（车辆工程专业论文）液氮冷冻干燥仪的机械设计及智能控制系统研究.pdf

东南人学硕士学 f ，论文 论文题目：液氮冷冻干燥仪的机械设计及智能控制系统研究 作者：陈大林硕士研究生东南大学机械工程系 指导教师：任祖平副教授东南大学机械工程系 摘要 本文研究的内容是液氮冷冻干燥仪的机械设计及智能控制系统开发设计。主要包括冷冻干燥仪 的机械结构布局设计、仪器零部件的三维建模以及加t 零件图设计，系统控制算法的设计，控制系 统的硬件电路设计，编制相应的控制软件和仪器组装及相府的软硬件调试等。 存机械结构设计力向，主要根据仪器所需得到的试验功能，运用= 维建模软件p r o e 进行零部 件的立体建模，以及a u t o c a d 进行加上零件图设计。 在控制系统硬件电路设计方面，采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 芯片为丰控芯片，以及显示 专用芯片h d 7 2 7 9 a 。简化了电路结构，提高了系统的稳定性。本文在分析芯片内部结构和功能的基 础上，进行系统硬件的总体设计，设计了电源电路、控制电路、键显电路、传感器榆测量运算处珲 电路，步进电机驱动电路、通信电路和保护电路等：同时，在硬件电路中采取了酌干扰措施，提高 了系统的抗干扰能力，确保了系统安全可靠的工作。 通过对步进电机驱动技术的详细研究，开发研制出一种新犁的步进电机细分驱动器。从而使步 迸电动机步印细化，分辨率提高，振动、噪声和转矩波动问题得到很大改善，运行更为平稳。开发 研制出相应的单片机控制系统。 在系统控制算法的设计方面，采用模糊p i d 控制器，把线性p i d 控制引入了模糊控制系统的设计 中，采用f u z z y p i d 双横控制，在大误差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，当温度偏差在设定 的小范围时，采用f 0 统线性p i d 控制器进行细节调整，同时根据专家经验及模拟仿真，设计出最合理 的控制开关值。 存软件设计方面，采用模块化的程序设计方法，将各个功能模块独立编程。完成了主程序、基 本中断服务子程序和功能模块子程序的设计。在主程序中实现芯片的初始化，在基本中断服务程序 巾，完成参数和中断程序的设定。在功能模块程序中，实现对步进电机的启动，细分驱动控制，实 现键显功能以及a d 转换功能等。 关键字；结构设计、单片机、步进电机、细分驱动，模糊p i d 、模块化设计、抗干扰设计 东南太学碗士学位论文 t h ed e s i g no f t h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o nf o rt h ef r e e z e - d r y i n ga p p a r a t u sa n d r e s e a r c ho f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m b y c h e nd a * “n d e 毗，o f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y s u p e r v i s e d 毋r e nz 巾p i n gd e p t o f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t t a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no f t h el i q u i dn i t r o g e nf r e e z e - d r y i n ga p p a r a t u s , t h e n e wt y p ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d e ss t e p p m gm o t o ra n da t 8 9 c 5 2m c uw d e v e l o p e d t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e 庭s y s t e me x p e r i m e n t a t i o nh a db e e nf i n i s h e di nt h i ss y s t e m 。 t h ec a dm o d e l i n g 胛t h ei n s t r u m e n ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em i e r o e o n t r o l l e ru n i ta t 8 9 c 5 2 a n dt h es p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i th d 7 2 7 9 aw a eu s e da st h em a i ne o n t r o l l e ri nt h es y s t e m t h ep o w e r c i r c u i t ，t h ec o n t r o