基于單片機控制自動配料系統(tǒng)設(shè)計

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1、摘 要 皮帶配料系統(tǒng)是一種連續(xù)累計自動控制系統(tǒng)，廣泛用在煤炭、化工、冶金、建材、食品等關(guān)系國計民生的各個行業(yè)，配料系統(tǒng)可對物料的配比實現(xiàn)累計量控制，而準確的累計量控制可提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高勞動效率。 首先介紹了配料系統(tǒng)控制器的國內(nèi)外發(fā)展狀況，接著對配料系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理作了介紹。然后根據(jù)配料系統(tǒng)流量控制的設(shè)計要求，設(shè)計了以AT89C52單片機為主控芯片的配料系統(tǒng)控制器。論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應用驅(qū)動、吸收、保護控制等關(guān)鍵技術(shù)。在單片機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調(diào)制器、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現(xiàn)

2、方案。 系統(tǒng)中使用了光電碼盤對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測量，用電流互感器對直流電機的電流進行檢測，經(jīng)過濾波電路后，將測量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度和電流的控制。通過實時測試與調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和電流，此調(diào)速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)速效果。 關(guān)鍵詞 直流不可逆調(diào)速 PWM信號 數(shù)字控制器  ABSTRACT Belt batching system is a continuous totalizing automatic weighing instrument. It has played a critical role in

3、 coal, chemical industry, metallurgy, building materials, food and other sectors that are crucial to national economy and peoples livelihood. The cumulative control of some mixed materials batching is realized by batching scale. This accurate cumulative control can cut down the cost of manufacture,

4、improve the quality of the product and enhance the efficiency of labor. The paper first has an introduction to the status of development for batching scale controller at home and abroad, and then components and operating principle of the batching scale. According to the design requirements for flow

5、 control of a batching scale, this paper designs a batching scale controller with AT89C52 single chip microcomputer as the master control chip. This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus, which include drive c

6、ircuit, snubbed circuit, protection and controlling the quantity of heat, and so on. In the aspect of microcomputer control, it has discussed the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware or software scheme to ach

7、ieve it. Photoelectric encoder is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation. By real t

8、ime testing dandy adjusting the motor’s velocity/current, this timing system can get quick and exact timing result. Keywords reversible DC timing system Pulse-Width Modulation number controller. 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 IV CONTENTS VII 第1章 緒 論 1 1.1 引言 1 1.2 研究皮帶配料系統(tǒng)的意義 1 1.3

9、 配料系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.4 配料系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 4 第2章 配料自動控制系統(tǒng)設(shè)計 6 2.1 配料自動控制系統(tǒng)可控直流源的選擇 6 2.1.1 配料自動控制系統(tǒng)可控直流源的方案比較 6 2.1.2 配料自動控制系統(tǒng)可控直流源的方案確定 8 2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)PWM電路方案設(shè)計 8 2.2.1 PWM變換器控制方案選擇 9 2.2.2 PWM變換器的數(shù)學模型 10 2.3 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)方案 10 2.4 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計 12 2.5 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 13 2.5.1 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)性能及技術(shù)要求 13 2

10、.5.2 直流電機相關(guān)參數(shù)的計算 14 2.5.3 雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作時靜特性 16 2.5.4 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 17 第3章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 22 3.1重量信號采集電路 22 3.1.1 傳感器選擇 22 3.1.2重量信號的采集電路 23 3.2重量信號濾波放大電路 24 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 26 3.4 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的單片機系統(tǒng) 27 3.5 皮帶配料系統(tǒng)電機回路保護電路設(shè)計 29 3.5.1啟動保護電路 29 3.5.2 IGBT的選擇及其吸收回路設(shè)計 30 3.6 直流電機電流檢測電路 31 3.7 數(shù)字測速電路

