乳粉干燥微機控制系統(tǒng)設(shè)計pangai

1、第一章 緒 論1.1引言一牛奶的營養(yǎng)價值1乳是哺乳動物出生后賴以生存的發(fā)育的唯一食物，它含有適合其幼子生長發(fā)育所必需的所有營養(yǎng)素。由于牛乳具有以下特點，所以被公認(rèn)為迄今為止的一種比較理想的完全食品。乳經(jīng)過殺菌后，不需要進行任何調(diào)理即可直接供人食用。人們食用牛乳幾乎全部消化吸收，并無廢棄排泄物。牛乳含有促進人類生長發(fā)育以及維持健康水平的幾乎一切必需的營養(yǎng)成分。牛乳所含有各種營養(yǎng)成分比例大體適合人類生理需要。其他食物由于添加了牛乳，可顯著提高這種食物的蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值。為了取得牛奶同等數(shù)量的營養(yǎng)成分，用其他谷物提供，在數(shù)量上要比牛乳消耗好幾倍。2每100克牛乳所含營養(yǎng)成分：脂肪3.5克、蛋白質(zhì)3.

2、2克、乳糖4.6克、礦物質(zhì)0.7克、生理水88克。3乳脂肪的營養(yǎng)價值：牛乳脂肪為短鏈和中鏈脂肪脂肪酸，熔點低，僅為34.5。牛乳脂肪球顆粒小，呈高度乳化狀態(tài)，所以乳脂肪極易消化吸收。乳脂肪還含有人類必需的脂肪酸和磷脂。因而乳脂肪是一種營養(yǎng)價值較高的脂肪。4乳蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值：牛乳蛋白質(zhì)含有人體生長發(fā)育的一切必需的氨基酸和其他氨基酸。牛乳蛋白質(zhì)的消化率可達98%100%，生物價84。而豆類蛋白質(zhì)消化率為80%。因而乳蛋白為完全蛋白質(zhì)。5牛乳中碳水化合物的營養(yǎng)價值：乳中的碳水化合物只有乳糖一種。乳糖在自然界中僅存在與哺乳動物的乳汁中，其甜度為蔗糖的1/6。一分子乳糖消化時可得一分子葡萄糖和一分子半

3、乳糖。半乳糖可促進腦苷脂類和粘多糖類的生成，因而對幼兒智力發(fā)育非常重要。乳糖的一個重要特點是能促進人類腸道健康。乳糖還和糖的代謝有關(guān)，在食物中添加乳及乳制品有利于鈣的吸收，取得預(yù)防小兒佝僂病、中老年人骨質(zhì)疏松癥的效果。因而牛乳中的碳水化合物不僅能提供熱量，且營養(yǎng)價值要優(yōu)于其他碳水化合物。6牛乳中礦物質(zhì)的營養(yǎng)：乳中有豐富的礦物質(zhì)。如鈣、磷、鐵、鋅、銅、鉬等。特別是含鈣多，而且鈣、磷比例合理，吸收率高。所以牛乳是人體鈣最佳來源。鈣是人體中含量最多的一種無機鹽，是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要成分。人體中90的鈣集中在牙齒和骨骼上。兒童、青少年生長發(fā)育期需要充足的鈣，同樣孕婦及成人、中老年人，也需要補充鈣質(zhì)，

4、缺乏鈣會影響牙齒和骨骼的正常發(fā)育，導(dǎo)致佝僂病。成年人每日需鈣800毫克，但我國居民的鈣攝入量不足400毫克，由于鈣攝入不足，出現(xiàn)骨質(zhì)疏松，軟骨癥等，嚴(yán)重影響了我國人民的身體健康。大自然中的鈣是以化合態(tài)存在的，只有被動、植物吸收后形成具有生物活性的鈣，才能更好地被人體所吸收利用。牛奶中含有豐富的活性鈣，是人類最好的鈣源之一，1升新鮮牛奶中含活性鈣約1250毫克，居眾多食物之首， 它不但鈣含量高，而且含維生素D3能促進人體胃、腸壁對鈣的吸收，吸收率可高達98，調(diào)節(jié)體內(nèi)鈣的代謝，維持血清鈣濃度，增進骨骼的鈣化。7牛乳中維生素的營養(yǎng)價值：牛乳中含有所有已知的各種維生素，尤其是維生素A和B2含量較高，而

5、一般食物中維生素A和B2很少。所以，牛乳還是人類維生素A和B2的重要來源。牛乳中膽固醇含量少，而且還含有降低血膽固醇的3羥3甲基戊二酸及乳清酸，對中老年尤為適宜。綜上所述，除膳食纖維外，牛乳中含有人體所需要的全部營養(yǎng)物質(zhì)，其營養(yǎng)價值之高是其他食物所不能比的。一個成年人每日喝500毫升牛乳，能獲得1517克優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，可滿足每天所需要的必須氨基酸；能獲得600毫升的鈣，相當(dāng)于需要量的80%；可滿足每日熱量需要量的11%。牛奶是人類改善營養(yǎng)、科學(xué)補鈣、增強體質(zhì)的最好食品。二奶粉生產(chǎn)工藝流程圖及其簡介11.原料用于生產(chǎn)乳粉的牛乳必須在一級品以上，酸度超過20°T會嚴(yán)重影響乳粉的溶解度，在保

6、藏過程中容易發(fā)生酸敗。乳粉在復(fù)水后應(yīng)還原到鮮乳狀態(tài)，因此，原料乳需標(biāo)準(zhǔn)化到鮮乳國標(biāo)要求。2.預(yù)熱殺菌由于乳粉在常溫的保藏期長，脂肪酶、蛋白酶、過氧化物酶的殘留會對產(chǎn)品的風(fēng)味、色澤造成嚴(yán)重影響，必須加以鈍化；此外，產(chǎn)品中不得有致病菌檢出，大腸桿菌和雜菌數(shù)也有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。對原料乳的殺菌可以達到以下目的：殺滅存在于牛乳中的全部病源微生物和絕大部分其他微生物，使產(chǎn)品中微生物殘存量達到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為安全食品；破壞牛乳中各種酶的活性，尤其要破壞脂酶和過氧化物酶的活性，以延長乳粉的保存期；提高牛乳的熱穩(wěn)定性；提高濃縮過程中牛乳的進料溫度，使牛乳的進料溫度超過濃縮鍋內(nèi)相應(yīng)牛乳的沸點，殺菌乳進入濃縮鍋后

