气动射种装置的设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】
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第三章 气动射种装置的电路设计 17 第三章 气动射种装置的电路设计 制装置的设计 本装置中的控制主要是对牵引电磁阀、步进电动机、 二位二通电磁阀的通电 、延时及断电的控制。 初步应用 制器 进行控制 ， 其控制流程图如图 6 所示 。具体控制过程为：系统初始化，牵引电磁铁和步进电动机同时得电工作，通电延时 5 秒，电磁铁断电，延时 5 秒；二位二通电磁阀得电，延时 2 秒，电磁阀断电，一个循环结束，系统控制进入下一个循环。 如图 3示 图 3制流程图 第三章 气动射种装置的电路设计 18 制电路综述 根据装置的动作顺序，控制电路采取开环控制：直接对 气动 电磁阀和 牵引 电磁铁进行控制，同时对步进电机进行起停控制。具体的控制过程为：（ 1）步进电机的驱动轴转动 一定的角 度实现排种后停止，等待下一次 的脉冲 信号（ 2） 牵引电磁铁通电吸合将种子排入射种腔中，然后断电复位；（ 3） 气动 电磁阀通电吸合实现一次射种后断电复位。一 次射种完成后进入下一次射种循环 。这是一个循环过程，期间并没有反馈信息，所以无论是软件还是硬件的设计都应该采取简单可靠的方式设计。从步进电机动作停止到送种电磁铁动作，中间需要有一段时间的延时，这样才能保证种子落入进种口。送种电磁铁的通电和断电之间也有延时，这个时间并不 确定 还 需要具体试验过程中随时的调整，通过对试验结果的分析来确定最佳的时间，因为时间的长短关系到射种腔里面的气压大小的问题。电磁阀的通、断电延时也需要在试验过程中调整。 进电机的选择 步进电机的基本原理 步 进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号作为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电 机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为 “步距角 ”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控 制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为 100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机的优点 1、步进电机的角位移 与输入的脉冲数严格成正比，它没有累计误差，具有第三章 气动射种装置的电路设计 19 良好的跟随性。 2、由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，即非常简单、廉价，又非常可靠，同时，可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3、步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 4、 动作灵敏： 步进电机因为加速性能优越 ,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。 5、 开回路控制、不必依赖 传感器定位： 步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器 (速发电机 )及位置传感器 (就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。 6、 中低速时具备高转矩： 步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 7 、 高信赖性： 使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。 8、 小型 、高功率： 步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。 9、 高精度的定位： 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以 5 相步进电机为例：其定位基本单位 (分辨率 )为 全步级 )/半步级 )，是非常小的；停止定位精度误差皆在 3 分 (以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。 (步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度 ) 10、 位置及速度控制： 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵 活的角度控制 (位置控制 )，并可得到与该脉冲信号周波数 (频率 )成比例的回转速度。 动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下： 第三章 气动射种装置的电路设计 20 1、脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或 生，一般脉冲信号的占空比为 右，电机转速越高，占空比则越大。 2、信号分配 感应子式步进电机以二 、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为 ；二相八拍为 ,步距角为 。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为 步 距 角 为 ； 四 相 八 拍 为步距角为 ）。 3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 4、细分驱动器 在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机， 细分驱动器的原理是通过改变相邻（ A， B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的 ，如下图示。 