破壁機(jī)控制板硬件開發(fā)設(shè)計(jì)

本文優(yōu)化的破壁料理機(jī)所具有的主要功能是果蔬物料的制汁，其原理是將果蔬物料與水按一定的比例進(jìn)行破碎制汁，料理機(jī)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀片碰撞破碎物料顆粒達(dá)到制汁的效果。目前，市場(chǎng)上破壁料理機(jī)主要應(yīng)用單相串激電機(jī)進(jìn)行控制。由于流體運(yùn)動(dòng)的不確定性，電機(jī)的負(fù)載具有隨機(jī)的變化。本文優(yōu)化的目標(biāo)是在隨機(jī)變動(dòng)的負(fù)載情況下，即流體翻轉(zhuǎn)情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。并且結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，得出轉(zhuǎn)速這一因素對(duì)破碎效果影響較大，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有利于提高物料的破壁出汁率。

由于串激電機(jī)的機(jī)械特性，在負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)電流會(huì)發(fā)生較大的變化，可能會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)對(duì)外部環(huán)境造成的電磁干擾會(huì)比較大；同時(shí)功率較大的情況下，溫升快，不適宜長(zhǎng)時(shí)間工作，這些都是在設(shè)計(jì)中需要解決的問題。

一、破壁料理機(jī)系統(tǒng)的硬件原理

在破壁料理機(jī)的硬件電路中，要滿足其工藝和安全等要求。在工藝上，受整機(jī)體積所限，要求料理機(jī)的控制器的體積??；在安全上，要求在產(chǎn)品運(yùn)行過程中，如果遇到斷電源后再來電的情況，產(chǎn)品不可以有自啟動(dòng)的危險(xiǎn)，必須通過開關(guān)或按鍵復(fù)位后才能重新啟動(dòng)，以保證使用者的安全。

根據(jù)單相串激電機(jī)的調(diào)速原理采用的可控移相全波控制，硬件設(shè)計(jì)了電源電壓過零檢測(cè)電路，采用電壓過零的時(shí)刻作為出發(fā)導(dǎo)通角的時(shí)間基準(zhǔn)；設(shè)計(jì)速度采集的電路，器件體積小、重量輕且安裝方便，便于實(shí)驗(yàn)操作；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用雙向可控硅作為控制器件，并且設(shè)計(jì)可控硅失速檢測(cè)等安全保護(hù)電路以保證電機(jī)安全可靠運(yùn)行。

本文對(duì)于硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是圍繞單相串激電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。其硬件方案如上圖所示，220V交流電輸入經(jīng)過浪涌保護(hù)，濾波電路之后，作為阻容降壓電路的輸入，通過電阻和降壓后供電給5V的外部直流電源，采用AMS1117芯片作為穩(wěn)壓器，AMS1117芯片是通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣后，反饋至芯片內(nèi)部的調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)內(nèi)部輸出級(jí)調(diào)整管的阻抗，使得輸出電壓處于一個(gè)3.3V的穩(wěn)定狀態(tài)，為單片機(jī)提供工作電壓，另一路作為單相串激電機(jī)的輸入母線電壓。過零檢測(cè)電源母線電正向電壓變化到負(fù)向的時(shí)刻作為調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角的時(shí)間基準(zhǔn)，改變串激電機(jī)兩段的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)料理機(jī)的速度控制。電機(jī)的速度是利用單片機(jī)測(cè)量光電傳感器輸出產(chǎn)生經(jīng)整形后的脈沖周期，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算得到，作為系統(tǒng)閉環(huán)的反饋量，單片機(jī)根據(jù)控制算法給出控制器的輸出，通過可控硅控制電路驅(qū)動(dòng)可控硅開關(guān)，根據(jù)控制算法獲得的導(dǎo)通角的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)串激電機(jī)速度的精確控制。

作為微處理器采用的是STM32F103RCT6，STM32F103RCT6嵌入式芯片是由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的一款A(yù)RM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，其工作頻率為72MHz。ARM Cortex-M3內(nèi)核支持的Thumb-2指令集使得STM32具有更好的指令效率和更強(qiáng)的性能[72,73]，同時(shí)，該芯片具有豐富的通訊接口資源以及眾多的高性能外設(shè)資源。

