混合器控制原理說明書

1、機電一體化課程設(shè)計 題 目：混合器控制原理 設(shè)計班級：機制1001（部分學(xué)生） 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二一三年七月山東理工大學(xué)卓越工程師班目錄一、課題背景3二、設(shè)計要求3三、設(shè)計方案4四、采集模塊的設(shè)計4五、步進電動機驅(qū)動10六、控制電路設(shè)計12參考文獻一、課題背景混合器在12V內(nèi)燃機中主要作用是控制混合氣體通過碟門的流量來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的發(fā)電效率，我們又通過控制碟門開啟的程度來保證氣體的流量。我們所需要設(shè)計的就是通過一個系統(tǒng)實現(xiàn)對碟門的位置精確控制的智能化操作，提高我們對通入混合氣體控制的精確性和操作的簡單可行性。二、設(shè)計要求通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)由步進電動機控制碟門運動。標(biāo)定碟門最大最小位置反饋的

2、電壓信號，通過輸入中間百分比值來實現(xiàn)步進電動機的運動。三、設(shè)計方案通過對設(shè)計要求的分析可知，此系統(tǒng)主要通過步進電動機控制碟門開關(guān)的程度來控制氣體的流量，控制指令根據(jù)需要由顯示屏人工輸入。該系統(tǒng)需要具備的功能為對信號的采集、處理、分析，信號反饋，電動機控制，運算處理。方案設(shè)計如下圖：采集處理模塊顯示屏控制輸入運算處理電路（PLC控制）控制輸出（步進電動機）碟門 反饋信號圖1、系統(tǒng)設(shè)計信號采集后需要對信號進行分析處理后才能接入PLC控制器中，其采集處理過程如下圖：采樣-保持A/D轉(zhuǎn)換信號處理傳感器信號源 電信號 模擬信號 PLC采樣-保持信號處理傳感器信號源 圖2、信號采集處理過程步進電動機驅(qū)動原

3、理如下圖： 驅(qū)動電源負(fù)載步進電動機環(huán)形分配器功率驅(qū)動器指令脈沖 輸出圖3、步進電動機驅(qū)動原理四、采集模塊的設(shè)計 采集處理模塊中需要用到的元件有：傳感器、放大器、采樣-保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等。 4.1位置傳感器的選擇 在該系統(tǒng)中位置傳感器主要用于測定碟門開啟的位置，它安裝在碟門上，用來向PLC控制器提供碟門的開啟狀態(tài)的信息。它開啟的角度大小，反映著進氣量大小的情況，通過反饋信號從而控制氣體的流量。位置傳感器主要用是通過檢測，確定被測物是否到達某一位置。位置傳感器分接觸式和接近式兩種，所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否已接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器就是用來判別在某一范圍內(nèi)有某一物體的

4、一種傳感器。在此我們使用的是接近式傳感器，測定碟門所處的位置，根據(jù)與碟門最大最小位置的比較,就可在顯示屏中輸入我們所需要數(shù)值。接近式傳感器按其工作原理主要分：電磁式、光電式、靜電容式、氣壓式和聲波式。通過綜合分析，由于光電式傳感器具有體積小、可靠性高、檢測位置精度高、響應(yīng)速度快、易于TTL和CMOS電路兼容等優(yōu)點，所以最終選擇使用透光型光電傳感器。4.2放大器的選擇在許多檢測技術(shù)應(yīng)用場合，傳感器輸出的信號往往比較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。如下圖4，為三個運放組成的測量放大器，差動輸入端U1和U2分別

5、是兩個運算放大器（A1、A2）D的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對稱電路結(jié)構(gòu)，而且傳感器輸出信號直接加到輸入端上，從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。圖4、測量放大器工作原理測量放大器的放大倍數(shù)由下式確定AU=U0U2-U1AU=RfR(1+Rf1+Rf2RW)這種電路，只要運算放大器A1和A2性能對稱（主要輸入阻抗和電壓增益對稱），其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗，高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于檢測遠距離傳輸過來的信號，因而很適合與微小信號輸出的傳感器配合使用。RW是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，最好用多圈電位器。如上圖，左邊兩個運