lc i r c u i t , t h ed r i v ea n o f fc i r c u i ta n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i tw e r ea l lg i v e n t h ea n t i - j a m m i n gm e t h o d sw e r ea p p l i e di nt h eh a r d w a r ec 矾u ha n ds o f t w a r e , w h i c hm a d et h es y s t e mw o r k e ds a f e a n dr e l i 曲l 盎 b a s e d 0 1 3 t h e d r i v e r t e c h n o l o g y o f s t e p m o t o r , a n e w t y p es u b d i v i s i o nd r i v e r w a s d e v e l o p e d , w h i c h m a d e t h e s t e p m o t o r d r i v e r h a d a h i g h d i s t i n g u i s h a b i l i t y , r e d u c e d t h e v i b r a t i o na n d t h e y a w p , a n d a l s o s o l v e d t h e t o r q u e f l u c t u a t e p r o b l e m ，m a d e t h es t e p m o t o rr u n n i n g m o r es t a b i l i z a t i o n f u z z y - p i dc o n t r o l l e r h a db e e n d e s i g n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n t h e l i n e a r i t y p i d c o n 扭o la r i t h m e t i c h a d b e e n b r o u g h t t o t h e f u z z yc o n t r o l s y s t e m ，w h e n t h e t o l e r a n c e w a s b i g t h a n t h es t a n d $ d n u m e r i c a l v a l u e , t h es y s t e ma d o p t e dt h ef u z z yc o n t r o l l e r ；o t h e r w i s et h es y s t e mu s e dt h et r a d i t i o n a ll i n e a r i t yp i dc o n t r o l l e r m e a n w h i l et h em o s to p t i m i z es w i t c hv a l u eh a db e e nf o u n d t h em o d u l a r i z e dd e s i g nw a su s e di nt h es o f t w a r es y s t e m + t h ed e s i g no fm a i np r o g r a mm o d u l e , t h e b a s i c p r o g r a m m o d u l e a n d t h e f u n c t i o n p r o g r a m m o d u l e w e 偿i n t r o d u c e d f i r s t , t h e f u n c t i o n o f s y s t e m w a s i n i t i a l i z e di nt h em a i np r o g r a m s e c o n d ，t h er u n n i n gp a r a m e t e r sa n dt h ei n t e r r u p tc o n t r o lw e r ep r e s e n t e di n t h eb a s i cp r o g r a mm o d u l e 。