2022年比例电磁阀驱动电源软件设计 .pdf
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1、分类号: TP 2 编号: BY 15 5033 10/11/2 14-0703沈 阳 化 工 大 学本 科 毕 业 论 文题目:比例电磁阀驱动电源软件设计院系:信息工程学院专业:电气工程及其自动化班级:0703 学生:XXXX 指导教师:XXXX 论文提交日期: 2011年6 月27日论文答辩日期: 2011年6 月28日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 41 页毕业设计论文任务书电气工程及其自动化专业电气 0703班学生: XXX 毕业设计论文题目:比例电磁阀驱动电源软件设计毕业设计论文内容:1)利用 PWM 控制技术
2、实现比例阀电流闭环控制;2)采用单片机及相关驱动电路完成比例阀驱动电源设计;3)为产品的实用化作必要的前期研究工作。毕业设计论文专题部分:1)在比较各种方案优缺的点基础上,完成比例电磁阀电流PWM 闭环控制电源的软件设计及试制; 2)利用单片机设计电流可调式、电流跟踪式比例阀电源各功能块软件,并与硬件系统联机调试;起止时间: 2011 年 03 月-2011 年 06 月指导教师:签字年月日教研主任:签字年月日学院院长:签字年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 41 页摘要本文以国外比例阀电源控制器的功能和技术参数为参考
3、,致力于将外部标准输入信号转换成PWM电压信号 ,通过控制驱动 PWM电压的占空比,实现控制主电路的大信号; 通过闭环设计,补偿线圈的温升影响,使比例电磁阀的电流稳定,保持比例阀的开度不变,到达提高流量的控制精度的目的;同时,通过增加频率可调环节,选择适用于比例阀的最优脉动性。由于控制途径是采用电流闭环控制, 保证了电流的稳定性。经过仿真与实验分析,完成了单片机控制器的设计。在硬件电路设计方面,根据本设计控制对象的特点,本文采用了STC12C5A60S2为核心控制器件在使用特殊功能寄存器功能下的PWM驱动电路方案, 将理论计算和面包板调试相结合的方法, 实现了主电路和驱动控制电路的参数研究,完
4、成了控制主电路,PID调节电路和电流反馈控制电路的设计工作。 其中工作主电路部分主要使用单片机直接输出PWM控制信号。本文设计最后进行了实际测试,实验结果说明本文所设计的电路基本都能满足控制要求,对电磁阀平稳、宽范围内的流量控制有着明显的作用。关键词:电磁阀;单片机;PWM; PID 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 41 页Abstract In this paper, the proportion of foreign power controller valve function as a reference, is
5、 committed to an external standard voltage input signal into a PWM signal, PWM voltage by controlling the duty cycle of drive to achieve control of the main circuit of the large-signal; through closed-loop design, the compensation coil The temperature rise, the solenoid valve with a stable current t
6、o maintain the same ratio of valve opening, to improve the accuracy of flow control purposes; the same time, by increasing the frequency adjustable links, choose the best for the pulse of proportional valve . As the current control approach is the use of closed-loop control to ensure that the curren
7、t stability. Through simulation and experimental analysis, completed the micro-controller design. In circuit design, according to the characteristics of the design control object, we use as the core control device STC12C5A60S2 SFR functions using the PWM drive circuit under the program, the theoreti
8、cal calculations and bread board debugging method of combining to achieve the main circuit and drive control circuit parametric studies, completed the main control circuit, PID regulator circuit and current feedback control circuit design. The major part of the main circuit which work directly with
