【精选】殷亚兵-光电驱动电动车的研究—电动机控制系统

【精选】殷亚兵-光电驱动电动车的研究—电动机控制系统 河南科技学院 2009届本科,, 论文题目:光电驱动电动车的研究—电动机控制系统 学生姓名: 殷 亚 兵 所在院系: 机电学院 所学专业: 应用电子技术教育 导师姓名: 杨 天 明 完成时间:2009年5月25日 摘 要 本文从系统要求入手～将整个电机系统分成三个部分～分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况。系统各部分的控制电路基于AT89C2051单片机。根据无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制和回馈制动～通过软硬件的配合～实现了整个系统的设计要求。 关键词:单片机～无刷直流电机～脉宽调速～回馈制动 A Study of Photoelectric Driven Electric Vehicles— Motor Control System Abstract This paper analyzes the system from the requirements, the whole system of motor will be divided into three parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method.Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction. Part of the system control circuit based on AT89C2051 chip microcontroller. According to the brushless DC motor control of the PWM pulse width and regenerative brake, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words: Single-chip Microcomputer, Brushless DC motor, PWM pulse speed control system, Regenerative brake 目 录 1 绪论............................................................................................................................ 1 1.1 当前电动自行车发展状况.................................................................................. 1 1.2 电动自行车改进.......................................................................................... 2 2 无刷直流电动机........................................................................................................ 2 2.1 无刷直流电动机的结构...................................................................................... 2 2.1.1 电机本体....................................................................................................... 3 2.1.2 直流电源....................................................................................................... 4 2.1.3 位臵传感器................................................................................................... 4 2.2 无刷直流电动机的工作原理.............................................................................. 7 2.3 无刷直流电动机的分类...................................................................................... 8 2.4 无刷直流电机的基本公式.................................................................................. 9 2.5 无刷直流电机数学模型...................................................................................... 9 2.6 无刷直流电动机的驱动控制............................................................................ 10 2.6.1 星形联结方式............................................................................................. 10 2.6.2 三相Δ联结方式......................................................................................... 11 3 无刷直流电动机的PWM调速控制 ...................................................................... 12 3.1 直流电动机电枢的PWM调速原理 ................................................................ 12 3.2 PWM波的转速控制 ....................................................................................... 13 4 回馈制动.................................................................................................................. 14 4.1 回馈制动的控制原理........................................................................................ 14 4.2 回馈制动的数学模型........................................................................................ 17 4.2.1 续流状态..................................................................................................... 17 4.2.2 充电状态..................................................................................................... 18 5 系统硬件电路设计.................................................................................................. 