6、放若采用7650，則放大效果非常好。4.3采樣-保持器的選擇一、傳感器信號的采樣/保持當(dāng)傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電量，并經(jīng)放大、濾波等系列處理后，需經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量，才能輸入到計算機系統(tǒng)。在對模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間。當(dāng)輸出信號頻率提高時，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換后又能跟蹤輸入信號的變化，即：使輸入信號處于采樣保持。能完成這種功能的器件叫做采樣/保持器。從上面分析可知，采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個“模擬信號存儲器

7、”。在模擬量輸出通道，衛(wèi)視輸出得到一個平滑的模擬信號，或?qū)Χ嗤ǖ肋M行分時控制，也常采用采樣/保持器。二、采樣/保持器原理采樣/保持由存儲器電容C、模擬開關(guān)S等組成。如圖5所示，當(dāng)S接通時，輸出信號跟蹤輸入信號，稱采樣階段。當(dāng)S斷開時，電容C兩端一直保持S斷開時的電壓（稱保持階段）。由此構(gòu)成一個簡單的采樣/保持器。實際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級和輸出級均采用緩沖器，以減少信號源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。在電容選擇時，使其大小適宜，以保證其時間常數(shù)適中，并且其漏泄要小。圖5、 采樣/保持原理隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，目前已產(chǎn)生出多種集成采樣/保持器。集成采樣/保持器的

8、特點是：1）采樣速度快、精度高，一般在22.5us，即達到0.01%0.003%精度。2）下降速度慢，如AD585，AD348為0.5mV/ms，SD389為0.1uV/ms。正因為集成采樣/保持器有許多優(yōu)點，因此得到了極為廣泛的應(yīng)用。本次實習(xí)采用LF398集成采樣/保持器。下圖6為LF398原理圖。從圖可知，其內(nèi)部由輸入緩沖級、輸出驅(qū)動級和控制電路三部分組成。圖6、 LF398采樣/保持器原理圖控制電路中A3主要起到比較器的作用；其中7腳為控制邏輯參考電壓輸入端，8腳為控制邏輯電壓輸入端。當(dāng)輸入控制邏輯電平高于參考端電壓時，A3輸出一個低電平信號驅(qū)動開關(guān)S閉合，此時輸入經(jīng)A1后跟隨輸出到A2

9、，再由A2的輸出端跟隨輸出，同時向保持電容（接6端）充電；而當(dāng)控制端邏輯電平低于參考電壓時，A3輸出一個正電平信號使開關(guān)S斷開，以達到非采樣時間內(nèi)保持器仍保持原來輸入的目的。因此，A1、A2是跟隨器，其作用主要是對保持電容輸入和輸出端進行阻抗變換，以提高采樣/保持器的性能。LF398由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速度高、保持電壓下降滿以及精度高等特點。當(dāng)作為單一放大器時，其直流增益精度為0.002%，采樣時間小于6us時精度可達0.01%；輸入偏置電壓的調(diào)整只需在偏置端（2腳）調(diào)整即可，并且在不降低偏置電流的情況下，帶寬允許為1MHz。其主要技術(shù)指標(biāo)有：1）工作電壓：518V。2）采樣時間：小于10

10、us。3）可與TTL、PMOS、CMOS兼容。4）當(dāng)保持電容為0.01uF時，典型保持步長為0.5mV。5）低輸入漂移，保持狀態(tài)下輸入特性不變。6）在采樣或保持狀態(tài)時高電源抑制。圖7 、LF398外引腳圖4.4A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器將模擬保持信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入計算機。在數(shù)據(jù)采集通道中，采集-保持器和A/D轉(zhuǎn)換器是必不可少的，其他部分可根據(jù)實際需要增減。我們選擇使用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809。1）電路組成及轉(zhuǎn)換原理 ADC0808/0809都是含8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)，以及微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個

