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文檔簡介
摘要自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展,而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主要方式之一,在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。直流電動機具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活,方法簡單,易于大范圍平滑調(diào)速,控制性能好等特點。本文是在雙閉環(huán)直流調(diào)速原理及雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設計方法上,設計出應用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。其中電流為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速為外環(huán)。本文對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計進行了分析,對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進行了一些說明,介紹了其主電路、檢測電路的設計。在本系統(tǒng)的具體實現(xiàn)上,采用了目前比較流行的數(shù)字信號處理器(DSP)作為系統(tǒng)的控制器,其處理速度較高,正好符合實現(xiàn)實時性要求高的特點。關(guān)鍵詞:直流電機;雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng);DSPAbstractThe automation control system already obtained the widespread application and the development in the various trades and occupations, but directs current the velocity modulation control to take one of electric drive fundamental modes, is playing the leading role in the modernized production. The direct current motor has the governed speed to be quite nimble, the method is simple, easy wide range smooth velocity modulation, control performance good and so on characteristics.This article is in the double closed loop cocurrent velocity modulation principle and in the double closed loop cocurrent velocity modulation systems engineering design method, designs applies in direct current motors double closed loop cocurrent velocity modulation system. In the double closed loop cocurrent velocity modulation system has established two regulators, namely RPM control (ASR) and current regulator (ACR), distinction governed speed and electric current. And the electric current is an inner rim, the rotational speed is an outer ring. This article to directed current the double closed loop velocity modulation systems design to carry on the analysis, to directed current the double closed loop velocity modulation systems principle to carry on some explanations, introduced its main circuit, examined electric circuits design. In this system realizes specifically on, used quite popular digital signal processor (DSP) to take systems controller at present, its processing speed was high, happen to tallied realizes timeliness to request the high characteristic.Key word: Direct current machine; Double closed loop velocity modulation system; DSP目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1研究背景和意義11.2直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3主要研究內(nèi)容3第2章 控制原理與方案確定42.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念42.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)42.2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成42.2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理52.