电动执行器设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页电动执行器设计 摘要电动执行器被广泛应 用 于 各 种 工 业 自 动 化 过 程 的 控 制 环 节 ，能 够 精 确 地 实 现 远程 控 制 。主 要 由 伺 服 放 大 器 和 执 行 器 两 大 部 分 组 成 。电 动 执 行 器 接 受 调 节 器 来 的4-20mA 的 直 流 信 号 ，将 其 线 性 地 转 换 成 机 构 转 角 或 直 线 位 置 位 移 ，用 以 操 作 风 门 、挡 板 、阀 门 等 调 节 机 构 ，以 实 现 自 动 调 节 。本 设 计 的 重 点 是 设 计 电 动 执 行 器 的 控 制部 分 。控 制 部 分 主 要 由 单 片 机 和 可 控 硅 组 成 。其 中 单 片 机 选 用AT89C2051，AT89C2051 单片机是 51 系列单片机的一个成员，是 8051 单片机的简化版。A T89C2051 构成的单片机系统是具有结构最简单 、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的 RAM、ROM 和接口器件，减少了硬件开 销，节省了成本，提高了系统的性价比。可控硅选用 BTA16。本 设计的电动执 行器的控制部分主要是控制伺服电机的正反转。关键词：电动执行器；控制；单片机;可控硅；电机辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页Electric actuator designABSTRACTElectric actuators are widely used in various industrial automation control links, which can realize remote control precisely. Mainly by the servo amplifier and the actuator is composed of two parts, Electric actuator for DC signal regulator to 420mA, the linear conversion mechanism of the angular or linear displacement, to operate a damper, baffle, valve adjustment mechanism, in order to achieve automatic adjustment. The point of this design is to control the design of electric actuator part.Control part is mainly composed of single-chip microcomputer and controlled silicon. The SCM AT89C2051, AT89C2051 microcontroller is a member of the 51 Series MCU, is a simplified version of the 8051 single chip microcomputer. AT89C2051 constitute the SCM system is the most simple structure, low cost, most efficient micro-control system, eliminating the external RAM, ROM and the interface device, reduces the hardware cost, saves the cost, enhances the system performance. Silicon controlled rectifier using BTA16. The control part of the design of the electric actuator is the main positive inversion control servo motor.Keywords: electric actuator, Control; MCU; thyristor; motor辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页目 录第一章 绪论 -11.1 设计的背景和意义 -11.2 概述 -11.3 电动执行器的性能特点 -21.4 电动执行器的发展-2第二章 总体设计方案 -62.1 电动执行器的结构框图-62.2 单片机的选取-72.2.1 单片机的内部结构 -72.2.2 软硬件的开发 -72.2.3 引脚说明 -82.2.4 主要性能 -92.3 输入电路的设计-102.4 防止振荡电路的设计-112.5 信号的比较-142.6 可控硅的选择与说明 -152.7 光电耦合器-172.8 晶振电路-192.9 开关电源模块-202.10 系统总体电路设计-212.10.1 系统设计内容 -212.10.2 电压跟随器的作用 -22第三章 控制电机的程序和设计流程图 -233.1 流程图-23第四章 电动执行器故障分析与维护 -25辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页3.1 注意事项-253.2 故障分析与维护-25结论 -27致谢 -28参考文献 -29辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页第一章 绪论1.1 设计的背景和意义电动执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过电动执行器本身开度的变化，控制阀体等节流件的开度，达到控制流量的目的。