f i n a l l y , t h es t a r t i n g , s u b d i v i s i o nd r i v e ro f t h es t e pm o t o rw e r er e a l i z e d , t h ek e y a n dd i s p l a yp r o g r a ma n dt h e a dc o n v e r s i o np r o g r a mw c o m p l e t e di nt h ef u n c t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：s t r u c t u r ed e s i g n ，m i e r o e o n t r o l l e r 、s t e pm o t o r 、s u b d i v i s i o nd r i v e r ，f u z z y - p i d 、m o d u l a r i z e d d e s i g n 、a n t i - j a m m i n g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 隘! ：埠日期：埴盥口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：l 盘查翻： 导师签名： 期： ； 襄露大学碛+ 学短论文 1 1 概述 第一章绪论 随着对物体低温特性研究豹目益深入，需要在低温条件下进彳予材性特性测量试验越柬越多。但 嗣孵低温豹实验仪及棚应的控温仪还比较少撼，丽且普遍存在控制鞲度诋，仪器成本较端的现象。 蘩蓑国产豹低瀑控滠纹蛰遽存在控裁瀑嚣院鞍窑豹袋熹，一般冷冻激发大都疰一筠左表，这令滋疫霹 予缀多盼材瓣试验来说，还是不能满足试验瓣要求，同时，现有曹遍采蠲的冷冻仪的冷冻对阍避长，如果 所需温度更低时，那所需的时间将会以十几倍的速率增长，对资源感一个巨人的浪费；另一个缺点是控制 精度低，一般偏斧i 是到2 左右，远不能满足商精度检测的要求；并且在控制算法方面生要采h j 普通 的p i d 算法米进行瀛艘的控制，由于工作人员不容易掌握p 、i 、d 参数的合理设置方法，进一步造成了 过渡过程时闻的延长和控制精度的降低，同时在调节时波动不易控制。国外的同类设备性能较好，但 箕价格+ 分暴贵，嚣鼯硪蒯一静掰犁豹冷冻予媛仪器是有一定靛社会现实意义静。 l 。2 利用模糊p l 参原理在溢度控制研究方面的曩酌糯意义 液氮冷冻干燥仪戆把温度作为控制参数之一，根据实际检测的温度值偏差输出步：i 电机控制量， 带动冷冻干燥仪工作。最终达到预设温度假。温度参数是典型的非线性的、纯滞后的被控对象。当 前的工业过程控制中，对于温度控制系统的控制算法设计上，传统的p i d 控制算法占有主导地位，但 是传统的p i d 在解决激发参数这秘复杂的、嚣线性的、对变的被控j c 寸象方面会碰到困难，藤模粕p i d 控铡霹疆舂效缝解决这个壅难。 模糊挖潮逶避麓专家静经验或手动撩俸入受长赣积累静经验憨维成的若干鬣鲻，采耀薅便、快 捷、灵活的手段来完成那些肘经典和现代投制手段雉以完成的自动化和智能化的g 标。传统p i d 广泛 用于工业过程控制巾，具有算法简单，可靠性高、稳态误差小等优点。但是p i d 参数的熬惫幽难，即 使当时整定好了，嬲被控系统由于外界干扰因素等原因改变了，则控制效果不理想。一般的二维模 糊控制器具有p d 调带功能，但缺少积分功能，因而稳态时有静态谈箍。模糊p i d 控制器将模糊控制和 烈啦割的各骞往点缝合起来，取长补短。熊褒复杂的工韭环境下舆嚣适应髓力强，反癌快，鲁捧性 转，稳态误筹夸，撬予拣强等霞纛”韭2 l 。 模糊控铡是智髓控制静一个重要分支，辔以下优点：营先，不需要被控靠系统斡数学模型：第 = ，在实际中可以根据经验建立较好的非线性控制器而不需要复杂的数学。这些优点决定了模糊控 制的实用性。当然。对于任何方法，都需黧在其技术优点及缺点之间进行妥协，模糊控制也不例外。 适当采_ j 模糊控制可以显著缩短产品研究和开发时间并减少费用。建立一套系统的，党替的模糊控 制理论以解决模糊控制的机理，稳定性分析，系统纯设计方法、新型自适应模糊控制系绕、神经模 糊控制系统豹势掇与设计等一系列翘题班斑遴撰期控翻静发震。瓣辩把是经取褥静理论磅究成果应 瑁到工程实际生产窜，器挟转证为生产力。掰窍这些帮其毒穰羹簧的意义。随着模粕控澍建论的不 断发展和应娜，模糊控制技术将为= 业过稷控制开辟新的应用途径，前景十分光明l j l l 4 1 。 1 3 模糊控制技术的现状及发展 1 3 。l 模糊控制技术在国内的现状及发展 中重楚等今婪 器上公认熬模糊理论援黧之，已被摸期理论创始入z a d e h 列为与g 本，美謦，致 湄赛瘸懿模糊磅究瓣鞫令主要国家之一。 早在上世纪七十年代中勰，我国就开始模糊理论的研究与廊用，我国科学家在国内外专业谢物 上发表了上千篇研究学术论文，山版了二十余部专著。现任国际模糊系统协会副土席的j b 师大汀培 庄教授及其同事们研究的主要理论有：模糊落影理论，因素空间，宾值流理论等，f 谯模糊理论用 于地膜生产、诊断型专家系统以及开发上业等方面取得了一批成果。 在对模糊数学理论研究方面，我国也露许多应删成果。我嗣煅甲把模糊理论；l 入气苏联报、地 震鞭测秘裹妒冶炼羧剩等方瑟应弼瓣国家。穗工程设谤方垂发曩了较 譬理论，著求褥最经设计方案； l 第一章绪论 研究山许多专家系统，特别是返j l j j 模糊数学方法描述中医经验；并且在交通网、水管网，通信网， 可靠性分析方面也有了实际应用功能。 尤其注目的是，西南交通人学智能控制开发中心自1 9 8 6 年开始研究模糊控制的理论和技术以来， 先后多次主持和参加了国家自然科学基金项目、省部级项目，“8 6 3 ”高科技项目。该中心开展了模 糊控制器的研制，在模糊控制方面形成了自己的一整套理论与应用方法，1 9 9 1 年研制成功了较通用 的模糊控制系统，并将其用了二电烤箱，热水器，压力，液面等的控制，效果令人满意。