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定72.3.1連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點72.3.2數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)82.4 本章小結(jié)8第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計93.1控制系統(tǒng)的組成93.2 TMS320LF2407 DSP 簡介103.2.1TMS320LF2407DSP的特點103.2.2 TMS320LF2407DSP的組成及結(jié)構(gòu)113.3 TMS320LF2407 DSP控制器介紹123.3.1事件管理器模塊EVA和EVB123.3.2 片內(nèi)外設143.4 TMS320LF2407外圍基本電路設計143.4.1時鐘電路143.4.2電源轉(zhuǎn)換電路153.5 電流檢測單元的設計163.5.1 電流檢測原理163.5.2電流檢測的主要接口電路163.6速度檢測原理173.7柵極驅(qū)動器的選擇193.7.1主要接口電路203.8 RS-232接口213.9 JTAG接口213.10 鍵盤控制電路223.11過流保護電路233.12本章小結(jié)23第4章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計244.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)244.2主程序254.3中斷程序254.4電流環(huán)程序274.5速度環(huán)程序284.6 本章小結(jié)29結(jié) 論30參考文獻31致 謝33附錄34ContentsAbstractIAbstractIIThe 1st chapter introduction11.1Research backgrounds and significance11.2 Direct-current velocity modulation control device domestic and foreign development present situation21.3 Main research contents3The 2nd chapter control principle and plan determination42.1 Direct-current velocity modulation systems basic concept42.2 Rotational speeds, electric current double closed loop velocity modulation systems42.2.1 Pair of closed loop velocity modulation systems composition42.2.2 Pair of closed loop velocity modulation systems principle of work52.3 Pair of closed loop velocity modulation systems control plan determination72.3.1 Stepless controls and numerical control characteristics72.3.2 Numerical control double closed loop cocurrent velocity modulation system82.4 This chapter subtotals8The 3rd chapter double closed loop cocurrent velocity modulation systems hardware design93.1 Control systems composition93.2 TMS320LF2407 DSP synopsis103.2.1TMS320LF2407DSP characteristic103.2.2 TMS320LF2407DSP compositions and structure113.3 TMS320LF2407 DSP controller introduction123.3.1 Event supervisor module EVA and EVB123.3.2 Internal peripheral devices143.4 TMS320LF2407 periphery basic circuit design143.4.1 Clock circuits143.4.2 Power-switching circuit153.5 Electric current detecting element design163.5.1 Electric current examination principle163.5.2 Electric current examination main interface circuit163.6 Speed examination principle173.7 Electronics grid drivers choice193.7.1 Main interface circuits203.8 RS-232 connections213.9 JTAG connections213.10 Keyboard control circuit223.11 Overflow protection circuit233.12 This chapter subtotals23The 4th chapter double closed loop cocurrent velocity modulation systems software design244.1 Systems software architectures244.2 Master routines254.3 Interrupt routines254.4 Electric current link procedure274.5 Speed ring procedures284.6 This chapter subtotals29Conclusion30Reference31Acknowledgments33Appendix34第1章 緒論1.1研究背景和意義由于變頻技術(shù)的出現(xiàn),交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速,但縱觀全局,尤其是我國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀,再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn),更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性,直流調(diào)速仍將處于重要地位。以往直流調(diào)速系統(tǒng)控制器采用分立元件,其故障率高,穩(wěn)定性差,技術(shù)落后,很難滿足生產(chǎn)的需要。隨著計算機技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)成為主流。目前,國內(nèi)的數(shù)字式直流調(diào)速裝置主要是采用單片機構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器、數(shù)字觸發(fā)器,其缺點是:系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復雜:單片機浮點運算能力差,因而只能完成簡單的控制算法,難以滿足各種復雜的控制要求;系統(tǒng)運行的監(jiān)控性能差。