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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 I 頁(yè)電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì) 摘要電動(dòng)執(zhí)行器被廣泛應(yīng) 用 于 各 種 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 過(guò) 程 的 控 制 環(huán) 節(jié) ，能 夠 精 確 地 實(shí) 現(xiàn) 遠(yuǎn)程 控 制 。主 要 由 伺 服 放 大 器 和 執(zhí) 行 器 兩 大 部 分 組 成 。電 動(dòng) 執(zhí) 行 器 接 受 調(diào) 節(jié) 器 來(lái) 的4-20mA 的 直 流 信 號(hào) ，將 其 線 性 地 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 構(gòu) 轉(zhuǎn) 角 或 直 線 位 置 位 移 ，用 以 操 作 風(fēng) 門 、擋 板 、閥 門 等 調(diào) 節(jié) 機(jī) 構(gòu) ，以 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 。本 設(shè) 計(jì) 的 重 點(diǎn) 是 設(shè) 計(jì) 電 動(dòng) 執(zhí) 行 器 的 控 制部 分 ?？?制 部 分 主 要 由 單 片 機(jī) 和 可 控 硅 組 成 。其 中 單 片 機(jī) 選 用AT89C2051，AT89C2051 單片機(jī)是 51 系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是 8051 單片機(jī)的簡(jiǎn)化版。A T89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單 、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的 RAM、ROM 和接口器件，減少了硬件開 銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比?？煽毓柽x用 BTA16。本 設(shè)計(jì)的電動(dòng)執(zhí) 行器的控制部分主要是控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)執(zhí)行器；控制；單片機(jī);可控硅；電機(jī)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 II 頁(yè)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 4~20mA, 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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 III 頁(yè)目 錄第一章 緒論 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 設(shè)計(jì)的背景和意義 -----------------------------------------------------------------------------------------11.2 概述 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.3 電動(dòng)執(zhí)行器的性能特點(diǎn) ----------------------------------------------------------------------------------21.4 電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展---------------------------------------------------2第二章 總體設(shè)計(jì)方案 ----------------------------------------------------------------------------------------62.1 電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)框圖-----------------------------------------------62.2 單片機(jī)的選取-------------------------------------------------------72.2.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) --------------------------------------------------------------------------------72.2.2 軟硬件的開發(fā) ---------------------------------------------------------------------------72.2.3 引腳說(shuō)明 ---------------------------------------------------------------------------------82.2.4 主要性能 ---------------------------------------------------------------------------------92.3 輸入電路的設(shè)計(jì)----------------------------------------------------102.4 防止振蕩電路的設(shè)計(jì)------------------------------------------------112.5 信號(hào)的比較--------------------------------------------------------142.6 可控硅的選擇與說(shuō)明 ------------------------------------------------152.7 光電耦合器--------------------------------------------------------172.8 晶振電路----------------------------------------------------------192.9 開關(guān)電源模塊------------------------------------------------------202.10 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)-------------------------------------------------212.10.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 ------------------------------------------------------------------------212.10.2 電壓跟隨器的作用 ------------------------------------------------------------------22第三章 控制電機(jī)的程序和設(shè)計(jì)流程圖 ------------------------------------------------------------233.1 流程圖------------------------------------------------------------23第四章 電動(dòng)執(zhí)行器故障分析與維護(hù) -----------------------------------------------------------------25遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)3.1 注意事項(xiàng)----------------------------------------------------------253.2 故障分析與維護(hù)----------------------------------------------------25結(jié)論 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------27致謝 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------28參考文獻(xiàn) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------29遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè)第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)的背景和意義電動(dòng)執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用是接受來(lái)自控制器的控制信號(hào)，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器本身開度的變化，控制閥體等節(jié)流件的開度，達(dá)到控制流量的目的。