在STM32F103RCT6主控制電路如下圖所示。主控制電路主要包括了晶振、TTL電平串口、通用I/O口以及按鍵啟動(dòng)等。晶振電路主要是為CPU以及其他電路提供所需的工作時(shí)鐘，由于其內(nèi)部的高速時(shí)鐘精度有限，采用外設(shè)8MHz的晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘以保證控制系統(tǒng)時(shí)鐘的精度。

二、破壁機(jī)的電路模塊設(shè)計(jì)

2.1過零檢測(cè)電路

料理機(jī)需要通過控制可控硅的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，過零信號(hào)檢測(cè)電路的優(yōu)劣對(duì)料理機(jī)調(diào)速性能起到至關(guān)重要的作用。過零檢測(cè)電路如下圖所示。當(dāng)交流點(diǎn)正半波輸入且電壓大于5V時(shí)，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，使A點(diǎn)電壓一直維持在5V，經(jīng)過三極管8050放大電流驅(qū)動(dòng)光耦中的發(fā)光二極管，此時(shí)三極管發(fā)射極正偏，集電極反偏，因此PG1為低電平。相反，當(dāng)交流電負(fù)半波輸入時(shí)，穩(wěn)壓二極管正向?qū)?，PA=0，則使三極管8050處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光耦同樣處于關(guān)閉狀態(tài)，則PB=0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，因此此時(shí)PG1為高電平。

2.2速度檢測(cè)電路

本文的料理機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制的主要目的就是實(shí)現(xiàn)不同速度給定的恒值控制，所以準(zhǔn)確的速度反饋對(duì)于系統(tǒng)性能相當(dāng)重要。本文主要利用反射式紅外線光電開關(guān)ITR9909與相應(yīng)的電路配合，進(jìn)行速度的檢測(cè)，如下圖所示。主要的原理為當(dāng)反射式紅外開關(guān)檢測(cè)到反射光線時(shí)，NPN三極管處于放大狀態(tài)，則PA0被置于高電平；相反，光電開關(guān)沒有檢測(cè)到反射光線時(shí)，三極管處于截至狀態(tài)，則PA0被置于低電平。

由此，電機(jī)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，紅外開關(guān)被間歇遮擋，該電路向微控制器單片機(jī)輸入方行波信號(hào)，利用輸入捕獲程序。在方波上升沿時(shí)，產(chǎn)生捕獲中斷服務(wù)標(biāo)志，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)截止至下一方波上升沿計(jì)時(shí)結(jié)束，該時(shí)間信息代表電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間。通過輸入捕獲得到其周期時(shí)間，折算成電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，其中，可通過調(diào)節(jié)電位器的阻值改變光電開關(guān)的靈敏度。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

料理機(jī)用串激電機(jī)是通過可控硅調(diào)速來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是料理機(jī)的關(guān)鍵部分?？煽康尿?qū)動(dòng)電路和控制信號(hào)是現(xiàn)實(shí)電機(jī)調(diào)速的保證。串勵(lì)電機(jī)其原理和基本結(jié)構(gòu)就是一臺(tái)直流串勵(lì)電機(jī)，定子繞組是2極的集中繞組，轉(zhuǎn)子上有線繞的分布繞組，并且?guī)в袚Q向器和碳刷用來改變流入轉(zhuǎn)子的電流方向。串勵(lì)電機(jī)具有啟動(dòng)力矩大、效率高、調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)。由于控制電路簡(jiǎn)單，串勵(lì)電機(jī)成本較其他變速電機(jī)低，料理機(jī)用串激電機(jī)在料理機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘12000轉(zhuǎn)以上，經(jīng)過減速箱帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。下圖是料理機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要原理為當(dāng)PG2處于高電平時(shí)，光耦中的發(fā)光二極管正常工作，A點(diǎn)電壓為零，PNP三極管8550發(fā)射極正偏，集電極反偏，三極管處于放大工作狀態(tài)，則PB>0,使雙向晶閘管（可控硅）導(dǎo)通，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。相反，PG2處于低電平時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，PB為零，無法觸發(fā)可控硅導(dǎo)通角，電機(jī)停止工作。

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