电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号，当上位仪表或计算机发出控制信号后，电动执行机构输出轴按照信号大小比例地动作，使阀门或风门开到相对应的开度，并将系统开度信号反馈回控制室内，从而完成系统的调节功能。然而，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，同时也是最为常见的电动执行器。 随着经济社会的不断发展，科技的日异月新，电力电子也同样取得了巨大的发展和进步。新型材料以及新型半导体的应用，逐渐产生了以电子换相代替传统电刷机械换相的无刷直流电动机。1955年，美国 Harrison 等人首次申请了应用晶体管换相替代电动机机械换相的专利，这边是无刷直流电动机的雏形。1962年，借助霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机的问世开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。1978年，原联邦德国 MANNESMANN 公司的 Indramat 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC 无刷直流电动机及其驱动系统，标志无刷直流电动机正式迈入实际使用阶段。本文的研究方向为设计一种具有实用价值的电动执行器。宗旨是通过对电动执行器的设计，综合应用所学各门专业知识，并且掌握电动执行器的基本原理，熟悉单片机设计、电路设计的基本方法及步骤，锻炼机电设计的能力。1.2 概述电动执行器（又称为电动执行机构） 英文名称：Electronic Actuator 对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页能装源并通过电机、气缸或其它置将其转化成驱动作用。应 用 于 各 种 工 业 自 动 化 过 程控 制 环 节 。按 照 运 动 方 式 分 为 ： 角 行 程 、 直 行 程 和 多 转 式 。优 点 是 能 源 取 用 方 便 ， 信 号 传 输 速 度 快 ， 传 输 距 离 远 ， 便 于 集 中 控 制 ， 灵 敏 度和 精 度 较 高 ， 与 电 动 调 节 仪 表 配 合 方 便 ， 安 装 接 线 简 单 。 缺 点 是 结 构 复 杂 ， 平 均故 障 率 高 于 气 动 执 行 机 构 ， 适 用 于 防 爆 要 求 不 高 ， 气 源 缺 乏 的 场 所 。1.3 电动执行器的性能特点1 功能强劲：智能型、比例式、开关式、各类信号输出型应有尽有。 2 体积小巧：体积仅相当于同类产品的 35左右。 3 轻便宜人：重量仅相当于同类产品的 30左右。 4 性能可靠：轴承牙口电器元件等关键零部件采用进口名牌产品。 5 美观大方：铝合金压铸外壳、精细流畅、且可减少电磁干扰。 6 精密耐磨：蜗轮输出轴一体化特殊铝合金锻造、强度高、耐磨性好。7 回差极小：蜗轮输出轴一体化、避免了键联结的间隙、传动精度高。 8 安全保证：通过 1500V 耐压检测，F 级绝缘电机，安全有保障。 9 套简单：采用单相电源、外接线路特别简单，也可做 380V、直流电源。 10 使用方便：免加油、免点检、防水防锈、任意角度安装。 11 保护装置：双重限位、过热保护、过载保护（选装） 。 12 多种速度：全行程时间 5 秒、10 秒、15 秒、30 秒、60 秒、100 秒等。 13 防腐防锈：支架、联轴器、螺钉均采用不锈钢。 14 智能数控：数字设定、数字整定、高度精确、自诊断、一机多能。 15 集成一体：智能控制模块高度集成于电动装置本体中，无须外接定位器等1.4 电动执行器的发展国内状况：我国自行设计开发的电动执行机构产品,目前形成较大批量生产能力的有 ZAJ、ZAZ 型小功率电动执行机构和 DDZ-、 型电动单元组合仪表电动执行机构。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页由于现场条件不同,对执行机构也提出一些新的特殊要求,如冶金行业提出快速型执行机构(全行程时间为 10 s);电力系统中一些高温、高压调节阀需用多转式电动执行机构;造纸行业中的纸浆流量控制需要精密型步进电动执行机构,而目前主要存在的问题是:功能参数缺少大于 6 kN#m 规格的执行机构;死区较大,为 3%;缺少力矩保护、行程保护机构,电动执行器一旦失去输入信号,就会引起阀门的迅速关闭,反馈信号一旦失去,也会造成严重后果。我国电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的，60 年代末 70 年代初，逐步发展了 DDZ型和 DDZ型产品。80 年代以来，随着电力电子技术的发展，电动执行器发展快速，无触点的 DKJ 型角行程和 DKZ 型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，DKJ，DKZ 是我国最早的，唯一生产的电动执行器，此产品以结构简单，经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。今天，DKJ，DKZ 系列与以前相比有了两大实质性改进：1 生产出直接受计算机控制的智能电子型，户外型，隔爆型等改进型产品；2 将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于维护的即插即用型。因此，普通 DKJ 型和 DKZ 型的可靠性，精度，负载能力，信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求降低了很多；目前国内普遍使用 DKJ 型和 DKZ 型两大类产品，一些企业使用 DKJ，DKZ 的更新换代产品，但在控制要求较高的实验，生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正埋设自动控制水平。国际状况：自 1929 年 LIMITORQUE 公司制造出了世界第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。