9、the microcontroller output PWM control signal. Finally, this design was the actual test, experiment results show that the design of the control circuit to meet the basic requirements of the solenoid valves smooth, wide range of flow control has a significant role. Key words:Solenoid valve;SCM;PWM;PI
10、D 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 41 页目录第一章 国内外发展概况 . 11.1 国际驱动电源现状 . 11.2 国内驱动电源现状 . 11.3 比例电磁阀驱动电源设计的意义. 2第二章 比例电磁阀电流环控制优缺点. 3. . 3. . 3第三章 比例电磁驱动电源设计原理. 43.1 总体方案 . . 43.2 基本思路 . . 43.2.1 比例电磁阀简介 . 53.2.2 硬件要求 . 53.3 比例电磁阀驱动电源的功能. 53.3.1 功能简介 . 53.3.2 技术指标 . 63.3.3 优点 . 7第四章
11、硬件系统设计分析 . 84.1 控制电路 . . 8. . 10 4.3 放大电路 . . 11 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 41 页4.4 按键与显示电路 . 12 第五章 软件系统设计 . 13 5.1 软件设计的整体思路. 13 5.2 编程工具 Keil uVision4 . 13 5.2.1 Keil的概述 . 13 5.2.2 Keil uVision4的组成 . 14 5.3 初始化 . . 14 5.3.1 系统的始化 . 14 5.4 主程序 . . 14 5.5 子程序 . . 16 5.5.1
12、系统时钟初始化子函数 . 16 5.5.2 7279芯片初始化 . 17 5.5.3 定时器 0 初始化子函数 . 18 5.5.4 PWM初始化子函数 . 19 5.5.5 延时子函数 . 21 5.5.6 数码管显示子函数 . 21 5.5.7 键处理子函数. 22 5.5.8 PWM处理子函数 . 22 5.5.9 AD 转换子函数 . 22 5.5.10 PID算法子函数 . 24 第六章 实验结果及数据分析. 26 6.1 Proteus仿真软件简介 . 26 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 41 页6.2 调
13、试中出现的问题及实验结果. 26 6.2.1 调试中的问题. 26 6.2.2 实验结果 . 27 结束语 . . 29 致谢. . 30 参考文献 . . 31 附录 A 硬件原理图 . 32 附录 B 显示电路原理图. 33 附录 C 硬件实物图 . 34 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第一章国内外发展概况1 第一章国内外发展概况1.1 国际驱动电源现状根据美国半导体产业协会SIA的预测,从 2009 年到 2011 年,全球半导体销售额的年复合增长率 CAGR 约为 9.7%,到
14、2011 年将达 3090 亿美元。从地理位置来看, SIA 预计亚太地区日本除外是增长最迅速的地区,从2009年到 2012年将以 14.1%的 CAGR 增长市场规模从2008年的 888亿美元成长到 2011年的 1504 亿美元。亚洲的市场占有率预计将增加7 个百分点,到达48.6%,而其它所有地区的占有率则下降。SIA 主席 George Scalise 在 2009年 11月中旬指出,虽然IT 产品继续是半导体的最大应用市场,但消费电子将是带动市场成长的最主要力量。与此相同,市场调查公司 Databeans 在最后的一份报告中表示, 消费电子市场已经从历来的线性成长趋势一跃而为指数
15、成长。Databeans 估计 2008 年消费半导体营收 427亿美元,占 2140亿美元的整个半导体市场的20% 左右。平均每年成长 12% ,到2012 年消费电子产品市场占有率应该到达22% ,大约 810亿美元。1.2 国内驱动电源现状我国的电源技术研究,从理论到实验、仿真,与世界水平比较是不低的,在一些方面还常有突破,但是在产品方面,结构和工艺的差距就明显了。现在看来,我国电源企业据统计大小有几千家。有条件的企业能实现整机系统集成、全自动的生产, 产品体积小,具有明显优势,假设价格廉价又能大量供货,自然就会占领市场。而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。现在我国一些大公司生产的开关
16、电源,性能完全可以和进口产品竞争,因而有一定数量的出口。 在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向,然而对一些固定产品的驱动电源研究却很少,如对德国Burket 电磁阀的驱动,国内的驱动电源很难到达其要求的效果。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第一章国内外发展概况2 1.3 比例电磁阀驱动电源设计的意义随着机械控制和工业, 医疗的发展, 比例电磁阀以其显著的优越性,已成为现代一些重工业和清工业控制领域的发展趋势之一。而综观中国市场对电磁阀的需求,犹如一个金字塔结构。塔尖为进口产片所有,以质精
17、 , 价高,量小垄断着高端用户。塔的中部事外商独资,合资企业的地盘,对应要求阀门质量上乘, 价格适中的中高端用户。 至于内资企业基本上是在塔底徘徊,以拼数量,拼价格的方式争夺着低端用户。随着中国用户采购行为的日趋理性化,品牌与质量越来越受到重视,独资,合资企业的产品也越来越受到青睐。同时,独资合资企业又不断通过用提高质量,降低成本的方式蚕食着进口产品的份额1。用户之所以选择进口产品的最终因素就是质量,质量是品牌决策的关键, 价格方面只要在承受的范围之内宁可选择较贵一点但品质有保证的产品。因为这样不但可以节约维护成本,还可以减少不必要的时间浪费。为了实现比例电磁阀平稳, 宽范围的调节要求, 就需
