【正文】 廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 1 第一章緒論 第一節(jié) 選題背景 在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在 工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務與辦公設備中 ， 還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有 90%以上的動力源來自于電動機。我國生產(chǎn)的電能大約有 60%用于電動機?？梢?，電動機與人們的生活息息相關、密不可分。 我們知道，動力和運動是可以相互轉換的。從這個意義上講，電動機是最常用的運動源 。 對運動控制的最有效方式是對運動源的控制。因此，常常通過對電動機 的控制來實現(xiàn)運動控制。實際上，現(xiàn)在國外已將電動機控制改名為運動控制。 對電動機的控制一般可分為簡單控制和復雜控制兩種 ： 簡單控制是指對電動機進行啟動、制動和順序控制，這類控制可通過繼電器、可編程控制器(PLC)和開關元件來實現(xiàn) ； 復雜控制是指對電動機的轉速、轉角、轉矩、電壓和電流等物理量進行控制，而且有時往往需要非常精確。以前對電動機簡單控制的應用比較多，但是現(xiàn)在人們對電動機控制的水平要求越來越高，使電動機的復雜控制逐漸成為應用主流，其應用領域極為廣泛。例如 ： 軍事和宇骯方面的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航、衛(wèi)星姿 態(tài)的控制等 ； 工業(yè)生產(chǎn)中的各種加工中心、專用加工設備、數(shù)控機床、工業(yè)機器入、塑料機械、印刷機械、紡織機械、新型制衣機械、泵和壓縮機、工業(yè)軋機等設備的控制 ；辦公和商務設備中的磁帶機、繪圖儀、掃描儀、打印機、傳真機、復印機等設備的控制 ； 家用電器中的 DVD、 DC、 DV、音響、洗衣機、冰箱、空調、電動由行車、家用汽車等設備的控制。這些設備中絕大多數(shù)采用的是直流電動機 。 糖分離機是糖廠生產(chǎn)最后一道 工 藝的所需設 備 ，當含有 結晶 體的甲糖 膏流入分離機后經(jīng)高速分離，就生產(chǎn)出食用糖。因此糖分離機是生產(chǎn)成品糖的關鍵設備 。 目前 大 多數(shù) 國內 糖廠 使用的糖分離機都是六七十年代產(chǎn)品。國外如丹麥DDN系統(tǒng)，英國的 THOMAS BROADENTamp。SONS公司的制糖機技術含量高，能耗小，生產(chǎn)成本低，但直接購買國外設備，價錢則明顯偏高，且備件不易購買，所廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 2 以我們走國產(chǎn)化道路，在吸收國內外產(chǎn)品優(yōu)點同時， 自 行研發(fā)糖分離機。 下面將簡單介紹一種 糖分離機 — TF1350型糖分離機 。 第二節(jié) TF1350 型糖分離機簡介 一 、 TF 1350型糖分離機生產(chǎn) 工 藝 當 需要分糖時，控制系統(tǒng)給 主 機加電， 計算機 對分離機的 工 作條件 自 動循回檢 查 ，如果檢 查正 常 ， 系統(tǒng)進入 工 作 準備狀態(tài)，由控制臺啟動 主 機，電機以 50prm速度旋轉并清洗篩網(wǎng)。進行 下 料時、電機轉速升至 180prm。此時防滴門打開，加料門按設定的開度打開，糖膏流入分離機內， 并 在離心力的作用 下 均勻地附加在篩網(wǎng)壁仁。此刻測厚系統(tǒng)根據(jù)糖 層 的厚度發(fā)出測厚信號，關閉主門。在關 閉 加料 門 的同時，電機升速 ， 升速過程伴隨蜜洗、水洗過程 。 當 主 機升至 1000prm時，進行糖水分離 。 分離時間結束 主 電機快速制動降速 至 50prm， 進入卸料過程，卸料完 畢 ，開始 下 一次分糖準備。 TF1350型 糖分離機生產(chǎn) 工 藝曲線圖 11。 y ( p r m )05 01 8 01 0 0 0t ( s ) 圖 11 TF1350型糖分離機生產(chǎn)工藝曲線 TF 1350型分離機的 工 藝流程要求糖分離機要有良好的動態(tài) 響 應，即應 有足夠的動態(tài)穩(wěn)定性和快速性，要求起、制動和調速迅速平 穩(wěn)， 有較小的動態(tài)速度誤 差 ，可靠性高，這樣就可以提高砂糖一級品率和降低能源消耗 。 