时间：2022-03-14 14:02:57
导语：在永磁传动技术论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
【关键词】微型汽车；动力系统；改装
0 引言
微型纯电动汽车具有无污染、低噪声、小体积、低速度和易驾驶等优点，是解决能源危机和环境污染的重要途径，已成为当今研究的热点[1]。它能够穿梭于城市的各种道路，最高时速一般为 50km/h，因此微型纯电动汽车作为代步或教学工具是相当合适的，不仅适合上班族的快速交通需要，也能为普通人短距离慢速交通提供方便。它的总体开发主要有两种方式，即改装和全新设计，但由于技术上的制约，我国对微型电动汽车的研究绝大多数建立在改装车的基础上，并且对电动汽车改装方面的研究还不够深入，有些文献只是从理论上分析，没有路面试验，因此，本文在介绍电动汽车改装理论的基础上，进行了将大众桑塔纳轿车改装为纯电动轿车的工作，并对改装车进行了路面性能试验。
1 微型电动汽车的发展现状
微型纯电动汽车已成为国外市场、商业化的轻型纯电动汽车新品种。在日本，微型电动汽车享有不用年检、不用车位证，还有停车优惠的政策，并且日本有一些企业和社区内还设置了微型纯电动车的停放站，一般会停放着二三十辆微型纯电动汽车，使用者打卡就能够开走车，用完汽车后放回停放站车子就可以充电，因此拥有不错的市场。在美国，微型纯电动汽车电机额定功率一般为3-7.5kw，最高速度为60km/h，续驶里程为50-80km，只能用作城市内街道和社区交通、高尔夫球场和特殊场合，不能上高速公路[2]；在欧洲，纯电动汽车经过十几年的发展，已经在欧洲各国尤其是在政府部门当中拥有大量的用户。但商业化进程缓慢，原因是没有成功地解决续驶里程问题，而且各大汽车厂商发展电动汽车的热情明显不如日本和美国，其注意力更多地转向了其它新能源车的开发和发展。
我国电动汽车的研发也有一定的历史，基本与国外处于同一起跑线。“十五”期间，国家设立“电动汽车重大科技专项”，目的就是通过组织企业、高等院校和科研院所等方面力量进行联合攻关从而维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力。中国加人WTO后，国内企业将面对开放市场和经济全球化的压力和冲击，中国汽车工业更是面临严峻挑战，要在电动汽车产品上与国外开展竞争，就必须通过技术创新和组织管理创新，以高新技术带动传统汽车工业，在新一代汽车技术上取得突破， 实现我国工业的跨越式发展[6，7，8]。目前，我国的部分高校、汽车研究所以及生产企业正在联合开发充电电池和纯电动汽车，已取得了一些成果。根据国情，我国企业还开发了各种形式的微型纯电动汽车，如“Micro 哈里”，它是由清华大学与清能华通共同研发，采用了自主研发的新型四轮智能驱动技术和高性能锂离子动力蓄电池，百公里能耗低，续驶里程大于120km，最高车速 65km/h。2010年7月，清华大学、常州市政府及润物控股有限公司签订协议，在常州共建微型纯电动汽车试运行示范基地，以推动微型纯电动汽车的产业化发展。
2 改装电动车的总体方案
设计中将原有大众桑塔纳汽车的发动机系统、传动系统、电器及控制系统、仪表板及相关附属件拆除，保留变速箱、行走、转向和制动系统。为减轻车重，将车壳去掉，改敞蓬。电动汽车总体布置如图1所示。
图1 电动汽车总体布置图
图1 为微型纯电动汽车的总体布置图，从图中可以看出，微型纯电动汽车的动力系统主要由电气系统和机械传动系统两部分组成，其中电气系统主要由蓄电池组、电动机及其控制器组成；机械传动系统主要是由变速传动装置以及驱动车轮构成。动力系统的控制器可以根据制动踏板和加速踏板输入的信号，发出相应的控制指令来控制功率转换器。功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流，控制功率电路的功率输出，实时控制驱动电机的转速和转矩，然后电机输出的动力再通过变速器传动装置，驱动车轮按驾驶员要求行驶[3]，因此选电动机及控制系统是设计的关键。
3 微型电动汽车动力系统的设计
3.1 电动汽车电动机的选择
本次设计选用了三种类型的电动机，即有刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁无刷直流电动机。
（1）有刷直流电动机。其优点是控制简单、技术成熟，但其过载能力与转速提升能力不足。如长时间运行，要经常维护，更换电刷和换向器，而且转子散热条件差，限制了电机转矩质量比的进一步提高。由于上述缺陷，在新研制的电动汽车上已不采用。
（2）开关磁阻电动机。其结构上省去了转子上的滑环、绕组和永磁体等，是一种新型电动机。具有维修容易，可靠性好，易冷却，调速范围宽，控制灵活等特点，而且效率比交流感应电动机高，但由于其具有较高的非线性特性，驱动系统复杂，输出转矩波动大，功率变换器的直流电流波动也大，因此需要在直流母线上需装一很大的滤波电容，不符合本文汽车改装方案的设计要求。
（3）永磁无刷直流电动机。由于利用了电子换相器取代了传统的机械电刷和机械换相器，因此结构简单、无机械磨损、运行可靠。同时还具有调速精度高、高效率、高启动转矩等优点[4]，是一种高性能的电动机，而且永磁无刷直流电动机无换向火花和无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便，具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中有很好的应用前景。