20 世纪 80 年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外已开发出新一代智能电动执行机构产品，电子计算机技术，微机控制技术已在阀门设计中得到广泛应用。这些智能化电动执行器功能强大，简单可靠，技辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页术先进。国际上智能电动执行器有以下特点：1 智能通信，智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信，PID 调节，在线自动标定，自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平。2 机电一体化新型智能电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。3 控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。Nucom 电动执行器利用先进的电制动技术，控制精度可达 1/250，国产的普通型 DKJ 电动执行器控制精度一般为 2.5/100。电动执行器的总体发展状况：电力电子技术，计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯取代模拟；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更加强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。1 总线化，网络化国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接 口和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系 统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线现场总线企业网作为今后控 制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化优点，使它与 Internet 的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。现场总线技术的 应用，取代了传统的 420mA 模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态，故障，参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及 工程成本。目前有影响的现场总线主要有 PROFIBUS，FF，HART，CAN 等，其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发 了一些带现场总线接口的智能执行器。2 数字化，智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页理器将全面代替模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完 全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模 糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组成，但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显 著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。相对气动液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行 器将不断扩大应用范围。3 小型化，机电一体化电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前，智能电动执行器一 般将整个控制回路线装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体，电动执行器一体化，使得执行顺的安装与调试工作都得到了简化。将整个控制回路装在一台现场仪表里,又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响,提高了系统的可靠性。国际上,电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展,国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距,具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。本文旨在找到我们与世界在电动执行器方面的差距,明确目标,通过我们的努力尽快减小国产电动执行器与世界先进水平的差距。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页第二章 总体设计方案2.1 电动执行器的结构框图电动执行器的结构原理框图如下图所示：输入信号反馈信号图 2.1 电动执行器工作原理框图由框图可知，电动执行器主要由放大器，单片机，电机，减速器，制动装置和位置发送器这几部分组成。放大器接受来自调节器的输入信号和位置发送器的反馈信号，经比较放大后输送给单片机，单片机根据输送来的电平的高低来控制电机的正反转。若输入信号大于反馈信号则电机正转，若反馈信号大于输入信号则电机反转。若输入信号等于反馈信号则电机停止转动。电动执行器是一个用二相交流伺服电机为原动机的位置伺服机构，当输入端无输入信号时，伺服放大器无输出，输出轴稳定在预选好的零位上，当输入端有输入信号时，伺服放大器把输入信号 Ii 和来自位置发送器的反馈信号 If 相比较，得一偏差信号，这一偏差信号使功率放大后，驱动伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角，输出轴转角的改变，经位置发送器转换成相应的反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端当位置反馈信号与输入信号数值相等时，伺服电机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相应的位置上。