（机械电子工程专业论文）喷胶机及其控制系统的研制.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 abstractat r a f ! f i c a c c i d e n t mayhappen i ft h ct i r co fa m o t o rc a ri s p u n c t u r e dbynailsa n d t h i sd o e s happeni nm a n ys u c hi n c i d e n c e se v e r y y e a ri nt l e worldalso，the a c c i d e n t m a ys t i l lb l u r k e dd u et ot h ep r o b l e mo fd y n 鼬i cb a l a n c ea f t e r 廿i et i r e i sr e p a i r e d ac o m p a n yi ns h e n z h e 量萋基el 婆藩萤弓? 争兰蛋要：事蓁 毒羹蘸薹j ；? 妻萝至薹璺 ；董冀j 冀；霉ji ； ：喜；季萋耋1 i 草；寿i ；! ；辜；幸芋霉雾篓妻霎 i 兽了! i 剐垂毒菱鑫畦醐薹i l p ：。蚕鏊二j ! i 章 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来近似模拟圆形。理 论分析和实验都表明s v p w m 调制其有转矩脉动小，噪音低，直流电压利 用率高等优点，目前已在变频器产品中得到了广泛的应用。 ( 3 ) 微处理器与控制技术随着各类高性能、高速微处理器和微控制器 的出现，各类电气传动装置的控制器己由模拟控制转向数字控制。全数字控 制方式以微处理器作为整个系统的核心，将复杂的控制电路用软件实现，在 较少的硬件支持下，既可以快速的计算出结果，将结果进行综合比较、分 析、判断，最后输出最优选择；又可以对结果进行诊断，发现故障时能及时 报警显示，使得人机界面更为友好，操作更加简易。数字化控制的实现使得 调速系统的动静态性能更加趋于完善，系统的可靠性、可操作性、可维护 性，即r a s 功能也得以大幅度提高。早期较为流行的方案采用单片机来构 成全数字控制器，这种方案在低成本的简易型变频器中仍然采用，但随着现 代控制策略的日益复杂，系统自诊断维护功能的日益强劲，和各种附加的装 置的采用( 如有源滤波装置等) ，一般的单片机己较难实时性的完成如此复杂 的算法。目前在高性能的交流调速装备上，已由最初的8 位、1 6 位单片机 发展到了1 6 位、3 2 位的数字信号处理器( d s p ) 与精简指令级处理器 ( r i s c ) 。高性能的微处理器的应用是各种先进复杂的控制策略得以实现的基 础。 ( 4 ) 交流电机的控制技术在交流电动机控制技术中最具代表性的有： 开环的变压变频( v v v f ) 控制、转差频率控制，矢量控制( 磁场定向控制) 以 及当前研究热点之一的直接转矩控制。 变压变频( v v v f ) 控制以电动机的稳态方程为推导基础，以控制电动机 的 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 动念性能。 尽管矢量控制技术从理论上可以使交流传动的动态性能达到直流电动机 一样的水平，但是因为要进行复杂的旋转坐标变换，而且对电动机定转子参 数依赖性很强，这些都难以保证动态过程的完全解耦，转矩的控制效果打了 折扣。1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d 印e n b r o c km 教授于1 9 8 5 年首先提出了异 步电动机直接转矩控制方法，1 9 8 6 年日本的，i 钛a l l a s h i i 教授把d e p e n b r o c k 的六边形磁链推广到近似圆形磁链。 直接转矩控制不需要解耦电动机模型，强调对电动机的转矩进行直接控 制。在控制转矩时不需要电动机的转速量；采用简单的u i 磁链模型时，整 个控制仅仅需要知道电动机的定子电阻参数即可。从其诞生伊始，直接转矩 控制就以新颖的控制思路，简明的系统结构，优秀的动态性能受到了人们的 普遍关注。 1 3 本课题主要研究的内容 ( 1 ) 首先进行喷胶机的总体功能需求分析，进行整体方案设计，力求实 现机与电的完美结合和统一。 ( 2 ) 进行机器的机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详 尽设计。 ( 3 ) 研究变频调速系统，并设计出其硬件电路。 ( 4 ) 分析了s v p w m ( 空间矢量p w m ) 调制方法，推导出v v v f 控制 下的s v p w m 调制的计算公式，并用d s p1 m s 3 2 0 f 2 8 1 0 实现。 ( 5 ) 进行喷胶机的电气部分的设计。 ( 6 ) 对样机进行调试，根据功能要求进行修改，进一步的优化。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 喷胶机总体设计方案 本课题研制的喷胶机主要定位于专门汽车服务网点的专用设备，总体要 求是使用简单，外型明快，可靠性强，低成本；适用摩托车和小汽车轮胎使 用，内孔直径由2 5 0 m m 4 7 0 1 1 1 i n ，胎宽8 0 m m 3 0 0 m m ，胎外径小于 9 0 0 m m 范围内通用：转盘夹具转速无级式，分级式可调。