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小型磨粉机的自动化控制研究(十二)变频调速喂料控制模块
时间:2020-03-10 16:13:31 | 来源: | 作者: | 浏览次数:
 变频调速喂料控制模块
按照变频调速喂料模型实现自动调速喂料控制,调速范围 30~300r/m(喂料前辊)。首先由电容杆式料位传感器感应物料位置,并转换成相应的模拟电流信号输出,经信号采集 A/D 转换,交 CPU 处理,返回控制 PWM 信号,积分转换成类比模拟控制信号给变频器,由变频器控制喂料辊驱动电机运转,电机和喂料后辊(拨流辊)同轴连接,经由变速齿轮和同步带驱动喂料前辊(分流辊)转动。喂料转速由接近开关发送感应脉冲, 经整形送至 MSP430F149 的 P1.1 端口,利用高速捕获功能,测算喂料辊的转速。
(1) 电容杆式料位传感器
电容杆式料位传感器能测量非金属物料的料位,它是利用非金属的介电常数不同于空气的介电常数,当非金属接触传感器时,引起电容杆式传感器电容量的变化。它的基本工作原理是电容杆式料位传感器把非金属的料位转换成电容量的变化,通过测量电容量的办法就可以求知料位数值,因此电容杆式料位传感器是一个具有可变参数的电容器
[33]。
电容杆式料位传感器是根据圆筒电容器[79]原理进行工作的,在实际的料位测量中, 一般以盛放物料的容器壁作为电容的一个极,传感器探头固定在容器中作为电容的另一个极,其结构如图 4.2 所示。

 
 
传感器探头
 
 
当中间介质是介电常数为e1 的气体时(设料筒高度为 L,半径为 R,传感器探头半径为 r),则两圆筒的电容为:

C1 = 2pe1L / R / (ln R / r)
(4-1)

 
如果电极的一部分被介电常数为e2 的物料(非导电性的)浸没时,则必有电容量ΔC 的产生(因为e2 > e1 ),此时两极间的电容量为C C1 + ΔC 。假如电极被浸没的长度为l , 则电容的增量为:

ΔC = 2p (e2 - e1 )l / (ln R / r)
(4-2)

 
e1 、e2 、 R r 不变时,电容量增量ΔC 与电极浸没的长度l 成正比,因此测出电容量的增量数值便可知料位高度。
电容式料位传感器的硬件电路实质上就是一个对电容量的检测电路,实现对电容量的测量并输出需要的电信号。
料位传感器的测量电路主要由振荡电路和单片机检测与处理电路两部分组成。前者将电容量转化成为一定频率的脉冲信号,当电容量变化时,脉冲频率发生相应的变化。后者则实现对频率信号的测量,根据脉冲频率的不同,输出不同的电信号。
信号变换关系为:
料位→电容量→频率信号→电信号
其原理如图 4.3 所示。由单稳电路组成的振荡器将表示料位的电容信号CX 转换成脉冲信号送入单片机的定时器端口,经单片机对脉冲信号频率计数采样,并与初始基准频率比较,得到一个差频信号,再将该差频信号经单片机内部数模转换电路 D/A 转换成模拟信号,通过 DACO 端口输出,这个输出信号就是与电容量CX 的增量成比例的电信号,即物料的料位信号。

 电容杆式料位传感器输出的是弱电信号,范围为 0~30mA,为满足单片机 A/D 输入口模拟量幅值范围要求,需经过信号采集电路,如图 4.4 所示。
 
图 4.4  料位信号采集电路
Fig.4.4 Signal collection circuit of material level
(3) 喂料电机的驱动

变频器选用 AB 品牌的 PowerFlex4 交流变频器,可以提供的额定功率和电压等级分别为 02~3.7KW 和 120V、240V、480V。PowerFlex4 适合用于机械工具、风扇、泵、传送带和物流处理系统等应用场合的速度控制。在本系统中,驱动器的输出频率范围是0~83.3Hz,频率输出由类比模拟信号 0~10V 控制,类比信号的产生电路如图 4.5 所示。
图 4.5 驱动器类比信号产生电路
Fig.4.5 Analog signal generator circuit of driver
图 4.5 中,PWMO 为单片机的 P1.2 输出口,模拟 PWM 信号输出,F-OUT 为频率控制类比信号输出。
(4) 喂料驱动电机
喂料驱动电机,选配东菱电机有限公司的 TYD 系列三相交流永磁低速同步电机。功率为 400W,最大转矩 40Nm,同步转速 60r/m(50Hz)。该电机的转子式轴向永磁的

 
稀土永磁体,配合特殊结构的定子,可直接获得高转矩低转速。配合变频器电源可作为交流调速电机使用,50Hz 下恒转矩,50Hz 上恒功率。
(5)喂料辊转速的测定
磨粉机自动化控制系统中,要求喂料辊的转速范围为 30rpm~300rpm,转速较低, 低转速的测量方法可采用测量周期法。具体是实现为:在喂料辊上安装一个测速齿轮, 齿轮外缘附近固定一个接近开关,当喂料辊旋转时,齿轮也同时旋转,因此在接近开关上产生一系列的脉冲。这个脉冲经过滤波整型后,送至 MSP430F149 的 P1.1 端口,利用单片机 16 位定时器的高速捕获功能,测算出喂料辊的转速。
此处应用的接近开关是一种无接触电感式接近开关:它是开关量输出的位置传感器,由 LC 高频振荡器和放大处理电路组成。当金属物体靠近能产生电磁场的振荡感应头时,是金属物体内部产生涡流,同时这个涡流反作用于接近开关,是接近开关振荡能力衰减,内部电路的参数发生变化,判断出有金属物体靠近[13]。如图 4.6 所示,一般使用的接近开关的引出线有三根:电源(POWER)、接地端(GND)、信号输出(OUT),电源一般是 DC5V、10V、12V。电源输出
 

接近开关产生的脉冲信号需要经过整型才能与单片机相连。可以采用单稳触发器作为整型电路。该系统中使用的是 555 构成的单稳触发器电路,如图 4.7(a)所示,图 4.7(b) 为其输入输出波形。经过整型的脉冲信号接到 MSP430F149 的 P1.1 端口。假设捕获触发方式为边沿触发,那么通过计算两个脉冲边沿之间的时间,再经折算就可以测出喂料辊的转速。
Vcc
 
9
0KIN
 
 
C38 1U
OUT

 
(a)
 
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