他们研制的 多级、多通道模糊控制器已与厂方合作，用丁回火炉，喷补机的控制，亦可与变频器连接实现工业 过程的自动控制。 另外，我国在模糊家电方面虽然产品品种和数茸还不多。但巳迈出了可喜的一步：随着世界模 糊家电的迅速发展，国内许多有识之士都看准了这一高新技术的必然趋势以及其易于盈利的特点， 从1 9 9 0 年开始运用模糊控制技术开发智能化家电。国内许多厂家联合科研单位、大专院校投入了大 量的资金，有的还与外商合资，着手开发、生产模糊家电。近年来，国产的模糊洗农机、模糊空调 器、模糊电视机等的问世报道不时见诸报端【4 l 【5 j 。 由于模糊控制技术是当今世界最先进的控制技术之一，目前已被列为国家重点发展项目。国家 发改委、国家技术监督局已经决定推进中国模糊技术现代化。一个迅速、全面发展模糊控制技术产 品的新时期正等着我们去努开拓。 1 3 2 糊控制技术在国外的现状及发展 z a d e h 教授在1 9 6 5 年发表第一篇关于模糊集合的论文时，他认为模糊集合理论适合应用于所谓人 文系统( h u m a n i s t i cs y s t e m s ) 。模糊理论白它诞生之日起便显示了强大的生命力：1 9 7 4 年英国的马丹 尼( e h 1 i a 衄a n i ) 首次将模糊理论应用于热电厂的蒸汽机控制：1 9 7 6 年英国的汤哥( r t o n g ) 写出第一 本理论性模糊控制方面的论文。之后，美国、日本、英国等先后将模糊控制理论应用于机器人、航 天、生产过程等领域。模糊控制技术进入应用深入化，硬件专门化的时期，模糊控制取得了丰硕的 成果： 在日本：上世纪8 0 年代，安信诚二、宫本捷二以及井原广一首次把模糊控制应用于工程实际， 即基于模糊控制的列车定付停止控制。日本三菱电气公司生产的a j 一2 1 0 0 电梯群控系统采h j 了模糊控 制，减少了1 5 一2 0 的平均等待时间 1 1 3 0 一4 0 的长等待时间；营野道丈的专著模糊控制出版表 明日本模糊控制从理论到应用都居于世界前列。从1 9 9 1 年剑现在日本在神经元模糊学习算法和自组 织模糊控制等有了新的成果。日本松下电器公司于1 9 9 0 年推出了“爱妻”模糊全自动洗衣机 ( n a - f 5 0 y 5 ) ，在省电方面效果很好：日本三洋公司把模糊控制应用到了电视摄象机、空调机、压力 电子炉、电饭锅、机器人控制系统中，均取得了满意的效果。 在美国：1 9 8 8 年5 月在美国德州休斯顿n a s a 约翰逊航天中心召开的第一届神经网络和模糊逻辑麻 用技术研讨会，这预示了美国政府对模糊技术开始重视。1 9 9 2 年，i e e e 神经网络协会( n n c ) 发起召开 第一届i e e e 模糊系统国际会议，1 9 9 3 年在美国i e e e 神经网络协会新创办了国际性模糊逻辑专业杂忐 模糊系统季刊，有力地促进并将继续推动模糊逻辑技术的发展。美国国防部除了休斯顿的约翰 逊宇航中心把模糊逻辑应用了二航天飞机的对接和姿态控制外，傍于华盛顿d c ，向马里兰州方向郊区 的n a s a 格达特宇航飞行中心，把模糊逻辑应用于机器人控制和图象处理，另外尚在研究把模糊逻辑 应川于双臂机器人组装空间站自动控制、避撞控制，轨道生成系统。加州斯坦福人学附件的n a s a 艾 姆兹研究中心也正在进行信息处理的模糊应用研究。美国各人学也对模糊控制理论和应用做出很人 贡献：柏克莱加州大学的扎德教授是模糊理论的创始人：南加州人学考斯科( b a r t k o s k o ) 教授提出模 糊认知图、模糊联想记忆( f a m ) 等新概念；佛罗里达州大学有康搪尔教授为首的一批研究人员在图象 模糊识别和模糊数据库方面的研究取得了较大的进展。曲佛罗里达大学由于1 9 9 3 年1 月创刊的 i e e e ( 模糊系统杂忐创始人和土编l c 贝兹德克( j a m e seb e z d e k ) 博十在该校的计算机科学系任职 而出名：杜克大学的玛利诺斯( p e t e r n m a r i n o s ) 教授在1 9 6 7 年就提出用通_ h j 数字逻辑“与”、“或” 门来组成模糊逻辑运算电路的方法：北卡罗米纳州立大学的渡边博+ 和后来在加州成立第一个模糊 技术专业公司的户贝方规( t o g e i m a s a k l ) 博士在1 9 8 5 年研究并开发出数字电路的模糊推理芯片州i ，j 。 2 东南大学顾十学位论文 1 4 步进电动机的特点及其应用限制因素 1 4 1 步进电动机的主要特点 步进电动机是一种新型电动机，是数字控制系统的一种执行元件。它是利用电脉冲信号进行控 制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的电动机，因此又被称为是脉冲电动机。就是说， 给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其角位移量( 或线位移s ) 与脉冲数成正比。 它的转速n ( 或线速度v ) 与脉冲频率f 成正比。这些关系在负载能力范围内不随电源电压，负载大小， 环境条什的波动而变化。