最大熔胶量5 l ； 熔胶须经过过滤( 过滤密度直径为中1 5 i i l i n ) ；熔胶缸内有适当的翻搅功能； 全系统要求预热2 0 分钟内达到1 8 0 ( 熔胶装制要求1 5 分钟达到1 8 0 ) ： 发热系统温度要求均匀( 误差5 ) ；每次喷胶量由1 0 0 m 1 7 0 0 m l ，要求 可定计量( 误差1 0 ) ，每条车胎3 分钟以内完成涂敷、冷却定型。 本课题所研制的喷胶机的主要功能就是将轮胎夹持固定后，经过打磨轮 胎内表面，去掉原轮胎内表面的化学脱模层，以提高喷涂的粘结强度。在内 表面处理合格后，进行定量均匀的喷胶、冷却定型，使轮胎增加其防漏防扎 能力。本课题的目的主要是根据设计任务书，在满足功能要求的前提下，按 尽可能使用、操作方便、制造简单、价格低廉的总体要求，研制出轮胎喷胶 机。该轮胎喷胶机的总体方案主体部分包括主轴箱、喷胶系统、交流调速系 统、熔胶温控系统及电气主控系统五个功能模块。设计过程牵涉到了机械知 识，控制系统知识，电子电路知识，软件知识等各方面的知识，虽然实现了 一些单纯由机械或电子技术都难以实现的功能，但是同时由于多学科融合的 特点也给这些机械产品的设计提出了更高的要求，产品设计问题较传统机械 更为突出，设计在产品的整个生命周期中占据越来越重的比重，它从根本上 决定了产品的内在和外在的品质。 2 2 1 机器模型的建立 在建立机器模型的时候，我们采用了概念设计模型的方法。总的来讲， 概念设计的内涵是十分广泛和深刻的，它是一个发散思维和创新设计的过 程，是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以 及功能和子功能的结构设计：进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进 行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计机电一体化系统概 念设计作为概念设计的个子集，服从于概念设计的总体思路【8 】。 概念设计模型的特点可概括如下：( 1 ) 机电一体化系统概念设计过程是 从功能层面到结构层面的映射过程。设计任何一种产品，目的是为了达到某 坠玺竖王些奎兰三兰堡兰兰竺鲨耋 图2 3 传动系统图 f i g 2 3t h et r 柏s m i s s i o ns y s t e m 乍 j _ 一 惑奇 一 ， 。 穗譬鞫鲇帮一 芯叫叫醚。 图2 4 轮胎卡盘示意图 f i g 2 - 4c l a m pf o rt i r e 1 0 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 5 打磨器结构图 f i g 2 5f r a m e w o r ko f b u m i s b i n gm a c h i n e ( 5 ) x y 工作台为了使机器的操作简便、易用，我们必须要使喷胶头能 灵活的移动。所以这样就需要一个x y 工作台，把溶胶筒固定在x y 工作 台上。x y 王作台的构成简单，由导轨，移动平台，螺杆，手柄组成，手 工调节。图2 6 是x y 工作台的示意图。 图2 6x y 工作台示意图 f i g 2 6x - yw o r k b e n c h ( 6 ) 溶胶筒防漏复合材料属高分子合成橡胶，呈软固态，需要把它给溶 化呈液态，才能进行喷涂。溶胶筒容积是按照一个轮胎的喷涂用量进行设计 的。胶也是按照这个用量被分成一块块的。用的时候把一块胶放进溶胶简， 在筒内部需要把胶分成小块，利于加热，然后还要有过滤装置。图2 ，7 是溶 胶筒的示意图。 。矿 磷 _ 雾? ： 莹_卜一一 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 7 溶胶筒结构图 f i 9 2 - 7c 如i s t e rf o ru n f r e e z i n gg i u c ( 7 ) 喷胶机装配图根据以上各个功能模块方案的介绍，最终形成了下面 的装配图，如图2 培所示。该装配图只是初步完成，后面还需要调试优化。 2 3 本章小结 本章比较系统的阐述了喷胶机进行机械设计所参考的理论及准则，并详 细描述了机械设计的过程。由于喷胶机的载重负荷不大，而且转速也不高， 所以机械零件参数并不需要进行繁琐的计算，大多是凭经验进行选取的。因 此本章也把重点放在了喷胶机的各个模块的功能说明以及对应的结构图，并 在最后综合各个模块的方案给出了喷胶机装配图。 堕玺堡三些查主三兰堡圭兰堡丝兰 慕? ： 引一 翳 黛啊 崔 群 h日 f 辫 i 鼹 l 幡 扛 队! 2 u 、 4i 淖 8 也。；紊，j 睁 一 叶田 睦萤 翮j l - i 辞 坚盈 i r 1l ； l j 剥 瞑 图2 8 装配图 f i 9 2 - 8a s s e m b l e dd r a w i n g 1 3 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 第3 章变频调速系统硬件设计 设计任务书要求喷胶机在打磨，吹风，喷胶过程中要用到不同的转速。 喷胶机用的动力驱动设备是三相异步交流电机，由于机器调速频繁，为了保 证机器的可靠性和稳定性，所以我们不采用机械传动调速，而直接对三相异 步交流电机调速。 3 1 概述 由电机学知，交流异步电机的转速公式为： h ：6 0 上( 1 一s ) ： 。( 1 s )( 3 1 ) p 式中厂异步电机定子电压供电频率( h z ) ； 口异步电机的极对数； s 异步电机的转差率： 由上式可以看出要改变异步电机的转速，可以分为三种方案，即改变极 对数p ，改变转差率s 或改变定子电压供电频率厂。