机电一体化液压伺服系统设计.docx

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机电一体化液压伺服系统设计

液压伺服系统设计

专业：

机电一体化技术

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摘要

机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物；是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。

机电一体化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。

本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。

采用微机数控机床进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生产率保证加工质量。

此外，由于微型计算机具有价格低、体积小、性能可靠和使用灵活等特点微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多，且又便于一般工人掌握操作和维修。

因此将专用机床设计成微机数控机床已成为机床设计的发展方向之一。

本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件具有快速起动和停止的特点。

其驱动速度和指令脉冲能严格同步；具有较高的重复定位精度并能实现正反转和平滑速度调节。

它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响，因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。

第1章总体方案设计

1.1总体分析

本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计。

设计采用单片机对系统进行控制，单片机的包括键盘与显示的控制、与PC机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的控制。

电机的输入信号包含报警监测，在机床边缘运用一个接近开关即可实现此目的。

1.2方案框图

单片机作为控制的核心：

一方面对机床的运动方向和位移量进行控制，另外还将与键盘对应的位移信息显示在LED上，并实现与PC机的通信。

第2章单元模块设计

2.1键盘与显示模块

随着电子及计算机技术的飞速发展，涌现出了许多的智能型芯片，ＩＮＴＥＬ、ＡＴＭＥＬ、ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ、ＭＯＴＯＲＯＬＡ和ＰＨＩＬＰＳ等公司都推出了一系列满足不同行业多种需求的单片机芯片，ＣＰＵ的价格也从９０年代初的成百元降至如今最便宜的芯片只有数元，而一些功能单一的外围接口芯片，越来越多地被功能强大、灵活方便的智能型芯片所代替。

我们使用ＡＴＭＥＬ公司生产的８９Ｃ２０５１设计出了键盘ＬＥＤ显示模块，功能上比传统的键盘显示接口芯片８２Ｃ７９强，而成本仅有后者的１／３。

ＡＴ８９Ｃ２０５１简介,ＡＴ８９Ｃ２０５１属于ＭＣＳ５１家族，它同大家熟悉的８０３１单片机相比，Ｉ／Ｏ口减少到１５个，其它配置和性能不减，指令完全兼容，片内具有２Ｋ字节的ＦＬＡＳＨ存贮器，电擦写编程次数可达到１０００次，数据可保存１０年。

其中的Ｐ３．０、Ｐ３．１口第二功能可以作串行口使用，Ｐ１口可直接驱动ＬＥＤ显示器，其中Ｐ１．０、Ｐ１．１可以当作比较器的输入端。

２　模块原理　　模块原理图见图１。

键盘显示模块可外接４×８＝３２键，８位ＬＥＤ显示器（可以扩展至１６位），它通过串行口同主控设备进行数据通信。

下面分别加以介绍。

2.1.1模块工作原理

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

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将显示相同的字符。

若要各位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则处于关闭状态；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；而另一位则是熄灭的。

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；则同一时刻；只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。

如此循环下去，就可以使两位分别显示出将要显示的字符。

虽然这些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则可以造成多位同时亮的假象达到同时显示的效果。

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，有则说明两座标相交处的按键按下了。

2.1.2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,同时还可以进行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

2.1.3芯片CH452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可以被部分按键唤醒。

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。

4线串行接口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。

2线串行接口时钟速度从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，低成本，简便易用。

2.1.4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，其它引脚则不吸入电流。

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SEG6SEG0，分别对应数码管的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分别连段8个数。

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DIG3DIG0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位的数据寄存器用于保存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支持数据寄存器中的字数据左移、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个数据寄存器中字数据的位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，则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时则对应的数据管的段或者发光管就会熄灭。

例如，第三个数据寄存器的位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寄存器中字数据的位4位0进行，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BCD译码。

下表为数据寄存器中字数据的位4、位0进行BCD译码后，所对应的段G、段A，以及数码管显示的字符。

参考下表，如果需要在数码管上显示字符0，只要置入数据0xx00000B或者00H，需要显示字符0.0带小数点只要置入数据1xx00000B或者80H。

类似地，数据1xx01000B或者88H对应于字符8.8带小数点数据0xx10011B或者13H，对应于字符=数据0xx11010B或者1AH对应于字符.小数点，数据0xx10000B或者10H对应于字符，空格数码管没有显示。

数据0xx11110B或者1EH，对应于自定义的特殊字符，由“自定义BCD码”命令定义。

2.1.5键盘扫描原理

CH452的键盘扫描功能支持8×8矩阵的64键键盘。

在键盘扫描期间，DIG7——DIG0引脚用于列扫描输出SEG7SEG0，引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。

