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一、永磁同步電機應用于電梯驅動技術

永磁同步電機無齒輪傳動系統采用正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)，由于其減少了變速箱以及齒輪機械結構，減小了體積。論文參考網。同時永磁同步電機較之于以往交流異步電動機，應用于電梯拖動系統時有以下幾個特點:

1、永磁同步電機機械噪音小，轉矩波動小，轉速平穩，動態響應快速準確。同步電動機比異步電動機對電壓及轉矩的擾動有著更強的承受能力，能做出比較快的反應。異步電動機當負載轉矩發生變化時，電機的轉差率也發生變化，轉速也就隨之變化，這樣電機的轉動部分的慣量就會阻礙電機做出快速的反應;而同步電機當負載轉矩發生變化時，只要電機的功角做出相應的變化，而轉速維持在原來的轉速，這樣電機轉動部分的慣量就不會影響電機的快速反應。

2、相對于傳統有齒輪傳動系統，以永磁同步電機為主要技術的無齒輪曳引技術實現了無機房化，降低了建筑面積，整個電梯系統的成本降低，維護方便，減少了機械傳動系統，噪音降低。

3、體積小，重量輕，隨著高性能永磁材料的應用，轉子無需勵磁，相對于異步電機減少了變速用的變速箱，所以永磁同步電機功率密度不斷增加，比起同容量的異步電機，它的體積，重量都要減小許多。

4、損耗小，效率高，永磁同步電機相對于異步電機無需勵磁電流，無功電流分量，顯著的提高了功率因數;由于高性能永磁材料的應用，提高了磁負荷，在相同功率的情況下，在設計過程中可以相應的減少電負荷，這樣隨之減小定子電流和定子銅耗。轉子采用表面磁鋼形式，在穩定運行時無轉子銅損提高了效率。

5、性能價格比高。論文參考網。隨著電力電子技術的成熟，電子器件的價格的降低，人們越來越多得用變頻電源來驅動永磁同步電機，這就使整個驅動系統的成本不斷降低。

二、國內外電梯驅動用永磁同步電動機的發展現狀

國際上對電梯驅動用永磁同步電動機的研究己經進行了多年。從上世紀90年代起，電梯行業內的有關企業就開始了對電梯驅動用永磁同步電機的探索。日本三菱公司首先在高速電梯曳引機上使用永磁電機，提高了電梯的運行性能。日本在永磁電機應用于電梯的研究也己經進行了多年，并且取得了很大的成績，其中以日本安川為代表的一些企業己經生產出了此類產品并獲得了應用。他們在控制方式、轉子位置檢測、驅動變頻器及電機本體設計等方面己經有了很多產品且申請了相關的專利。其產品經過實際測試，得到了國內同行的高度評價。論文參考網。東芝公司外旋轉無齒輪永磁同步電動機曳引機的曳引輪與電機成為一體，實現了小型化、輕量化。

三、永磁同步電動機的分類

永磁同步電機按主磁場方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式;按電樞繞組位置的不同，可分為內轉子式(常規式)和外轉子式;按轉子上有無起動繞組，分為無起動繞組的電動機(用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調節轉速，常稱為調速永磁同步電動機)和有起動繞組的電動機(可在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產生的異步轉矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機);按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動機(簡稱無邪}J直流電動機)和正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)。永磁同步電機無齒輪傳動系統采用的正是正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)。

四、變頻調速永磁同步電動機的設計要求

由于采用變頻器對電機實行變頻變壓調速時，經變頻器輸入電機的電源是一個含有大量諧波分量的電壓或電流發生源，它對電機的性能產生很大影響，主要表現在:電機振動、電磁噪聲、損耗增大、起動轉矩下降，溫升升高等現象，而電梯的運行恰在這幾方面要求比較嚴格，為此必須有針對性地采取措施。

（一）電動機低速平穩性的改善

電動機服務于電梯傳動系統，因此對于運行的平穩性、動態響應性能和運行中的低噪聲提出了較高的要求，尤其是對電機低速運行的平穩性要求更為嚴格，因為低速平穩性是保證電梯電機性能的重要指標。影響電動機低速平穩性的主要原因是電動機低速運行時的脈動轉矩，該脈動轉矩通常分為兩種:一是由感應電動勢或電流波形畸變而引起的紋波轉矩，二是由齒槽或鐵心磁阻變化而引起的齒諧波轉矩。針對這兩種情況，減小電動機低速脈動轉矩的措施主要有以下幾點:

1、使電機空載磁場氣隙磁通密度的空間分布盡量接近于正弦形，以減少由諧波磁場引起的諧波轉矩以及由諧波轉矩引起的電磁振動。

2、合理選擇定子槽數，使在該槽數下采用繞組短距、分布的方法來有效地削弱高次諧波電動勢。

3、當轉子有槽時，應該選擇與定子槽數相配合的轉子槽數。

4、增大電機的氣隙長度，以減小氣隙磁場齒諧波及相應的齒諧波轉矩。

5、采用定子斜槽或轉子斜極削弱齒諧波電動勢，從而減少相應的齒諧波轉矩。

6、減小定子槽的開口寬度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽開口引起的氣隙磁導的變化，從而減小了氣隙磁場齒諧波。

7、采用阻尼繞組，以減小電樞反應磁鏈的脈動，可以有效地減少紋波轉矩。

8、增大交軸同步電抗，使凸極永磁同步電動機的交軸同步電抗與直軸同步電抗的差距增大，從而增加電機的磁阻轉矩，以增強電機低速運行時的輸出能力。

（二）電動機低速平穩定位轉矩的抑制

高精度的調速傳動系統通常要求系統具有較高的定位精度。影響永磁同步電動機停轉時定位精度的主要原因是電機的定位轉矩，即電機不通電時所呈現出的磁阻轉矩，該轉矩使電機轉子定位于某一位置。定位轉矩主要是由轉子中的永磁體與定子開槽的相互影響而產生的。

（三）提高弱磁擴速的能力

永磁同步電動機的勵磁磁場由永磁體產生，不像電勵磁同步電動機那樣可以調節，這樣在控制手段上就只能通過增大電機的直軸去磁電流以達到弱磁擴速的目的。

針對這一情況，對永磁同步電動機本身提出的要求是:

1、增大直軸同步電抗，以增強電機直軸電流的去磁能力。

2、選用抗去磁能力強的永磁體，并在電機結構上對永磁體加強保護，以避免永磁體發生不可逆性去磁。

3、充分利用電機的磁阻轉矩，使永磁磁鏈設計得較低，從而增強電機的弱磁擴速能力。

4、保證電機轉子具有適合高速運行的足夠的機械強度。

五、結論

永磁同步電動機和異步電動機不同，永磁體提供的磁通量和磁動勢隨著磁路的飽和程度、材料尺寸、電機的運行狀態變化而變化，而且由于轉子磁路結構形式多種多樣，不同的轉子磁路結構，其空載漏磁系數各不相同，對電機的性能有著重要影響。據有關人士預計，在2010年新增的電梯90%以上是由低速、大轉矩的永磁同步電動機直接驅動的無齒輪曳引電梯，永磁同步電動機在無齒輪曳引電梯中的應用將有很好的發展前景。

參考文獻:

[1]廖富全.基于DSP的永磁同步電機交流伺服控制系統[J]兵工自動化,2005,(03).

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Abstract： With the development of China's express delivery business blowout， a rapid growth in the number of logistics vehicles. In the context of energy constraints， environmental pollution， our government put the development of electric vehicles as a logistics solution to energy and environmental problems and realize the sustainable development of one of the major initiatives， the auto production enterprises will also electric car logistics as an important strategic direction grab the commanding heights of the auto industry in the future， the key components of the motor for electric vehicle logistics is currently using more ac asynchronous motor， permanent magnet synchronous motor and switched reluctance motor， the motor has advantages and disadvantages of each. From the angle of technological development， permanent magnetic motor will be a development trend. At the same time， from the point of automotive electrical installation convenience， etc， will be electric logistics hub motor car driving mode of the ideal.

Key words： electric automobile logistics； the motor； current situation and trend

動物流汽車是新能源汽車中發展較快的一個類型。新能源汽車用的驅動電機要滿足頻繁啟/停、加減速，爬坡或低速時能提供較大轉矩，在高速行駛時提供小轉矩高轉速，而且變速范圍要寬。由于新能源汽車車載能源為動力電池，容量有限，為獲得最大的行駛里程，大多數車輛都采用了能量回饋技術，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，并使電機處于發電狀態，將發出的電輸送到電池中[1]。因此，電動汽車的驅動機不能單純的稱為電動機，而應稱為電機。

科技部要求新能源汽車技術研發將重點圍繞電機驅動與電力電子、動力電池與電池管理等6個技術方向展開。考核指標為電機控制器峰值功率密度≥17kW/L，最高效率≥98.5%，匹配電機額定功率20kW至60kW，功能安全滿足ISO26262標準ASCIL C級的要求，設計壽命達到15年或40萬公里；裝車應用≥10 000套[2]。

1 電動物流汽車對電機的要求

與工業生產機械、家用電器等的電機相比，電動物流汽車用驅動電機的工作比較特殊：

（1）電機工況復雜：電動汽車經常啟停、加減速、上下坡等，電機的輸出轉矩和功率變化頻繁。

（2）電機在沖擊、振動的環境下工作：電動汽車的顛簸和振動都會傳遞給電機，此外，電機還要承受汽車在緊急制動、急轉彎、急加速時的慣性力。

（3）車載電源能量有限：電動汽車的電源能源是有限的，當能量用盡時，需要停止運行，進行充電或添加燃料來恢復其消耗的能量。

（4）電機本身也是負載：電機及其控制器本身的質量也是車輛質量的一部分。

與工業用電機相比，針對電動物流汽車的驅動特點所設計的電機有著特殊的性能要求：

（1）電動物流汽車驅動電機要滿足頻繁的啟停、加減速、轉矩控制的動態性能要求較高，電機要有自動調速功能，能減輕使用者的操作強度，提高駕駛的舒適性，并且控制響應能達到與燃油車油門踏板同樣的要求。

（2）在允許范圍內盡量采用高電壓，可減小電機和逆變器及其它裝備的尺寸。

（3）為了減少整車的重量，通常取消多級變速器，這就要求在低速或爬坡時，電機可以提供較高的轉矩，通常來說要能夠承受4～5倍的過載。

（4）調速范圍要寬，還需要在整個調速范圍內保持較高的運行效率。

（5）電機設計時盡量設計為高額定轉速，同時盡量采用鋁合金外殼，各種控制器裝備的質量和冷卻系統的質量等也要求盡可能小，有利于減少電動汽車的重量。

（6）電動汽車應具有最優化的能量利用，具有制動能量回收功能，再生制動回收的能量一般要達到總能量的10%～20%。

（7）電機工作環境較差，要求電機要有很好的可靠性、耐高低溫和耐潮性好、噪聲低運行，同時還要保證電機的制造成本低。

（8）為保證安全，需要安裝高壓保護設備。

（9）結構要簡單以便于維修，價格還要低廉。

2 電動物流汽車常用電機類型

直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機是電動物流汽車常用的動電機。直流電機應用最早，這種電機的特點是控制性能好、成本低，但其重量過大、效率低、電刷和滑環的存在增加維護成本，尤其是電刷的磨損會帶來安全隱患。

電動物流汽車對車用電機的要求不斷提出新的要求，隨著電控、機械制造和材料等技術的進步，交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機的性能將更為優越，是目前應用較為廣泛的電動物流汽車用電機。電動物流汽車常用電機的性能和優缺點比較及應用車型如表1、表2所示。

3 電動物流汽車用電機發展趨勢

3.1 永磁同步電機

由于永磁同步電機效率高、轉矩密度高、高效區寬、調速范圍寬、重量輕等優點，電機永磁化是未來電機的發展趨勢之一[4]。

3.2 輪轂電機

輪轂電機技術又稱為車輪內裝式電機技術，是一種將電機、傳動系統和制動系統融為一體的輪轂裝置技術。輪轂電機可采用永磁無刷、直流無刷、開關磁阻等電機類型。由于電機處于車輪輪轂內，受體積限制，要求電機為扁形結構，即電機短而粗。