19 5.1 电动车总体结构框图........................................................................................ 19 5.2 AT89C2051芯片介绍 ..................................................................................... 19 5.2.1 概述............................................................................................................. 19 5.2.2 性能介绍..................................................................................................... 19 5.3 控制器技术参数................................................................................................ 21 5.4 总体电路设计.................................................................................................... 21 5.4.1 驱动电路..................................................................................................... 21 5.4.2 回馈制动电路............................................................................................. 220 6 结束语...................................................................................................................... 23 致谢.............................................................................................................................. 23 参考文献...................................................................................................................... 24 附录 电机控制系统电路总图.................................................................................... 25 1 绪论 随着现代社会的不断进步～环境和能源问题越来越受到人们的重视。无污染、低噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点。电动自行车作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具～ 拥有节能、环保、便捷三大优点～在减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用。电动自行车中控制器是最关键的部分。目前～电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。电动自行车在正常运行过程中～控制器可以通过信号采集与处理～将运行速度、电压状况等提供给显示部分。 现在的电动自行车电机主要分有刷和无刷两大类。其中无刷直流电机的发展前景较好。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速～只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率管和某些相关功能上的差别～并都具有过流保护功能。本课题主要研究电动车的再生制动～即电动车的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。同时采用以单片机为核心的控制器～其控制精度高～调试简单～可进行功能扩展～有助于控制器向智能化方向发展。 1.1 当前电动自行车发展状况 电动自行车因为轻便、快捷,适应了现代人追求环保、效率、安全的要求～受到了人们的普遍欢迎。电动车产量逐年增加～到2006年我国的电动自行车的数量已达到2100万辆。 电动自行车采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装臵—电机来看就有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年发展～曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。目前较为成熟的有两大类:一类是带减速齿轮的有刷电机～有盘式结构和圆柱结构两种,另一类是不带减速齿轮的直接驱动无刷直流电机。 目前, 电动车所使用的直流电机大多数采用有刷电机～其特点是体积小,功率[1]大。根据实践经验,控制器的损坏,大多是由于驱动管损坏而引起其他元器件损坏。因此～控制器的好坏主要取决于功率驱动管的负载能力。电动自行车用电机功率大多是在150，180 W之间～采用36V/ 48V电池供电～额定电流在4.5,5A。电动自行车用电池为铅酸蓄电池～电池过充电和过放电均会缩短电池寿命。大电流放电还会引起控制器中功率驱动管的温度急剧上升～损坏驱动管～以至于损坏控制器～因此控制器必须有防止过充电保护。控制器设计应确保电机工作在额定电流范围内～允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能～以保护电池和功率驱动器件。使用刹车时～控制器要禁止输出。为了防止过放电～控制器要对供电电压随时进行～一旦低于阀值(一般为标称电压的0. 85)关闭控制器输出。 1 1.2 电动自行车改进方案 太阳能是一种洁净、无尽的能源。太阳能发电是21世纪能源利用的趋势。太阳能光电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。光伏效应的实质是:光子能量转换成电能的过程。采用光电驱动的电动车～更有利于太阳能的广泛开发和利用～省去麻烦的充电环节～做到对无限资源可持续利用和对环境的零污染～是未来电动自行车的发展趋向。 直流无刷电机具有明显的优势～它既具有直流电动机运行效率高、调速性能好又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点。目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机～定子是电枢绕组～用电子换向取代了机械换向。电角度有60?和120?两种。控制器根据霍尔反馈的电机电极位臵～控制相应的功率驱动管的开通或关断～在定子中产生旋转磁场～驱动电机的转子转动。 由于电机具有可逆性～电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行～因此可以通过回馈制动～回收制动能量对电池进行充电～提高电动车的行驶里程。采用回馈制动～可接收电动车下坡、减速、停车时的能量～以节约电能。结果表明 :采用此种控制方式可达到 10 %左右的能量回收率～进而提高电动车能量利用率。 根据以上的改进方案其系统的具体设计要求为: ,1,在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行充电～对电动车直流电机和控制电路进行供电, ,2,以单片机为控制中心设计出无刷直流电动机控制系统的控制线路, ,3,无刷直流电动机采用脉宽调制的PWM控制方法调速, ,4,主要实现再生制动～即接收电动车下坡、减速以及停车时的机械能量～馈送给蓄电池～以节约电能。 