放大器 单片机 电机 减速器位置发送器制动装置辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页2.2 单片机的选取 本设计选用单片机 TA89C2051，AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用。2.2.1 单片机的内部结构AT89C2051是一个带有2K 字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位 CMOS 微处理器。它采用 ATMEL 的高密非易失存储技术制造并和工业标准 MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的 CPLI 和闪速存储器，ATMEL 的 AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。AT89C2051提供以下标准功能：2K 字节闪速存储器 ，128字节 RAM，15根 I/O 口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止 CPU 工作但允许 RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。2.2.2 软硬件的开发AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。1、由于89C2051内部程序存贮器为 Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的 MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。但是做这种调试不能够了解片内 RAM 的内容和程序的走向等有关信息。2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中 P1.0P1.7 和 P3.0P3.6引出来仿真辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1 口、 P3口的增强下拉能力等等。2.2.3 引脚说明AT89C2051的引脚图如图2.2所示图 2.2 AT89C2051芯片引脚图1、VCC：电源电压。2、GND：地。3、P1口：P1口是一个8位双向 I/O 口。口引脚 P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和 P1.1要求外部上拉电阻。P1.0 和 P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA 电流并能直接驱动 LED 显示。当 P1口引脚写入 “1”时，其可用作输入端，当引脚 P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。4、P3口：P3口的 P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻 的七个双向 I/O 口引脚。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页P3.6用于固定输入片内 比较器 的输出信号并且它作为一通用 I/O 引脚而不可访问。P3 口缓冲器可吸收20mA 电流。当 P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的 P3口脚将用上拉电阻而流出电流。P3口还接收一些用于 闪速存储器 编程和程序校验的控制信号。5、RST：复位输入。 RST 一旦变成高电平所有的 I/O 引脚就复位到“1 ”。当振荡器正在运行时，持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。6、XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。7、XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。2.2.4 主要性能1、和 MCS-51产品兼容；2、2KB 可重编程 FLASH 存储器（10000次） ；3、2.7-6V 电压范围；4、全静态工作：0Hz-24MHz；5、2级程序存储器保密锁定；6、128*8位内部 RAM；7、15条可编程 I/O 线；8、两个16位定时器/计数器；9、6个中断源；10、可编程串行通道；11、高精度电压比较器（P1.0，P1.1 ，P3.6） ；辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页12、直接驱动 LED 的输出端口。2.3 输入电路的设计电动执行器接受来自调节器的 420mA 的直流电流信号，经 I/V 转换后转换成15V 的电压信号，与来自位置发送器的反馈信号相比较，将比较的结果输送至单片机进行电机正反转的控制。由于来自位置发送器的反馈信号不稳定，所以应用了运放组成的加减运算电路及比例运算来调节，使两个电压信号的值相匹配，在比较时更容易计算。