变极对数调速是一种有 级调速。改变转差率调速的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调速过 程中产生大量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，系统效率降 低。变频调速实际上是通过改变定子电压供电频率厂，从而改变异步电动机 同步转速m 来达到调速目的，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频 电源，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。而且这类系统中无论转速 高低，所消耗的转差功率基本不变，因此效率最高。现在的交流调速一般都 会选择变频调速。本文选择的正是基于p w m 的交直交变频调速方案【n 】。 变频调速系统的硬件框图如图3 1 所示。 在图中可以看出，系统硬件电路大致可以分成三部分，即主电路部分、 控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路，在图中 以虚线隔开。本文变频调速部分主要完成了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 为核心的控制 系统的设计，以及与之相配合的检测与驱动电路。 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 第3 章变频调速系统硬件设计 设计任务书要求喷胶机在打磨，吹风，喷胶过程中要用到不同的转速。 喷胶机用的动力驱动设备是三相异步交流电机，由于机器调速频繁，为了保 证机器的可靠性和稳定性，所以我们不采用机械传动调速，而直接对三相异 步交流电机调速。 3 1 概述 由电机学知，交流异步电机的转速公式为： h ：6 0 上( 1 一s ) ： 。( 1 s )( 3 1 ) p 式中厂异步电机定子电压供电频率( h z ) ； 口异步电机的极对数； s 异步电机的转差率： 由上式可以看出要改变异步电机的转速，可以分为三种方案，即改变极 对数p ，改变转差率s 或改变定子电压供电频率厂。变极对数调速是一种有 级调速。改变转差率调速的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调速过 程中产生大量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，系统效率降 低。变频调速实际上是通过改变定子电压供电频率厂，从而改变异步电动机 同步转速m 来达到调速目的，很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频 电源，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。而且这类系统中无论转速 高低，所消耗的转差功率基本不变，因此效率最高。现在的交流调速一般都 会选择变频调速。本文选择的正是基于p w m 的交直交变频调速方案【n 】。 变频调速系统的硬件框图如图3 1 所示。 在图中可以看出，系统硬件电路大致可以分成三部分，即主电路部分、 控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路 x 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 图3 1 变频调速系统结构框图 f i 9 3 - lf 珊m eo f i n v e n e rs y s t e m 3 2d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 特性 在d s p 领域中，德州仪器( t i ) 公司的产品及其配套技术与开发工具最有 强大的竞争力，其中t m s 3 2 0d s p 是它的代表系列，约占了整个d s p 市场 的5 0 。本文使用t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列中的1 、m s 3 2 0 f 2 8 1 0 芯片。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 也称为d s p 控制器，是t i 公司专门针对电动机、逆变器、 机器人、数控机床等控制而设计的。t m s 3 2 0 2 8 1 0 以3 2 b i t 定点d s pc p u 为 内核，配置了完善的外围设备，包括事件管理器( b v ) 、a d 转换模块 ( a d c ) 、串行通信接口模块( s c i ) 、串行外设接口模块( s p i ) 、中断管理系统 和系统监视模块，其中事件管理器( e v ) 含有通用定时器、比较器、p w m 发 生器、捕获器。 t m s 3 2 0 c f 2 8 x 的指令执行采用了一种称为流水线( p i p e l i n e ) 的并行处理 技术。每条指令的执行过程可以分为四个阶段：取指令( p ) 、指令译码 ( t ) 、取操作数( d ) 和执行指令( e ) 。由于d s p 控制器采用了多组总线的结 构，这将允许c p u 同时进行程序指令和存储数据的访问，因而在其内部可 以实现四级逻辑流水线，由于这四种操作在同一时刻是分别使用内部的六条 总线，因此不会发生冲突，从而实现了一种并行处理的机制，大大加快了信 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 息处理的速度”2 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 l o 控制器的主要特性如下： 夺中央处理单元 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) 。 