7、即自行蒸發(fā)，從而提高了濃縮設(shè)備的生產(chǎn)能力，牛乳的進料溫度等于濃縮鍋內(nèi)牛乳的沸點，也同樣可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，并可減少濃縮設(shè)備加熱器表面的結(jié)垢現(xiàn)象；高溫殺菌可提高乳粉的香味，同時因分解含硫氨基酸而產(chǎn)生活性巰基，提高乳粉的抗氧性，延長乳粉的保存期。因此，乳粉原料奶的殺菌條件比較激烈，一般有中溫長時間殺菌法，7275保持15分鐘；高溫短時間殺菌法，8590，保溫35分鐘；超高溫瞬時殺菌法，120140，保溫12秒鐘。實踐證明，無論從乳粉的衛(wèi)生及其他質(zhì)量指標(biāo)來看，高溫短時加殺菌效果良好，因此，目前乳粉生產(chǎn)上多采用高溫短時間殺菌法。超高溫瞬時殺菌不但是牛乳經(jīng)殺菌后處于無菌狀況，而且保持牛乳原有的營養(yǎng)成分

8、，但由于設(shè)備成本高，未能得到廣泛的應(yīng)用。3.真空濃縮牛乳的87以上都是水，未經(jīng)濃縮直接干燥的乳粉有許多缺點，通過濃縮可達到如下目的：提高產(chǎn)品的色、香、味、形，濃縮后干燥的乳粉色澤奶黃到淡黃，而直接干燥的乳粉灰白暗淡；經(jīng)濃縮的乳粉乳香濃郁、滋味充足，未經(jīng)濃縮的乳粉乳香淡薄，缺乏乳粉滋味；經(jīng)過真空濃縮的乳粉顆粒直徑大，分散性、沖調(diào)性好，反之則性能相反；節(jié)約能源和設(shè)備，噴霧干燥時蒸發(fā)1Kg水需耗用2.83.2Kg蒸汽，真空濃縮只需11.2Kg；未濃縮乳噴干需要的干燥室體積比正常的大三分之一，設(shè)備投資高；便于包裝，直接干燥乳粉因顆粒小、密度低，包裝過程中容易發(fā)生粉塵飛揚和粘滯，包裝材料也需多耗10。真

9、空濃縮的工藝條件為：單效濃縮，真空度為表壓0.080.0895MPa,乳溫5156，多效濃縮的末效真空度0.080.092MPa,末效溫度4045；加熱蒸汽壓力0.10.15MPa;濃縮終點，全脂乳粉為11.513波美度，相當(dāng)于含固形物3842。真空度是濃縮過程的關(guān)鍵之一，真空度過低，乳溫必然上升，乳蛋白變性加?。徽婵斩冗^高，乳的沸點過低，飛騰面就低，將影響蒸發(fā)效率。4.噴霧干燥 這是本文研究的重點問題，其工藝將在后文中具體介紹。5.冷卻干燥后乳粉的溫度通常都在6072，溫度的高低是根據(jù)顆粒大小與在干燥室中滯留位置及工藝條件而定。如不及時對乳粉實施冷卻，容易引起蛋白質(zhì)變性；脂肪球因處于超熔點狀

10、態(tài)，容易破裂而使游離脂肪量增多，尤其在包裝過程中，經(jīng)撞擊與摩擦，使乳粉中的脂肪滲出到表面，再保藏階段容易發(fā)生氧化。傳統(tǒng)的冷卻方法是將乳粉放入專用的不銹鋼箱內(nèi)，在室溫下自然冷卻數(shù)小時之后篩粉，更先進的是通過干燥室內(nèi)附帶的冷卻裝置冷卻，或使乳粉在卸粉過程中通過自動篩網(wǎng)，并用符合食品衛(wèi)生要求的冷風(fēng)進行冷卻，使乳粉溫度降至2530，低于脂肪熔點。1.2噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展通過干燥脫去微生物生長所必需的水分來保存不同食品的方法已經(jīng)使用了幾個世紀(jì)。按照馬可波羅在亞洲旅行的筆記記載，蒙古人通過在陽光下干燥牛乳以生產(chǎn)奶粉。在過去的150年左右的時間里，許多干燥食品的技術(shù)發(fā)展起來了，有一些就特別適合于乳粉生產(chǎn)。不

11、容置疑，當(dāng)今最重要的干燥方法是噴霧干燥，該原理可追溯到一個多世紀(jì)前的一項相關(guān)的專利，是通過霧化來改良干燥和濃縮的液態(tài)物料。盡管噴霧干燥的概念在19世紀(jì)后期就存在了，但大多數(shù)乳粉生產(chǎn)直到20世紀(jì)中葉仍采用滾筒干燥。美國在第一次世界大戰(zhàn)前后，Merril-Soul和Grey-Jensen將噴霧干燥的加工方法用于商業(yè)化生產(chǎn)，直到50年以后，噴霧干燥才代替了滾筒干燥，成為最經(jīng)典的乳粉生產(chǎn)方法。滾筒干燥仍然用于某些特殊的乳制品生產(chǎn)中，并且十分廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)的其它領(lǐng)域。噴霧干燥設(shè)備在1901年首次用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，在20世紀(jì)20年代才真正用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，20世紀(jì)40年代末才在我國開始使用。最早

12、的結(jié)構(gòu)是屬于壓力箱式（臥式），物料的霧化為雙流體式，動力消耗量大。到1958年，輕工部在黑龍江省推廣畜力小型壓力式噴霧干燥法生產(chǎn)奶粉，1955年哈爾濱松花江牛奶廠首次用離心噴霧的方法生產(chǎn)奶粉。這兩種形式的噴霧干燥設(shè)備當(dāng)時都是平底結(jié)構(gòu)，出粉是間歇式的，每工作一個班次人工出粉一次。20世紀(jì)60年代中期，箱式壓力干燥設(shè)備出現(xiàn)了錐底帶螺旋出粉器（攪龍）的結(jié)構(gòu)形式。第一臺立式多噴頭壓力噴霧干燥設(shè)備誕生在20世紀(jì)70年代初，它的出現(xiàn)使噴霧干燥設(shè)備的有效容積縮小近一半，而且不用攪龍，連續(xù)出粉。20世紀(jì)80年代又生產(chǎn)了單噴頭的立式壓力噴霧干燥設(shè)備，它在奶粉工業(yè)中的應(yīng)用事推動我國乳粉工業(yè)技術(shù)進步的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，

