基于SCR催化的步進電機系統(tǒng)設計

葉龍+付成偉+王磊

摘 要： 我國大氣污染狀況十分嚴重，氮氧化物是形成酸雨、霧霾、光化學煙霧的重要成因之一，其中以汽車尾氣污染最為嚴重，為減少尾氣污染的持續(xù)惡化，提出一種基于SCR催化的步進電機系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個涵蓋了步進電機，熱電偶，LED屏幕以及SCR催化的多領域復合系統(tǒng)。利用熱電偶溫度傳感器采集溫度信號控制步進電機的轉動，電機固定連接的轉子外圍三個大小深度相同的小孔在轉動下導出尿素，尿素經(jīng)SCR反應加熱腔催化生成對大氣無害的N2和H2O。

關鍵詞： 步進電機； 熱電偶； LED屏幕； SCR催化

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0138?03

Design of stepping motor based on SCR catalysis

YE Long， FU Cheng?wei， WANG Lei

（College of physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Air pollution is very serious in China. The nitrogen oxide is one of the important causes of the formation of acid rain， haze， photochemical smog， in which the automobile exhaust pollution is the most serious. In order to reduce the continuous deterioration of exhaust pollution， a stepping motor system based on the SCR catalysis is proposed in his paper. This system is multi domain system which covers the stepping motor， thermocouple， LED screen and SCR catalysis. A thermocouple temperature sensor is adopted to collect the temperature signal of controlling the stepping motor rotation. The motor rotor s outer is fixedly connected with three same size hole， which derives urea when they are rotating. Urea generates N2 and H2O which is harmless to the air by SCR heating cavity reaction catalysis.

Keywords： stepping motor； thermocouple； LED screen； SCR catalysis

氮氧化物（nitrogen oxides）是主要的大氣污染物，由多種氮氧化合物組成，如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）等，研究表明我國每年柴油機汽車尾氣氮氧化物的排放量占總汽車尾氣排放量的48%以上[1] 。解決空氣污染尤其是汽車尾氣迫在眉睫，設計出一種基于SCR催化的步進電機系統(tǒng)有很大的市場應用前景。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)是一種基于SCR催化的步進電機系統(tǒng)，步進電機采用日本三菱公司生產的103G770?0163型號，步進電機負責將尿素導入SCR催化加熱腔，推動尿素反應。柴油車不同工況下尾氣溫度不同，利用熱電偶溫度傳感器采集不同的溫度信號控制步進電機的轉數(shù)，電機固定連接的轉子在不同的轉數(shù)下導出的尿素量不同，所以不同的溫度信號對應了不同的尿素輸出量。輸出的尿素在尾氣支流的沖擊下進入加熱腔，尿素開始溶解生成氨氣。整個工作系統(tǒng)效果圖如圖1所示。

2 SCR催化反應原理

SCR技術主要是使用氨或者某些烴類作為還原劑利用化學催化劑，將汽車尾氣中的氮氧化物進行還原得到無毒害的氮氣和水的反應。SCR脫硝法是目前世界上應用最為廣泛的除氮氧化物的方法[2]。

在富氧條件下主要反應如下：

[4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O] （1）

在缺氧反應條件下主要反應如下：

[2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O] （2）

[8NH3+6NO2→7N2+12H2O] （3）

通過上述反應可以知道，無論在富氧或者缺氧的條件下都可以有效的將氮氧化物轉換成H2O和N2。

3 硬件電路原理及設計

本系統(tǒng)硬件基于ST公司的STM32F103ZE型號單片機，主要負責控制電機的轉速，驅動LED屏幕顯示及采集熱電偶的溫度，并反饋錯誤信息等工作。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖1 整個系統(tǒng)工作效果圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

3.1 單片機模塊

單片機采用ST公司的芯片，具有性價比高、配置豐富靈活、低功耗等優(yōu)點。單片機用于驅動NIF5002功率MOS管，從而驅動步進電機轉動，PD4～PD7端口連接步進電機A～D四相，驅動后順時針轉動。復用SPI功能及PE0～PE7端口驅動LED屏幕。PA15端口用于熱電偶的A/D采集。STM32ZET6電路原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

