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極譜儀中攪拌電機速度的自動控制

【標    題】:

極譜儀中攪拌電機速度的自動控制


【作者單位】:

山東濟寧東盛電子儀器有限公司


【內容摘要】:    極譜分析中除使用滴汞、懸汞和靜汞電極外,極譜儀幾乎所有的電鍍、富集過程都需攪拌雜質溶液,以達到快速、均勻富集、提高分析靈敏度的目的。目前各類陽極溶出法分析儀、電位溶出法分析儀,以及微機化伏安儀等,均采用分離式的攪拌控制系統控制工作電極旋轉,即在儀器外另設一個電源裝置和一套控制電路,通過手動設定轉速,攪拌時間由儀器內部的硬件或軟件給出,控制一臺15賈直流電機定時、定速轉動,攪拌雜質溶液。還有相當部分的舊式極譜儀采用電磁攪拌方式。這種控制方法,存在速度控制精度低、儀器體積大等缺點。為了提高控制精度,我們開發出一種適用于小型多功能自動化極譜儀用的攪拌自動控制系統 [更多詳細]

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【正文內容】:
    極譜分析中除使用滴汞、懸汞和靜汞電極外,極譜儀幾乎所有的電鍍、富集過程都需攪拌雜質溶液,以達到快速、均勻富集、提高分析靈敏度的目的。目前各類陽極溶出法分析儀、電位溶出法分析儀,以及微機化伏安儀等,均采用分離式的攪拌控制系統控制工作電極旋轉,即在儀器外另設一個電源裝置和一套控制電路,通過手動設定轉速,攪拌時間由儀器內部的硬件或軟件給出,控制一臺15賈直流電機定時、定速轉動,攪拌雜質溶液。還有相當部分的舊式極譜儀采用電磁攪拌方式。這種控制方法,存在速度控制精度低、儀器體積大等缺點。為了提高控制精度,我們開發出一種適用于小型多功能自動化極譜儀用的攪拌自動控制系統,實現對攪拌電機速度的控制。定電壓v,是按極譜分析轉速要求所給定的速度控制模擬量。v.由計算機送出對應的數字量,經過D/A轉換,輸出與轉速成比例的電壓值。驅動5份小型直流伺服電機給定電壓v.和速度反饋電壓v,進行比較、電壓放大和功率放大后,驅動電機在給定速度下轉動。外界因素如負載變化,電源波動等會影響轉速變化,這種變化反映出v,的大小變化,經過與V.比較放大后、最終將電機轉速控制在一個恒定值上。
    2硬件設計
    總體框圖如圖1所示。本系統采用80,8單片機控制5百小型直流電機,定時精度為m。級,最大轉速誤差小于0.02%。可實現正、反轉,連續可控。控制電路與儀器裝于一體,采用sTD標準接口,控制、維修十分方便,大大縮小了儀器體積。
    2.1速度控制過程
    速度探測器部分采用了100脈沖制的步進編碼器速度傳感器,緊靠近小型直流電動機主軸一側。電機直接帶動工作電極轉動。速度給定電壓v,是按極譜分析轉速要所給定的速度控制模擬量。v.由計算機送出對應的數字量,經過D/A轉換,輸出與轉速成比例的電壓值。驅動5份小型直流伺服電機給定電壓v.和速度反饋電壓v,進行比較、電壓放大和功率放大后,驅動電機在給定速度下轉動。外界因素如負載變化,電源波動等會影響轉速變化,這種變化反映出v,的大小變化,經過與V.比較放大后、最終將電機轉速控制在一個恒定值上。
    2.2電路各部分功能速度控制電路如圖2所示。各部分功能如下:
    2.2.1速度給定電壓v.V。由12位D/A轉換器DAC一232給出,采用雙極性輸出是為了正反轉攪拌的需要而設計的。最小速度控制分辨率為3000r/。in/(2幾一l)之0.73r/min,最大轉速誤差為0.73/3000,0.02%,這種誤差足以滿足攪拌精度的要求。
    2.2.2差動放大與功率放大v.經R:,、u,:,分壓后由跟隨器Ie。輸出。Ic。為差動電壓放大器,將v.與一v,比較放大到足以驅動功放電路。T,、n:、R:,和T。、D3、R:.起過流保護作用,保護功放管T;和T。。D:、D;是續流二極管,以防止T‘、T。被感性負載的反電動勢擊穿。
    2.2.3速度負反饋電路速度負反饋電路是由整形、F/v轉換、濾波、相位補償、方向識別和正反轉極性控制幾部分構成。。.波形整形速度傳感器檢測電路送出A、B兩相相位相差”。的脈沖,由于各種干擾產生畸變,需要整形。整形由晶體管反相器T:、T:及積分電路n,、e:,R:、e:和施密特觸發器455魂構成。整形后A、B兩相脈沖接近理想方波脈沖。
    b.單穩態多諧振蕩器利用定時器5“單穩態電路產生與A相信號頻率成正比的脈沖電壓。脈沖寬度T、由R。、C‘值決定:Th二1.IR‘C-取R。.skQ,e.二0.。一認f,得T、“0·lm。。
