液压伺服系统的设计Word文档格式.docx

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水压传动技术的应用与展望9

2.3液压节能技术9

第三章单元模块设计11

3.1键盘与显示模块11

模块工作原理11

芯片CH452介绍11

.1 

特点12

.2 

显示驱动原理13

.3键盘扫描原理15

3.2 

单片机控制单元模块电路15 

控制原理15

光电耦合电路16

3.3串行通信模块20

RS232通信协议21

串行通信电路22

第四章电机与电气控制电路设计23

4.1步进电机模块23

步进电机的工作原理23

摘要

液压传动和控制由应用电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术与新工艺、新材料等后取得了新的开展，使液压系统和元件在技术水平上有很大提高。

本文从液压技术现状、液压现场总线技术、水压元件与系统、液压节能技术等方面介绍液压技术创新与开展趋势。

指出液压传动向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向开展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。

关键词：

液压技术；

创新；

单片机控制;

数码管显示

前言

技术创新与其管理是当今管理科学的重要学科，对于提高国家、地方和企业的科技竞争力，实现可持续开展具有十分重要的意义。

无论是兴旺国家还是开展中国家，都非常重视对这一问题的研究。

20世纪80年代初，我国开始重视技术创新理论问题的研究，研究X围包括技术创新的模式、机制，技术创新的扩散，产创新和技术创新经济学，技术创新的区域研究以与有关技术创新的政策、体系等诸多方面。

经过20多年的研究，人们已经注意到创新在生产各个方面所起的关键作用，并将创新作为企业、产业和国家竞争获胜的中心环节。

近年来，流体动力传动由于应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术与新工艺、新材料等后取得了新的开展，使液压气动系统和元件在技术水平上有很大提高。

它已成为工业机械。

工程建筑机械与国防尖端产品不可缺少的重要技术。

而其向自动化．高精度．高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向开展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。

为了保持现有的良好开展势头，必须重视液压传动固有缺点的不断改良和创新，走向2l世纪的流体传动除不断改良现有液压气动技术外，最重要的是移植现有的先进技术，使流体技术创造新的活力，以满足未来开展的需要。

第一章液压技术的现状

20世纪是液压技术快速开展的一个世纪。

从20世纪初的矿物油作为动力传递介质概念的引入，到柱塞泵、三大类阀的发明，到四、五十年代电液伺服阀的发明和电液伺服控制理论确实立，再到1970年代插装阀与比例阀的发明，都是液压技术领域极具革命性的技术进步。