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源、以直流電流為控制及反饋信號(hào)，當(dāng)上位儀表或計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)后，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸按照信號(hào)大小比例地動(dòng)作，使閥門或風(fēng)門開到相對(duì)應(yīng)的開度，并將系統(tǒng)開度信號(hào)反饋回控制室內(nèi)，從而完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。然而，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中，同時(shí)也是最為常見的電動(dòng)執(zhí)行器。 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，科技的日異月新，電力電子也同樣取得了巨大的發(fā)展和進(jìn)步。新型材料以及新型半導(dǎo)體的應(yīng)用，逐漸產(chǎn)生了以電子換相代替?zhèn)鹘y(tǒng)電刷機(jī)械換相的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。1955年，美國(guó) Harrison 等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換相替代電動(dòng)機(jī)機(jī)械換相的專利，這邊是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形。1962年，借助霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世開創(chuàng)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元。1978年，原聯(lián)邦德國(guó) MANNESMANN 公司的 Indramat 分部在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上正式推出其MAC 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)志無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正式邁入實(shí)際使用階段。本文的研究方向?yàn)樵O(shè)計(jì)一種具有實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)執(zhí)行器。宗旨是通過(guò)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用所學(xué)各門專業(yè)知識(shí)，并且掌握電動(dòng)執(zhí)行器的基本原理，熟悉單片機(jī)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)的基本方法及步驟，鍛煉機(jī)電設(shè)計(jì)的能力。1.2 概述電動(dòng)執(zhí)行器（又稱為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)） 英文名稱：Electronic Actuator 對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)最廣泛的定義是：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用某種驅(qū)動(dòng)能源并在某種控制信號(hào)作用下工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)能裝源并通過(guò)電機(jī)、氣缸或其它置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。應(yīng) 用 于 各 種 工 業(yè) 自 動(dòng) 化 過(guò) 程控 制 環(huán) 節(jié) 。按 照 運(yùn) 動(dòng) 方 式 分 為 ： 角 行 程 、 直 行 程 和 多 轉(zhuǎn) 式 。優(yōu) 點(diǎn) 是 能 源 取 用 方 便 ， 信 號(hào) 傳 輸 速 度 快 ， 傳 輸 距 離 遠(yuǎn) ， 便 于 集 中 控 制 ， 靈 敏 度和 精 度 較 高 ， 與 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 儀 表 配 合 方 便 ， 安 裝 接 線 簡(jiǎn) 單 。 缺 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 平 均故 障 率 高 于 氣 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 適 用 于 防 爆 要 求 不 高 ， 氣 源 缺 乏 的 場(chǎng) 所 。1.3 電動(dòng)執(zhí)行器的性能特點(diǎn)1 功能強(qiáng)勁：智能型、比例式、開關(guān)式、各類信號(hào)輸出型應(yīng)有盡有。 2 體積小巧：體積僅相當(dāng)于同類產(chǎn)品的 35％左右。 3 輕便宜人：重量?jī)H相當(dāng)于同類產(chǎn)品的 30％左右。 4 性能可靠：軸承牙口電器元件等關(guān)鍵零部件采用進(jìn)口名牌產(chǎn)品。 5 美觀大方：鋁合金壓鑄外殼、精細(xì)流暢、且可減少電磁干擾。 6 精密耐磨：蝸輪輸出軸一體化特殊鋁合金鍛造、強(qiáng)度高、耐磨性好。7 回差極?。何佪嗇敵鲚S一體化、避免了鍵聯(lián)結(jié)的間隙、傳動(dòng)精度高。 8 安全保證：通過(guò) 1500V 耐壓檢測(cè)，F(xiàn) 級(jí)絕緣電機(jī)，安全有保障。 9 套簡(jiǎn)單：采用單相電源、外接線路特別簡(jiǎn)單，也可做 380V、直流電源。 10 使用方便：免加油、免點(diǎn)檢、防水防銹、任意角度安裝。 11 保護(hù)裝置：雙重限位、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)（選裝） 。 12 多種速度：全行程時(shí)間 5 秒、10 秒、15 秒、30 秒、60 秒、100 秒等。 13 防腐防銹：支架、聯(lián)軸器、螺釘均采用不銹鋼。 14 智能數(shù)控：數(shù)字設(shè)定、數(shù)字整定、高度精確、自診斷、一機(jī)多能。 15 集成一體：智能控制模塊高度集成于電動(dòng)裝置本體中，無(wú)須外接定位器等1.4 電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展國(guó)內(nèi)狀況：我國(guó)自行設(shè)計(jì)開發(fā)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品,目前形成較大批量生產(chǎn)能力的有 ZAJ、ZAZ 型小功率電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和 DDZ-ò、 ó 型電動(dòng)單元組合儀表電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè)由于現(xiàn)場(chǎng)條件不同,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也提出一些新的特殊要求,如冶金行業(yè)提出快速型執(zhí)行機(jī)構(gòu)(全行程時(shí)間為 10 s);電力系統(tǒng)中一些高溫、高壓調(diào)節(jié)閥需用多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu);造紙行業(yè)中的紙漿流量控制需要精密型步進(jìn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),而目前主要存在的問(wèn)題是:功能參數(shù)缺少大于 6 kN#m 規(guī)格的執(zhí)行機(jī)構(gòu);死區(qū)較大,為 3%;缺少力矩保護(hù)、行程保護(hù)機(jī)構(gòu),電動(dòng)執(zhí)行器一旦失去輸入信號(hào),就會(huì)引起閥門的迅速關(guān)閉,反饋信號(hào)一旦失去,也會(huì)造成嚴(yán)重后果。