输入部分的电路图如图 2.3 所示：R5100kR2100k R6100kRf2100kR7100kRf3100kR10100kR11100k32 1411U2ALM22432 1411U8ALM22432 1411U1ALM224R3100kR12100k-12V+12V-12V+12V-12V+12Vu0VFVLVIN1Vu2u3if1ilV+V- i-if2i+i6Rf3100kR9100k32 1411U1ALM224-12V+12Vu4R8100kRf2500k图 2.3 输入电路根据虚短虚断： 0FLi1f辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页101/)(/)( fL RuvRv)/(11fFfV)/()/( 1110 fFfffLf RVRRu LFFf )(/1比例运算：根据虚短虚断： 0i26f213)0 /)(/( fRuRu6021 LFf V)(/1f2INVu假设来自位置发送器的反馈信号 ，在减法运算电路中，将 调为VF)42(LV2V，经过减法运算电路运算后， ，在比例运算电路中，比例系数V0的数值可以是大于，等于或小于 1 的任何值。电路中用两个反相比例运算电61/Rf路是为了调节输出电压的正反相。为了便于运算，将比例系数调为 2，即经过比例运算后， ，来自调节器的输入信号为 (15)V，经过减法运算电路运算VF)40( INV后变为(04)V，这样 和 在比较时更容易计算。FVIN2.4 防止振荡电路的设计过程控制系统投入自动状态经常会 遇到民动执行机构 出现这种振荡现象，振荡的频率也较高。由于这种振荡现象的存在，极易引起磁放大器的故障，此外，由于电辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页动执行机构经常处于振荡状态下运行，严重影响机构的使用寿命。因此，在调节系统中应消除这种振荡，以保证调节系统的正常运行。引起执行机构阀位振荡的原因较多,现结合设计、安装调试及运行的经验，说明引起执行机构振荡的原因及消除的方法。（1）电动、执行 器阀位反馈小回路振荡，产生振荡的原因主要有以下两个方面。a 由于磁放大器的不灵敏区 g 太小，磁放大器过于灵敏，使执行器小回路无法稳定而生产振荡。b 当执行机构失去制动作用而产生惰走现象时，也会引起执行机构小回路振荡。针对上述引起执行机构振荡的原因，对磁放大器不灵敏g 太小引起振荡，根据运行中的经验，把磁放大器的不灵敏区 g 调在 120-140 A 时可以消除小回路振荡。对于执行机构失去制动应查出机构失去制动的原因给以排除。（2）由于信号源波动而造成执行机构的振荡。可以在系统设计地，在回路中加入阻尼器环节，也可在管路中加机械滤波缓冲的装置。用机械阻尼的方法减少变送器输出信号的波动，以至消除机构的振荡。（3）由于调节系统参数整定不当而引起系统振荡，使执行机构振荡。调节器的参数整定不适合，会引起系统产生不同程度的振荡。对于单回睡调节系统，比例带过小、积分时间过短、微分时间和微分增益过大都可能产生系统振荡。对于多回路系统和单回路系统有共性的问题外，还存在着回路之产的相互影响，由于参数整定不合适产生各回路间的共振。对于上述原因引起执行机构的振荡，可能在系统整定时合理的选择这些参数，使回路都要保持所要的稳定裕度。（4）由于调节阀门流量特性太陡或阀门运行在小 开度时，引起调节器过调而使执行机构振荡。当调节阀流量特性太陡时，被调量只需加油站小的偏差就将使被调介质产生较的变化，往往使调节过头，使系统产生振荡。由于调节阀门的特性受工艺条件限制，较难修改时，可以把调节的比例带适当增加，以改善调节品质。（5）由于执行机构以联杆和调节阀门闸的联接件的游隙和间隙。所有联接件应按三级精度配合制造。执行机构的振荡是运行中常见的一种故障现象，直接影响调节品质，其内在原因也是多方面的，在分析和排队故障原因时，要从系统构成安装调试多方面去分析故障辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页原因，再设法进行消除。防止振荡电路图如图 2.4 所示：32 1411U8ALM22432 1411U11ALM22432 1411U10ALM224R22100kR25100kR23100kR10 100kR14100kR11100kR12100kRf4100kRf6100kR24100kR13POT2+5 -12v+12v-12v+12v-12v+12vu6u7u2u5u4图 2.4 防止振荡电路图在本设计中采用了加减运算电路来消除振荡，在控制电机正转的电路中，当来自调节器的信号大于反馈信号时，电机正转。但是，当电机正转的过程中，若反馈信号大于或等于来自调节器的信号时，电机反转或者停止转动，这样就产生了振荡，在本设计中采用了加减运算电路来消除振荡。在控制电机正转的电路中采用了减法运算电路来消除干扰电机正转的振荡，用电位器来调节参数值的大小。当电机正转的过程中，若反馈信号大于或等于来自调节器的信号时，减法运算电路减去电位器调节的值使得来自调节器的信号始终大于反馈信号，保证电机正常正转。在控制电机反转的电路中采用了加法运算电路来消除干扰电机反转的振荡。当电机反转的过程中，若反馈信号小于或等于来自调节器的信号时，加法运算电路加上电位器调节的值使得反馈信号始辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页终大于来自调节器的信号，保证电机正常反转。图 2.4 中，u5 是一个很小的值，电位器用来调节 u5 的大小，在控制电机正转的电路中采用了减法运算电路来消除干扰电机正转的振荡。在减法运算电路中，当电机正转的过程中，若反馈信号突然大于或等于来自调节器的信号，则由减法运算电路原理可知： ，保证来自调节器的信号始终大于反馈信号，电机持续正转。当526u电机反转的过程中，若反馈信号突然小于或等于来自调节器的信号时，在加法运算电路中，则由加法运算电路原理可知： ，保证反馈信号始终大于来自调节547u器的信号，电机持续反转。所以，用加减运算电路能有效的消除振荡。2.5 信号的比较经过加减运算和比例运算电路的处理后，来自调节器的信号和反馈信号进行相比较。本设计采用运算放大器进行两信号的比较。两信号比较的电路图如图 3.5 所示：321411U12ALM224321411U13ALM224R15100kR16100kD1ZENER2-12v+12v-12v+12vD2ZENER2p3.0p3.1u7u6图 2.5 信号比较电路图输入信号与反馈信号经过加减运算的处理后分别作为运算放大器的正相输入和反相辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页输入输送给运算放大器进行比较。