18、要优化比例电磁阀驱动技术来提高流量的稳定性。 我国的电源技术研究, 从理论到实验仿真, 与世界水平相比是不低的,但是在产品方面,结构和工艺的差距就明显了。目前我国主要应用国外电磁阀厂商自带的驱动电源,这就加大了成本的投入。 为了能够使电磁阀发挥更好的性能,优质的驱动电源是必不可少的,因此本设计具有实际的工作意义。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第二章比例电磁阀电流环控制优缺点3 第二章比例电磁阀电流环控制优缺点1.1与开环控制比较优点开环控制控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制
19、单方向进行。优点:简单、稳定、可靠。假设组成系统的元件特性和参数值比较稳定,且外界干扰较小,开环控制能够保持一定的精度。缺点:精度通常较低、无自动纠偏能力。闭环控制闭环控制系统特点: 输出端和输入端之间存在反馈回路,输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用:应用反馈,减少偏差。优点:精度较高,对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点:存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析和设计麻烦。电流闭环控制与电流开环控制相比之下,有许多优点。其一就是电流实时跟踪,确保电流实际值与设定值几乎一样, 使工作稳定;其二就是闭环控制比开环控制稳定。1.2与电流流量双闭环控制缺点双闭环控制包含电流和流量两个闭环控制,使控
20、制更精确,控制种类更多样化。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第三章比例电磁驱动电源设计原理4 第三章比例电磁驱动电源设计原理3.1 总体方案利用脉宽调制技术实现的电流闭环装置由STC12C5A60S2单片机构成主控部分,进行主要的 PWM输出,以及占空比和频率可调的控制信号,并完成对于电流闭环的处理2。本设计主要有单片机产生PWM新号,驱动 MOS管,从而控制主电路里的比例电磁阀, 并通过采样电阻采集反馈电流,由于采样信号弱, 通过放大器放大给单片机AD,经过软件 PID算法完成电流闭环
21、。总体方案见图。图总体方案图3.2 基本思路VCC STC12C5A60S2 TLP250 电磁阀单片机输出 PWM 光耦采样电阻电磁阀MOS 管二极管358 放大器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第三章比例电磁驱动电源设计原理5 3.2.1 比例电磁阀简介比例电磁阀的工作关键是确保活塞上的作用力保持平衡。这些平衡力包括专门为比例电磁阀配置的弹簧产生的机械力和电流通过线圈产生的磁力。弹簧产生的力被磁力成比例地抵消。比例电磁阀实际图见图3.2 。图3.2 比例电磁阀实际图通常,人们认为比例
22、阀会对供给电压做出成比例的反应。但是,实际上,电流通过线圈会使线圈变热, 并最终使内部电阻变大。 在恒定电压下, 电阻变大将会使电流下降,并进而使磁力变小。最终,阀门将会慢慢关闭。为防止出现该问题,您可以使用稳定的电流供给。电流应独立于线圈电阻。 唯一的缺点是这种设备比供压设备昂贵。3.2.2 硬件要求单片机能输出 PWM信号,驱动 MOS管间接驱动比例电磁阀,使用采样电阻测得反馈电流,通过放大电路反馈到单片机3。3.3 比例电磁阀驱动电源的功能3.3.1 功能简介1STC12C5A60S2单片机可输出可调占空比和可调频率的PWM 。2控制器可做电流源使用,并且可调。3控制器自带报警功能,电流
23、过大会自动切断电源。4控制器自带指示灯,可以指示报警状态。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第三章比例电磁驱动电源设计原理6 5此控制器兼容性强,可用于多种型号的比例电磁阀。3.3.2 技术指标由于比例电磁阀负载是一个线圈, 就是说是感性负载, 电流流过感性负载的时候,会有磁滞,所以本设计采用脉宽调制技术,尽量排除磁滞,使在同一电流时,比例电磁阀的开度一样。恒流电源与含PWM的电源比较如图 3.3 。图3.3 恒流电源流量曲线图图3.4 含PWM 的电源流量曲线图电流的脉动量与比例电磁阀流
24、量滞环有关,最好结合PWM电流波形说明,采用PWM开环电流控制后,流量滞环减小。PWM式电源0204060801001201401601800.150.250.350.450.550.650.75电流(A )流量(L/min)流量曲线普通直流电源00.20.40.60.811.21.41.61.820.350.450.550.650.750.850.95电流(A )流量(L/min)流量曲线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第三章比例电磁驱动电源设计原理7 3.3.3 优点此设计有很多优点
25、:1输出电流精度高,稳定性好。2抗干扰能力强。3报警准确。防止发生损坏电磁阀的现象。4使用方便。按键与显示简介易懂。5实时显示与设定状态独立。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 41 页沈阳化工大学学士学位论文第四章硬件系统设计分析8 第四章硬件系统设计分析本设计的硬件主要包括控制电路、隔离电路、驱动电路、采样电路、反馈电路和放大电路等。下面,针对每种电路作详细介绍。4.1 控制电路控制电路由单片机最小系统组成,包括单片机、晶振、复位电路。单片机最小系统较为简单,只需接 MHZ晶振,30PF电容和 10K的复位电阻就可以了
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