经过上述三种电动机优缺点的比较以及性能的分析，采用永磁无刷直流电动机作为本次电动汽车改装的动力机较合适。
3.2 电动汽车用电动机的参数选择
（1）电动机的额定功率
由于改装用于研究或代步工具使用，设计时速为最高40公里/小时，电机的额定功率，公式为：
根据上述设计计算的电动机的额定功率和额定转速，选择额定电压96伏，额定功率5kW，额定转速为3000r/min的永磁直流无刷电动机较为合适。
3.3 对电池的选择
本次设计选用铅酸电池，其可靠性高、原料易得、价格便宜，是电动汽车储能动力源中较为成熟的一种，而且它的比功率基本上能满足电动汽车加速和爬坡要求。电池容量的选择主要考虑最大输出功率和输出能量，其中电池单节容量为150A・h，电压为12V，尺寸为300×170 ×210mm，电池数目为8节，以保证电动汽车的动力性和续驶里程。
4 结论与展望
我们对改装后的微型纯电动汽车进行了路面行驶试验，其最大行驶里程45km，最大爬坡度15%，最大速度大于25km/h，可作日常代步或教学工具。本次改装试验说明利用普通汽油车改微型纯电动汽车方案可行，稍加改进就可应用于人们的日常需求，实现日常代步，同时也减少了废气污染，减轻了能源危机。
但本文的方案设计还有许多需要改进的地方，如动力系统系统，它是微型纯电动汽车的关键系统，关乎微型纯电动汽车整车的动力性能，详细叙述如下：
（1）本文只对动力系统的主要部件电动机、蓄电池和改装车整体结构选型进行了设计分析，没有涉及到动力系统的具体部件及电路方面的设计分析，对动力系统的具体部件和电路加以设计分析是后续研究工作的重点。
（2）在微型电动汽车改装过程中，由于受原车结构及蓄电池性能的影响，电动汽车的整车动力性能仍存在缺陷，以后的工作中应继续对整车结构和蓄电池的布置进行优化，提高整车的动力性能。
（3）本文对微型纯电动汽车动力系统只是进行了初步布置设计，对动力系统在整车上进行详细的布置设计，并建模型分析动力系统布置对车架受力的影响，以及对整车舒适性的影响将是下一步应该进行的工作。
【参考文献】
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涤纶短丝装置是上海石化股份公司涤纶部西区的一个主要装置，共有六条生产线，设计单线产量为1.5万吨/年。前纺电气传动采用德国AEG公司SEMIVERTER变频器及永磁同步电动机，后纺采用直流电动机长轴传动。该纺丝装置是我国80年代初自己设计、自行制造的大型生产装置，虽然建成初期创造了一定的经济效益和社会效益，但是由于受到历史条件的局限，出现了一些先天性不足，产品的种类和单耗达不到部颁标准，不能适应市场的需要，为此在原一号线位置上改造、引进了一条3万吨/年涤纶短丝生产线(简称新生产线)，电气传动采用德国西门子6SE70系列变频器和永磁同步电动机(前纺)、异步电动机(后纺)。本文就共用直流母线多逆变器调速系统在纺丝线上的应用作一些探讨。
2 合成纤维纺丝机变频调速系统发展概况
合成纤维纺丝机变频调速系统发展大致可分为3个阶段:
(1) 大变频器调速 由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机。电动机可逐台起动或分组启动。优点是系统简单、控制方便，可保证多电机同步运行。缺点是变频器容量必须选用很大;单台电动机短路故障有可能引起变频跳闸，造成整台纺丝机停车。
(2) 多台小变频器驱动 每台电动机均有一台小变频器驱动。对比大变频器驱动，优点有:a)、一台变频器驱动一台电机，可以实现软起动，变频器容量基本与电动机相同;b)、当某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转。缺点是:a)、总设定、总启动需另加调节环节;b)、几台变频器输出频率会有离散性，为达到转速同步，需加串行通信接口。
(3) 共用直流电源多台小逆变器驱动 采用共用直流电源多台小逆变器驱动。除了保持小变频器拖动的特点外，更重要的是可以实现再生发电制动，也可防止电网瞬时低电压(含瞬时失电)带来的停役故障。
3 涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求及对原有拖动系统的分析
(1) 涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求
纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。
四高:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步);高精确性(转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%);高转速或甚高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min);高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000小时)。
一少:即少维修或免维修，无须照看。在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压(或瞬时失电)，引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。