我國(guó)電動(dòng)執(zhí)行器的研制起步較晚，是從蘇聯(lián)有觸點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿制開始的，60 年代末 70 年代初，逐步發(fā)展了 DDZ－Ⅱ型和 DDZ－Ⅲ型產(chǎn)品。80 年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器發(fā)展快速，無(wú)觸點(diǎn)的 DKJ 型角行程和 DKZ 型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，DKJ，DKZ 是我國(guó)最早的，唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行器，此產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)被最早的國(guó)營(yíng)大型企業(yè)使用。隨著現(xiàn)代工控計(jì)算機(jī)管理的發(fā)展，目前我國(guó)儀器儀表行業(yè)整體綜合技術(shù)水平普遍上升，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表產(chǎn)品中普遍采用，多數(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了智能化。今天，DKJ，DKZ 系列與以前相比有了兩大實(shí)質(zhì)性改進(jìn)：1 生產(chǎn)出直接受計(jì)算機(jī)控制的智能電子型，戶外型，隔爆型等改進(jìn)型產(chǎn)品；2 將電路控制部分灌封在一個(gè)小型塑料盒中，即模塊，形成了便于維護(hù)的即插即用型。因此，普通 DKJ 型和 DKZ 型的可靠性，精度，負(fù)載能力，信號(hào)品質(zhì)系數(shù)等性能有了很大提高，而且對(duì)環(huán)境條件的要求降低了很多；目前國(guó)內(nèi)普遍使用 DKJ 型和 DKZ 型兩大類產(chǎn)品，一些企業(yè)使用 DKJ，DKZ 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，但在控制要求較高的實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)控制中，主要是依賴價(jià)格較高的國(guó)外智能產(chǎn)品。隨著各種過(guò)程控制要求的不斷提高，電動(dòng)執(zhí)行器必須提高控制性能，才能真正埋設(shè)自動(dòng)控制水平。國(guó)際狀況：自 1929 年 LIMITORQUE 公司制造出了世界第一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以來(lái)，國(guó)際上電動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。20 世紀(jì) 80 年代起，國(guó)外相繼推出了符合各種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行器，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的應(yīng)用效果。由于高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前國(guó)外已開發(fā)出新一代智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，微機(jī)控制技術(shù)已在閥門設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。這些智能化電動(dòng)執(zhí)行器功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單可靠，技遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)術(shù)先進(jìn)。國(guó)際上智能電動(dòng)執(zhí)行器有以下特點(diǎn)：1 智能通信，智能控制智能電動(dòng)執(zhí)行器利用微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向通信，PID 調(diào)節(jié)，在線自動(dòng)標(biāo)定，自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平。2 機(jī)電一體化新型智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)合為一體，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用功能強(qiáng)大的集成模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好。3 控制策略更為先進(jìn)，先進(jìn)的控制方法有利于解決電機(jī)的慣性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，提高控制精度。Nucom 電動(dòng)執(zhí)行器利用先進(jìn)的電制動(dòng)技術(shù)，控制精度可達(dá) 1/250，國(guó)產(chǎn)的普通型 DKJ 電動(dòng)執(zhí)行器控制精度一般為 2.5/100。電動(dòng)執(zhí)行器的總體發(fā)展?fàn)顩r：電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器更加快速的發(fā)展，機(jī)電一體化將取代分體式結(jié)構(gòu)；智能通訊取代模擬；控制精度將越來(lái)越高，使用環(huán)境越來(lái)越廣；功能更加強(qiáng)大，可靠性更高，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動(dòng)控制的要求。1 總線化，網(wǎng)絡(luò)化國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化（Factory Automation）工程技術(shù)在最近十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，作為自動(dòng)控制中自動(dòng)化儀表之一的電動(dòng)執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接 口和專用的局域網(wǎng)接口，以增強(qiáng)其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)，甚至數(shù)十臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系 統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行，數(shù)字式，多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線現(xiàn)場(chǎng)總線企業(yè)網(wǎng)作為今后控 制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)點(diǎn)，使它與 Internet 的結(jié)合成為可能，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行器成為必然趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的 應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的 420mA 模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，狀態(tài)，故障，參數(shù)信息傳送，完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及 工程成本。