新鮮辣木葉脫葉機械化裝置電機調(diào)速控制設(shè)計中TRIZ方法的應(yīng)用

李廣興 鐘義廣 沙國新

（1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007；2.廣西習(xí)緣辣木有限公司，南寧 530200）

1 數(shù)控直流調(diào)速的設(shè)計原理

直流電機調(diào)速原理如圖1所示。主電路由變壓器、整流、濾波、LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓電路以及AD5242數(shù)字電位器等構(gòu)成。控制電路由STC89C52單片機、4×4矩陣鍵盤電路和LCD12864液晶顯示電路等構(gòu)成。變壓電路把220 V交流電降為36 V交流電，經(jīng)過整流濾波電路把36 V交流電轉(zhuǎn)變成42 V左右平滑的直流電，再經(jīng)LM317可調(diào)穩(wěn)壓得到1.5～32.0 V的穩(wěn)定直流電，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。STC89C52單片機通過矩陣鍵盤的數(shù)字輸入，在LCD12864液晶屏上顯示電壓值。同時，通過I2C總線傳輸?shù)紸D5242數(shù)字電位器，改變AD5242數(shù)字電位器的電阻值，從而改變LM317電路的分壓比、輸出電壓值的大小和直流電機轉(zhuǎn)速。

圖1 數(shù)控直流電機調(diào)速電路構(gòu)成

2 存在的問題

在數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速的設(shè)計過程中，尚存在兩個問題需要解決。一是穩(wěn)壓電源帶負載能力不強。輕載時，液晶顯示器顯示的電壓值和實際輸出電壓值基本相同。當負載電流增加到0.5 A以上時，實際輸出電壓值和轉(zhuǎn)速會快速下降。負載越重，輸出電壓下降越快。二是輸出直流電壓和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。當輸出不同電壓和轉(zhuǎn)速值時，液晶顯示屏上顯示的電壓值與實際輸出電壓值相差較大且負載不同，導(dǎo)致實際輸出電壓與顯示電壓值也不同。

3 分析問題

3.1 物質(zhì)-場分析

通過物質(zhì)-場分析方法，針對數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速工作過程建立簡單的基本物質(zhì)-場模型。如圖2所示，F(xiàn)代表電場力、S2為電源、S1為負載[1]。

圖2 數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速的物-場模型

結(jié)合數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速，穩(wěn)壓電源在輸出電壓過程中電源的供電作用不足，導(dǎo)致帶負載能力低，引起輸出電壓和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象。此時，可以建立如圖3所示的功能模型。

圖3 電源對負載作用不足的物-場模型

由圖3可以看出，S2對S1的作用不足。根據(jù)TRIZ的76個標準解的解題流程，采用第一類標準解，即給系統(tǒng)添加一個物質(zhì)S3。S2通過與S3搭配，進一步增強作用于S1的作用力，如圖4所示，從而解決對負載作用力不足的問題。

圖4 增加輔助器件解決電源對負載作用不足的物-場模型

為了增強電源帶負載能力，可以采用最簡單的方法，即通過并聯(lián)多一個LM317三端穩(wěn)壓芯片，提高電流輸出能力，得到方案1。也可以采用另外一種較實用的方式，即通過并聯(lián)一個NPN大功率三極管，提高電流輸出能力，得到方案2。為了進一步提高帶負載能力，可以通過并聯(lián)一個PNP型大功率達林頓管，提高電流輸出能力，得到方案3。

3.2 功能組件分析

根據(jù)功能組件分析的步驟，對數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速進行系統(tǒng)分析，見表1[2]。

表1 數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速功能組件分析

通過以上功能組件分析可知，如果穩(wěn)壓器對負載電機的作用不足，會在穩(wěn)壓過程中出現(xiàn)輸出電壓不穩(wěn)的問題。這個問題可以采用穩(wěn)壓器的超系統(tǒng)組件來解決。此時，可以在穩(wěn)壓器上加裝散熱片加強散熱，提高電流輸出能力，記為方案4；也可以在穩(wěn)壓器上加裝風(fēng)扇加強散熱，提高電流輸出能力，記為方案5。