2 无刷直流电动机 无刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机～由永磁同步电动机、转子位臵传感器和控制驱动电路三部分组成。其基本运行原理是:根据转子位臵传感器所提供的转子位臵信号来产生换向信号～控制功率电路的开通与关断～在永磁同步电动机中产生旋转的定子磁动势～这样可以使该定子磁动势与转子磁动势之间的电角度保持在90?左右～从而产生接近于恒定的电磁转矩。无刷直流电机采用逆变电路驱动～进行电子换向～具有没有换向火花、抗干扰性强、运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点。 [2]2.1 无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机是由电动机本体、转子位臵传感器和电子开关线路3部分组2 成～其电机结构示意图如图1所示。 图1 无刷直流电动机结构示意图 1--主定子 2--主转子 3--传感器定子 4--传感器转子 5--电子换向开关电路 无刷直流电机的原理框图如图2所示。图中电源通过开关电路向电动机定子绕组供电～位臵传感器随时检测到转子所处的位臵～并根据转子的位臵信号来控制开关管的导通和截止～从而自动的控制哪些相绕组通电～哪些相绕组断电～实现电子换相。 输出 直流电源 电子开关 无刷电动机 位臵传感器 图2 无刷直流电动机的原理框图 2.1.1电机本体 电动机内部结构分定子和转子两部分。定子是由定子铁心～电枢绕组及其引出线～传感元件及其引出线～定子支架～轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的～由于电机径向尺寸大～轴向尺寸短～定子铁心一般做成多对极多个槽数～以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似～它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相～并采用Y型联接～三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接～即为三相半控驱动方式。电机转子的结构分两种:一种是将瓦片状的永磁体贴在转子的外表上～如图3,a,所示～称为凸极式,另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中～如图,b,所示～称为内嵌式。它都由永久磁钢按一定极对数,2p=2～4～..., 3 组成～磁钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼或钐钴,稀土磁钢,等。 (a) 凸极式 (b ) 内嵌式 图3 永磁转子结构类型 无刷直流电动机的定子上开有齿槽～齿槽数与转子极数和相数有关～应是它们的整倍数。绕组的相数有二、三、四相～但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与电子开关电路相连～开关电路中的开关管受位臵传感器信号控制。 2.1.2 直流电源 由于采用光电结合的充电方式～太阳能电池板是整个电源的重要组成部分～要将光电转换后的电能同时给蓄电池供电。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成～每个支路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。其太阳能电池方阵分为若干个子阵列～每个阵列由一个电子开关。由蓄电池提供48V电源给无刷电机和控制器进行供电。 2.1.3 位臵传感器 无刷直流电动机常用的位臵传感器有以下3种。 ,1,电磁式位臵传感器 电磁式位臵传感器是利用电磁效应来实现位臵检测的。它的结构如图4所示。它由转子和定子两部分组成。转子是一个用非导磁材料制成的圆盘～其上面镶有扇形的导磁材料～扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子磁极的极对数相等。转子与电动机轴连在一起～随电动机同步转动。定子是由高频导磁材料的铁心制成～一般有6个极～等间距分布～每个极上都缠有线圈。 图4 电磁式位臵传感器原理图 4 其中互相间隔的3个极为同一绕组～接高频电源作为励磁极,另外3个极有 自己独立的绕组～作为感应极～是传感器的输出端。电磁式位臵传感器在直流无 刷电动机中～用得较多的是开口变压器。 ,2,光电式位臵传感器 光电式位臵传感器利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接受元件、 遮光板组成～如图5所示。其中发光二极管和光敏接受元件分别安装在遮光板的 两侧～固定不动～遮光板安装在转子上～随转子转动。 遮光板上开有120?的扇形开口～扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子 磁极的极对数。当遮光板上的扇形开口对着某个光敏接受元件时～该光敏元件因 接收到对面的发光二极管发出的光而产生光电流输出,而其它光敏接收元件由于 被遮光板挡住而接收不到光信号没有输出。这样随着转子的转动～遮光板使光敏 123456接受元件轮流接收光信号～产生不同输出。根据输出就可以判断转子所处位臵。 DD 图5 光电式位臵传感器工作原理图 光电元件一般是砷化镓发光二极管和光敏三极管。光敏三极管或光敏二极管 的输出较弱～需要整形放大～图6是它的放大整形电路。经过放大整形输出的是 脉冲信号～易于与数字电路接口。 +D1R2 V1+ R1PCC 输出信号U0 V2-- ,a,放大整形电路 ,b,光电传感器实物 图6 光电输出的放大整形电路及实物 ,3,霍尔式位臵传感器 5 BB AA Title SizeNumberRevision B Date:28-May-2009Sheet of 殷亚兵 论文\protel电路图\分电路图.DDBDrawn By:File:E:\ 123456 霍尔式位臵传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。利用霍尔式位臵传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子～同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化老辨别转子所处的位臵。 “霍尔效应”的原理如图7所示～在长方形半导体薄片上通入电流I～电流方向如图～当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为B的磁场时～则在与电流I和磁场强度B构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势～称其为霍尔电动势U～这种效应就是霍尔效应。其电动势U大小为: HH ,1, U,KIBHH 式中:K为灵敏度系数,I为控制电流,A,,B为磁感应强度,T,, H 霍尔效应原理图7 当磁场强度方向与半导体薄片不垂直～而是成θ角时～霍尔电动势大小改为: ,2, U,KIBcos,HH 所以～利用永磁转子的磁场～对霍尔半导体通入直流电～当转子磁场强度大小和方向随着它的位臵不同而发生变化时～霍尔半导体就会输出霍尔电动势～霍尔电动势的大小和相位随转子位臵而发生变化～从而起到检测转子位臵作用。 常用开关型霍尔集成电路作为传感元件～集成电路原理图如图8(a)所示。其开关特性如图8(b)所示。 ,a,霍尔集成电路原理图 ,b,开关特性 图8 霍尔集成电路 位臵传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位臵的作用～为逻辑开关6 电路提供正确的换相信息。由于电动自行车电机安装在轮毂内～对电机的尺寸和位臵传感器体积要求比较高～考虑传感器的体积和性能～通常采用的传感器是霍尔式传感器。同时霍尔式传感器又具有结构简单～性能可靠～成本低的优点～因此目前使用最广泛的是霍尔式位臵传感器。 2.2 无刷直流电动机的工作原理 [4]普通直流电动机的电枢在转子上～而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转～需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向～使两个磁场的方向始终保持相互垂直～从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷～将电枢放到定子上去～而转子制成永磁体～这样的结构正好和普通直流电动机相反,然而～即使这样改变还不够～因为定子上的电枢通过直流电后～只能产生不变的磁场～电动机依然转不起来。