经过将近一个世纪的开展，液压技术在机械结构与流体原理方面已很少再有创新。

但液压技术却从与之相关的技术中得益良多。

正如1998年德国国际流体技术年会（IFK）上引用的数据明确：

近20年来，液压技术的开展来源于自身的科研成果仅约20％，来源于其他领域的发明占50％，移植其他技术成果占30％。

液压技术正是在汲取与其相关技术并与替代性技术的竞争中得以开展的。

可以说，电气传动与机械传动不单纯是与液压技术相竞争的技术，其互相的融合也正是技术开展、完善的一种方向。

就目前而言，液压技术主要在以下领域中拥有不可替代的作用：

需要大功率传递、要求功率重量比大的场合；

需要高动态响应的场合。

下面从液压元件、系统集成与控制、密封技术等方面分别阐述液压技术的现状。

液压元件

液压元件近年来的主要成果：

〔1〕元件的小型化、模块化元件的小型化，如电磁阀的驱动功率逐渐减小，从而适应电子器件的直接控制，同时也节省了能耗。

元件的功能日益复合，如螺纹插装阀的大量运用，使系统的功能拓展更灵活。

〔2〕节能化变量泵在国外的研发已日趋成熟。

目前，恒压变量、流量压力复合控制，恒功率比例伺服控制等技术已被广泛地集成到柱塞泵上。

节能、减少系统发热已成为系统设计时必须考虑的问题之一。

值得一提的是变频调速技术得到了足够的重视

系统集成与控制技术

〔1〕比例阀技术

比例阀的开展主要在频宽的增大与控制精度的提高上，以期性能接近伺服

阀。

同时，比例阀又沿着标准化、模块化与廉价的方向开展，以促进其应用。

前者如Bosch的带位置反响的比例伺服阀，其性能已很接近电液伺服阀的性能。

后者如螺纹插装式比例阀，在某些工程机械中得到了运用。

〔2〕电液伺服技术

电液伺服阀是最早将液压技术引入自动控制领域的功臣。

但电液伺服阀的结构自发明以来，就少有改良。

除了在传统的需要特别高频响的场合外，其传统地位正日益受比例技术的挑战。

MOOG公司也开始生产与比例阀类似的采用永磁式线性力马达的直接驱动式伺服阀〔DDV〕。

〔3〕控制理论

控制理论是该领域最为活跃的一个分支。

液压控制系统正从不断开展的自动控制理论中得益，并不断丰富自控理论的实践。

目前，自适应控制、鲁棒控制、模糊控制与神经网络控制等均得到了不同程度的运用。

密封技术

自从液压技术以来，泄漏一直是困扰着业界人士的一大难题。

伴随着泄漏的是：

矿物油的浪费与对环境的污染、系统传动效率的降低等等。

在静密封领域，

橡胶类密封件拥有不可替代的地位，当然，根据应用场合〔如温度〕的不同，又有丁腈橡胶与氟橡胶之分。

在动密封领域，聚四氟乙烯〔PTFE〕已拥有不可动摇的地位。

近年来，密封技术的进步也主要集中在PTFE的使用方面。

随着对材料与密封机理的深入了解，已可以在PTFE中有针对性的添加某些材料以达到提高性能的要求。

国外许多大的密封件公司均有针对不同应发已日趋成熟。

目前压变量、流量压力复合控制，恒功率、比例伺服控制等技术已被广

泛地集成到柱塞泵上。

值得一提的是变频调速技术得到了足够的重视。

采用定量泵变转速的方案是与恒转速变量泵相异的种思路。

目前的研究尚处于初步阶段。

〔3〕新材料的应用新材料如陶瓷技术的使用是与非矿物油介质元件的要求与提高摩擦副的联系在一起的。

目前，已有德、英、芬兰等国的厂商在纯水液压件上使用了该项技术。

新型磁性材料的运用是与电磁阀、比例阀的性能提高结合在一起的。

由于磁通密度的提高，可以使阀的推力更大，其直接作用便是阀的控制流量更大，响应更快，工作更可靠。

〔4〕环保

环保的要求表现了现代工业的人文关怀。

环保的液压元件应当至少无泄漏与低噪声，这也是液压元件开展的一个永恒的主题。

〔5〕非矿物油介质元件

非矿物油介质元件是应用于特殊场合的元件，如要求耐燃、安全、卫生，此时就需要考虑采用高水基或纯水元件。

能源危机催生了该类元件的，但目前的开展动力可能更大程度上与环保、工作介质的廉价与其安全性相关。

目前，丹麦的Danfoss公司提供了成套的NESSIE系列纯水液压元件，已在食品等行业得到了运用。

第二章液压技术的创新开展

2.1液压现场总线技术

液压现场总线技术的定义

现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备；

和监控设备组成的分布式系统从计算机角度看，现场总线是一种工业网络平台；

从通信角度看，它是一种新的全数字串行、双向、多路设备的通信方式；

从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。

随着现代制造技术的快速开展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越严密，在液压领域越来越多的人开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到现场总线技术的优越性。