11、高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)的通/斷由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個單邊的模擬信號。其原理框圖如下圖：圖8、ADC0808/0809原理圖由于這種A/D轉(zhuǎn)換器無需進行零位和滿量程調(diào)整，多路開關(guān)地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且其三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以易于與微型計算機接口連接。如圖可以看出，ADC0808/0809由兩部分組成。第一部分為8通道多路模擬開關(guān)，計算機通過控制C、B、A地址端子和地址鎖存允許端子ALE，可是其中一個通道被選中。第二部分為一個逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它由比較器、控制邏

12、輯、數(shù)字量輸出鎖存緩沖器、逐次逼近型寄存器以及開關(guān)數(shù)組（8位）和256R電阻分壓器組成?？刂七壿嬘脕砜刂浦鸫伪平拇嫫鲝母呶坏降臀恢鸫稳　?”，然后送到開關(guān)數(shù)組。以控制開關(guān)S7S0是否與參考電平相連。參考電平經(jīng)256R電阻網(wǎng)絡(luò)輸出一個模擬電壓UC，UC與輸出模擬量UX在比較器中進行比較，當(dāng)UXUC時，該位Di=0；當(dāng)UXUC時，則移位Di=1，且一直保持到結(jié)束。照此處理，從D7D0比較8次即可逐次逼近寄存器中的數(shù)字量，即與模擬量UX所相當(dāng)?shù)臄?shù)字量等值。此數(shù)字量送入輸出鎖存緩沖器，并同時發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。2）ADC0808/0809的時序圖如下圖：圖9、ADC0808/0809的時序圖如上圖9可

13、以看出，啟動脈沖START和地質(zhì)所存允許脈沖ALE的上升沿將地址送至地址鎖存器和譯碼器，量經(jīng)C、B、A選擇開關(guān)所指定的通道送至A/D轉(zhuǎn)換器。在START信號下降沿的作用下，逐次逼近過程開始，在時鐘的控制下，一位一位地逼近。此時，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC呈低電平狀態(tài)。五、步進電動機驅(qū)動 由于步進電機在工作時，只是需要控制碟門的開關(guān)，克服部分進氣壓強，所以其工作負(fù)載不大，同時考慮到方便PLC控制，所以選擇型號: 110BF004的磁阻式步進電機。其主要參數(shù)如下：相數(shù): 3步距角(): 0.75電壓/V: 30相電流/A: 4最大靜轉(zhuǎn)矩/(Nm): 4.9空載起動頻率/(step/s): 500 電感/m

14、H: 56.5電阻/: 0.72分配方式: 三相六拍外形尺寸/mm: 110110質(zhì)量/kg: 5.5步進電機的運行特性與配套使用的電源有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成（如圖10）驅(qū)動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動循環(huán)的供給各相繞組，以驅(qū)動電機的正反向旋轉(zhuǎn)。但是從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流只需要幾毫安，不能直接驅(qū)動電機，必須采用功率放大器將脈沖電流放大，使其增加到幾至幾十倍從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。功率放大器的結(jié)構(gòu)原理圖（如圖11）所示。步進電動機功率驅(qū)動接口包含脈沖分配器和功率放大器兩部分。5.1脈沖分配器的實現(xiàn)方法脈沖分配器有

15、兩種形式，一種是由專用環(huán)形分配集成電路或時序邏輯電路構(gòu)成的硬件分配器，如（圖10）所示的CH250三相步進電動機的脈沖分配器集成電路，下表為其功能真值表，它能產(chǎn)生雙三拍或單六拍（三相六拍）兩種分配脈沖方式，并且有正反向控制。表1 CH250功能真值表CLENJ3RJ3LJR6J6L功能11000雙三拍正傳10100雙三拍反傳10010單六拍反傳10001單六拍正傳01000雙三拍正傳00100雙三拍反傳00010單六拍正傳00001單六拍反傳x1xxxx不變x0xxxx不變0xxxxx不變1xxxxx不變CH250的基本電氣參數(shù)如下：工作電壓 UDD=10V，輸入電流IIN=1A，輸入阻抗20