为了使电动机转起来～必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电～这样才能使定子磁场随着转子的位臵在不断地变化～使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90度左右的空间角～产生转矩推动转子旋转。 三相无刷直流电动机为例～来分析它的转动过程。 以 图9是三相无刷直流电机工作原理图。采用霍尔式位臵传感器～电动机的定子绕组分别为A相、B相、C相～3个位臵传感器在空间上间隔120度～分别控制3个开关管V、V、V～这3个开关管则控制对应相绕组的通电与断电。 123 图9 无刷直流电动机原理图 调整好位臵传感器的三个信号元件与电机定子三相绕组(AA′ 、BB′、CC′) 之间的相对位臵～使得转子磁场转到定子某相绕组下时～该相绕组才导通～以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图中～当电动机转子N 极位于 7 A(a) 处～则传感器a 元件感应出信号～使功率晶体管V1 导通～A 相绕组中便有电流通过～设其方向为A(流入) 、X(流出) ～便产生水平向左的定子磁场～与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩～驱动转子逆时针旋转,当N 极旋转至B(b) 处～b 元件输出信号使晶体管V2 导通而其余关断～B相绕组通过电流～同样产生逆时针方向的电磁转矩～当磁极旋转至C(c)处～其动作过程与前两处相同。如此反复循环～电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位臵为空间互差120?电角度～因此三相绕组轮流通电时间也为每相120?。其各相电压的导通顺序如图10所示。因为功率晶体管的导通和截止是通过位臵传感器传感信号来控制的～所以传感器的位臵和三相绕组位臵之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意。 图10 各相绕组的导通示意图 [5]2.3 无刷直流电动机的分类 无刷直流电动的本体特点是:与直流电动机相比较～电磁只包括定转子两部分～而不存在换向器、电刷等机械换向装臵,与一般永磁同步电动机相比较～电动机转速范围宽～又无起动问题。因此电动机的结构设计灵活。 ,1,按机械总体结构的不同～可以分为整体式和分装式的结构类型。整体式电动机提供了包括轴承、转轴、壳体和固定装臵等内在的全套电动机装臵。而分体式结构为无壳体的电动机～定子和转子可以分别固定于目标系统中～从而消除联轴器和一些机械构件～使系统结构紧凑～并可以避免机械谐振。 ,2,按工作主磁场方向的不同～可以有径向磁场式和轴向磁场式的结构类型。径向磁场的电动机为常规结构。而轴向磁场的电动机中气隙是平面型的～气隙磁场是轴向的。大多数盘式无刷直流电动机采用无槽结构～可以通过设计使反电动势波形接近于梯形波～易于调节极弧系数来减小转矩脉动。 ,3,按电枢绕组的位臵不同～可以有内转子式和外转子式。内转子式的电动机为常规结构～电枢直径小于定子外径。外转子式无刷直流电动机与之相比较～8 在外形尺寸相同的情况下～可以获得更大的电枢直径。 ,4,按电枢绕组相数的不同～可以分为单相、两相、三相以及多相的无刷直流电动机。三相无刷直流电动机为常规结构。 2.4 无刷直流电机的基本公式 无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布～绕组形式有十分密切的关系。 ,1, 电枢绕组的反电动势 e,Blv ,3, 式中～B为气隙磁感应强度,l为导体的有效长度,v为转子相对于定子导体的线速度。 如果定子每相绕组串联的匝数是N～则每相绕组的反电动势为 4plBNn,Ex2Ne,, ,4, 60 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 ,,B,l, ,5, 其中α是计算极弧系数。 pN,nEx, ,6, 15, 考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电～所以线电动势E为两相电势之和 E,2Ex,Ke,n ,7, ,2,电磁转矩 在任何时刻～方波电动机电磁转矩Te是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩为 EI,T ,8, e, ,2n,式中ω为角速度～。 ,60 E,2Ex,Ke,n 将代入上式则转矩为 p4T,N,I,K,I ,9, eM,, 2.5 无刷直流电机数学模型 下面以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直流电动机的数学模型。 由于永磁无刷直流电动机气隙磁场、反电动势和电流都是非正弦的～因此采用直交轴坐标变化已不是有效的分析方法。通常直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。该方法既简单又具有较好的准确度。 9 假设磁路不饱和～不计涡流和磁滞损耗～三相绕组完全对称～则三相绕组的电压平衡方程为: ，，，，，，uR00iLLLie，，，，，，AnAAABACAA,,,,,,,,,,,,u,0R0i，LLLpi，e (10) BnBBABBCBB,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,u00RiLLLieCnCCACBCCC，，，，，，，，，，，，式中u、u、u为定子相绕组电压,i、i、i为定子相绕组电流,e、e、eABCABCABC为定子相绕组反电动势,L为每相绕组自感,R为每相绕组内阻,L、L、nABACL等为每两相绕组的互感。 BA 对于方波电动机由于转子磁阻不随转子的位臵变化～因而定子绕组的自感和互感为常数。当采用星形连接时～～因而有 i，i，i,0ABC ，，，，，，uR00iL,M00ie，，，，，，AnAAA,,,,,,,,,,,,u,0R0i，0L,M0pi，eBnBBB (11) ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,u00Ri00L,MieCnCCC，，，，，，，，，，，，电动机的电磁转矩为 1，，T,ei，ei，ei ,12, eAABBCC, 2.6 无刷直流电动机的驱动控制 三相半控桥式驱动电路结构简单～但电动机本体的利用率很低～每个绕组只通电1/3周期～其绕组利用率很低,另外它的输出转矩波动较大。因此在要求较高的场合～一般均采用的是三相全控电路。三相全控电路有两两导通和三三导通两种方式。 2.6.1星形联结方式 星形联结的两两导通方式是每次使两个开关管同时导通。如图11所示。开关管的导通顺序为:V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。可见共有六种导通状态～因此每隔60?电角度改变一次导通状态～每改变一次状态更换一个开关管～每个开关管导通120?电角度。当电流从开关管V1和V2导通时～电流从V1流入A相绕组～再从C相绕组经V2流回到电源。其中A相和B相相当于串联。每相通电电流均为I。其他以此类推。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正～那么从绕组所产生的转矩为负～他们合成的转矩大小为3T。a但合成转矩T的方向转过了60?电角度。而后每次换相一个功率管～合成转矩矢量方向就随着转过60?电角度。 10 与三相半桥式驱动方式相比较～三相全桥星形联结两两导通方式的每个开 关管通电120?～每相绕组通电240?～其中正向通电和反向通电各120?。其 输出转矩波形如图12所示。从图中可以看出～三相全控室的转矩波动比三相半123456控时小～从0.87Tm到Tm。绕组的利用率增加了～同时输出的转矩也增加了。 + V1V3V5 C DD BA V4V6V2 _ 图11 三相星形联结全桥驱动电路 CC 图12 全控桥输出波形图 星形联结的三三导通方式是指每次使三个开关管同时导通。如图11所示。 