    c.低通有源濾波由R.、c。,R,和c,及運放構成。單穩態多諧振蕩器輸出的脈沖電壓經有源濾波后,得到的平均電壓與A相脈沖信號頻率成正比。因此,完成了反饋系統的護/v轉換。
    d.相位補償利用滯后一超前相位補償電路R:,、C.和R::、c。實現相位補償,目的是為了改善系統的速度響應特性。不加補償,系統增益12dB,相位極限僅25“。補償后增益和相位極限分別提高到4odB和47。,效果十分明顯。e.轉動方向識別由D觸發器、模擬開關4“3和運放構成。A相脈沖作D觸發器的cP脈沖,B相脈沖作數據輸入。正轉時B相超前A相,0。,D觸發器輸出高電平,選通4053的x-x:通道,這時反饋電壓加到運放的反相輸入端,完成v,的極性變換。反轉時,A相超前B相,。“,D觸發器輸出低電平,選通4053的x一x。通道,v,加到運放同相端,此時運放為電壓跟隨器。選R:‘研:。二4仆9,則經運放后Vr大小和極性都不變。
    2.3各部分傳遞函數及增益計算
    3軟件設計
    采用8。,8匯編語言編制程序。電機轉速、轉動時間、停止時間采用漢字提示,人機對話方式,由用戶通過鍵盤鍵入所需數值。程序設計采用模塊化,分為電機轉速子程序、延時子程序。
    3.l電機轉速控制的數學模型
    從-3000r/。in~+3000r/,in速度范圍的任一轉速N的數學模型為D二INT[(NX613000+6)X4095/12](,)通過鍵盤鍵入值為十進制數,把該值以BCD碼形式存入寄存器Ax中,計算出電機轉速對應的數字量。D<80H為電機反轉,D》80H為電機正轉。式中6/3。。。為每增加一轉需要增加的電壓值。因為電機轉速一30000r/min~+300or/min轉,對應的電壓為·6v~+6v,相應數字量為。~FFFH。要求出某一轉速下對應的數字量,應求出相對一6v的絕對電壓值,所以要加6。
    3·2定時控制
    延時程序采用寄存器減l的方法。80,8的晶振頻率為6MH:,每一個機器周期延時時間為。·4,8卜。,然后根據每執行一條指令的機器周期數,算出。.5。需循環幾次,該值賦給寄存器Bx為基本延時單位。調用該延時程序前要把鍵入的轉動(或停止)時間的十進制數轉換為二進制數,并計算出每次延時0.5.需幾次才能達到所需要的時間,輸入給寄存器AX。
    3.3程序流程圖
    根據電機轉速控制的數字模型及定時控制的要求,進行軟件的編制。通過顯示屏菜單提示的電機轉速和轉動時間,從鍵入相應的轉速和時間到電機轉動的程序流程如圖3所示。謐穩定性分析速度負反饋控制的最終目的,是要抑制外界干擾的影響,使系統變量接近設計值。為此系統本身必須是穩定的。多種因素影響系統的穩定性,但增益和頻率特性是影響穩定性的主要因素,需要重點考慮。
    隨著負載轉矩增加,電機轉速會下降。實際轉速N和給定轉速N。之差△N與給定轉速之比△H/N。為速度波動率。系統總直流增益越大,速度波動率越小。由于系統中存在慣性,太高的增益反而會使系統振蕩,使穩定性下降。多數情況下,一般伺服系統的增益和相位極限分別控制在20dB和4。“左右。系統是否穩定可以由增益和相位關系的Bode曲線加以分析。如果相位交叉處對應的增益為負,則系統是穩定的,反之系統不穩定。同樣,也可以根據相位角判斷。如果增益交又處相位角大于一180度,則系統是穩定的;小于一180度,系統是不穩定的。就本系統而言.朱加補償電路前增益為12dB,但相位極限僅25。,系統是不穩定的。表現出從發出速度指令到電機起動達到給速度過程很長,約7ooms,而且產生嚴重波動。犧牲增益換取穩定性提高的辦法是不可取的,因為增益下降會引起速度波動率增加。切實可行的辦法是在保證足夠增益前提下,用相位補償措施擴大相位極限。增加R:、C.和R::C,滯后一~超前相位補償電路后,效果是明顯的。補償后的Bode曲線和系統速度響應如圖4(a)、(幼所示。由圖可見,系統增益提高到13dB,相位極限擴大到47。。而且電機起動過程速度波動得到了極大的抑制.速度建立時間明顯縮短,約200mm,是補償前的1/30
    6結束語
    本攪拌電機速度自動控制系統,具有電路簡單、成本低、功耗小的特點,適用于小型化智能極譜儀。本系統用于我們研制的小型化多功能智能極譜儀中一年多來,運行穩定可靠,實現了儀器小型化,提高了儀器自動化程度。
 

 
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