13、為促進我國奶粉工業(yè)的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1.3干燥過程中的幾個問題在乳粉噴霧干燥過程中有如下幾個問題會影響乳粉的質(zhì)量，這也同樣是我們在控制中需要關(guān)注的幾個問題：1.干燥溫度加熱過程中熱、質(zhì)交換的平衡非常重要，熱空氣溫度過高，易使乳滴表面硬結(jié)，內(nèi)部水分?jǐn)U散困難，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)變性及熱敏性成分的損失，顆粒疏松，沉降性差，影響產(chǎn)品的復(fù)原性能；乳滴過大或濃度過高都易發(fā)生在干燥過程中由于乳固體提高，水分?jǐn)U散減慢而降低品質(zhì)。反之，干燥溫度太低，產(chǎn)品的含水量過高，會引起許多質(zhì)量問題。干燥時物料的受熱的均一性極為重要，要求霧化液滴與熱介質(zhì)接觸良好，物料受熱程度一致，否則造成產(chǎn)品水分含量不一致，還會導(dǎo)致熱敏性組

14、分變性或損失。2.噴霧方式與壓力壓力噴霧干燥中，高壓泵壓力的大小是影響乳粉顆粒直徑大小因素之一。高壓泵的使用壓力高，霧化狀況好，但霧化的液滴小，產(chǎn)品顆粒小，色澤差；使用壓力低，則乳粉顆粒直徑就大，但可能造成霧化液滴太大而不易干燥。噴頭孔徑大，干燥所得的產(chǎn)品顆粒大，但孔徑太大易造成潮粉。離心噴霧時，噴頭的孔徑大小及內(nèi)孔表面的光潔度狀況，也影響乳粉顆粒直徑的大小及分布狀況，噴頭孔徑大，內(nèi)孔光潔度高，則得到顆粒直徑大、顆粒大小較為均勻一致的乳粉。乳粉顆粒的大小隨干燥方法的不同而異。一般來說，壓力噴霧干燥法生產(chǎn)的乳粉顆粒直徑約為10100微米，平均為45微米；而離心噴霧干燥法生產(chǎn)的乳粉顆粒直徑則為30

15、200微米，平均為100微米。3.水分含量水分含量對乳粉質(zhì)量的影響有以下幾個方面：乳糖。含水分35的噴霧干燥脫脂乳粉，在37保存600日也不結(jié)晶化。水分約7.6時，37保存1日，28.5保存10日，20保存100日開始結(jié)晶；乳粉的色澤。乳粉在保藏過程中顏色會逐漸變深，這與水分含量關(guān)系很大，水分在4以下不易褐變，水分超過5，即使抽真空充氮包裝也易褐變；溶解度。水分含量在3以下，在充氮密封包裝后，在室溫下保藏二年，溶解度不會下降，水分超過5，溶解度易下降；微生物。含水量在5以下的乳粉經(jīng)密封包裝后一般不會有細菌繁殖，在23，細菌反而減少，超過5細菌就容易繁殖并容易產(chǎn)生陳腐味。但水分含量過低（小于1.

16、88）時，也容易發(fā)生氧化臭味。第二章 乳粉干燥工藝介紹及控制方案論證2.1乳粉噴霧干燥工藝介紹1噴霧干燥的過程 ：噴霧干燥包括濃縮物料微粒加熱、表面水分汽化、微粒內(nèi)部水分向表面擴散以及對干物料的加熱。干燥過程可分為以下三個階段。預(yù)熱階段。 濃縮物料的微粒與干燥介質(zhì)接觸的瞬間，干燥過程便開始進行，微粒表面的水分即開始汽化。微粒表面的溫度如低于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則干燥介質(zhì)供給的熱量使微粒表面迅速達到濕球溫度；如微粒表面的溫度高于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則其表面溫度因水分蒸發(fā)而迅速下降，直至達到汽化所需熱量平衡，此時預(yù)熱階段結(jié)束，干燥速度迅速增大，進入恒速干燥階段。恒速干燥階段。 在恒速干燥階段，微粒

17、內(nèi)部的水分不斷向表面擴散，表面水分不斷汽化，水蒸氣分壓等于水的飽和蒸汽壓，微粒表面溫度等于干燥介質(zhì)的濕球溫度（一般為5060）。干燥速度取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、氣流狀況。干燥介質(zhì)溫度與微粒表面濕球溫度間溫差越大、濕度越低，微粒在干燥介質(zhì)中的分散性越好，干燥速度越大。恒速干燥階段約0.010.04s內(nèi)完成。降速干燥階段。 當(dāng)微粒內(nèi)部水分?jǐn)U散速度降至低于顆粒表面的蒸發(fā)速度，恒速干燥階段即告結(jié)束，降速干燥階段開始。在降速干燥階段，物料顆粒溫度將逐步超出干燥介質(zhì)的濕球溫度，并逐步接近干燥介質(zhì)溫度，干物料的水分含量也接近或等于該干燥介質(zhì)狀態(tài)的平衡水分。此階段的干燥時間較恒速干燥階段長，為1030s或

18、更長。2噴霧干燥的設(shè)備：最簡單的噴霧干燥的設(shè)備是一個具風(fēng)力傳送系統(tǒng)的噴霧干燥器，見圖圖1 干燥室2 空氣加熱器3 牛乳濃縮缸4 高壓泵5 霧化器6 主旋風(fēng)分離器7 旋風(fēng)分離輸送系統(tǒng)深藍、淺藍、褐色依次為牛乳、空氣、乳粉。這一系統(tǒng)建立在一級干燥原理上，即從將濃縮液中的水分脫除至要求的最終濕度的過程全部在噴霧干燥塔室內(nèi)(1)完成。濃縮奶由一個高壓泵（4）送至干燥室（1）繼續(xù)進入噴霧器（5），形成極細小奶滴被噴入混合室與熱空氣進行混合?？諝庥娠L(fēng)扇吸入并通過過濾器，然后在加熱器（2）處加熱到150250，熱空氣經(jīng)分散進入噴霧塔，在塔內(nèi)，經(jīng)噴霧的乳與熱空氣完全混合蒸發(fā)出奶中的水分。在干燥過程中奶粉在塔中