目前有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有 PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN 等，其實(shí)，國(guó)外目前的智能電動(dòng)執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場(chǎng)總線接口，我國(guó)也開發(fā) 了一些帶現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能執(zhí)行器。2 數(shù)字化，智能化智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，價(jià)格低廉的單片機(jī)和新型高速微處遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)理器將全面代替模擬電子器件為主的電動(dòng)執(zhí)行器的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完 全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模 糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）來(lái)提高控制性能。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，由放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組成，但實(shí)際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運(yùn)行期間會(huì)顯 著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)度和模型辨識(shí)自適應(yīng)控制將大大提高電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能。相對(duì)氣動(dòng)液動(dòng)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，接線簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、使用可靠的智能電動(dòng)執(zhí)行 器將不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。3 小型化，機(jī)電一體化電力電子的高度集成化，單片機(jī)的使用以及一些功能強(qiáng)大模塊的使用，使電動(dòng)執(zhí)行器的體積越來(lái)越小，向小型化，輕便化發(fā)展。目前，智能電動(dòng)執(zhí)行器一 般將整個(gè)控制回路線裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)儀表控制器安裝為一體，電動(dòng)執(zhí)行器一體化，使得執(zhí)行順的安裝與調(diào)試工作都得到了簡(jiǎn)化。將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里,又減少了因信號(hào)傳輸中的泄露和干擾等因素對(duì)系統(tǒng)的影響,提高了系統(tǒng)的可靠性。國(guó)際上,電動(dòng)執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展,國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行器在產(chǎn)品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面還有較大差距,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能電動(dòng)執(zhí)行器十分匱乏。本文旨在找到我們與世界在電動(dòng)執(zhí)行器方面的差距,明確目標(biāo),通過(guò)我們的努力盡快減小國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行器與世界先進(jìn)水平的差距。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)第二章 總體設(shè)計(jì)方案2.1 電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)框圖電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖所示：輸入信號(hào)反饋信號(hào)圖 2.1 電動(dòng)執(zhí)行器工作原理框圖由框圖可知，電動(dòng)執(zhí)行器主要由放大器，單片機(jī)，電機(jī)，減速器，制動(dòng)裝置和位置發(fā)送器這幾部分組成。放大器接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)和位置發(fā)送器的反饋信號(hào)，經(jīng)比較放大后輸送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸送來(lái)的電平的高低來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。若輸入信號(hào)大于反饋信號(hào)則電機(jī)正轉(zhuǎn)，若反饋信號(hào)大于輸入信號(hào)則電機(jī)反轉(zhuǎn)。若輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行器是一個(gè)用二相交流伺服電機(jī)為原動(dòng)機(jī)的位置伺服機(jī)構(gòu)，當(dāng)輸入端無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，伺服放大器無(wú)輸出，輸出軸穩(wěn)定在預(yù)選好的零位上，當(dāng)輸入端有輸入信號(hào)時(shí)，伺服放大器把輸入信號(hào) Ii 和來(lái)自位置發(fā)送器的反饋信號(hào) If 相比較，得一偏差信號(hào)，這一偏差信號(hào)使功率放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)輸出軸改變轉(zhuǎn)角，輸出軸轉(zhuǎn)角的改變，經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的反饋信號(hào)，反饋到伺服放大器的輸入端當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)數(shù)值相等時(shí)，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相應(yīng)的位置上。放大器 單片機(jī) 電機(jī) 減速器位置發(fā)送器制動(dòng)裝置遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)2.2 單片機(jī)的選取 本設(shè)計(jì)選用單片機(jī) TA89C2051，AT89C2051 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，AT89C2051 單片機(jī)在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。2.2.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C2051是一個(gè)帶有2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的低電壓，高性能8位 CMOS 微處理器。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的 CPLI 和閃速存儲(chǔ)器，ATMEL 的 AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型處理器，它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2K 字節(jié)閃速存儲(chǔ)器 ，128字節(jié) RAM，15根 I/O 口，兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)五向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，一個(gè)精密模擬比較器以及兩種可選 的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方停止 CPU 工作但允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行工作口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一個(gè)硬件復(fù)位。