3 2 位累加器。 3 2 位x 3 2 位乘法器。 3 个比例移位器。 间接寻址用的8 个1 6 位辅助寄存器和它的辅助算术单元 ( a r a u ) 。 可以兼容t m s f 2 4 xc p u 。 存储器 5 4 4 字片内d r a m ，其中2 s 8 字用于数据，2 5 6 字用于程序数 据。 6 4 k 字片内f l a s he e p r o m ，耀作程序存储器。 1 8 k 片内s a r a m 。 程序控制 4 级流水线操作。 8 级硬件堆栈。 6 个外部中断：电源保护、复位、不可屏蔽中断( n m i ) 和3 个可屏 蔽中断。 指令集 源代码与定点t m s 3 2 0 c 2 x ，c 2 4 x ，c 5 x 兼容。 单周期相乘，累加指令。 单指令重复操作。 程序，数据存储器中的块移动。 丰富的变址寻址能力。 具有基于2 的f f t 倒位序变址寻址能力。 事件管理器( e v 模块) 4 个1 6 位通用定时器( 可产生4 路辅助p w m 输出) 。 3 个全比较，p w m 单元( 可产生1 2 路p w m 输出) 。 6 个捕获单元。 2 个q e p ( 正交编码脉冲) 单元。 2 个死区比较单元。 夺 夺 夺 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 夺2 个8 通道1 2 位a d 转换器，单通道转换时间为8 0 n s 夺串行异步数字通信接口模块( s c i ) 夺串行外设接口模块( s p i ) 夺中断管理系统 夺由看门狗和实时中断定时器组成的系统监视模块 夺5 6 个可独立编程的i o 引脚 夺速度 单周期指令执行时间为6 6 7 n s ( c p u 主频为1 5 0 m h z ) 。 夺电源 核心电压为1 8 v 时主频为1 3 5 m h z ，为1 9 v 时主频为1 5 0 m h z 。 d s p i 0 电压为3 3 v 。 4 种降低功耗的方式。 具有比较严格的上电、下电顺序，要选用t i 的专门电源芯片。 由以上特点可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 是一款3 2 b i t 定点d s p 芯片，是 t i 最新推出的用于电机。， ，； 3 9 7 ， 9 9 8 9 9 9 9 4 6 5 ，8 5 7 8 2 1 3 9 4 8 9 7 o 5 9 7 1 9 9 9 9 9 9 9 土土土土土土士合合合 钛镍钛硅复复复 铁铁镍铁钛镍硅 铁铁铁 鲫 0 x 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 夺2 个8 通道1 2 位a d 转换器，单通道转换时间为8 0 n s 夺串行异步数字通信接口模块( s c i ) 夺串行外设接口模块( s p i ) 夺中断管理系统 夺由看门狗和实时中断定时器组成的系统监视模块 夺5 6 个可独立编程的i o 引脚 夺速度 单周期指令执行时间为6 6 7 n s ( c p u 主频为1 5 0 m h z ) 。 夺电源 核心电压为1 8 v 时主频为1 3 5 m h z ，为1 9 v 时主频为1 5 0 m h z 。 d s p i 0 电压为3 3 v 。 4 种降低功耗的方式。 具有比较严格的上电、下电顺序，要选用t i 的专门电源芯片。 由以上特点可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 是一款3 2 b i t 定点d s p 芯片，是 t i 最新推出的用于电机控制的d s p 芯片。它具有较高的主频，较快的数据 处理速度，较大的片内存储容量，可以满足电机的高性能控制需求。 3 _ 3d s p 控制电路设计 变频器的数字控制器包括信号的检测、滤波、整形，核心算法的实时完 成以及驱动信号的产生，系统的监控、保护等功能。变频器数字控制系统的 硬件部分，包括微处理器、接口电路及外围设备，其中微处理器是系统的控 制核心，它通过内部控制程序，对输入接口输入的数据进行处理，完成控制 计算等工作，通过输出接口电路向外围发出各种控制信号，外围设备除了检 测元件和执行机构，还包括各种操作、显示以及通信设备。下面逐一进行说 明【1 3 1 4 ，15 ，1 6 ，8 ，1 9 ，2 0 川。 3 3 1d s p 部分设计 根据t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的封装和变频调速系统的功能需求，对 t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的管脚进行分配和与外围电路的接口设计。t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的 管脚资源分为以下几个模块：电源模块，a d 转换模块，e v 模块，j t a g 模块，g p i o ( 通用i 0 ) 模块。其中g p i o 模块管脚可以根据需要自行定义 管脚功能，管脚的分配也主要是针对这一部分的。通过寄存器的设置， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 g p l 0 管脚一般有2 4 种功能可以选择。