基于单片机控制自动配料系统设计

摘 要皮带配料系统是一种连续累计自动控制系统，广泛用在煤炭、化工、冶金、建材、食品等关系国计民生的各个行业，配料系统可对物料的配比实现累计量控制，而准确的累计量控制可提高产品质量，降低生产成本，提高劳动效率。首先介绍了配料系统控制器的国内外发展状况，接着对配料系统的组成结构、工作原理作了介绍。然后根据配料系统流量控制的设计要求，设计了以AT89C52单片机为主控芯片的配料系统控制器。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用驱动、吸收、保护控制等关键技术。在单片机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。系统中使用了光电码盘对直流电机的转速进行测量，用电流互感器对直流电机的电流进行检测，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度和电流的控制。通过实时测试与调节电动机的转速和电流，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。关键词 直流不可逆调速 PWM信号 数字控制器ABSTRACTBelt batching system is a continuous totalizing automatic weighing instrument. It has played a critical role in 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, 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 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 circuit, 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 achieve 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 time testing dandy adjusting the motors velocity/current, this timing system can get quick and exact timing result.Keywords reversible DC timing system Pulse-Width Modulation number controller.目 录摘 要IABSTRACTII目 录IVCONTENTSVII第1章 绪 论11.1 引言11.2 研究皮带配料系统的意义11.3 配料系统的国内外发展现状31.4 配料系统的发展趋势4第2章 配料自动控制系统设计62.1 配料自动控制系统可控直流源的选择62.1.1 配料自动控制系统可控直流源的方案比较62.1.2 配料自动控制系统可控直流源的方案确定82.2 直流调速系统PWM电路方案设计82.2.1 PWM变换器控制方案选择92.2.2 PWM变换器的数学模型102.3 配料系统直流调速系统闭环系统方案102.4 配料系统自动控制系统的整体方案设计122.5 配料系统直流调速系统设计132.5.1 配料系统自动控制系统性能及技术要求132.5.2 直流电机相关参数的计算142.5.3 双闭环稳态工作时静特性162.5.4 电流调节器和转速调节器的设计17第3章 配料系统自动控制系统硬件电路设计223.1重量信号采集电路223.1.1 传感器选择223.1.2重量信号的采集电路233.2重量信号滤波放大电路243.3 A/D转换电路263.4 配料系统自动控制系统的单片机系统273.5 皮带配料系统电机回路保护电路设计293.5.1启动保护电路293.5.2 IGBT的选择及其吸收回路设计303.6 直流电机电流检测电路313.7 数字测速电路323.7.1 M/T法测速原理333.7.2 数字测速硬件电路343.8 PWM驱动电路设计363.8.1 PWM信号产生电路363.8.2 PWM信号驱动电路373.9 配料系统自动控制系统的键盘与显示电路383.9.1 I/O口扩展电路393.9.2 配料系统自动控制系统的键盘电路设计393.9.3配料系统自动控制系统的显示电路设计413.10配料系统自动控制系统的电源系统42第4章 配料系统自动控制系统软件设计444.1软件的主程序结构设计444.2 PI控制子程序设计464.3 中断服务程序47第5章 配料系统直流调速系统仿真495.1 直流双闭环调速系统的仿真模型的构建495.2 直流双闭环调速系统的仿真结果分析50总 结52致 谢53参考文献54附录1 软件编程56附录2 系统硬件原理图62CONTENTSABSTRACT（CHINESE）IABSTRACTIICONTENTS（CHINESE）IVCONTENTSVIICHAPTER 1 INTRODUCTION11.1 Foreword11.2 The significance of the belt batching system11.3 The development of the belt batching system in the world31.4 The development trend of the batching system4CHAPTER 2 The design of the automatic batching system62.1 The