輪轂電機具有：更方便的底盤布置，更靈活的供電系統，更好的汽車底盤主動控制性能，最優的驅動力分配等技術優點。

由于采用了電動輪驅動的形式，沒有了機械傳動系，使車廂的空間更大，底盤布置更靈活，底盤通用性增強。同時，汽車的電源供電系統無論是采用燃料電池、超級電容或者蓄電池，或者是它們的組合，都不受限制，原來的機械硬連接動力傳動形式也變為電纜進行供電的軟連接形式。

輪轂電機的控制響應快、精度高，并且每個驅動輪由各自的控制器控制，可以實現最理想的控制效果。輪轂電機也有比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關系，以及轉向時驅動輪的差速問等題，但從電機驅動技術的特點和發展趨勢來看，輪轂電機將是電動物流汽車最理想的驅動方式。

4 結束語

2015年，我國快遞業務總量達到211億件，同比增長54%，相比去年提高8%。隨著整個快遞業務量的爆發，物流車輛的增長數量也得到了快速增長。在能源制約、環境污染等大背景下，我國政府把發展電動物流汽車作為解決能源及環境問題、實現可持續發展的重大舉措之一，各汽車生產企業也將電動物流汽車作為搶占未來汽車產業制高點的重要戰略方向[5]。在政府與企業的共同努力下，我國電動物流汽車近幾年展現出良好的發展勢頭。電機作為電動物流汽車上的關鍵零部件，其技術、產品品質等還要提升，行業標準還不完善，整個行業還處于起步階段，關鍵技術方面還落后于發達國家。因此，加快新一代電機等技術研發，已成為我國“十三五”規劃的重點突破方向。

參考文獻：

[1] 李登辰. 輪邊驅動電動汽車高速齒輪系統的設計與研究[D]. 青島：青島科技大學（碩士學位論文），2014.

[2] 劉重才. 電動物流車放量催生電機需求[N]. 上海證券報，2015-12-10（A06）.

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前言

直線驅動器主要定位于高精密加工伺服進給領域，因此它的高響應、高效率和高精度三項技術指標一直是國內外學者重點研究方向[1]。傳統的直線驅動器一般均采用旋轉伺服電機驅動滾珠絲杠螺母副來實現，或采用液壓系統（氣動系統）驅動液壓缸（氣缸）來實現。

本文提出了一種內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器，通過自主優化的控制算法將永磁同步電機高功率密度、高效率的優良性能充分發揮，從而克服采用傳統旋轉伺服電機的直線驅動器結構復雜，外形尺寸大等缺點，并獲得更高的驅動精度以及可控性。

1 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器的工作原理和基本結構

永磁同步電機相對于其他類型的旋轉伺服電機具有功率密度高、效率高、調速平穩等特點，更適合用于高速高精密加工伺服進給領域。

內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器主要由驅動器殼體、前后端蓋、定子、轉子、位置傳感器、滾珠絲杠、滾珠螺母等組成。具體結構如圖1所示。

驅動器采用自然冷卻方式，前端蓋1和后端蓋8通過螺栓與驅動器殼體2連接，定子4固定于驅動器殼體2的內部；轉子5安裝在空心轉子軸7上，轉子5兩側安裝有平衡環11，轉子軸7通過過渡軸套12與前軸承安裝軸3連接成一個整體，轉子軸7、過渡軸套12和前軸承安裝軸3組成的整體通過前軸承14和后軸承10與前后端蓋連接。轉子軸末端安裝有位置傳感器9，用來實時采集轉子的位置，反饋給驅動控制器。調節螺母13用來調整前部軸承14的游隙。軸承安裝軸3前端與滾珠螺母15連接，滾珠絲杠6位于空心轉子軸7的內部。

轉子結構如下圖2所示，轉子沖片19經過疊壓后由鉚釘16進行固定形成轉子鐵芯，轉子鐵芯外部沿圓周分布有磁鋼17，定子鐵芯兩端裝有有轉子扣套18，用來固定磁鋼17。

圖1內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器結構圖 圖2 轉子結構圖

直線驅動器工作時，轉子帶動轉子軸、過渡軸套、前軸承安裝軸、滾珠螺母等一起旋轉，滾珠絲杠不旋轉，從而可以得到滾珠絲杠的軸向直線運動，通過改變轉子的旋轉方向來改變絲杠的直線運動方向。

2內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器的控制實現

空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)由于其直流電壓利用率高，易于數字化實現等優點，己廣泛應用于交流伺服系統的全數字控制系統中[2]。內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器采用三相電壓型功率逆變器作為功率驅動單元，其硬件結構如圖3所示。

圖3 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器硬件結構示意圖

圖中，C為系統主電容組，直接接于系統直流母線兩端，需根據系統電壓及負載考慮其匹配參數，用于穩定系統直流母線的電壓波動，保證驅動器正常工作。

主控制板作為直線驅動器的核心，通過CAN與系統部件進行通訊，通過A/D端口采集電機溫度、功率器件溫度和電機輸入電流等信號，通過I/O端口接收前進/后退，開啟/關閉、溫度設定等信號，經旋轉變壓器測量接收旋轉變壓器位置信號由旋變解碼芯片U4對其進行解碼后傳遞給電機運行控制芯片U3使用。U3測量驅動電機M1的電流值并根據U4返回的驅動電機位置值、系統提供的一系列信號輸出SVPWM矢量控制波形至相應驅動板以控制電機M1的運行。

對于永磁同步電動調速控制策略則采用矢量變換控制。矢量控制技術不論在電機的低速運行區還是高速運行區，其抗擾特性、啟制動特性、穩速特性均達到或者超過直流調速系統，尤其在高精度傳動系統中其調速范圍已達100000：1，因此，特別適合于交流伺服傳動系統的控制[3-4]。

圖4 內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器矢量控制框圖

如圖4所示為內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器矢量控制框圖，其控制過程為：

1)控制器接收來自上位機或數控系統的位置參考信號χ_Ref，與檢測元件檢測到的實際位置χ相比較得到位置偏差。為了減小偏差，位置調節器按實現設定好的調節規律(如PID控制、滑模控制等)，給出速度環參考信號v_Ref。

2)將速度環參考信號v_Ref與電機實際運行速度v進行比較，得到速度偏差。以速度偏差為輸入，速度調節器按一定的調節規律給出電流環的參考輸入i_Ref；

3)根據d、q軸電流偏差，經電流調：竹器調節得到參考電壓空間矢量的d、q坐標系分量；

4)經逆Park變換，將參考電壓空間矢量的d、q坐標系分量轉化為α、β坐標系分量；

5)經SVPWM變換，由參考電壓空間矢量的α、β坐標系分量調制輸出SVPWM波形，控制電壓型逆變器調制三相初級繞組的電壓，改變繞組電流。從而改變電動機的加速度、速度和位置。

進一步分析，采用矢量控制的直線驅動器構成了電流環、速度環和位置環的三環全數字反饋。電流環接受速度調節器的輸出，控制電流矢量的幅值和相對于定子磁場的位置，從而控制電動機的推力大小和方向；速度環則克服驅動器運行時受到自身推力波動、非線性摩擦力、負載變化以及參數時變的影響，使電機快速而準確地跟蹤位置環調節器的輸出；位置環則用于消除內環調節偏差及其他未知因素的影響，使驅動器準確跟蹤系統發出的位置指令，從而獲得預期的加工軌跡。

3結論

本文提出的內置永磁同步電機的滾珠絲杠直線驅動器，克服了現有的采用旋轉伺服電機驅動滾珠絲杠螺母副的直線驅動器結構復雜，外形尺寸大等缺點,并大大提高其驅動精度和可控性。通過對直線驅動器機械結構性能的優化設計，實現最佳慣量匹配,進而保證伺服驅動電機的工作性能和滿足傳動系統對控制指令的快速響應要求。通過對直線驅動器驅動控制算法的深入研究，實現由位置、速度和電流構成的三環反饋全部數字化、軟件處理數字PID，進而實現伺服進給系統運動的準確性以及靈活性。

參考文獻

[1]G. Brandenburg, S. Bruckl, J. Dormann, et al. Comparative investigation of rotary and linear moor feed drive systems for high precision machine tools．In：International Workshop on Advanced Motion Control, AMC．Nagoya, Jpn: IEEE，Piscataway, NJ，USA，2000，384-389.

[2]F. Blaschke. Principle of field orientation as used in the new Transvektor control system for induction machines, (Das Prinzip der Feldorientierung. die Grundlage fuer die TRANSVEKTOR-Regelung yon Drehfeldmaschinen)，1971，45(10).

篇4

優先原則：根據區塊實際特點，在保證油井最佳產能的前提下，優化參數設計、精確調整運行參數。

適用原則：通過現場適應性、實用性試驗，優選匹配最佳、節能效果最好的節能產品推廣應用，避免盲目引進。

主次原則：以節能電機為主，以節能控制箱為輔的原則，同時兼顧舊機型抽油機和普通舊電機的節能技術改造，充分合理發揮節能設備優勢，從而達到在較少資金取得較好的節能效果。

規模原則：節能拖動裝置在一定范圍內可降低電功消耗。

2.論證節能技術與試用驗證

2.1節能技術論證

一般用節能抽油機、控制箱等節能設備較多。篩選永磁電機、空抽控制器、低壓無功計量補償裝置等節能設備，并分段實施。

交流永磁電機 采用稀土永久磁鐵代替勵磁繞組激磁，沒有轉差損耗，定子電流減小，功率因數高，電機在負載變化和電網電壓波動時，不存在速度波動，沒有機械傳動過程損耗。

直流無刷永磁電動機 是一種典型的機電一體化結構。電動機定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。轉子上粘有已充磁的永磁體，為檢測轉子極性，在電動機內裝有位置傳感器（霍爾元件）。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等。

空抽控制器 是美國漢諾威專利技術，通過高分辨率傳感器檢測抽油機電機動力線電流、電壓及相位角，計算出電機運轉實時有功功率、無功功率，并根據抽油機上行、下行電流變化與抽油機加載、卸載過程的關系準確描述出抽油機加載及卸載過程的電流運行軌跡及加、卸載過程的時間變化，將采集到的數據存儲在主控制器的存儲區中，并對預置在芯片里的具有廣域代表性的數學模型進行個性化修正，找出真實反映每臺抽油機實際運行情況的電流、功率及負荷的變化規律，達到對抽油機智能化、科學化管理。通過科學控制間機抽井的啟、停狀態，防止油井空抽，達到節省能耗、降低磨損的目的。

抽油機變頻控制器 是一種輸出頻率可調的電力拖動設備，從電機轉速公式：N=60f/p×（1-S）得出，電機轉速與頻率成正比，電機在保持磁通量不變，在電壓與頻率之比為恒定值狀態，功率與電壓成正比，功率與頻率也成正比，下調頻率能降低電機輸出功率，達到節能的目的。

雙轉子柔性電動機 由兩臺同軸不同功率的異步電動機組成，互為主輔電機，不同負荷下分別對應著主電機、輔電機、主輔電機同時運行三種狀態。自動控制裝置可根據抽油機負載情況，控制運行狀態的轉換，使其運行在最佳狀態。

抽油機機井整體工藝參數優化 在保證產液量的情況下，抽油機井整體工藝參數優化技術采用損失功率最低或機械采油成本最低為原則的設計方法，合理優化抽油機井桿柱、管柱、泵型、電機、調整沖程、沖次等抽汲參數，使抽汲系統達到最優，能對對檢泵作業井的參數設計和新投產井機、桿、泵選擇及能耗進行預測和分析。

2.2試用驗證

2006年開始，組織各采油廠對永磁交流電機、摩擦換向式抽油機、智能變速多功率超高轉差電機、直流無刷永磁電機、空抽控制器等技術產品，選擇不同的油田、油井進行試裝；并對節電情況進行節能測試，作如下對比。