液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，与其各自的控制阀、执行器相连接。

开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。

根据开关液压源功能不同，它可组合成升压或降压增流型开关液压源。

由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，通过高速开关方式加以升压或降压增流。

该系统克制了传统液压系统无法实现升压以与降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。

现场总线技术在液压系统应用中的特点

（1）经济性。

任何一种新技术新产品的开发与使用，其本钱是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。

设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统与工程本钱。

所以，应用单位使用总线产品和供给商提供产品的第一前提应该是以降低总线系统的使用本钱为目的。

（2）按IEC61131—3标准的柔性化程序，易学、易懂，可操作性强。

（3）可靠性、可维护性。

现场总线技术采用总线代替一对一的I／O连线。

对于大规模I／O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有在线故障诊断，报警记录功能；

可完成现场液压系统的远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。

（4）友好的人机对话界面，可方便进展液压系统的参数修改和故障监控。

（5）满足所有有关人身安全、电磁兼容、抗冲击与抗震动的重要标准。

（6）相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势。

2.2水压元件与系统

水压传动技术概述

用水作介质的液压元件古而有之，最早的液压设备就是用水的。

今灭随便一个洗车店里都装备了带容积式泵的高压清洗机这样的水液压设备。

但后来所谓“水压机〞的介质中也添加了许多东西以满足方方面面的性能要求，其实是一种乳化液。

后来开展的“难燃液压液〞有几种也是水基的。

在某种意义上，液压技术的开展是一个元件与工作介质互相适应和协调开展的历史。

液压介质性能水平的提高对于现代液压技术的开展功不可没。

现在所谓的水液压元件企图用普通水或天然海水作为介质，所有技术难点就都集中到了元件本身。

液压元件的开展越来越依赖于材料科学和制造技术的进步，这在水液压元件中表现得尤为突出。

在现代技术条件下，造出能在密封、润滑、抗蚀等性能方面适应纯水甚至海水介质的液压元件是可能的，当然由于无法同时改良介质的相关特性，水液压装置的性能，特别是性价比拟高之元件和介质都经过多年“磨合〞和优化的传统液压装置会大打折扣，一般也只能在水的冰点以上才能运行。

水上和水下作业的船只和装置上，以与用高压水工作的设备中（如高压水清洗、切割设备、消防设备和艺术喷泉等），使用直接从外界吸水和向外排水的开式循环的水液压系统有其必要性和合理性。

水压传动技术就是基于绿色设计和清沽生产技术而重新崛起的一门新技术。

是新型工业化开展进程中出现的一门绿色新技术。

由于水具有清洁、尤污染、廉价、安全、取之方便、再利用率高、处理简单等突出优点，用其取代矿物油作为液压系统工作介质时不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够最大限度地解决因矿物油泄漏和排放带来的污染与安全问题，最符合环境保护以与可持续开展的要求，使得人们开始重新考虑和认识到将这一清洁能源作为液压系统工作介质的重要性，并已引起人们的普遍关注，成为现代水压传动技术开展的最直接动力。

水压传动技术特点

（1）资源丰富，来源广泛，再利用率高。

水是地球上最为丰富且与世共生的资源，在水压传动系统应用的整个周期内，可屡次回收，重复使用，且不易变质

（2）水是一种无毒无污染资源，对人体和环境尢害。

有利于提高T作环境的舒适性和安全性，排除的液体不需作任何处理即可直接排放，从根本上消除油压传动系统冈泄漏和排放而造成的牛产与环境污染。

（3）阻燃性好，安全性高。

特别适合高温、核辐射和明火等场合下的应用，有效地解决油压传动所带来的易燃、易爆、油蒸汽对人体的危害等安全问题以与核辐射造成的液油变质和放射性污染等问题。

（4）处理技术与工艺简单，系统的运行与维修费用低。

水长时间使用不会变质，使用前后的水处理简单；

而且系统在航运、水下作业、潜艇等水环境下工作时，不用油箱、冷却装置，大大简化了系统。

水压传动技术的应用与展望

随着科学技术的进步，水压产品与技术取得了较大的进展，目前，不仅水压泵形式增多了，符合ISO／CETOP连接尺等各标准规格的各种阀，甚至叠加阀、比例阀和连续可调的流量控制阀都形成了产品系列，配套用的液压缸、油箱、接头零件、密封件等也一应俱有，而且在专家的指导下，用户可以根据自己的需求进展系统配组。