在這種背景下,用DSP作為主控芯片,其具有執(zhí)行速度快(可達30MIPS),浮點運算能力強,能夠完成較復雜的控制算法的特點。在系統(tǒng)硬件方面,DSP芯片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換、事件管理器、串口通訊等功能器件使得系統(tǒng)硬件電路設計相對簡單,系統(tǒng)可靠性大大提高,系統(tǒng)運行的監(jiān)控性能也得到了改善。采用微機控制后,整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,操作維護方便,電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平。直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑,方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。由于微機具有較佳的性能價格比,所以微機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來,盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,但是直流電機良好的啟動、制動性能,在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應用?,F(xiàn)階段,我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用,國外先進的控制器價格昂貴,研究及更好的使用國外先進的控制器,具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中,幾乎無處不使用電力傳動裝置。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高以及產(chǎn)量的增長,越來越多的生產(chǎn)機械實現(xiàn)了自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng),可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,過載能力大,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉(zhuǎn),能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求,至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的應用,所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門,是當前調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。1.2直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字直流調(diào)速裝置,從技術(shù)上,它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化,使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機,尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化,彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善,調(diào)試不方便、體積大等不足之處,且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點,如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單,所以數(shù)字式直調(diào)系統(tǒng)具備了廣闊的應用前景。國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等,均已開發(fā)出了數(shù)字直流調(diào)速裝置,有成熟的系列化,標準化、模板化的應用產(chǎn)品。我國自20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來,晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前,晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。隨著各種新型控制器件的發(fā)展,直流電動機晶閘管調(diào)速系統(tǒng)除向大功率發(fā)展以外,正在實現(xiàn)控制單元標準化、集成化、小型化、結(jié)構(gòu)積木式組合。對某些小功率裝置,正在做到使電動機和控制設備組合一體化。尤其是今年來,國外各廠家競相推出全數(shù)字直流調(diào)速裝置,使得直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐方面都邁出了一個新臺階。微機的應用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨于數(shù)字化、智能化,極大的推動了電氣傳動的發(fā)展。世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置,當前直流調(diào)速已發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平。我國直流調(diào)速正向著脈寬調(diào)制方式發(fā)展,我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。但由于進口設備價格昂貴,也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前,國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。1.3主要研究內(nèi)容采用基于TMS320LF2407DSP控制器智能控制系統(tǒng),傳統(tǒng)的PID模擬控制系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),應用智能控制理論,設計智能控制算法程序,并固化到控制電路板的EPROM中。設計由單片機、DSP控制器組成的主控制板和三相橋式整流主電路,由主控制板和主電路構(gòu)成數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。該數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)為數(shù)字式智能控制,更換主電路功率元件可以應用于不同功率的直流電動機。