11、32 3.7.1 M/T法測速原理 33 3.7.2 數(shù)字測速硬件電路 34 3.8 PWM驅(qū)動電路設(shè)計 36 3.8.1 PWM信號產(chǎn)生電路 36 3.8.2 PWM信號驅(qū)動電路 37 3.9 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的鍵盤與顯示電路 38 3.9.1 I/O口擴展電路 39 3.9.2 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的鍵盤電路設(shè)計 39 3.9.3配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的顯示電路設(shè)計 41 3.10配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的電源系統(tǒng) 42 第4章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 44 4.1軟件的主程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 44 4.2 PI控制子程序設(shè)計 46 4.3 中斷服務程序 47 第

12、5章 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 49 5.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型的構(gòu)建 49 5.2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析 50 總 結(jié) 52 致 謝 53 參考文獻 54 附錄1 軟件編程 56 附錄2 系統(tǒng)硬件原理圖 62 CONTENTS ABSTRACT（CHINESE） I ABSTRACT II CONTENTS（CHINESE） IV CONTENTS VII CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 Foreword 1 1.2 The significance of the belt batching system 1

13、1.3 The development of the belt batching system in the world 3 1.4 The development trend of the batching system 4 CHAPTER 2 The design of the automatic batching system 6 2.1 The choice of controlled DC source for the system 6 2.1.1 Program comparison of the controlled DC source 6 2.1.2 The deci

14、sion of the program 8 2.2 DC speed conrol systems PWM circuit design 8 2.2.1 The selection of the PWM converter program 9 2.2.2 The mathematical model of the PWM converter 10 2.3 The program of the closed loop system 10 2.4 The overall design of the automatic control system of the batching sys

15、tem 12 2.5 Batching system DC speed control design 13 2.5.1 Batching automatic control system performance and technical requirements 13 2.5.2 The calculation of the relevant parameters of the DC motor 14 2.5.3 The closed loop static characteristics of the steady-state operation 16 2.5.4 The des

16、ign of the ACR and ASR 17 CHAPTER 3 Circuit design of the batching automatic control system 22 3.1 Weight signal acquisition circuit 22 3.1.1 The selection of the sensor 22 3.1.2 Circuit to get the weight 23 3.2 Weight signal filering amplifier 24 3.3 A/D converter circuit 26 3.4 SCM for bat

17、ching automatic control system 27 3.5 Belt ingredients motor circuit protection circuit design 29 3.5.1 Limitations and start pumping voltage protection circuit 29 3.5.2 The IGBT choice and the absorption circuit design 30 3.6 DC motor current detection circuit 31 3.7 Digital speed circuit 32

18、3.7.1 M/T method velocimetry principle 33 3.7.2 Circuit of the detected speed 34 3.8 PWM drive circuit design 36 3.8.1 PWM signal generating circuit 36 3.8.2 PWM signal to drive circuit 37 3.9 Keyboard and display circuit of batching automatic control system 38 3.9.1 I/O port expansion circuit

19、 39 3.9.2 Keyboard design of the system 39 3.9.3 Display circuit design for the system 41 3.10 The power system for the batching automatic control system 42 CHAPTER 4 The software design for the batching automatic control system 44 4.1 The main stuctural design of the software design 44 4.2 PI

20、 control subroutine design 46 4.3 Interrupt service routine 47 CHAPTER 4 Batching system DC speed control system simulation 49 5.1 Construction of DC double closed loop speed control system simulation model 49 5.2 Simulation results of the DC double closed loop speed control system 50 The summ

21、ary 52 Acknowledgements 53 References 54 Appendix 1 software programming 56 Appendix 2 system hardware schematic 62 IX 第1章 緒 論 1.1 引言 配料系統(tǒng)是按照一定比例來控制物料傳輸?shù)牧浚蛊鬏數(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。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速增長，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化、快速化已經(jīng)成為與人們生活息息相關(guān)的一個環(huán)節(jié)。 近年來，隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)以及智能控制理論的飛速發(fā)展，配料自動控制技術(shù)也經(jīng)歷了劃時