(2) 原有电力拖动系统的优缺点
原1.5万吨/年短丝直接纺装置的变频器属于第一代变频器，即一台变频器驱动多台永磁同步电动机，此类变频器在技术上采用公用换流环节，具有辅助充电装置的换流电路。优点是:a)、即使直流电压很低时也能可靠换流。b)、在短时间内数倍额定电流(最大为3倍)时，也能可靠换流。c)、变频器由空载状态到负载状态时，能够迅速抑制起动电流的极限值。但变频装置在运行中尚存在以下不足之处:a)、短丝装置由于多台电动机共用一台变频器，无法实现软起动，所以选用时既要考虑到最高频率时直接起动，又要考虑到若干台电机高速运转时，某一纺位故障排除后又继续投入运行，因此变频器容量不得不选用偏大。b)、纺丝机故障停台率偏高。但因变频器不能承受电网瞬时低电压(含瞬时失电)，而由于雷电、电缆接地故障及开关倒闸操作，定会出现瞬时低压现象，造成变频器停役，致使整台纺丝机停产，酿成巨大损失。c)、无法实现再生发电制动。后纺采用直流拖动，电动机维护和保养很麻烦，牵伸比调节也很困难。
4 前纺装置变频调速系统特点分析(由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统)
新生产线的前纺部分变频调速系统如图1。前纺装置变频调速系统主要是由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统组成，前纺装置的主要改进是电源系统采用UPS(西门子System4233，330kVA)供电。
正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向32台计量泵电机(永磁同步电动机)提供可变频交流电源。装置控制采用集散式数字工艺控制系统(DCS)和微处理机网络系统，在两台逆变器之间用PLC加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了32台计量泵电动机转速的绝对同步。与原生产线相比，虽然一次性投入较大，但可确保在瞬时低电压(含瞬时失电)时，计量泵可正常工作，提高经济效益。在前纺调速系统中，32台计量泵电动机、7辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。
5 后处理装置变频调速系统特点分析
后纺装置的变频调速系统如图2。后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。电动机则采用大功率的异步电动机。共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。与原生产线相比有如下优点:
(1) 采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大(如第二牵伸机电动机为400KW)，电能节约也相当可观。另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。
(2) 涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。涤纶部原短丝装置的后纺拖动由一台功率较大的直流电动机拖动一根机械长边轴，再带动各道牵伸辊、紧张热定型辊等。直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。另外采用长边轴传动，若要改变生产品种，则牵伸比的调节较困难，并且精度也达不到要求，这样势必会影响产品质量、品种翻改以及高附加值产品的开发。新生产线采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。从投产后的生产情况分析，生产的涤纶短纤维品种增加(其中1.33dtex有光缝纫线销量占全国销量的1/2以上)、质量提高、单耗下降，停车故障大幅减少，经济效益显著。
叠丝机、卷曲机也采用共用直流母线多逆变器调速方案，只是功率较小，不再讨论。切断机则为独立变频器，和一般变频调速原理相同，在此不再展开。
6 结束语
(1) 如上所述，共用直流母线变频调速技术是可靠的，虽然一次投入较高，但每年可以减少停车2~3次，按一条3万吨/年生产线计算，可减少PET放流8~12吨，同时还可避免因停车造成的纤维质量波动(一次停车将影响144~216吨纤维的质量稳定性)，如此计算不用几年就可收回改造费用。
(2) 由于采用共用直流母线变频调速技术，使整体生产条件处于稳定状态，从而给改变产品规格、调整工艺参数带来极大便利。过度时间短，废丝少，工艺调整精确。
(3) 从新生产线实际运行情况看，共用直流多逆变器调速系统在涤纶短纤维的生产中优势突出，代表了纺丝机拖动的发展方向。但在后纺部分仍不能完全排除电网失电对变频器的影响，如变频器一旦停役会使正在牵伸的一段涤纶丝(约100m)报废。改进方法可采用两个独立的交流电源供电，分别经整流器整流后送至共用直流母线(需用二极管隔离)，一旦失掉一路电源，仍有另一路交流电源支持，不会停车。另外，前纺卷绕纺丝装机容量196kW，UPS输出容量330kW，实际使用的容量较小，需要注意。
参考文献
[1] 刘亮喜. 化纤纺丝机的变频调速系统[J]. 电世界， 1998，(8):10-11.