節能率測試結果對比

③.截止2009年底，在油田隨檢泵作業應用抽油機整體工藝參數優化技術600多口井次，實施優化后，泵徑增大130口井，泵徑減小52口井，沖次降低250多口井，沖次增大10口井，調大沖程16口井，應用小功率永磁電機178口井。

④.雙轉子柔性電動機：2007年現場試驗4口井，平均有功功率降低0.91kW，無功功率降低13.7kVar，運行電流降低20.54A，平均單井日節電38.84kwh，節電率達20%。

⑤.加裝抽油機空抽控制器、變頻器；摩擦換向式抽油機等技術改造后，節能效果也比較明顯效。

4.認識、體會與努力方向

機械采油是一個系統工程，應將采油工藝、油藏條件、地面設備、地面條件等有機結合起來，結合抽油機、油井效用年限，綜合考慮，才能取得最佳的經濟效益。

節能抽油機電機或節能控制裝置是可以降低電能消耗，降耗低碳是進一步提高抽油井效率的主要手段之一，但要增加技術與管理環節，系統可靠性要降低，維護管理成本會相應地增加，只有加大應用規模，取得規模效應，才能實現好的經濟和社會效益。

節能型抽油機是發展方向，能與油井負荷相匹配，并有完善的保護功能；有數據采集和存儲功能；聯網和通信功能以及遙控遙測功能；并能適應油田的野外環境要求，操作簡單，智能化程度高。

自動化控制是攻關方向。應用微型計算處理機和自動適應電子控制器進行控制、監測，具有抽油（液）效率高、節電、功能多、安全可靠、自動化程度高、經濟性好、適應性強等特點、功能。

參考文獻：

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[2]徐甫榮，趙錫生. 抽油機節能電控裝置綜述. 電氣傳動自動化.2004.06；

[3]趙來軍，倪振文，職黎光，劉剛，黎若鵬. 抽油機變頻控制技術.采鉆工藝；

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1 采用新型功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術

功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優點是當電動機處于制動（發電）狀態時，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節能調速中也有應用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統中占有主導地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發電）狀態時，回饋到直流側的再生電能難以回饋給交流電網，要實現這部分能量的回饋，網側不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯、采用PWM 控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或 “PWM整流器”）。網側變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續可調，輸入電流（網側電流）波形基本為正弦，功率因數保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發展動向，但成本問題限制了它的發展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數低的缺點，只能用于低速（低頻）大容量調速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環節，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現輸入功率因數為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。

隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統中應用日趨廣泛，PWM技術的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術可分為三大類：正弦PWM、優化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致大的開關損耗，而且大功率器件如GTO的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優化PWM技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE PWM）、效率最優PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優化PWM技術的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關頻率相關的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產生振動而發出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統的穩定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM 技術。 轉貼于

2應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論

交流傳動系統中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩態方程出發研究其控制特性，動態控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現交流電動機磁通和轉矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統逐步走向實用化。目前高動態性能的矢量控制變頻器已經成功地應用在軋機主傳動、電力機車牽引系統和數控機床中。此外，為了解決系統復雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術的發展，現代控制理論中的各種控制方法也得到應用，如二次型性能指標的最優控制和雙位模擬調節器控制可提高系統的動態性能，滑模（Sliding mode）變結構控制可增強系統的魯棒性，狀態觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態信息，自適應控制則能全面地提高系統的性能。另外，智能控制技術如模糊控制、神經元網絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統中，以提高控制的精度和魯棒性。

3廣泛應用微電子技術

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1 引言

伺服驅動器（servo drives）又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分，主要應用于高精度的定位系統。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。

伴隨著電機由有刷電機、無刷電機以及永磁同步電機的發展歷程，伺服驅動器相應經歷了模擬電路、8位單片機模數混合電路及高性能DSP電機專用控制解決方案等發展階段。伺服進給系統的調速范圍寬、定位精度高、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性、快速響應無超調、低速大轉矩，過載能力強、可靠性高等諸多特點對控制芯片提出了更高的要求。

2 DSP電路設計

伺服驅動器選用微芯公司高性能16位數字信號控制器dsPIC 30F4011作為無刷電機的主控芯片，它集DSP的高速運算處理能力與電機常用檢測接口于一體，成為很多伺服方案的首選。DSP在伺服系統中主要承擔對實時輸入數據按照某種控制規律、算法實時地計算、處理并且存儲，最后將實時結果輸出。DSP的性能對整個伺服系統的控制性能起著至關重要的作用，因此選擇一款合適的DSP芯片變得尤為重要，整個伺服驅動器硬件都是圍繞DSP來設計的。

2.1 dsPIC30F4011芯片及功能

dsPIC30F4011是伺服驅動器的主控芯片。是Microchip公司為滿足高性能，高精度伺服要求而推出的一款電機專用芯片，如圖1所示，外設資源比較豐富。

dsPIC30F4011采用改進的哈佛架構，能提供最高30MIPS的工作速度[1]，指令寬度為24，16位的數據總線寬度，2KB數據RAM，48KB程序FLASH，除此之外：

（1）高灌/拉電流I/O引腳，25mA/25mA。

（2）5個16位定時器/計數器，需要時可組合成32位定時器。

（3）10位高速模數轉換器（ADC）模塊。

（4）6路PWM輸出，邊沿對齊或中心對齊，3個占空比發生器，輸出可改寫。

（5）可用于帶霍爾傳感器電機的輸入捕捉模塊。

（6）可用于進行速度和位置測量的正交編碼器接口（QEI），A相、B相、索引脈沖三輸入信號。

（7）通用異步收發器（UART）模塊。

2.2 dsPIC30F4011開發環境及工具

dsPIC30F4011的開發環境由MPLAB IDE代碼編輯器和ICD2程序下載和調試器構成，前者主要完成控制程序代碼編輯、修改，經編譯生成Hex文件后，通過ICD2下載到器件中，也可以使用ICD2進行調試。

3 伺服驅動器軟件的研究

3.1 伺服系統控制程序總體框架

無刷直流電機位置伺服系統主要由無刷電機、功率驅動模塊、電子換相單元、光電編碼器、原點位置傳感器、RS-485總線通訊單元[43]等組成。如圖2。

3.2 伺服驅動器控制系統功能的實現

由于電流、速度、位置各環的比例，積分系數值是在電機啟動前通過串口設置的，在電機運行過程中也隨時可以更改，增強了系統的穩定性，減小了超調，縮短了響應時間[4]。從而實現了無刷電機高要求的控制系統。

4 結語

本課題來源在于研究dsPIC30F4011做為控制核心芯片解決了伺服驅動器的調速范圍寬、定位精度高、有足夠的傳動剛性和高的速度穩定性、快速響應無超調、低速大轉矩，過載能力強、可靠性高等諸多特點在設計與運用的問題。從而提高了生產率和加工質量，也滿足了定位精度高，響應速度快的要求。

參考文獻

[1]孫振源.基于dspic30F4011的BLDC模糊自適應PID控制研究[D].青島：青島大學碩士學位論文，2011：35.

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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

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數控車床的身價從幾十萬元到上千萬元，一般都是企業中關鍵產品、關鍵工序的關鍵設備，一旦故障停機，其影響和損失往往很大。但是，人們對這樣的設備往往更多地是看重其效能，而不僅對合理地使用不夠重視，更對其保養及維修工作關注太少，日常忽視對保養與維修工作條件的創造和投入，故障出現臨時抱佛腳的現象很是普遍。因此，為了充分發揮數控車床的效益，我們一定要重視日常維護工作，創造出良好的維修條件。

1.1人員條件

數控車床電氣維修工作的快速性、優質性關鍵取決于電氣維修人員的素質條件。

首先要有高度的責任心和良好的職業道德；知識面要廣，要學習并基本掌握有關數控車床的各學科知識，如計算機技術、模擬與數字電路技術、自動控制與拖動理論、控制技術、加工工藝以及機械傳動技術，當然還包括基本數控知識；應經過良好的技術培訓，數控技術基礎理論的學習，尤其是針對具體數控車床的技術培訓，首先是參加相關的培訓班和車床安裝現場的實際培訓，然后向有經驗的操作、維修人員學習，而更重要且更長時間的是自學；勇于實踐，要積極投入數控車床的維修與操作的工作中去，在不斷的實踐中提高分析能力和動手能力；掌握科學的方法，要做好維修工作光有熱情是不夠的，還必須在長期的學習和實踐中總結提高，從中提煉出分析問題、解決問題的科學的方法；學習并掌握各種電氣維修中常用的儀器、儀表和工具。

1.2物質條件

準備好通用的和專用的數控車床電氣備件；常備電器元件應做到采購渠道快速暢通；必要的維修工具、儀器儀表等，最好配有筆記本電腦并裝有必要的維修軟件；要有完整的數控車床技術圖樣和資料；數控車床使用、維修技術資料檔案。

1.3關于預防性維護

預防性維護的目的是為了降低故障率，其工作內容主要包括下列幾方面的工作：

要分配專門的操作人員、工藝人員和維修人員，所有人員都要不斷地努力提高自己的業務技術水平；建檔針對每臺車床的具體性能和加工對象制定操作規章，建立工作與維修檔案，要經常檢查、總結、改進；建立日常維護保養計劃，保養內容包括坐標軸傳動系統的、磨損情況，主軸等，油、水、氣路，各項溫度控制，平衡系統，冷卻系統，傳動帶的松緊，繼電器、接觸器觸頭清潔，各插頭、接線端是否松動，電氣柜通風狀況等等，及各功能部件和元件的保養周期。

2.數控車床維護保養工作內容

數控車床具有集機、電、液為一體的自動化機床，經各部分的執行功能最后共同完成機械執行機構的移動、轉動、夾緊、松開、變速和換刀等各種動作，可見做好數控車床的日常維護保養將直接影響機床性能。數控車床日常維護主要包括機床本體、主軸部件、滾珠絲杠螺母副、導軌副、電氣控制系統、數控系統等維護。

2.1外觀保養

每天做好機床清掃衛生，清掃鐵屑，擦干凈導軌部位的冷卻液。下班時所有的加工面抹上機油，防止生銹；每天注意檢查導軌、機床防護罩是否齊全有效；每天檢查機床內外有無磕、碰、拉傷現象；定期清除各部件切屑、油垢，做到無死角，保持內外清潔，無銹蝕。

2.2主軸的維護

在數控車床中，主軸是最關鍵的部件，對機床的加工精度起著決定性作用。它的回轉精度影響到工件的加工精度，功率大小和回轉速度影響到加工效率。主軸部件機械結構的維護主要包括主軸支撐、傳動、等。

定期檢查主軸支撐軸承：軸承預緊力不夠，或預緊螺釘松動，游隙過大，會使主軸產生軸向竄動，應及時調整；軸承拉毛或損壞應及時更換；定期檢查主軸恒溫油箱，及時清洗過濾器，更換油等，保證主軸有良好的；定期檢查齒輪，若有嚴重損壞，或齒輪嚙合間隙過大，應及時更換齒輪和調整嚙合間隙；定期檢查主軸驅動皮帶，應及時調整皮帶松緊程度或更換皮帶。

2.3滾珠絲杠螺母副的維護

滾珠絲杠傳動由于其有傳動效率高、精度高、運動平穩、壽命長以及可預緊消隙等優點，因此在數控車床使用廣泛。其日常維護保養包括以下幾個方面：

定期檢查滾珠絲杠螺母副的軸向間隙：一般情況下可以用控制系統自動補償來消除間隙；當間隙過大，可以通過調整滾珠絲杠螺母副來保證，數控車床滾珠絲杠螺母副多數采用雙螺母結構，可以通過雙螺母預緊消除間隙；定期檢查絲杠防護罩：以防止塵埃和磨粒黏結在絲杠表面，影響絲杠使用壽命和精度，發現絲杠防護罩破損應及時維修和更換；定期檢查滾珠絲杠螺母副的：滾珠絲杠螺母副劑可以分為脂和油兩種。脂每半年更換一次，清洗絲杠上的舊脂，涂上新的脂；用油的滾軸絲杠螺母副，可在每次機床工作前加油一次。

