具有獨立的變頻傳動，只需改變各變頻器的頻率就能方便調整工藝需要的牽伸倍率。從投產后的生產情況分析，生產的滌綸短纖維品種增加(其中1.33dtex有光縫紉線銷量占全國銷量的1/2以上)、質量提高、單耗下降，停車故障大幅減少，經濟效益顯著。
疊絲機、卷曲機也采用共用直流母線多逆變器調速方案，只是功率較小，不再討論。切斷機則為獨立變頻器，和一般變頻調速原理相同，在此不再展開。
6 結束語
(1) 如上所述，共用直流母線變頻調速技術是可靠的，雖然一次投入較高，但每年可以減少停車2~3次，按一條3萬噸/年生產線計算，可減少PET放流8~12噸，同時還可避免因停車造成的纖維質量波動(一次停車將影響144~216噸纖維的質量穩定性)，如此計算不用幾年就可收回改造費用。
(2) 由于采用共用直流母線變頻調速技術，使整體生產條件處于穩定狀態，從而給改變產品規格、調整工藝參數帶來極大便利。過度時間短，廢絲少，工藝調整精確。
(3) 從新生產線實際運行情況看，共用直流多逆變器調速系統在滌綸短纖維的生產中優勢突出，代表了紡絲機拖動的發展方向。但在后紡部分仍不能完全排除電網失電對變頻器的影響，如變頻器一旦停役會使正在牽伸的一段滌綸絲(約100m)報廢。改進方法可采用兩個獨立的交流電源供電，分別經整流器整流后送至共用直流母線(需用二極管隔離)，一旦失掉一路電源，仍有另一路交流電源支持，不會停車。另外，前紡卷繞紡絲裝機容量196kW，UPS輸出容量330kW，實際使用的容量較小，需要注意。
參考文獻
[1] 劉亮喜. 化纖紡絲機的變頻調速系統[J]. 電世界， 1998，(8):10-11.
摘 要：滾壓成型具有坯體質量好、操作簡單的優點，現廣泛應用于各類日用陶瓷產品的加工。而現有的陶瓷滾壓成型機普遍存在加工高度、口徑受限和智能化不足的問題。針對這些問題，本文設計了一種新型數控陶瓷滾壓成型機，對模頭的橫向運動與豎向運動作精準控制，并擴大控制范圍，突破了脫模時產品高度與口徑的限制。同時，新型數控陶瓷滾壓成型機改進傳統的傳動結構，引入數字化系統，實現生產上的智能化。通過樣機的制作與測試，驗證了本設計在生產實際中對提高產品質量和提高生產效率上的優勢。
關健詞：陶瓷；滾壓成型；橫向運動； 豎向運動；數控；智能
1 引言
隨著社會的發展，陶瓷胚體成型從手工（手拉）方式、手工注漿到高壓注漿[1]，發展到滾壓成型以及沖壓成型等，這是歷史發展不同陶瓷器型不同工藝技術的需求。手工方式是最為傳統的工藝，具有收藏價值，但生a效率最低。手工注漿方式解決了一部分手工難以完成的器型，但采用極稀的瓷泥，燒成收縮率難以控制。高壓注漿方式在手工注漿的基礎上利用氣壓推壓陶瓷泥在模具中成型，因瓷泥不用很稀，生產機械簡單，所以成為目前生產主流，但由于采用相對比較稀的陶瓷泥，胚體成型時間較長，燒成收縮率變化也比較大，也局限一部分餐盤類的形狀，且必須有一定數量的模具。沖壓成型方式是利用鋼模和沖壓模頭沖壓瓷泥成型，雖燒成率有所提高，但機械成本高，目前僅局限于國外少數廠家。滾壓成型[2]方式，顧名思義就是利用軸的轉動和機械壓力使瓷泥在模具中成型，能做到批量生產，且可以采用比較硬（含水率低）、燒成率高、燒成率變化少的瓷泥，目前是廠家采用得較為主流的陶瓷成型方式。
2 陶瓷滾壓成型機的背景及現狀分析
2.1 背景技術