步进电动机可以在宽j 1 的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速 起一停，正一反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点。 在自动控制系统中，常常需要有将数字信号转换为角位移或线付移的电磁装置，步进电动机的 工作特点恰好符合此要求。因此，它广。泛的应刚于数控机床，绘图机，轧钢机自动控制，计算装置， 自动记录仪等自动控制系统及自动装置中，用做转换元件或者调节元件。可以说，步进电动机天生 就是一种离散运动的装置。 由步进电动机组成的步进传动系统具有以下优点p n ”： ( 1 ) 步进电机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内在的联系，很容易和其 它数字器件进行接口。 ( 2 ) 对于步进电机，位置误差无积累。 ( 3 ) 步进电机可以位置开环方式进行控制，位置开环不需要任何位置反馈环节，系统结构简单， 不存在系统不稳定问题。 ( 4 ) 采用永磁式或混合式步进电机，除停转期间消耗的电能较小外，还具有记忆转矩功能，可以 在停电的条件f 将转子锁定在特定的位置上。 ( 5 ) 系统简单实用，设计容易。 随着微处理器在数控技术中的推广应用，步进电动机的发展前景正在一步一步拓宽。 1 4 2 步进电机应用中的一些制约因素 步进电动机是根据组合电磁铁理论设计的，力求各相绕组之间没有互感，定转子都采用凸极结 构，尽量去增加定位转矩的幅值和定位精度，速度控制和调选放在次要地位。由于电动机各绕组之 间的磁场是彼此孤立的，没有形成一个统一的大小不随时间变化的磁场，所以在开关每相绕组时总 遇剑很人的电感。电动机的电气时间常数利机械时间常数都比较大。电动机的效率和容量都较低， 运行性能也因此受到限制。 从应用的角度来看，严重制约步进电动机的两个问题就是失步和振荡。由于步进电动机在大多 数情况下采用开环运行的方式，对转子位置不做检测，它的土要运行性能指标完全依赖于供电电源， 负载，和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停j p 频率超过突跳频率，电机高速运行的 脉冲超过了连续运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩等。值得注意的一个特点是同一般交直流 电动机不同，步进电动机和驱动电源是一个有机的整体，一台步进电动机的运行性能是电机和驱动 电源二者结合的综合效果。通过改善电源的性能，可以一定程度上减小运行中失步的可能”j 。 步进电动机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电动机在极低频率下做连续步进运行， 即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程， 转于是按自由振荡频率振荡儿次才衰减剑新的平衡位置而停止下来。这种运行状态为具有步进特征 的迕续运行状态。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量 越大，振荡的趋势越厉害。当脉冲频率等于或者接近于自由振荡频率五或者石k ( k = 1 ，2 ，3 ) 时， 如果阻尼作埘不强，就会出现严重的振荡甚至失步和无法j = 作。这就是步进电机的低频共振现象。 一般不允许在共振频率下运行。从驱动电源的方面米看，使用细分电路可以较为有效的解决低频共 振的危害。本文就是针对这一问题展开了工作。 第一章绪论 1 5 本课题研究的主要内容及意义 为了艇予我嚣开展榜辩蘸温下特经参数豹研究，并毒效的降低安耱成本，我翻搿发设计了一个 实验添泼礅至l _ 6 。蕊 黼装置及萁裰痰的控溢仪，傻粥液氮镧冷这到眈较宽瓣控翻漩区，嗣辩本 仪器采用真空干燥技术，利用真空环境中气体对流效应，太人缩短了冷冻干燥的时问。楚台仪器的成本 较低，控制精度较高。 在实鼯测量中，当需要在某静特定的温度下对测试样品进行测裁时，温度条纷越器满足直接影 响霸测蘩静建确性与结论。一般，j 、撵菇瓣热褰夺，瀑壤变纯捩，受终雾彰嘛 较天，舞豆在实际馒 用中还要有其他的参数需要测荤控制。所以需要对温度的控制精确稳定，减少被测样晶温度值的麓 荡，并需要减少和其他仪器的噪声干扰。为此我们在测蟥、采样、回控等环节上都采取了一些特殊 的处理方法。采用光电藕合方法和多次平均算法，都可以有效减少对拉温仪的干扰；在控制算法中 采建摸糊p i d 篓法，计嚣毽合理输出动率建，毒效 辔铡旋测撵燕潺霾蕊戆过狰，劳熊够抉速达到设 定濡度。觚两实现温度的智能亿叁动控制，并使控制髑期大大缩短，黼时还提高了羟俸精度。其俸 工作如下： 1 机械结构部分设计：冷冻干燥仪主要由液氮贮存罐、试验工作罐体、传动机构及幼力执行机构等 主要都传缀戒。主要的机械设计任务为报撼试验要求设计幽液氮贮存罐、谶t 蜉罐体及其相关配件等部 箨静翻上黧纸，著考瘩毫g l 之闻的配合联翁密封等翊莲。选择转魂方案、传动砉l l l 瓠稼，巍簸簧动罄髂懿 结构图纸设计，并考虑寰装干涉问题，进行整体布局设计。 2 硬件控制电路设计：考虑要求的控制精度较高，温度传感器选用p t l 0 0 型铂热电阻温度传感 器。