【正文】 。鴉片戰(zhàn)爭以后，我國一些先進知識分子開始意識到西方科學技術的強大，漸漸摘掉了夜郎自大的眼睛，放眼看世界，開始在西方列強的壓迫下摸索前進。我國的科學技術突飛猛進，不斷地克服技術上的難題。 配料系統(tǒng)的發(fā)展趨勢近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，對原有配料系統(tǒng)進行技術方面改進已經成為必然的趨勢，提出了通過數據采集、自動控制、遠程監(jiān)視、報警、運行管理、變頻調速等多方面的技術改進方法。第一，大規(guī)模集成芯片的產生和廣泛應用使得穩(wěn)定安全的控制系統(tǒng)得到了基本的保證，但是在一些嚴酷的環(huán)境下，系統(tǒng)故障還是時常發(fā)生，導致我們生產出來的產品會因為外界擾動配料失調而不合格，所以系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的抗干擾能力有待提高。對于這一點，我們除了在硬件方面采取一些措施，選擇性能較高的元器件：也可以在軟件編程上面下功夫。通過以上的分析，可以看到配料自動控制系統(tǒng)還要經過一些完善，具有很深刻的研究意義。調節(jié)電樞電壓常用的可控直流源有三種[1]： 旋轉變流機組； 靜止式可控整流器； 直流斬波器或脈寬調制器。早已經被淘汰。 配料自動控制系統(tǒng)可控直流源的方案比較方案一：靜止式可控整流器1957年，晶閘管問世，很快便生產出整套的晶閘管整流裝置，使變流技術發(fā)生了革命性的變化。和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術性能上也現實出較大的優(yōu)越性[2]。三相全控橋整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節(jié)范圍廣（將近50）。但是VM系統(tǒng)在應用時還有很多的缺點： 由于晶閘管的單向導電性，要實現四象限運行，必須采用正、反兩組全控橋整流電路； 晶閘管對過電壓和過電流十分敏感，因此必須有可靠地保護電路和符合要求的散熱條件； 當系統(tǒng)處于深調速狀態(tài)，晶閘管的導通角度很小，系統(tǒng)功率因數低，會產生很大的諧波電流，引起電網電壓的畸變。方案二：直流斬波器通過PWM方式控制直流電機調速的方法。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。PWM控制的基本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。PWM控制技術以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。 配料自動控制系統(tǒng)可控直流源的方案確定PWM系統(tǒng)相對于VM系統(tǒng)有以下優(yōu)點[4]： 主電路簡單，需要用的電力電子器件少； 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱功率都很??； 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調速范圍寬； 若與快速響應的電機配合，系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強； 電力電子器件導通損耗小，裝置效率高； 直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。論文中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過控制直流電機電路中的IGBT來控制電機的轉速。 直流調速系統(tǒng)PWM電路方案設計本設計需要設計一個直流調速系統(tǒng)，根據皮帶傳輸系統(tǒng)所測得的物料重量來調節(jié)上一級傳輸皮帶的物料傳輸速率，即控制直流電機的轉速，從而達到控制皮帶傳輸系統(tǒng)上物料重量的目的。不可逆PWM變換器電樞平均端電壓為： （21）ρ= / 定義PWM電壓的占空比，改變ρ（）即可調節(jié)電動機的轉速，控制電機工作于電動、制動和停止運行。 硬件調試法：硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，當調制信號波為正弦波時，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，這種模擬電路結構復雜，難以實現精確的控制. 軟件生成法：由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法.本設計利用軟件編程設置一些關鍵控制字，實現脈寬調制信號的輸出，達到控制的目的。因此，脈寬調制器和PWM變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關周期T。單閉環(huán)調速系統(tǒng)引入轉速負反饋，結構簡單，參數計算簡單，比較容易實現。隨著調速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應用，傳統(tǒng)的采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)雖能實現轉速的無靜差調節(jié)，但不能滿足較快的動態(tài)響應的一般生產機械的調速要求。要實現上述要求，其唯一的途徑就是采用電流和轉速負反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調速系統(tǒng)來實現。雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)中采用了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實現串級連接。圖21 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理圖圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。兩個調節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uin，對就電機的最大電流；電流調節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值。兩個調節(jié)器的作用[8]：（1）使轉速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。（2）起動時保證獲得允許的最大電流。 （4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的整體方案設計本系統(tǒng)以AT89C52系列單片機為主要控制芯片，首先通過荷重傳感器將重量信號轉化為電壓信號，該電壓信號經過濾波、信號放大，將采集到的微弱電信號轉化為一定模擬量再送給A/D轉換器轉換為數字信號，然后送給單片機。電機控制系統(tǒng)采用轉速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)調速，可以達到迅速控制電機轉速變化，快速穩(wěn)定轉速等目的。其內環(huán)是電流反饋及控制環(huán)，外環(huán)是電動機轉速反饋及控制環(huán)，內環(huán)和外環(huán)的調節(jié)都是由AT89C52微機軟件完成數字PI控制規(guī)律的運算。電流檢測是通過電流互感器檢測出模擬信號，經過濾波和降壓環(huán)節(jié)處理后，送入ADC0809轉換器進行轉換，輸出的數字信號送入主芯片，通過PI算法，進而達到電流調節(jié)的目的。同時，8279芯片外接一個 44鍵盤，通過鍵盤可設置數字來控制系統(tǒng)的啟動停止，最終達到一個智能控制的目的。