目前，市場上的陶瓷滾壓成型機的模頭行程是按弧度運動壓入模母或脫離模母，這種機械在生產時局限于一定胚體高度和產品口徑，且效率相對低。本設計提供了一種新型數控陶瓷滾壓成型機，包括設有支腿的工作平臺，在工作平臺上固定四根垂直臺面的光軸，在光軸上套接有沿光軸上下滑動的升降平臺，升降平臺的下方設有控制其升降的伺服動力總成，在升降平臺上固定的傳動箱兩端分別與步進伺服電機、模頭電機連接，模頭電機的輸出軸設有模頭，垂直于工作平臺的臺面，模頭與置于工作平臺上方的由平臺下電機驅動模母配合。本設計針對現有滾壓成型機械存在的問題改進，對模頭的橫向運動與豎向運動作精準控制，且控制范圍大，保證模頭成型后脫模時不受產品高度與口徑的限制。
2.2產品現狀分析
陶瓷滾壓成型機較其他類型陶瓷機械具有許多顯著的特點，如成型坯體強度大且結構均勻、壽命長、操作簡單等，使其在碗、盤類等日用陶瓷產品的生產中得到了廣泛的應用，可以說我們日常生活所用到的日用陶瓷品絕大多數是使用陶瓷滾壓機所生產的。因此陶瓷滾壓成型機是陶瓷工業的重要組成部分，陶瓷工業的發展離不開先進陶瓷滾壓成型機的研發[3]。
目前，陶瓷滾壓成型機已經具有很多先進的半自動和自動滾壓生產線，但設計的機型均對模頭和產品有所限制，難以進一步提高滾壓成型機的數字化控制。貴陽市新航鑄造材料科技開發有限公司的毛晟發明了一種陶瓷滾壓成型壓模裝置[4]，具體包括機架、電機、凸輪機構、壓模機構、升降機構和剎車機構等等。該裝置具有結構緊湊、生產效率高、操作維修方便、造價便宜的優點；但其存在著明顯的不足：利用凸輪控制壓模杠桿做圓弧運動，存在只能生產局限于胎體高度低口徑大的產品；凸輪機構長時間高強度運轉，機械磨損較大，準確度低，產品一致性差；電機全程運行，耗能大，噪音污染大；機器各項參數偏于固定，難以修改。
蘇家偉發明的一種陶瓷滾壓成型雙頭壓模裝置[5]，其包括機架，機架上設有鏈傳動機構、凸輪機構、升降機構和壓模機構，鏈傳動機構的傳動鏈上設有若干工位，每個工位上設有一對座圈，該裝置結構緊湊，能有效地提高生產效率。但其仍存在以下不足：利用升降機構控制模頭，僅能實現縱向調整，不能橫向調整，不利于模頭與成型產品的脫離；電機全程運行，耗能大，噪音污染大；未能實現數字化控制，產品器型較為單一。
徐立華發明的TGC350-K滾壓成型機為較高科技、較高效率、低成本的機型。其采用永磁電機實現無級變速，主軸、滾頭軸與電機軸合二為一，主軸運動電器控制，轉速數字顯示，但是實現起來非常困難[6]。
2015年新型涉及機械設備技術領域，尤其涉及一種陶瓷滾壓成型設備；實用新型的陶瓷滾壓成型設備，包括主機座、主機架、支撐橫梁、第二碾壓部件、驅動部件和第一碾壓部件；所述第一碾壓部件旋設于所述驅動部件上；所述第二碾壓部件包括固定座、主導向桿、旋轉調節件、調節手柄、鎖定部件、下端壓板、傳動墊片和壓縮桿等[7]。
3 陶瓷滾壓成型機的改進方案
3.1機械原理分析
由于陶瓷滾壓成型具有成型坯體強度大、操作簡單和自動化等優點，使其大量地應用在碗類、盤類等日用陶瓷品廠中。但是目前廠家采用的主流陶瓷成型機仍在成型坯體高度和尺寸上有很大的局限性，其具體原理如圖1所示：利用電機帶動凸輪使主軸按凸輪的形狀作弧形運動，同時模頭作滾動壓入模母的瓷泥到位，然后滑塊運動使模頭在模母中作一次往返運動才能使模頭脫離成型好的胚體。但目前這種機械生產的產品僅局限于一定胚體高度和產品口徑，否則當模頭成型后要脫離模母內的胚體總是要破壞胚體的嘴口邊緣，所有的動作是按照凸輪的形狀作弧形運動，調節比較麻煩，滑塊運動行程也僅能作1 ～ 2 cm的范圍往返剛好能脫模而已，能夠成型的產品也局限于胎體高度低口徑大的產品。