choice of controlled DC source for the system62.1.1 Program comparison of the controlled DC source62.1.2 The decision of the program82.2 DC speed conrol systems PWM circuit design82.2.1 The selection of the PWM converter program92.2.2 The mathematical model of the PWM converter102.3 The program of the closed loop system102.4 The overall design of the automatic control system of the batching system122.5 Batching system DC speed control design132.5.1 Batching automatic control system performance and technical requirements132.5.2 The calculation of the relevant parameters of the DC motor142.5.3 The closed loop static characteristics of the steady-state operation162.5.4 The design of the ACR and ASR17CHAPTER 3 Circuit design of the batching automatic control system223.1 Weight signal acquisition circuit223.1.1 The selection of the sensor223.1.2 Circuit to get the weight233.2 Weight signal filering amplifier243.3 A/D converter circuit263.4 SCM for batching automatic control system273.5 Belt ingredients motor circuit protection circuit design293.5.1 Limitations and start pumping voltage protection circuit293.5.2 The IGBT choice and the absorption circuit design303.6 DC motor current detection circuit313.7 Digital speed circuit323.7.1 M/T method velocimetry principle333.7.2 Circuit of the detected speed343.8 PWM drive circuit design363.8.1 PWM signal generating circuit363.8.2 PWM signal to drive circuit373.9 Keyboard and display circuit of batching automatic control system383.9.1 I/O port expansion circuit393.9.2 Keyboard design of the system393.9.3 Display circuit design for the system413.10 The power system for the batching automatic control system42CHAPTER 4 The software design for the batching automatic control system444.1 The main stuctural design of the software design444.2 PI control subroutine design464.3 Interrupt service routine47CHAPTER 4 Batching system DC speed control system simulation495.1 Construction of DC double closed loop speed control system simulation model495.2 Simulation results of the DC double closed loop speed control system 50The summary52Acknowledgements53References54Appendix 1 software programming56Appendix 2 system hardware schematic62IX第1章 绪 论1.1 引言配料系统是按照一定比例来控制物料传输的量，使皮带传输的物料按照一定比例参杂在一起，在工业和农业上有很大的用处。随着国民经济的持续、快速增长，实现工业生产自动化、快速化已经成为与人们生活息息相关的一个环节。近年来，随着电子技术、传感器技术、计算机技术以及智能控制理论的飞速发展，配料自动控制技术也经历了划时代的发展。传统的手动控制物料配比不仅会导致配料误差大，而且配料控制过程持续的时间长，耗费的人力资源比较大。