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驅(qū)動柱塞泵，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，實質(zhì)上就是改變電機的轉(zhuǎn)速，所以恒流效果如何主要取決于電機速度的穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的恒流泵大多為步進電機驅(qū)動。這種泵成本低，調(diào)試方便，但致命弱點是在低流量下有較大脈動，很難保證恒流效果。這是因為步進電機是按照一定拍節(jié)和相序運行。為了解決這一問題，可借鑒國外儀器，使用直流電機取代步進電機，使恒流泵的性能大為提高[1]。直流電機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，特別適用于要求調(diào)速的系統(tǒng)。

現(xiàn)在市場上通用的電機控制器大多采用單片機和DSP。但是傳統(tǒng)單片機的數(shù)據(jù)處理能力有限，對采用復(fù)雜的反饋控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，往往不能滿足設(shè)計要求。近年來出現(xiàn)了各種高速SOC單片機，其性能得到很大提高，價格卻比DSP低很多。其相關(guān)軟件和開發(fā)工具越來越多，功能也越來越強，但價格卻在不斷降低。現(xiàn)在越來越多的廠家開始采用SOC單片機來提高產(chǎn)品性價比[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)直流電機轉(zhuǎn)速，從而精確控制平流泵流量。

系統(tǒng)對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采集調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速，PIC32MX460F512L可很好滿足要求，它采樣直流電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過分析處理，發(fā)送適當(dāng)占空比的PWM信號給電機，從而精確控制直流電機轉(zhuǎn)速。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電機驅(qū)動采用電機專用驅(qū)動芯片LMD18200。

系統(tǒng)提供壓力、電流和熱報警三重保護，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10位[8]。

為便于人機交互和調(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 直流電機控制方法

在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機的傳動技術(shù)得到改進，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) 改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流電機調(diào)壓系統(tǒng)，以及全波不控整流——PWM軋波直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)[3]。直流電機脈寬調(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，使之成為直流電機應(yīng)用的主要調(diào)速方式。

2.2 PWM直流調(diào)速原理

PWM控制是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)解，來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，通過改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機的轉(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)電機轉(zhuǎn)速?？梢姡谥绷麟妷合?，當(dāng)調(diào)制脈沖頻率一定時，脈沖寬度與占空比成線性關(guān)系。

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

(2-1)

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

由式(2-1)可見，Vm是直流電機直接通電時的速度（全速），只跟電機本身的特性相關(guān)，電機一定時，Vm為一個定值。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轉(zhuǎn)速進行實時控制[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橋型電機驅(qū)動原理

圖2-1 H橋PWM驅(qū)動

常見的PWM驅(qū)動系統(tǒng)的主電路（功率放大器）結(jié)構(gòu)有：H型和T型。這里以H型結(jié)構(gòu)為例說明PWM雙極式驅(qū)動的電路工作原理。

H橋PWM驅(qū)動如圖2-1，圖中VD1、VD2、VD3、VD4為續(xù)流二極管，用來保護VT1、VT2、VT3、VT4三極管，Ub1=Ub4=-Ub2=-Ub3。

當(dāng)Ub1=Ub4為正時，VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3截止，UAB＝Us。

當(dāng)Ub2=Ub3為正時，VT1和VT4截止，VT2和VT3不能立即導(dǎo)通，因為電機的反電勢使AB存在續(xù)流，續(xù)流流經(jīng)VD3和VD2，保護了四個三極管，若續(xù)流在這個過程沒有得到很大衰減，而Ub1=Ub4為正的階段已經(jīng)來臨，則VT2和VT3一直不能導(dǎo)通；若續(xù)流在這個過程中得到很大衰減，則VT2和VT3導(dǎo)通，UAB＝-Us。

顯然，Ub1=Ub4為正的時間和Ub2=Ub3為正的時間相同時，UAB的平均電壓為0，電機動態(tài)靜止；當(dāng)Ub1=Ub4為正的時間長于Ub2=Ub3為正的時間時，UAB的平均電壓>0，電機正轉(zhuǎn)，UAB的值越大，轉(zhuǎn)速越高；當(dāng)Ub1=Ub4為正的時間短于Ub2=Ub3為正的時間時，UAB的平均電壓<0，電機反轉(zhuǎn)，UAB的值越小，轉(zhuǎn)速越高。

可見，只要控制Ub1、Ub2、Ub3、Ub4的脈沖寬度，就可控制直流電機的轉(zhuǎn)向和速度，且可以達到動態(tài)靜止，有利于正反轉(zhuǎn)死區(qū)電壓的消除[3]。