3.2 電源模塊

220 V市電經(jīng)M15?04型號電源模塊變壓器降壓為±15雙向電源，經(jīng)LM2596穩(wěn)壓成±12 V給OP07放大器供電，再經(jīng)1117變成5 V和3.3 V給單片機及各功能模塊供電。電源模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源模塊

3.3 熱電偶，步進電機，LED屏幕模塊

熱電偶是一種熱敏電阻，溫度的變化，使電阻產生正的或者負的阻值變化，熱電偶產生感應電壓的變化，他隨溫度的改變而改變，且成線性變化。設計電路將感應電壓放大后接入單片機A/D采集端口。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[4]。電機驅動采用NIF5002功率MOS管，具有自我保護，過熱及限流等優(yōu)點。4片NIF5002分別用于控制步進電機的A～D四相的開通關斷。

LED顯示屏作為一種新的顯示器件，近年來得到了廣泛的應用。 本系統(tǒng)屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，較其他屏幕相比，QY～1602A自帶字庫，無需編程者自己寫入字庫程序，方便快捷。本系統(tǒng)采用SPI并行驅動，利用ZET6的SPI時鐘驅動屏幕的字體顯示，利用定時器定時刷新屏幕和及時更新新的數(shù)據(jù)[5]。熱電偶、電機、LED電路原理圖如圖5所示。

圖5 熱電偶、步進電機、LED屏幕模塊

3.4 測試結果

系統(tǒng)模擬汽車尾氣，測試了電機轉速扭矩，每千瓦時NOx排放量，NOx處理前排放濃度，NOx處理后排放濃度，實際加入尿素量及NOx去除效率等參數(shù)，如表1所示。

4 結 論

本文是以SCR催化為基礎，設計涵蓋了步進電機，熱電偶，LED屏幕的多領域復合系統(tǒng)。對模擬的大氣污染氣體可以有效地進行分解，排放到大氣的氣體無污染無危害。測試通過，運行良好，有廣泛的市場應用前景。

參考文獻

[1] 趙磊.重型柴油車氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中國環(huán)境科學研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用選擇性催化還原反應（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術研究[D].濟南：山東大學，2008.

[3] 牛金海.富氧條件下烴類選擇還原氮氧化物過程研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[4] 庫少平，劉晶.基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統(tǒng)設計[J].武漢理工大學學報，2009（3）：107?110.

[5] 談衛(wèi)星，胡建人.基于STM32的全彩LED顯示屏系統(tǒng)的設計[J].電子學報，2011（3）：258?260.

[6] 楊宏，李國輝.基于Proteus與單片機的步進電機控制設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（5）：104?106.

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

3.2 電源模塊

220 V市電經(jīng)M15?04型號電源模塊變壓器降壓為±15雙向電源，經(jīng)LM2596穩(wěn)壓成±12 V給OP07放大器供電，再經(jīng)1117變成5 V和3.3 V給單片機及各功能模塊供電。電源模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源模塊

3.3 熱電偶，步進電機，LED屏幕模塊

熱電偶是一種熱敏電阻，溫度的變化，使電阻產生正的或者負的阻值變化，熱電偶產生感應電壓的變化，他隨溫度的改變而改變，且成線性變化。設計電路將感應電壓放大后接入單片機A/D采集端口。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[4]。電機驅動采用NIF5002功率MOS管，具有自我保護，過熱及限流等優(yōu)點。4片NIF5002分別用于控制步進電機的A～D四相的開通關斷。

LED顯示屏作為一種新的顯示器件，近年來得到了廣泛的應用。 本系統(tǒng)屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，較其他屏幕相比，QY～1602A自帶字庫，無需編程者自己寫入字庫程序，方便快捷。本系統(tǒng)采用SPI并行驅動，利用ZET6的SPI時鐘驅動屏幕的字體顯示，利用定時器定時刷新屏幕和及時更新新的數(shù)據(jù)[5]。熱電偶、電機、LED電路原理圖如圖5所示。