开关管的导通顺序为:V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1、 V6V1V2、V1V2V3。当V6V1V2导通时～电流从V1管流入A相绕组～经B 和C相绕组分别从V6和V2流出。经过60?电角度后～换相到V1V2V3通电～ BB这时电流分别从V1和V3流入～经A和B相绕组再流入C相绕组～经V2流 出。在这种通电方式里～每瞬间均有三个功率管通电。每隔60?换相一次～每 次有一个功率管换相～每个功率管通电180?。合成转矩为1.5Ta由于三相同时 通电～产生的转矩分量互有抵消～所以总的转矩并不比两两导通方式的大。 2.6.2 三相Δ联结方式 三相Δ联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。 11 AA Title SizeNumberRevision B Date:11-May-2009Sheet of 殷亚兵 论文\分电路图.DDBDrawn By:File:E:\123456 如图13所示～三相Δ联结的两两导通方式的各个开关管的导通顺序为: V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。当开关管V1V2导通时～电流从 V1流入～分别通过A相绕组和B、C两相绕组～再从V2流出。这时绕组的联 结是B、C两相绕组串联后再通A相绕组并联～如果假定流过A相绕组的电流 为I～则流过B、C相绕组的电流分别为I/2。这里的合成转矩为A相转矩的1.5倍。这种方式与星形联结的三三导通方式相同。而三相Δ联结得三三导通方式 与星形联结的两两导通方式相同。 综合来看～三相星形联结的两两导通方式和三相Δ联结的三三导通方式所 123456产生的转矩比其他两种的要大。由于三三导通方式使开关管导通的时间长～增 加损耗～所以三相星形联结的两两导通方式是最佳的驱动方式。 + V1V3V5 DD BA C V4V6V2 _ 图13 三相Δ联结全桥驱动电路 3无刷直流电动机的PWM调速控制 [7]CC3.1直流电动机电枢的PWM调速原理 众所周知～直流电动机转速n的表达式为: U,IRn, ,13, K, 式中:U为电枢端电压,I 为电枢电流, R为电枢电路总电阻,Φ为每极磁通 量,K电动机结构参数。 由上式可得～直流电动机的转速控制方法可以分为两类:对励磁磁通进行 控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制电枢控制法。电枢控制法应用的较多。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器 件工作在开关状态～通过脉宽调制PWM来控制电机的电枢电压～实现调速。 BB其PWM调制原理图和输入输出电压的波形如图14所示。当开关管的栅极输入 12 AA Title SizeNumberRevision B Date:11-May-2009Sheet of 殷亚兵 论文\分电路图.DDBDrawn By:File:E:\ 123456 123456 DD 高电平时～开关管导通～直流电动机电枢绕组两端有电压U。 t时间后栅极输S1 入变为低电平～开关管截止～电动机电枢绕组两端电压为0。t时间后栅极输入2 又变为高电平～开关管重复前面的过程。电动机的电枢绕组两端电压平均值UOCC 为: tU，0tS11 ,14, U,,U,,UOSSt，tT12 式中α为占空比。α的变化范围为0?α?1。当电源电压不变的情况下～电枢 的端电压的平均值U取决于占空比的大小。改变α值就可以改变端电压的平均O 值～从而达到调速的目的～这就是PWM调速原理。 Us 直流电动机D1 BB D2 V Ui ,a,原理图 ,b,输入输出电压波形 图14 PWM调速控制原理及电压波形图 3.2 PWM波的转速控制 脉冲宽度调制器,PWM,的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较。 电压波形如图15所示～将直流控制电压在比较器的输入端与三角波相加～同时 AA进行比较的还有负的偏移电压。 Title当直流电压为零时～得到正负半周脉冲宽度相等的调制输出电压。 当直流电压大于零时～使输入端合成电压为正的宽度增大～即锯齿波过零SizeNumberRevision B的时间提前～在输出端得到高电平比低电平宽的调制输出电压。 Date:28-May-2009Sheet of 当直流电压小于零时～输入端合成电压被降低～高电平宽度减小～低电平File:E:\殷亚兵 论文\protel电路图\分电路图.DDBDrawn By: 123456宽度增加。 无刷直流电动机的转速进行准确的控制～首先要准确地测量出它的转速。 可以利用转子位臵传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位臵传感 13 器信号经过采样调理电路后送至单片机的外部中断源的输入口。随着电动机的转动～中断输入口将不断接收到脉冲信号并进入中断服务程序～在中断服务程序中启动一定时器以开始计时～直至下一次进入该中断程序时～停止计定时～此时～定时器计时结果便是电动机转动一圈所需时间～即可计算出电动机转速。 Ut+Uct Ut+Uct Ut+Uct t t Upwm Upwm Upwm t t t 图15 三角波脉宽调制器 4 回馈制动 电动车的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。 4.1 回馈制动的控制原理 [8]回馈制动的控制原理是升压斩波～即在一个PWM 周期内～如图16所示～当t--t 时绕组电感积蓄磁场能量～导致回路电流上升～此时的系统状态称为01 续流状态,当t--t时～定子绕组电感放电～向蓄电池充电～导致回路电流下降～12 称为充电状态。 图16 一个PWM周期内的电流波形 14 半桥调制控制系统主要由蓄电池、逆变电路、无刷直流电动机和系统控制单元等几部分组成～图17所示为电路连接图。图中T，T为功率开关器件～16 D，D为续流二极管.。回馈制动期间～采取两两导通的方式～在三相桥式电16 路中～每一瞬间将有2 个功率管导通～每隔60?换相1次～具体换相时刻根据电动机的位臵传感器HALL 信号进行判断～每次换相时一个导通的功率管被分断～而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通～即桥臂之间进行轮流换相～每个功率管导通120?～且作PWM 运行～如图18示。 图17 半桥调制控制原理图 回馈制动只有处于相同半桥上的三个元件有PWM开关动作,而另半个桥上的三个元件则总是截止的。现以对下半桥进行PWM控制为例,当某相反电动势为正向最大的120?电角度的区间内,对该相的下桥臂开关元件进行PWM控制,则可以产生可调的制动电磁转矩。 图18 PWM 与HALL 信号的对应关系 当电机转速低于额定转速～或电机电源切断后～由于惯性的作用～电动机仍 15 要继续旋转～这时的电动机就变成一台减速的发电机～电枢绕组中同样会产生电动势。在发电状态下～利用控制器的控制信号将功率主电路中上半桥功率管T～1T～T 全关闭～而下半桥功率管T～T～T 分别按一定规律进行PWM控制。35246 因上半桥续流二极管的存在～其等效电路如同一个半控整流电路。因电动车电源是蓄电池～电机在进入发电状态时～其发电电压必须高于蓄电池电压才能输出电功率～采取的控制方法是半控整流的PWM 升压原理。电机低转速时～控制器控制T～T～T～使其按规律作PWM工作～以产生泵升电压。当泵升电压高于246 蓄电池端电压时～输出电能。这里～选择T和T导通区间进行分析～在发电运1 6 行时～T和T 并不导通～而是T 导通～且处于脉宽调制工作状态。 1 64 [13]半控整流的PWM升压工作原理其实就是升压斩波。在一个PWM周期内～当T 打开时～绕组电感积蓄磁场能量～导致回路内电流上升,当T关断时～绕44组电感向蓄电池充电～导致回路电流下降。在这一过程中～通过选择合适的PWM 占空比α～可在蓄电池两端获得U,U,U 为蓄电池内电压～U 为充电回ocn ocn路电压,～从而实现能量回馈。等效原理图见图19示。回馈制动实质就是在T 导4通时～电机机械能转换为磁场能量储存在电机绕组中,在T 截止时～将电机的4 机械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换为电能～经电感升压斩波作用～将能量回馈给蓄电池。