第2章 控制原理與方案確定2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念在工程實踐中,有許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié),并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制特性。盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)筒單、價格便宜、制造方便、維護容易,但是長期以來,直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位當然,近年來,隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,并有望在不太長的時間內(nèi)取代直流調(diào)速系統(tǒng),但是就目前來講,直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門,如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合,仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且,直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟,從控制技術(shù)的角度來看,它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應等特點,在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應用。2.2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2-1所示為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串聯(lián)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入,用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流裝置的觸發(fā)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,是內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面,叫做外環(huán)。圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器。在圖2-1中,標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性,它們是按照觸發(fā)器GT的控制電壓U為正電壓的情況標出的,而且考慮到運算放大器的反相作用。通常,轉(zhuǎn)速電流兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為,它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值;電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是,它限制了晶閘管整流裝置輸出電壓的最大值。 2.2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 為了更清楚地了解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性,必須對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進行分析。圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性,主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出。為正極性,由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入,則要求ACR的輸入為負極性,所以,要求ASR輸入的給定電壓為正極性。 圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1)以電流調(diào)節(jié)器ACR為核心的電流環(huán)電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路,其主要作用是通過電流檢測元件的反饋作用穩(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器,穩(wěn)態(tài)時,其輸入偏差電壓=,即。其中為電流反饋系數(shù)。 當一定時,由于電流負反饋的調(diào)節(jié)作用,使整流裝置的輸出電流保持在數(shù)值上。當時,自動調(diào)節(jié)過程為最終保持電流穩(wěn)定。當電流下降時,也有類似的調(diào)節(jié)過程。(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路,其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,最終消除轉(zhuǎn)速偏差。 由于ASR采用PI調(diào)節(jié)器,所以在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時應滿足,即。 當一定時,轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在數(shù)值上。當n時,其自動調(diào)節(jié)過程為負載最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當轉(zhuǎn)速上升時,也有類似的調(diào)節(jié)過程。(3)PI調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)PI算法是一種線性算法,它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差:e(t)=r(t)-c(t)。其控制規(guī)律為: 式中,Kp為比例系數(shù),T1為積分時間常數(shù)。簡單來說,PI控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:比例環(huán)節(jié):即時成比例的反應控制系統(tǒng)的偏差信號。比例系數(shù)大時,響應快,但過大將產(chǎn)生超調(diào);比例系數(shù)過小時,響應遲后。積分環(huán)節(jié);主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。積分時間過大時,響應遲緩,對外部擾動的控制能力交差;積分時間過小時,將產(chǎn)生振蕩。2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定隨著微處理器的出現(xiàn)及運算速度的提高,運動控制也由原來的以模擬量反饋、模擬控制器為核心的連續(xù)控制系統(tǒng)過渡到以數(shù)字量處理為主、以高速信號處理器為控制核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。