基于SCR催化的步进电机系统设计

叶龙+付成伟+王磊

摘 要： 我国大气污染状况十分严重，氮氧化物是形成酸雨、雾霾、光化学烟雾的重要成因之一，其中以汽车尾气污染最为严重，为减少尾气污染的持续恶化，提出一种基于SCR催化的步进电机系统。该系统是一个涵盖了步进电机，热电偶，LED屏幕以及SCR催化的多领域复合系统。利用热电偶温度传感器采集温度信号控制步进电机的转动，电机固定连接的转子外围三个大小深度相同的小孔在转动下导出尿素，尿素经SCR反应加热腔催化生成对大气无害的N2和H2O。

关键词： 步进电机； 热电偶； LED屏幕； SCR催化

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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）是主要的大气污染物，由多种氮氧化合物组成，如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）等，研究表明我国每年柴油机汽车尾气氮氧化物的排放量占总汽车尾气排放量的48%以上[1] 。解决空气污染尤其是汽车尾气迫在眉睫，设计出一种基于SCR催化的步进电机系统有很大的市场应用前景。

1 系统总体设计

该系统是一种基于SCR催化的步进电机系统，步进电机采用日本三菱公司生产的103G770?0163型号，步进电机负责将尿素导入SCR催化加热腔，推动尿素反应。柴油车不同工况下尾气温度不同，利用热电偶温度传感器采集不同的温度信号控制步进电机的转数，电机固定连接的转子在不同的转数下导出的尿素量不同，所以不同的温度信号对应了不同的尿素输出量。输出的尿素在尾气支流的冲击下进入加热腔，尿素开始溶解生成氨气。整个工作系统效果图如图1所示。

2 SCR催化反应原理

SCR技术主要是使用氨或者某些烃类作为还原剂利用化学催化剂，将汽车尾气中的氮氧化物进行还原得到无毒害的氮气和水的反应。SCR脱硝法是目前世界上应用最为广泛的除氮氧化物的方法[2]。

在富氧条件下主要反应如下：

[4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O] （1）

在缺氧反应条件下主要反应如下：

[2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O] （2）

[8NH3+6NO2→7N2+12H2O] （3）

通过上述反应可以知道，无论在富氧或者缺氧的条件下都可以有效的将氮氧化物转换成H2O和N2。

3 硬件电路原理及设计

本系统硬件基于ST公司的STM32F103ZE型号单片机，主要负责控制电机的转速，驱动LED屏幕显示及采集热电偶的温度，并反馈错误信息等工作。系统流程图如图2所示。

图1 整个系统工作效果图

图2 系统流程图

3.1 单片机模块

单片机采用ST公司的芯片，具有性价比高、配置丰富灵活、低功耗等优点。单片机用于驱动NIF5002功率MOS管，从而驱动步进电机转动，PD4～PD7端口连接步进电机A～D四相，驱动后顺时针转动。复用SPI功能及PE0～PE7端口驱动LED屏幕。PA15端口用于热电偶的A/D采集。STM32ZET6电路原理图如图3所示。

图3 系统硬件原理图

3.2 电源模块

220 V市电经M15?04型号电源模块变压器降压为±15双向电源，经LM2596稳压成±12 V给OP07放大器供电，再经1117变成5 V和3.3 V给单片机及各功能模块供电。电源模块电路原理图如图4所示。

图4 电源模块

3.3 热电偶，步进电机，LED屏幕模块

热电偶是一种热敏电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者负的阻值变化，热电偶产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变，且成线性变化。设计电路将感应电压放大后接入单片机A/D采集端口。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[4]。电机驱动采用NIF5002功率MOS管，具有自我保护，过热及限流等优点。4片NIF5002分别用于控制步进电机的A～D四相的开通关断。

LED显示屏作为一种新的显示器件，近年来得到了广泛的应用。 本系统屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，较其他屏幕相比，QY～1602A自带字库，无需编程者自己写入字库程序，方便快捷。本系统采用SPI并行驱动，利用ZET6的SPI时钟驱动屏幕的字体显示，利用定时器定时刷新屏幕和及时更新新的数据[5]。热电偶、电机、LED电路原理图如图5所示。

图5 热电偶、步进电机、LED屏幕模块

3.4 测试结果

系统模拟汽车尾气，测试了电机转速扭矩，每千瓦时NOx排放量，NOx处理前排放浓度，NOx处理后排放浓度，实际加入尿素量及NOx去除效率等参数，如表1所示。

4 结 论

本文是以SCR催化为基础，设计涵盖了步进电机，热电偶，LED屏幕的多领域复合系统。对模拟的大气污染气体可以有效地进行分解，排放到大气的气体无污染无危害。测试通过，运行良好，有广泛的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵磊.重型柴油车氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中国环境科学研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用选择性催化还原反应（SCR）降低车用柴油机氮氧化物的技术研究[D].济南：山东大学，2008.