正式推出了多种工作压力为l6～21MPa的作为成套机械和设备用的独立产品（动力站和控制阀）。

在欧、美水压传动开始广泛进入食品工业、医药、化学、造纸木材加工、海上作业、核能工业、消防、工程、地质钻探、环境工程等一些对安全、清洁、环境无害要求较高的行业。

一些量大面广的街道和路面清洗车以与新的铁路机械中的应用，加上传统的钢厂轧机和水压机等应用正在扩大。

可见水液压作为一种更符合环保要求的传动技术，将会使流体技术在与电传动技术的竞争中得到新的支持。

随着新材料、新技术的不断涌现，必将推动水压技术的开展，逐步地取代现有的油压传动系统。

可以预见，水压传动这一在第一次工业革命中兴起的古老技术，通过创新开展终将成为与电气、油压、气动并列的第四种传动技术。

2.3液压节能技术

液压传动系统能量损失包括各元件中运动件的机械摩擦损失、泄漏损失溢流损失、节流损失、输入和输出功率不匹配的无功损失几方面。

机械摩擦损失、泄漏损失所占比例与所选元件本身的机械效率、容积效率、介质粘度、回路密封性以与系统组成的复杂程度有关；

溢流损失、节流损失所占比例与回路和控制形式有关；

而输入和输出功率不匹配的无功损失所占比例与控制策略有关。

因此节能是液压技术的重要课题之一，随着节能和环保要求的日益高涨，有效活用能源和降低噪声已成为液压行业的重要目标。

综观国内外液压技术开展历程，无时无刻不伴随节能的需要与创新。

（1）二次调节系统。

二次调节静液传动系统由恒压油源、二次元件（液压泵／马达）、工作机构和控制调节机构等组成。

二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量，以适应负载转矩的变化，使负载按设定的规律变化。

系统中的压力根本保持不变，二次元件直接与恒压油源相连，在系统中没有原理性节流损失，从而提高了系统效率。

另外，蓄能器的参加，不但抑制了压力限制元件发热所引起的功率损耗。

而且还通过回收、释放液压能有效提高液压系统的工作效率。

（2）电液负载感应系统。

负载感应就是将变化的负载压力反响到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构，使液压系统压力与负载压力相适应，消除了系统压力过剩，由于负载感应装置与变量泵的变量调节机构联系在一起，使变量泵的流量与负载流量相适应，系统不会产生过剩流量。

（3）定量泵加变频调速电机电液系统。

交流变频调速液压系统防止节流损耗和溢流损耗，另外，交流变频调速液压系统还大大提高了原动机——异步电动机的效率，并显著改善功率因数，是其它液压调速方式所无法比拟的。

利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统所要求相适应，可以使溢流损失降至最低，有效地节约了能量。

交流变频调速液压系统在大功率间歇运动的调速系统中，其优越性更为显著。

（4）尽可能地节省空间。

采用无油压控制阀可以减少系统装置空间，依据闭回路的构成使油箱小型化，减少发热量从而不须使用冷却器。

例如，采用伺服马达使液压泵正反转向，不必使用方向、流量、压力控制阀也能达到控制的效果。

采用闭回路系统，可以自我形成油量补偿机能，混合式伺服系统可以使油箱控制在储存最小作动油的状态下作功，表现油箱小型化的优点。

由于只在需要时使液压泵输出必要的流量，从而将发热源控制降至最低，也就无需再加装冷却器。

因为不需冷却水的循环以与减少作动油的消费量，所以也能节省资源。

另外，降低噪声也依然重要。

（5）一体化构造。

将液压泵、马达、油箱、油量补偿回路构成为一体，形成无配管的一体构造。

（6）省电节能的液压系统设计。

高的响应速度、高的控制精度和重复精度的比例阀、比例泵、伺服阀的应用；

由转速叮调的伺服电机+柱塞泵、伺服马达螺杆驱动、蓄能器+高速伺服组成闭环同路控制油电式高速注塑机液压系统设计和应用。

有上下压双联或多联式泵、变量泵、蓄压器系统等的推出：

针对阀控电液系统有较大能量损失的问题，推出了泵和电液比例阀结合的负载感应型，泵和比例压力、比例流量控制阀结合的注塑机电液控制系统。

第三章单元模块设计

3.1键盘与显示模块

模块工作原理

本单元模块电路的功能是通过对单片机编程，使当前按键信息在8个LED上显示出来，由芯片CH452来对数码管进展驱动，并对键盘进展扫描。

图3.1所示为一来个八位LED动态显示电路。

在同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，8位LED将显示一样的字符。

假设要各位LED能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线如此处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符段码。

这样，在同一时刻，8位LED中只有选通的那一位显示出字符，而另一位如此是熄灭的。

同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，如此同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位如此是熄灭的。

如此循环下去，就可以使两位分别显示出将要显示的字符。

虽然字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔时间足够短，如此可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。