图3 2 就是d s p 管脚分配原理图。 3 3 2a d c 接口电路 t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的a d c 模块具有以下特点吲： 1 2 b i t 的转换精度，具有内置的采样保持器； 模拟电压输入范围：0 v - 3 v ； 快速的转换速率，单通道转换时间8 0 n s ； 1 6 个模拟输入通道； 在单个时间段内，自动序列器能提供1 6 个序列转换； 能被分成两个独立的8 状态序列器，也可以级联成一个1 6 状态的 序列器； 1 6 个结果寄存器存放转换结果； 图3 3 是a d c 模块结构图。 在数字控制系统中，连续信号一般须经过采样、量化、编码，变为数字 信号，再由计算机来处理。所以对电流采样的信号以及模拟输入信号都要输 入到a d c 模块中。为了排除干扰以及安全作用，在信号输入到a d c 模块 前，需要加滤波及钳位。前置滤波器一般是低通滤波器，它有两个作用：一 是滤除连续信号中高于l ，2 采样频率的频谱分量，使采样信号基本频谱的低 频段中尽可能不混有原连续信号的高频分量，保证采样信号的基本频谱和原 连续信号的频谱最大限度的接近；二是滤除高频干扰。一般对反馈信号采取 一阶前置滤波。图3 4 就是滤波和箝位电路。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 3 3d s p 电源配置 图3 - 3 a d c 模块结构图 f i g 3 - 3a d cf 姗e w o r kf i g u ” 随着现代高速超大规模集成电路尺寸不断减小、功耗不断降低以及电器 和电子产品朝着更轻、更小的方向发展，低功耗己成为现代单片机、数字信 号处理器及各类i c 所追求的一个目标。传统的单片机、数字信号处理器组 成的控制系统，工作电压为5 v 。各生产厂家为适应发展趋势，不断推出低 电压供电芯片，t i 公司推出的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 芯片的核心电 压为1 8 v ，i ，o 电压为3 3 v 。降低功耗的同时也在一定程度上提高了数据 处理速度。因此，低压工作芯片的发展对供电电源提出了新的要求。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 芯片在上电、掉电期间都需要严格的序列要求。上电期间， 需要先供3 3 v 电压，然后再供1 8 v 电压，而且在i 0 电压达到2 5 v 之 前，核心电压不能超过o 3 v 。掉电期间，核心电压达到1 5 v 之前，芯片保 持复位至少8 u s 。对于这样严格的序列要求，我们选择电源芯片时必须谨慎 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 小心，否则会造成d s p 芯片工作不正常的。根据以上的要求，我们选择了 t i 的电源芯片t p s 7 0 2 5 1 ，它不但完全满足了以上的要求，而且有电源监控 的功能，可以手动、自动复位【2 3 】。图3 5 就是电源芯片的配置原理图。 图3 4 滤波和箝位电路 f i g - 3 - 4f i l t e r 柚dc l a m pc i r c u n f y 图3 - 5 电源芯片配置原理图 f i g 3 5p o w e rs u p p l yc h i p sc o n 磊g u r a t i o nf i g u r e 3 3 4 键盘、u d 控制电路 本系统选用的键盘是通用变频器的键盘，有九个键。转速和变频器的一 些其他参数的显示采用五位l e d 来显示。本电路采用高亮度共阴极数码管 l e d ，静态驱动电流为每段2 0 m a 。 l e d 的显示有动态和静态两种扫描方 式，静态扫描会大大的减少l e d 的有效工作时间，所以本系统采用动态扫 描。由于d s p 芯片管脚资源有限，所以需要进行i ，o 扩展。本系统采用 7 4 l s l 6 5 ，7 4 l s 5 9 5 芯片进行扩展。7 4 l s l 6 5 为并行输入，串行输出芯片。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 4 l s 5 9 5 为串行输入，并行输出芯片。图3 6 就是键盘、l e d 控制电路。 图3 6 键盘、l e d 控制电路 f i g 3 6c i r c u i 仃yo fc o r l 仃0 u i n gk e y b o a r d 锄dl e d 3 3 5 温度检测电路 在变频调速系统中，需要对逆变模块进行温度检测，以保证变频调速系 统工作在安全温度之下，避免温度过高逆变模块炸机。在喷胶机中，溶胶的 时候需要把温度控制在1 8 0 ，这样可以保证胶的性能最好。所以需要一个 温度检测电路，把温度变化的信号转变为电压变化的信号，输入到d s p 的 a d c 模块。 测温元件用n t c 热敏电阻。根据热敏电阻的特性，做出相应的温度检测 电路。把热敏电阻的阻值变化信号转变成相应的电压变化信号，然后输入到 d s p 的a d c 端口。经过采样，软件的处理，d s p 再输出相应的数字信号控制 加热器的关断。温度检测电路如图3 7 所示。 查! ! 查鲎堡主笙查 堑查兰堕些些塑圭垦堕笪旦垫墨堑墨 1 6 1 4 1 2 盘1 0 s 。 