22、代的發(fā)展。傳統(tǒng)的手動控制物料配比不僅會導致配料誤差大，而且配料控制過程持續(xù)的時間長，耗費的人力資源比較大。隨著工業(yè)化的發(fā)展，手動配料迅速發(fā)展成現(xiàn)在的可連續(xù)自動進行，不需要人工干預就可以完成的自動配料操作，而且誤差小、操作方便、配料控制時間也大為縮短，還降低了對能源和材料的消耗。配料系統(tǒng)自動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)的一個組成部分，更加推進了工業(yè)生產(chǎn)的自動化和管理的現(xiàn)代化。 皮帶配料系統(tǒng)作為一種動態(tài)衡器，已經(jīng)廣泛用于工礦企業(yè)、交通運輸、冶金、化工、建材等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的配料中，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。能否準確配料已經(jīng)成為影響人們生產(chǎn)生活的一個重要因素

23、，但是我國現(xiàn)有的這方面的產(chǎn)品少且設(shè)備功能不齊全、精度不高、工作不穩(wěn)定。因此，改善現(xiàn)有配料裝置，開發(fā)更精確、更方便的配料系統(tǒng)控制器勢在必行。 1.2 研究皮帶配料系統(tǒng)的意義 皮帶配料系統(tǒng)簡稱為配料系統(tǒng)，它與皮帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計原理和組成結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是，配料系統(tǒng)在皮帶傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又增加了“配料”這一功能。 它廣泛用于煤炭、化工、食品加工、建材等行業(yè)的物料配比當中，其配料的準確與否直接影響著國民生產(chǎn)的各個部門。配料系統(tǒng)的使用可以提高各個部門的自動化水平和各個生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而擴大公司的效益。 在煤炭行業(yè)，配料系統(tǒng)用于定量供煤，能否準確配

24、料直接決定配煤質(zhì)量。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。在食品加工行業(yè)，配料系統(tǒng)的使用代替了大量的手工勞動，提高了勞動生產(chǎn)效率，使得食品加工更方便、快捷。在建材行業(yè)，沙子、粘土、水泥、石灰、石子等物料的混合需要用配料系統(tǒng)對其進行定量配比。由此可見，配料系統(tǒng)的應用非常廣泛。 目前，配料控制系統(tǒng)己廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個領(lǐng)域。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，配料控制系統(tǒng)也隨之不斷改進。在很多生產(chǎn)工藝過程中，人們除了要求衡器能準確地進行稱量，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要外，還要求稱重過程能大幅度提高生產(chǎn)效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水

25、泥等行業(yè)中，常需要對散料進行皮帶輸送過程中的動態(tài)連續(xù)稱量，而且還要對輸送中的流量進行調(diào)節(jié)、控制、達到準確的配比。配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣直接關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)能否順利進行。如果配制的質(zhì)量達不到要求，輕則造成原料、能源的浪費，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率川，并且有些重要生產(chǎn)崗位的配料失誤甚至會給整個生產(chǎn)釀成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制約著整個生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，因此應對配料過程的質(zhì)量和產(chǎn)量控制給予足夠重視。 隨著我國工業(yè)自動化程度的提高，配料系統(tǒng)將在現(xiàn)在和未來的市場需求中占據(jù)相當大的比例。皮帶配料系統(tǒng)作為一種新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)而越來越受到世界各國的普遍關(guān)注。在西方發(fā)達國家，配料系統(tǒng)的生產(chǎn)

26、技術(shù)已經(jīng)相對完善；而在中國，由于先前的技術(shù)水平落后，這使得積極開發(fā)研制更加精確、方便、可靠、功能更強大的配料系統(tǒng)控制器具有重要意義。而且，中國地大物博、資源豐富，各項工業(yè)生產(chǎn)正在以不可阻擋的勢頭向前發(fā)展?？梢钥吹?，中國廣大的市場為配料系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣闊的前景。另一方面，我國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的物質(zhì)文化需要。在物質(zhì)方面，我們需要又快又好的生產(chǎn)出我們所需要的物質(zhì)產(chǎn)品，所以我們要進行生產(chǎn)自動化，實現(xiàn)生產(chǎn)的快速性與精確性。 綜上所述，我們可以看到配料自動控制系統(tǒng)的研究設(shè)計對我國經(jīng)濟發(fā)展有著很重要的意義，精確的配料技術(shù)不僅可以擴大生產(chǎn)量，還可以是生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有很高的