特別是當前網(wǎng)絡技術(shù)(主要是現(xiàn)場總線技術(shù))在工業(yè)領(lǐng)域的普及和發(fā)展,就更加確定了數(shù)字控制的主導地位1234。2.3.1連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點 連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ),由模擬電子電路構(gòu)成控制器,因而存在如下主要弱點:(1)由運算放大器構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器,其參數(shù)一經(jīng)設定,不易經(jīng)常調(diào)整,對工況的變化和對象的變化自適應能力差;(2)模擬控制器很難實現(xiàn)高級的控制策略和控制方法,難以實現(xiàn)對交流電機這樣復雜對象的控制;(3)受成本的限制,對反饋量的模擬電路檢測精度不高,因而控制精度也不易提高;(4)用模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高,硬件復雜,可靠性低,可重復性差。因而,連續(xù)控制已經(jīng)不能適應運動控制系統(tǒng)的發(fā)展需要。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng),不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點,而且可以實現(xiàn)原連續(xù)控制不可想象的高復雜程度、高精度的控制,為運動控制注入了新的活力,并將其推向更高的發(fā)展階段。歸納數(shù)字控制的主要特點如下:(1)控制系統(tǒng)集成度高,硬件電路簡單而且統(tǒng)一,可靠性高,可重復性好,對于不同的控制對象和控制要求,只需改變控制算法軟件即可,可以實現(xiàn)同一控制器既可控制直流電機又可控制交流電機。(2)數(shù)字控制器的輸入輸出通道可以實現(xiàn)控制量的模擬輸出、反饋量的數(shù)字輸入,具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高、精度高等特點,為實現(xiàn)高性能的運動控制系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。(3)采用高速數(shù)字信號處理器為控制器,可以實現(xiàn)復雜的高性能的各種控制策略和方法,如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性,可以盡可能充分地實現(xiàn)人工智能,更好地適應控制系統(tǒng)的復雜多交。(4)借助一些人機界面設備(如與處理器相連的液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等)實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、預警、故障診斷等功能;借助處理器的通訊能力實現(xiàn)與上位機的通訊;借助現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)底層控制設備的聯(lián)網(wǎng);因而更方便地實現(xiàn)高復雜度的多機協(xié)同工作。 2.3.2數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ),由模擬電子電路構(gòu)成控制器,因而存在以下弱點:由運算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器參數(shù)一經(jīng)設定,不易調(diào)整;對工況的變化和對象的自適應能力差;模擬控制器很難實現(xiàn)高級的控制策略和控制方法;模擬電路檢測精度不高;由模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高,硬件復雜,可靠性低。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)集成度高,由于采用高速數(shù)字信號處理器為控制器,可以實現(xiàn)復雜的控制策略和控制算法。另外可以借助一些人機界面設備實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、預警、故障診斷等功能。因而數(shù)字控制系統(tǒng)具有更高的發(fā)展前景。數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3示。 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.4 本章小結(jié)本章主要對直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案進行研究,通過方案的比較,確定了以DSP為核心的雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)作為本設計方案。第3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計3.1控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成如圖3-1所示,整個系統(tǒng)包括五大模塊,即主電路模塊,檢測模塊,鍵盤,顯示與報警模塊、通信模塊和DSP微處理器模塊。主電路模塊的主要功能是通過PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓,為直流電機供電;檢測模塊包括轉(zhuǎn)速,電流的檢測,轉(zhuǎn)速和電流的檢測為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速和電流負反饋信號,鍵盤、顯示與報警模塊(由單片機直接控制)負責轉(zhuǎn)速的給電和實時顯示,以及故障時的聲光報警;通信模塊負責DSP與PC機之間的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)系統(tǒng)的計算機監(jiān)控;DSP微處理器是整個系統(tǒng)的核心,它負責整個系統(tǒng)的管理和控制。TMS320LF2407芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換,多路可編程脈寬調(diào)制(PWM)輸出和死區(qū)控制、多路信號輸入捕捉(CAP)、光電編碼盤接口(QEP)和CAN總線模塊等資源,使得它在電機控制中具有無與倫比的優(yōu)勢。正因如此,本設計就采用TMS320LF2407芯片作為主控制器。圖3-1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖3.2 TMS320LF2407 DSP 簡介目前,數(shù)字信號處理(Oigital Signal Processing,簡稱DSP)已經(jīng)成為信號處理技術(shù)的主流。