2.4導軌副的維護

導軌副是數控車床的重要的執行部件，常見的有滑動導軌和滾動導軌。導軌副的維護一般是不定期，主要內容包括：

檢查各軸導軌上鑲條、壓緊滾輪，保證導軌面之間有合理間隙。根據機床說明書調整松緊狀態，間隙調整方法有壓板間隙調整間隙、鑲條調整間隙和壓板鑲條調整間隙等；注意導軌副的：導軌面上進行后，可以降低摩擦，減少磨損，并且可以防止導軌生銹。根據導軌狀況及時調整導軌油量，保證油壓力，保證導軌良好；經常檢查導軌防護罩：以防止切屑、磨粒或冷卻液散落在導軌面上引起的磨損、擦傷和銹蝕。發現防護罩破損應及時維修和更換。

2.5電氣控制系統的日常維護

數控車床電氣控制系統是機床的關鍵部分，主要包括伺服與檢測裝置、PLC、電源和電氣部件等，其日常維護包括以下幾個方面：

（1）定期檢查電氣部件，檢查各插頭、插座、電纜、各繼電器觸點是否出現接觸不良，短路故障；檢查各印制電路板是否干凈；檢查主電源變壓器、各電機絕緣電路是否在1MΩ以上。平時盡量少開電氣柜門，保持電氣柜內清潔。

（2）伺服電動機的維護。

應用于進給驅動的伺服電動機多采用交流永磁同步電動機，其特點是磁極是轉子，定子的電樞繞組與三相交流電樞繞組一樣，但它有三相逆變器供電，通過轉子位置檢測其產生的信號去控制定子繞組的開關器件，使其有序輪流導通，實現換流作用，從而使轉子連續不斷地旋轉。轉子位置檢測器與轉子同軸安裝，用于轉子的位置檢測，檢測裝置一般為霍爾開關或具有相位檢測的光電脈沖編碼器。

【參考文獻】

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目前的單片機廣泛的應用在很多的場合，在以下的民用電子產品、計算機系統、智能儀表、工業控制、網絡與通信的智能接口、軍工領域、辦公自動化等領域有廣泛的應用。本次的電機控制系統設計使用單片機控制電路實現對電機的控制。

本文采用AT89C51單片機作為硬件核心實現對電機進行控制，通過采集電路采集電機的速度信息，并與設定的速度進行比較，產生偏差信號，偏差信號通過PID調節器調節電機轉速，保證電機的恒轉速運行。

AT89C51單片機溫度測控儀采用Atmel公司的AT89C51單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳。該單片機采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術制造，與美國Intel公司生產的MCS—51系列單片機的指令和引腳設置兼容。其主要特征如下：8位CPU；內置4K字節可重復編程Flash，可重復擦寫1000次；完全靜態操作：0Hz～24Hz，可輸出時鐘信號；三級加密程序存儲器；128B×8的片內數據存儲器（RAM）；32根可編程I/O線；2個16位定時/計數器；中斷系統有6個中斷源，可編為兩個優先級；一個全雙工可編程串行通道；可編程串行UART通道；具有兩種節能模式：閑置模式和掉電模式。

1電機控制系統的硬件設計

對于電機的整流電路在實際的應用過程中已經非常成熟，因此可以參考相關的電機設計資料，在本論文中就不做相應的贅述。

1.1功率驅動模塊

功率驅動模塊是電機控制系統的一個重要組成部分，在本文的電機控制系統中，采用的是IR公司的IRAMS10UP60A，這款集成電路具有硬件電路簡單，并且穩定性和安全性、可靠性高等特點。在這款電路中具有自舉電路和過溫過流保護，這樣能夠保證閉環速度控制系統的功能。

1.2檢測電路

在本篇論文中采用的是無刷直流電機自帶的霍爾元件式的位置傳感器，霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。

通過遮光盤的齒部的遮擋與不遮擋，使霍爾元件產生高、低電平信號，從而提供了電動機的轉子位置信息。當電機轉軸逆時針轉動時，遮光盤的齒部進入霍爾傳感器定子內，此時由于永磁塊的磁力線被齒部所短路，磁力線不穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“1”（高電平）；當齒部離開時，磁力線穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“0”（低電平），這樣，根據這三個霍爾元件的輸出狀態，就可以準確地確定轉子的磁極位置。

1.3電流采樣設計

2電機控制系統軟件設計

3結論

隨著性能高的微處理器的出現，采用高性能的處理器可以簡化系統的設計，同時還能夠提高系統的安全性、可靠性。根據這種方法設計的電機控制系統與傳統的電機控制系統相比較在成本上具有很大的優勢。本文利用ATMEL公司的AT89C51的單片機，設計出了相應的硬件和軟件系統，在系統的軟件設計中，采用了模塊化的設計思想，并給出了相應的設計流程，這種芯片式的電機控制系統設計，簡化了設計的時間，降低了開發成本，能夠很好的實現系統的功能。

參考文獻：

篇10

在現代汽車上，電子技術的應用越來越廣泛。隨著汽車工業與電子工業的不斷發展，今天的汽車已經逐步進入了電腦控制的時代。車身電器與電子設備是汽車的重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的動力性、經濟性、可靠性、安全性、排氣凈化及舒適性。計算機技術與電子技術廣泛地應用于汽車，幾乎已經深入到汽車所有的系統，大大推動了汽車工業的發展。

目前，國際汽車巨頭紛紛將更多的電子信息技術設備裝備到其整車中，在國外，中高檔轎車采用的電子信息設備已經達到30%～50%，在一些高檔車上，這個比率還要高。在電子信息技術設備供應商方面，也紛紛將下一個經濟增長點定位在汽車電子產業上。摩托羅拉、英特爾、微軟、德州儀器、飛利浦、西門子等這些過去為其他行業和產品提供技術支持的廠商，早已經做好了準備，有些產品已經為汽車提供了新的“動力”。

二、電子技術的應用

(一).電子技術在發動機上的應用

發動機電控技術可分為電控汽油噴射、電子點火、怠速控制、廢氣再循環控制、增壓控制、故障自診斷、安全保險、備用控制以及其他控制技術。

1.電子控制噴油裝置

在現代汽車上，機械式或機電混合式燃油噴射系統已趨于淘汰，電控燃油噴射裝置因其性能優越而得到了日益普及。。電子控制燃油噴射系統是以空燃比作為主要的控制目標。通過電子控制器對各種不同傳感器送來的數據進行判斷和計算來控制噴油器以一定的油壓，正確、迅速地把汽油直接噴入發動機汽缸。電子控制器主要是根據進氣量的多少來控制噴油量的。電子控制燃油噴射系統按噴油器的噴射位置不同可以分為單點噴射系統(SPI)和多點噴射系統(MPI)兩種。多點噴射系統是每個汽缸安裝一個噴油器，而單點噴射系統是整個系統中只有一個或兩個噴油器，安裝在節氣門的上方。與傳統的化油器相比，電子控制燃油噴射裝置的最大特點是，在獲得最大功率的同時，最大限度地節油和凈化排氣，因此是節約能源，降低排污的有效措施。

2.電子點火裝置

微機控制的電子點火系統主要由與點火有關的各種傳感器、電子控制器(ECU)、點火電子組件、點火線圈、配電器、火花塞等組成。

其中傳感器用來不斷地收集與點火有關的發動機工作狀況信息，并將收集到的數據輸入電子控制器，作為運算和控制點火時刻的依據。電子點火系統中所用的傳感器主要有曲軸轉角傳感器、曲軸轉速傳感器、曲軸基準位置傳感器、進氣管負壓傳感器、爆震傳感器、空氣流量及進氣溫度傳感器等。其中前兩種傳感器是用來檢測發動機轉速信號的，而發動機轉速信號是微機用來確定點火提前角的最主要依據。由其他傳感器檢測得到的數據主要用于對點火提前角和點火時刻進行修正。

圖1-1某車型電子點火系統

電子控制器也叫微機控制器，它是電子點火系統的中樞，用來接收傳感器收集到的信號，并且在按照一定的程序進行判斷、計算后，給電子點火組件輸出最佳點火時刻和初級電路導通時間的控制信號。微機控制的電子點火系統則可使發動機在任何工況下都處于最佳的點火時刻，從而更進一步改善發動機的動力性和經濟性，降低排氣污染。

3.怠速控制裝置

怠速控制系統是電控發動機的一個子系統，主要由傳感器，ECU及執行機構組成。怠速控制均采用發動機轉速反饋法的閉環控制方式，即發動機轉速傳感器將發動機的實際轉速和目標轉速進行比較，根據比較的差值確定使發動機達到目標值的控制量，并通過執行機構對發動機怠速轉速進行校正。

圖1-2某車型怠速控制裝置

車速傳感器信號和節氣門位置傳感器信號用于判斷發動機是否處于怠速工況，ECU便確認發動機處于怠速工況，并啟動怠速控制系統實施怠速控制。冷卻液溫度傳感器信號，空調壓縮機接通信號，自動變速器檔位信號，蓄電池電壓等信號用來確定發動機怠速時的目標轉速.不同怠速條件下的目標轉速值已預先存儲在ECU的存儲器中.發動機轉速信號作為怠速控制系統反饋信號，用來計算控制量的大小。ECU一般不單獨設置，是由燃油噴射系統，點火系統等共用一個，這使系統簡單化，提高控制精度。執行機構的作用是調節發動機進氣量，實現怠速控制.

4.廢氣再循環控制裝置

汽車發動機作為一個大氣污染源，應該采取各種有效措施予以治理和改造。關于汽車發動機排氣的控制和凈化問題，各國都進行了大量研究工作，研制了不少的技術措施。這些方法大致可分為發動機本身的改進和增加排放凈化裝置。而由于發動機本身的改進，較難滿足日益嚴格的排放法規和降低成本的要求，因此現代汽車采取了多種排放控制措施來減少汽車的排氣污染，如三元催化轉換、廢氣在循環(EGR)、活性碳罐蒸發控制系統等。廢氣在循環簡稱為EGR(ExhaustGasRecirculation)系統，是目前用于降低NOx排放的一種有效措施。

圖1-3某車型廢氣再循環控制裝置

它是將一部分排氣引入近期關于新混合氣混合后進入汽缸燃燒，從而實現在循環，并對送入進氣系統的排氣進行最佳控制。普通電子式廢氣在循環(EGR)控制系統由廢氣再循環電磁閥、節氣們位置傳感器、廢氣再循環控制閥、曲軸位置傳感器、發動機ECU、冷卻液溫度傳感器、啟動信號等組成。

5.增壓控制裝置

發動機中增壓系統的安裝日漸增多，其目的是為了提高進氣效率。電控增壓系統的研制開發是增壓技術又跨上一個臺階。目前，應用較普遍的是電控廢氣渦輪增壓系統，其由切換閥、動作器、空氣冷卻器、空氣濾清器、ECU、釋壓電磁閥組成。通常增壓器是為了與發動機的低速小負荷工況相匹配的而設計的，當發動機大負荷運行時容易導致增壓器超速運行而損壞，為此電控廢氣渦輪增壓系統專門在排氣管中廢氣渦輪使出增加了一旁通氣道，由ECU對切換閥的開度大小進行調整。

6.故障自診斷系統

現代轎車發動機的電控系統中，ECU一般都帶有故障自診斷系統，自行檢測、診斷發動機控制系統各部分的故障。對于傳感器，可通過檢測器信號是否超出規定范圍來直接進行判斷；對于執行器，則在起初是電路中增設專門回路來實現監測，對于ECU本身，也有專用程序進行診斷。故障自診斷系統一般由電子控制器(ECU)中的識別故障及故障運行控制軟件、故障監測電路和故障運行后被電路等組成。

7.安全保險裝置

如果ECM的輸入信號不正常，他將按照內存中存儲的固定噴油持續時間和固定點火提前角控制發動機，使發動機能夠繼續維持工作。ECM本身出故障時，裝有備用控制系統的發動機能繼續對噴油和點火進行控制，使車輛繼續行駛。