由于电枢电流方向与反电势方向相反～故电机获得制动转矩T。 图19 回馈制动等效电路 令u=0～i=-i=i～可得回路的电压方程为: baab di2(L,T)，2ri,(e,e),0 ,15, abdt 回路电流为: r,t,,eeee，，abab,LT(),，(0),itIe (0?t?t) ,16, 1,,22rr，， 则从t0 导通至t1 截止时～存储于电机电感2,L-T,的磁场能量为: tt11，，W,iudt,e,e,2reidt11ab,,00 ,17, 16 式中:W为t-t 期间内由动能转化的电磁能。 101 当电流i 增加到i 时～T 关断,在[t～T]内～T 截止～其工作流程为:0141PWM4 A 相绕组?VD?蓄电池?VD?B 相绕组?A 相绕组～通过续流作用向蓄电池16 充电～电机电感释放磁场能量。当不考虑电流i和U的脉动～且忽略电阻r 时～ab 由上式可得: (e,e)abu, ,18, ab1,dPWM 式中:d=t/T。控制d 的大小～即可使蓄电池两端的电压U?U。PWM1PWMPWMabd控制器以闭环控制方式自动调整d～使U 不超过蓄电池的上限电压～发电PWMab 电流不超过蓄电池允许的上限电流。基于上述原理～在不改变硬件电路的情况下～通过改变PWM脉冲的控制方式可实现电动车的能量回馈制动。在电动车减速、下坡限速时～采用对T～T～T 进行PWM调制～而使T～T～T 保持截止～246135以构成Boost 升压斩波电路～从而实现能量回馈。 [13]4.2 回馈制动的数学模型 4.2.1 续流状态 以HALL 状态001为例～此时由图18可知: T、T 接受PWM 信号。当23 T、T 导通时～系统的状态如图20所示～状态方程如下: 23 ，，，，，，，0R00iL,M00ieU，，，，，，，nAAAO,,,,,,,,,,,,,,U,0R0i，0L,M0pi，e，U (19) DnBBBO,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,E00Ri00L,MieUCnCCCO，，，，，，，，，，，，，，式中:E 为电动机C 相端的端电压,U 为电池端电压,U 为电动机中点电CDO压, i、i、i 为相电流; R 为定子三相绕组电阻,p 为微分算子,e、e、e 为ABCABC三相反电势,L 为绕组自感,M 为绕组互感。 由 i,,i AB 且 i,0e,,e CAB 可得～系统续流状态时的回路方程: ，，U，2e,,2L,Mpi,2Ri (20) DAAA 由于系统处于制动状态～故电动机的A 相反电势e > 0～B 相反电势e< 0, AB回路电流i处于上升阶段～车辆的动能转化为磁场能储存在绕组电感中, 其中有A 部分能量以热的形式消耗在电动机的绕组阻抗上。 17 图20 回馈制动时的续流状态 4.2.2 充电状态 以HALL 状态001 时为例, 此时T、T接受PWM 信号. 当T、T分断时, 2323 系统的状态如图21所示, 满足状态方程: ，，，，，，，UR00iL,M00ieU，，，，，，，CnAAAO,,,,,,,,,,,,,,0,0R0i，0L,M0pi，e，U (21) nBBBO,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,E00Ri00L,MieUCnCCCO，，，，，，，，，，，，，， 图21 回馈制动时的充电状态 18 5 系统硬件电路设计 5.1电动车总体结构框图 电动自行车的电气部分由电源、轮毂、控制器、霍尔调速转把、刹车手把等 [14]组成。总体结构框图见图22所示。 电动自行车在骑行中, 控制器的功率驱动管处于开关状态。行驶速度与控制器输出的电压成正比。电机电流控制采用脉宽调制(PWM) 方式, 不同的速度电机电流也不同。因此～在不同的速度和负载下,功率管的功率损耗也不同。其速度由霍尔调速手把送出信号～经A/D转换后送至单片机～再由单片机根据输入信号的强弱～输出相对应的PWM脉冲信号送到功率驱动管。欠压保护和过流保护功能～由运算放大器分别采样后送至单片机,再由单片机控制禁止输出。 霍尔转把信号 A/D转换 电机过流保护 电机驱动电路 电源 稳压系统 AT89C2051 欠压保护 直流无刷电动机 刹车断电信号 电机霍尔信号 图22 光电电动车电气原理结构框图 5.2 AT89C2051芯片介绍 5.2.1概述 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机～ bytes的可反复擦写的只读程序存储器,PEROM,和128 bytes的随机片内含2k 数据存储器,RAM,～器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产～兼容标准MCS-51指令系统～片内臵通用8位中央处理器和Flash存储单元～功能强大AT89C2051单片机可提供许多高性价比的应用场合。 5.2.2 性能介绍 ,1,主要功能特性: ?兼容MCS51指令系统, ?2KB可重编程FLASH存储器,1000次,, 19 ?2.7，6V电压范围, ?全静态工作:0Hz，24KHz, ?128×8位内部RAM, ?15条可编程I/O线, ?两个16位定时器/计数器, ?6个中断源～两个外部中断源, ?可编程串行通道, ?高精度电压比较器,P1.0～P1.1～P3.6,, ?直接驱动LED的输出端口, ?低功耗空闲和掉电模式 ,2,AT89C2051引脚功能说明: VCC:电源电压 GND:地 P1口:P1口是一组8位双向I/O接口～P1.2，P1.7提供内部上拉电阻～P1.0和P1.1内部无上拉电阻。P1口输出缓冲器可吸收20mA的电流并可直接驱动LED。 P3口:P3口的P3.0，P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O接口。当P3口写入1时～它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。 (a) AT89C2051封装 (b) IR2103驱动芯片封装 图23 芯片管脚功能图 RST:复位输出。 XTAL1:振荡器的反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 P3口的特殊功能如表1所示: 20 表1 P3口的特殊功能 引脚 功能特性 RXD ,串行输入口) P3.0 TXD ,串行输出口, P3.1 P3.2 (外中断0) INT0 P3.3 (外中断1) INT1 T0 (定时/计数器0外部输入) P3.4 P3.5 T1 ,定时/计数器1外部输入, 5.3 控制器技术参数 额定功率:150W,180W; 额定电压:DC 48V; 欠压保护:DC 42V ?0.5V; 限流值:20?0.5A; 静态电流:，50mA; 静态功耗:，3W; 转把电压:1,4.2V; 电压回程值:44 .5V 5.4 总体电路设计 控制器总电路以AT89C2051为核心的电动车控制器电路图～如图附录1所示。由于89C2051内部没有PWM和A/D转换～因此它要借助了三个模拟比较器完成相应工作。IC8B作为电池欠压检测器～欠压时～给单片机(13)脚一个低电平,IC8D做过流检测器～过流时～给单片机?脚一个低电平,借助普通I/O口(11)脚输出～通过积分电路和转把模拟速度信号在IC8A进行比较后.输入单片机(12)脚～用软件完成PWM控制～然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片IR2103。由IR2103驱动每相的上、下桥的VDMOS管～从而使电动车运行。图中CD4001为四2输入或非门。刹车把手有三态: 常态时车辆行驶,轻握把手时开关动作,驱动电路断电,电制动电路接通,重握把手时,机、电制动并用。 5.4.1 驱动电路 IR2103是半桥式驱动芯片～可以快速可靠地驱动MOSFET管。其中HO接上桥臂NMOS管的栅极,LO接下桥臂的NMOS管的栅极～无刷电机就接在两 21 桥臂的中间。从驱动芯片输出信号端到MOSFET的门极之间分别加了电阻 R2~R7～它们的作用是限制电流～同时起阻尼作用。其封装如图21,b,所示。 驱动电路中场效应管为N沟道增强型功率管STP60NF06～它的最大漏源极 电压V=60V～饱和导通时的漏源极之间电阻R,0.016Ω。最大漏极电流DSSDS I=60A。 