摘 要：滚压成型具有坯体质量好、操作简单的优点，现广泛应用于各类日用陶瓷产品的加工。而现有的陶瓷滚压成型机普遍存在加工高度、口径受限和智能化不足的问题。针对这些问题，本文设计了一种新型数控陶瓷滚压成型机，对模头的横向运动与竖向运动作精准控制，并扩大控制范围，突破了脱模时产品高度与口径的限制。同时，新型数控陶瓷滚压成型机改进传统的传动结构，引入数字化系统，实现生产上的智能化。通过样机的制作与测试，验证了本设计在生产实际中对提高产品质量和提高生产效率上的优势。
关健词：陶瓷；滚压成型；横向运动； 竖向运动；数控；智能
1 引言
随着社会的发展，陶瓷胚体成型从手工（手拉）方式、手工注浆到高压注浆[1]，发展到滚压成型以及冲压成型等，这是历史发展不同陶瓷器型不同工艺技术的需求。手工方式是最为传统的工艺，具有收藏价值，但生a效率最低。手工注浆方式解决了一部分手工难以完成的器型，但采用极稀的瓷泥，烧成收缩率难以控制。高压注浆方式在手工注浆的基础上利用气压推压陶瓷泥在模具中成型，因瓷泥不用很稀，生产机械简单，所以成为目前生产主流，但由于采用相对比较稀的陶瓷泥，胚体成型时间较长，烧成收缩率变化也比较大，也局限一部分餐盘类的形状，且必须有一定数量的模具。冲压成型方式是利用钢模和冲压模头冲压瓷泥成型，虽烧成率有所提高，但机械成本高，目前仅局限于国外少数厂家。滚压成型[2]方式，顾名思义就是利用轴的转动和机械压力使瓷泥在模具中成型，能做到批量生产，且可以采用比较硬（含水率低）、烧成率高、烧成率变化少的瓷泥，目前是厂家采用得较为主流的陶瓷成型方式。
2 陶瓷滚压成型机的背景及现状分析
2.1 背景技术
目前，市场上的陶瓷滚压成型机的模头行程是按弧度运动压入模母或脱离模母，这种机械在生产时局限于一定胚体高度和产品口径，且效率相对低。本设计提供了一种新型数控陶瓷滚压成型机，包括设有支腿的工作平台，在工作平台上固定四根垂直台面的光轴，在光轴上套接有沿光轴上下滑动的升降平台，升降平台的下方设有控制其升降的伺服动力总成，在升降平台上固定的传动箱两端分别与步进伺服电机、模头电机连接，模头电机的输出轴设有模头，垂直于工作平台的台面，模头与置于工作平台上方的由平台下电机驱动模母配合。本设计针对现有滚压成型机械存在的问题改进，对模头的横向运动与竖向运动作精准控制，且控制范围大，保证模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制。
2.2产品现状分析
陶瓷滚压成型机较其他类型陶瓷机械具有许多显著的特点，如成型坯体强度大且结构均匀、寿命长、操作简单等，使其在碗、盘类等日用陶瓷产品的生产中得到了广泛的应用，可以说我们日常生活所用到的日用陶瓷品绝大多数是使用陶瓷滚压机所生产的。因此陶瓷滚压成型机是陶瓷工业的重要组成部分，陶瓷工业的发展离不开先进陶瓷滚压成型机的研发[3]。
目前，陶瓷滚压成型机已经具有很多先进的半自动和自动滚压生产线，但设计的机型均对模头和产品有所限制，难以进一步提高滚压成型机的数字化控制。贵阳市新航铸造材料科技开发有限公司的毛晟发明了一种陶瓷滚压成型压模装置[4]，具体包括机架、电机、凸轮机构、压模机构、升降机构和刹车机构等等。该装置具有结构紧凑、生产效率高、操作维修方便、造价便宜的优点；但其存在着明显的不足：利用凸轮控制压模杠杆做圆弧运动，存在只能生产局限于胎体高度低口径大的产品；凸轮机构长时间高强度运转，机械磨损较大，准确度低，产品一致性差；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；机器各项参数偏于固定，难以修改。
苏家伟发明的一种陶瓷滚压成型双头压模装置[5]，其包括机架，机架上设有链传动机构、凸轮机构、升降机构和压模机构，链传动机构的传动链上设有若干工位，每个工位上设有一对座圈，该装置结构紧凑，能有效地提高生产效率。但其仍存在以下不足：利用升降机构控制模头，仅能实现纵向调整，不能横向调整，不利于模头与成型产品的脱离；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；未能实现数字化控制，产品器型较为单一。