二 、 TF一 1350型 糖 分離機 控 制系統(tǒng) TF1350型 糖分離機系統(tǒng) 工作 原理如圖 12 廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 3 計算機控制單元自 動 控 制顯 示傳 感 器信 號控 制 接 口工 作 參 數(shù)設 定系 統(tǒng) 保 護報 警邏 輯 控 制接 口雙 閉 環(huán) 直 流調 速 系 統(tǒng)電 機輔 助 控 制電 磁 閥 組執(zhí) 行機 構分 離 機 圖 12 TF1350 型糖分離機控制系統(tǒng)框圖 整 個系統(tǒng)由計算機 管理控制。 分離機 工作 前， 首先 沒定 工作 參數(shù)，計算機根據(jù)所設定的參數(shù)進行實時控制 。工 作參數(shù)是根據(jù)制糖 工 藝和原科成分及煮糖 工藝提供 的糖膏 粘稠 等一系列參數(shù)綜合 設 定的 。 主 要參數(shù)如 下： 卸料速度 50prm 卸料時間 20s 上料速度 180prm 下 料限定時 間 2030s 可預置 分離速度 1000prm 分離時 時間 1060s 可預置 洗水 時間 1020s 分蜜 時間 2030s 這些參數(shù)實際也是控制 直 流 電機驅 動糖機 工 作的 主 要 參 數(shù) 三 、 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 分離機 主 軸 電 機為 220kW直 流電機，采 用雙閉 環(huán)直流調速系統(tǒng) 。當分離機 工作在三段 升速 度范圍 內時，系統(tǒng)處 于電 動狀態(tài) ，當電 動 機降 速時處 于 發(fā)電狀態(tài)，把機械能變 成電 能回饋 到 電網(wǎng) 中 去 。 系統(tǒng)采 用 速 度 和電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度快速調節(jié)。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖如圖 13。 廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 4 計 算 機控 制速 度指 令速 度調 節(jié) 器電 流調 節(jié) 器移 相 脈沖 觸 發(fā)可 控 硅裝 置電 機速 度反 饋電 流反 饋電 流 控制 器++UAUBUC 圖 13 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)框圖 第三節(jié) 選題的科學依據(jù)、意義 一 、 單片機對電動機控制所起的作用 以 前電動機大多使用由模擬電路組成的控制柜進行控制，現(xiàn)在單片機己經(jīng)開始取代模擬電路作為電機控制器。它有如 下 特點 ： 使電路更簡單 ： 在模擬電路中，為了實現(xiàn)控制邏輯需要采用許多電子元件，電路比較復雜 ， 采 用 單片機后，絕大多數(shù)控制邏輯可以通過軟件實現(xiàn)。 可以實現(xiàn)比較復雜的控制 ： 單片機有更強的邏輯運算功能 、 運算速度快 、 精度高， 一般都有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制，如模糊控制等 靈活性和適應性 ： 單片機的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不需要改變系統(tǒng)的硬件電路，只需要修改程序 即可。在系統(tǒng)調試和升級的時候，可以不斷嘗試選擇不同的參數(shù)，非常方便。 無零點漂移，控制精度高 ： 數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。 可多機聯(lián)網(wǎng)工作，提供人機界面 ： 新型單片機內多嵌有各種總線，可以方便地進行聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)工作 :還能夠和上位機進行通信，提供可視化人機界面，方便進行控制和調節(jié)。 二 、 單片機和工控機、 PLC 應用比較 除了采用單片機作為電動機的控制器外，可以作為電動機控制器的新型設各還有多種，例如工業(yè)控制計算機、可編程控制器 (PLC)和數(shù)字信號處理廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 5 器 (DSP)等 。 工業(yè)控制計算機功能最為強大，它有極高的速度、強大的數(shù)學邏輯運算能力、豐富的接口功能和方便的軟件環(huán)境。但由于成本高、體積大。所以一般只用于大型控制系統(tǒng)。 PLC 則正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、計數(shù)和簡單的運算。但由于 人機界面和網(wǎng)絡功能不強， 構成不靈活，成本高 ，所以一般只用于電動機的簡單控制。 單片機介于工業(yè)控制計算機和 PLC 之間，它有較強的控制功能和低廉的成本。