2.2.2 軟硬件的開發(fā)AT89C2051可以采用下面兩種方法開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。1、由于89C2051內(nèi)部程序存貯器為 Flash，所以修改它內(nèi)部的程序十分方便快捷，只要配備一個(gè)可以編程89C2051的編程器即可。調(diào)試人員可以采用程序編輯-編譯-固化-插到電路板中試驗(yàn)這樣反復(fù)循環(huán)的方法，對(duì)于熟練的 MCS-51程序員來(lái)說(shuō)，這種調(diào)試方法并不十分困難。但是做這種調(diào)試不能夠了解片內(nèi) RAM 的內(nèi)容和程序的走向等有關(guān)信息。2、將普通8031/80C31仿真器的仿真插頭中 P1.0～P1.7 和 P3.0～P3.6引出來(lái)仿真遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)2051,這種方法可以運(yùn)用單步、斷點(diǎn)的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實(shí)，比如，2051的內(nèi)部模擬比較器功能，P1 口、 P3口的增強(qiáng)下拉能力等等。2.2.3 引腳說(shuō)明AT89C2051的引腳圖如圖2.2所示圖 2.2 AT89C2051芯片引腳圖1、VCC：電源電壓。2、GND：地。3、P1口：P1口是一個(gè)8位雙向 I/O 口?？谝_ P1.2~P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和 P1.1要求外部上拉電阻。P1.0 和 P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA 電流并能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示。當(dāng) P1口引腳寫入 “1”時(shí)，其可用作輸入端，當(dāng)引腳 P1.2~P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的寫入“1”時(shí)，其可用作輸入端。當(dāng)引腳 P1.2~P1.7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流。4、P3口：P3口的 P3.0~P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻 的七個(gè)雙向 I/O 口引腳。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)P(yáng)3.6用于固定輸入片內(nèi) 比較器 的輸出信號(hào)并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問(wèn)。P3 口緩沖器可吸收20mA 電流。當(dāng) P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí)，被外部拉低的 P3口腳將用上拉電阻而流出電流。P3口還接收一些用于 閃速存儲(chǔ)器 編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。5、RST：復(fù)位輸入。 RST 一旦變成高電平所有的 I/O 引腳就復(fù)位到“1 ”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給出 RST 引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。6、XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。7、XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。2.2.4 主要性能1、和 MCS-51產(chǎn)品兼容；2、2KB 可重編程 FLASH 存儲(chǔ)器（10000次） ；3、2.7-6V 電壓范圍；4、全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz；5、2級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；6、128*8位內(nèi)部 RAM；7、15條可編程 I/O 線；8、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；9、6個(gè)中斷源；10、可編程串行通道；11、高精度電壓比較器（P1.0，P1.1 ，P3.6） ；遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)12、直接驅(qū)動(dòng) LED 的輸出端口。2.3 輸入電路的設(shè)計(jì)電動(dòng)執(zhí)行器接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的 4~20mA 的直流電流信號(hào)，經(jīng) I/V 轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成1~5V 的電壓信號(hào)，與來(lái)自位置發(fā)送器的反饋信號(hào)相比較，將比較的結(jié)果輸送至單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。由于來(lái)自位置發(fā)送器的反饋信號(hào)不穩(wěn)定，所以應(yīng)用了運(yùn)放組成的加減運(yùn)算電路及比例運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)，使兩個(gè)電壓信號(hào)的值相匹配，在比較時(shí)更容易計(jì)算。輸入部分的電路圖如圖 2.3 所示：R5100kR2100k R6100kRf2100kR7100kRf3100kR10100kR11100k32 1411U2ALM22432 1411U8ALM22432 1411U1ALM224R3100kR12100k-12V+12V-12V+12V-12V+12Vu0VFVLVIN1Vu2u3if1ilV+V- i-if2i+i6Rf3100kR9100k32 1411U1ALM224-12V+12Vu4R8100kRf2500k圖 2.3 輸入電路根據(jù)虛短虛斷： 0??FLi1f遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè)101/)(/)( fL RuvRv??????)/(11fFfV?)/()/( 1110 fFfffLf RVRRu ???LFFf ???)(/1比例運(yùn)算：根據(jù)虛短虛斷： 0???i26f?213)0 /)(/( fRuRu???6021 LFf V?)(/1f?2?INVu假設(shè)來(lái)自位置發(fā)送器的反饋信號(hào) ，在減法運(yùn)算電路中，將 調(diào)為VF)4~2(?LV2V，經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算電路運(yùn)算后， ，在比例運(yùn)算電路中，比例系數(shù)V0的數(shù)值可以是大于，等于或小于 1 的任何值。電路中用兩個(gè)反相比例運(yùn)算電61/Rf?路是為了調(diào)節(jié)輸出電壓的正反相。為了便于運(yùn)算，將比例系數(shù)調(diào)為 2，即經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算后， ，來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為 (1~5)V，經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算電路運(yùn)算VF)4~0(? ?INV后變?yōu)?0~4)V，這樣 和 在比較時(shí)更容易計(jì)算。FVIN2.4 防止振蕩電路的設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)投入自動(dòng)狀態(tài)經(jīng)常會(huì) 遇到民動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象，振蕩的頻率也較高。