27、質(zhì)量和性能，經(jīng)得起市場的考驗，使我們的產(chǎn)品在世界經(jīng)濟市場上更具有競爭力。 1.3 配料系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)最新配料系統(tǒng)國家標準的規(guī)定，皮帶配料系統(tǒng)是一種連續(xù)累計自動衡器。衡器是利用作用于物體上的重力來確定該物體質(zhì)量的計量儀器，按其操作方式可分為：自動衡器和非自動衡器。所謂自動衡器就是指在稱量過程中無需操作者干預便能按預定的處理程序自動稱量的衡器。其中，連續(xù)累計自動衡器是無需對質(zhì)量細分就可對皮帶上散裝物料進行連續(xù)稱量的自動衡器。皮帶配料系統(tǒng)就是在皮帶輸送物料的過程中同時對物料進行連續(xù)累計稱量的一種自動衡器。 配料系統(tǒng)起源于 19 世紀末，工業(yè)革命以來，各項新技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，隨著皮

28、帶傳輸系統(tǒng)的出現(xiàn)，配料系統(tǒng)也應運而來。最早的皮帶傳輸系統(tǒng)稱重原理來自于斗式輸送機對散狀物料連續(xù)自動稱量的裝置。第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，配料系統(tǒng)的發(fā)展也是突飛猛進。 配料系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個階段： 第一階段是上世紀五、六十年代的純機械式配料系統(tǒng)，普遍采用機械式、光電式掃描或增量式編碼器等，這一階段的配料系統(tǒng)僅具有識別計數(shù)和啟動功能。 第二階段是六、七十年代的傳感器電子儀表配料系統(tǒng)，隨著模擬電路和數(shù)字電路的飛速發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了各種小型化的配料電動儀表。可用儀表來實現(xiàn)平衡、識別和累計計算等功能。 第三、第四階段是20世紀七十年代末的微機智能化的配料系統(tǒng)

29、。計算機首次被引入電子配料系統(tǒng)，大大提高了它的集成度。此時的配料系統(tǒng)累計量運算采用累加法代替了積分法。 第一、二階段的配料系統(tǒng)只能進行簡單的測量、累計計算，而且準確度不高，對系統(tǒng)運行過程中的變化不可控制，因此其計量過程準確度低，動態(tài)性能差，缺乏穩(wěn)定性。而第三、四階段的配料系統(tǒng)控制器集合了微機技術(shù)、現(xiàn)代計量技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)控制等技術(shù)，不僅增強了計量的準確性，而且對其在計量過程中出現(xiàn)的問題能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制，同時，儀表的顯示、報警、調(diào)零等功能的自動控制也越來越完善。而通訊技術(shù)的發(fā)展更是增強了儀表的遠程維護診斷與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋? 在自動配料系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計方面，歐美發(fā)達國家的起步較

30、早，而當時的中國在清政府的統(tǒng)治下，采取閉關(guān)鎖國的外交政策，使得我國沒有及時的引進這些先進技術(shù)。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(shù)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。 新中國成立后，政府高度重視科學技術(shù)的發(fā)展。我國的科學技術(shù)突飛猛進，不斷地克服技術(shù)上的難題。其中配料控制系統(tǒng)作為一個在各個生產(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。 1.4 配料系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對原有配料系統(tǒng)進行技術(shù)方面改進已經(jīng)成為必然的趨勢，提出了通過數(shù)據(jù)采集、自動控制、遠程監(jiān)視、報警、運行管理、變頻調(diào)速等多方面的技

31、術(shù)改進方法。在生產(chǎn)任務繁重的時候，要求系統(tǒng)能夠加快生產(chǎn)速度，集中控制電機的啟動、瀏覽生產(chǎn)工業(yè)流程圖、作出事故報警響應、調(diào)節(jié)電機運行速度等功能，實現(xiàn)所需功能的集中控制，這就要求系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制功能，并且實時對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控。 第一，大規(guī)模集成芯片的產(chǎn)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(chǎn)出來的產(chǎn)品會因為外界擾動配料失調(diào)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。 第二，在工業(yè)生產(chǎn)當中尤其是化學工藝中，對物料的配料精度有著極高的要求，一般的配料自動控制系統(tǒng)很難滿足要求，需要開發(fā)高精度高靈敏度的設(shè)備來實現(xiàn)這類一行