随着工业化的发展，手动配料迅速发展成现在的可连续自动进行，不需要人工干预就可以完成的自动配料操作，而且误差小、操作方便、配料控制时间也大为缩短，还降低了对能源和材料的消耗。配料系统自动控制装置不仅是提供重量数据的仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，更加推进了工业生产的自动化和管理的现代化。皮带配料系统作为一种动态衡器，已经广泛用于工矿企业、交通运输、冶金、化工、建材等国民经济各个领域的配料中，并取得了显著的经济效益。能否准确配料已经成为影响人们生产生活的一个重要因素，但是我国现有的这方面的产品少且设备功能不齐全、精度不高、工作不稳定。因此，改善现有配料装置，开发更精确、更方便的配料系统控制器势在必行。1.2 研究皮带配料系统的意义皮带配料系统简称为配料系统，它与皮带传输系统的设计原理和组成结构基本相同，不同的是，配料系统在皮带传输系统的基础上又增加了“配料”这一功能。它广泛用于煤炭、化工、食品加工、建材等行业的物料配比当中，其配料的准确与否直接影响着国民生产的各个部门。配料系统的使用可以提高各个部门的自动化水平和各个生产系统的可靠性，降低工人劳动强度，提高生产效率和产品质量，从而扩大公司的效益。在煤炭行业，配料系统用于定量供煤，能否准确配料直接决定配煤质量。在化工行业，配料系统用于多种原材料的定量配比，它可以起到减员增效，节约成本，减少误差，从而创造更大的利润。在食品加工行业，配料系统的使用代替了大量的手工劳动，提高了劳动生产效率，使得食品加工更方便、快捷。在建材行业，沙子、粘土、水泥、石灰、石子等物料的混合需要用配料系统对其进行定量配比。由此可见，配料系统的应用非常广泛。目前，配料控制系统己广泛应用于工农业生产和社会生活的各个领域。随着科学技术的不断发展，配料控制系统也随之不断改进。在很多生产工艺过程中，人们除了要求衡器能准确地进行称量，满足产品质量的需要外，还要求称重过程能大幅度提高生产效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行业中，常需要对散料进行皮带输送过程中的动态连续称量，而且还要对输送中的流量进行调节、控制、达到准确的配比。配料质量控制的优劣直接关系着企业生产能否顺利进行。如果配制的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和生产率川，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制约着整个生产的产品质量和产量，因此应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视。随着我国工业自动化程度的提高，配料系统将在现在和未来的市场需求中占据相当大的比例。皮带配料系统作为一种新兴的高新技术产业而越来越受到世界各国的普遍关注。在西方发达国家，配料系统的生产技术已经相对完善；而在中国，由于先前的技术水平落后，这使得积极开发研制更加精确、方便、可靠、功能更强大的配料系统控制器具有重要意义。而且，中国地大物博、资源丰富，各项工业生产正在以不可阻挡的势头向前发展。可以看到，中国广大的市场为配料系统的发展提供了广阔的前景。另一方面，我国目前的主要矛盾是落后的生产力满足不了人民日益增长的物质文化需要。在物质方面，我们需要又快又好的生产出我们所需要的物质产品，所以我们要进行生产自动化，实现生产的快速性与精确性。综上所述，我们可以看到配料自动控制系统的研究设计对我国经济发展有着很重要的意义，精确的配料技术不仅可以扩大生产量，还可以是生产出来的产品具有很高的质量和性能，经得起市场的考验，使我们的产品在世界经济市场上更具有竞争力。1.3 配料系统的国内外发展现状根据最新配料系统国家标准的规定，皮带配料系统是一种连续累计自动衡器。衡器是利用作用于物体上的重力来确定该物体质量的计量仪器，按其操作方式可分为：自动衡器和非自动衡器。所谓自动衡器就是指在称量过程中无需操作者干预便能按预定的处理程序自动称量的衡器。其中，连续累计自动衡器是无需对质量细分就可对皮带上散装物料进行连续称量的自动衡器。皮带配料系统就是在皮带输送物料的过程中同时对物料进行连续累计称量的一种自动衡器。配料系统起源于 19 世纪末，工业革命以来，各项新技术突飞猛进的发展，随着皮带传输系统的出现，配料系统也应运而来。最早的皮带传输系统称重原理来自于斗式输送机对散状物料连续自动称量的装置。第二次世界大战之后，随着传感器技术、电子技术的迅猛发展，配料系统的发展也是突飞猛进。配料系统的发展大致经历了以下四个阶段：第一阶段是上世纪五、六十年代的纯机械式配料系统，普遍采用机械式、光电式扫描或增量式编码器等，这一阶段的配料系统仅具有识别计数和启动功能。第二阶段是六、七十年代的传感器电子仪表配料系统，随着模拟电路和数字电路的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的配料电动仪表。可用仪表来实现平衡、识别和累计计算等功能。第三、第四阶段是20世纪七十年代末的微机智能化的配料系统。计算机首次被引入电子配料系统，大大提高了它的集成度。此时的配料系统累计量运算采用累加法代替了积分法。第一、二阶段的配料系统只能进行简单的测量、累计计算，而且准确度不高，对系统运行过程中的变化不可控制，因此其计量过程准确度低，动态性能差，缺乏稳定性。而第三、四阶段的配料系统控制器集合了微机技术、现代计量技术、通讯技术、网络技术、工业控制等技术，不仅增强了计量的准确性，而且对其在计量过程中出现的问题能够实时监测和控制，同时，仪表的显示、报警、调零等功能的自动控制也越来越完善。