因為與早期的模擬信號相比,數(shù)字信號處理有著巨大的優(yōu)勢。早期的模擬信號處理主要通過運算放大電路進行不同的電阻組配實現(xiàn)算術(shù)運算,通過電阻、電容的組配實現(xiàn)濾波處理等,其中有一個很明顯的問題是不靈活、不穩(wěn)定,參數(shù)修改困難,需要采用多種阻值、容值的電阻、電容,并通過電子開關(guān)選通才能修改處理參數(shù);而且對周圍環(huán)境變化的敏感性強,溫度、電路噪聲等都會造成處理結(jié)果的改變。DSP芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)。其主要特點是程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間,有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線,由于可以同時對數(shù)據(jù)和程序進行尋址,大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力,非常適合于實時的數(shù)字信號處理;采用了并行機制的,流水線式的總線結(jié)構(gòu),具有片內(nèi)集成的硬件累加器和乘法器,從而大大提高乘法的速度,并為提高系統(tǒng)的運行速度打下堅實的硬件基礎(chǔ)。由于DSP的優(yōu)越性,它自20世紀60年代以來,迅速得到廣泛的應用。DSP應用幾乎遍及整個電子領(lǐng)域,典型應用有通信、語音處理、圖形圖像處理、自動控制、儀器儀表及醫(yī)學電子等,TI公司的C24x系列DSP是專為電動機控制而設計的,它們兼有DSP的高運算速度和單片機的強控制能力。3.2.1TMS320LF2407DSP的特點TMS320LF2407 DSP有如下特點:(1)由于采用了高性能的靜態(tài)CMOS制造技術(shù),因此該DSP具有低功耗和高速度的特點。工作電壓3.3V,有4種低功耗工作方式。單指令周期最短為25ns(40MHz),最高運算速度可達40 MIPS,四級指令執(zhí)行流水線。低功耗有利于電池供電的應用場合,而高速度非常適用于電動機的實時控制。(2)由于采用了TMS320C2xxDSP CPU的內(nèi)核,因此保證了與TMS320C24x系列DSP的代碼兼容性(3)片內(nèi)集成了32K字的Flash程序存儲器、2K字的單口RAM、544字的雙口RAM。因而使該芯片可用于產(chǎn)品開發(fā)??删幊痰拿艽a保護能夠充分地維護用戶的知識產(chǎn)權(quán)。(4)提供外擴展64K字程序存儲器、64K字數(shù)據(jù)存儲器、64K字I/O的能力。(5)兩個專用于電動機控制的事件管理器(EV),每一個都包含:2個16位通用定時器,8個16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出通道;1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳PDPINTx(其狀態(tài)可從COMCONx寄存器獲得);可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能;3個捕捉單元11個增量式光電位置編碼器接口。(6)可編程看門狗定時器,保證程序運行的安全性。(7)16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器,具有可編程自動排序功能,4個啟動A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源,最快A/D轉(zhuǎn)換時間為375ns 。(8)控制器局域網(wǎng)(CAN)2OB模塊(9)串行接口SPI和SCI模塊(10)基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器(PLL)(11)41個通用I/0引腳(12)32位累加器和32位中央算術(shù)邏輯單元(CALU)16位X16位并行乘法器,可實現(xiàn)單指令周期的乘法運算15個外部中斷1149.1-19901EEE標準的JTAG仿真接口。(13)很寬的工作溫度范圍,普通級:-4085,特殊級:-40125。3.2.2 TMS320LF2407DSP的組成及結(jié)構(gòu)TMS320LF2407DSP的結(jié)構(gòu)見圖3-2,它采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)支持分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線這樣的總線結(jié)構(gòu)使取指令、執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)傳送和外設控制可以并行進行,因此可以極大地提高工作速度。這也保證了指令系統(tǒng)中的大多數(shù)指令可以實現(xiàn)單指令多操作,即一條指令可以實現(xiàn)多種操作。由圖3-2可見。TMS320LF2407DSP可分成三部分:DSP內(nèi)核、存儲器和外圍設備。DSP內(nèi)核是DSP的核心,它擔負著數(shù)據(jù)運算、信號處理的任務。它包括了累加器、中央算術(shù)邏輯單元CALU、狀態(tài)寄存器S0和Sl、輔助寄存器、乘法器、移位器、臨時寄存器T和乘積寄存器P。存儲器包括了32K字的FLash程序存儲器、2K字的單口RAM(SARAM)和544字的雙口RAM(DARAM)。外圍設備指的是DSP芯片中集成的除內(nèi)核以外的功能模塊,習慣上稱之為外設。它包括事件管理器、ADC轉(zhuǎn)換器、SPl和SCl串行接口,CAN接口等。 圖3-2 TMS320LF2407DSP的結(jié)構(gòu)圖3.3 TMS320LF2407 DSP控制器介紹TMS320LF2407具有下述功能部件:30MIPS的CPU,片內(nèi)RAM,ROM/FLASH,專用于電機控制的“事件管理器(event manager)”和片內(nèi)外設。3.3.1事件管理器模塊EVA和EVB“事件管理器”包括通用定時器、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路56。 (1)通用定時器。LF2407共有4個通用定時器,每個定時器包括:一個16位的定時器增/減計數(shù)的計數(shù)器TxCNT;一個16位的定時器比較寄存器TxCMPR;一個16位的定時器周期寄存器TxPR;一個16位的定時器控制寄存器TxCON;可選擇的內(nèi)部或外部輸入時鐘。各個GP定時器之間可以彼此獨立工作或相互同步工作。與其有關(guān)的比較寄存器可用作比較功能或PWM波形發(fā)生。每個GP定時器的內(nèi)部或外部的輸入時鐘都可進行可編程的預定標,它還向事件管理器的子模塊提供時基。每個通用定時器有4種可以選擇的操作模式:停止/保持模式、連續(xù)增計數(shù)模式、定向增/減計數(shù)模式、連續(xù)增減計數(shù)模式。