32、業(yè)的生產(chǎn)自動化。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。 第三，現(xiàn)代的工業(yè)自動化雖然給我們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，但與此同時對環(huán)境也產(chǎn)生了不良影響，我們需要在生產(chǎn)過程中采用一些手段使得我們的生產(chǎn)更環(huán)保、更節(jié)能，認真貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 通過以上的分析，可以看到配料自動控制系統(tǒng)還要經(jīng)過一些完善，具有很深刻的研究意義。 第2章 配料自動控制系統(tǒng)設(shè)計 2.1 配料自動控制系統(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：即通過改變直流電機的電樞電壓來實現(xiàn)調(diào)速的目的。 調(diào)節(jié)電樞電壓常用的可控直流源有三種[1]： 1、 旋

33、轉(zhuǎn)變流機組； 2、 靜止式可控整流器； 3、 直流斬波器或脈寬調(diào)制器。 旋轉(zhuǎn)變流機組是至少要包含兩臺與調(diào)速電機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還需要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多，體積龐大，費用高，不便于維護，運行噪聲大。早已經(jīng)被淘汰。這里主要對比后兩種方案。 2.1.1 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(chǎn)出整套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。 通過調(diào)節(jié)閥裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)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(jīng)濟性和可靠性上都很大

34、提高，而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實出較大的優(yōu)越性[2]。 三相半波可控整流電路使用的晶閘管個數(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。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(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應用于本設(shè)計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(shù)要求。 但是V-M系統(tǒng)在應用時還有很多的缺點： 1、 由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕獙崿F(xiàn)四象限運行，必須采用正、反兩組全控橋整流電路； 2、 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； 3、 當

35、系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，晶閘管的導通角度很小，系統(tǒng)功率因數(shù)低，會產(chǎn)生很大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓的畸變。因此，V-M系統(tǒng)必須添加無功補償和諧波濾波裝置。 方案二：直流斬波器 通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。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，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，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。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(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。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)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(xiàn)。直

36、到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)[3]。 PWM控制技術(shù)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(shù)最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 2.1.2 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

37、于V-M系統(tǒng)有以下優(yōu)點[4]： 1、 主電路簡單，需要用的電力電子器件少； 2、 開關(guān)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??； 3、 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬； 4、 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； 5、 電力電子器件導通損耗小，裝置效率高； 6、 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 由于本設(shè)計所要控制的電機要求響應速度快，基于以上優(yōu)點，所以系統(tǒng)就是利用脈寬調(diào)制器這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。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

38、來控制電機的轉(zhuǎn)速。利用旋轉(zhuǎn)編碼器測得電機速度，同時利用霍爾式電流傳感器取得到電流信號并將其轉(zhuǎn)化為合適的電壓信號，把電壓信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片再送給給單片機，在內(nèi)部通過軟件編程進行運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的自動調(diào)速控制。 2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)PWM電路方案設(shè)計 本設(shè)計需要設(shè)計一個直流調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)皮帶傳輸系統(tǒng)所測得的物料重量來調(diào)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(zhuǎn)速，從而達到控制皮帶傳輸系統(tǒng)上物料重量的目的。由于系統(tǒng)僅需要控制皮帶傳輸加減速，不需要實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)、四象限運行，固選擇有制動電流通路的不可逆PWM變換器即可。 不可逆PWM變換器電樞平均端電壓為：

39、 （2-1） ρ= / 定義PWM電壓的占空比，改變ρ（）即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，控制電機工作于電動、制動和停止運行。 2.2.1 PWM變換器控制方案選擇 采樣控制理論中有一個重要結(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，其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(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[5]。 硬件調(diào)試法： 硬件調(diào)制法是為解決等面積法