由于這種振蕩現(xiàn)象的存在，極易引起磁放大器的故障，此外，由于電遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常處于振蕩狀態(tài)下運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的使用壽命。因此，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)消除這種振蕩，以保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位振蕩的原因較多,現(xiàn)結(jié)合設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩的原因及消除的方法。（1）電動(dòng)、執(zhí)行 器閥位反饋小回路振蕩，產(chǎn)生振蕩的原因主要有以下兩個(gè)方面。a 由于磁放大器的不靈敏區(qū)△ g 太小，磁放大器過(guò)于靈敏，使執(zhí)行器小回路無(wú)法穩(wěn)定而生產(chǎn)振蕩。b 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失去制動(dòng)作用而產(chǎn)生惰走現(xiàn)象時(shí)，也會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)小回路振蕩。針對(duì)上述引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩的原因，對(duì)磁放大器不靈敏△g 太小引起振蕩，根據(jù)運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，把磁放大器的不靈敏區(qū)△ g 調(diào)在± 120-140 μA 時(shí)可以消除小回路振蕩。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)失去制動(dòng)應(yīng)查出機(jī)構(gòu)失去制動(dòng)的原因給以排除。（2）由于信號(hào)源波動(dòng)而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振蕩?？梢栽谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)地，在回路中加入阻尼器環(huán)節(jié)，也可在管路中加機(jī)械濾波緩沖的裝置。用機(jī)械阻尼的方法減少變送器輸出信號(hào)的波動(dòng)，以至消除機(jī)構(gòu)的振蕩。（3）由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定不當(dāng)而引起系統(tǒng)振蕩，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定不適合，會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的振蕩。對(duì)于單回睡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例帶過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)短、微分時(shí)間和微分增益過(guò)大都可能產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩。對(duì)于多回路系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)有共性的問(wèn)題外，還存在著回路之產(chǎn)的相互影響，由于參數(shù)整定不合適產(chǎn)生各回路間的共振。對(duì)于上述原因引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振蕩，可能在系統(tǒng)整定時(shí)合理的選擇這些參數(shù)，使回路都要保持所要的穩(wěn)定裕度。（4）由于調(diào)節(jié)閥門流量特性太陡或閥門運(yùn)行在小 開度時(shí)，引起調(diào)節(jié)器過(guò)調(diào)而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)振蕩。當(dāng)調(diào)節(jié)閥流量特性太陡時(shí)，被調(diào)量只需加油站小的偏差就將使被調(diào)介質(zhì)產(chǎn)生較的變化，往往使調(diào)節(jié)過(guò)頭，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。由于調(diào)節(jié)閥門的特性受工藝條件限制，較難修改時(shí)，可以把調(diào)節(jié)的比例帶適當(dāng)增加，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。（5）由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)以聯(lián)桿和調(diào)節(jié)閥門閘的聯(lián)接件的游隙和間隙。所有聯(lián)接件應(yīng)按三級(jí)精度配合制造。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振蕩是運(yùn)行中常見的一種故障現(xiàn)象，直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)，其內(nèi)在原因也是多方面的，在分析和排隊(duì)故障原因時(shí)，要從系統(tǒng)構(gòu)成安裝調(diào)試多方面去分析故障遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè)原因，再設(shè)法進(jìn)行消除。防止振蕩電路圖如圖 2.4 所示：32 1411U8ALM22432 1411U11ALM22432 1411U10ALM224R22100kR25100kR23100kR10 100kR14100kR11100kR12100kRf4100kRf6100kR24100kR13POT2+5 -12v+12v-12v+12v-12v+12vu6u7u2u5u4圖 2.4 防止振蕩電路圖在本設(shè)計(jì)中采用了加減運(yùn)算電路來(lái)消除振蕩，在控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的電路中，當(dāng)來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)大于反饋信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。但是，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若反饋信號(hào)大于或等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)或者停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就產(chǎn)生了振蕩，在本設(shè)計(jì)中采用了加減運(yùn)算電路來(lái)消除振蕩。在控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的電路中采用了減法運(yùn)算電路來(lái)消除干擾電機(jī)正轉(zhuǎn)的振蕩，用電位器來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)值的大小。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若反饋信號(hào)大于或等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)時(shí)，減法運(yùn)算電路減去電位器調(diào)節(jié)的值使得來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)始終大于反饋信號(hào)，保證電機(jī)正常正轉(zhuǎn)。在控制電機(jī)反轉(zhuǎn)的電路中采用了加法運(yùn)算電路來(lái)消除干擾電機(jī)反轉(zhuǎn)的振蕩。