【正文】 endix 2 system hardware schematic 62IV第1章 緒 論 引言配料系統(tǒng)是按照一定比例來(lái)控制物料傳輸?shù)牧?，使皮帶傳輸?shù)奈锪习凑找欢ū壤齾㈦s在一起，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上有很大的用處。配料系統(tǒng)自動(dòng)控制裝置不僅是提供重量數(shù)據(jù)的儀表，而且作為工業(yè)控制系統(tǒng)和商業(yè)管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，更加推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和管理的現(xiàn)代化。在化工行業(yè)，配料系統(tǒng)用于多種原材料的定量配比，它可以起到減員增效，節(jié)約成本，減少誤差，從而創(chuàng)造更大的利潤(rùn)。配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣直接關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。另一方面，我國(guó)目前的主要矛盾是落后的生產(chǎn)力滿足不了人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需要。配料系統(tǒng)起源于 19 世紀(jì)末，工業(yè)革命以來(lái)，各項(xiàng)新技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，隨著皮帶傳輸系統(tǒng)的出現(xiàn)，配料系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而來(lái)。此時(shí)的配料系統(tǒng)累計(jì)量運(yùn)算采用累加法代替了積分法。其中配料控制系統(tǒng)作為一個(gè)在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域方面都有其重要作用關(guān)鍵環(huán)節(jié)更是取得了很大成就。第2章 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 配料自動(dòng)控制系統(tǒng)可控直流源的選擇直流調(diào)速的主要方法是變壓調(diào)速：即通過(guò)改變直流電機(jī)的電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。由于本設(shè)計(jì)所要控制的電機(jī)要求響應(yīng)速度快，基于以上優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)就是利用脈寬調(diào)制器這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 PWM變換器的數(shù)學(xué)模型根據(jù)PWM變換器工作原理和波形分析，可以看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器的輸出電壓Ud按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲[6]。在電流控制回路中設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)針對(duì)該輸入數(shù)字信號(hào)的一些算法，由I/O口發(fā)送觸發(fā)脈沖控制信號(hào)來(lái)控制電力電子變換器的導(dǎo)通角度或者占空比，來(lái)控制電機(jī)的電樞電壓大小，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速變化的目的[9]。系統(tǒng)的框圖如圖22。綜合考慮，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的要求有以下幾點(diǎn)[10]： 調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 電流超調(diào)量5%，相角穩(wěn)定裕度45176。（1）確定時(shí)間常數(shù)，查表得單相全波電路的平均失控時(shí)間=（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)，（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理（4）電磁時(shí)間常數(shù) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，而且，于是典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的。眾所周知，典型的II型系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能，但其階躍響應(yīng)超調(diào)量會(huì)很大，但按照線性系統(tǒng)理論分析計(jì)算的數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低，所以ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。本次設(shè)計(jì)是將重量信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體重量的自動(dòng)檢測(cè)，并顯示在LED屏幕上。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，其中伴隨著一些高頻干擾，低頻噪聲等。在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。此外，AD620功耗較低( mA)、較高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最50V)和低失調(diào)漂移(176。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。單片機(jī)與ADC0809的接口電路圖如圖33?？刂破溥x通工作。但由于電容容量很大，突然接通電源時(shí)候相當(dāng)于短路，將會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞電路中的元器件，所以在整流器和濾波電容之間要串聯(lián)一個(gè)大電阻，合上電源后再用延時(shí)開關(guān)將該電阻短路，以免運(yùn)行中造成不必要的損耗。設(shè)計(jì)緩沖電路時(shí)要綜合考慮這兩方面因素。PWM變換器電路如圖36。輸出信號(hào)連接ADC0809的IN1端口[15]。在本設(shè)計(jì)中，皮帶傳輸系統(tǒng)上物料較多時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，皮帶傳輸系統(tǒng)上物料較少時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。圖38 M/T法測(cè)速原理 設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個(gè)脈沖，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： （37）在本設(shè)計(jì)中，選用=2MHZ，Z=1024*2，所以轉(zhuǎn)速計(jì)算公式有： （38） 數(shù)字測(cè)速硬件電路數(shù)字測(cè)速硬件電路如圖39所示。