D 1234565.4.2 回馈制动电路 图24为回馈制动电路。UC3843A是高性能固定频率电流模式控制器转为直 流至直流变换器应用设计。它具有可微调的振荡器、能进行精确地占空比控制、 高增益误差放大器、电流取样比较器及温度补偿～是驱动功率MOSFET的理想DD 器件。具有管脚数量少、调试方便、性能优良等特点。 电动车下坡、停车或减速时～电动机再生制动发电～利用电感开关可将电机 端越来越小的电势提升起来并箝位～即产生一个泵升电压～且该电压必须大于蓄 电池的电压～才能给蓄电池充电。泵升电压的大小与电机功率和减速时间以及频 率变化率有关系～如泵升电压过高会损坏储能电容或整流桥以及电机无法快速制 动。利用大电容等大储能元件～可以更快速、高效地吸收电机回收能量。再生制 动除对能量进行回收外～另一重要优点是制动快而稳～大大减少机械制动磨损。 L1D1D4分接三根电机线UF103 CCD2UF1033R1210K1R2Q3UF10375KQ12N9303205D3C1UF1032200uF 50VC2R5220u 50VD5Q210K15V2N930R6R40.05K 5W 20K GND48V 蓄电池C3100u 50V7GNDU1BBR7610.2K28UC3843Q4435.2KR8R102N930接刹车线 10KR95R3C420K4.7KC5102222 GND 图24 回馈制动电路 22 AA Title SizeNumberRevision B Date:26-May-2009Sheet of 殷亚兵 论文\protel电路图\总电路.DdbDrawn By:File:E:\ 123456 6结束语 本设计主要采用单片机AT89C2051为控制核心～由霍尔调速手柄、由A/D转换器、刹车装臵、电机驱动电路和欠压、过流保护电路等组成。通过脉宽调制PWM来控制电机的电枢电压～从而实现电动车的调速控制。利用升压斩波的原理实现能量回馈制动。其回馈制动的实质～就是将电机的机械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换为电能～经电感升压斩波的作用～将能量回馈给蓄电池～以节约电能。通过硬件和软件的综合设计～设有欠压保护、过流保护、刹车断电等多种保护功能。本设计侧重于硬件电路～能满足基本的要求～但由于时间和知识水平的限制～其电路的设计存在许多的缺陷与不足～对软件编程研究不够透彻～有待进一步的开发和研究。 致谢 转眼之间～五年的学习生活在这次毕业设计后将画上圆满的句号。五年大学生活渐行渐远～我有着许多想对母校、恩师、同学表达的肺腑之言。在这里我得以真正的成长～在这里我学会了知识～在这五年中～我在机电学院这个大家庭里不仅体会到了学习的乐趣～而且也感受到了集体给我的关怀～在此谨对各位表示衷心的感谢。 论文结束之际～首先感谢我的指导老师～杨老师在本次设计中给予了殷切指导～在写论文的过程中～老师给我做了全程的分析与引导。在我遇到问题而苦恼时～杨老师给了我许多鼓励和帮助～使我能顺利的完成了自己的毕业论文。杨老师知识渊博、治学严谨。他的认真与细致也让我敬佩。 另外～在我设计期间～其他的同学也给了我很多的帮助和鼓励～在此我也向他们表达我真诚的谢意。 最后～对所有在我大学生活学习中给予帮助和关心的人表示衷心的感谢: 23 参考文献 [1] 曹秉刚. 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[18] 曹建平. 电动自行车调速控制电路的研究[J].电子工程师, 2000,(01) . 24 1Vin J2RST/VPPVCC5120p3.0(RXD)p1.74219p3.1(TXD)p1.63318XTAL2p1.52417XTAL1p1.41516p3.2p1.3615CON5X1p3.3p1.271420MHZp3.4p1.1813p3.5p1.0912GNDp3.71011 J1 123 CON3123456 ICBAJ3 321 CON3 DD D9 A OUT D10 CC 附录 电机控制系统电路总图 D11 .DdbDrawn By: 总电路\B OUT电路图\protel论文D12 殷亚兵 D13无刷电机 GND 48VC OUTC12100u 16VC1110u 25VC110u 25VGNDC4D142.7KR17R8R1410u 16VC810u 50VC21VCC 233K15K220/2W100nGNDR1R113Vout48V1K910BB78150R97818D369R226518VFR101220548VIC9104R214060COUNTC7ICBC112K3CINCOUNT47u 25VC10ICBB1282RSTCQ1100uF 63V1813IC5C151VCCVB60N06R4147272HIHOVCC36GNDR23R18100KAT89C2051LIVS3145VoutVinAB15K33KC43COMLO51R453.3nVCC78L05R54001D4IC2IR2103R19Q260N06D110kD518VFR101+5VD6C3IC5AC5D747u 25VQ3100n1851VCCVB60N06R627HIHO400136LIVS45COMLO51R2IC3IR2103Q4C15C18C20C19C16AA电机霍尔线刹车线调速线60N06100n100n100n30n30nD2IC5DTitle18VFR101D12C2C6GNDD8SizeNumberRevision47u 25V40014001100n18B51VCCVBR24R7Q527HIHO60N06Date:25-May-2009Sheet of 363KLIVSFile:E:\45COMLOR28123456IC5BIC4IR21033KQ645160N06R3312ICBDR141427K1111 1213R20R12R13C9100K15K15K R31100nC221KR27R2539K1K100nR10GNDVCC0.01 25 VCC 《测量学》模拟试卷 一、单项选择题(每小题1 分，共20 分) 得分 评卷人 复查人 在下列每小题的四个备选答案中选出一个正确的答 案，并将其字母标号填入题干的括号内。 1(经纬仪测量水平角时，正倒镜瞄准同一方向所读的水平方向值理论上应相差(A )。 A 180? B 0? C 90? D 270? 2. 1:5000地形图的比例尺精度是( D )。 A 5 m B 0.1 mm C 5 cm D 50 cm 3. 以下不属于基本测量工作范畴的一项是( C)。 A 高差测量 B 距离测量 C 导线测量 D 角度测量 4. 已知某直线的坐标方位角为220?，则其象限角为(D )。 A 220? B 40? C 南西50? D 南西40? 5. 由一条线段的边长、方位角和一点坐标计算另一点坐标的计算称为(A )。 A 坐标正算 B 坐标反算 C 导线计算 D 水准计算 6. 闭合导线在X轴上的坐标增量闭合差( A )。 A为一不等于0的常数 B 与导线形状有关 C总为0 D 由路线中两点确定 7. 在地形图中，表示测量控制点的符号属于(D )。 A 比例符号 B 半依比例符号 C 地貌符号 D 非比例符号 8. 在未知点上设站对三个已知点进行测角交会的方法称为(A )。 A 后方交会 B 前方交会 C 侧方交会 D 无法确定 9. 两井定向中不需要进行的一项工作是(C )。 A 投点 B 地面连接 C 测量井筒中钢丝长度 D 井下连接 10. 绝对高程是地面点到( C )的铅垂距离。 A 坐标原点 B任意水准面 C 大地水准面 D 赤道面 11(下列关于等高线的叙述是错误的是:(A ) A( 高程相等的点在同一等高线上 B( 等高线必定是闭合曲线，即使本幅图没闭合，则在相邻的图幅闭合 C( 等高线不能分叉、相交或合并 26 D( 等高线经过山脊与山脊线正交 12(下面关于非比例符号中定位点位置的叙述错误的是(B ) A(几何图形符号，定位点在符号图形中心 B(符号图形中有一个点，则该点即为定位点 C(宽底符号，符号定位点在符号底部中心 D(底部为直角形符号，其符号定位点位于最右边顶点处 13(下面关于控制网的叙述错误的是(D ) A( 国家控制网从高级到低级布设 B( 国家控制网按精度可分为A、B、C、D、E五等 C( 国家控制网分为平面控制网和高程控制网 D( 直接为测图目的建立的控制网，称为图根控制网 14(下图为某地形图的一部分，各等高线高程如图所视，A点位于线段MN上，点A到点 M和点N的图上水平距离为MA=3mm，NA=2mm，则A点高程为(A ) A( 36.4m M B( 36.6m A C( 37.4m 37 N D( 37.6m 35 36 ,15(如图所示支导线，AB边的坐标方位角为，转折角如图，则CD边,,12530'30''AB A D 的坐标方位角,为( B ) CD100?100? 