当启用键盘扫描功能后4线串行接口中的DOUT，引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。

CH452定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。

在键盘扫描期间，DIG7、DIG0引脚按照DIG0至DIG7的顺序依次输出高电平，其余7个引脚输出低电平，SEG7——SEG0引脚的输出被禁止。

当没有键被按下时，SEG7——SEG0都被下拉为低电平；当有键被按下时，例如连接DIG3与SEG4的键被按下；则当DIG3输出高电平时SEG4检测到高电平，为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码，CH452实行两次扫描只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。

如果CH452检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过4线串行接口中的DOUT引脚或者2线串行接口中的INT#引脚产生低电平有效的键盘中断；当INTM为1时输出低电平脉冲中断，参考5.5节和5.6节中的说明此时单片机可以通过串行接口读取按键代码，在没有检测到新的有效按键之前；CH452不再产生任何键盘中断。

CH452不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下，如果多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先。

CH452所提供的按键代码为7位，位2、位0是列扫描码，位5、位3是行扫描码。

位6是状态码键，按下为1键释放为0。

例如，连接DIG3与SEG4的键被按下，则按键代码是1100011B或者63H键被释放后按键代码通常是0100011B或者23H，也可能是其它值，但是肯定小于40H其中，对应DIG3的列扫描码为011B，对应SEG4的行扫描码为100B。

单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在CH452检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码，此时按键代码的位6总是1另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。

下表是在DIG7、DIG0与SEG7、SEG0之间8×8矩阵的顺序编址，既是按键编址，也是数码管段位、发光管LED阵列以及光柱的编址。

由于按键代码是7位键，按下时位6总是1，所以当键按下时，CH452所提供的实际按键代码是表中的按键编址加上40H，也就是说，此时的按键代码应该在40H到7FH之间。

2.2单片机控制单元

单片机是微控制器，他是需要独立工作的51单片机的工作电压是5V（TTL电平）或CMOS电平工作电流不能太大，要求高的还需要稳压单片机,具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

2.2.1控制原理

本次设计是以单片机为核心进行设计的，在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统最关键的器件。

本系统中选用与MCS-51系列完全兼容的AT89C52单片机，AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。

89C52的P2口输出的矩形脉冲信号直接控制步进电机的正反转，两台电机需4个控制信号，一根信号线备用。

工作台上行程开关的检测信号经光电隔离器件后送到单片机，这样可以实现单片机与电机工作电路的隔离，起到了抗干扰和保护的作用，也

有3个备用。

工作台工作时的指示灯则由P14-P17和T0、T1控制，分别用于提示操作人员工作台是在哪个坐标上朝哪个方向运动

2.2.2光电耦合电路

电机的那个输入信号先经光电耦合器后送至单片机处理，这是由于步进电机的大功率、高电平会对单片机产生较严重的干扰，不能直接把单片机产生的控制信号直接连在步进电机上;需要进行强弱电隔离。

在实际运用中，对于强弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法，在这里我们采用光电隔离的方法，如图3.3所示，光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）集成在一起，通过光线实现耦合构成电--光和光--电的转换器件

2.2.3芯片介绍

设计所使用的单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS8位单片机，如图3.5基本外围电路图所示。

它片内含有8kbytes的可反复檫写的只读程序存储器，PEROM和256bytes的随机存储数据存储RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性技术生产与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52提供以下标准功能8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM、32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工川行通信口片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C52的内部逻辑框图如图3.6所示其管脚功能如下:

（1）电源引脚

Vcc（40引脚）接+5V电源。

Vss（20引脚）接地。

（2）时钟引脚

2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反向放大器构成了一个晶体振荡器它为单片机提供了时钟控制信号。

两个引脚也可以外接独立的晶体振荡器。

XTAL1、19引脚，接外部晶体的一个引脚。

该引脚内部是一个反向放大器的输入端，这个反向放大器构成了片内振荡器。

XTAL1、8引脚，接外部晶体的另一端，在该引脚的内部接至内部反向放大器的输出端。

若采用外部时钟振荡器时看该引脚接收时钟振荡器的信号。

（3）控制引脚

此类引脚提供控制信号，有的引脚还有复用功能。

RST/VPD（9引脚）

RSTRESET是复位信号输入端，高电平有效。

当单片机运行时，在此引脚上加上持续时间大于两个机器周期的高电平时，就可以完成复位工作。

在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。

VPD为本引脚的第二功能，即备用电源输入端。

ALE/PROG、30引脚，ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作以后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。

