高壓平流泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1前言

1.1高壓平流泵控制現(xiàn)狀

高壓平流泵是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞泵，使液體以穩(wěn)定的流量及壓力輸出的一種設(shè)備，作為分析儀器的動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、制藥、煤炭、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域。其主要技術(shù)要求：壓力范圍0~42MPa，流量范圍0.001~9.999mL流量誤差小于0.5%，從技術(shù)參數(shù)可知，如此小流量、高精度、高壓力的流量計(jì)較難制造。平流泵又稱恒流泵，要求流速恒定。平流泵流量的設(shè)定，實(shí)質(zhì)上就是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以恒流效果如何主要取決于電機(jī)速度的穩(wěn)定性。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的恒流泵大多為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種泵成本低，調(diào)試方便，但致命弱點(diǎn)是在低流量下有較大脈動(dòng)，很難保證恒流效果。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是按照一定拍節(jié)和相序運(yùn)行。為了解決這一問(wèn)題，可借鑒國(guó)外儀器，使用直流電機(jī)取代步進(jìn)電機(jī)，使恒流泵的性能大為提高[1]。直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，特別適用于要求調(diào)速的系統(tǒng)。

現(xiàn)在市場(chǎng)上通用的電機(jī)控制器大多采用單片機(jī)和DSP。但是傳統(tǒng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力有限，對(duì)采用復(fù)雜的反饋控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性和精度要求高，往往不能滿足設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)出現(xiàn)了各種高速SOC單片機(jī)，其性能得到很大提高，價(jià)格卻比DSP低很多。其相關(guān)軟件和開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越多，功能也越來(lái)越強(qiáng)，但價(jià)格卻在不斷降低?，F(xiàn)在越來(lái)越多的廠家開(kāi)始采用SOC單片機(jī)來(lái)提高產(chǎn)品性價(jià)比[2]。

1.2本文主要內(nèi)容

系統(tǒng)采用PWM技術(shù)閉環(huán)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而精確控制平流泵流量。

系統(tǒng)對(duì)高壓平流泵精度要求非常高，流量精度要求小于0.5%。如此高精度需要有高性能控制器來(lái)采集調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，PIC32MX460F512L可很好滿足要求，它采樣直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)分析處理，發(fā)送適當(dāng)占空比的PWM信號(hào)給電機(jī)，從而精確控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200。

系統(tǒng)提供壓力、電流和熱報(bào)警三重保護(hù)，以防平流泵損壞。壓力和電流采用PIC32MX460F512L提供的A/D模塊采樣，精度高達(dá)10位[8]。

為便于人機(jī)交互和調(diào)試系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的通信功能，通信部分采用光耦隔離，提供RS232通信方式。

2相關(guān)技術(shù)和原理

2.1 直流電機(jī)控制方法

在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機(jī)的傳動(dòng)技術(shù)得到改進(jìn)，以往普遍采用的三種基本調(diào)速方法，即：(1) 改變電樞回路總電阻；(2)改變電樞的供電電壓；(3) 改變勵(lì)磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，以及全波不控整流——PWM軋波直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)[3]。直流電機(jī)脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)，使之成為直流電機(jī)應(yīng)用的主要調(diào)速方式。

2.2 PWM直流調(diào)速原理

PWM控制是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)解，來(lái)有效地獲得所需要的波形。基于PWM控制的調(diào)速電路把流電壓“軋”成一系列脈沖，通過(guò)改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。用脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢?jiàn)，在直流電壓下，當(dāng)調(diào)制脈沖頻率一定時(shí)，脈沖寬度與占空比成線性關(guān)系。

在脈沖作用下，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，就能夠?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)速度增加；電機(jī)斷電時(shí)速度減小。設(shè)電機(jī)直接接通電源時(shí)(即占空比為100%)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為Vm，設(shè)占空比為D=t/T，則電機(jī)的平均速度為

(2-1)

式中：Ve——平均速度；Vm——全速（即直接通電時(shí)的速度）；D=t/T——占空比(0-100%)。

由式(2-1)可見(jiàn)，Vm是直流電機(jī)直接通電時(shí)的速度（全速），只跟電機(jī)本身的特性相關(guān)，電機(jī)一定時(shí)，Vm為一個(gè)定值。改變占空比D=t/T，就能得到不同的平均速度，從而就能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[4]。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似看成線性關(guān)系。

2.3 H橋型電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理