8.發動機傳感器

發動機傳感器是指在發動機上使用的傳感器。由于電子技術特別是微型計算機的發展，促進了傳感器在發動機上的應用，從而也使發動機的整機性能有了極大的提高。發動機電子控制用傳感器主要有空氣流量傳感器、曲軸位置/凸輪軸位置傳感器、發動機轉速傳感器、爆震傳感器進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、氧傳感器等。發動機電子控制技術的發展與傳感器技術的發展是密不可分的。目前發動機傳感器的種類越來越多，可靠性和凈度不斷提高，并向集成化、數字化和智能化方向發展。

二.電子技術在底盤上的應用

1.電控自動變速器

電控自動變速器可以根據發動機的載荷、轉速、車速、制動器工作狀態及駕駛員所控制的各種參數，經過計算機的計算、判斷后自動改變變速桿的位置，從而實現變速器換檔的最佳控，即可得到最佳擋位和最佳換擋時間。

圖1-4奧迪A4自動變速器

它的優點是加速性能好、靈敏度高、能準確反映行駛負荷和道路條件等。傳動系統的電子控制裝置，能自動適應瞬時工況變化，保持發動機以盡可能低的轉速工作。電子氣動換擋裝置是利用電子裝置取代機械換擋桿及其與變速機構間的連接，并通過電磁閥及氣動伺服閥汽缸來執行。它不僅能明顯地簡化汽車操縱，而且能實現最佳的行駛動力性和安全性汽車維修畢業論文格式汽車維修畢業論文格式。

2.防抱死制動系統(ABS)

該系統是一種開發時間最早、推廣應用最為迅速的重要安全性部件。它通過控制防止汽車制動時車輪的抱死來保證車輪與地面達到最佳滑移(15%~20%)，從而使汽車在各種路面上制動時，車輪與地面都能達到縱向的峰值附著系數和較大的側向附著系統，以保證車輛制動時不發生抱死拖滑、失去轉向能力等不安全狀況，提高汽車的操縱穩定性和安全性，減小制動距離。驅動防滑系統(ARS)也叫牽引力控制系統(TCS或TRC)是ABS的完善和補充，它可以防止啟動和加速時的驅動輪打滑，既有助于提高汽車加速時的牽引性能，又能改善其操縱穩定性。

現代ABS盡管采用的控制方式、方法以及結構形式各不相同，但除原有的傳統的常規制動裝置外，一般ABS都是由傳感器、電子控制器和執行器三大部分組成。其中傳感器主要是車輪轉速傳感器，執行器主要指制動壓力調節器。

1、車輪轉速傳感器

車輪轉速傳感器是ABS中最主要的一個傳感器。車輪轉速傳感器常簡稱為輪速傳感器，其作用是對車輪的運動狀態進行檢測，獲得車輪轉速(速度)信號。

2.電子控制器

ABS的電子控制器(ElectronicControlUnit)，常用ECU表示，簡稱ABS電腦。它的主要作用是接收輪速傳感器等輸入信號，計算出輪速、參考車速、車輪減速度功、滑移率等，并進行判斷、輸出控制指令，控制制動壓力調節器等進行工作。另外，ABS電腦還有監測等功能，如有故障時會使ABS停止工作并將ABS警示燈點亮。

3.制動壓力調節器

制動壓力調節器是ABS中的主要執行器。其作用是接受ABS電腦的指令，驅動調節器中的電磁閥動作(或電機轉動等)，調節制動系的壓力，使之增大、保持或減小，實現制動系壓力的控制功能。

由于ABS是在原來傳統制動系統基礎上增加一套控制裝置形成的，因此ABS也是建立在傳統的常規制動過程的基礎上進行工作的。在制動過程中，車輪還沒有趨于拖死時，其制動過程與常規制動過程完全相同；只有車輪趨于抱死時，ABS才會對趨于抱死的車輪的制動壓力進行調節。

通常，ABS只有在汽車速度達到一定程度(如5km/h或8km/h)時，才會對制動過程中趨于抱死的車輪的制動壓力進行調節。當汽車速度降到一定程度時，因為車速很低，車輪制動抱死對汽車制動性能的不利影響很小，為了使汽車盡快制動停車，ABS就會自動終止防抱死制動壓力調節，其車輪仍可能被制動抱死。

在制動過程中，如果常規制動系統發生故障，ABS會隨之失去控制作用。若只是ABS發生故障、常規制動系統正常時，汽車制動過程仍像常規制動過程一樣照常進行，只是失去防抱死控制作用。現代ABS一般都能對系統的工作情況進行監測，具有失效保護和自診斷功能，一旦發現影響ABS正常工作的故障時，將自動關掉ABS，恢復常規制動，并將ABS警示燈點亮，向駕駛員發出警示信號，提醒駕駛員及時進行修理。

圖1-5ABS系統圖

ABS系統制動過程中，ABS電控單元(ECU)3不斷地從傳感器1和5獲取車輪速度信號，并加以處理，分析是否有車輪即將抱死拖滑。如果沒有車輪即將抱死拖滑，制動壓力調節裝置2不參與工作，制動主缸7和各制動輪缸9相通，制動輪缸中的壓力繼續增大，此即ABS制動過程中的增壓狀態。如果電控單元判斷出某個車輪(假設為左前輪)即將抱死拖滑，它即向制動壓力調節裝置發出命令，關閉制動主缸與左前制動輪缸的通道，使左前制動輪缸的壓力不再增大，此即ABS制動過程中的保壓狀態。若電控單元判斷出左前輪仍趨于抱死拖滑狀態，它即向制動壓力調節裝置發出命令，打開左前制動輪缸與儲液室或儲能器(圖中未畫出)的通道，使左前制動輪缸中的油壓降低，此即ABS制動過程中的減壓狀態。ABS系統就是如此循環進行制動的.

3.電子轉向助力系統

電子轉向助力系統是用一部直流電機代替傳統的液壓助力缸，用蓄電池和電動機提供動力。這種微機控制的轉向助力系統和傳統的液壓助力系比起來具有部件少、體積小、質量輕的特點，最優化的轉向作用力、轉向回正特性，提高了汽車的轉向能力和轉向響應特性，增加了汽車低速時的機動性以及調整行駛時的穩定性。

4.自適應懸掛系統

自適應懸掛系統能根據懸掛裝置的瞬時負荷，自動適時調節懸架彈簧的剛度和減震器的阻尼特性，以適應當時的負荷，保持懸掛的既定高度。這樣就能夠極大地改進車輛行駛的穩定性、操縱性和乘坐的舒適性。

圖1-6奧迪A4自適應懸掛系統

在自適應懸掛控制系統配置中，懸架置于車輪和車體之間。此系統不采用氣動膜盒，而代之以盤簧和液壓缸。液壓系統由電子裝置控制，該裝置對傳感器在汽車運轉過程中產生的各種信號進行分析。主動懸掛控制系統配有一個能自動測量高度及根據速度調整的裝置，當汽車以高速行駛時能緩慢地減低其速度汽車維修畢業論文格式文章汽車維修畢業論文格式出自http：//gkstk.com/article/wk-78500001092730.html，轉載請保留此鏈接！。汽車的水平高度也可通過按鈕分兩次手動調節。

5.定速巡航自動控制系統

在高速長途行駛時，可采用定速巡航自動控制系統，恒速行駛裝置將根據行車阻力自動調整節氣門開度，駕駛員不必經常踏油門已調整車速。若遇爬坡，車速有下降趨勢，微機控制系統則自動加大節氣門開度；在下坡時，又自動關小節氣門開度，以調節發動機功率達到一定的轉速。當駕駛員換低速檔或制動時，這種控制系統則會自動斷開。

6.驅動防滑/牽引力控制系統(ASR/TCS)

目前安裝ABS的轎車已經相當普遍，但隨著對汽車安全性能的要求越來越高，出現了驅動防滑系統(ASR，AccelerationSlipRegulation)，驅動防滑系統又稱牽引力控制系統(TCS，TractionControlSystem)，它的作用是當汽車加速時將滑動率控制在一定的范圍內，從而防止驅動輪快速滑動。

汽車“打滑”可分為兩種情況：一是汽車制動時車輪的滑移，前面已經分析過；二是汽車驅動時車輪的滑轉。所謂汽車驅動時車輪的滑轉，就當是汽車起步時，盡管驅動輪不停轉動，汽車卻原地不動的現象。驅動輪滑轉有可能引起汽車的側滑，且損失了發動機的轉矩。為了防止驅動輪的滑轉，人們在職動防抱死的基礎上研制了驅動防滑系統。他的功能為：一是提高牽引力；二是保持汽車的行駛穩定。

7.減震適應系統

減震適應系統是一種全自控系統，可隨每個車輪的減震動進行自動調整，以達到各種行駛狀態下調順車身的運動。路面狀況、汽車本身，以及駕駛方式等都在監控之下，以隨時獨立調節各個車輪的減震器設置值，保證最高的舒適性。駕駛人可通過按鈕手動選擇以舒適為主或以跑車操縱性為主。另一種作為選項的減震適應系統帶有電子自動測量高度的懸掛功能，可在高速狀態下把汽車自動調低15毫米。控制開關則允許駕駛人以手動方式分兩級調低車身水平。減震適應系統的使用，保證開車過程中獲得最大的穩定性和安全性，提供最高駕駛舒適性并改善駕駛動感，最大程度減少翻車和側傾危險，作為選項的自動找平系統可在惡劣路面開車時減少對車身下部的損傷危險，提高穩定性，減少燃耗。

三.車身電子控制技術

1.電動座椅

現代轎車的駕駛者和前部乘員座椅多是電動可調的，所以又稱電動座椅。座椅是與人接觸最密切的部件，人們對轎車平順性的評價多是通過座椅的感受作出的。因此電動座椅也是直接影響轎車質量的關鍵部件之一。

轎車電動座椅以駕駛者的座椅為主。從服務對象出發電動座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求，也就是說駕駛者通過鍵鈕操縱，既可以將座椅調整到最佳的位置上，使得駕駛者獲得最好的視野，得到易于操縱方向盤、踏板、變速桿等操縱件的便利，還可以獲得最舒適和最習慣的乘坐角度。

圖1-8奧迪A4電動座椅

現代轎車的電動座椅是由坐墊、坐背、坐枕、骨架、懸掛和調節機構等組成。其中調節機構由控制器、可逆性直流電動機和傳動部件組成，是電動座椅中最復雜和最關鍵的部分。自動座椅電子控制系統由座椅位置傳感器、電子控制器ECU和執行機構的驅動電機三大部分組成。位置傳感器部分包括座椅位置傳感器、后視鏡位置傳感器、安全帶扣環傳感器以及方向盤傾斜傳感器等；ECU包括輸入接口、微機CPU和輸出處理電路等；執行機構主要包括執行座椅調整、后視鏡調整、安全帶扣環以及方向盤傾斜調整等微電機，而且這些電機均可靈活進行正、反轉，以執行各種裝置的調整功能。另外，該系統還備有手動開關，當手動操作此開關時，各驅動電機電路也可接通，輸出轉矩而進行各種調整動作。

2.安全氣囊

安全氣囊系統稱為SRS，相對于安全帶，安全氣囊只是一個輔助保護設備。

圖1-9奧迪A4安全氣囊系統

安全氣囊是用帶橡膠襯里的特種織物尼龍制成，工作時用無害的氦氣填充。此系統由一個傳感器激活，該傳感器用于監視碰撞中汽車速度減小的程度。在碰撞發生的早期，安全氣囊開始充氣，安全充氣大約需要0.03秒。安全氣囊可以非常快的速度充氣十分重要，這能確保當乘客的身體被安全帶束縛不動而頭部仍然向前行進時，安全氣囊能及時到位。在頭部碰到安全氣囊時，安全氣囊通過氣囊表面的氣孔開始排氣。氣體的排出有一定的速率，確保讓人的身體部位緩慢地減速。由于安全氣囊彈開充氣的速度可高達320公里/小時，碰撞時如果人的乘坐姿勢不正確，將給人帶來嚴重的傷害。

