新鮮辣木葉脫葉機械化裝置電機調速控制設計中TRIZ方法的應用

李廣興 鐘義廣 沙國新

（1.廣西機電職業技術學院，南寧 530007；2.廣西習緣辣木有限公司，南寧 530200）

1 數控直流調速的設計原理

直流電機調速原理如圖1所示。主電路由變壓器、整流、濾波、LM317三端可調穩壓電路以及AD5242數字電位器等構成。控制電路由STC89C52單片機、4×4矩陣鍵盤電路和LCD12864液晶顯示電路等構成。變壓電路把220 V交流電降為36 V交流電，經過整流濾波電路把36 V交流電轉變成42 V左右平滑的直流電，再經LM317可調穩壓得到1.5～32.0 V的穩定直流電，從而改變電機的轉速。STC89C52單片機通過矩陣鍵盤的數字輸入，在LCD12864液晶屏上顯示電壓值。同時，通過I2C總線傳輸到AD5242數字電位器，改變AD5242數字電位器的電阻值，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速。

圖1 數控直流電機調速電路構成

2 存在的問題

在數控直流穩壓調速的設計過程中，尚存在兩個問題需要解決。一是穩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速不穩定。當輸出不同電壓和轉速值時，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-場分析

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

圖2 數控直流穩壓調速的物-場模型

結合數控直流穩壓調速，穩壓電源在輸出電壓過程中電源的供電作用不足，導致帶負載能力低，引起輸出電壓和轉速不穩現象。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TRIZ的76個標準解的解題流程，采用第一類標準解，即給系統添加一個物質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，即通過并聯多一個LM317三端穩壓芯片，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

根據功能組件分析的步驟，對數控直流穩壓調速進行系統分析，見表1[2]。

表1 數控直流穩壓調速功能組件分析

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

3.3 九屏幕分析法

根據九屏幕分析法的規則，把穩壓調速器看成當前系統，利用九屏幕圖[3]提出解決方案。由于串聯型穩壓電源效率低、功耗大，帶負載能力弱，可以采用開關穩壓電源，提高穩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，工程系統的資源可以按照時間、空間、能量以及物質等進行分類，現從物質資源、信息資源、空間資源和功能資源4分方面對穩壓調速器進行分析。該系統可以獲取的物質資源包括交流市電、變壓器、整流器、穩壓器、負載、空氣、工具、散熱片和風扇等；信息資源包括各種不同類型的穩壓電路、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；功能資源包括穩壓、擴流和散熱等。

穩壓調速器電源帶負載能力不足，是由于負載增大時，穩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，通過并聯大功率三極管進行分流，可提高穩壓器的負載能力，記為方案7。

3.5 物理矛盾

穩壓調速器系統存在的物理矛盾是：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，根據負載大小的要求，采用時間分離條件，在穩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

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

表2 創新概念評分表

從創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

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

方案1：并聯多一個LM317三端穩壓器，提高電流輸出能力。

方案2：通過并聯一個NPN大功率三極管，提高電流輸出能力。

方案3：通過并聯一個PNP型大功率達林頓管，提高電流輸出能力。

方案7：通過并聯大功率三極管，提高電流輸出能力。

從經濟性、操作性、實施的復雜程度以及結合實際效果等方面考慮，方案2和方案3具有電路結構簡單、可靠性高以及成本低等優點，且其各項指標均較好，可以采用。

4 結語

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]，對數控直流穩壓調速設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，即通過并聯一個PNP型大功率達林頓管來提高電流輸出能力，以解決穩壓調速器帶負載能力不足的問題。此設計具有結構簡單、可靠性高、造價低廉以及操作簡便的優點，完全可以滿足數控直流穩壓調速電路的需要。