而通讯技术的发展更是增强了仪表的远程维护诊断与数据传输的功能。在自动配料系统的研发与设计方面，欧美发达国家的起步较早，而当时的中国在清政府的统治下，采取闭关锁国的外交政策，使得我国没有及时的引进这些先进技术。鸦片战争以后，我国一些先进知识分子开始意识到西方科学技术的强大，渐渐摘掉了夜郎自大的眼睛，放眼看世界，开始在西方列强的压迫下摸索前进。新中国成立后，政府高度重视科学技术的发展。我国的科学技术突飞猛进，不断地克服技术上的难题。其中配料控制系统作为一个在各个生产领域方面都有其重要作用关键环节更是取得了很大成就。1.4 配料系统的发展趋势近年来，随着计算机技术的飞速发展，对原有配料系统进行技术方面改进已经成为必然的趋势，提出了通过数据采集、自动控制、远程监视、报警、运行管理、变频调速等多方面的技术改进方法。在生产任务繁重的时候，要求系统能够加快生产速度，集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、作出事故报警响应、调节电机运行速度等功能，实现所需功能的集中控制，这就要求系统可以实现远程控制功能，并且实时对现场设备进行监控。第一，大规模集成芯片的产生和广泛应用使得稳定安全的控制系统得到了基本的保证，但是在一些严酷的环境下，系统故障还是时常发生，导致我们生产出来的产品会因为外界扰动配料失调而不合格，所以系统在恶劣环境的抗干扰能力有待提高。第二，在工业生产当中尤其是化学工艺中，对物料的配料精度有着极高的要求，一般的配料自动控制系统很难满足要求，需要开发高精度高灵敏度的设备来实现这类一行业的生产自动化。对于这一点，我们除了在硬件方面采取一些措施，选择性能较高的元器件：也可以在软件编程上面下功夫。第三，现代的工业自动化虽然给我们的生产生活带来了极大的便利，但与此同时对环境也产生了不良影响，我们需要在生产过程中采用一些手段使得我们的生产更环保、更节能，认真贯彻可持续发展战略。通过以上的分析，可以看到配料自动控制系统还要经过一些完善，具有很深刻的研究意义。第2章 配料自动控制系统设计2.1 配料自动控制系统可控直流源的选择直流调速的主要方法是变压调速：即通过改变直流电机的电枢电压来实现调速的目的。调节电枢电压常用的可控直流源有三种1： 1、 旋转变流机组； 2、 静止式可控整流器； 3、 直流斩波器或脉宽调制器。旋转变流机组是至少要包含两台与调速电机容量相当的旋转电机，还需要一台励磁发电机，设备多，体积庞大，费用高，不便于维护，运行噪声大。早已经被淘汰。这里主要对比后两种方案。2.1.1 配料自动控制系统可控直流源的方案比较方案一：静止式可控整流器1957年，晶闸管问世，很快便生产出整套的晶闸管整流装置，使变流技术发生了革命性的变化。通过调节阀装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性2。三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。但是V-M系统在应用时还有很多的缺点：1、 由于晶闸管的单向导电性，要实现四象限运行，必须采用正、反两组全控桥整流电路；2、 晶闸管对过电压和过电流十分敏感，因此必须有可靠地保护电路和符合要求的散热条件；3、 当系统处于深调速状态，晶闸管的导通角度很小，系统功率因数低，会产生很大的谐波电流，引起电网电压的畸变。因此，V-M系统必须添加无功补偿和谐波滤波装置。方案二：直流斩波器通过PWM方式控制直流电机调速的方法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术3。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。2.1.2 配料自动控制系统可控直流源的方案确定PWM系统相对于V-M系统有以下优点4：1、 主电路简单，需要用的电力电子器件少；2、 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热功率都很小；3、 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽；4、 若与快速响应的电机配合，系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；5、 电力电子器件导通损耗小，装置效率高；6、 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。由于本设计所要控制的电机要求响应速度快，基于以上优点，所以系统就是利用脉宽调制器这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。论文中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过控制直流电机电路中的IGBT来控制电机的转速。利用旋转编码器测得电机速度，同时利用霍尔式电流传感器取得到电流信号并将其转化为合适的电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片再送给给单片机，在内部通过软件编程进行运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的自动调速控制。2.2 直流调速系统PWM电路方案设计本设计需要设计一个直流调速系统，根据皮带传输系统所测得的物料重量来调节上一级传输皮带的物料传输速率，即控制直流电机的转速，从而达到控制皮带传输系统上物料重量的目的。