3.電動門窗

電動門窗是指以電為動力是門窗玻璃自動升降的門窗。它是由駕駛員或乘員操縱開關接通門窗升降電動機的電路，電動機產生動力通過一系列的機械傳動，使門窗玻璃按要求進行升降。其優點是操作簡便，有利于行車安全。

電動門窗主要有升降控制開關、電動機(雙向轉動永磁電動機)、升降器、繼電器等組成，其中電動機一般采用雙向轉動永磁電動機，通過控制電流方向，使其正反向轉動，達到車窗升降功能。

圖2-1奧迪A4電動門窗

4.輔助關門系統

輔助關門系統由氣動裝置、車門傳感器組成。裝在每個車門鎖的傳感器會監察車門開合運動的方向。當某個車門手動關閉到車門鎖的第一卡合位或稍微超出時，氣動輔助關閉裝置即被觸發，自動將車門拉合到鎖定位。減少車門關閉所需的力量，減少車門關閉時產生的噪音，保證車門始終關緊(即使此車門只被關合到門鎖的第一卡合位)。

5.自動恒溫控制系統/空調

自動恒溫控制系統/空調由壓縮機、冷凝器、輔助電風扇或入口風扇蒸發器、溫度傳感器、不含氯氟烴的冷卻劑、儲蓄罐、溫度控制裝置、空氣內循環開關、循環泵、余熱開關等組成。在發動機運轉及空調系統工作時，冷卻空氣由鼓風機以選定的速度和溫度送入。與加熱系統一樣，左側和右側的溫度可分別調節。如果空調和加熱系統同時打開，由于輸入的空氣已經過除濕并冷卻，車窗上不會產生水霧。在這種再加熱模式下，空氣首先經過冷卻(因此成為干燥空氣)，然后再加熱。在發動機關閉后，發動機余熱利用系統(REST)啟動，把熱發動機的冷卻劑抽入熱交換器，從而自動控制空氣流動和分配。余熱利用系統在約30分鐘后自動關閉，或者在蓄電池充電量過低時關閉。空調系統降低車內溫度并減少濕度，從而提供舒適的車內環境，又能防止車窗水霧，提高駕駛安全。如果撥到空氣循環工作模式，系統可防止有味氣體進入車內汽車維修畢業論文格式論文。動機余熱利用系統允許加熱過程中不含發動機噪音和廢排氣，因此不消耗燃料并可在發動機關閉后繼續工作。

圖2-2奧迪A4空調系統

6.電子防盜系統

電子防盜系統是為了防止汽車本身火車上的物品被盜所設的系統，它有電子控制的遙控器或鑰匙、電子控制電路、報警裝置和執行機構等組成。

圖2-3奧迪A4防盜裝置

汽車防盜裝置按其發展過程可分為機械鎖防盜裝置、機電式防盜裝置和電子防盜裝置三個階段。電子式防盜報警器是目前使用較為廣泛。它主要靠鎖定點火或啟動來達到防盜的目的，同時具有防盜和聲音報警功能。電子防盜報警器共有四種功能：一是服務功能，包括遙控車門、遙控啟動、阻和等；二是警惕提示功能，能觸發報警記錄(提示車輛從被人打開過車門)；三是報警提示功能，即當有人動車時發出警報；四是防盜功能，即當防盜器處于警戒狀態時，切斷汽車上的啟動電路。

7.汽車衛星導航系統

汽車電子導航系統是在全球定位系統(GPS)的基礎上發展起來的新型汽車駕駛輔助設備，是為了解決道路交通的堵塞和擁擠問題而產生的，是一種能接收定位衛星信號，經過微處理器計算出汽車所在精確經度和緯度以及汽車速度和方向，并在顯示器上顯示出來的一種裝置。

圖2-4奧迪A4導航系統

駕駛者只要將目的地輸入汽車導航系統，系統就會根據電子地圖自動計算出最合適的路線，并在車輛行駛過程中提醒駕駛員按照計算的路線行駛。在整個行駛過程中，駕駛者根本不用考慮該走哪條線路就能快捷的到達目的地。

當前的汽車導航系統包括兩部分：全球定位系統和車輛自動導航系統。汽車導航設備一般是由GPS天線、集成了顯示屏幕和功能按鍵的主機以及語音輸出設備(一般利用汽車音響系統輸出語音提示信息)構成的。受車內安裝位置的限制，一般汽車導航設備和汽車視像音響合成在一起，因此，一些汽車導航系統又稱為DVD導航系統。

四.電子技術在汽車工業上的的發展趨勢

在今后的十幾年內，推動汽車電子產品發展的動力仍將是汽車安全、節能、環保等的需要。汽車電子系統的發展將主要集中在汽車用局域網系統LANS和處理器CPUS、發動機控制、機-電接口、ABS和行駛控制、電子控制傳動系統、抬頭顯示系統HUDS、聲音識別技術、行車導駛系統及多媒體技術和撞擊傳感技術等方面。

車載局域網將逐步替代單獨控制器；車載計算機的處理能力將有顯著提高。多媒體顯示系統將為駕駛者提供更多的有關信息，包括圖像信息。聲音識別技術可望在5年內有重大突破，并應用于汽車領域。比CD-ROM存儲量大6-7倍的DVD-ROM，將大量用于汽車的導駛系統和多媒體系統。汽車電子系統的成本將進一步大幅下降。

利用總線技術將汽車中各種電控單元、智能傳感器、智能儀表等聯接起來，從而構成汽車內部局域網，實現各系統間的信息資源共享。根據側重功能的不同，SAE將總線劃分為A、B、C三大類：A類是面向傳感器和執行器的一種低速網絡，主要用于后視鏡調整、燈光照明控制、電動車窗等控制等，目前A類的主流是LIN；B類是應用于獨立模塊間的數據共享中速網絡，主要用于汽車舒適性、故障診斷、儀表顯示及四門中央控制等，其目前主流是低速CAN(又稱動力CAN)；C類是面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網絡，主要用于發動機、ABS和自動變速器、安全氣囊等的控制，目前C類主流是高速CAN(又稱動力CAN)，但是隨著下一代高速、具有容錯能力的時間觸發方式的“XbyWire”線控技術的發展，將逐漸代替高速CAN在C類網中的位置，力求在未來5—10年之內使傳統的汽車機械系統變成通過高速容錯通訊總線與高性能CPU相連的百分之百的電控系統，完全不需要后備機械系統的支持，其主要代表有TTP/C和FlexRay.

隨著第3代移動通訊技術和計算機網絡技術的不斷發展，未來汽車正朝著移動力、公室、家庭影院方向發展，為司機和乘客提供進行中的實時通訊和娛樂信息，并把汽車和道路及其它遠程服務系統結合起來，構建未來的智能交通系統(1TS)。具體功能：①提供豐富的多媒體設施環境，利用GPS、GSM網絡實現導航、行車指南、無線因特網以及汽車與家庭等外部環境的互動

②具備遠程汽車診斷功能，緊急時能夠引導救援服務機構趕到故障或事故地點。

結束語：

汽車電子化已成為當前的熱點，電子信息技術和汽車制造技術逐步走向融合，電子技術不斷把音響視頻、網際網絡、信息引入汽車內。隨著未來汽車市場的快速發展和汽車電子價值含量的迅速提高，我國汽車電子產業將形成巨大經濟規模效應，成為支持汽車工業發展的一門相對獨立新興支柱產業。

可以預料，隨著我國汽車技術的進步，汽車電子新技術必將會得到越來越廣泛的應用，國產汽車積極采用電子裝置指日可待。雖然要趕上國際汽車的最高水平還有一段路要走，但將來在世界汽車技術尤其是汽車電子技術應用這一領域，我國必定占有一席之地。

參考文獻：

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[4]德國BOSCH公司著；魏春源等譯.汽車電器與電子.北京理工大學出版社，2004.7

篇11

在伺服傳動系統中，無刷直流電動機(BLDCM)是一種新型的無級變速電動機，其結構簡單可靠、維護方便、運行效率高及慣量小和控制精度高等優點，廣泛應用于伺服控制精密數控機床、加工中心、機器人等領域[1]。隨著BLDCM應用領域的推廣，對系統的動靜態性能、魯棒性、控制精度等要求越來越高。

本文以三相四極無刷直流電動機為研究對象，結合PID控制和模糊控制各自的優勢，設計了一套基于TI 公司的C2000系列TMS320F2812 DSP為核心的全數字永磁無刷直流電動機的閉環調速系統，以期滿足BLDCM伺服控制系統的高精度、快速性、穩定性和魯棒性的要求。

1總體方案設計

系統設計采用三相四極無刷直流電動機PWM控制方案，逆變橋的通電方式采用兩兩導通方式。該系統主要由三相四極無刷直流電動機、控制器、電子開關電路和位置檢測器四部分組成[2]。其結構框圖如圖1所示。

功率驅動方式采用三相Y型全橋驅動電路，如圖2所示。本系統實現的關鍵就是通過位置環、速度環和電流環三閉環結構最終實現位置的伺服控制。從閉環結構上看，位置環在最外面，是本系統的主環，電流調節環和速度調節環在里面，兩者都是為位置環而服務，電流調節器和速度調節器采用PI調節器，位置調節器采用PID調節器，以TMS320F2812微控制器為控制核心，以功率MOSFET管構成逆變器。通過改變逆變器開關器件的PWM占空比來改變電機電樞端電壓，以實現電機轉速的調節[2-4]。

2硬件設計

圖3給出了基于TMS320F2812 DSP的無刷直流電機控制系統硬件結構框圖。

本系統主要由輔助電源、控制器及電路、電動機驅動電路、檢測電路和系統保護電路等幾部分組成。無刷直流電動機的調速原理為：TMS320F2812控制器通過捕獲單元捕捉無刷直流電動機轉子位置傳感器HALL1、HALL2、HALL3高速脈沖信號，檢測轉子轉動位置，并根據轉子的位置發出相應的指令改變PWM信號的當前值，進而改變直流電機驅動電路(三相橋式逆變電路IGBT)中功率管的導通順序，實現電機轉速和轉動方向的控制。

下面重點介紹系統中的轉子位置檢測電路、相電流檢測電路、驅動電路、系統保護電路等。

2.1轉子位置檢測電路

本設計方案中，位置檢測環節采用了3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉子位置脈沖信號送到功率變換電路后，經處理后送入DSP的CAP單元，DSP通過讀取霍爾元件的狀態值，來確定轉子的當前位置，再通過改變PWM的占空比改變MOSFET管的導通順序，改變 IGBT 的導通順序，實現電機的換相和電機轉速的調節[5]。

霍爾位置傳感器輸出的信號先由阻容濾波電路處理，然后再經過六路施密特觸發反相器SN74HC14N整形后送入DSP的CAP單元進行處理計算。由于霍爾位置傳感器輸出為5V電平信號，為了與DSP的3.3V電平相匹配，需要進行電平邏輯轉換，在此通過施密特觸發器輸出端串聯匹配電阻的方法來實現。三相霍爾位置檢測電路如圖4所示。

2.2相電流檢測電路

在對電路中電流信號進行檢測時，由于霍爾元件輸出的電流較小，故采用在直流側母線中串采樣小電阻的方法，先將電流信號轉化為電壓信號，然后再經過放大隔離處理后送入模數轉換器A/D。其中光耦隔離器件選擇的是6N137。電流檢測電路圖如圖5所示。

其中R22(0.05Ω/3W)為直流側母線端的采樣電阻，首先將電阻兩端的壓降信號經過阻容濾波電路濾波，然后經過運算放大器放大，以滿足TMS320F2812中A/D轉換單元的采樣范圍(0～3V) 的要求。電路中采用了單路高精度雙極性運算放大器OP07。圖中的二極管D6起穩壓保護作用，確保AD0的輸入電壓在0～3V的范圍內，另外，通過光藕合器6N137將干擾路徑切斷，減小噪聲的干擾。

