混合器控制原理说明书

1、机电一体化课程设计 题 目：混合器控制原理 设计班级：机制1001（部分学生） 学生姓名： 指导教师： 二一三年七月山东理工大学卓越工程师班目录一、课题背景3二、设计要求3三、设计方案4四、采集模块的设计4五、步进电动机驱动10六、控制电路设计12参考文献一、课题背景混合器在12V内燃机中主要作用是控制混合气体通过碟门的流量来调节内燃机的发电效率，我们又通过控制碟门开启的程度来保证气体的流量。我们所需要设计的就是通过一个系统实现对碟门的位置精确控制的智能化操作，提高我们对通入混合气体控制的精确性和操作的简单可行性。二、设计要求通过控制系统实现由步进电动机控制碟门运动。标定碟门最大最小位置反馈的

2、电压信号，通过输入中间百分比值来实现步进电动机的运动。三、设计方案通过对设计要求的分析可知，此系统主要通过步进电动机控制碟门开关的程度来控制气体的流量，控制指令根据需要由显示屏人工输入。该系统需要具备的功能为对信号的采集、处理、分析，信号反馈，电动机控制，运算处理。方案设计如下图：采集处理模块显示屏控制输入运算处理电路（PLC控制）控制输出（步进电动机）碟门 反馈信号图1、系统设计信号采集后需要对信号进行分析处理后才能接入PLC控制器中，其采集处理过程如下图：采样-保持A/D转换信号处理传感器信号源 电信号 模拟信号 PLC采样-保持信号处理传感器信号源 图2、信号采集处理过程步进电动机驱动原

3、理如下图： 驱动电源负载步进电动机环形分配器功率驱动器指令脉冲 输出图3、步进电动机驱动原理四、采集模块的设计 采集处理模块中需要用到的元件有：传感器、放大器、采样-保持器、A/D转换器等。 4.1位置传感器的选择 在该系统中位置传感器主要用于测定碟门开启的位置，它安装在碟门上，用来向PLC控制器提供碟门的开启状态的信息。它开启的角度大小，反映着进气量大小的情况，通过反馈信号从而控制气体的流量。位置传感器主要用是通过检测，确定被测物是否到达某一位置。位置传感器分接触式和接近式两种，所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息的一种传感器；而接近式传感器就是用来判别在某一范围内有某一物体的

4、一种传感器。在此我们使用的是接近式传感器，测定碟门所处的位置，根据与碟门最大最小位置的比较,就可在显示屏中输入我们所需要数值。接近式传感器按其工作原理主要分：电磁式、光电式、静电容式、气压式和声波式。通过综合分析，由于光电式传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易于TTL和CMOS电路兼容等优点，所以最终选择使用透光型光电传感器。4.2放大器的选择在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往比较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。如下图4，为三个运放组成的测量放大器，差动输入端U1和U2分别

5、是两个运算放大器（A1、A2）D的同相输入端，因此输入阻抗很高。采用对称电路结构，而且传感器输出信号直接加到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。图4、测量放大器工作原理测量放大器的放大倍数由下式确定AU=U0U2-U1AU=RfR(1+Rf1+Rf2RW)这种电路，只要运算放大器A1和A2性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称），其漂移将大大减小，具有高输入阻抗，高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于检测远距离传输过来的信号，因而很适合与微小信号输出的传感器配合使用。RW是用来调整放大倍数的外接电阻，最好用多圈电位器。如上图，左边两个运

6、放若采用7650，则放大效果非常好。4.3采样-保持器的选择一、传感器信号的采样/保持当传感器将非电物理量转换成电量，并经放大、滤波等系列处理后，需经模/数转换器变换成数字量，才能输入到计算机系统。在对模拟信号进行模/数转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输出信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换后又能跟踪输入信号的变化，即：使输入信号处于采样保持。能完成这种功能的器件叫做采样/保持器。从上面分析可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器

