混合器控制原理說明書

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 題 目：混合器控制原理 設(shè)計(jì)班級(jí)：機(jī)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(jì)要求3三、設(shè)計(jì)方案4四、采集模塊的設(shè)計(jì)4五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)10六、控制電路設(shè)計(jì)12參考文獻(xiàn)一、課題背景混合器在12V內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jì)的就是通過一個(gè)系統(tǒng)實(shí)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(jì)要求通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制碟門運(yùn)動(dòng)。標(biāo)定碟門最大最小位置反饋的

2、電壓信號(hào)，通過輸入中間百分比值來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。三、設(shè)計(jì)方案通過對設(shè)計(jì)要求的分析可知，此系統(tǒng)主要通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(hào)的采集、處理、分析，信號(hào)反饋，電動(dòng)機(jī)控制，運(yùn)算處理。方案設(shè)計(jì)如下圖：采集處理模塊顯示屏控制輸入運(yùn)算處理電路（PLC控制）控制輸出（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）碟門 反饋信號(hào)圖1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)采集后需要對信號(hào)進(jìn)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(hào)處理傳感器信號(hào)源 電信號(hào) 模擬信號(hào) PLC采樣-保持信號(hào)處理傳感器信號(hào)源 圖2、信號(hào)采集處理過程步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原

3、理如下圖： 驅(qū)動(dòng)電源負(fù)載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器功率驅(qū)動(dòng)器指令脈沖 輸出圖3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理四、采集模塊的設(shè)計(jì) 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(jìn)氣量大小的情況，通過反饋信號(hào)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(dá)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(gè)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(diǎn)，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(hào)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(hào)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(gè)運(yùn)放組成的測量放大器，差動(dòng)輸入端U1和U2分別

5、是兩個(gè)運(yùn)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(hào)直接加到輸入端上，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)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(yùn)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(yuǎn)距離傳輸過來的信號(hào)，因而很適合與微小信號(hào)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(gè)運(yùn)

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(hào)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在對模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸出信號(hào)頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)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(shí)將信號(hào)電平保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即：使輸入信號(hào)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(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器

7、”。在模擬量輸出通道，衛(wèi)視輸出得到一個(gè)平滑的模擬信號(hào)，或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行分時(shí)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(chǔ)器電容C、模擬開關(guān)S等組成。如圖5所示，當(dāng)S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱采樣階段。當(dāng)S斷開時(shí)，電容C兩端一直保持S斷開時(shí)的電壓（稱保持階段）。由此構(gòu)成一個(gè)簡單的采樣/保持器。實(shí)際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級(jí)和輸出級(jí)均采用緩沖器，以減少信號(hào)源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。在電容選擇時(shí)，使其大小適宜，以保證其時(shí)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(diǎn)是：1）采樣速度快、精度高，一般在22.5us，即達(dá)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?yàn)榧刹蓸?保持器有許多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了極為廣泛的應(yīng)用。本次實(shí)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(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)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(shí)，A3輸出一個(gè)低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)S閉合，此時(shí)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(shí)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(shí)，A3輸出一個(gè)正電平信號(hào)使開關(guān)S斷開，以達(dá)到非采樣時(shí)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(jìn)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(diǎn)。當(dāng)作為單一放大器時(shí)，其直流增益精度為0.002%，采樣時(shí)間小于6us時(shí)精度可達(dá)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(shí)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(shí)，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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)。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(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)

11、高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個(gè)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(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。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(jìn)行零位和滿量程調(diào)整，多路開關(guān)地址輸入部分能夠進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)通道被選中。第二部分為一個(gè)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。控制邏輯用來控制逐次逼近寄存器從高位到低位逐次取“1”，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(gè)模擬電壓UC，UC與輸出模擬量UX在比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)UXUC時(shí)，該位Di=0；當(dāng)UXUC時(shí)，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(shí)發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。2）ADC0808/0809的時(shí)序圖如下圖：圖9、ADC0808/0809的時(shí)序圖如上圖9可

13、以看出，啟動(dòng)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(hào)下降沿的作用下，逐次逼近過程開始，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近。此時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC呈低電平狀態(tài)。五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 由于步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，只是需要控制碟門的開關(guān)，克服部分進(jìn)氣壓強(qiáng)，所以其工作負(fù)載不大，同時(shí)考慮到方便PLC控制，所以選擇型號(hào): 110BF004的磁阻式步進(jìn)電機(jī)。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(dòng)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成（如圖10）驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源送來的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按照要求的配電方式自動(dòng)循環(huán)的供給各相繞組，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)。但是從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流只需要幾毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。功率放大器的結(jié)構(gòu)原理圖（如圖11）所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)R置1，使環(huán)形分配器進(jìn)入單拍程序。EN接受由控制計(jì)算機(jī)拍發(fā)送的步進(jìn)脈沖，C為轉(zhuǎn)向控制端。C為“1”時(shí)，輸出A0、B0、C0、為正轉(zhuǎn)順序；C為“0”時(shí)，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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖5.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率放大從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾安培甚至幾十安培，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。功率放大電路的結(jié)構(gòu)形式對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作性能有

17、十分重要的作用，本次實(shí)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(gè)直流電源，U1為高電壓（80150V），U2為低電壓（520V），V1、V2為兩個(gè)大功率晶體管。其中V1是高壓開關(guān)管，V2是功率驅(qū)動(dòng)管；VD1是U2的鉗位二極管，它在V1導(dǎo)通時(shí)截止。在V1截止時(shí)，由于VD1正向偏置而向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組提供低電源U2；VD2是續(xù)流二極管，在V1、V2都截止時(shí)向繞組提供放電回路。雙電壓功效放大電路需要兩個(gè)基極控制信號(hào)（u1和uh），要保證高壓開關(guān)信號(hào)uh與步進(jìn)信號(hào)（低壓控制信號(hào)）u1的上升沿在時(shí)間上一致，u1的脈沖寬度uh的脈沖寬度。在實(shí)際應(yīng)用中，uh是由u1來產(chǎn)生的，即把u

18、1通過一個(gè)微分電路之后再整形得到uh；也可以把u1通過一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生uh，當(dāng)然單穩(wěn)態(tài)的延時(shí)時(shí)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(jì)可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼續(xù)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡樸，易學(xué)易用等特點(diǎn)，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(gè)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(jì)算機(jī)這個(gè)先進(jìn)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(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)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(dòng)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(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯(cuò)誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題。對于過去需要幾個(gè)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(bào)警窗口，生產(chǎn)報(bào)表等功能，已經(jīng)在多個(gè)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(hào)，經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號(hào)后送放大器，信號(hào)放大后送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)，該模塊將接收的0-5V電壓就可以通過PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從而實(shí)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(shí)，PID控制可根據(jù)測量信號(hào)與給定值的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，促使測量值

21、恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。6.2 CPU控制器該次課程設(shè)計(jì)我們選擇西門子PLC200（221、224、226都可），和一般的微機(jī)一樣，CPU是微機(jī)PLC的核心，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器以及實(shí)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(gè)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(gè)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(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。6.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)在次我們選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來作為碟門位置控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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