[3] 牛金海.富氧条件下烃类选择还原氮氧化物过程研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[4] 库少平，刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报，2009（3）：107?110.

[5] 谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计[J].电子学报，2011（3）：258?260.

[6] 杨宏，李国辉.基于Proteus与单片机的步进电机控制设计[J].现代电子技术，2010，33（5）：104?106.

图3 系统硬件原理图

3.2 电源模块

220 V市电经M15?04型号电源模块变压器降压为±15双向电源，经LM2596稳压成±12 V给OP07放大器供电，再经1117变成5 V和3.3 V给单片机及各功能模块供电。电源模块电路原理图如图4所示。

图4 电源模块

3.3 热电偶，步进电机，LED屏幕模块

热电偶是一种热敏电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者负的阻值变化，热电偶产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变，且成线性变化。设计电路将感应电压放大后接入单片机A/D采集端口。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[4]。电机驱动采用NIF5002功率MOS管，具有自我保护，过热及限流等优点。4片NIF5002分别用于控制步进电机的A～D四相的开通关断。

LED显示屏作为一种新的显示器件，近年来得到了广泛的应用。 本系统屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，较其他屏幕相比，QY～1602A自带字库，无需编程者自己写入字库程序，方便快捷。本系统采用SPI并行驱动，利用ZET6的SPI时钟驱动屏幕的字体显示，利用定时器定时刷新屏幕和及时更新新的数据[5]。热电偶、电机、LED电路原理图如图5所示。

图5 热电偶、步进电机、LED屏幕模块

3.4 测试结果

系统模拟汽车尾气，测试了电机转速扭矩，每千瓦时NOx排放量，NOx处理前排放浓度，NOx处理后排放浓度，实际加入尿素量及NOx去除效率等参数，如表1所示。

4 结 论

本文是以SCR催化为基础，设计涵盖了步进电机，热电偶，LED屏幕的多领域复合系统。对模拟的大气污染气体可以有效地进行分解，排放到大气的气体无污染无危害。测试通过，运行良好，有广泛的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵磊.重型柴油车氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中国环境科学研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用选择性催化还原反应（SCR）降低车用柴油机氮氧化物的技术研究[D].济南：山东大学，2008.

[3] 牛金海.富氧条件下烃类选择还原氮氧化物过程研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[4] 库少平，刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报，2009（3）：107?110.

[5] 谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计[J].电子学报，2011（3）：258?260.

[6] 杨宏，李国辉.基于Proteus与单片机的步进电机控制设计[J].现代电子技术，2010，33（5）：104?106.

图3 系统硬件原理图

3.2 电源模块

220 V市电经M15?04型号电源模块变压器降压为±15双向电源，经LM2596稳压成±12 V给OP07放大器供电，再经1117变成5 V和3.3 V给单片机及各功能模块供电。电源模块电路原理图如图4所示。

图4 电源模块

3.3 热电偶，步进电机，LED屏幕模块

热电偶是一种热敏电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者负的阻值变化，热电偶产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变，且成线性变化。设计电路将感应电压放大后接入单片机A/D采集端口。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[4]。电机驱动采用NIF5002功率MOS管，具有自我保护，过热及限流等优点。4片NIF5002分别用于控制步进电机的A～D四相的开通关断。

LED显示屏作为一种新的显示器件，近年来得到了广泛的应用。 本系统屏幕采用的是QY～1602A彩屏 LED，较其他屏幕相比，QY～1602A自带字库，无需编程者自己写入字库程序，方便快捷。本系统采用SPI并行驱动，利用ZET6的SPI时钟驱动屏幕的字体显示，利用定时器定时刷新屏幕和及时更新新的数据[5]。热电偶、电机、LED电路原理图如图5所示。

图5 热电偶、步进电机、LED屏幕模块

3.4 测试结果

系统模拟汽车尾气，测试了电机转速扭矩，每千瓦时NOx排放量，NOx处理前排放浓度，NOx处理后排放浓度，实际加入尿素量及NOx去除效率等参数，如表1所示。

4 结 论

本文是以SCR催化为基础，设计涵盖了步进电机，热电偶，LED屏幕的多领域复合系统。对模拟的大气污染气体可以有效地进行分解，排放到大气的气体无污染无危害。测试通过，运行良好，有广泛的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵磊.重型柴油车氮氧化物排放控制方法研究[D].北京：中国环境科学研究院，2013.

[2] 陶建忠.利用选择性催化还原反应（SCR）降低车用柴油机氮氧化物的技术研究[D].济南：山东大学，2008.

[3] 牛金海.富氧条件下烃类选择还原氮氧化物过程研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[4] 库少平，刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报，2009（3）：107?110.

[5] 谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计[J].电子学报，2011（3）：258?260.

[6] 杨宏，李国辉.基于Proteus与单片机的步进电机控制设计[J].现代电子技术，2010，33（5）：104?106.