7、”。在模拟量输出通道，卫视输出得到一个平滑的模拟信号，或对多通道进行分时控制，也常采用采样/保持器。二、采样/保持器原理采样/保持由存储器电容C、模拟开关S等组成。如图5所示，当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C两端一直保持S断开时的电压（称保持阶段）。由此构成一个简单的采样/保持器。实际上为使采样/保持器具有足够的精度，一般在输入级和输出级均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。在电容选择时，使其大小适宜，以保证其时间常数适中，并且其漏泄要小。图5、 采样/保持原理随着大规模集成电路技术的发展，目前已产生出多种集成采样/保持器。集成采样/保持器的

8、特点是：1）采样速度快、精度高，一般在22.5us，即达到0.01%0.003%精度。2）下降速度慢，如AD585，AD348为0.5mV/ms，SD389为0.1uV/ms。正因为集成采样/保持器有许多优点，因此得到了极为广泛的应用。本次实习采用LF398集成采样/保持器。下图6为LF398原理图。从图可知，其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。图6、 LF398采样/保持器原理图控制电路中A3主要起到比较器的作用；其中7脚为控制逻辑参考电压输入端，8脚为控制逻辑电压输入端。当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，A3输出一个低电平信号驱动开关S闭合，此时输入经A1后跟随输出到A2

9、，再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容（接6端）充电；而当控制端逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开关S断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。LF398由场效应管构成，具有采样速度高、保持电压下降满以及精度高等特点。当作为单一放大器时，其直流增益精度为0.002%，采样时间小于6us时精度可达0.01%；输入偏置电压的调整只需在偏置端（2脚）调整即可，并且在不降低偏置电流的情况下，带宽允许为1MHz。其主要技术指标有：1）工作电压：518V。2）采样时间：小于10

10、us。3）可与TTL、PMOS、CMOS兼容。4）当保持电容为0.01uF时，典型保持步长为0.5mV。5）低输入漂移，保持状态下输入特性不变。6）在采样或保持状态时高电源抑制。图7 、LF398外引脚图4.4A/D转换器的选择A/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。在数据采集通道中，采集-保持器和A/D转换器是必不可少的，其他部分可根据实际需要增减。我们选择使用8位A/D转换器ADC0808/0809。1）电路组成及转换原理 ADC0808/0809都是含8位A/D转换器、8路多路开关，以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部有一个

11、高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。其原理框图如下图：图8、ADC0808/0809原理图由于这种A/D转换器无需进行零位和满量程调整，多路开关地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可以锁存，所以易于与微型计算机接口连接。如图可以看出，ADC0808/0809由两部分组成。第一部分为8通道多路模拟开关，计算机通过控制C、B、A地址端子和地址锁存允许端子ALE，可是其中一个通道被选中。第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻

12、辑、数字量输出锁存缓冲器、逐次逼近型寄存器以及开关数组（8位）和256R电阻分压器组成。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后送到开关数组。以控制开关S7S0是否与参考电平相连。参考电平经256R电阻网络输出一个模拟电压UC，UC与输出模拟量UX在比较器中进行比较，当UXUC时，该位Di=0；当UXUC时，则移位Di=1，且一直保持到结束。照此处理，从D7D0比较8次即可逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量UX所相当的数字量等值。此数字量送入输出锁存缓冲器，并同时发出转换结束信号。2）ADC0808/0809的时序图如下图：图9、ADC0808/0809的时序图如上图9可

13、以看出，启动脉冲START和地质所存允许脉冲ALE的上升沿将地址送至地址锁存器和译码器，量经C、B、A选择开关所指定的通道送至A/D转换器。在START信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近。此时，转换结束信号EOC呈低电平状态。五、步进电动机驱动 由于步进电机在工作时，只是需要控制碟门的开关，克服部分进气压强，所以其工作负载不大，同时考虑到方便PLC控制，所以选择型号: 110BF004的磁阻式步进电机。其主要参数如下：相数: 3步距角(): 0.75电压/V: 30相电流/A: 4最大静转矩/(Nm): 4.9空载起动频率/(step/s): 500 电感/m