p t l 0 0 瓣温穗廑寓、稳定性好，由手传感器电阻霆，和温度t 之间麴关系是 # 线性的，为了消除 非线性辩浏温精度的影响，在硬件电鼹巾设计了非线饿的校正电路。翔时设计传感嚣信号滤波放大 电路。主控制芯片采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机为控制核心，系统实时采集温度信号，然后经 过a d 5 7 4 转换为数字倍母，存入a t 8 9 c 5 2 中，由单片机送显示器显示、同时送串行通信口发送给上 霞扭记录保存。电路扳豹设诗主要使羽p r o t e l9 9 s e 寒进行计算机辘勘设计完成，在琢理捌设计完 成戳焉壤精p r o t e l9 9 s e 萋静佐囊穰浃避行蓣仿真+ 露成p c b 袄赢，翻瑁仿真器遴褥在线傍囊，程 序无误餍，可以将控制程序固化。最后完成控制电路设计。 3 伺服步进电机控制器的设计：主耍设计步进电机的细分驱动电路，消除步进电机的振荡和失 步等影确，提高饲服精魔和控制效果。 4 。投戮莽法设诤：揪冻于澡纹袋羯智能证麴模猢p i d 控裁篝法，模期控剩楚一耪基予语言羧 则与模糊推理的智能控制，它模仿人类带有模糊性的控割行为，将操作人员自然语亩式的经验总缔 成控制规则，并基于这贱规则，进行模糊推理等过程，生成控制晕。算法简单、快遵、鲁棒性强， 但是模糊拄制对输入变黛的处理是离散的，且没有积分环节，控制精度不如p i d 控制，而将模糊控 制与豢援p i d 控割摆终仑，健系统蓑联动态性及稳态性豹特点。莠凌诗出摸糊p i d 殿模控铡熬开关 僮。 5 系统软件设计：主要包括系统主彩序、定时器t 0 中断服务程序、a d 转换子程序，数据处理和 控制子稃序、模糊推理子程序和串行通信中断服务子稃序等。 6 谯以上的工作基础土，进行软键t 调试与控制器壤体封装，将加芏完戏豹部件进雩亍组装，注意 蘸静之阉豹联结密嚣，缀装游考虑撬 撬褥( 步遴电橇) 与控裁嚣之褥纛搴隔褰空闻。缀装完簌磊， 首先进静传感器的温度校正，度量值等物理簟的测量。完善传感器测避电路和控制锌法程序。再将 控制器件进行整体封装。控制器罄体封装要做到接口简单、方便实川、整齐美观。骤考虑剑电源的 方便供给和相互之间的抗干扰；引出线采用屏蔽线，攘强标准化；内部布置应合理分层，固定良好 著要存躐缝臻薅稠散热瓣毅。 4 东南大学硕士学位论文 第二章液氮冷冻干燥仪的工作机理及其机械结构设计 液氮冷冻干燥仪采用了真空冷冻干燥技术以及使用了液氮作为制冷剂，了解冷冻干燥技术的基 本原理对其仪器结构设计有着很重要的影响冈素。 2 1 真空冷冻干燥技术 冷冻干燥是先将物料冻结到其共晶点以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的压强下使冰直 接升华为水蒸汽，再将水蒸汽除左，从而获得干燥制品的技术。由丁通常是在真空环境卜使冰升华， 所以又叫真空冷冻干燥i i j 。 2 1 1 纯水升华机理 水有三种相态，即 嗣态、液态和气态，三种相之间可以相互转换，也可以共存。在低压下水的相变 过程和常压下大体相似，但相变时的具体温度不同例如在1 0 3 p a 压力下，固体水转化为液态水的温度 略高于0 ，而液态水转化为蒸汽的温度为6 3 c ，可见降低压力后冰点变化不大而沸点却大大降低 了。当压力降低到某一值时，沸点即与冰点重合，固态冰就可以不经过液态，而直接转化为气态，这 时的压力称为三相点压力，相应的温度为三相点温度水的三相点压力为昂= 6 0 1 5 p a ，三相点温度 为+ o 0 0 9 8 ( 2 在压力低于三相点压力时，固态水直接转化为气态，称为升华图2 - 1 为水的相平衡图”o j o 图2 一l水的相平衡图 图2 1 中以压力为纵坐标，o a 线为水汽分界线，又叫蒸发( 汽化) 线或冷凝曲线线上水汽共存，是 水汽两相的平衡状态m 线上的a 点是临界点，该点压力为2 1 8 x 1 0 7 p a ，温度为3 7 4 c ，在此点上液态 水不存在。0 b 线为冰水两相分界线，又叫熔( 融) 解线，线上冰水共存，是冰水两相的平衡状态。它不能 无限的向上延伸，只能到2 1 0 8 p a 和- - 2 0 ( 2 左右的状态再升高压力，相图复杂化o c 线为冰汽交界线， 又称升华或凝聚曲线。线上冰汽共存，是冰汽两相的平衡状态。从理论上讲，0 c 线可以延伸到绝对零度。 0 c 线也是固态冰的蒸汽压曲线，它表明不同温度卜冰的蒸汽压。由该曲线可知，冰的蒸汽压随温度降 低而降低，具体数据如表2 1 。 由上所述，当蒸汽压大于6 1 0 p a 时，冰只能先融化为水，然后再由水转化为水蒸汽，而当冰周围 的蒸汽压低于6 1 0 p a 时，冰可直接转化为水蒸汽，这就是升华干燥的理论基础可见升华的两个基本条 件：一是保持冰不融化；二是冰周围的水蒸汽压必须低于6 1 0 p a 此处的压强指的是水蒸汽分压，而不 是总压。 冰在升华时需要吸收热量，所吸收的热量总称为升华热不同温度下冰的升华热不同，表2 2 为不 同冰的升华热。 升华干燥时，需要不停地向冰品供热，以提供升华所需的热量。但如果所供给的热龟大于冰所需 的热茸，多余的热鼍就会被冰作为显热吸收，导致冰温上升。当温度上升到冰点时，冰就会融化。所以 即使冰处下总压远低于二相点压力的环境中，但如果加热不当，它也可能融化。