19、沉降到塔底排出。奶粉被冷風(fēng)冷卻下來并傳送到包裝段，冷風(fēng)由風(fēng)扇送至輸送管道，冷卻之后，混著冷風(fēng)的奶粉流動到排放單元（7），在包裝之前奶粉由空氣中分離出來。一些小的、輕的顆?？赡芘c空氣混在一起離開干燥空間。這些粉在一個或多個旋風(fēng)分離器（6、7）中分離。經(jīng)分離后，這些粉再混回到包裝奶粉中，干凈干燥的空氣由風(fēng)扇自工廠抽出。3.噴霧干燥的方式：噴霧干燥物料的霧化方式有壓力噴霧干燥、離心噴霧干燥和氣流噴霧干燥。壓力噴霧干燥時物料在多缸柱塞式高壓泵下經(jīng)噴頭在干燥室中霧化，與干燥介質(zhì)進行熱、質(zhì)交換。壓力噴霧設(shè)備的霧化器是噴頭，它必須使?jié)饪s乳能夠均勻地分散成微小的液滴目前使用最為廣泛的是M型和S型兩種。M型噴頭

20、的流通能力大，能適應(yīng)生產(chǎn)能力較大的噴霧干燥設(shè)備，噴頭噴孔精度高，紅寶石噴頭硬度大、耐磨性好，因此，濃乳的霧化情況好，操作穩(wěn)定可靠。S型噴頭加工較為方便，價格也較便宜，但流通能力較小，用不銹鋼制造的噴頭內(nèi)孔易于磨損，使用壽命較短。離心噴霧干燥是向水平方向作高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)供以濃乳，使?jié)馊缭陔x心力的作用下高速甩出，形成薄膜或液滴，借助于周圍空氣的摩擦、阻礙與撕碎作用使之形成細霧。其設(shè)備如下圖所示濃乳在圓盤上的每一質(zhì)點均受到歲圓盤旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切向力與離心力作用而產(chǎn)生的徑向力，其結(jié)果為以合速度在圓盤上運動，其運動軌跡可以設(shè)想為一螺旋形，液體沿此螺旋線自圓盤上被拋出后，分散成很微小的液滴，并受到使其

21、沿圓盤的切線方向運動的離心力以及使其沉降的重力的合力作用。由于微粒的大小不一，所以它們受到的作用力也不一樣。這樣，就在不同的距離形成一個以轉(zhuǎn)軸為中心對稱的圓柱體。由于離心噴霧幾乎都是沿水平面作圓周運動，干燥介質(zhì)的流動方向與濃乳液滴的流動方向呈順流或混流。氣流噴霧干燥則借助于其他氣體的作用挾帶物料并經(jīng)過噴嘴形成微粒再行干燥。此法在化工生產(chǎn)上應(yīng)用較為普遍，在乳品生產(chǎn)方面很少使用。4.噴霧干燥的特點：噴霧干燥的過程迅速，干燥溫度較低，因此特別適用于熱敏性較強物料的干燥，產(chǎn)品能保持原有的營養(yǎng)成分和性能；噴霧干燥設(shè)備可以方便的調(diào)節(jié)及改變干燥條件，能適用于不同質(zhì)量要求產(chǎn)品的干燥；由于干燥介質(zhì)與濕物料在空中

22、瞬間接觸時發(fā)生熱交換，因此，對換熱設(shè)備的壁面材料無需過高的要求；設(shè)備生產(chǎn)率很高，無需大量操作人員。但噴霧干燥設(shè)備的水分蒸發(fā)強度較小，因此，設(shè)備體積相當(dāng)龐大，價格昂貴，所需廠房面積也大；噴霧干燥設(shè)備熱效率很低，設(shè)備熱效率在30以下，是乳品工廠設(shè)備中熱效率最低的一種換熱設(shè)備。5.噴霧干燥的工藝條件：不同的產(chǎn)品對濃縮物料的濃度及濃縮物料的進料量、廢氣的相對濕度均有不同的要求。濃縮物料的濃度一定程度上決定著噴霧干燥設(shè)備的產(chǎn)量和質(zhì)量，霧化設(shè)備的選用隊噴霧干燥的質(zhì)量也有著相當(dāng)大的影響。在通常情況下，離心噴霧法生產(chǎn)的乳粉顆粒總較壓力噴霧法生產(chǎn)的大。在壓力噴霧法生產(chǎn)過程中，高壓泵的工作壓力應(yīng)控制在1020MP

23、a，不低于140MPa，噴孔的直徑在0.73.2mm左右。使用離心噴霧干燥時，離心機圓盤的轉(zhuǎn)速根據(jù)不同的直徑有所不同，一般在500015000rpm，乳品生產(chǎn)所采用的離心機圓盤的圓周速率一般在100160m/s。進風(fēng)溫度控制在130170，廢氣的排氣溫度約在7485，廢氣的相對濕度在1013。進風(fēng)機風(fēng)量=干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量110120，排風(fēng)機排出風(fēng)量=干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量120140，干燥室內(nèi)形成23.3kPa的負壓。產(chǎn)品水分含量不超過2。2.2系統(tǒng)控制方案的論證及自動控制變量的確定正確分析噴霧干燥機理，對自動化控制方案的最后確定至關(guān)重要。衡量干燥設(shè)備應(yīng)用在特定的工藝條件下成功與否的主要指標(biāo)是干

24、燥產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，包括產(chǎn)品的粒徑分布、外觀及產(chǎn)品最終含水量等。產(chǎn)品的產(chǎn)量由生產(chǎn)復(fù)合的經(jīng)濟性能及熱空氣發(fā)生器所提供的熱量、干燥器的干燥強度、熱空氣流量、料漿中固形物的含量等條件決定。影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多：產(chǎn)品的粒徑及外觀由干燥設(shè)備的工藝性能及料漿配置工藝參數(shù)決定，而產(chǎn)品的最終含水量與干燥塔熱風(fēng)進口溫度、尾氣出口溫度及干燥塔內(nèi)負壓等參數(shù)的選取有直接關(guān)系。在噴霧干燥操作中，干燥溫度是控制干燥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。根據(jù)過程的物料與熱量衡算及霧滴粒子的運動軌跡計算表明，影響干燥溫度的因素有物料流量、空氣流量和入口空氣的溫度。系統(tǒng)中可選作調(diào)解參數(shù)的有：物料流入量、旁路空氣量（改變旁路空氣量可改變熱風(fēng)溫