6 4 2 0 051 02 0 c e ( m g l ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3 7 温度检测电路 f i g 3 7c i r c u i t r yo fd e t e c t i n gt 色m p e r a t u r c 3 _ 3 6d i 与继电器输出 为了使变频调速系统与外部的控制器以及控制对象相关联，设计了d l ( d 磷t a l i n ) 和继电器输出。通过d i 接口，p l c 等控制器可以控制变频调 速系统的运行和停止。d i 电路图如图3 8 所示。继电器输出是在定的设 置下，变频调速系统输出数字信号，对继电器进行开关动作，以控制外部控 制对象的动作。通过继电器，可以使外部控制对象与控制板之间隔离，避免 了外部的干扰。继电器输出电路图如图3 9 所示。 以上分别介绍了d s p 控制板的各个模块的电路图，把它们综合起来， 组成一个完整的电路原理图，然后画p c b 板，最后焊上电器元件2 钔。其实 物图如图3 一l o 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 4 主电路设计 本系统用的三相交流异步电机，额定功率为7 5 0 w ，额定电压为 2 2 0 v ，额定电流为3 4 a 。整流电路由不可控的二极管整流桥组成。逆变采 用s v p w m 方式，用智能功率模块i p m 作为功率开关器件【2 5 2 6 1 ，其主回路 电路原理图如图3 1 1 所示。 3 4 1 整流滤波电路设计 整流采用不可控整流模块，其参数选择如下；通过二极管的峰值电流即 电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5 6 倍，取i 。= 2 0 a ，则流 过二极管电流的有效值为： 霸丽 ： l l i ：1 1 5 a ( 3 2 ) 3 、7 二极管电流额定值为： ，九 知= ( 1 5 2 ) 了 f _ = l l a 一1 4 6 a ( 3 3 ) 1 ) ， 考虑到滤波电容充电电流的影响，需留一些电流余量，选用i n = 1 5 a ， 则二极管电压额定值： u = ( 2 4 ) = 1 2 0 0 v( 3 4 ) 根据上式计算的电压、电流及市场价位情况，选用富士公司的二极管整 流模块6 r 1 15 1 2 0 n5 a ，1 2 0 0 v 1 。 经二极管整流输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变器部分产生的脉 动电流及负载变化也会引起电流的脉动，因此要加入大电容滤波。末加滤波 电容时整流输出的平均电压为： 【k = 1 3 5 明= 1 3 5 2 2 0 = 2 9 7 v f 3 5 、 加入滤波电容后如可以达到交流线电压峰值 u j m = 2 矾= 3 1 1 v r 3 6 1 电容值计算如下： 假设输入电压的波动范围为2 0 0 v - 2 4 0 v ，整流后的直流电压孤为 1 - 3 5 u i 因此对应2 4 0 v 的输入，整流后的电压为3 2 4 v 。又设电源功率因素 为0 9 那么每一个线周期，电容的吸收能量为： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 姑毫 晦 i 删蹲到隧_ 划眨 蹁。 一 虬口q 。 嚆广。 叫 i 。：酵 上磅z “窑哩r 一 止 、 。 4 k j 吖r 啪e 出i 一 1 n m ； = 亭l 寸m m 3 i m m 甘 图3 - 1 1 主回路原理图 f i g 3 一l lm a i nc i r c u t r y e ：竺：喜o ( u 2 砧一u 2 。) ( 3 7 ) 甩厂2 、7、7 式中只w 电机输出功率； 吼峰值电压。 已电解电容数值 考虑到纹波的因素，最小的交流输入u 。应该在2 0 0 v 以上，所以有 = 而_ 5 8 7 “ ( 3 - 8 ) l l h = _ = = _ 一= ) 5 ，“ ( j - 8 ) 以幸，牛( u 2 砖u 2 向) r 因此选用了两个耐压为4 0 0 v ，电容值为4 7 0 u 的电解电容并联起来。 3 4 2 逆变电路设计 逆变电路的功率器件选用i p m ，功率器件的反向峰值电压为3 1 1 v ，取 1 5 - 2 倍的安全系数，为6 0 0 v ，电流额定值取1 5 a ，所以选用三菱公司的型 号为p s 2 1 5 6 4 的i p m 模块。该i p m 模块专门面向空调机，洗衣机，电冰箱 等家用电器的马达变频驱动，以及小容量工业用通用变频器、u p s 等驱 动。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 该i p m 模块的特点如下： 3 相a c 变频输出电路搭载三菱第5 代平面型i g b t 和c s t b t ( c a r r i e rs t o r e dt r e n c h g a t eb i p o l a rt r a l l s i s t o r ：具有载流子蓄积层的沟槽型 门极构造双极晶体管) 功率芯片，实现更低损耗。 采用自举电路结构，可实现单电源驱动( 需要自举电容，二极管等外 部附加部品) 。 内置有i g b t 驱动电路，过载保护，控制电源欠压保护功能。p 侧：u v ( 控制电源欠压保护) 一不输出故障信号f n 。n 侧；u v s c ( 过载 保护) 一输出故障信号f n ( 过载保护功能需要外部配置母线电流检测用旁路 电阻) 。 