由于系统仅需要控制皮带传输加减速，不需要实现电机反转、四象限运行，固选择有制动电流通路的不可逆PWM变换器即可。不可逆PWM变换器电枢平均端电压为： （2-1）= / 定义PWM电压的占空比，改变（）即可调节电动机的转速，控制电机工作于电动、制动和停止运行。2.2.1 PWM变换器控制方案选择采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率5。 硬件调试法：硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波.但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制. 软件生成法：由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法.本设计利用软件编程设置一些关键控制字，实现脉宽调制信号的输出，达到控制的目的。2.2.2 PWM变换器的数学模型根据PWM变换器工作原理和波形分析，可以看出，当控制电压改变时，PWM变换器的输出电压Ud按线性规律变化，但其响应会有延迟6。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可近似看成 （2-2）式中 为脉宽调制器和PWM变换器的放大系数；为PWM变换器的输出电压；为脉宽调制器的控制电压；Ts为PWM装置的延迟时间2.3 配料系统直流调速系统闭环系统方案在本次设计中，电机调速系统采取闭环控制系统，有两种方案可供选择：单闭环调速系统和双闭环调速系统。单闭环调速系统引入转速负反馈，结构简单，参数计算简单，比较容易实现。如果设置PI调节器可以实现无静差调速。随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用PI调节器的单闭环调速系统虽能实现转速的无静差调节，但不能满足较快的动态响应的一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流和转速负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。图2-1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图7。图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统的原理图图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uin，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值。为了获得良好的静、动态性能，两个调节器都采用PI调节器，则有 为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流Id显露出来。两个调节器的作用8：1.转速调节器ASR的作用（1）使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2.电流调节器ACR的作用（1）对电网电压波动起及时抗扰作用。（2）起动时保证获得允许的最大电流。（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。2.4 配料系统自动控制系统的整体方案设计本系统以AT89C52系列单片机为主要控制芯片，首先通过荷重传感器将重量信号转化为电压信号，该电压信号经过滤波、信号放大，将采集到的微弱电信号转化为一定模拟量再送给A/D转换器转换为数字信号，然后送给单片机。通过软件编程，实现针对该输入数字信号的一些算法，由I/O口发送触发脉冲控制信号来控制电力电子变换器的导通角度或者占空比，来控制电机的电枢电压大小，从而达到控制转速变化的目的9。电机控制系统采用转速环、电流环双闭环调速，可以达到迅速控制电机转速变化，快速稳定转速等目的。系统采用高分辨率数字触发器和高精度数字测速装置。其内环是电流反馈及控制环，外环是电动机转速反馈及控制环，内环和外环的调节都是由AT89C52微机软件完成数字PI控制规律的运算。转速检测通过光电码盘将数字信号传送到8253计数芯片，输出的数字转速信号送入主芯片，通过PI算法，调节PWM变换器的占空比，进而达到转速调节的目的。电流检测是通过电流互感器检测出模拟信号，经过滤波和降压环节处理后，送入ADC0809转换器进行转换，输出的数字信号送入主芯片，通过PI算法，进而达到电流调节的目的。对单片机进行编程，通过8279芯片实现转速、重量的LED数码管显示。同时，8279芯片外接一个 44键盘，通过键盘可设置数字来控制系统的启动停止，最终达到一个智能控制的目的。系统的框图如图2-2。图2-2 配料系统自动控制系统框图2.5 配料系统直流调速系统设计2.5.1 配料系统自动控制系统性能及技术要求配料系统自动控制系统是一个控制皮带上电机转速自动加减速和停车的自动配料传输系统。传输速度由测量秤所测得的重量值所确定，以实现让测量秤上的物料重量保持在一定范围内。因此，配料系统自动控制系统必须具有良好的加减速性能，跟随性能如上升时间Tr，调节时间Ts和超调量都要满足一定的要求；另一方面，由于配料系统自动控制系统工作的环境一般情况下比较恶劣，所以在抗扰动上也具有很高的要求：所涉及的系统必须具有抗负载扰动和抗电网电压扰动等动态抗扰性能。