25、度）、空氣加熱氣的溫度等。選其中任何一個調(diào)解參數(shù)都能夠構(gòu)成溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達到控制干燥溫度的目的。如下圖所示，用調(diào)節(jié)閥位置代表3種調(diào)節(jié)方案。圖2.2.3是3種調(diào)節(jié)方案的方框圖。方案1（如圖所示）：將物料流量作為調(diào)節(jié)變量，物料經(jīng)泵送入干燥器，滯后最小，對干燥溫度的校正作用最靈敏，而且干擾位置最靠近調(diào)節(jié)閥，似乎最適宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)，但物料流量是生產(chǎn)負荷，需要維持穩(wěn)定才能保證產(chǎn)量，故它不宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)。方案2（如圖所示）：以旁路空氣流量作為調(diào)節(jié)變量，旁路空氣經(jīng)與熱風(fēng)混合后，再通過風(fēng)管進入干燥機，比方案1將物料流量作為調(diào)節(jié)變量的流量調(diào)節(jié)通道滯后稍大，靈敏度次之。方案3（如圖所示）：是通過加入經(jīng)直接燃燒加熱

26、的空氣而改變空氣加熱器的溫度，熱空氣在調(diào)節(jié)閥處進入系統(tǒng)。選用熱空氣流量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)通道長，容量滯后大，靈敏度最差，所有干擾進入位置都靠近被調(diào)參數(shù)。圖圖圖另外，一個控制系統(tǒng)的確定應(yīng)該考慮多方面的因素。首先應(yīng)考慮工藝上的合理性。從上述分析，如果從控制系統(tǒng)的角度來看，方案1最好，但由于此方案是以改變生產(chǎn)負荷的方法來達到控制變量溫度不變的目的，在工藝上是不允許的，所以不予考慮。其次應(yīng)考慮可能性。在確定控制系統(tǒng)時，首先應(yīng)該考慮是否可以檢測到所需要的信號。有時即使可以測量，但因測量所需的時間過長，同樣可以認(rèn)為該信號無法測量。另外還應(yīng)考慮系統(tǒng)是否可以控制。如果所設(shè)計的系統(tǒng)基本符合要求，但無法解決控制方

27、法或無法配置調(diào)節(jié)機構(gòu)，則此系統(tǒng)仍然不可采納。最后還需進一步考慮有關(guān)控制系統(tǒng)中被控編變量、負荷變化對控制質(zhì)量影響的評估、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選用等問題。只有考慮好了以上問題。才能設(shè)計好合理的控制系統(tǒng)。綜上所述，同時考慮在線測量裝置的經(jīng)濟性及必要性，對于噴霧干燥過程，選用第2種方案，即采用旁路空氣量作為調(diào)節(jié)參數(shù)為好2。第三章 硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案概述1.控制系統(tǒng)方案的確定根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)采用以單片機為核心的直接數(shù)字控制（DDC）方式。2.測量元件的選擇與“傳統(tǒng)的溫度傳感器+溫度檢測電路”相比較數(shù)字型溫度傳感器有著相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用了數(shù)字型溫度傳感器DS1820。3.執(zhí)行機構(gòu)的選擇

28、在執(zhí)行機構(gòu)的選擇上，通過直流伺服電動機與步進電機的優(yōu)缺點對比，最終決定采用步進電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。4.輸入輸出通道及外設(shè)由于采用了數(shù)字型溫度傳感器DS1820故輸入通道非常簡單，只由單線構(gòu)成。而步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)也意味著輸出通道僅為一步進電機驅(qū)動電路。在顯示方面系統(tǒng)采用LED作為外接顯示裝置。5.控制系統(tǒng)原理圖即硬件電路圖，見附錄。3.2 8031芯片及其外圍擴展芯片介紹33.2.18031芯片介紹單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，它的選擇對整個系統(tǒng)有決定性的影響，選擇它有以下要求：字長。字長能影響數(shù)據(jù)的精度，指令的數(shù)目，尋址能力和執(zhí)行操作的時間，在過程控制領(lǐng)域，一般選擇8位字長的微處理器。尋

29、址范圍，尋址方式。指令的種類和數(shù)量。內(nèi)部存儲器的種類和數(shù)量。運算速度。中斷處理能力。根據(jù)以上要求以及結(jié)合本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，可以選用MCS51系列的8031。所選8031的特點是：片內(nèi)沒有程序存儲器，使用時需外加程序存儲器，使用時靈活方便，成本較低，是我國目前使用最多的一種機型。以下介紹8031的管腳及部分功能：控制口線：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲器選擇）、RESET（復(fù)位控制）電源及時鐘：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2I/O口線不能用作用戶I/O口線。P3口是多功能口。I/O口線：P0，P1，P2，P3，共四個8位口。I/O口驅(qū)動能力，P0口可驅(qū)動

30、8個TTL門電路；P1，P2，P3則只能驅(qū)動4個TTL門。P3口是雙重功能口。 圖-1 8031管腳圖一、8031單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu) 圖-2 8031片內(nèi)結(jié)構(gòu)8031片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖所示。它由7個部件組成。即微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。它們都通過片內(nèi)單一總線連接而成。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)。二、存儲器8031內(nèi)部沒有程序存儲器，只有數(shù)據(jù)存儲器，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2-3所示： FFFFHFFH RAM FFH SFR 存 特殊 儲 80H 功能 器 寄存器 RAM 80

31、H I/O 數(shù)據(jù)緩沖器 位尋址區(qū) 工作寄存器 0000H 內(nèi)部RAM 外部RAM 圖-3 8031存儲器結(jié)構(gòu)圖三、特殊功能寄存器 特殊功能寄存器是用來對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上。其地址為80HFFH的區(qū)域。特殊功能寄存器主要有：P0口鎖存器 P0 80H定時/計數(shù)控制寄存器 TCON 88HP1口鎖存器 P1 90H 串行口控制 SCON 98HP2口鎖存器 P2 A0H 中斷允許寄存器 IE A8HP3口鎖存器 P3 B0H 中斷優(yōu)先級寄存器 IPC B8H 程序狀態(tài)寄存器 PSW D0H 累加器 ACC E0

