電器與工具
破壁機控制板硬件開發(fā)設計
本文優(yōu)化的破壁料理機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行破碎制汁，料理機電機高速運轉帶動刀片碰撞破碎物料顆粒達到制汁的效果。目前，市場上破壁料理機主要應用單相串激電機進行控制。由于流體運動的不確定性，電機的負載具有隨機的變化。本文優(yōu)化的目標是在隨機變動的負載情況下，即流體翻轉情況下，實現對電機轉速的精確控制。并且結合數值模擬和實驗的結果，得出轉速這一因素對破碎效果影響較大，對其控制系統進行優(yōu)化設計有利于提高物料的破壁出汁率。
由于串激電機的機械特性，在負載突變時，電機電流會發(fā)生較大的變化，可能會發(fā)生電機堵轉，電機對外部環(huán)境造成的電磁干擾會比較大；同時功率較大的情況下，溫升快，不適宜長時間工作，這些都是在設計中需要解決的問題。
一、破壁料理機系統的硬件原理
在破壁料理機的硬件電路中，要滿足其工藝和安全等要求。在工藝上，受整機體積所限，要求料理機的控制器的體積??；在安全上，要求在產品運行過程中，如果遇到斷電源后再來電的情況，產品不可以有自啟動的危險，必須通過開關或按鍵復位后才能重新啟動，以保證使用者的安全。
根據單相串激電機的調速原理采用的可控移相全波控制，硬件設計了電源電壓過零檢測電路，采用電壓過零的時刻作為出發(fā)導通角的時間基準；設計速度采集的電路，器件體積小、重量輕且安裝方便，便于實驗操作；電機驅動電路采用雙向可控硅作為控制器件，并且設計可控硅失速檢測等安全保護電路以保證電機安全可靠運行。
本文對于硬件系統的優(yōu)化設計就是圍繞單相串激電機的驅動控制進行設計。其硬件方案如上圖所示，220V交流電輸入經過浪涌保護，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芯片是通過對輸出電壓進行采樣后，反饋至芯片內部的調節(jié)電路進行調節(jié)內部輸出級調整管的阻抗，使得輸出電壓處于一個3.3V的穩(wěn)定狀態(tài)，為單片機提供工作電壓，另一路作為單相串激電機的輸入母線電壓。過零檢測電源母線電正向電壓變化到負向的時刻作為調節(jié)可控硅導通角的時間基準，改變串激電機兩段的電壓信號，從而實現料理機的速度控制。電機的速度是利用單片機測量光電傳感器輸出產生經整形后的脈沖周期，進行轉換計算得到，作為系統閉環(huán)的反饋量，單片機根據控制算法給出控制器的輸出，通過可控硅控制電路驅動可控硅開關，根據控制算法獲得的導通角的大小，從而實現對串激電機速度的精確控制。
作為微處理器采用的是STM32F103RCT6，STM32F103RCT6嵌入式芯片是由意法半導體（STMicroelectronics）推出的一款ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，其工作頻率為72MHz。ARM Cortex-M3內核支持的Thumb-2指令集使得STM32具有更好的指令效率和更強的性能[72,73]，同時，該芯片具有豐富的通訊接口資源以及眾多的高性能外設資源。
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口以及按鍵啟動等。晶振電路主要是為CPU以及其他電路提供所需的工作時鐘，由于其內部的高速時鐘精度有限，采用外設8MHz的晶振作為系統的時鐘以保證控制系統時鐘的精度。
二、破壁機的電路模塊設計
2.1過零檢測電路
料理機需要通過控制可控硅的導通角來實現電機轉速控制，過零信號檢測電路的優(yōu)劣對料理機調速性能起到至關重要的作用。過零檢測電路如下圖所示。當交流點正半波輸入且電壓大于5V時，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，使A點電壓一直維持在5V，經過三極管8050放大電流驅動光耦中的發(fā)光二極管，此時三極管發(fā)射極正偏，集電極反偏，因此PG1為低電平。相反，當交流電負半波輸入時，穩(wěn)壓二極管正向導通，PA=0，則使三極管8050處于截止狀態(tài)。當光耦同樣處于關閉狀態(tài)，則PB=0，三極管處于截止狀態(tài)，因此此時PG1為高電平。
2.2速度檢測電路
本文的料理機系統是一個速度閉環(huán)控制系統，其控制的主要目的就是實現不同速度給定的恒值控制，所以準確的速度反饋對于系統性能相當重要。本文主要利用反射式紅外線光電開關ITR9909與相應的電路配合，進行速度的檢測，如下圖所示。主要的原理為當反射式紅外開關檢測到反射光線時，NPN三極管處于放大狀態(tài)，則PA0被置于高電平；相反，光電開關沒有檢測到反射光線時，三極管處于截至狀態(tài)，則PA0被置于低電平。
由此，電機在工作運轉時，紅外開關被間歇遮擋，該電路向微控制器單片機輸入方行波信號，利用輸入捕獲程序。在方波上升沿時，產生捕獲中斷服務標志，此時定時器開始計時截止至下一方波上升沿計時結束，該時間信息代表電機旋轉一周所用時間。通過輸入捕獲得到其周期時間，折算成電機的轉速數據，其中，可通過調節(jié)電位器的阻值改變光電開關的靈敏度。
2.3電機驅動電路
料理機用串激電機是通過可控硅調速來實現電機的速度控制。電機驅動電路是料理機的關鍵部分?？煽康尿寗与娐泛涂刂菩盘柺乾F實電機調速的保證。串勵電機其原理和基本結構就是一臺直流串勵電機，定子繞組是2極的集中繞組，轉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子的電流方向。串勵電機具有啟動力矩大、效率高、調速方便等優(yōu)點。由于控制電路簡單，串勵電機成本較其他變速電機低，料理機用串激電機在料理機運轉時電機的最高轉速可以達到每分鐘12000轉以上，經過減速箱帶動負載運轉。下圖是料理機電機驅動電路。
其電機驅動電路主要原理為當PG2處于高電平時，光耦中的發(fā)光二極管正常工作，A點電壓為零，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）導通，電機正常運轉工作。相反，PG2處于低電平時，三極管處于截止狀態(tài)，PB為零，無法觸發(fā)可控硅導通角，電機停止工作。
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