我們創新的滾壓成型機工作原理如圖2所示：模頭可根據需要自由進行橫向和縱向運動，這樣模頭的運動無論上升或橫向均是直線的，使模頭成型后脫模時不受產品高度與口徑的限制，大大擴大產品的形式。
3.2產品構型設計
如圖3所示，這種新型數控陶瓷滾壓成型機，主要包括工作平臺12、控制器1、伺服動力總成2、模母電機3、模頭電機4、步進伺服電機7、傳動箱8和升降平臺9。模頭電機4的輸出軸垂直于工作平臺12的臺面，模頭電機4的輸出軸上設有模頭6，模頭6與置于工作平臺12上方的模母5配合，模母5通過置于工作平臺12下方的模母電機3驅動。
為了實現自動調整，并且在調整中保證進給的穩定性，設有控制器1，控制器1分別與伺服動力總成2、模母電機3、模頭電機4和步進伺服電機7電連接。利用控制器1中的電路板上的通路及開關來控制伺服動力總成2、模母電機3、模頭電機4和步進伺服電機7間的電流輸入量，實現對電機的運轉速度以及運轉量的調整，從而完成整個裝置的數字智能控制[8]。同時，對于模母電機3和模頭電機4是直接作用在加工的陶瓷a品上，要求運轉速度快，而且穩定，因此采用高速磁電機，同時模母電機3和模頭電機4具有同步控制器，保證兩者能夠同步運轉；對于步進伺服電機7，需要精確控制模頭及升降平臺的移動距離，因此采用伺服電機，可以正反向運轉，而且控制精確，整個裝置運行低噪音，低耗能[9]。
本成型機在具體加工時，利用控制器1的微調操控，對驅動電機2-1、模母電機3、模頭電機4和步進伺服電機7進行速度及起停的控制，保證模頭6高速旋轉的同時，能夠垂直升降，并且左右水平進給，保證模頭的運動無論上升或橫向均是直線的，最終在進模或脫模時，避免對陶瓷邊沿產生損壞。
4 樣機實驗測試
為了保證設計方案的可行性可體驗實際使用效果，在完成設計方案后做出了產品的樣機（如圖4）。為了保證實驗的準確性，在測試過程中進行了大量的實驗，根據實驗數據的樣本均值，分析了陶瓷坯體口徑深度比為0.6 ～ 1.0時，傳統滾壓成型機與新型滾壓成型機在不同滾壓深度下新方案與傳統方案在效率、抗折強度、燒結收縮率、燒成率等方面的優劣。
表1中的實驗數據表明：
當陶瓷坯體的滾壓深度h≤6 cm時，新型滾壓成型機與傳統的滾壓成型機在生產效率上是相同的 。新型滾壓成型機產品的抗折強度比傳統滾壓成型機的高了0.29%，燒結收縮率低了1 ～ 5%，燒結率提高了約5%。
當陶瓷坯體的滾壓深度6 cm
當陶瓷坯體的滾壓深度h≤6 cm時，新型滾壓成型機比傳統的滾壓成型機的生產效率提高了100%。新型滾壓成型機產品的抗折強度比傳統滾壓成型機的高了0.29%，燒結收縮率低了1 ～ 5%，燒結率提高了約5%。
表2中的實驗數據表明：
新型滾壓成型機比傳統滾壓成型機的生產噪聲低了4～5 dB。同時，新型滾壓成型機比傳統滾壓成型機的耗電量每單位低了2 kwh。
5 結論
本論文設計研制的智能陶瓷滾壓成型數控機與傳統滾壓成型機相比，具有結構簡單、切削力大的優點。通過模頭控制裝置的改進，使模頭可以作橫向和縱向雙向運動，生產產品不受高度與口徑的限制，適用陶瓷器型更廣；通過改進伺服系統對模頭進行精準控制，且控制范圍更大。通過改進機器的電機及密封系統，使其運行噪音和能耗降低，更加環保。經過生產實驗，采用本設備滾壓成型深度大于10 cm的陶瓷坯體時，其生產效率比傳統設備提高約1倍。本設計在完成樣機測試后與當地廠家進行了合作，應用前景得到了普遍看好。相信隨著產品的后續開發應用，對現有陶瓷行業的發展會有良好的推動作用[10]。