直流电动机规格为：额定电压220V，额定电流12.35A，额定转速1500r/min,允许过载倍数=1.5；本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机Z2-32的额定参数PN=2.2kW、UN=220V、IN=12.5A、nN=1500 r/min。励磁电压：220V。转动惯量为J=0.105。最高转速为3000 r/min，重量76kg。综合考虑，对于这个系统的要求有以下几点10：1、 调速系统采用转速、电流双闭环直流调速系统；2、 电流超调量45，转速超调量10%；3、 低速平稳性好，稳定精度好，调速范围广；4、 UPE系统开关频率高，电机损耗，发热量要求小；5、 系统频带宽，动态响应快，抗干扰能力强；6、 有键盘、显示器组成的人机界面，显示器用来显示测量秤上物料的重量和当前皮带的转速；键盘用来设定测量秤所允许的重量裕度。2.5.2 直流电机相关参数的计算1、电枢电阻 一个经验公式，其中认为在额定负载下，电枢铜损占电动机总损耗的，由于是Z2-32型号的直流电动机铜损占总损耗的比例较高，故取，电枢电阻计算公式为 （2-3）代入数据=220V，=12.35A，=2.2kw计算可得=2.34所以电枢电阻为2.34。2、 电动势系数由电机转速计算公式，有 （2-4）代入参数U=220V，=12.35A，=2.34计算得=0.128V/min/r3、 电动机额定励磁下的转矩电流比根据公式 （2-5）代入=0.128V/min/r可得=1.22Nm/A4、 电动机轴上的飞轮转矩计算由 （2-6）其中，代入J=0.105可得 5、 机电时间常数由公式 （2-7）将以上计算结果代入参数计算得=0.159s6、 电磁时间常数 （2-8）其中计算得2.5.3 双闭环稳态工作时静特性双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： （2-9） （2-10） （2-11） 上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算转速反馈系数：电流反馈系数：有关的反馈系数：两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。根据经验公式得0.54V/A 得晶闸管装置放大系数2.5.4 电流调节器和转速调节器的设计一、电流调节器ACR的参数设计设计要求稳态电流无静差，动态指标：电流超调量5%，系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，于是电流环应以跟随性能为主11。设计时可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，要校正成I型系统，显然要用PI型电流调节器，其传递函数为 Ki 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。1.确定时间常数（1）确定时间常数，查表得单相全波电路的平均失控时间=0.005s（2）电流滤波时间常数，可取值为0.005S（3）电流环小时间常数按小时间常数近似处理（4）电磁时间常数2.选择电流调节器结构 选择电流调节器结构根据设计要求5%，而且，于是典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。 3.选择电流调节器参数电流调节器的参数包括和，是超前时间常数，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量, 满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环的影响条件：现在，=43.44/s，满足近似条件。二、转速调节器ASR的参数设计电流环经过简化之后可视作转速环中的一个环节， 整个转速控制系统的动态结构框图如图2-3中的a图。用电流环的等效环节代替原来的电流环节后，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中=+ （2-12） 转速环的结构框图简化为图2-3中的b图。为了实现转速无静差，ASR中必须包含一个积分环节，而在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，所以这个转速环中有两个积分环节，转速环应该设计成典型的II型系统。众所周知，典型的II型系统具有良好的动态抗扰动性能，但其阶跃响应超调量会很大，但按照线性系统理论分析计算的数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，所以ASR也应该采用PI调节器，其传递函数可表示为Kn 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。转速环的动态结构框图简化过程如图2-3。图2-3 双闭环等效结构图转速环的设计步骤如下：1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数2=0.02S（2）转速滤波时间常数，根据经验取值为0.01S（3）转速换小时间常数，按小时间常数近似处理=0.03S2.选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都好的原则，取h=5,则转速调节器的超前时间常数为=0.15S转速开环增益 =133.3/ （2-13） 于是ASR的比例系数 =13.9 （2-14） 3.