内置专用h v i c ( h i g hv o l t a g ei c ：6 0 0 v ) ，无需绝缘电路( 如光耦) ， 可从单片机直接接收控制信号。 输入接口电路采用高电平驱动逻辑，消除了旧产品低电平驱动方式 对电源投入和切断时的时序要求。增强了模块自保护能力。而且，可直接由 d s p 或3 3 v 级单片机驱动。 ( 1 )l 嗍模块电源i p m 模块需要四组独立的、稳定的1 5 v 电源供 电，而且这四组电源必须严格的隔离，因此，就必须寻找这四组电源，本来 用四个的开关电源也可以解决问题，但是由于i p m 模块的额定电流非常 小，上三路为2 0 m a ，第四路为7 5 m a ，这样一来。一般的开关电源还解决 不了问题，因为一般的开关电源额定电流在1 3 a 之间，而且其在低耗流的 情况下，很不稳定，所以如果要用开关电源的话，就必须定做，那么势必造 成成本偏高，因此，必须用另外的电源。 三菱公司在制造i p m 模块的同时，已经考虑到了这一问题，因此，他 们在制造i p m 模块的同时，设计了相应的供电电源模块。本系统就采用了 型号为m 5 7 1 4 0 o l 的电源模块，该电源模块的外形尺寸为6 8 3 c m ，非常 小，而且所需的外围电路简单，这样就有利于产品化设计。该电源模块，给 i p m 提供四组独立的1 5 v 的电源，其中三路输出的额定电流为3 0 m a ，而 另外一路输出的额定电流则为1 0 0 l n a ，这样，就刚好达到i p m 模块 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 |q l _ _ _ - _ _ 一 一錾董薹 虽 鬟f 一；l 孽碧蜘甏摹赛蠹s 翻x i le 螽 | i 二霎= l ll j ! 托萎帮恍引基斜萋鑫翼；转踪以千弱虿理秀试惑翟鲥驯疆骐鸳馥 麟l 薹m 。嘲强崮溪轰；錾盛强嚣型南簿龆龋霈鞘衍新群；姜罐雾躞计驰酌习 露瓢j 酸性溶液审吸附凝集审爵酯；埘确朝伯0 卵习誊哺譬j 蔫暖的形成使表面羟基数量增加，改性土的吸附能力明显提高；有机 改性剂引入交联土层间，不仅增加了交联土的离子交换能力，而且改善 了其疏水性，更有利于吸附。 7 2 应用研究展望 近年来，改性膨润土在环保及相关领域中的应用越来越活跃，在国 内、外备受重视。充分利用膨润土资源显得非常重要，应当加大开发膨 润土的步伐。 (1 )大力开发天然膨润土产品的深加工。虽然我国膨润土储量丰 富，但其中9 0 是钙基膨润土，而且纯度差异较大。因此开发、利用钙 基膨润土，使其转型为钠基蒙脱石并再进行深加工，是最现实、经济效 益显著的重大课题。 (2 ) 改性膨润土，特别是交联改性膨润土，对有机化合物及金属离 子等污染物的吸附去除作用的研究方兴未艾。可以根据污染物的类型及 污染的程度，制备相应的交联柱撑剂进而控制交联土的孔径大小和比表 面积，从而合成具有高度选择性或高效的水处理剂，这是一个有很大潜 力的研究领域。 (3 ) 交联有机复合土对有机污染物的吸附效果虽然较好，但目前成 本仍然较高。在降低有机物投加量的情况下，提高交联有机复合土的性 能，优化性价比，将是研究的重点。 (4 ) 多羟基金属柱撑交联土在含铬废水处理中取得了明显效果，应进 一步扩大其应用领域，探讨其对其它有毒金属元素的吸附作用。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 2 )过热保护( 0 t ) 如果传感器检测到基板温度超出过热动作值( o t ) ， i p m 内部控制电路将截止下桥臂器件的栅驱动，使控制输入信号无效，同 时给出下桥臂故障信号。 ( 3 )过流保护( o c ) 避免浪涌电压过高或者过流，有效地保障了i p m 的安全。 ( 4 )短路保护( s c ) 如果负载发生短路或系统控制器故障而导致上下桥 臂同时导通，i p m 内置短路保护电路将关断i g b t 。当流经i g b t 的电流超 出电流短路动作数值( s c ) 时，软关断将立即启动，并输出一个故障信号。 注意，i p m 内置的过热保护动作是一种只能工作几次的苛刻操作，应 避免反复动作。故障信号的输出需要隔离后再输入给d s p ，因为故障不会 频繁产生，这里可以选用光耦p s 8 7 0 1 ，其开通和关断的时间都小于3 u s 。 故障信号可以无延时的由p s 8 7 0 1 传输给d s p ，满足系统所要求的速度。故 障信号输出的原理为：当任一保护电路动作时，故障信号输出引脚输出大约 1 0 m a 的灌入电流，该电流可以使光耦p s 8 7 0 1 动作，输出有效的低电平。 与其它的故障信号相与后送入到d s p 的中断口p d p i n t 引脚( 低电平有效) ， 当d s p 收到故障信号( 低电平) ，d s p 就立即作处相应的中断处理，立即停 止并封锁送到i p m 的p w m 输入信号，在排除故障后再启动运行。 虽然在i p m 模块中己经设有过流、过热等保护，但为了提高系统的可 靠性及更好的保护i g b t 管，我们仍须设置一套快速而准确的保护环节以防 止各种故障。在此，针对这些问题，设计了系统的过压、欠压保护、过流保 护、过热保护以及限流起动装置。 由于保护电路属于系统的弱电控制部分，而故障信号又是从主电路中取 出的，为保证系统工作稳定应实行弱电和强电隔离，即使两者之间既保持控 制信号联系，又要隔绝电气方面的联系。这就要求我们在设计保护电路的同 时应该考虑抗干扰问题。以下将重点介绍过压、欠压、过流等保护装置。 