通過(guò)單片機(jī)編程初始化進(jìn)入這種方式后，可用GATE電平對(duì)計(jì)數(shù)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。如采用模擬PWM調(diào)制器，則需要通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，才能與這種調(diào)制器相接，不但不方便，而且一般還需要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。高位的RCO\信號(hào)為電路總RCO\信號(hào)接到計(jì)數(shù)器的置數(shù)端LOAD\，RCO\信號(hào)反相后即為觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器4013，Q端即PWM信號(hào)正輸出Q+，Q即為PWM互補(bǔ)輸出Q，然后4013的Q和Q\分別接兩個(gè)高速光耦TLP5211輸出。本系統(tǒng)中IR2110采用+15V電壓供電，接地信號(hào)為功率地信號(hào)。圖311 PWM驅(qū)動(dòng)電路圖 配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的鍵盤與顯示電路本設(shè)計(jì)系統(tǒng)除了前面所述的幾個(gè)結(jié)構(gòu)外，還需要用到人機(jī)聯(lián)系部件去實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，鍵盤用來(lái)控制整個(gè)皮帶傳輸系統(tǒng)的開始和停止?？刂破溥x通工作。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。矩陣鍵盤示意圖如圖313。鍵盤顯示電路接線圖如圖314。此次設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、二極管整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，具體流程圖如圖315所示。圖316 電源電路原理圖對(duì)于IR2110使用的+15V電源以及各個(gè)功率地電源電路，設(shè)計(jì)原理圖如圖317所示。啟動(dòng)功能鍵按下時(shí)，系統(tǒng)開始啟動(dòng)采樣定時(shí)并進(jìn)入實(shí)時(shí)控制階段，每次中斷返回時(shí)若有復(fù)位鍵和新的參數(shù)設(shè)置鍵按下則返回鍵處理程序。但如果Kp取值過(guò)小,會(huì)降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。matlab/simulink仿真平臺(tái)是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過(guò)程。圖51 仿真模型整體框圖三相電源設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50 Hz,相位分別為0176。雙閉環(huán)系統(tǒng)輸出電流、轉(zhuǎn)速均接顯示器[23]。曾經(jīng)也試過(guò)用單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測(cè)控和計(jì)算，使得軟件的運(yùn)行更為合理可靠。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí)主編 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第3版） 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 2 王兆安，黃俊主編 電力電子技術(shù)（第4版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20003 孟慶春 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社 4 李發(fā)海，：清華大學(xué)出版社，20015 張世銘，：華中理工大學(xué)出版社，19936 廖曉鐘 ：北京理工大學(xué)出版社，20007 姚世文，：國(guó)防工業(yè)出版社，19808 尹璐，速度與電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，20069 Leonhard,:科學(xué)出版社,1988.10 王離九，黃錦恩。對(duì)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其控制有一定的認(rèn)識(shí)。而通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過(guò)程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。為了更好的看到電機(jī)運(yùn)行情況，再接一個(gè)顯示器用來(lái)顯示電機(jī)中電流波形。然后通過(guò)電流反饋和速度反饋構(gòu)成雙閉環(huán)電路[22]。原因在于系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，往往與理論設(shè)計(jì)時(shí)所用的值有一定的誤差，而且系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)非線性因素影響會(huì)使系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)參數(shù)后并不能立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需要通過(guò)調(diào)試過(guò)程才能獲得理想性能。Kp 為比例系數(shù)Ti 為積分時(shí)間常數(shù)。在主程序中，主要完成對(duì)各個(gè)可編程芯片進(jìn)行初始化和鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理。電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而且使用起來(lái)也比較方便。穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓ΔU等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。在連接32鍵以內(nèi)的簡(jiǎn)單鍵盤時(shí)，CNTL、SHIFT輸入端可接地。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。8155H可以直接和單片機(jī)進(jìn)行連接，不需要任何外加邏輯[17]。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C8和Q4形成回路，對(duì)C8進(jìn)行充電，迅速為C8補(bǔ)充能量。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。