40、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(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)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(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制. 軟件生成法： 由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則

41、采樣法. 本設(shè)計利用軟件編程設(shè)置一些關(guān)鍵控制字，實現(xiàn)脈寬調(diào)制信號的輸出，達到控制的目的。 2.2.2 PWM變換器的數(shù)學模型 根據(jù)PWM變換器工作原理和波形分析，可以看出，當控制電壓改變時，PWM變換器的輸出電壓Ud按線性規(guī)律變化，但其響應會有延遲[6]。因此，脈寬調(diào)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(guān)周期T。 脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可近似看成 （2-2） 式中 為脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)； 為PWM變換器的輸出電壓； 為脈寬

42、調(diào)制器的控制電壓； Ts為PWM裝置的延遲時間 2.3 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)方案 在本次設(shè)計中，電機調(diào)速系統(tǒng)采取閉環(huán)控制系統(tǒng)，有兩種方案可供選擇：單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入轉(zhuǎn)速負反饋，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)計算簡單，比較容易實現(xiàn)。如果設(shè)置PI調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差調(diào)速。 隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應用，傳統(tǒng)的采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，但不能滿足較快的動態(tài)響應的一般生產(chǎn)機械的調(diào)速要求。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動、制動、反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動，

43、達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進入轉(zhuǎn)矩與負載相平衡的穩(wěn)態(tài)運行。要實現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流和轉(zhuǎn)速負反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)。在電流控制回路中設(shè)置一個調(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)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實現(xiàn)串級連接。 圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖[7]。 圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸

44、入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。 兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)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(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，則有 為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。 兩個調(diào)節(jié)器的作用[8]： 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用 （1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定允許的最

45、大電流。 2.電流調(diào)節(jié)器ACR的作用 （1）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。 （2）起動時保證獲得允許的最大電流。 （3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 （4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 2.4 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)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(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過濾波、信號放大，將采集到的微弱電信號轉(zhuǎn)化為一定模擬量再送給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送給單片機。通過軟件編程，實現(xiàn)針對該輸入數(shù)字信號的一些算法

46、，由I/O口發(fā)送觸發(fā)脈沖控制信號來控制電力電子變換器的導通角度或者占空比，來控制電機的電樞電壓大小，從而達到控制轉(zhuǎn)速變化的目的[9]。 電機控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速，可以達到迅速控制電機轉(zhuǎn)速變化，快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等目的。系統(tǒng)采用高分辨率數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字測速裝置。其內(nèi)環(huán)是電流反饋及控制環(huán)，外環(huán)是電動機轉(zhuǎn)速反饋及控制環(huán)，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的調(diào)節(jié)都是由AT89C52微機軟件完成數(shù)字PI控制規(guī)律的運算。轉(zhuǎn)速檢測通過光電碼盤將數(shù)字信號傳送到8253計數(shù)芯片，輸出的數(shù)字轉(zhuǎn)速信號送入主芯片，通過PI算法，調(diào)節(jié)PWM變換器的占空比，進而達到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。電流檢測是通過電流互感器檢測出模擬信號，經(jīng)過濾

47、波和降壓環(huán)節(jié)處理后，送入ADC0809轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號送入主芯片，通過PI算法，進而達到電流調(diào)節(jié)的目的。 對單片機進行編程，通過8279芯片實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、重量的LED數(shù)碼管顯示。同時，8279芯片外接一個 44鍵盤，通過鍵盤可設(shè)置數(shù)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。 系統(tǒng)的框圖如圖2-2。 圖2-2 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)框圖 2.5 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 2.5.1 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)性能及技術(shù)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(zhuǎn)速自動加減速和停車的自動配料傳輸系統(tǒng)。傳輸速度由測量秤所測得的重量值所確定，以實現(xiàn)讓測量秤上的物料重量保