徐立华发明的TGC350-K滚压成型机为较高科技、较高效率、低成本的机型。其采用永磁电机实现无级变速，主轴、滚头轴与电机轴合二为一，主轴运动电器控制，转速数字显示，但是实现起来非常困难[6]。
2015年新型涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种陶瓷滚压成型设备；实用新型的陶瓷滚压成型设备，包括主机座、主机架、支撑横梁、第二碾压部件、驱动部件和第一碾压部件；所述第一碾压部件旋设于所述驱动部件上；所述第二碾压部件包括固定座、主导向杆、旋转调节件、调节手柄、锁定部件、下端压板、传动垫片和压缩杆等[7]。
3 陶瓷滚压成型机的改进方案
3.1机械原理分析
由于陶瓷滚压成型具有成型坯体强度大、操作简单和自动化等优点，使其大量地应用在碗类、盘类等日用陶瓷品厂中。但是目前厂家采用的主流陶瓷成型机仍在成型坯体高度和尺寸上有很大的局限性，其具体原理如图1所示：利用电机带动凸轮使主轴按凸轮的形状作弧形运动，同时模头作滚动压入模母的瓷泥到位，然后滑块运动使模头在模母中作一次往返运动才能使模头脱离成型好的胚体。但目前这种机械生产的产品仅局限于一定胚体高度和产品口径，否则当模头成型后要脱离模母内的胚体总是要破坏胚体的嘴口边缘，所有的动作是按照凸轮的形状作弧形运动，调节比较麻烦，滑块运动行程也仅能作1 ～ 2 cm的范围往返刚好能脱模而已，能够成型的产品也局限于胎体高度低口径大的产品。
我们创新的滚压成型机工作原理如图2所示：模头可根据需要自由进行横向和纵向运动，这样模头的运动无论上升或横向均是直线的，使模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制，大大扩大产品的形式。
3.2产品构型设计
如图3所示，这种新型数控陶瓷滚压成型机，主要包括工作平台12、控制器1、伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4、步进伺服电机7、传动箱8和升降平台9。模头电机4的输出轴垂直于工作平台12的台面，模头电机4的输出轴上设有模头6，模头6与置于工作平台12上方的模母5配合，模母5通过置于工作平台12下方的模母电机3驱动。
为了实现自动调整，并且在调整中保证进给的稳定性，设有控制器1，控制器1分别与伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7电连接。利用控制器1中的电路板上的通路及开关来控制伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7间的电流输入量，实现对电机的运转速度以及运转量的调整，从而完成整个装置的数字智能控制[8]。同时，对于模母电机3和模头电机4是直接作用在加工的陶瓷a品上，要求运转速度快，而且稳定，因此采用高速磁电机，同时模母电机3和模头电机4具有同步控制器，保证两者能够同步运转；对于步进伺服电机7，需要精确控制模头及升降平台的移动距离，因此采用伺服电机，可以正反向运转，而且控制精确，整个装置运行低噪音，低耗能[9]。
本成型机在具体加工时，利用控制器1的微调操控，对驱动电机2-1、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7进行速度及起停的控制，保证模头6高速旋转的同时，能够垂直升降，并且左右水平进给，保证模头的运动无论上升或横向均是直线的，最终在进模或脱模时，避免对陶瓷边沿产生损坏。
4 样机实验测试
为了保证设计方案的可行性可体验实际使用效果，在完成设计方案后做出了产品的样机（如图4）。为了保证实验的准确性，在测试过程中进行了大量的实验，根据实验数据的样本均值，分析了陶瓷坯体口径深度比为0.6 ～ 1.0时，传统滚压成型机与新型滚压成型机在不同滚压深度下新方案与传统方案在效率、抗折强度、烧结收缩率、烧成率等方面的优劣。