當計數(shù)器值和比較寄存器值相等時,比較匹配發(fā)生,從而在定時器的PWM輸出引腳TxPWM/TxCMP上產(chǎn)生CMP/PWM脈沖,可設置控制寄存器GPTCON中的相應位,選擇下溢、比較匹配或周期匹配時自動啟動片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。(2)比較單元與CMP/PWM脈沖輸出。LF2407有6個比較單元,每個EV模塊有3個。每個比較單元又有兩個相關(guān)的PWM輸出,比較單元的時基由通用定時器1(EVA模塊)和通用定時器3(EVB模塊)提供。每個比較單元和通用定時器l或通用定時器3,死區(qū)單元及輸出邏輯可在兩個特定的器件引腳上產(chǎn)生一對具有可編程死區(qū)以及輸出極性可控的PWM輸出。在每個EV模塊中有6個這種與比較單元相關(guān)的PWM輸出引腳,這6個特定的PWM輸出引腳可用于控制三相交流感應電機和直流無刷電機。由比較方式控制寄存器所控制的多種輸出方式能輕易地控制應用廣泛的開關(guān)磁阻電機和同步磁阻電機。(3)捕獲單元。捕獲單元被用于高速I/O的自動管理器,它監(jiān)視輸入引腳上信號的變化,記錄輸入事件發(fā)生時的計數(shù)器值,即記錄下所發(fā)生事件的時刻。該部件的工作由內(nèi)部定時器同步,不用CPU干預。LF2407共有6個捕獲單元,CAPl,CAP2,CAP3可選擇通用定時器l或2作為它們的時基,但CAPl和CAP2一定要選擇相同的定時器作為它們的時基。CAN,CAP5,CAP6可選擇通用定時器3或4作為它們的時基,同樣CAN和CAP5也一定要選擇相同的定時器作為它們的時基。每個單元各有一個兩級的FIFO緩沖堆棧。當捕獲發(fā)生時,相應的中斷標志被置位,并向CPU發(fā)中斷請求;若中斷標志己被置位,捕獲單元還將啟動片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。(4)正交編碼脈沖(QEP)單元。常用的位置反饋檢測元件為光電編碼器或光柵尺,它直接將電機角度和位移的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,其輸出一般有相位差為90的A,B兩路信號和同步脈沖信號C。A,B兩路脈沖可直接作為LF2407的CAP1/QEPl和CAP2/QEP2引腳的輸入。正交編碼脈沖電路的時基由通用定時器2或通用定時器4提供,但通用定時器必須設置成定向增/減計數(shù)模式,并以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。3.3.2 片內(nèi)外設 TMS320LF2407片內(nèi)外設包括一個A/D轉(zhuǎn)換器、2個串口、CAN控制器模塊和看門狗定時器及實時中斷定時器7。(1)A/D轉(zhuǎn)換器。LF2407中配置有帶采/保的16路10位375ns的A/D轉(zhuǎn)換器,可用于模擬量(如溫度、電壓和電流信號等)的采樣。(2)SPI口和SCI串口。SCI口即通用異步收發(fā)器(DART),用于與PC機串口等標準器件通信,可采用RS-232/485協(xié)議等,最大波特率2500Kbps。SPI口可用于同步數(shù)據(jù)通信,典型應用包括外部I/O或外設擴展,如移位寄存器、顯示驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換器等。(3)CAN控制模塊。LF2407芯片中CAN模塊是一個完全的CAN控制器,該控制器是一個16位的外設模塊,可以為工業(yè)控制系統(tǒng)提供高可靠性的數(shù)據(jù)傳送。(4)看門狗與實時中斷定時器??撮T狗定時器是一個8位增量計數(shù)器。在正常工作情況下,程序周期性地對定時器進行清零;若程序運行出錯,程序跑飛或系統(tǒng)死機,則定時器溢出,產(chǎn)生復位信號。3.4 TMS320LF2407外圍基本電路設計 DSP控制系統(tǒng)是以TMS320LF2407為核心,以及相關(guān)必要的周邊器件,主要功能用來完成所需要的控制算法,產(chǎn)生PWM波形去控制系統(tǒng)工作,達到所要求的控制功能。它包括時鐘電路、復位電路、電源管理電路、譯碼電路、A/D輸入接口電路、PWM輸出接口及功率驅(qū)動電路、電平匹配驅(qū)動電路、數(shù)碼管鍵盤電路以及與上位機通信電路。3.4.1時鐘電路給TMS320LF2407 DSP芯片提供時鐘一般有兩種方式。一種是利用DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路,在DSP芯片的Xl和X2/CLKIN之間連接一晶體可啟動內(nèi)部振蕩器,如圖3-3。電容C1、C2通常在10至30P之間選擇,它們可對時鐘頻率起著微調(diào)的作用。晶體此時為基本模式,且為并聯(lián)諧振。圖3-3 內(nèi)部振蕩電路3.4.2電源轉(zhuǎn)換電路TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS,供電電壓為低電壓+3.3V,而系統(tǒng)中還有其他一些TTL芯片需要+5V電壓,為此,系統(tǒng)為一個多電源的系統(tǒng)8。電源轉(zhuǎn)換電路的功能是用來產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的3.3V直流電源,提供給TMS320LF2407以及整個數(shù)字電路工作。圖3-4電源轉(zhuǎn)換電路整個電源轉(zhuǎn)換電路的核心是電源轉(zhuǎn)換芯片,采用TI公司的TPS76833QPWP芯片。它是TI公司為了配合DSP開發(fā)而專門設計的電源轉(zhuǎn)換芯片。TPS76833QPWP實際上是一種低壓降(LDO)的電壓調(diào)節(jié)器,具有非常低的靜態(tài)電流,即使對于變化的負載,靜態(tài)電流仍能保持不變。TPS76833QPWP使用PMOS晶體管來傳送電流,由于PWOS元件的柵極是電壓驅(qū)動的,所以工作電流較低且在全負載范圍不變。在欠壓狀態(tài)下,TPS76833QPWP的PG管腳輸出啟動為計算機和微控制器系統(tǒng)的復位信號,其內(nèi)部比較器監(jiān)視電壓調(diào)節(jié)器輸出電容,檢測欠壓狀態(tài),當欠壓狀態(tài)發(fā)生時,PG輸出晶體管導通,使得PWRON-RST信號變?yōu)榈碗娖健k娫崔D(zhuǎn)換電路如圖3-4所示。3.5 電流檢測單元的設計3.5.1 電流檢測原理為了實現(xiàn)閉環(huán)控制,首先需要將被控量的數(shù)字信號或模擬信號檢測出來,然后再反饋給控制系統(tǒng),檢測電路是電動機控制系統(tǒng)中的重要組成部分9。根據(jù)控制理論,我們知道反饋閉環(huán)系統(tǒng)對被控量檢測裝置中的擾動無能為力。因此,控制系統(tǒng)的精度依賴于反饋量檢測元件的精度,它的設計是否合理,直接關(guān)系到裝置運行的可靠性和控制的精度。在反饋信號送到DSP之前,要注意判斷數(shù)字信號的電平的匹配。為了低功耗,LF2407采用的是3.3V邏輯,這與常用的5V邏輯要區(qū)別清楚。