32、H 定時/計數(shù)分式寄存器 TMOD 89H SP 81H DPL 82H DPH 83H TL0 BAH TL1 BBH TH 8CH TH 8DH SBUF 99H 四、定時/計數(shù)器8031單片機內(nèi)有定時/計數(shù)器T0和T1。它們是16位的計數(shù)器，即可用于定時，也可用來對片外脈沖計數(shù)，T1還可作為串行口的選擇波特率發(fā)生器，這些功能都可通過軟件來設(shè)定或修改。五、以時鐘控制為核心的控制器 單片機執(zhí)行指令時，首先按PC所提供的地址從程序存儲器中取出指令碼，對該指令碼進行譯碼，產(chǎn)生一系列的定時控制的微操作，送到單片機各部分，控制整個單片機的運行?？刂破鞯囊磺泄ぷ鞫际且砸粋€方波信號作基準(zhǔn)時鐘，這方波信號

33、作基準(zhǔn)時鐘的產(chǎn)生如圖3.2-4所示。圖A為內(nèi)部方式，圖B為外部方式。A圖 B圖 圖-4 8031時鐘信號的產(chǎn)生程序存儲器擴展一、程序存儲器擴展性能它的擴展特性決定了在其應(yīng)用系統(tǒng)擴展中程序存儲器擴展用的最多，擴展方法也最容易簡便。程序存儲器有單獨的地址編碼（0000HFFFFH）雖然與數(shù)據(jù)存儲器地址重疊，但不會被占用，使用單獨的控制信號和命令，程序存儲器的指令、數(shù)據(jù)讀取控制不用數(shù)據(jù)存儲器的控制和MOVX命令，而是由控制，讀取數(shù)據(jù)用MOVC查表指令。由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，程序存儲器使用的芯片數(shù)量越來越少，因此地址選擇多半采用線選法。程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共用地址總線和數(shù)據(jù)總線。二、程序存儲器E

34、PROM的擴展 程序存儲器一般采用只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關(guān)斷后，仍能保存程序，在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令予以重新執(zhí)行。三、程序存儲器擴展芯片程序存儲器擴展時，除必須有EPROM芯片，還必須有鎖存器芯片。地址鎖存程序存儲器擴展時，地址鎖存信號為ALE，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373。它是透明的帶有三態(tài)門的8D鎖存器。當(dāng)三態(tài)門的使能信號線E為低電平時，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許Q端輸出；當(dāng)E端為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出端對外電路呈高阻狀態(tài)。因此74LS373用作地址鎖存器時，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號E為低電平。這時，當(dāng)G輸入端為高電平時，鎖存器輸出（

35、1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。EPROM程序存儲器 在本次設(shè)計中，根據(jù)實際情況，選擇一片2764作為外接程序存儲器。圖-1 2764引腳圖 2764是28線雙列直插式三態(tài)輸出、輸入，輸出有TTL兼容，有維持工作方式，其引腳如圖所示，有和兩個控制端，單一+5V電源，當(dāng)和同時為1時輸出有效。外接程序存儲器的地址線A8A12由P2口提供。A0A7由P0口提供，且通過地址鎖存器74LS373。地址鎖存器的鎖存信號為ALE，指令數(shù)由P0口讀入，程序存儲器的取指信號為。數(shù)據(jù)存儲器擴展數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址重疊編號（0000HFFFFH），使用的不同的控制信號和指令，但它與I/

36、O及外圍設(shè)備實行統(tǒng)一編址，任何擴展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址，由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址完全重疊，故兩者的地址總線和數(shù)據(jù)總線可完全并聯(lián)使用.在8031單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器RAM芯片有6116和6264兩種。本設(shè)計選用6264。其管腳如圖3.4-1所示： 圖-1 6264管腳圖靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器與動態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴展電路較簡單。但由于靜態(tài)RAM是通過有源電路來保持存儲器中的數(shù)據(jù)。因此，消耗功率多，價格也昂貴。6264是Intel 公司的產(chǎn)品，8K×8位的靜態(tài)存儲芯片，其中62 是系列號，64 是序號，和存

37、儲容量有關(guān)。數(shù)據(jù)存儲擴展電路與程序存儲擴展電路相似，所用的地址線、數(shù)字線完全相同，使寫控制線用 、與其它I/O端口芯片進行統(tǒng)一編址。RAM的掉電保護在系統(tǒng)中應(yīng)用都是易失的，一旦電源掉電，內(nèi)部的所有信息均破壞，這是不允許的。因此，希望一旦電源掉電，在掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動保護RAM中有用的信息和系統(tǒng)運行狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)時，能自動恢復(fù)掉電前的工作方式。掉電保護還可以在掉電瞬間表示系統(tǒng)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)送入沒有掉電保護的RAM，芯片中加以保護，當(dāng)電源恢復(fù)瞬間，將狀態(tài)數(shù)據(jù)送回原來的地方。電源恢復(fù)后繼續(xù)原來的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)所應(yīng)用的是鋰電池供電的掉電保護。因為工作的需要，不必掉電監(jiān)測，只要電源切斷就啟動保護

38、電路。3.3溫度傳感器的選擇及其硬件接口數(shù)字式溫度傳感器DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的單線數(shù)字化測溫集成電路。它具有獨特的單線接口方式，即與微處理器接口時僅需占用1個I/O端口；支持多節(jié)點，使分布式溫度傳感器設(shè)計大為簡化；測溫時無需任何外部元件，可以通過數(shù)據(jù)線直接供電，具有超低功耗工作方式。測溫范圍為-55+125，測溫精度為0.5,可直接將溫度轉(zhuǎn)換值以9位數(shù)字碼的方式串行輸出，將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼只需200ms。因為每一個DS1820有唯一的系列號，因此多個DS1820可以存在于同一條單線總線上。該溫度傳感器特別適合與各種微處理器接口組成自動溫度測控系統(tǒng)，可以克服模擬傳感器與