2.3驅動電路

驅動電路采用IR公司生產的高性能三相橋式逆變器驅動芯片IR2136，它只用一路驅動電源便可同時輸出6路驅動信號，且IR2136擁有完善的保護功能，使整個電路更加簡單可靠。

由于IR2136芯片本身沒有邏輯信號與功率信號之間相互隔離功能，因此本設計中DSP產生的6路PWM脈沖信號經光耦隔離后才作為IR2136的6路脈沖輸入，進而控制MOSFET管的導通和關斷。通過輸出端口HO1、HO2、HO3分別控制三相逆變橋電路的上橋臂T1、T3、T5的導通和關斷，通過輸出端口LO1、LO2、LO3分別控制三相逆變橋電路的下橋臂T4、T6、T2的導通和關斷，從而實現控制電機轉速的正反轉。圖6為由IR2136構成的驅動電路。

2.4系統保護電路

在無刷直流電動機控制系統中，保護電路可以保護控制器DSP免受過壓、過流的影響，還可以保護電機的驅動電路免遭破環[6]。整個系統的保護電路由隔離電路和驅動保護兩部分組成。

(1)隔離電路的設計

光耦隔離電路的作用是避免主回路中的強電信號對控制回路中的弱電信號造成干擾，實現不同電壓之間的信號傳輸。如圖7所示(以一路PWM信號為例)，該隔離電路可實現對DSP的6路PWM輸出信號與IR2136之間光耦隔離，并實現驅動和電平轉換功能。

(2)功率驅動保護電路的設計

功率驅動保護電路包括自保護電路和過電流過電壓保護電路。為保證系統中功率轉換電路和電機驅動電路安全可靠工作，DSP還提供PDPINTA輸入信號，利用它可方便地實現系統的各種保護功能[6]。各路故障信號經過光耦隔離后送入到PDPINTA引腳，圖8給出具體保護電路。例如：當有過壓或過流現象時，IR2136的引腳FAULT會輸出制動信號，拉低PDPINTA引腳輸入電平，此時DSP 內部定時器停止計數，所有的PWM輸出引腳全部置為高阻態，同時也產生一個中斷信號，通知CPU有異常情況發生，這就是IR2136的硬件保護功能。

3系統與上位機的通訊

系統中用 SCI 接口完成與上位機的通訊功能，采用RS-232接口實現通信。通過上位機可以給定位置量，同時控制過程中電機的速度、電流、位置反饋量等參數，也可以實時地發送給上位機顯示；SPI接口完成串行驅動數碼管顯示的功能。通過數字 I/O 擴展的鍵盤設定位置給定量，并由數碼管顯示。

4系統仿真

本文對速度環采用增量式PID控制和參數自整定模糊PID控制兩種控制算法，利用北京雅合全公司生產的型號為45ZWN24-25的三相四極無刷直流電動機，對實驗結果進行分析。圖9、圖10分別對應兩種算法在電機啟動時的轉速響應曲線。

分析電機啟動時轉速啟動曲線可知，兩種控制算法都有一定的超調。增量式PID控制算法電機啟動達到穩態的時間大約為2.8s，超調量為8.27%；而參數自整定模糊PID控制算法電機啟動達到穩態的時間大約為2.2s，超調量為4.58%，可見，采用參數自整定模糊PID控制算法之后，有效地降低了超調量，縮短了電機啟動的時間，提高了電機的控制精度。

5結束語

本文設計了以TMS320F2812為核心的數字直流伺服系統，很好地解決了高精度伺服控制系統中PWM信號的生成、電機速度反饋及電機電流反饋問題，并實現了保護功能，使系統硬件得到了極大地簡化，提高了系統的可靠性。并結合參數自整定模糊PID控制算法實現了電機的高精度伺服控制，實驗結果驗證了該方法的有效性。

參考文獻

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[2]何小紅.無位置傳感器無刷直流電動機控制系統的設計[D].碩士學位論文.陜西:西安科技大學，2009.

[3] Mohan BM，Sinha A. Analytical structure and stability analysis of a fuzzy PID controller. Applied Soft Computing. 2008:74958.

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[6]夏長亮.無刷直流電動機控制系統[M].北京:科學出版社，2009:31-44，182-203.

篇12

二、三大特點凸顯節能減排成效

(一)走出了一條政府多種手段調控能耗的新路子1.節能降耗初見成效。2008年1—6月,全縣130家模以上企業,總能耗76萬噸標煤,規模以上萬元工業增加值能耗5.285噸標煤,較去年同期下降8.08%,節約標煤6.687萬噸。2.環境保護力度加大。率先在四川省施行環保信譽考核制度和樂山市在建立鄉鎮環保辦,企業環保信譽考核制度和約見談話制度不斷鞏固,網格式環境監察不斷擴展,新萬興公司投資566.55萬元,治理噴霧干燥塔5座、壓制生產線5條和磨邊生產線5條,每年可減少粉塵排放911.2噸。2008年1—6月,全縣削減二氧化硫1021噸,完成全年任務的184.96%。3.生態環境初步改善。治理水土流失5平方公里,成片造林5000畝,四旁植樹35萬株,森林覆蓋率提高0.6個百分點,全縣城區環境質量好于二級天數占總天數的93%。2008年1—6月,全縣財政投入140萬元,撬動企業和社會各界投入3.5億元投入節能環保技術改造。

(二)走出了一條企業主體作用充分發揮的新路子1.開展廢料循環利用。建輝、新萬興等21家陶瓷企業建成廢水處理循環利用設施,拋光線日耗水從2000噸/條減為600噸/條,工業用水重復利用率達71%;全部陶企廢水沉淀物壓濾干化后再次用作陶瓷生產坯料,減少原料消耗和廢物排放;峨佳、峨頂水泥廠每天使用陶瓷廢渣200—300噸,年產熟料水泥20—25萬噸。2.實施工業窯爐節能。推廣陶瓷窯爐一次燒成技術、窯爐內堂涂節能材料及加長燃氣噴槍、改造風機和燒嘴脈沖助燃,威尼陶瓷改傳統的二次燒成為一次快燒,年節約天然氣達150萬方以上,節能率達20%;明珠陶瓷改單層為雙層燃氣生產線,下層煅燒窯爐的熱能直接作用于上層干燥窯爐,綜合能耗下降20%,產能提高30%。3.實現余熱余壓利用。重點在陶瓷行業推廣窯爐尾氣余熱復用噴霧塔技術和陶瓷輥道窯余熱發電技術,東泰陶瓷廠利用蒸汽發電機余熱發電,可滿足企業自身50-70%的生產用電,年可發電250萬度,度電成本僅為0.05元;米蘭諾等企業利用窯爐尾氣余熱復用噴霧塔,可節省噴霧塔原煤或天然氣耗用,尾氣利用率達到30%,節能率達13%。4.推進機電系統節能。以電力電子技術傳動方式改造機械傳動方式,采用交流調速取代直流調速,重點推廣高效節能電動機、稀土永磁電動機和軟啟動裝置、無功補償自動投切裝置、計算機自動控制系統等;合理匹配電機系統,消除“大馬拉小車”現象。5.推廣能量系統優化。重點在陶瓷行業通過系統優化設計、技術改造和改善管理,提高能源系統效率。近兩年,新中源、新萬興、米蘭諾等企業投入技改資金達7億多元,科達陶瓷在省內陶企業中首家通過ISO10012:2003測量管理體系認證,西部瓷都陶瓷產區實現煤渣固體垃圾的零排放。

(三)走出了一條切實轉變經濟發展方式的新路子1.企業競爭力明顯增強。3家企業進入了全國建陶行業銷售收入30強,2家進入“四川省行業領先中小企業”200強。2.自主創新能力顯著改善。組建四川省建筑陶瓷工程技術研究中心,高檔紅坯陶瓷共性技術研發取得初步成果,研發出“玉晶石”系列產品,利用釩鈦礦渣生產有色仿古磚技術得到突破,企業新獲專利授權3件,建輝公司被命名為四川省建設創新型培育企業。3.品牌戰略實現突破。目前全縣已有中國馳名商標1個、四川省著名商標3個、省級名牌2個和16個國家免檢產品。新萬興年底將建成中國名牌產品,建輝、米蘭諾將獲得中國馳名商標。

三、四位一體建立節能長效機制

(一)完善行政問責制進一步明確縣鄉政府節能減排責任,對本行政轄區內節能減排考核結果實行四掛鉤。1.跟政績掛鉤。將節能排污總量指標分值和經濟增長的分值實行同等權重。2.跟職務任免掛鉤。實行節能減排一票否決,被評為差和較差的不予提拔。3.跟評先評優掛鉤。節能減排差的取消評先評優資格。4.跟執行紀律掛鉤。對監管失職、瀆職、發生重大環境污染事故或造成區域環境質量惡化的給予紀律處分。

(二)完善能效準入制1.制定目錄。根據國家、省、市產業政策以及夾江縣資源供給、環境容量及產業發展的現狀,加快制訂夾江縣限制和淘汰制造業落后生產能力目錄。2.能耗審核。固定資產投資項目的可行性研究報告(項目申請報告)必須包括合理用能的專題論證或節能篇(章);固定資產投資項目的設計和建設,必須遵守合理用能標準和節能設計規范。3.能效標識。嚴格執行國家能效標識管理辦法,加強對強制性能效標識制度產品的監督檢查,積極推動節能產品質量認證。

(三)完善激勵約束制1.獎勵機制。堅持和完善財政專項資金“以獎代補”新機制,對重大節能技術和產品推廣應用、城市污水處理設施配套管網建設等關系節能減排成效的關鍵領域和關鍵環節,采取財政專項獎勵資金與節能減排量掛鉤辦法,多節能減排,多獎勵,并在氣、電、運等要素配置及項目申報上給予優先考慮。2.約束機制。加強對企業節能降耗的政策調控,對不認真實施節能管理,能源使用效率低下的企業,在調峰錯峰時將首先限制其用電,在生產要素配置、項目申報和享受有關優惠政策方面不予支持,并依照有關法律、法規予以相應處罰。

(四)完善監察督導制1.網絡監察。重點抓好縣鄉兩級自動監測聯網建設,主要搞好重點節能減排企業、污水處理廠、主要飲用水源地、小集鎮和工業集中區五個方面的在線監控設施建設。2.強化執法。建立以企業節能環保自查與執法人員現場監測檢查和日常執法監管與專項行動相結合的節能環保監察制度,提高節能環保執法能力和水平。3.掛牌督辦。堅持以查促改,對突出的節能減排問題進行掛牌督辦,縣發改、環保、工業、監察、統計等部門密切配合,限期解決。4.責任追究。全面落實節能減排法律法規,嚴格節能降耗和環境污染行政責任追究,確保查處整改到位、責任追究到位。5.能耗公示。每周通過電視臺、西部瓷都網站等媒體公布一次主城區的空氣質量預報,每季度向縣“四大家”和縣級各部門通報一次全縣節能減排狀況,每年底對節能減排“責任書”執行情況進行考核。

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文章編號：1004-373X(2008)24-020-04

High Precision Laser Direct Writing System for Micro-optical Device

YANG Teyu

(Basic Experiment Center,University of Hefei,Hefei,230022,China)

Abstract：A high precision laser direct writing system is designed,which emploies MINAS A serials alternating current servo motors with 17 bit opto-coders from corporation,a x-y movement platform with high precision ball thread and linear slid guiders to ensure a movement precision near 30 nm.A three-dimensional movement control board for the system based on ISA bus is developed.the laser direct writing system meet well the precision requirement for lithography.At the same time,the system possesses many merits such as easy of operation and so on.Therefore,it can be used widely for the fabrication of different kinds of MOEMS chips.