如果冰表面的水蒸汽 5 笙三皇堕墨堡堡堡堡塑三堡塑里墨塾墨堡竺塑堡盐 压低于冰的饱和蒸汽压，则一部分冰升华为水蒸汽，使水蒸汽压增高。当水蒸汽压增高到等丁此温度 下冰的饱和蒸汽压时。冰与水蒸汽达到平衡，宏观上表现为冰停止升华。 表2 1 不同温度下冰、水的饱和蒸汽压 绝对压强 温度 ( k p a ) ( k g c m 2 ) ( ) 0 1 1 x i o - 2o 1 1 2 2 1 0 46 0 0 3 0 1 0 叶 o 3 0 6 1 0 4- 5 0 o 1 2 9 x1 0 10 1 3 1 6 x1 0 0 - 4 0 0 3 9 6 1 0 10 4 0 4 x1 0 。 - 3 0 o 1 0 4o 1 0 6 1 0 叶 - 2 0 0 2 60 2 6 5 1 0 0一1 0 o 6 1 00 6 2 1 0 叶 0 】2 2 6 o 1 2 5 1 0 11 0 2 3 30 2 4 x1 0 。1 2 0 4 2 4o 4 3 3 1 0 l3 0 7 3 7o 7 5 1 0 1 4 0 1 2 3 40 1 2 5 85 0 1 9 9 2 0 2 0 3 16 0 3 1 1 6o 3 1 87 0 4 7 3 8 0 4 8 38 0 7 0 1 40 7 1 5 9 0 9 81 o9 9 1 1 0 1 3 31 0 3 3 1 0 0 1 4 3 3 l1 4 6 l1 1 0 1 9 8 6 42 0 2 51 2 0 2 7 0 2 52 7 5 51 3 0 3 6 1 4 7 3 6 5 81 4 0 4 7 6 2 44 8 5 51 5 0 表2 - 2 不同温度f 冰的升华热 温度( ) 0- 1 0- 2 0 - 3 0- 4 0- 5 0 l 升华热( k j k g ) 2 8 3 82 8 1 32 7 9 62 7 7 l2 7 5 92 7 4 6 2 1 2 真空冷冻干燥的条件 由于干燥的物料内的水分并非是完全的纯水，所以其凝结点是比0 点更低的温度，此时的温度称 为物料的共晶温度。另外冰升华时需要吸收热最，所以干燥时要不断地提供热量，同时提供的热量也 不能太高，避免冰品的熔化。冰升华时物料表面的蒸汽压力会随着干燥过程的进行而增人，当蒸汽压 等于此温度一r 物料的饱和蒸汽压时，升华过稃将会停止，因此要不断去除物料表面的水蒸汽，为此 必须保证足够的真空度，推动水蒸汽的逸出j 。 2 2 液氮冷冻干燥仪的机械结构设计 液氮冷冻干燥仪的主要工作过稃为，利用液氮来达到冷冻干燥的试验温度，利用丝杠传动系统 来控制液氮液面的高度变化从而实现控温的目的选咐精密铂电阻温度传感器p t l 0 0 来检测试验环境 温度，温度传感器信号经过a d 转换成数字量，送控制单元进行处理，送l e d 显示区域，进行实时 显示当前温度值，输出电机步进龉控制伺服步进电机运转，以带动负载丝杠运动，改变液氮液面高 度的变化，实现温度的智能控制。 6 东南人学硕士学位论文 2 2 1 传动结构设计 由于考虑到机构的工作运动原理，以及需要的控制精度，传动效率以及需要正转反转等一系列 功能，选择螺旋机构传动螺旋传动的优点之一就是：当在主动件螺杆上作用一较小力矩时，可使从 动件螺母得到很大的轴向力；螺旋机构是利用螺旋副传递运动和动力的机构，主要是把回转运动变 成直线运动按摩擦的性质分为滑动螺旋机构和滚动螺旋机构滑动螺旋机构结构简单，制造容易，当 螺旋升角小于摩擦角时有自锁作用，主要用于力的单向传动但同时也存在一些缺点：如果螺旋机构 间隙过小( 新装配的部件1 ，由丁二摩擦力增丈而加剧了螺旋机构运动副之间的磨损，则会缩短其使用寿 命：如果螺旋机构由于摩擦的原因导致间隙过大，将会影响传动的精度，反向运动时容易产生短暂 的失控现象，影响运动的传递滚动螺旋机构是一种新犁机构，由于在丝杠螺母副中加入钢球，使摩 擦力减小，效率高，加装间隙调整装置可以进一步提高传动的平稳性传动的精度和i 定位精度，实现 精密平稳传动，这两大机构广泛府圳于机动车辆的转向系统，数控机床进给运动等系统的传动巾滚 珠丝杠螺旋传动的主要特点有i l i l ： 1 摩擦阻力小，传动效率高。 2 结构复杂，制造比较凼难。 3 转动平稳，起动时无颤动，低速时不爬行。 4 螺母和螺杆经调整预紧，可得到很高的定位精度和重复定位精度，并可以提高轴向刚度。 5 工作寿命长，不易发生故障。 综合考虑滚动螺旋传动的传动均匀平稳，传动精度高，结构简单等优点，选抒滚珠丝杠传动系 统。丝杠螺母机构传动型式如图2 - 2 所示；滚珠丝杠结构如2 3 所示。 图2 - 2 丝杠螺母机构传动型式 图2 3 滚珠丝杠结构示意图 1 挡厢2 密封3 钢球4 问隔套5 端盖6 丝杠7 外圈8 滚珠导套9 钢球1 0 保持架i i 外圈 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙，为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙采用 垫片调隙式，结构形式如图2 4 所示，调整垫片厚度使左右2 螺母产生轴向伊移，即可消除间隙义 能产生预紧力这种方法结构简单，刚性好但也有缺陷：即调整不便，滚道有磨损时不能随时消除间 隙和进行预紧。 