14、H: 56.5电阻/: 0.72分配方式: 三相六拍外形尺寸/mm: 110110质量/kg: 5.5步进电机的运行特性与配套使用的电源有密切关系。驱动电源由环形脉冲分配器、功率放大器组成（如图10）驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动循环的供给各相绕组，以驱动电机的正反向旋转。但是从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流只需要几毫安，不能直接驱动电机，必须采用功率放大器将脉冲电流放大，使其增加到几至几十倍从而驱动电机运转。功率放大器的结构原理图（如图11）所示。步进电动机功率驱动接口包含脉冲分配器和功率放大器两部分。5.1脉冲分配器的实现方法脉冲分配器有

15、两种形式，一种是由专用环形分配集成电路或时序逻辑电路构成的硬件分配器，如（图10）所示的CH250三相步进电动机的脉冲分配器集成电路，下表为其功能真值表，它能产生双三拍或单六拍（三相六拍）两种分配脉冲方式，并且有正反向控制。表1 CH250功能真值表CLENJ3RJ3LJR6J6L功能11000双三拍正传10100双三拍反传10010单六拍反传10001单六拍正传01000双三拍正传00100双三拍反传00010单六拍正传00001单六拍反传x1xxxx不变x0xxxx不变0xxxxx不变1xxxxx不变CH250的基本电气参数如下：工作电压 UDD=10V，输入电流IIN=1A，输入阻抗20

16、M,输出电流IOH=300A，IOL=300A。如下（图10）为CH250构成三相六拍的硬件接线图原理，起步时R置1，使环形分配器进入单拍程序。EN接受由控制计算机拍发送的步进脉冲，C为转向控制端。C为“1”时，输出A0、B0、C0、为正转顺序；C为“0”时，输出A0、B0、C0、为反转顺序，PE端为输出允许端，PE=1为有效。图10、电动机驱动原理图5.2步进电动机功率放大从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增加到几安培甚至几十安培，从而驱动步进电动机。功率放大电路的结构形式对步进电动机的工作性能有

17、十分重要的作用，本次实习采用双电压功率放大电路。电路结构如图11所示，图中使用U1和U2两个直流电源，U1为高电压（80150V），U2为低电压（520V），V1、V2为两个大功率晶体管。其中V1是高压开关管，V2是功率驱动管；VD1是U2的钳位二极管，它在V1导通时截止。在V1截止时，由于VD1正向偏置而向步进电动机绕组提供低电源U2；VD2是续流二极管，在V1、V2都截止时向绕组提供放电回路。双电压功效放大电路需要两个基极控制信号（u1和uh），要保证高压开关信号uh与步进信号（低压控制信号）u1的上升沿在时间上一致，u1的脉冲宽度uh的脉冲宽度。在实际应用中，uh是由u1来产生的，即把u

18、1通过一个微分电路之后再整形得到uh；也可以把u1通过一个单稳态电路产生uh，当然单稳态的延时时间必须小于u1的脉冲宽度。图11、 双电源功率放大电路结构图六、控制电路设计可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID

19、控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有70多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数

20、据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。6.1位置控制原理现场碟门通过位置传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送PLC，模拟量输出控制，将PLC中PID控制器输出通过ADC0808/0809 AO输出0-5V电压，该0-5V电压作为输入信号，该模块将接收的0-5V电压就可以通过PLC控制步进电动机从而实现碟门的位置控制。当通过位置传感器采集的碟门位置偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给步进电动机，促使测量值

21、恢复到给定值，达到自动控制的效果。6.2 CPU控制器该次课程设计我们选择西门子PLC200（221、224、226都可），和一般的微机一样，CPU是微机PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。CPU控制着PLC工作，通过读取、解释指令，指导PLC有条不紊的工作。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。6.3执行机构在次我们选用步进电动机来作为碟门位置控制系统的执行机构。6.4调节器的选择通过分析我们选用DTZ-2100D型调节器。它是全刻度指示调节器，是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型