Keywords：laser direct writing system;lithography;alternating current servo motor;ISA

激光直寫技術屬于無掩模光刻技術的一種，其工作機理是利用直寫裝置控制聚焦的激光光束，由計算機控制聲光調制器、平臺或轉臺的運動，在光刻膠上進行曝光，產生預定圖形，經過顯影得到所需要的圖像。激光直寫技術無需圖形光刻轉移、套刻、多次蝕刻等過程，減少了誤差來源,提高了器件的制作效率與精度。另外,它因無需掩模制作，節省了掩模制作的高昂費用，是一種有前途的光刻新技術。

激光直接寫入系統是制作光學器件的關鍵設備，國外的激光直寫技術發展得較早，有關激光直寫技術的報道最先在瑞士出現。20世紀90年代后，激光直寫技術迅速發展起來，隨著高精密的設備的研制以及新工藝和新材料的問世，激光直寫技術的應用領域越來越廣泛，涉及到微透鏡陣列、金屬光柵、多臺階光學透鏡的制作以及波導光學、集成光學方面等。國內激光直寫技術開展相對較晚，20世紀90年代開始，激光直寫技術才進入中國，浙江大學光學技術國家重點實驗室率先開始此項研究,研制了極坐標激光直寫設備，并對激光光刻中的分辨現象進行了研究。長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室在2001年推出自行研制的四軸激光直寫系統，進行了直角坐標和極坐標的激光寫入研究。

在激光直寫系統中，對工作臺的精度提出了較高的要求，高精密的穩定可靠的定位控制系統是制作高質量的微系統的關鍵因素之一。 設計開發的高精度激光直寫光刻系統，采用帶 17位增量式編碼器的松下MINAS A系列交流伺服［6,7］馬達，同時采用基于高精密滾珠絲桿和超精密線性滑軌導向的x-y運動平臺，可以實現約30 nm的運動控制靈敏度。論文還針對上述系統開發了一套基于ISA總線的三維運動控制卡，它采用8253計數器來控制馬達運行速度和行程，同時采用8255接口芯片來控制馬達運行方向，實現馬達限位保護。另外，在Visual C++開發環境下開發了控制軟件界面，實現了直線和曲線運動控制。

1 高精度激光直寫光刻系統的總體設計方案

設計的高精度激光直寫系統的光學和機械系統框圖如圖1所示。該激光直寫系統主要由光學系統、調焦系統和x-y運動平臺3個子系統組成。

(1) 光學系統。

光學系統由激光器、聚焦物鏡和半透半反鏡組成。激光器發出的激光光束經聚焦物鏡、半透半反鏡，最后通過顯微物鏡精確聚焦在基片上，對光刻膠進行曝光，從而完成各種圖形的刻寫。

(2) 調焦系統。

調焦系統的工作原理是:通過z軸電機的運動,調整聚焦物鏡的高度,實現準確聚焦。光刻物鏡的焦深決定了系統的最大調焦精度范圍，這里的調焦伺服系統位移執行器的精度要求應該小于物鏡焦深。

(3) x-y運動平臺。

x-y二維運動工作臺主要任務是為激光直寫系統提供高精度的、穩定的、均勻的、實時的位置控制和速度控制，通過精確的位置控制產生復雜的二維圖形,同時通過速度的控制保證各點的均勻曝光，否則將引起光刻線條的寬度變化。對于運動平臺而言，穩定的運轉速度的基礎是要具有良好的機械結構。運動平臺要求傳動螺桿應具有一定的機械剛性，剛性不好，將會產生較大的彈性形變，影響系統的精度。選用高精密滾珠絲桿，滾珠螺桿與螺母之間通過鋼珠形成滾動摩擦，運動平穩，傳動效率高，易實現高速運行，并且可以通過改變鋼珠直徑或采用雙螺母有效解決軸向間隙。另外，運動平臺采用超精密線性滑軌導向，這些都有效地保證了運動精度和直線性。

驅動電機選用松下公司的MINAS A系列交流伺服電機，它具有17位增量編碼器，對于螺距為4 mm的x-y運動平臺，其單步行程為4/21730 nm，能滿足激光直寫光刻系統的定位精度設計要求。MINAS A系列交流伺服系統運動精度高，控制復雜，下面將給出更詳細的介紹。

1.1 松下MINAS A系列交流伺服系統

松下MINAS A系列交流伺服系統具有3種典型的控制模式：位置控制、速度控制和力矩控制。設計的這套高精度激光直寫系統的調焦和x-y運動平臺子系統主要用到的是它的位置控制模式。伺服電機在PC機和控制器控制下，帶動二維工作臺在空間內做軌跡運動，需要由控制電路發出脈沖和方向信號，經光電隔離后送入伺服驅動器中。這些控制信號分別是：x軸脈沖信號，x軸方向信號；y軸脈沖信號，y軸方向信號。其中，脈沖信號控制電機所走的步數和速率，方向信號控制電機正反轉。在伺服驅動器中，PULS1和PULS2分別與控制電路板脈沖信號相連，SIGN1和SIGN2分別與方向信號端相連，這里脈沖和方向的輸出信號的接線都采用單脈沖接線方式。COM+，COM-分別接+12 V電源正負端，SRV-ON與COM-連接接于地，CCWL，CWL也與地相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其他連線可根據系統的需要進行適當連接。參數設置通過觸摸面板進行。

1.2 三維運動控制卡總體設計

激光直寫光刻系統的控制電路主要應該完成以下功能:

(1) 對三軸交流伺服電機的運動控制。主要包括三軸電機運轉的方向控制、行程控制和速度控制。其中通過控制電機的運行速度來實現對光刻曝光量的控制，速度慢，曝光劑量就大；速度快些，情況則相反。第三軸即z軸的方向信號被用來調節聚焦物鏡離基片的高度，從而達到調焦的目的。

(2) 限位保護。

針對上述功能要求，設計了一款運動控制卡，其電路原理方框圖如圖2所示。它主要由PC接口及地址譯碼模塊、時鐘產生模塊、方向信號產生模塊、脈沖信號產生模塊和保護功能模塊構成。

首先經譯碼電路得到方向信號產生模塊和脈沖信號產生模塊的片選信號，當片選信號有效時,則選中2個模塊,通過上位機寫入初始值,2個模塊開始工作,產生脈沖信號和方向信號,這些信號分別接至交流伺服驅動器的相應端口,驅動電機運轉,從而帶動工作平臺動作。在設計的這套激光直寫光刻系統中，第三軸電機用來控制調焦系統，曝光量的控制是通過改變脈沖的周期來實現。

1.3 主要模塊設計

(1) 時鐘產生模塊。

8253的工作頻率不能超過2 MHz,而ISA接口提供的時鐘為14.318 MHz，為此，設計了一個分頻時鐘電路，這個模塊由3個D觸發器構成，主要功能是為計數器8253提供時鐘信號。第一個D觸發器的CLK直接接至ISA總線的61腳（OSC振蕩器輸出腳），利用PC機內部的時鐘，這樣就無需外加一個振蕩電路，減小了板卡的尺寸，節約了成本。當14.318 MHz的脈沖信號經過3個D觸發器后，被8分頻，送出的信號分別加至2片8253的相應引腳。

(2) 方向信號產生模塊。

電機運轉的方向信號由該方向信號產生模塊提供，方向信號產生模塊的工作原理是：根據8255端口地址安排，設置A1A0=10，選中數據傳輸口C口，通過軟件設置PC1，PC2和PC3的值為高電平或低電平，使得電機出現正轉或反轉。這里需要說明的是，工作臺沿著導軌正走或反走，但不能無限制的走下去，如果走到導軌兩頭，還有脈沖信號提供給電機，就會出現過沖，將毀壞電機。為了避免此種情況的發生，在制作運動導軌時，特別在每個導軌兩端加上2個觸片式保護開關，當工作臺移動到導軌兩頭時，就會觸到開關，產生中斷請求，這時就可以重新設置PC1，PC2和PC3的值，使電機反向運轉，從而達到保護運動平臺系統的作用。

(3) 脈沖信號產生模塊。

這里僅就OUT1信號的產生加以說明。第一片8253的通道1的GATE引腳加高電平，也即是使它始終處于工作狀態，它的時鐘CLK由OUT1提供，工作方式設為方式0（計數結束中斷方式）。該通道用于計脈沖個數，當達到設定的脈沖個數時，COUT1就跳變為高電平，經反向器后控制GATE1為低電平，阻止通道0輸出脈沖。時鐘產生模塊產生的時鐘信號作為通道0的基準時鐘，通道0的工作方式設為方式3（方波發生器）。它根據設定的初值對基準時鐘進行分頻，輸出脈沖的個數受通道1計數的控制，最終由OUT1腳輸出一定速率和個數的脈沖信號。

(4) 限位保護電路。

限位保護模塊的主要功能就是避免過沖，保護電機。當工作臺隨電機運動到導軌兩端，觸碰到限位開關時，為了保護電機不致于過沖，就會產生一個中斷請求信號，使電機停止運轉。在三維運動控制卡中設計了8253門信號控制電路，GATE信號由COUT，PC0和IRQ3共同來決定。PC0具有最高級別,當PC0=0時,不管COUT，IRQ3為低還是為高, GATE都為高；只有當PC0=1時，模塊才正常工作。就控制第一軸電機的脈沖信號來說，設置PC0=1，電機沒有到達導軌兩頭時，也即是IRQ3為低電平時，第一片8253的通道1計數，控制電機運轉，具體走多少步，通過寫入計數初值來決定，當計數完成，COUT1跳變成高電平，GATE1為低，通道0中止工作。這時候可以設置PC0=0，讓通道0工作，但通道1無動作。當電機到達導軌兩頭時，PC0仍設置為1，這時將向計算機內部申請中斷，執行中斷服務程序，使GATE1變為低電平，無論通道1有沒有計數完成，都將因沒有時鐘信號提供而中止計數。只有中斷服務程序結束，或將PC0置為0，通道1才繼續計數。這個過程具有保護功能。當電機運動到導軌兩頭，觸碰到開關，就必須停下來，否則將損壞電機。要使電機有一定的回轉功能，只需將PC0置為0，改變方向信號PC1即可。

2 基于ISA接口的控制電路軟件設計

這款三維運動控制卡的控制程序的開發是在微軟公司的Visual C++6.0集成開發環境［8,9］中設計完成的。根據硬件設計預定實現的功能目標，得出了控制電路的軟件部分的總體設計流程圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，軟件中最為重要的2個模塊就是8255和8253的初始化程序，由于篇幅所限，在此僅給出8255初始化程序代碼，具體源程序代碼為：

if(nMotorNumber==1)

{

nD3=1;nD7=1;//8255(1)初始化

SetControleWord();

_outpw(0x0346,nControleWord);

Sleep(1);

nD7=0;nD3=0;nD1=nMotorDir;//設置方向信號pc1

SetControleWord();

_outpw(0x0346,nControleWord);

Sleep(1);

nD0=1;//正常工作pc0=1

SetControleWord();

_outpw(0x0346,nControleWord);

Sleep(1);

｝

通過感光膠片和SU-8光刻膠的光刻實驗，表明上述激光直寫光刻系統完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡單，行程軌跡精確、響應速度快、性能穩定等特點，適用于許多微光學器件加工領域，應用前景非常廣闊。

3 激光直寫系統光刻實驗

3.1 感光膠片刻蝕實驗

利用Visual C++6.0開發環境編制了直線和圓的運動控制程序，采用100 mW 的532 nm綠色半導體泵蒲固體激光器，成功地對35 mm彩色膠卷進行了光刻燒蝕實驗，刻蝕照片如圖4和圖5所示。

3.2 SU-8光刻膠光刻實驗

SU-8膠是基于Epon SU-8環氧膠（最初由Shell chemical開發）和IBM專利發展而來的一種負性化學放大光刻膠，它是由一種具有多官能團的、高度分支的聚合物環氧樹脂和少量光引發劑（PGA）溶于有機溶劑構成的。用它來制作光波導的光刻工藝流程主要有光刻膠的涂布、前烘、曝光、后烘、顯影、堅膜、蝕刻、去膠等幾個步驟。圖6給出了刻蝕得到的直線光波導的顯微照片，其中直線光波導的寬度為4 μm。

4 結 語

通過感光膠片和SU-8光刻膠的光刻實驗，表明上述激光直寫光刻系統完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡單，行程軌跡精確、響應速度快、性能穩定等特點，適用于許多微光學器件加工領域，應用前景非常廣闊。

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