圖5 熱電偶、步進電機、LED屏幕模塊

3.4 測試結果

系統(tǒng)模擬汽車尾氣，測試了電機轉速扭矩，每千瓦時NOx排放量，NOx處理前排放濃度，NOx處理后排放濃度，實際加入尿素量及NOx去除效率等參數(shù)，如表1所示。

4 結 論

本文是以SCR催化為基礎，設計涵蓋了步進電機，熱電偶，LED屏幕的多領域復合系統(tǒng)。對模擬的大氣污染氣體可以有效地進行分解，排放到大氣的氣體無污染無危害。測試通過，運行良好，有廣泛的市場應用前景。

參考文獻

[1] 趙磊.重型柴油車氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中國環(huán)境科學研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用選擇性催化還原反應（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術研究[D].濟南：山東大學，2008.

[3] 牛金海.富氧條件下烴類選擇還原氮氧化物過程研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[4] 庫少平，劉晶.基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統(tǒng)設計[J].武漢理工大學學報，2009（3）：107?110.

[5] 談衛(wèi)星，胡建人.基于STM32的全彩LED顯示屏系統(tǒng)的設計[J].電子學報，2011（3）：258?260.

[6] 楊宏，李國輝.基于Proteus與單片機的步進電機控制設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（5）：104?106.

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

3.2 電源模塊

220 V市電經(jīng)M15?04型號電源模塊變壓器降壓為±15雙向電源，經(jīng)LM2596穩(wěn)壓成±12 V給OP07放大器供電，再經(jīng)1117變成5 V和3.3 V給單片機及各功能模塊供電。電源模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源模塊

3.3 熱電偶，步進電機，LED屏幕模塊

熱電偶是一種熱敏電阻，溫度的變化，使電阻產生正的或者負的阻值變化，熱電偶產生感應電壓的變化，他隨溫度的改變而改變，且成線性變化。設計電路將感應電壓放大后接入單片機A/D采集端口。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的[4]。電機驅動采用NIF5002功率MOS管，具有自我保護，過熱及限流等優(yōu)點。4片NIF5002分別用于控制步進電機的A～D四相的開通關斷。

LED顯示屏作為一種新的顯示器件，近年來得到了廣泛的應用。 本系統(tǒng)屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，較其他屏幕相比，QY～1602A自帶字庫，無需編程者自己寫入字庫程序，方便快捷。本系統(tǒng)采用SPI并行驅動，利用ZET6的SPI時鐘驅動屏幕的字體顯示，利用定時器定時刷新屏幕和及時更新新的數(shù)據(jù)[5]。熱電偶、電機、LED電路原理圖如圖5所示。

圖5 熱電偶、步進電機、LED屏幕模塊

3.4 測試結果

系統(tǒng)模擬汽車尾氣，測試了電機轉速扭矩，每千瓦時NOx排放量，NOx處理前排放濃度，NOx處理后排放濃度，實際加入尿素量及NOx去除效率等參數(shù)，如表1所示。

4 結 論

本文是以SCR催化為基礎，設計涵蓋了步進電機，熱電偶，LED屏幕的多領域復合系統(tǒng)。對模擬的大氣污染氣體可以有效地進行分解，排放到大氣的氣體無污染無危害。測試通過，運行良好，有廣泛的市場應用前景。

參考文獻

[1] 趙磊.重型柴油車氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中國環(huán)境科學研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用選擇性催化還原反應（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術研究[D].濟南：山東大學，2008.

[3] 牛金海.富氧條件下烴類選擇還原氮氧化物過程研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[4] 庫少平，劉晶.基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統(tǒng)設計[J].武漢理工大學學報，2009（3）：107?110.

[5] 談衛(wèi)星，胡建人.基于STM32的全彩LED顯示屏系統(tǒng)的設計[J].電子學報，2011（3）：258?260.

[6] 楊宏，李國輝.基于Proteus與單片機的步進電機控制設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（5）：104?106.