48、持在一定范圍內(nèi)。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(diào)節(jié)時間Ts和超調(diào)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(wǎng)電壓擾動等動態(tài)抗擾性能。 直流電動機規(guī)格為：額定電壓220V，額定電流12.35A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min,允許過載倍數(shù)=1.5；本次設(shè)計選用直流電動機的額定參數(shù)直流電動機Z2-32的額定參數(shù)PN=2.2kW、UN=220V、IN=12.5A、nN=1500 r/min。勵磁電壓：220V。轉(zhuǎn)動慣量為J=0.105。最高轉(zhuǎn)速為

49、3000 r/min，重量76kg。 綜合考慮，對于這個系統(tǒng)的要求有以下幾點[10]： 1、 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)； 2、 電流超調(diào)量<5%，相角穩(wěn)定裕度>45，轉(zhuǎn)速超調(diào)量<10%； 3、 低速平穩(wěn)性好，穩(wěn)定精度好，調(diào)速范圍廣； 4、 UPE系統(tǒng)開關(guān)頻率高，電機損耗，發(fā)熱量要求小； 5、 系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，抗干擾能力強； 6、 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(zhuǎn)速；鍵盤用來設(shè)定測量秤所允許的重量裕度。 2.5.2 直流電機相關(guān)參數(shù)的計算 1、電樞電阻 一個經(jīng)驗公式，其中認為在額定負載下，電樞銅損占電

50、動機總損耗的～，由于是Z2-32型號的直流電動機銅損占總損耗的比例較高，故取， 電樞電阻計算公式為 （2-3） 代入數(shù)據(jù)=220V，=12.35A，=2.2kw計算可得=2.34 所以電樞電阻為2.34。 2、 電動勢系數(shù) 由電機轉(zhuǎn)速計算公式， 有 （2-4） 代入?yún)?shù)U=220V，=12.35A，=2.34 計算得=0.128V/min/r 3、 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比 根據(jù)公式 （2-5） 代入=0.128V/min/r 可得=1.22Nm/A

51、 4、 電動機軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩計算 由 （2-6） 其中，代入J=0.105 可得 5、 機電時間常數(shù) 由公式 （2-7） 將以上計算結(jié)果代入?yún)?shù)計算得=0.159s 6、 電磁時間常數(shù) （2-8） 其中 計算得 2.5.3 雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作時靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系： （2-9）

52、 （2-10） （2-11） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 有

53、關(guān)的反饋系數(shù)：兩個給定電壓的最大值和是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。 根據(jù)經(jīng)驗公式得0.54V/A 得 晶閘管裝置放大系數(shù) 2.5.4 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 一、電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)設(shè)計 設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)電流無靜差，動態(tài)指標：電流超調(diào)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(diào)，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]。設(shè)計時可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。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(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； — 電流調(diào)節(jié)

54、器的超前時間常數(shù)。 1.確定時間常數(shù) （1）確定時間常數(shù)，查表得單相全波電路的平均失控時間=0.005s （2）電流濾波時間常數(shù)，可取值為0.005S （3）電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理 （4）電磁時間常數(shù) 2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求<5%，而且，于是典型I系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的。 3.選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和，是超前時間常數(shù)，為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調(diào)量<5%時，查表得阻尼比ζ=0.707， =0.5，

55、 因此， 于是電流調(diào)節(jié)器ACR的比例系數(shù)為 4.校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 （1） 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)在>, 滿足近似條件。 （2）忽略反電動勢對電流環(huán)的影響條件： 現(xiàn)在，=43.44/s<，滿足近似條件。 （3）小時間常數(shù)近似處理條件： 現(xiàn)在，=66.67/s>，滿足近似條件。 二、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)設(shè)計 電流環(huán)經(jīng)過簡化之后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)， 整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3中的a圖。 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替原來的電流環(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)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)

56、合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 =+ （2-12） 轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖簡化為圖2-3中的b圖。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，所以這個轉(zhuǎn)速環(huán)中有兩個積分環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)應該設(shè)計成典型的II型系統(tǒng)。眾所周知，典型的II型系統(tǒng)具有良好的動態(tài)抗擾動性能，但其階躍響應超調(diào)量會很大，但按照線性系統(tǒng)理論分析計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低，所以ASR也應該采用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)器的超前時間常數(shù)