人們在選擇電動機控制器時，常常是在滿足設計需求的前提下，優(yōu)先選擇低成本的控制器。因此，單片機往往成為優(yōu) 先選擇的目標。從最近的統(tǒng)計數(shù)字可以看出，世界上每年有 25 億片各種單片機投入使用，單片機是目前世界上使用量最大的微處理器。 在工業(yè)控制領域大量使用的是低端的 8 位單片機。從上世紀 70 年代開始，在我國應用的 8 位單片機經(jīng)歷了 Z80 時代和 MCS51 時代?，F(xiàn)在最初的MCS51單片機己經(jīng)逐步退出了應用，但由于其生產(chǎn)廠商 Intel 公司采取了技術開放政策，其它廠商可以生產(chǎn)指令系統(tǒng)兼容的芯片。這樣， MCS51 系列單片機得以不斷被升級改造，先后經(jīng)歷了以 Philips 公司為代表的 MCU 時代、以 Atmel 公司為代表的 FLASH 時代和以 Silicon Laboratories 公司為代表的 SOC 時代。片上系統(tǒng) (System On Chip, SOC)是追求系統(tǒng)最大包容的集成器件，具有極高的綜合性。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計一樣，繪制和制造龐大復雜的電路板，只需要綜合時序設計，直接在 SOC 中調用內嵌的各種通用器件。然后通過系統(tǒng)仿真之后就可以直接交付廠家印制電路板。由于絕大部分的系統(tǒng)構件都在系統(tǒng)內部，整個系統(tǒng)特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積與功耗，而且極大提高了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。 廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 6 第二章 可控整流電路原理及單片機的選擇 自從大功率整流二極管以及半控型和全控型晶閘管等電力電子器件問世后，由于這些器件具有體積小、重量輕、效率高和控制靈敏等優(yōu)點，今天工業(yè)上應用的絕大多數(shù)直流電源和交流變頻電源都是采用整流二極管和各種晶閘管組成的不可控或可控整流電路和逆變電路。 近幾十年來電力半導體制造與應用技術發(fā)展迅速。目前己經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和使用各種類型的電力電子器件，單個普通晶閘管的容量已達 120xxV 和1000A 以上。由晶閘管構成的整流電路可以在交流電壓不變的情況下，方便地調整輸出直流電壓的 大小，所以可控整流技術是實現(xiàn)從交流電源到直流可調電源 的理想方法 。 第一節(jié) 晶閘管的工作原理和特性 一、 晶閘管的工作原理 晶閘管的最大特點是具有截止和導通這兩種穩(wěn)定狀態(tài)。它的 工 作原理可以用兩個條件加以說明 ：導 通條件和關斷條件。導通條件 ： 是晶閘管從截止到導通所需的條件，即在晶閘管的陽極施加正向電壓，同時在門極施加正向電壓。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。關斷條件 ： 是晶閘管從導通到截止所需的條件，即在晶閘管的陽極施加反向電壓，或者去掉或降低施加在陽極的正向電壓，使通過晶閘管的電流小于保持晶閘管導通所需的最小電流。 在晶閘管的陽極施加交流電壓，只是電壓在正半 波時，晶閘管才有可能導通 ； 而電壓在負半波時，晶閘管就會關斷。而且電源電壓在過零時，就會因為正向電壓太小而使晶閘管關斷 。 二、 晶閘管的特性 晶閘管相當于一個由門極電壓控制的無觸點單向開關。實際應用中的晶閘管是在一定條件下按需要不斷地進行導通和關斷，其導通和關斷兩個狀態(tài)是由其上的陽極電壓、陽極電流、門極電壓和門極電流共同決定的。如不在門極施加正向電壓，只讓晶閘管承受正向陽極電壓 UA,則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只流過很小的正向漏電流。當 UA從零開始逐漸上升時，陽極電流了，廣西大學畢業(yè)設計 單片機在糖廠直流調速系統(tǒng)中的應用 7 也從零逐漸上升，但其數(shù)值很小， 上 升也很 緩慢 。 只是當 UA超過臨界極限即正向轉折電壓 UBO 時，則漏電流急劇上升，晶閘管由關斷變成導通。隨著門極電流 IG的增大，正向轉折電壓 UBO不斷降低 。 晶閘管導通后的伏安特性與二極管的 正 向特性相似，即通過較大的陽極電流，晶閘管本身的壓降卻很小。導通期間，如果門極電流降為零并且陽極電流降到維持電流 IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài) 。 當晶閘管加反向陽極電壓時，其伏安特