7 第二章液氮冷冻干燥仪的】作机坪及其机械结构设计 2 - 4 挚片调隙式 1 丝杠壳体，2 螺母，3 垫片，4 螺母 在使用这种方法预紧消除轴向间隙时。注意预紧力适中。预紧力过大会使空载力矩增加，从而 降低传动效率，缩短使用寿命。此外考虑消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 2 2 2 冷冻干燥仪的结构简介 试验仪器足采用一体化设计思想，将低温试验环境和伺服步进电机驱动系统组合在一起。其结 构布置简图如图2 5 所示。 图2 5 澈氮冷冻干燥仪的结构简图 卜一冷冻干燥试验罐体，卜对流管，3 光照窗，4 一观察窗，5 一真空接头，6 一上隔温罩，7 一液氮注入接头t8 一 载物台9 一活塞环，l o 一一r 隔温罩，l l 爱装台絮1 卜电机减震台，i _ 电机，1 4 、1 5 一变速齿轮副，1 6 一轴承 支座，1 7 一轴承，1 8 一提升打，1 9 、2 0 - - 丝扫副，2 1 温度传感器 在图2 5 中，左下部为电机伺服驱动系统，由丁二采用整体设计方法，需要解决电机振动和噪卢 剥试验环境的影响问题，电机运转部分的摩擦、撞击、不平衡以及结构共振肜成机械噪声，其中主 要为转f 的机械不平衡和轴承噪声。首先我们在选择电机时需要充分检验其电机噪声是否合格。电 机的振动会影响试验台架以及控制系统的稳定忭和精度，需要和电机l 了台架之h j 安装减震台，使用 阻尼减震材料束减轻电机负载运转的振动影响。图中2 处的对流管，主嬖是用来加速材料的1 一燥速 度，通过丝杠副1 9 、2 0 来带动活塞环9 的上下移动，使液氮液面随之变化，从而实现温度的变化。 3 东南天学硕土学能论文 整个仪器还包括液氮贮液罐和液氮充入机构以及真j 空袋等部件。 2 2 3 液氮冷冻干燥仪的零部件设计及其三维c a d 建模 参数纯特薤造蘩被公试为莛嚣翦足嚣造犁静发震憝势，基于特链瓣参数诧造犁是将参数纯造麓 的息想釉特征造犁的思想存杌地结合铡起，用尺寸鹱动或变量设计的方法定义特敏多| | 进行类戗静 操作，遮样就形成了参数化特征造犁。由丁特征全部h j 参数化定义，因此对形状、尺寸、公差、表 面粗糙度镣均可随时修改和更新，最终达到修改设计的目的。参数化方法使设计者谯构造几何模溅 融可以集中予概念设计和罄体设计，充分发挥剑造性，提高设计效率。基于特征的技术为设计者提 供7 德会人们愚维习搂豹设计环境，二者存极缝续会起来逶行实体造犁将稷丈琏撵商设计效率 b 4 1 为了将设计思想转化为产品，使用p t c 公司的p r o e 软什建立举部件和整机的c a d 三维实体 摸型。p r o e 实体模犁由一些工程特征缀合丽成，p r o f e a t u r e 模块提供了拉伸、旋转、扫描、过渡、 琵、攘、鹈趋、霾焦、辍蹙、接壳，援穰瓣痊、鑫蠹变形、营遂、交簸嚣扫撩和翻攒经遂菠等众多 的特征羊特征构造方法，为埘户提供了设计非常复杂形状曲面或实体模犁的有力工嶷。 在p r o e 的环境中，构建实物实体的方法有很多。选择一个有效的方法，使建立的特征少，且 能有效擞成实体；形成的特征有利于i 螽续特征的建立辩】修改是非常重要的。所以在设计初，对零件 豹努裂设诗搏了一个攀体媲划，溥楚了囊己褒徽约零俘的复杂器度，黄先确定整个零锫的基准参考 串心翻参考嚣，使后磊建立静特 垂( f e a t u r e ) 都楚基于该基准建立黪，这样育翻予舞嚣特征修敬 ( m o d i f y ) 和再生成( r e g e n e r a t e ) ：冀次要确定模型( m o d l e ) 的所材特征闻构建的火致先后顺序， 把一些小而非重要特征先做，对开始不太明确的、并h 需要经常改动变化的特征放刹后面建立。j 袅 样就可以在需要修改时改动局部就可以了，既节省了时闽又省去了许多毖烦“。其结构效果圈如圈 2 - 6 掰拳。 图2 - 6 仪器一维绐构效果图 2 3 本摩小结 奉肇主要分拆了液缀冷冻干燥彼的土作原理我及葵鞔械结秘设诗。主要奔鳃了囊空冷冻千绦技 术的原理及其实现条件，为进行结构方面的设计做盎准备，在机械络构方面的设计上，主要介绑了 根据仪器的上作原理米进行传动系统的选择，介绍了滚珠丝杠的基本结构及其特点，以及间隙调熊 方式。最后利用参数化黪祉造裂软付设计了仪器的糍体结构及所有上糕图纸，并完成了仪器机械部 分熬蕊t 缝装。 9 东南大学硕十学位论文 第三章液氮冷冻干燥仪的温控系统硬件设计 3 1 系统组成及其工作原理 液氮冷冻干燥仪的智能温控系统部分主要由冷冻罐( 装液氮冷冻剂) 、试验罐体( 存放试验材料) 、 p t l 0 0 温度传感器、伺服步进电机和控制电路组成。其精密温度控制系统原理如图3 1 所示。首先通 过温度传感器p t l 0 0 将试验材料处温度的变化变换成电阻的变化送到测鼍电路，经电桥电路变换成微 弱的电压信号，在精密放大电路中完成调零及放大信号的功能，以满足a d 电路的要求，然后经a d 电路送剑单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊p i d 控制的方法，输出一个 控制鼍，经步进电机细分驱动电路细分后，控制步进电机运行步距，以实现对液氮制冷量的控制。 同时州l e d 显示初始设定温度和当前温度。 _ j 键盘及显示电路 a t