3 5 1 过压、欠压保护 系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为i g b t 集射极耐压及 承受反压的能力有限，而我国电网电压的线性度较差，在重负荷时线电压通 常小于3 5 0 v ，丽在用电低谷期线电压高达4 4 0 v ，如此大的电压变化范围， 会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电路，如 图3 1 3 所示。 堕查堡三些查兰三兰塑圭兰竺丝圣 在该保护电路中，采用了l m 3 3 9 电压比较器。设置一个基准电压，然 后把检测输入的电压与之比较。比较输出的信号通过门电路后，直接输入到 d s p 的p d p i n t 针脚，如果出现过压、欠压情况，p d p i n t 信号为低，于是 d s p 把六路p w m 输出变为高阻态，封锁p w m 输出。达到保护电机的目 的。 图3 1 3 过压、欠压保护电路 f i 备3 1 3s a f e g u a t dc i r c u 哪 3 5 2 电流检测以及过流保护电路 电流检测模块就是把交流异步电机的三相定子电流转换成相应的二进制 代码，以方便处理。因为本课题研究的是三相平衡系统而+ 如+ 品= o ，因此 只要检测其中两路电流，就可以得到三相电流。 在系统中采用霍尔传感器( l e m ) 检测电流，模块型号为b l y t s c n p l 2 c 4 ，测流范围为0 a - 2 0 a ，其工作电压为1 5 v ，测得的量既可以以 电流的形式输出，也可以以电压的形式输出，输出电流为0 1 0 ad c ，输出 的电压为0 - 5 vd c 。在本系统中，由两个l e m 模块检测a 相和b 相的电 流，为了减少夕 设，测得的量宣接以电压的形式输出。然后由 t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 的a d 模块把它变成相应的数值，由于测得的量全部为正， 因此，必须经过处理，处理的办法就是根据电机模型的额定值，加一个偏移 量，对于量程为o 5 v 来说，那么就以2 5 v 为偏移标准，当测得的量小于 2 ，5 v 时，那么就说明电流值是负的，反之则表明电流值是正的。最后的计 堕垒鎏三兰盔兰三兰堡圭兰堡篁圣 3 6 本章小结 本章详细的分析了基于d s p 的变频调速系统硬件电路的设计，分别就 d s p 管脚分配、逆变电路、整流滤波电路、保护电路等部分做了详细说 明，并给出了一些主要器件的说明以及器件参数选取的理论依据、公式。当 然，硬件设计的好坏是本系统成功的关键，在考虑性价比的同时，更应该考 虑系统工作的可靠性、安全性。 东北大学博士论文 摘要 铁基改性膨润土的表征及其吸附性能研究 摘要 膨润土是以蒙脱石为主要成分的一类层间硅酸盐粘土矿物，经简单金属离子、 有机季胺盐、羟基金属等交联改性后，其层间距、比表面积、吸附性能等均有改 善。在环境治理、催化及其他领域中的应用得到了广泛关注。本研究针对铁基改 性膨润土的制备及应用研究较少的问题，进行了如下工作： 以我省某地膨润土为原料，以铁交联柱撑剂为基础，首次制备了f e s i 、f e t i 、 f e n i 系列交联改性土，并在此基础上以c t m a b 为有机柱化剂，进步合成了 f e s i 有机复合土、f e t i 有机复合土和f e n i 有机复合土。同时制各了n i t i 交联 膨润土、n i t i - 有机复合土。系统地研究了改性膨润土制备过程中反应温度、反应 时间、悬浮液浓度等因素的影响，利用正交实验确定了各改性膨润土的适宜制备 条件。 通过x 一荧光分析、取光谱分析、x 射线衍射分析、扫描电镜分析等手段对制 备的改性膨润土进行了性能表征。结果表明：改性后的膨润土与原土具有相同的 骨架结构，改性剂已经进入膨润土的层间，但对晶体结构不产生显著影响。改性 后，膨润土粒径明显变小，粒度分散更加均匀，舒展程度更大，轮廓外形更柔和， 连续性更好。改性土的层间距、比表面积发生了不同程度的变化，而o l ( n m ) 由原土 的1 4 3 9 0 i 】m 增大到1 7 9 6 4 2 4 5 7 0 n m 。交联土的比表面积由原土的5 6 7 4 6 l m 2 譬增 大到1 3 3 2 8 1 4 1 9 6 4 7 1 2 m 钝。 利用单因素及正交实验考察了吸附剂用量、溶液口h 、吸附时间等因素对吸附 行为的影响，优化了改性膨润土对有机污染物、c r ( ) 的吸附条件，比较了各种改 性土对c o d c ，、c r ( ) 的去除效果。实验表明：( 1 ) 改性土对有机污染物的吸附符合 f r e u n d l i c h 吸附等温方程，吸附是表面吸附与分配作用共同作用的结果。交联改性 土中以铁钛交联土吸附效果最好；有机复合改性土中铁钛有机复合土的去除率最 高；对c o d c ，的去除率效果有机复合土明显优于交联土：二者均好于原土。改性 土对造纸废水( c o d c r l 2 0 0 0 m g 几左右) 处理后，废水中c o d c ，的残留浓度低于国家 哈歪霉坯蚕薹蓑篓 磐泰i 蠢i 乎蓁 邑要薹! 雪复l i 丐引萎毒 皇霎剐薹雾l l 蓄： 墼髫茎；雾心j 孽萤”凸 萎釜孽舂 嘲雪垂孽 雾蘸自爱；? 薹当 i 彗溪耋i ；壹壁雾薹蠢奏、! l 参鳝g ! 蓍! ! 垂薹蒸箩| 霉囊妻蠢； 疆蘑i 蘑釜辇螽蓄嚣奏羹霎翌辇嚏“骘j 蠢聚。 圣曼喜鼍l ! 耋三萋l ；义蓁堂i i 妻；季芎i 妻薹垂董鍪l ! 主 譬襄霉塞! i l 辑善j 妄毳美攀! 霪；j 兰妻童萄i 目；菲莘主圣i 蠡誊l 基奎耄j 曹 i 雾喜j ! 前i 羹宙磊雯= i i 霉矗l 夏l 秀| l 冀l 喜 孽；i 翼兰塞塞警毫! 窖薹| ；耻