計(jì)數(shù)器為8位可預(yù)置加/減計(jì)數(shù)器，在輸出為高電平時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，計(jì)d個(gè)脈沖后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為0，輸出借位信號(hào)RCO\，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并同時(shí)使計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)值為d，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)后（即輸出為低電平），計(jì)數(shù)器在觸發(fā)器控制下，做加計(jì)數(shù)，在（256d）個(gè)后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為255，輸出RCO\進(jìn)位信號(hào)，RCO\信號(hào)促使觸發(fā)器電平再次轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，并使?jì)數(shù)再次置為d，從而進(jìn)行下一輪的計(jì)數(shù)。圖39 速度信號(hào)檢測(cè)電路接線圖 PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PWM信號(hào)產(chǎn)生電路在晶體管功率放大和電源電路中，脈沖寬度調(diào)制器（IGBT）以其功耗低、效率高得到了廣泛的應(yīng)用。，啟動(dòng)8253。這樣，就代表了個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法有三種：M法、T法和M/T法測(cè)速。直流母線電流從LA25ANP的I+管腳流進(jìn)，二次邊電流由M管腳輸出。經(jīng)上式計(jì)算后，選擇＝10 A, ==1200V的IGBT。所以電路中需要加緩沖電路，緩沖電路可以減小器件的開關(guān)損耗。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖34。74LS07芯片是8279作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管顯示器的段選碼輸出端口的同相驅(qū)動(dòng)芯片。重量采集信號(hào)經(jīng)過(guò)AD620放大以后接ADC0809的IN0口。 A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)放大電路的信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的必須把它變成數(shù)字量才能送入單片機(jī)控制系統(tǒng)受理，因此本系統(tǒng)需要用A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過(guò)AD620放大得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。且具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。 若差動(dòng)工作，即,，,按式（31），則電橋輸出為 經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)比較微弱而且還有很多干擾信號(hào)，難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。皮帶配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要具有很快的測(cè)量速度，而且輸出還要具有良好的線性性能，所以電容式傳感器和電感式傳感器都不能很好的適用于本次設(shè)計(jì)，固設(shè)計(jì)所需傳感器選用電阻應(yīng)變式傳感器。電容式傳感器是把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。 傳感器選擇我們通常把自然界的非電信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并加以放大。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替原來(lái)的電流環(huán)節(jié)后，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中=+ （212） 轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化為圖23中的b圖。設(shè)計(jì)時(shí)可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，通過(guò)8279芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、重量的LED數(shù)碼管顯示。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，則有 為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來(lái)。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，最好的辦法是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 PWM變換器控制方案選擇采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[5]。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。通過(guò)調(diào)節(jié)閥裝置的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。第三，現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化雖然給我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利，但與此同時(shí)對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了不良影響，我們需要在生產(chǎn)過(guò)程中采用一些手段使得我們的生產(chǎn)更環(huán)保、更節(jié)能，認(rèn)真貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。新中國(guó)成立后，政府高度重視科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。第三、第四階段是20世紀(jì)七十年代末的微機(jī)智能化的配料系統(tǒng)。其中，連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器是無(wú)需對(duì)質(zhì)量細(xì)分就可對(duì)皮帶上散裝物料進(jìn)行連續(xù)稱量的自動(dòng)衡器。而且，中國(guó)地大物博、資源豐富，各項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)正在以不可阻擋的勢(shì)頭向前發(fā)展。在很多生產(chǎn)工藝過(guò)程中，人們除了要求衡器能準(zhǔn)確地進(jìn)行稱量，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要外，還要求稱重過(guò)程能大幅度提高生產(chǎn)效率。配料系統(tǒng)的使用可以提高各個(gè)部門的自動(dòng)化水平和各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量