表1中的实验数据表明：
当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机与传统的滚压成型机在生产效率上是相同的 。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。
当陶瓷坯体的滚压深度6 cm
当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机比传统的滚压成型机的生产效率提高了100%。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。
表2中的实验数据表明：
新型滚压成型机比传统滚压成型机的生产噪声低了4～5 dB。同时，新型滚压成型机比传统滚压成型机的耗电量每单位低了2 kwh。
5 结论
本论文设计研制的智能陶瓷滚压成型数控机与传统滚压成型机相比，具有结构简单、切削力大的优点。通过模头控制装置的改进，使模头可以作横向和纵向双向运动，生产产品不受高度与口径的限制，适用陶瓷器型更广；通过改进伺服系统对模头进行精准控制，且控制范围更大。通过改进机器的电机及密封系统，使其运行噪音和能耗降低，更加环保。经过生产实验，采用本设备滚压成型深度大于10 cm的陶瓷坯体时，其生产效率比传统设备提高约1倍。本设计在完成样机测试后与当地厂家进行了合作，应用前景得到了普遍看好。相信随着产品的后续开发应用，对现有陶瓷行业的发展会有良好的推动作用[10]。
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关键词：电子节气门 控制系统 C8051F020 农用拖拉机
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0109-03
传统的节气门采用机械控制方式，加速踏板与节气门之间采用拉索或拉杆连接，驾驶员通过加速踏板控制节气门的开度。这种方式能够较好地实现按驾驶员的驾驶意图控制发动机的工作状态，但是发动机的运行状态与拖拉机的实际情况之间很难得到最佳匹配。
电子节气门控制系统通过微处理器、传感器以及各类驱动装置实现节气门与加速踏板之间的无机械连接，这种连接方式兼顾驾驶员的加速意图、发动机的运行状态、拖拉机的工作情况，对节气门的开度进行智能控制，保证发动机工作在最佳的状态，能提高拖拉机的安全性、动力性和舒适性。
尽管电子节气门有诸多优点，但目前还只是用在家用轿车上，在农用拖拉机上的应用还比较少见。随着农业现代化的不断推进，对农用拖拉机的驾驶舒适度、性能的要求会越来越高，将先进的电子节气门控制技术引入拖拉机产品成为必然。本文设计了一种基于C8051F020的电子节气门控制系统。
1 电子节气门控制系统组成
1.1 电子节气门体
电子节气门主要包括驱动电机、阀片、节气门位置传感器复位弹簧以及齿轮机构等。通常用于电子节气门的是永磁有刷直流电机，电机转轴与节气门转轴之间的传动比为2∶1。图1和图2显示了电子节气门的实物图和机构示意图。
由图可知，在电子节气门中，节气门和驾驶踏板之间不再使用机械部件进行连接，驾驶踏板只是用来检测驾驶员的驾驶意图，节气门的控制过程则完全由控制系统实现。控制系统首先根据加速踏板的信号对驾驶员的驾驶意图进行分析，从而得出合适的控制策略，对节气门的开度进行调整。
1.2 电子节气门控制系统
由上述分析可知，电子节气门控制系统的作用就是根据驾驶踏板的角度对节气门的开度进行控制，属于一类单输入单输出的控制系统，其结构如图3所示。
当驾驶员操作加速踏板时，加速踏板位置传感器输出节气门开度信号，以此信号作为控制系统的参考信号。控制系统将此参考信号通过CAN总线送给整车控制单元，由整车控制单元综合分析驾驶员的驾驶意图、发动机运行情况、汽车的运行情况，采用一定的控制策略，计算出合理的节气门开度，再通过CAN总线返回给电子节气门控制系统。最后又控制单元将期望值与当前实际的开度反馈值进行对比分析，根据预定的控制策略对电机的转动角度进行调整，实现节气门开度的跟随。