图3.1显示单元模块电路图

键盘的扫描原理与数码管的扫描显示原理类似，依次将矩阵键盘的某行或某列置一，再逐个判断改行或该列上是否有信号为高，有如此说明两座标相交处的按键按下了。

芯片CH452介绍

CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。

CH452内置时钟振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；

同时还可以进展64键的键盘扫描；

CH452通过可以级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据；

并且可以对单片机提供上电复位信号。

图3.2CH452工作原理图

.1特点

〔1〕显示驱动

●内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。

●动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管、64位发光管LED或者64级光柱。

●可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD译码方式。

●BCD译码支持一个自定义的BCD码，用于显示一个特殊字符。

●数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。

●各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。

●任意段位寻址，独立控制各个LED或者各数码管的各个段的亮与灭。

●64级光柱译码，通过64个LED组成的光柱显示光柱值。

●扫描极限控制，支持1到8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。

●可以选择字驱动输出极性，便于外部扩展驱动电压和电流。

〔2〕键盘控制

●内置64键键盘控制器，基于8×

8矩阵键盘扫描。

●内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。

●键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。

●提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。

●支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的CH452可以被局部按键唤醒。

3、外部接口

●同一芯片，可选高速的4线串行接口或者经济的2线串行接口。

●4线串行接口：

支持多个芯片级联，时钟速度从0到2MHz，兼容CH451芯片。

DIN和DCLK信号线可以与其它接口电路共用，节约引脚。

●2线串行接口：

支持两个CH452芯片并联〔由ADDR引脚电平设定各自地址〕。

时钟速度从500Hz到200KHz，兼容两线I2C总线，节约引脚。

●内置上电复位，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位输出。

4、其它

●内置时钟振荡电路，不需要外部提供时钟或者外接振荡元器件，更抗干扰。

●支持低功耗睡眠，节约电能，可以被按键唤醒或者被命令操作唤醒。

●可选两种封装：

SOP28、DIP24S，引脚与CH451芯片兼容。

●经过授权采用了1项专利技术，低本钱，简便易用。

.2显示驱动原理

CH452对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0至DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚如此不吸入电流。

CH452内部具有电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至1英寸的共阴数码管，段驱动引脚SEG6～SEG0分别对应数码管的段G～段A，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG7～DIG0分别连接8个数码管的阴极；

CH452也可以连接8×

8矩阵的发光二级管LED阵列或者64个独立发光管或者64级光柱；

CH452可以改变字驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管〔不译码方式〕，或者通过外接反相驱动器支持共阳数码管，或者外接大功率管支持大尺寸的数码管。

CH452支持扫描极限控制，并且只为有效数码管分配扫描时间。

当扫描极限设定为1时，唯一的数码管DIG0将得到所有的动态驱动时间，从而等同于静态驱动；

当扫描极限设定为8时，8个数码管DIG7～DIG0各得到1/8的动态驱动时间；

当扫描极限设定为4时，4个数码管DIG3～DIG0各得到1/4的动态驱动时间，此时各数码管的平均驱动电流将比扫描极限为8时增加一倍，所以降低扫描极限可以提高数码管的显示亮度。

CH452内部具有8个8位的数据存放器，用于保存8个字数据，分别对应于CH452所驱动的8个数码管或者8组每组8个的发光二极管。

CH452支持数据存放器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪烁控制的属性不会随数据移动。

CH452支持任意段位寻址，可以用于独立控制64个发光管LED中的任意一个或者数码管中的特定段〔例如小数点〕，段位编址顺序与键盘编址一致，编址从00H到3FH。

当用“段位寻址置1〞命令将某个地址的段位置1后，该地址对应的发光管LED或者数码管的段会点亮，该操作不影响任何其它LED或者数码管其它段的状态。

CH452支持64级的光柱译码，用64个发光管或者64级光柱表示65种状态，加载新的光柱值后，编址小于指定光柱值的发光管会点亮，而大于或者等于指定光柱值的发光管会熄灭。

CH452默认情况下工作于不译码方式，此时8个数据存放器中字数据的位7～位0分别对应8个数码管的小数点和段G～段A，对于发光二极管阵列，如此每个字数据的数据位唯一地对应一个发光二级管。

当数据位为1时，对应的数据管的段或者发光管就会点亮；

当数据位为0时，如此对应的数据管的段或者发光管就会熄灭。

例如，第三个数据存放器的位0为1，所以对应的第三个数码管的段A点亮。

通过设定，CH452还可以工作于BCD译码方式，该方式主要应用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数BCD码，由CH452将其译码后直接驱动数码管显示对应的字符。

BCD译码方式是指对数据存放器中字数据的位4～位0进展BCD译码，控制段驱动引脚SEG6～SEG0的输出，对应于数码管的段G～段A，同时用字数据的位7控制段驱动引脚SEG7的输出，对应于数码管的小数点，字数据的位6和位5不影响