39、微處理器接口時需要A/D轉(zhuǎn)換器和較復(fù)雜的外圍電路的弊端，可廣泛用于工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、電子測溫計、醫(yī)療儀器等各種溫度測控系統(tǒng)中，可提高產(chǎn)品的可靠性、降低成本、縮小體積。一.引腳排列引腳說明GND 地DQ 數(shù)字輸入輸出VDD 可選的VDDNC 空引腳DNC 不連接詳細的引腳說明引腳PR35符號說明1GND地2DQ單線運用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳3VDD可選VDD引腳二.DS1820的結(jié)構(gòu)原理（1）DS1820的結(jié)構(gòu)DS1820由3部分組成：即64位光刻ROM、溫度傳感器、永久型溫度報警觸發(fā)器TH和TL，結(jié)構(gòu)圖見下圖。該方框圖表示DS1820有三個主要的數(shù)據(jù)部件：64 位激光ROM、溫度靈敏元件

40、和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH 和TL。器件從單線的通信線取得其電源，在信號線為高電平的時間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單信號線為低電平的時間期內(nèi)斷開此電源，直到信號線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙蓦娫礊橹?。作為另一種可供選擇的方法DS1820也可用外部5V 電源供電。與DS1820 的通信經(jīng)過一個單線接口。在單線接口情況下，在ROM 操作未定建立之前不能使用存貯器和控制操作。主機必須首先提供五種ROM 操作命令之一：1） Read ROM(讀ROM)， 2） Match ROM(符合ROM),3)Search ROM(搜索ROM),4)Skip ROM(跳過ROM),或5 Alarm S

41、earch(告警搜索)。這些命令對每一器件的64 位激光ROM 部分進行操作。如果在單線上有許多器件，那么可以挑選出一個特定的器件，并給總線上的主機指示存在多少器件及其類型。在成功地執(zhí)行了ROM 操作序列之后，可使用存貯器和控制操作，然后主機可以提供六種存貯器和控制操作命令之一。一個控制操作命令指示DS1820 完成溫度測量。該測量的結(jié)果將放入DS1820 的高速暫存貯器，通過發(fā)出讀暫存存儲器內(nèi)容的存儲器操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器TH 和TL 構(gòu)成一個字節(jié)的EEPROM。 如果不對DS1820 施加告警搜索命令，這些寄存器可用作通用用戶存儲器。使用存儲器操作命令可以寫TH 和T

42、L。對這些寄存器的讀訪問通過便箋存儲器，所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫。（2）寄生電源當(dāng)I/O或VDD 引腳為高電平時，這個電路便取得電源。只要符合指定的定時和電壓要求，I/O 將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點是雙重的：1、利用此引腳遠程溫度檢測無需本地電源，2、缺少正常電源條件下也可以讀ROM。向DS1820供電的另外一種方法是通過使用連接到VDD 引腳的外部電源。這種方法的優(yōu)點是在I/O 線上不要求強的上拉?？偩€上主機不需向上連接便在溫度變換期間使線保持高電平。這就允許在變換時間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送。此外，在單線總線上可以放置任何數(shù)目的DS1820。 而且如果它們都使用外部電源那

43、么通過發(fā)出跳過ROM命令和接著發(fā)出變換溫度命令，可以同時完成溫度變換。注意只要外部電源處于工作狀態(tài)GND 引腳不可懸空。在總線上主機不知道總線上DS1820 是寄生電源供電還是外部VDD 供電的情況下，在DS1820 內(nèi)采取了措施來通知采用的供電方案?？偩€上主機通過發(fā)出跳過ROM 的操作約定，然后發(fā)出讀電源命令，可以決定是否有需要強上拉的DS1820 在總線上。在此命令發(fā)出后，主機接著發(fā)出讀時間片。如果是寄生供電，DS1820 將在單線總線上送回“0” ；如果由VDD 引腳供電，它將送回“1”。如果主機接收到一個“0”， 它知道它必須在溫度變換期間在I/O 線上供一個強的上拉。（3）DS182

44、0的測量原理DS1820 通過使用在板on-board 溫度測量專利技術(shù)來測量溫度。溫度測量電路的方框圖見下圖DS1820 通過門開通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)計數(shù)來測量溫度，而門開通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。計數(shù)器被預(yù)置在與-55相對應(yīng)的1個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫度系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計數(shù)到零，表示測量的溫度值高于-55，被預(yù)置在-55的溫度寄存器得值就增加1，然后重復(fù)這個過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測的溫度值，這個值以16位形式存放在便箋式存儲器中，其中高位字節(jié)為符號擴展位，如果是正溫度范圍，則可只取低位字節(jié)，溫度值可由主機

45、通過發(fā)存儲器命令而讀出。斜率累加器是用于補償溫度振蕩器的拋物線特性。溫度讀數(shù)以16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供。下表說明輸出數(shù)據(jù)對測量溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)在單線接口上串行發(fā)送，DS1820，可以以0.5 的增量值，在0.5 至+125 的范圍內(nèi)測量溫度。對于應(yīng)用華氏溫度的場合，必須使用查找表或變換系數(shù)。注意在DS1820 中溫度是以1/2LSB形式表示時，產(chǎn)生以下9 位格式：MSB（最高有效位） （最低有效位）LSB=-25最高有效（符號）位被復(fù)制到存儲器內(nèi)兩字節(jié)的溫度存儲器中較高MSB的所有位，這種“符號擴展”產(chǎn)生了下表所示的16位溫度讀數(shù)。溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系三.DS1820與單片機的硬件接

46、口及編程因為DS1820是單線接口式器件，因此它與單片機的硬件接口十分簡單，只需占用單片機的一個雙向I/O口，其接口電路見下圖（以單獨電源供電，占用8031的P3.0口為例）。簡單的硬件接口是以相對復(fù)雜的接口編程為代價的。DS1820的溫度轉(zhuǎn)換過程是在主機的控制下，通過單線接口接收主機發(fā)出的各種協(xié)議（時序），完成各種功能，其工作流程圖見附錄。主機控制DS1820完成任何操作之前，必須先對其進行初始化，只有當(dāng)DS1820應(yīng)答準(zhǔn)備好后，主機才可發(fā)操作命令。3個基本接口程序是：DS1820初始化程序；寫DS1820子程序；讀DS1820子程序（見附錄）。3.4執(zhí)行機構(gòu)的選擇及其驅(qū)動電路執(zhí)行機構(gòu)的選擇