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若反饋信號(hào)小于或等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)時(shí)，加法運(yùn)算電路加上電位器調(diào)節(jié)的值使得反饋信號(hào)始遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè)終大于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)，保證電機(jī)正常反轉(zhuǎn)。圖 2.4 中，u5 是一個(gè)很小的值，電位器用來(lái)調(diào)節(jié) u5 的大小，在控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的電路中采用了減法運(yùn)算電路來(lái)消除干擾電機(jī)正轉(zhuǎn)的振蕩。在減法運(yùn)算電路中，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若反饋信號(hào)突然大于或等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)，則由減法運(yùn)算電路原理可知： ，保證來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)始終大于反饋信號(hào)，電機(jī)持續(xù)正轉(zhuǎn)。當(dāng)526u??電機(jī)反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若反饋信號(hào)突然小于或等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)時(shí)，在加法運(yùn)算電路中，則由加法運(yùn)算電路原理可知： ，保證反饋信號(hào)始終大于來(lái)自調(diào)節(jié)547u??器的信號(hào)，電機(jī)持續(xù)反轉(zhuǎn)。所以，用加減運(yùn)算電路能有效的消除振蕩。2.5 信號(hào)的比較經(jīng)過(guò)加減運(yùn)算和比例運(yùn)算電路的處理后，來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行相比較。本設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器進(jìn)行兩信號(hào)的比較。兩信號(hào)比較的電路圖如圖 3.5 所示：321411U12ALM224321411U13ALM224R15100kR16100kD1ZENER2-12v+12v-12v+12vD2ZENER2p3.0p3.1u7u6圖 2.5 信號(hào)比較電路圖輸入信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)加減運(yùn)算的處理后分別作為運(yùn)算放大器的正相輸入和反相遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè)輸入輸送給運(yùn)算放大器進(jìn)行比較。運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，即：輸出電壓=A0（E1-E2） ，其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍） ，E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。如圖 2.5 所示：第一個(gè)運(yùn)算放大器的作用：E1 為來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸入電壓， E2 為反饋電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的運(yùn)算處理后，輸出電壓=A0（E1-E2） ，若 E1E2，即來(lái)自調(diào)節(jié)器的電壓大于反饋電壓，則輸出為高電平，這個(gè)高電平輸送到單片機(jī)后，單片機(jī)的 P1.7 引腳輸出低電平，可控硅 Q1 導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)。若 E1=E2，即來(lái)自調(diào)節(jié)器的電壓等于反饋電壓，則輸出高電平，可控硅 Q1 截止，若 E1E2，即反饋電壓大于來(lái)自調(diào)節(jié)器的電壓，輸出高電平，則單片機(jī)的 P1.6 引腳輸出為低電平，可控硅 Q2 導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。若 E1=E2，即反饋電壓等于來(lái)自調(diào)節(jié)器的電壓，輸出為低電平，則單片機(jī)的 P1.6引腳輸出也為高電平電平，可控硅 Q2 截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。若 E1E2,即反饋電壓小于來(lái)自調(diào)節(jié)器的電壓，輸出電壓為負(fù)，輸入到單片機(jī)后，單片機(jī)不做任何處理，P1.6沒有輸出。2.6 可控硅的選擇與說(shuō)明可控硅，是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱，是一種具有三個(gè) PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來(lái)作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無(wú)線電遙控、攝像機(jī)及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為 BTA16 的雙向可控硅。器件型號(hào):BTA16-600 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè)封裝形式: TO-220腳位排列: T1-T2-G （A1-A2-G）；A1 主電極，A2 主電極，G 門極圖 2.6 BTA16 引腳圖主要參數(shù): 電流-IT(RMS): 16.0A 電壓-VDRM: ≥600V 觸發(fā)電流: IGT ≤18-25mA 雙向可控硅的工作原理1.可控硅是 P1N1P2N2 四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè) PN 結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè) PNP 管和一個(gè) NPN 管所組成 當(dāng)陽(yáng)極 A 加上正向電壓時(shí)，BG1 和 BG2 管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G 輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，BG2 便有基流 ib2 流過(guò)，經(jīng) BG2 放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因?yàn)?BG2 的集電極直接與 BG1 的基極相連，所以 ib1=ic2。此時(shí)，電流 ic2再經(jīng) BG1 放大，于是 BG1 的集電極電流 ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個(gè)電流又流回到 BG2的基極，表成正反饋，使 ib2 不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于 BG1 和 BG2 所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè)即使控制極 G 的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化?？煽毓杩刂齐姍C(jī)正反轉(zhuǎn)電路圖如圖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圖 2.7 單片機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路圖當(dāng)單片機(jī)的 p1.7 引腳輸出低電平時(shí)，可控硅 Q1 導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)單片機(jī)的引腳 p1.6 輸出低電平時(shí)，可控硅 Q2 導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。2.7 光電耦合器光耦合器（optical coupler，英文縮寫為 OC）亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED） ，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被 光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。 