当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。

PROG为本引脚的第二功能，为低电平有效。

在对片内EPROM型单片机编程写入，此引脚作为编程脉冲输入端。

PSEN29引脚程序存储器允许输出控制端，为低电平有效。

在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。

EA/VPP31引脚EA功能为内外程序存储器选择控制端，为低电平有效。

EA为高电平时，单片机访问片内程序存储器，反之则选择片外程序存储器。

VPP为本引脚的第二功能。

在对Flash闪速存储器编程时，该引脚加上+12V或是+5V的编程允许电源。

（4）I/O口引脚

P0口双向8位三态I/O口，此口为地址总线，低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

P1口8位准双向I/O口可驱动4个LS型TTL负载。

P2口8位准双向I/O口与地址总线，高8位复用，可驱动4个LS型TTL负载。

P3口8位准双向I/O口双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

除此之外P3口还有第二功能，如表3.2所示

2.3串行通信模块

2.3.1RS232通信协议

1RS-232C标准介绍串行通信接口标准中

RS-232C是目前最常用的一种串行通信接口。

RS-232C标准的全称是EIA-RS-232C标准，该标准对串行通信的连接电缆和机械、电气特性、信号功能以及传输过程都进行了明确的规定，适合于数据传输速率在0-20kb/s范围内的通信。

RS-232C的推荐最大电缆长度为15m实际通信中可以以降低通信速率为代价适当延长通信距离。

如果要实现长距离的传输数百米，需要使用专门的长线驱动器来延长RS-232C的通信距离。

2RS232C中的引脚定义和电气特性

RS-232C中定义了20根信号线，使用25芯D型连接器DB25实现，后来为了简化串口的线路连接，出现了9芯D型连接器DB9、DB9引脚的分布和信号。

RS-232C标准的电气特性参数有带3-7KΩ时驱动器的输出电平、输出开路时接受器的输出逻辑、输入经300Ω接地时接收器的输出逻辑和驱动器转换速率等。

不同于传统的TTL等数字电路的逻辑电平，RS-232C的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑“0”电平规定在+3V-+25V之间，逻辑“1”电平规定在-3V—25V之间，因此需要使用正负极性的双电源供电。

由于其与TTL等数字电路的逻辑电平不兼容，因此二者之间的连接必须使用电平转换。

一般使用中，只需要连接好TXD、RXD、DSR、RTS、GND5根线即可正常通信。

如果去掉握手信号，最少使用3根线即可实现正常的串口通信。

2.3.2串行通信电路

RS-232C接口电路包括RS-232C接口电平转换部分和RS-232C总线连接部分。

RS-232C标准的逻辑电平与TTL电平之间的转换用MAX232芯片实现，单片机的TXD、RXD分别连到MAX232的T2in、R1out端。

在RS-232C的总线连接上采用最简单的三线连接模式，即连接DB9的TXD、RXD和GND三端。

第3章电机与电气控制电路设计

3.1步进电机模块

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。

每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。

脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。

在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。

图4.1三相反应式步进电机工作原理图

3.1.1步进电机的工作原理

步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。

一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。

若每旋转一圈以200个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进18度其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。

二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1-2相励磁。

图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。

每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。

因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。

分述如下:

A、1相励磁法在每一瞬间只有一个线圈导通，消耗电力小，精确度良好但转矩小，振动较大，每送一励磁信号可走1.8度。

若欲以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。

若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。

B、2相励磁法在每一瞬间会有二个线圈同时导通。

因其转矩大，振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。

若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。

若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。

C、1-2相励磁法为1相与2相轮流交替导通。

因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走0.9度，故亦广泛被采用。

若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。

若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。

励磁顺序

A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

3、步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。

所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。

下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。

电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，如下图所示：

步进机顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度0-1-2-3-4，则称为通电一周转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如4-3-2-1，将使电机同速反转。

通电一周的周期越短，即驱动频率越高则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。

对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Nr它的齿距角z为z=2Π/Nr，而步进电机运行k拍可使转子转动一个齿距位置。

实际上步进电机每一拍就执行一次步进所以步进电机的步距角s。

例如:

对于三相反应式步进电机而言，工作方式有三拍和六拍之分。

三拍就是在转动一个齿距时换相三次，六拍则是换相六次。

而在三拍方式中还有单三拍和双三拍之分。

从公式可知，