47、方案1：直流伺服電動機控制系統(tǒng)采用直流伺服電動機的驅(qū)動控制系統(tǒng)有其本身的一些優(yōu)點：首先，直流伺服電動機有著寬廣的調(diào)速范圍，它的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在很寬廣的范圍內(nèi)進行連續(xù)的調(diào)節(jié)。其次，直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性：機械特性是指控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系；調(diào)節(jié)特性是指電機轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自動控制系統(tǒng)的動態(tài)精度。最后，直流伺服電動機電機的機電時間常數(shù)很小，并且它有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。這樣，電機的轉(zhuǎn)速便能隨著控制電壓的改變而迅速變化。另外，直流伺服電動機沒有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：它的控制電壓為零時能立即自行停轉(zhuǎn)。

48、除此之外，采用直流伺服電動機的驅(qū)動控制系統(tǒng)也存在一些電機本身設(shè)計所帶來的缺點，具體如下：1. 傳統(tǒng)的直流伺服電動機大多采用電刷，以機械的方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，會產(chǎn)生機械噪聲，從而使電刷的壽命縮短。2. 由于電刷的機械換向會產(chǎn)生電火花，會對伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使控制系統(tǒng)發(fā)生誤動作，造成控制失靈。3. 直流伺服電動機的制造成本較高，維修困難，使它的應(yīng)用范圍受到極大的限制。方案2：步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的優(yōu)點：1. 步進電動機是一種離散運動的執(zhí)行裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著內(nèi)在的聯(lián)系，因此很容易和其它數(shù)字器件進行接口，這也為控制電路實現(xiàn)的多樣性提供了依據(jù)

49、。2. 步進電動機的位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，并且其步距誤差不會長期積累，因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在高精度要求時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3. 步進電動機是一種無刷電機，因而其本體部件大大減少，可靠性能得以提高。4. 它易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)，并且變速響應(yīng)性能好。5. 步進電機停止時具有天生的自鎖能力。6. 距角選擇范圍大，可在幾十度至一百八十度大范圍內(nèi)選擇，在小步距角情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，而且可以不經(jīng)減速而直接驅(qū)動負載。7. 電機速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，并且只需要一臺控制器就可以同時控制幾臺步進電動機使它們完全同步運行。同時，步進電動

50、機的驅(qū)動控制系統(tǒng)也存在一些缺點：1. 步進電動機帶慣性負載的能力較差，所以在使用時既要注意負載轉(zhuǎn)矩的大小，又要注意負載轉(zhuǎn)動慣量的大小，只有當(dāng)兩者選取在合適的范圍時，步進電動機才能獲得滿意的運行性能。2. 不能使用普通的交直流電源驅(qū)動步進電動機，需要配上合適的步進電動機專用的驅(qū)動電源。3. 存在失步和共振的問題，因此步進電動機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。根據(jù)以上比較的結(jié)果，最終選擇了步進電機作為該系統(tǒng)的執(zhí)行電機。步進電機1.步進電機控制技術(shù)在微機控制系統(tǒng)中，常常要用到步進電機，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程或設(shè)備的數(shù)字控制。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電機，是工業(yè)過程控制及儀

51、表中的主要控制元件之一。它的勵磁繞組不直接接到單相或三相正弦交流電網(wǎng)上，也不能簡單地和直流電源接通。它是受脈沖信號控制，靠一種叫做環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大后使勵磁繞組接規(guī)定順序輪流接通直流電源的。由于勵磁繞組在空間上按一定規(guī)律排列，依次和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，在該磁場的作用下電機轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動，并且隨著脈沖頻率的提高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)增加。步進電機作為執(zhí)行元件，具有快速起停、精確步進以及直接接收數(shù)字信號的特點，因此在定位場合得到了廣泛的應(yīng)用。2.步進電機的工作原理步進電機按工作原理和結(jié)構(gòu)可分為電磁型步進電機和永磁轉(zhuǎn)子電機或反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機兩大類。其中電磁

52、型步進電機是早期的步進電機，通常只有一個繞組，在微機控制系統(tǒng)中一般不用。永磁轉(zhuǎn)子電機和反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機屬于第二類步進電機，在永磁式轉(zhuǎn)子電機中，它的轉(zhuǎn)子是用永久磁鋼制成的，也有通過滑環(huán)供電的直流激磁繞組構(gòu)成的，即轉(zhuǎn)子是一個磁源；在反應(yīng)式步進電機中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。反應(yīng)式步進電機有力矩慣性比高、步進頻率高、頻率響應(yīng)快、不通電時可自由轉(zhuǎn)動、可雙向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單和壽命長等一系列優(yōu)點，所以在微機控制系統(tǒng)大量使用的是反應(yīng)式步進電機。本系統(tǒng)的執(zhí)行元件采用反應(yīng)式步進電機。同樣地，該電機由軟磁材料做成的定子和轉(zhuǎn)子組成。定子上有多個磁極，磁極上均勻布齒，每個磁極上繞有勵磁線圈，相對的磁極線

53、圈串構(gòu)成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子上也同樣均布小齒，但并無繞組。通過輪流給各相定子繞組通電產(chǎn)生磁場，而利用磁場磁導(dǎo)最大化的本性來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。三相反應(yīng)式步進電機的模型如上圖所示，定子上安排6個磁極，相對的兩個磁極上放置著同一相的勵磁繞組。它們分別是A-A、BB、CC，相鄰兩個磁極間的夾角為60度，每個磁極上配有直流勵磁繞組，每個磁極面向轉(zhuǎn)子的部分各有5個均勻分布的矩形小齒。相對的兩個磁極組成一相，其繞組組成一相控制繞組。步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是在轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布著40個矩形小齒，相鄰兩齒的夾角為9度，稱之為齒距角，計作,可用下式求得=360°/式中為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。轉(zhuǎn)子中的小齒和定子的小齒形狀相同，齒距也相同。當(dāng)某相繞組通電時，相對應(yīng)的磁極就會產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果這時定子的小齒沒有對齊，則在磁場作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子齒對齊，可見通電相中定子、轉(zhuǎn)子齒的錯位是促使步進電機旋轉(zhuǎn)的條件。假如按照AB C A順序依次通電，AA上通電時，為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒要與定子AA上的齒對齊。設(shè)轉(zhuǎn)子與定子A相中間的齒相對的齒記為0號齒。BB上通電時，為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒也要與定子BB上的齒對