16、M,輸出電流IOH=300A，IOL=300A。如下（圖10）為CH250構(gòu)成三相六拍的硬件接線圖原理，起步時R置1，使環(huán)形分配器進入單拍程序。EN接受由控制計算機拍發(fā)送的步進脈沖，C為轉(zhuǎn)向控制端。C為“1”時，輸出A0、B0、C0、為正轉(zhuǎn)順序；C為“0”時，輸出A0、B0、C0、為反轉(zhuǎn)順序，PE端為輸出允許端，PE=1為有效。圖10、電動機驅(qū)動原理圖5.2步進電動機功率放大從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電動機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增加到幾安培甚至幾十安培，從而驅(qū)動步進電動機。功率放大電路的結(jié)構(gòu)形式對步進電動機的工作性能有

17、十分重要的作用，本次實習(xí)采用雙電壓功率放大電路。電路結(jié)構(gòu)如圖11所示，圖中使用U1和U2兩個直流電源，U1為高電壓（80150V），U2為低電壓（520V），V1、V2為兩個大功率晶體管。其中V1是高壓開關(guān)管，V2是功率驅(qū)動管；VD1是U2的鉗位二極管，它在V1導(dǎo)通時截止。在V1截止時，由于VD1正向偏置而向步進電動機繞組提供低電源U2；VD2是續(xù)流二極管，在V1、V2都截止時向繞組提供放電回路。雙電壓功效放大電路需要兩個基極控制信號（u1和uh），要保證高壓開關(guān)信號uh與步進信號（低壓控制信號）u1的上升沿在時間上一致，u1的脈沖寬度uh的脈沖寬度。在實際應(yīng)用中，uh是由u1來產(chǎn)生的，即把u

18、1通過一個微分電路之后再整形得到uh；也可以把u1通過一個單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生uh，當(dāng)然單穩(wěn)態(tài)的延時時間必須小于u1的脈沖寬度。圖11、 雙電源功率放大電路結(jié)構(gòu)圖六、控制電路設(shè)計可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，是繼續(xù)計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學(xué)易用等特點，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）。但就其控制策略而言，占統(tǒng)治地位的仍舊是常規(guī)的PID

19、控制。PID結(jié)構(gòu)簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。PID的使用已經(jīng)有70多年了，有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過編寫程序來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。組態(tài)王是海內(nèi)一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司開發(fā)的，組態(tài)王具有流程畫面，過程數(shù)

20、據(jù)記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產(chǎn)報表等功能，已經(jīng)在多個領(lǐng)域被應(yīng)用。6.1位置控制原理現(xiàn)場碟門通過位置傳感器采樣后變換為模擬電壓信號，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號后送放大器，信號放大后送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送PLC，模擬量輸出控制，將PLC中PID控制器輸出通過ADC0808/0809 AO輸出0-5V電壓，該0-5V電壓作為輸入信號，該模塊將接收的0-5V電壓就可以通過PLC控制步進電動機從而實現(xiàn)碟門的位置控制。當(dāng)通過位置傳感器采集的碟門位置偏離所希望的給定值時，PID控制可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，從而輸出某個適當(dāng)?shù)目刂菩盘柦o步進電動機，促使測量值

21、恢復(fù)到給定值，達到自動控制的效果。6.2 CPU控制器該次課程設(shè)計我們選擇西門子PLC200（221、224、226都可），和一般的微機一樣，CPU是微機PLC的核心，主要由運算器、控制器、寄存器以及實現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量。CPU控制著PLC工作，通過讀取、解釋指令，指導(dǎo)PLC有條不紊的工作。S7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。6.3執(zhí)行機構(gòu)在次我們選用步進電動機來作為碟門位置控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。6.4調(diào)節(jié)器的選擇通過分析我們選用DTZ-2100D型調(diào)節(jié)器。它是全刻度指示調(diào)節(jié)器，是DDZ-III系列儀表中調(diào)節(jié)單元的基型