圖22 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)框圖 配料系統(tǒng)直流調速系統(tǒng)設計 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)性能及技術要求配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是一個控制皮帶上電機轉速自動加減速和停車的自動配料傳輸系統(tǒng)。因此，配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)必須具有良好的加減速性能，跟隨性能如上升時間Tr，調節(jié)時間Ts和超調量都要滿足一定的要求；另一方面，由于配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)工作的環(huán)境一般情況下比較惡劣，所以在抗擾動上也具有很高的要求：所涉及的系統(tǒng)必須具有抗負載擾動和抗電網電壓擾動等動態(tài)抗擾性能。勵磁電壓：220V。最高轉速為3000 r/min，重量76kg。轉速超調量10%； 低速平穩(wěn)性好，穩(wěn)定精度好，調速范圍廣； UPE系統(tǒng)開關頻率高，電機損耗，發(fā)熱量要求小； 系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，抗干擾能力強； 有鍵盤、顯示器組成的人機界面，顯示器用來顯示測量秤上物料的重量和當前皮帶的轉速；鍵盤用來設定測量秤所允許的重量裕度。 電動勢系數由電機轉速計算公式，有 （24）代入參數U=220V，=，=計算得= 電動機額定勵磁下的轉矩電流比根據公式 （25）代入=可得= 電動機軸上的飛輪轉矩計算由 （26）其中，代入J=可得 機電時間常數由公式 （27）將以上計算結果代入參數計算得= 電磁時間常數 （28）其中計算得 雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作時靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系： （29） （210） （211） 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于和，或者說，同時取決于和。 得晶閘管裝置放大系數 電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計一、電流調節(jié)器ACR的參數設計設計要求穩(wěn)態(tài)電流無靜差，動態(tài)指標：電流超調量5%，系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，于是電流環(huán)應以跟隨性能為主[11]。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，要校正成I型系統(tǒng)，顯然要用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數為 Ki — 電流調節(jié)器的比例系數； — 電流調節(jié)器的超前時間常數。 電流調節(jié)器的參數包括和，是超前時間常數，為了讓調節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數極點，取=。（2）忽略反電動勢對電流環(huán)的影響條件：現在，=，滿足近似條件。二、轉速調節(jié)器ASR的參數設計電流環(huán)經過簡化之后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)， 整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖23中的a圖。為了實現轉速無靜差，ASR中必須包含一個積分環(huán)節(jié)，而在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，所以這個轉速環(huán)中有兩個積分環(huán)節(jié)，轉速環(huán)應該設計成典型的II型系統(tǒng)。轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖簡化過程如圖23。（2）小時間常數近似處理條件：，現在=，滿足近似條件。第3章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)硬件電路設計本章作為整個設計最主要的一章，分析了整個系統(tǒng)的硬件選擇和硬件電路設計方案，并確定了各個模塊電路圖的連接方法。然后將放大后的電壓經過模數轉換后送到單片機中進行數據分析處理，通過編程達到自動控制的目的。要達到設計的性能要求，傳感器的精度起著決定性作用。電阻應變式傳感器是將非電量的變化轉換成與之有一定關系的電阻值變化，其結構簡單，精度高，測量范圍廣,壽命長,結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。電容器傳感器的優(yōu)點是結構簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應特性良好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出；線性度和重復性都比較好。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。 本設計的測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的是電阻應變傳感器半橋式測量電路。它的兩只應變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化導致彈性梁應變而產生的變化，電阻的變化使橋式測量電路的輸出電壓發(fā)生變化，即輸出電壓的變化反映出重力的變化，電路圖如圖31所示。當忽略電源的內阻時，由分壓原理有： （31） 當滿足條件時，即 （32）=0，即電橋平衡。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán)節(jié)和濾波電路。所以應該在電路中設置一對大的電解電容濾除低頻噪聲和一對普通小電容消除高頻干擾。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。因此，一般對放大器有如下一些要求：輸入阻抗應遠大于信號源內阻。抗共模電壓干擾能力強。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。如放大器增益的外接電阻調整、方便準確的量程切換、極性自動變換等?？赏ㄟ^改變RG的大小來改變放大器的增益。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10,000。C)特性。 kΩ ,因而增益方程式為 　 G = kΩ/Rg + 1 　 （33）對于所需的增益, 則外部控制電阻值為　Rg =（G 1）kΩ AD620構成的放大器及濾波電路如圖32所示。防止造成芯片損壞。經過資料搜尋，我決定采用8位A/D轉換器ADC0809來完成本次設計的A/D轉換部分，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。對于單片機與ADC0809的接口電路，我使用或非門電路與單片機相連接作為控制信號。另一方面，由于ADC0809無內部時鐘，可利用單片機ALE管腳輸出時鐘信號經D觸發(fā)器二分頻之后送給ADC0809的CLK管腳。中斷請求信號由ADC0809的EOC端接單片機INT0口輸入。圖33 A/D轉換電路 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)AT89C52為8位通用為處理器，是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失