57、。 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖簡化過程如圖2-3。 圖2-3 雙閉環(huán)等效結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計步驟如下： 1.確定時間常數(shù) （1）電流環(huán)等效時間常數(shù)2=0.02S （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取值為0.01S （3）轉(zhuǎn)速換小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理=0.03S 2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h=5,則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為 =0.15S 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 =133.3/ （2-13） 于是ASR的比例系數(shù) =13.9 （2-14）

58、 3.校驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為：20/S (1)轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，現(xiàn)在=20，幾乎等于，滿足簡化條件。 （2）小時間常數(shù)近似處理條件：，現(xiàn)在=23.57大于，滿足近似條件。 （3）轉(zhuǎn)速超調(diào)量的核算 當h=5時，查表得△ 能滿足設(shè)計要求。 第3章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 本章作為整個設(shè)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(shè)計方案，并確定了各個模塊電路圖的連接方法。 3.1重量信號采集電路 3.1.1 傳感器選擇 我們通常把自然界的非電信號通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，并加以放大。然后將放大后的電壓經(jīng)

59、過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到單片機中進行數(shù)據(jù)分析處理，通過編程達到自動控制的目的。本次設(shè)計是將重量信號通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過單片機實現(xiàn)對物體重量的自動檢測，并顯示在LED屏幕上。 要達到設(shè)計的性能要求，傳感器的精度起著決定性作用。常用的傳感器有：電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。 電阻應變式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換成與之有一定關(guān)系的電阻值變化，其結(jié)構(gòu)簡單，精度高，測量范圍廣,壽命長,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。是目前應用在測量力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的應用傳感器之一。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

60、取一定的補償措施。 電容式傳感器是把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。電容器傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復雜等。 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(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長；靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一

61、般每毫米的位移可達數(shù)百毫伏的輸出；線性度和重復性都比較好。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。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。 皮帶配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)需要具有很快的測量速度，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，固設(shè)計所需傳感器選用電阻應變式傳感器。 3.1.2重量信號的采集電路 本設(shè)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。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸

62、出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。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(chǎn)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3-1所示。 圖3-1 重量信號采集電路 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： （3-1） 當滿足條件時，即 （3-2） =0，即電橋平衡

63、。式（3-2）稱平衡條件。 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(guān)。 若差動工作，即,,，,按式（3-1），則電橋輸出為 3.2重量信號濾波放大電路 經(jīng)由電橋等電路變換后的信號比較微弱而且還有很多干擾信號，難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)和濾波電路。 壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，其中伴隨著一些高頻干擾，低頻噪聲等。所以應該在電路中設(shè)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。 另一方面，檢測電路對運算放大器要求很高。放大器的輸入信號一般

64、是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求： 1、輸入阻抗應遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 2、抗共模電壓干擾能力強。 3、在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 4、能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。 本系統(tǒng)采用AD620芯片對檢測到的重量信號進行放大，此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。

65、可通過改變RG的大小來改變放大器的增益。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。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(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620功耗較低(最大電源電流僅1.3 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(最大0.6V/C)特性。AD620 為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入, 并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過輸入級內(nèi)部運放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻R

66、g上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7 kΩ ,因而增益方程式為 　 G =49.4 kΩ/Rg + 1 　 （3-3） 對于所需的增益, 則外部控制電阻值為　Rg =49.4/（G - 1）kΩ AD620構(gòu)成的放大器及濾波電路如圖3-2所示。 圖3-2 濾波電路及放大電路 電阻R17、R20和電容C9、C10、C11、C12用于濾除前級的噪聲，C9、C11為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C10、C12為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。5.1V穩(wěn)壓管D16的作用是使AD620電壓輸出低于ADC0809輸入最大值，防止造成芯片損壞。 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 經(jīng)過放大電路的信號是一個模擬信號，要實現(xiàn)本次設(shè)計的目的必須把它變成數(shù)字量才能送入單片機控制系統(tǒng)受理，因此本系統(tǒng)需要用A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過AD620放大得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 經(jīng)過資料搜尋，我決定采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809來完成本次設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換部分，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8