3.3 九屏幕分析法

根據(jù)九屏幕分析法的規(guī)則，把穩(wěn)壓調(diào)速器看成當前系統(tǒng)，利用九屏幕圖[3]提出解決方案。由于串聯(lián)型穩(wěn)壓電源效率低、功耗大，帶負載能力弱，可以采用開關(guān)穩(wěn)壓電源，提高穩(wěn)壓電源的帶負載能力，記為方案6。

3.4 資源分析

在TRIZ理論中，工程系統(tǒng)的資源可以按照時間、空間、能量以及物質(zhì)等進行分類，現(xiàn)從物質(zhì)資源、信息資源、空間資源和功能資源4分方面對穩(wěn)壓調(diào)速器進行分析。該系統(tǒng)可以獲取的物質(zhì)資源包括交流市電、變壓器、整流器、穩(wěn)壓器、負載、空氣、工具、散熱片和風(fēng)扇等；信息資源包括各種不同類型的穩(wěn)壓電路、各種擴流方法和提高帶負載能力的方法等；空間資源包括元件的大小、元件的裝配空間和元件之間的距離等；功能資源包括穩(wěn)壓、擴流和散熱等。

穩(wěn)壓調(diào)速器電源帶負載能力不足，是由于負載增大時，穩(wěn)壓器的輸出電壓隨著電流增大而減少。在大電流輸出時，需要并聯(lián)大功率管進行分流。通過以上資源分析可知，需要大電流輸出時，通過并聯(lián)大功率三極管進行分流，可提高穩(wěn)壓器的負載能力，記為方案7。

3.5 物理矛盾

穩(wěn)壓調(diào)速器系統(tǒng)存在的物理矛盾是：負載較輕時，為使負載兩端電壓保持不變，輸出電流要小，避免輸出電壓因負載減輕而升高；負載較重時，為使負載兩端電壓保持不變，輸出電流要大，避免輸出電壓因負載增加而降低。通過物理矛盾的分析可知，根據(jù)負載大小的要求，采用時間分離條件，在穩(wěn)壓器中加上反饋回路，當負載電流小時降低輸出電壓，當負載電流大，提高輸出電壓，記為方案8。

3.6 方案整理、評價及總結(jié)

對8種解決方案采用創(chuàng)新概念評分表進行評價，如表2所示。創(chuàng)新概念評分表中，經(jīng)濟效益的分值為0～10分，分值越高，表示經(jīng)濟效益越高；技術(shù)難度的分值為0～10分，分值越高，表示技術(shù)難度越高；理想性的分值為0～10分，分值越高，表示理想性越高。

表2 創(chuàng)新概念評分表

從創(chuàng)新概念評分表可以繪制影響-努力矩陣圖進行最終的評價，如圖3所示。

圖3 影響-努力矩陣圖

根據(jù)創(chuàng)新概念評分表和影響-努力矩陣圖[4]進行評價，優(yōu)先考慮采納8種方案中在第一象限的方案，通過提取幾個優(yōu)秀的方案進行再比較。

方案1：并聯(lián)多一個LM317三端穩(wěn)壓器，提高電流輸出能力。

方案2：通過并聯(lián)一個NPN大功率三極管，提高電流輸出能力。

方案3：通過并聯(lián)一個PNP型大功率達林頓管，提高電流輸出能力。

方案7：通過并聯(lián)大功率三極管，提高電流輸出能力。

從經(jīng)濟性、操作性、實施的復(fù)雜程度以及結(jié)合實際效果等方面考慮，方案2和方案3具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及成本低等優(yōu)點，且其各項指標均較好，可以采用。

4 結(jié)語

利用TRIZ理論中的物-場分析、功能分析、資源分析、物理矛盾等方法[5]，對數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速設(shè)計中的帶負載能力不足的問題進行詳細分析，并運用TRIZ理論所提供的物理矛盾解決原理等工具提出了8種解決方案。采用創(chuàng)新概念評分表和影響-努力矩陣圖進行分析評價，最終選擇方案3，即通過并聯(lián)一個PNP型大功率達林頓管來提高電流輸出能力，以解決穩(wěn)壓調(diào)速器帶負載能力不足的問題。此設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價低廉以及操作簡便的優(yōu)點，完全可以滿足數(shù)控直流穩(wěn)壓調(diào)速電路的需要。