1.3 驱动控制单元组成及工作原理
在电子节气门中，节气门的期望开度除了与加速踏板的位置有关，还与车辆行驶工况等有关，因此期望开度的计算一般由整车控制单元综合考虑各种信息后通过一定的控制策略给出，并通过CAN总线送给电子节气门控制系统。本文主要研究驱动控制单元的电路设计以及控制策略的实现。
图4所示是驱动控制单元的结构框图。直流电机的电流方向发生变化，便可对节气门开度增加、减小进行切换；直流电机通电时间不同，电机转动的转角也会有变化，通过这种方法便可控制节气门开度的大小。节气门位置传感器的输出电压随节气门的位置变化而改变，可以用作驱动控制单元的反馈信号。
2 硬件系统设计
2.1 节气门位置测量电路设计
图5分别显示了电子节气门的电路原理图以及引脚位置图，共有6个引脚，其中4个是节气门位置传感器的信号线和电源线，2个是电机的电源线。
设计的电路如图6所示。由于系统所用电源为+5V，C8051F020自带AD的输入电压范围为0～2.5V，因此先设计一电压跟随电路，实现阻抗转换，再利用0.1%高精度电阻实现分压，将0～5V信号电压衰减为0～2.5V。
2.2 电机驱动电路设计
在拖拉机行驶过程中，不可避免的需要增加、减小节气门的开度，因此电子节气门中的直流电机需要有正转和反转两种工作状态。为了实现这一功能，需要采用H桥电路实现PWM驱动，图7显示了H桥的工作原理。
图7中，Q1和Q4构成一对开关，Q2和Q3构成一对开关。同一对开关必须同时导通、同时切断，不同对的开关不能同时导通。当Q1和Q4导通时，电流沿着图7中的A方向流过电机，电机正转，当Q2和Q3导通时，电流沿着图7中B方向流过电机，电机反转。
本研究采用MC33886专用芯片设计H桥驱动电路，具体电路如图8所示。OUT1引脚上的输出电压有IN1引脚上输入端PWM信号决定，由于IN2接地，输出引脚OUT2上的电压始终为0。OUT1和OUT2之间的压差受IN1控制，控制器只需要改变IN1引脚上PWM信号的占空比就可以调整电机转速。
3 节气门驱动控制单元软件设计
3.1 系统主程序流程图
实时控制软件由3部分组成：节气门电机驱动子程序、节气门位置信号采集子程序以及PID控制子程序。程序流程图如图9所示。
3.2 PID控制算法
本研究中采用PID算法实现电子节气门的控制，设为抽样序号，为抽样周期，离散化PID算法的控制输出为：
（1）
式（1）中，为时刻的控制器输出，是时刻设定值与反馈值之间的误差，、、分别为控制器的比例、积分、微分系数。PID控制中，、、三个系数非常重要，较大的可以增加系统的相应速度，减少系统静态误差，但是如果取值过大，系统容易出现较大超调，甚至出现震荡等现象。越大，系统的超调量越小，系统更加稳定，但是消除系统静态误差的速度会降低。增加会加快系统响应速度，但抗干扰能力会受到影响。
4 实验测试
进行了两组波形信号跟随实验和两组阶跃信号跟随实验，以验证设计的拖拉机电子节气门控制系统的性能。
图10和图11先是了阶跃信号跟随实验的实验结果。电子节气门的开度从5%增加到95%，需要8个控制周期，系统的稳定时间需要160 ms。当目标开度设定在95%，设计的电子节气门实际开度在94.5%～95.5%之间波动，稳态误差大约为1%。电子节气门的开度从95%降低到5%时，需要10个控制周期，系统的稳定时间需要200 ms，从图11中可以看出，稳态误差也较小（
图12和图13分别显示了正弦波和三角波的跟踪实验结果。从图中可以看出，设计的电子节气门实际输出与设定的期望曲线之间有较好的重合度，误差较小，说明实际的节气门开度输出能较好第跟随设定的开度曲线。
5 结论
针对农用拖拉机的具体应用，采用单片机设计了一种电子节气门的控制系统，给出了详细的软硬件设计方案，并进行了4组实验。实验结果表明，设计的电子节气门控制系统具有较快的相应速度、较低的系统误差，能满足农用拖拉机的实际需求。
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