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，即：输出电压=A0（E1-E2） ，其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍） ，E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。如图 2.5 所示：第一个运算放大器的作用：E1 为来自调节器的输入电压， E2 为反馈电压，经过运算放大器的运算处理后，输出电压=A0（E1-E2） ，若 E1E2，即来自调节器的电压大于反馈电压，则输出为高电平，这个高电平输送到单片机后，单片机的 P1.7 引脚输出低电平，可控硅 Q1 导通，电机正转。若 E1=E2，即来自调节器的电压等于反馈电压，则输出高电平，可控硅 Q1 截止，若 E1E2，即反馈电压大于来自调节器的电压，输出高电平，则单片机的 P1.6 引脚输出为低电平，可控硅 Q2 导通，电机反转。若 E1=E2，即反馈电压等于来自调节器的电压，输出为低电平，则单片机的 P1.6引脚输出也为高电平电平，可控硅 Q2 截止，电机停止转动。若 E1E2,即反馈电压小于来自调节器的电压，输出电压为负，输入到单片机后，单片机不做任何处理，P1.6没有输出。2.6 可控硅的选择与说明可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。本设计选用型号为 BTA16 的双向可控硅。器件型号:BTA16-600 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页封装形式: TO-220脚位排列: T1-T2-G （A1-A2-G）；A1 主电极，A2 主电极，G 门极图 2.6 BTA16 引脚图主要参数: 电流-IT(RMS): 16.0A 电压-VDRM: 600V 触发电流: IGT 18-25mA 双向可控硅的工作原理1.可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成 当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极G 输入一个正向触发信号，BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流 ic2再经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到 BG2的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页即使控制极 G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。可控硅控制电机正反转电路图如图3-4所示：Q1TRIACQ2TRIACR29100KR28100K456321JP2U10456321JP1U9R26100K+5VR27 100K+5VZHENGFAN+5V212122222323 交交交交C5COMPONENT_2ACLACLACNRST/VPP1 P30(RXD)2P31(TXD)3 XTAL24XTAL15 P32(INT0)6P33(INT1)7 P34(T0)8P35(T1)9 GND10 P37 11P10(AIN0) 12P11(AIN1)13P12 14P13 15P1416P15 17P16 18P1719VCC 20U889C2051GNDP3.0P3.1YYCRYSTALC715PFC615PFR3110KC810uF+5V图 2.7 单片机控制电机正反转电路图当单片机的 p1.7 引脚输出低电平时，可控硅 Q1 导通，电机正转；当单片机的引脚 p1.6 输出低电平时，可控硅 Q2 导通，电机反转。2.7 光电耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为 OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被 光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。 光电耦合器充当隔离器件，是利用光电耦合器具有很高的输入输出绝缘性能和光电变换，可构成固态继电器， 使电气完全隔离或输出与负载隔离；构成交、直电源电路隔离，使交流、直流电源相互独立；光电耦合器充当传递信号，利用电光电的转换，使输入输出间互相隔离，且电信号传输具单向性等特点，具备既隔离辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页又能传递信号。执行机构的驱动电路由 MOC3081 和双向晶闸管等器件组成。MOC3081 的输入控制电流 15mA，过零检测电压值为 20V，输出额定电压是 600V，最大重复浪涌电流为1A，输出输入隔离电压大于 7500V。驱动电路的触发部分如图 2 所示。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管其工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就可以实现电一光一电的转换。图 2.8 光电耦合器光耦的基本结构是将光发射器(红外发光二极管、红外 LED)和光敏器(硅光电探测敏感器件)的芯片封装在同一外壳内,并用透明树脂灌封充填作光传递介质,通常将光发射器的管脚作输入端,光敏器的引脚作为输出端。当输入端加电信号后,光发射器在电信号的作用下将其转换成光信号,其光的强弱与信号电流成正比,此光照射到封装在一起的受光器上后,再转变成输出电流加到负载上,从而完成电)光)电转换。此种信号传输方式的优点是信号回路与输出回路完全隔离,即没有电的直接连接,可以各自采用独立的电源系统,特别适用于长距离信号传输。