校验近似条件转速环的截止频率为：20/S(1)转速环传递函数简化条件：，现在=20，几乎等于，满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件：，现在=23.57大于，满足近似条件。（3）转速超调量的核算 当h=5时，查表得能满足设计要求。第3章 配料系统自动控制系统硬件电路设计本章作为整个设计最主要的一章，分析了整个系统的硬件选择和硬件电路设计方案，并确定了各个模块电路图的连接方法。3.1重量信号采集电路3.1.1 传感器选择我们通常把自然界的非电信号通过传感器转换为电信号，并加以放大。然后将放大后的电压经过模数转换后送到单片机中进行数据分析处理，通过编程达到自动控制的目的。本次设计是将重量信号通过传感器转化为电信号，然后通过单片机实现对物体重量的自动检测，并显示在LED屏幕上。要达到设计的性能要求，传感器的精度起着决定性作用。常用的传感器有：电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器。电阻应变式传感器是将非电量的变化转换成与之有一定关系的电阻值变化，其结构简单，精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。是目前应用在测量力、加速度、质量等参数最广泛的应用传感器之一。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。电容式传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性良好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。其结构简单，工作可靠寿命长；灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；线性度和重复性都比较好。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。皮带配料系统自动控制系统需要具有很快的测量速度，而且输出还要具有良好的线性性能，所以电容式传感器和电感式传感器都不能很好的适用于本次设计，固设计所需传感器选用电阻应变式传感器。3.1.2重量信号的采集电路 本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路，用到的是电阻应变传感器半桥式测量电路。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化，电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化，即输出电压的变化反映出重力的变化，电路图如图3-1所示。图3-1 重量信号采集电路当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： （3-1） 当满足条件时，即 （3-2）=0，即电桥平衡。式（3-2）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即,，,按式（3-1），则电桥输出为 3.2重量信号滤波放大电路经由电桥等电路变换后的信号比较微弱而且还有很多干扰信号，难以直接用来显示、记录、控制或进行信号转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节和滤波电路。压力传感器输出的电压信号为毫伏级，其中伴随着一些高频干扰，低频噪声等。所以应该在电路中设置一对大的电解电容滤除低频噪声和一对普通小电容消除高频干扰。另一方面，检测电路对运算放大器要求很高。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。本系统采用AD620芯片对检测到的重量信号进行放大，此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。可通过改变RG的大小来改变放大器的增益。且具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)、较高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最50V)和低失调漂移(最大0.6V/C)特性。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻Rg上。AD620的两个内部增益电阻为24.7 k ,因而增益方程式为 G =49.4 k/Rg + 1 （3-3）对于所需的增益, 则外部控制电阻值为Rg =49.4/（G - 1）k AD620构成的放大器及滤波电路如图3-2所示。图3-2 滤波电路及放大电路电阻R17、R20和电容C9、C10、C11、C12用于滤除前级的噪声，C9、C11为普通小电容，可以滤除高频干扰，C10、C12为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。5.1V稳压管D16的作用是使AD620电压输出低于ADC0809输入最大值，防止造成芯片损坏。3.3 A/D转换电路经过放大电路的信号是一个模拟信号，要实现本次设计的目的必须把它变成数字量才能送入单片机控制系统受理，因此本系统需要用A/D转换器将经过AD620放大得到的模拟信号转换为数字信号。经过资料搜寻，我决定采用8位A/D转换器ADC0809来完成本次设计的A/D转换部分，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8