3VCMOS電平可以直接輸出到5VCMOS器件,但反之則會燒芯片。根據(jù)需要選擇是否信號隔離或電平轉(zhuǎn)換。電流檢測的方法有電阻檢測,光耦檢測等各種方法10。本系統(tǒng)采用磁平衡原理實現(xiàn)的霍爾元件來檢測電流。在硬件電路的設計中,讓動子線圈電流通過電流霍爾傳感器,可以獲得與其隔離并成正比例的小電流信號,然后用精密電阻采樣此電流信號,經(jīng)過運放跟隨器,即可得到與動子線圈電流成正比例關(guān)系的電壓信號,將此電壓信號經(jīng)過放大、偏移后由TMS320LF2407的ADC模塊進行采集。3.5.2電流檢測的主要接口電路電流環(huán)構(gòu)成電樞電流負反饋,主要目的是在允許的范圍內(nèi)產(chǎn)生一個適當?shù)碾娏鲄⒖贾?,以減小電源電壓波動、負載作用和慣量變化帶來的影響,使系統(tǒng)恒流起、制動,同時,如果電流檢測值超過了所允許的最大值,則會產(chǎn)生中斷,調(diào)用過流保護程序,關(guān)斷PWM輸出。但電流的采集必須考慮頻率問題,本系統(tǒng)電流環(huán)的控制頻率等于PWM信號的載波頻率,也即每個PWM周期控制一次電流環(huán)。電流檢測接口電路如圖3-5所示。由電壓采樣電路、濾波電路、放大電路、電壓偏移電路和保護環(huán)節(jié)組成?;魻栯娏鱾鞲衅鬏敵龅男‰娏餍盘柦?jīng)過電壓采樣電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,再經(jīng)過濾波電路和放大電路進行放大。同時,由于點數(shù)繞組中的電流可正可負,于是傳感器輸出的電流也有正負之分,則轉(zhuǎn)換為電壓也有正負兩種數(shù)值,為了滿足LF2407的A/D采樣端口單極性輸入電壓的要求,必須對電壓信號進行電壓偏移變換,如本系統(tǒng)直流電機的最大起動電流為14A,當I=5A時,對應A/D輸入為3.3V;當I=-5A時,對應A/D輸入為0V;當I=0A時,對應A/D輸入為1.65V,以便將具有正負極性的電流反饋信號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號輸入到LF2407的ADC單元。而兩個二極管D9和D10則具有限制輸入電壓的保護功能。圖3-5電流檢測電路3.6速度檢測原理測速是速度閉環(huán)控制的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)對檢測元件的基本要求是:精度好、靈敏度高、可靠性好。為了擴大調(diào)速范圍,改善低速平穩(wěn)性,要求測速元件低速輸出穩(wěn)定、紋波小、線性度好。通常的測速元件分為兩大類:模擬測速元件和數(shù)字測速元件。模擬測速元件,通常采用直流測速電動機。在本文的伺服控制系統(tǒng)中采用數(shù)字測速元件:光電編碼器。它由槽型光電耦合器、光碼盤、光電整形放大電路組成11。光電編碼器每單位時間輸出的脈沖數(shù)與速度成正比。在本文的速度環(huán)中,捕獲單元將捕獲這些脈沖的時刻送入速度計算單元。用于計算當前的轉(zhuǎn)速。為了實現(xiàn)精確計算,在硬件方面要采取的措施一方面是提高光電編碼器的分辨精度,即采用高密度的光電編碼器。光電碼盤有一明暗相間的圓環(huán)以及一個附加的作為參考點的明條。在圓盤的一側(cè)有光源,另一側(cè)正對著兩相鄰的明暗區(qū)緊挨著有兩個光敏接受元件。這兩個光敏接受元件的安裝位置應恰好使得在一個明暗區(qū)周期中或每當光電盤旋轉(zhuǎn)一個節(jié)距時,產(chǎn)生具有90相位差的正弦波A和B,這一組信號送到放大器進行整形,放大后,產(chǎn)生一系列矩形脈沖,分A、B兩相輸出,其中A相、B相相差90;反轉(zhuǎn)時,B相領(lǐng)先A相90。根據(jù)這一關(guān)系,將編碼器通過一機械傳動機構(gòu)與電機軸相連,通過讀取A、B數(shù)字脈沖的個數(shù)及哪一列先到來,即可確定電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。在LF2407中,兩路正交信號的四倍頻的實現(xiàn)是用事件管理器的一個正交編碼器脈沖QEP(Quadrature Encoder Pulse)電路12。當QEP電路被使能時,會對引腳CAPlQEPl和CAP2QEP2上的正交編碼輸入脈沖進行解碼和計數(shù)。QEP電路可以用作與一個光電編碼器接口以獲取一個轉(zhuǎn)動機構(gòu)的位置和速度信息。兩個QEP引腳由捕獲單元1和2以及QEP電路共享。捕獲單元控制寄存器CAPCON位須正確配置,以使能QEP電路并禁止捕獲單元l和2。這樣就把兩個相應的輸入引腳分配給QEP電路。QEP電路的方向檢測邏輯測定哪個脈沖序列的相位領(lǐng)先,然后產(chǎn)生一個方向信號作為選定定時器的方向輸入。如果CAPl/QEP1輸入為相位領(lǐng)先的脈沖序列,選定的定時器遞增計數(shù),如果CAP2/QEP2輸入為相位領(lǐng)先的脈沖序列,選定的定時器為遞減計數(shù)。兩個正交編碼輸入脈沖的兩個沿均被QEP電路計數(shù)。因此送到GP定時器的時鐘的頻率是每個輸入序列的四倍。這個產(chǎn)生的時鐘與選定的定時器或32位的定時器的時鐘輸入端相連。圖3-6速度接口電路3.7柵極驅(qū)動器的選擇MOSFET柵極驅(qū)動電路的作用是將控制電路的輸出脈沖放大到足以激勵功率轉(zhuǎn)換電路的MOSFET管。柵極驅(qū)動電路的優(yōu)劣和功能的完善程度對WFET本身的工作性能和可靠性有直接關(guān)系,它提供的驅(qū)動脈沖幅度以及波形關(guān)系到MOSFET的可變電阻電壓降、存儲時間、開通、關(guān)斷瞬間漏極電壓、電流的上升、下降速率等運行特性,直接影響其損耗和發(fā)熱,對整個PWM系統(tǒng)的性能和安全可靠也有很大影響。為此,MOSFET柵極驅(qū)動器我們采用IR公司的IR2110。IR2110是一種雙通道高壓高速功率MOSFET驅(qū)動器,它內(nèi)部應用自舉技術(shù)來實現(xiàn)同一集成電路可同時輸出兩個驅(qū)動高端與低端的通道信號。其特點為:設有懸浮電源可自激運行。工作電壓范圍為4V-500V;抗dv/dt干擾能力為500ns;15V時靜態(tài)功耗為1.6mW,保證了芯片本身有整形功能,實現(xiàn)了無論其輸入信號前后沿的陡度如何,可以保證加到被驅(qū)動功率器件的開關(guān)時間,降低開關(guān)損耗;輸出柵極驅(qū)動電源范圍寬為10V-20V;邏輯信號采用單獨的邏輯電源,其工作范圍為5-20V,邏輯地和電源地的工作偏差范圍為-5V+5V;CMOS施密特觸發(fā)輸入具有滯后和拉低功能;兩通道均有適當?shù)膫鬏斞訒r,其中導通延時為120ns,關(guān)斷延時為94ns,最大額定匹配差為l0ns;輸入和輸出都設有鎖存抗干擾CMOS電路,其輸入輸出可承受大于2A的反向電流。3.7.1主要接口電路 接口電路如圖3-7所示。IRF640的最大柵源電壓為20V,超過此限度值,即使電流被限制在很小值,也可能擊穿柵源間的氧化層而造成損壞,為此
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