步进电机的应用 （一）步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 第三章 气动射种装置的电路设计 21 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上 ，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 /（五相电机）、 （二、四相电机）、 /3 度 （三相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况 下，静力矩应为摩擦负载的 2内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤： 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： 第三章 气动射种装置的电路设计 22 P= M =2n/60 P=20 其 P 为功率单位为 瓦，为每秒角速度，单位为弧度， n 为每分钟转速， 米 P=200(半步工作） 其中 f 为每秒脉冲数 （简称 (二）、 应用中的注意点 1、 步进电机 在 1000）间 通过减速装置 在此间工作，工作效率高，噪音低 。因此步进电机一般应在低速 场合使用。 2、 步进电机 在整步状态时整振动比较大，所 以步进电机最好不要使用整步状态。 3、 值得注意的是 只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机的电压值 并 不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议： 57用直流 2486用直流 50V,110用高于直流 80V），当然 12 伏的电压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 4、 转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用 逐渐升频提速，一 可使 电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位 精度。 6、 高精度时，应通过机械减速、提高电机速度 ,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵 7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8、电机在 600）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。 第三章 气动射种装置的电路设计 23 制系统的程序运行 图 3制系统原理图 图 3控制系统的原理接线图，图 4 中 出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时 至 输入接点 经 至 部的 数 脉冲数，当达到预定值时发生中断，使 脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图 3 3制梯形图 控制系统的运行程序：第一句是将 零，即为 行计数做准备 ;第二句第五句是建立参数表，参数存放在以 首地址的数据寄存器区 ;最后一句是启动 令，执行到这句则从 始取出设定的参数并完成相应的控制要求。 由第一句可知第一个参数是 式的特征值 ，由此规定了输出方式。第二个参数是 应脉冲频率为 500是 出频率为 500三个参数是 按此频率发 1000 个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是 以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。 第三章 气动射种装置的电路设计 24 磁铁的选择和控制 磁铁的选择 该套系统所采用的牵引电磁铁为 列，适用于交流 50 赫兹电压至 380伏的控制线路中，作为机械设备及自动化系 统的各种操作机构的远距离控制之用，其中额定吸力有 358，但是额定吸力越大，相应的电磁铁的体积越大，占用的空间越大，不利于装配及整体布置。电磁铁的选用不仅决定于复位弹簧的选择类型，也取决于其所控制的机构所要实现的功能。对于送种机构，电磁铁牵引活塞杆只是将种子输送到射水腔内，阻力并不很大，电磁铁选用 。 磁铁的控制 电磁铁的驱动电压为 220V，电路无法直接提供驱动电源，需要另外加继电器作为驱动开关。继电器选用 943其额定工作电 压 250V，可以在 220电器采用 5V 电压驱动，通过单片机的指令来控制继电器的开、合，继而控制电磁铁的吸合。其控制原理如图 3所示。 可编程控制器（ 简称 20 世纪 70 年代美国数字设备公司（ 美国通用公司 应用于自动装配线上的能适应工业环境的通用控制装置，取得试用后已很快的速度发展起来。 在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种控制设备，由于它具有功能强 、可靠性高、配 置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点， 已经被广泛应用于自动控制的各电磁铁控制回路 控制信号 9103 220 图 3磁铁控制示意图 第三章 气动射种装置的电路设计 25 个领域，并成为生产自动化的支柱产业。 优点 1、可靠性高，抗干扰能力强。 在各种恶劣的环境下工作，且可靠性很高，远远超过了传统的继电器控制和计算机控制系统，可以说到目前为止尚无任何一种控制系统的可靠性达到和超过 2、编程简单，易于掌握。使用面向问题、面向控制过程的梯形图编程语言，使得即使是未掌握专门计算机知识的人也能很快掌握。 3、组合灵活，使用方便。用户无需进行硬件的二次开发，因为它可以灵活方便 的 组合成各种不同模型、不同功能的控制系统。控制系统接线简单，工作量小，使用、维护都很方便。 4、功能好，通用性好。它运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。 5、开发周期短，成功率高。 6、体积小，重量轻，功耗低。 用了半导体集成电器 ，其体积小，重量轻，功耗低，是一种理想的机电一体化控制器。 选择 取了继电器控制的优点又才采用了微型计算机（简称 术，但和比在工作原理、 工作方式、还是 在用途性存在很大差别。 1、 干扰能力较 2、 编程比 单 3、 成的控制系统设计调试周期短 4、 于操作，人员培训时间短 5、 于维修 随着 能的不断增强，越来越多的采用微机技术，两者之间的界限也越来越模糊， 考虑各方面因素，例如：气动射种装置仅限于初级试验阶段，试验装置体积小且需要不断组合、调试，资金有限，试验工作环境恶劣要求控制系统有较高的抗干扰能力，另外本人在计算机编程方面理论知识秋欠缺，对于 有第三章 气动射种装置的电路设计 26 所了解，总上各种因素本装
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