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關鍵詞：電子節氣門 控制系統 C8051F020 農用拖拉機
中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0109-03
傳統的節氣門采用機械控制方式，加速踏板與節氣門之間采用拉索或拉桿連接，駕駛員通過加速踏板控制節氣門的開度。這種方式能夠較好地實現按駕駛員的駕駛意圖控制發動機的工作狀態，但是發動機的運行狀態與拖拉機的實際情況之間很難得到最佳匹配。
電子節氣門控制系統通過微處理器、傳感器以及各類驅動裝置實現節氣門與加速踏板之間的無機械連接，這種連接方式兼顧駕駛員的加速意圖、發動機的運行狀態、拖拉機的工作情況，對節氣門的開度進行智能控制，保證發動機工作在最佳的狀態，能提高拖拉機的安全性、動力性和舒適性。
盡管電子節氣門有諸多優點，但目前還只是用在家用轎車上，在農用拖拉機上的應用還比較少見。隨著農業現代化的不斷推進，對農用拖拉機的駕駛舒適度、性能的要求會越來越高，將先進的電子節氣門控制技術引入拖拉機產品成為必然。本文設計了一種基于C8051F020的電子節氣門控制系統。
1 電子節氣門控制系統組成
1.1 電子節氣門體
電子節氣門主要包括驅動電機、閥片、節氣門位置傳感器復位彈簧以及齒輪機構等。通常用于電子節氣門的是永磁有刷直流電機，電機轉軸與節氣門轉軸之間的傳動比為2∶1。圖1和圖2顯示了電子節氣門的實物圖和機構示意圖。
由圖可知，在電子節氣門中，節氣門和駕駛踏板之間不再使用機械部件進行連接，駕駛踏板只是用來檢測駕駛員的駕駛意圖，節氣門的控制過程則完全由控制系統實現。控制系統首先根據加速踏板的信號對駕駛員的駕駛意圖進行分析，從而得出合適的控制策略，對節氣門的開度進行調整。
1.2 電子節氣門控制系統
由上述分析可知，電子節氣門控制系統的作用就是根據駕駛踏板的角度對節氣門的開度進行控制，屬于一類單輸入單輸出的控制系統，其結構如圖3所示。
當駕駛員操作加速踏板時，加速踏板位置傳感器輸出節氣門開度信號，以此信號作為控制系統的參考信號。控制系統將此參考信號通過CAN總線送給整車控制單元，由整車控制單元綜合分析駕駛員的駕駛意圖、發動機運行情況、汽車的運行情況，采用一定的控制策略，計算出合理的節氣門開度，再通過CAN總線返回給電子節氣門控制系統。最后又控制單元將期望值與當前實際的開度反饋值進行對比分析，根據預定的控制策略對電機的轉動角度進行調整，實現節氣門開度的跟隨。
1.3 驅動控制單元組成及工作原理
在電子節氣門中，節氣門的期望開度除了與加速踏板的位置有關，還與車輛行駛工況等有關，因此期望開度的計算一般由整車控制單元綜合考慮各種信息后通過一定的控制策略給出，并通過CAN總線送給電子節氣門控制系統。本文主要研究驅動控制單元的電路設計以及控制策略的實現。
圖4所示是驅動控制單元的結構框圖。直流電機的電流方向發生變化，便可對節氣門開度增加、減小進行切換；直流電機通電時間不同，電機轉動的轉角也會有變化，通過這種方法便可控制節氣門開度的大小。節氣門位置傳感器的輸出電壓隨節氣門的位置變化而改變，可以用作驅動控制單元的反饋信號。