30 30 130?C B 30 ,,,,7530'30''1530'30''4530'30''2529'30''A( B( C( D( 16(三角高程测量要求对向观测垂直角，计算往返高差，主要目的是(D ) A( 有效地抵偿或消除球差和气差的影响 B( 有效地抵偿或消除仪器高和觇标高测量误差的影响 C( 有效地抵偿或消除垂直角读数误差的影响 D(有效地抵偿或消除读盘分划误差的影响 17(下面测量读数的做法正确的是( C ) A( 用经纬仪测水平角，用横丝照准目标读数 测量学试卷 第 27 页(共 7 页) B( 用水准仪测高差，用竖丝切准水准尺读数 C( 水准测量时，每次读数前都要使水准管气泡居中 D( 经纬仪测竖直角时，尽量照准目标的底部 18(水准测量时对一端水准尺进行测量的正确操作步骤是( D )。 A 对中----整平-----瞄准----读数 A 整平----瞄准----读数----精平 C 粗平----精平----瞄准----读数 D粗平----瞄准----精平----读数 19(矿井平面联系测量的主要任务是( D ) A 实现井上下平面坐标系统的统一 B 实现井上下高程的统一 C 作为井下基本平面控制 D 提高井下导线测量的精度 20( 井口水准基点一般位于( A )。 A 地面工业广场井筒附近 B 井下井筒附近 C 地面任意位置的水准点 D 井下任意位置的水准点 得分 评卷人 复查人 二、填空题(每空2分，共20分) 21水准测量中，为了进行测站检核，在一个测站要测量两个高差值进行比较，通常采用的测量检核方法是双面尺法和 。 22直线定向常用的标准方向有真子午线方向、_____磁北方向____________和坐标纵线方向。 23地形图符号一般分为比例符号、_半依比例符号_________________和不依比例符号。 24 井下巷道掘进过程中，为了保证巷道的方向和坡度，通常要进行中线和____________的标定工作。 25 测量误差按其对测量结果的影响性质，可分为系统误差和_偶然误差______________。 26 地物注记的形式有文字注记、 ______ 和符号注记三种。 27 象限角的取值范围是: 0-90 。 28 经纬仪安置通常包括整平和 对中 。 29 为了便于计算和分析，对大地水准面采用一个规则的数学曲面进行表示，这个数学曲面称为 参考托球面 。 28 。 30 光电测距仪按照测量时间的方式可以分为相位式测距仪和 差分 三、名词解释(每小题5分，共20分) 得分 评卷人 复查人 31(竖盘指标差 竖盘分划误差 32(水准测量 利用水准仪测定两点间的高差 33(系统误差 由客观原因造成的具有统计规律性的误差 34(视准轴 仪器望远镜物镜和目镜中心的连线 四、简答题(每小题5分，共20分) 得分 评卷人 复查人 35(简述测回法测量水平角时一个测站上的工作步骤和角度计算方法。 对中，整平，定向，测角。观测角度值减去定向角度值 测量学试卷 第 29 页(共 7 页) 36(什么叫比例尺精度,它在实际测量工作中有何意义, 图上0.1毫米在实地的距离。可以影响地物取舍 37(简述用极坐标法在实地测设图纸上某点平面位置的要素计算和测设过程。 38(高斯投影具有哪些基本规律。 30 得分 评卷人 复查人 五、计算题(每小题10分，共20分) 39(在1:2000图幅坐标方格网上，量测出ab = 2.0cm, ac = 1.6cm, ad = 3.9cm, ae = 及其坐标方位角α。 5.2cm。试计算AB长度DABAB 1800 A d b B a 1600 c e 1200 1400 40(从图上量得点M的坐标X=14.22m, Y=86.71m;点A的坐标为X=42.34m, MMAY=85.00m。试计算M、A两点的水平距离和坐标方位角。 A 测量学试卷 第 31 页(共 7 页) 测量学 标准答案与评分说明 一、 一、 单项选择题(每题1分) 1 A; 2 D; 3 C; 4 D; 5 A; 6 C; 7 D; 8 A; 9 C; 10 C; 11 A;12 D;13 B;14 A; 15 B;16 A;17 C;18 D; 19 A;20 A 二、 二、 填空题 (每空2分，共20分) 21 变更仪器高法 22 磁北方向 23 半依比例符号(或线状符号) 24(腰线 25(偶然误差 26(数字注记 27 大于等于0度且小于等于90度(或[0?, 90?]) 28 对中 29 旋转椭球体面 30 脉冲式测距仪 三、 三、 名词解释(每题5分，共20分) 31竖盘指标差:在垂直角测量中，当竖盘指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向其正 确位置90度或270度，而是与正确位置相差一个小角度x, x即为竖盘指标差。 32 水准测量:利用一条水平视线并借助于水准尺，测量地面两点间的高差，进而由已知点 的高程推算出未知点的高程的测量工作。 33 系统误差:在相同的观测条件下，对某量进行了n次观测，如果误差出现的大小和符号 均相同或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。 34视准轴:望远镜物镜光心与十字丝中心(或交叉点)的连线。 四、 四、 简答题(每题5分，共20分) 35 (1)在测站点O上安置经纬仪，对中，整平 (1分) (2)盘左瞄准A点，读数L，顺时针旋转照准部到B点，读数L，计算上半测回AB角度O=L-L; 1BA (2分) (3)旋转望远镜和照准部，变为盘右方向，瞄准B点读数R，逆时针旋转到A点，B读数R，计算下半测回角度O=R-R; A2BA (3分) (4)比较O和O的差，若超过限差则不符合要求，需要重新测量，若小于限差，则12 取平均值为最终测量结果 O = (O+O)/2 12 (5分) 36 图上0.1mm对应的实地距离叫做比例尺精度。 (3分) 32 其作用主要在于:一是根据地形图比例尺确定实地量测精度;二是根据地形图上需要表示地物地貌的详细程度，确定所选用地形图的比例尺。 (5分) 37 要素计算:从图纸上量算待测设点的坐标，然后结合已有控制点计算该点与控制点连线之间的方位角，进而确定与已知方向之间所夹的水平角，计算待测设点到设站控制点之间的水平距离。 (3分) 测设过程:在设站控制点安置经纬仪，后视另一控制点，置度盘为0度，根据待定方向与该方向夹角确定方向线，根据距离确定点的位置。 (5分) 38 高斯投影的基本规律是: 中央子午线的投影为一直线，且投影之后的长度无变形;其余子午线的投(1) (1) 影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度变形也就越大; (2) (2) 赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴; (3) (3) 经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形; (4) (4) 中央子午线和赤道的投影相互垂直。 评分说明:答对一条得2分，答对三条即可得满分。 五、 五、 计算题(每题10分，共20分) 39 bd = ad – ab = 1.9cm， 因此?X = -38m; ce = ae – ac = 3.6cm, 因此?Y = -72m; (3分) (或由图根据比例尺和距离计算A、B两点的坐标) 因此距离为:81.413m (6分) AB的方位角为:242?10′33″ (10分) (方位角计算应说明具体过程，过程对结果错扣2分) 40 ?X = X – X = 28.12m, ?Y = Y – Y = -1.71m (2分) AMAM221/2 距离d = (?X + ?Y)= 28.17m (5分) 方位角为:356 ?31′12″ (应说明计算过程与主要公式) (10分) 可通过不同方法计算，如先计算象限角，再计算方位角。 说明:在距离与方位角计算中，算法公式对但结果错各1分 测量学试卷 第 33 页(共 7 页)