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页2.8 晶振电路在 单 片 机 电 路 中 晶 振 的 作 用 非 常 大 ， 结 合 单 片 机 内 部 的 电 路 ， 产 生 单 片 机 所 必需 的 时 钟 频 率 ， 单 片 机 的 一 切 指 令 的 执 行 都 是 建 立 在 晶 振 的 基 础 上 。晶 振 利 用 一 种 特 殊 的 晶 体 ， 在 电 能 和 机 械 能 之 间 相 互 转 化 产 生 共 振 ， 提 供 稳 定 精确 的 单 频 震 荡 ， 为 系 统 提 供 基 本 的 时 钟 信 号 。2.9 晶振电路晶振电路的作用：晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。这个脉冲就是单片机的工作速度。比如12M 晶振。单片机工作速度就是每秒 12M。和电脑的 CPU 概念一样。当然。单片机的工作频率是有范围的。不能太大。一般 24M 就不上去了。不然不稳定。 接地的话数字电路弄的来乱一点也无所谓。看板子上有没有模拟电路。接地方式也是不固定的。一般串联式接地。从小信号到大信号依次接。然后小信号连到接地来削减偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在 10pf-50pf 之间都可以的，没有什么计算公式。但是主流是接入两个 33pf 的瓷片电容，所以还是随主流。 晶振电路的原理 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 2.9 开关电源模块 开关电源模块是给电路中的运放电路供电的，其中输出的+5V 是给单片机供电。如图所示电路为输出电压+12V、-12V ，输出电流 1.5A 的稳压电源。它由电源变压器B，滤波电容 C1、C3 ，防止自激电容 C2、C4 和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。 220V 交流电通过电源变压器变换成交流低压，滤波电容 C1 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C3 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。如图所示 LM7805 稳压电源电路中，各个电容都有各自的作用，其中L1N2Vo+ 3GND 4Vo- 5U6DIANYUAN+-C22.2uFC11.0uFVin1GND2+5V 3U7 LM7805CTC30.33uFC40.1uF+5VGND-12V+12VACLACN图2.10 开关电源模块C1 为整流滤波电容，它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波很小的直流电压，它的容量与负载有关，一般说，负载越重，C1的值要求越大，具体计算此处从略。C2 为 LM7805稳压集成电路所要求的，尤其当 LM7805与整流电路的滤波电容（此处为 C1)不是紧紧连接的情况更是必不可少的，它用于稳定 LM7805内部放大器的辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页工作状态，它的数值生为产厂家规定值，不得小于0.33微法，它的连接必须尽可能紧连LM7805的1脚和2脚。C3也为 LM7805稳压集成电路所要求的，它用于稳定 LM7805内部放大器的工作状态，同时改善电压调整的过渡响应。它的数值为生产厂家规定值，不得小于0.1微法。C4为负载电路退耦电容，它对负载提供一个端距离的本地回路，其数值与负载工作方式有关。2.10 系统总体电路设计2.10.1 系统设计内容用单片机 AT89C2051 控制电机正反转。在此将由 89C2051 的 P1.7、P1.6 通过可控硅控制电机正反转，当 P3.0 输入高电平时，P1.7 输出低电平，P1.6 输出高电平时，可控硅 Q1 导通，而可控硅 Q2 截止，从而导致电机正转；当 P3.1 输入高电平时，P1.7 输出高电平，P1.6 输出低电平，可控硅 Q1 截止，Q2 导通，电机反转。 Rf1100KR5100KR2100KR7100KR3100KR1POT2D1DIODE SCHOTKYD2DIODE SCHOTKYQ1TRIACQ2TRIACR29100KR28100K32 141U2ALM22432 141U4ALM22432 184U5ALM19356 7U5BLM193+5R20100kR19100kR15100kR16100kR18100kVINRf5100kR21100k456321JP2U10456321JP1U9R4POT2+5R17POT2+51VFANKLINGDIANR6100K32 141U1ALM22456 7U1BLM224109 8U1CLM224109 8U2CLM224213 14U1DLM224R1410KR22100K+5R13POT2R23100KR25100KRf4100KRf6100KP3.0P3.1R26100K+5VR27100K+5VZHENGFANR24100kL1N2Vo+ 3GND 4Vo- 5U6DIANYUAN+-C22.2uFC11.0uFVin1GND2+5V 3U7 LM7805CTC30.33uF C40.1uF+5VGND-12V+12V-12V+12V+5V21212222 2323交交交交C5COMPONENT_2ACLACLACN+12V-12V -12V+12V-12V+12VR9100K56 7U2BLM224Rf3100KR8100K R10100kR12100kR11100kRST/VP1 P30(RXD)2 P31(TXD)3XTAL24 XTAL15 P32(INT0)6P33(INT1)7 P34(T0)8 P35(T1)9GND10 P37 11P10(AIN0) 12P11(AIN1)13P12 14P13 15P14 16P15 17P1618P17 19VC 20U889C2051GNDP3.0P3.11213 14U2DLM224109 8 U4CLM22456 7 U4BLM224YYCRYSTALC715PFC615PFRF2500K