2 硬件系統設計
2.1 節氣門位置測量電路設計
圖5分別顯示了電子節氣門的電路原理圖以及引腳位置圖，共有6個引腳，其中4個是節氣門位置傳感器的信號線和電源線，2個是電機的電源線。
設計的電路如圖6所示。由于系統所用電源為+5V，C8051F020自帶AD的輸入電壓范圍為0～2.5V，因此先設計一電壓跟隨電路，實現阻抗轉換，再利用0.1%高精度電阻實現分壓，將0～5V信號電壓衰減為0～2.5V。
2.2 電機驅動電路設計
在拖拉機行駛過程中，不可避免的需要增加、減小節氣門的開度，因此電子節氣門中的直流電機需要有正轉和反轉兩種工作狀態。為了實現這一功能，需要采用H橋電路實現PWM驅動，圖7顯示了H橋的工作原理。
圖7中，Q1和Q4構成一對開關，Q2和Q3構成一對開關。同一對開關必須同時導通、同時切斷，不同對的開關不能同時導通。當Q1和Q4導通時，電流沿著圖7中的A方向流過電機，電機正轉，當Q2和Q3導通時，電流沿著圖7中B方向流過電機，電機反轉。
本研究采用MC33886專用芯片設計H橋驅動電路，具體電路如圖8所示。OUT1引腳上的輸出電壓有IN1引腳上輸入端PWM信號決定，由于IN2接地，輸出引腳OUT2上的電壓始終為0。OUT1和OUT2之間的壓差受IN1控制，控制器只需要改變IN1引腳上PWM信號的占空比就可以調整電機轉速。
3 節氣門驅動控制單元軟件設計
3.1 系統主程序流程圖
實時控制軟件由3部分組成：節氣門電機驅動子程序、節氣門位置信號采集子程序以及PID控制子程序。程序流程圖如圖9所示。
3.2 PID控制算法
本研究中采用PID算法實現電子節氣門的控制，設為抽樣序號，為抽樣周期，離散化PID算法的控制輸出為：
（1）
式（1）中，為時刻的控制器輸出，是時刻設定值與反饋值之間的誤差，、、分別為控制器的比例、積分、微分系數。PID控制中，、、三個系數非常重要，較大的可以增加系統的相應速度，減少系統靜態誤差，但是如果取值過大，系統容易出現較大超調，甚至出現震蕩等現象。越大，系統的超調量越小，系統更加穩定，但是消除系統靜態誤差的速度會降低。增加會加快系統響應速度，但抗干擾能力會受到影響。
4 實驗測試
進行了兩組波形信號跟隨實驗和兩組階躍信號跟隨實驗，以驗證設計的拖拉機電子節氣門控制系統的性能。
圖10和圖11先是了階躍信號跟隨實驗的實驗結果。電子節氣門的開度從5%增加到95%，需要8個控制周期，系統的穩定時間需要160 ms。當目標開度設定在95%，設計的電子節氣門實際開度在94.5%～95.5%之間波動，穩態誤差大約為1%。電子節氣門的開度從95%降低到5%時，需要10個控制周期，系統的穩定時間需要200 ms，從圖11中可以看出，穩態誤差也較小（
圖12和圖13分別顯示了正弦波和三角波的跟蹤實驗結果。從圖中可以看出，設計的電子節氣門實際輸出與設定的期望曲線之間有較好的重合度，誤差較小，說明實際的節氣門開度輸出能較好第跟隨設定的開度曲線。
5 結論
針對農用拖拉機的具體應用，采用單片機設計了一種電子節氣門的控制系統，給出了詳細的軟硬件設計方案，并進行了4組實驗。實驗結果表明，設計的電子節氣門控制系統具有較快的相應速度、較低的系統誤差，能滿足農用拖拉機的實際需求。
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