光電耦合器充當(dāng)隔離器件，是利用光電耦合器具有很高的輸入輸出絕緣性能和光電變換，可構(gòu)成固態(tài)繼電器， 使電氣完全隔離或輸出與負(fù)載隔離；構(gòu)成交、直電源電路隔離，使交流、直流電源相互獨(dú)立；光電耦合器充當(dāng)傳遞信號(hào)，利用電－光－電的轉(zhuǎn)換，使輸入輸出間互相隔離，且電信號(hào)傳輸具單向性等特點(diǎn)，具備既隔離遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè)又能傳遞信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路由 MOC3081 和雙向晶閘管等器件組成。MOC3081 的輸入控制電流 15mA，過(guò)零檢測(cè)電壓值為 20V，輸出額定電壓是 600V，最大重復(fù)浪涌電流為1A，輸出輸入隔離電壓大于 7500V。驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)部分如圖 2 所示。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管其工作原理：在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電一光一電的轉(zhuǎn)換。圖 2.8 光電耦合器光耦的基本結(jié)構(gòu)是將光發(fā)射器(紅外發(fā)光二極管、紅外 LED)和光敏器(硅光電探測(cè)敏感器件)的芯片封裝在同一外殼內(nèi),并用透明樹脂灌封充填作光傳遞介質(zhì),通常將光發(fā)射器的管腳作輸入端,光敏器的引腳作為輸出端。當(dāng)輸入端加電信號(hào)后,光發(fā)射器在電信號(hào)的作用下將其轉(zhuǎn)換成光信號(hào),其光的強(qiáng)弱與信號(hào)電流成正比,此光照射到封裝在一起的受光器上后,再轉(zhuǎn)變成輸出電流加到負(fù)載上,從而完成電)光)電轉(zhuǎn)換。此種信號(hào)傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)回路與輸出回路完全隔離,即沒有電的直接連接,可以各自采用獨(dú)立的電源系統(tǒng),特別適用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè)2.8 晶振電路在 單 片 機(jī) 電 路 中 晶 振 的 作 用 非 常 大 ， 結(jié) 合 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 的 電 路 ， 產(chǎn) 生 單 片 機(jī) 所 必需 的 時(shí) 鐘 頻 率 ， 單 片 機(jī) 的 一 切 指 令 的 執(zhí) 行 都 是 建 立 在 晶 振 的 基 礎(chǔ) 上 。晶 振 利 用 一 種 特 殊 的 晶 體 ， 在 電 能 和 機(jī) 械 能 之 間 相 互 轉(zhuǎn) 化 產(chǎn) 生 共 振 ， 提 供 穩(wěn) 定 精確 的 單 頻 震 蕩 ， 為 系 統(tǒng) 提 供 基 本 的 時(shí) 鐘 信 號(hào) 。2.9 晶振電路晶振電路的作用：晶振是給單片機(jī)提供工作信號(hào)脈沖的。這個(gè)脈沖就是單片機(jī)的工作速度。比如12M 晶振。單片機(jī)工作速度就是每秒 12M。和電腦的 CPU 概念一樣。當(dāng)然。單片機(jī)的工作頻率是有范圍的。不能太大。一般 24M 就不上去了。不然不穩(wěn)定。 接地的話數(shù)字電路弄的來(lái)亂一點(diǎn)也無(wú)所謂?？窗遄由嫌袥]有模擬電路。接地方式也是不固定的。一般串聯(lián)式接地。從小信號(hào)到大信號(hào)依次接。然后小信號(hào)連到接地來(lái)削減偕波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響，所以晶振所配的電容在 10pf-50pf 之間都可以的，沒有什么計(jì)算公式。但是主流是接入兩個(gè) 33pf 的瓷片電容，所以還是隨主流。 晶振電路的原理 晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè)元件的參數(shù)變化很大,這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。 2.9 開關(guān)電源模塊 開關(guān)電源模塊是給電路中的運(yùn)放電路供電的，其中輸出的+5V 是給單片機(jī)供電。如圖所示電路為輸出電壓+12V、-12V ，輸出電流 1.5A 的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，濾波電容 C1、C3 ，防止自激電容 C2、C4 和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成的。 220V 交流電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，濾波電容 C1 的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)殡妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過(guò) LM7805 的穩(wěn)壓和 C3 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為 TTL 電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。如圖所示 LM7805 穩(wěn)壓電源電路中，各個(gè)電容都有各自的作用，其中L1N2Vo+ 3GND 4Vo- 5U6DIANYUAN+-C22.2uFC11.0uFVin1GND2+5V 3U7 LM7805CTC30.33uFC40.1uF+5VGND-12V+12VACLACN圖2.10 開關(guān)電源模塊C1 為整流濾波電容，它把整流后的脈動(dòng)波形濾波為脈動(dòng)紋波很小的直流電壓，它的容量與負(fù)載有關(guān)，一般說(shuō)，負(fù)載越重，C1的值要求越大，具體計(jì)算此處從略。C2 為 LM7805穩(wěn)壓集成電路所要求的，尤其當(dāng) LM7805與整流電路的濾波電容（此處為 C1)不是緊緊連接的情況更是必不可少的，它用于穩(wěn)定 LM7805內(nèi)部放大器的遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè)工作狀態(tài)，它的數(shù)值生為產(chǎn)廠家規(guī)定值，不得小于0.33微法，它的連接必須盡可能緊連LM7805的1腳和2腳。C3也為 LM7805穩(wěn)壓集成電路所要求的，它用于穩(wěn)定 LM7805內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)，同時(shí)改善電壓調(diào)整的過(guò)渡響應(yīng)。它的數(shù)值為生產(chǎn)廠家規(guī)定值，不得小于0.1微法。C4為負(fù)載電路退耦電容，它對(duì)負(fù)載提供一個(gè)端距離的本地回路，其數(shù)值與負(fù)載工作方式有關(guān)。2.10 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)2.10.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容用單片機(jī) AT89C2051 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在此將由 89C2051 的 P1.7、P1.6 通過(guò)可控硅控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，當(dāng) P3.0 輸入高電平時(shí)，P1.7 輸出低電平，P1.6 輸出高電平時(shí)，可控硅 Q1 導(dǎo)通，而可控硅 Q2 截止，從而導(dǎo)致電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) P3.1 輸入高電平時(shí)，P1.7 輸出高電平，P1.6 輸出低電平，可控硅 Q1 截止，Q2 導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 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