电—气转换器转换单元的结构设计及其电源的设计

摘要

电-气转换器是一种完成由电信号到气信号转换的装置，是许多自动化过程控制系统中不可或缺的关键设备。压电式电气转换器是对大连理工大学薄膜式电气转换器的改进，它利用喷嘴-挡板机构的转换原理，采用压电陶瓷复合圆盘作为挡板的微动执行机构，突破了电-气转换装置机械结构的传统模式，结构简单，易于控制。 本文主要完成了四个方面的工作：一是研究了电-气转换元件即压电复合圆盘的转换特性；二是对转换器的机械机构进行了优化设计；三是重新设计了转换器的智能控制系统；四是设计了一种二线制的压电陶瓷驱动电源。 利用FLUENT软件对转换装置的气路结构及喷嘴进行了优化设计，改善了喷嘴挡板机构的转换性能；并对转换器的外形结构进行了优化设计，大大缩小了转换器的体积。 重新设计了压电式电-气转换器控制系统，该系统以超低功耗的微处理器MSP430F149为核心，采用模拟、数字闭环控制方式，使用软件滤波、数字PID控制、插值查表等技术，具有控制、诊断和保护智能化的特点。满足了二线制仪表低功耗的设计要求，并大大提高了系统的控制精度和可靠性。在此基础上设计了二线制压电陶瓷驱动电源，实验表明该电源有效满足了控制系统的能源需求，实现了电-气转换器的二线制。 通过对转换装置的静态测试和整机现场运行，结果表明，压电式电-气转换器结构设计合理，控制系统性能可靠，实现了预期的设计目标。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1电-气转换器概述

1.1.1气动执行器在自动化生产中的地位

1.1.2电-气转换器及其工作原理

1.2电-气转换器、定位器在国内外的技术现状及发展趋势

1.2.1电-气转换器、定位器在国内外的技术现状

1.2.2电气转换器、定位器发展趋势

1.3本课题的研究意义及主要研究内容

1.3.1本课题的来源及研究意义

1.3.2本论文的主要研究内容

2压电式电—气转换器转换模块的研究

2.1压电物理基础

2.1.1压电效应的定义

2.1.2压电陶瓷材料

2.1.3压电陶瓷双晶片

2.2压电式电—气转换器转换装置

2.2.1转换装置机械结构

2.2.2喷嘴—挡板机构及其气路特性

2.3压电式电—气转换装置转换性能的研究

2.3.1同一压电复合圆盘的重复性实验

2.3.2不同压电复合圆盘的实验

3压电式电—气转换器转换装置的结构优化设计

3.1气路结构的优化设计

3.1.1 FLUENT软件的介绍

3.1.2利用FLUENT软件对气路结构进行优化设计

3.2转换单元的外形结构优化设计

3.2.1利用FLUENT软件进行仿真优化

3.2.2模型试验验证

3.3压电复合圆盘结构参数的优化

3.3.1优化方案

3.3.2正交试验参数的选择与试验分析

3.3.3试验结果分析

4压电式电-气转换器控制系统及其电源的设计

4.1压电式电-气转换器控制系统总体设计

4.2微处理器的选择及其特性

4.3前向通道的设计

4.3.1信号的输入及其与电源的分离

4.3.2气压信号反馈输入通道设计

4.4后向通道设计

4.5电源电路的设计

4.5.1基准电压源电路的设计

4.5.2压电陶瓷双晶片驱动电源的设计

4.6系统的硬件抗干扰设计

4.6.1过程通道干扰的抑制措施

4.6.2电磁干扰的抑制措施

5压电式电气转换器单片机控制软件设计

5.1智能控制系统软件设计概述

5.2编程语言与开发环境的选择

5.2.1编程语言的选择

5.2.2开发环境介绍

5.3控制系统软件流程

5.3.1控制系统主程序设计

5.3.2控制系统主要子程序设计

5.4软件抗干扰设计

5.4.1数字滤波技术

5.5.2指令冗余及软件陷阱

6压电式电—气转换器试验与调试

6.1压电式电—气转换装置特性试验

6.2传感器的标定

6.3整机测试

6.3.1测试试验装置

6.3.2测试试验内容及分析

结 论

参考文献

附录A实物照片

附录B总电路原理

附录C控制系统主程序流程图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