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[導(dǎo)讀] 為了模擬深海高壓環(huán)境,研制了一套深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置,在對(duì)深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種針對(duì)壓力的闊環(huán)控制策略,采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN3020

為了模擬深海高壓環(huán)境,研制了一套深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置,在對(duì)深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種針對(duì)壓力的闊環(huán)控制策略,采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動(dòng)電路、以Max7219為核心的顯示電路,設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓控制定頻調(diào)寬變速控制系統(tǒng)的硬件電路,并進(jìn)行了相應(yīng)的軟件編制,實(shí)現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合,以滿足不同場(chǎng)合的需求,又可組成閉環(huán)控制系統(tǒng),不但能夠顯著提高深海環(huán)境模擬裝置的壓力控制精度,同時(shí)還具有節(jié)能的效果。

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落,對(duì)該環(huán)境下進(jìn)行的生物成礦作用、生命起源等的問題研究,將有助于闡明深海微生物受壓力調(diào)節(jié)的代謝機(jī)制,獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源,對(duì)地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科研究具有重大的意義。然而由于其處于深海極端環(huán)境這一特殊性,難以身臨其境進(jìn)行觀察與研究,需要在實(shí)驗(yàn)室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)配合相關(guān)科學(xué)研究。

針對(duì)深海環(huán)境的特殊性,開發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗(yàn)裝置,本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設(shè)計(jì)及控制軟件開發(fā)中的相關(guān)問題。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)組成

1.1 設(shè)計(jì)要求

研究工作以及要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下:

1)壓力控制范圍為0~20 MPa,精度為+2%FS,最小的壓力梯度為1%/min;

2)對(duì)壓力的精確穩(wěn)定控制,在全工作范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);

3)對(duì)壓力、流量實(shí)時(shí)曲線及數(shù)字顯示,具有曲線記錄及回放功能。

1.2 系統(tǒng)組成

該模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括由水泵、深海環(huán)境模擬艙、水箱和管路等組成的深海環(huán)境模擬系統(tǒng),及其監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),可模擬海底熱液口的極端海洋環(huán)境,也可模擬一般的海洋環(huán)境,還可以完成樣品的培養(yǎng)、加樣、取樣等,其中泵的流量可以根據(jù)需要在輸出流量范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),功能切換可以通過截止閥的開或關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)及控制。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。


本文主要介紹壓力精確穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機(jī)選用調(diào)速性能好、體積小、效率高的三相無(wú)刷直流電機(jī),因?yàn)閱纹瑱C(jī)價(jià)格低,片內(nèi)資源豐富,且可以靈活編制程序,所以采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。工作時(shí),傳感器把檢測(cè)到的管路壓力及負(fù)載轉(zhuǎn)速反饋到單片機(jī),進(jìn)一步去觸發(fā)由PI構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng),以PWM方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,電機(jī)帶動(dòng)油泵工作提供連續(xù)可調(diào)的壓力源。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示,本控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、RS485接口電路組成。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng),霍爾位置傳感器的位置信號(hào)處理后送專用驅(qū)動(dòng)芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號(hào),經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速,再運(yùn)用增量式Pl算法,得到PWM控制信號(hào),經(jīng)光電耦合電路驅(qū)動(dòng)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速;同時(shí)單片機(jī)還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時(shí)單片機(jī)將封鎖PWM輸出信號(hào),使電機(jī)停機(jī),并通過LED電路顯示故障??紤]到應(yīng)用的場(chǎng)合不同,對(duì)控制系統(tǒng)的需求也不同,本文設(shè)計(jì)各功能部件時(shí)考慮相互獨(dú)立性并保留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。


2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由Atmega8L單片機(jī)、PWM信號(hào)產(chǎn)生及處理電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、隔離電路及接口電路組成。

2.1.1 PWM信號(hào)產(chǎn)生及處理電路設(shè)計(jì)

在本控制系統(tǒng)中,主要是利用ATmega8L內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生定頻調(diào)寬的PWM波信號(hào)來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里采用ATmega8L的Timer2工作在快速PWM模式下,產(chǎn)生高頻的PWM波形,波形產(chǎn)生后需要進(jìn)行處理才能得到所想要的輸出信號(hào),處理電路如圖3所示。


2.1.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
本文采用Allegro公司的ACS712集成芯片擴(kuò)展外圍電路進(jìn)行測(cè)量。ACS712由霍爾元件、霍爾電流驅(qū)動(dòng)元件、偏差調(diào)整電路、信號(hào)恢復(fù)電路、信號(hào)放大電路組成,具有價(jià)格低、精度高、絕緣性能好等特點(diǎn)。電流檢測(cè)電路如圖4所示。ACS712在電流為零時(shí)7腳Vo輸出2.5 V,故設(shè)計(jì)了一個(gè)精密電阻RP1分壓產(chǎn)生2.5 V電壓,使放大電路輸出電壓Uo從0 V開始線性變化;為提高電阻分壓帶負(fù)載能力,既使2.5 V電壓不隨后級(jí)電路影響,這里采用了一級(jí)電壓跟隨器使輸出Ui2為2.5 V。據(jù)疊加原理可算出圖4中Uo為:


從式(3)可以看出輸出電壓與夾在1、2和3、4腳之間電流成正比。將此電壓送入ATmega8L的A/D轉(zhuǎn)換器處理即可得到電機(jī)的工作電流,應(yīng)用此電流可以對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制及過流保護(hù)。


2.1.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速檢測(cè)對(duì)于控制系統(tǒng)非常重要,由于控制系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)速構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng),所以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由驅(qū)動(dòng)電路通過霍爾IC輸出位置信號(hào),無(wú)刷直流電機(jī)每轉(zhuǎn)一周輸出12個(gè)脈沖FG信號(hào),但這些脈沖信號(hào)干擾比較大,不能直接被ATmega8L處理,所以必須對(duì)脈沖FG信號(hào)進(jìn)行濾波提取。如圖5所示,由于驅(qū)動(dòng)電路開路輸出,所以電路加了上拉電阻R11。FG信號(hào)諧波比較多,設(shè)置C4起到濾波的作用,其值大小比較難確定,需要通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整。FG信號(hào)通過P521在3腳產(chǎn)生一個(gè)比較穩(wěn)定、無(wú)諧波的FG’信號(hào),其中G5不能選用過大,否則FG’信號(hào)會(huì)失真,以致ATmega8L識(shí)別不出來(lái)。ATmega8L內(nèi)部Timerl具有16位的輸入捕捉單元,通過外部引腳ICP1來(lái)捕捉外部事件。讀取ICR1時(shí)捕捉寄存器先讀低字節(jié)ICR1L,然后再讀捕捉寄存器高字節(jié)ICR1H。再根據(jù)兩次捕捉寄存器的差值就可以算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

隔離電路是為了避免驅(qū)動(dòng)電路及其接口電路受強(qiáng)電壓的影響,在外電路接口線上加的光電耦合隔離,以保證電路正常運(yùn)行。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是主控電路與無(wú)刷直流電機(jī)之間的橋梁,本控制系統(tǒng)采用日立公司的專用集成無(wú)刷直流控制芯片ECN30206。ECN30206專用集成無(wú)刷直流控制芯片適用于直流500 V電壓、1 A以下,功率在20~300 W的三相有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)。ECN30206驅(qū)動(dòng)芯片由內(nèi)部自帶6個(gè)全橋IGBT開關(guān)管(上橋臂和下橋臂)及每個(gè)IGBT都帶保護(hù)的續(xù)流二極管,用于3個(gè)上橋臂電壓提升的電荷泵電路、無(wú)刷直流電機(jī)方向控制電路,為ECN30206驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生時(shí)鐘的聲表面波產(chǎn)生電路、PWM產(chǎn)生電路、三相非配器、過流及欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路組成。三相分配器內(nèi)部具有換相控制表,依據(jù)表格中相對(duì)照的值來(lái)合理分配各個(gè)橋臂的通斷狀態(tài)。根據(jù)ECN30206集成驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部原理分析和霍爾開關(guān)芯片的工作原理可以設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。


該系統(tǒng)采用的是4對(duì)磁極的無(wú)刷直流電機(jī),所以一個(gè)機(jī)械角為90°,電導(dǎo)通角為30°,因而3個(gè)霍爾開關(guān)集成芯片EW632需每隔30°放一個(gè),以檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置。3片EW632輸入信號(hào)與開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。


1)內(nèi)部PWM各項(xiàng)參數(shù)的確定

內(nèi)部PWM波的頻率由聲表面振蕩器(SAW)、11腳接的電容CTR和12腳接電阻RTR確定,如式:

FPwm=0.494/(CTRxRTR) (4)

本系統(tǒng)選用的CTR為1 800 PF,RTR為22 kΩ,據(jù)式(4)可得PWM頻率為12.5 kHz。

PWM占空比由13腳輸入的模擬電壓VSP確定。當(dāng)VSP的值小于聲表面振蕩器幅值的最小值Vsawl時(shí),PWM占空比為0%,所有的IGBT管都將關(guān)閉;當(dāng)VSP的值大于聲表面振蕩器的最大值VsawH時(shí),PWM占空比為100%;當(dāng)VsawL≤VSP≤VsawH時(shí)占空比P與VSP的大小成線性:

P=(VSP-Vsawl)/(VsawH-VsawL) (5)

因此只需改變VSP的大小就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行線性無(wú)極調(diào)速。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)的確定

泵站采用的無(wú)刷直流電機(jī)有4對(duì)磁極,電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)為12個(gè)脈沖。

3)電荷泵外部電路參數(shù)確定

為了打開橋臂IGBT功率驅(qū)動(dòng)開關(guān),必須先提升門極電壓才能打開,ECN30206內(nèi)部有電荷泵電路,用戶只需設(shè)定外部電路各器件參數(shù)即可。電容的大小決定了充電時(shí)間,即決定了IGWT驅(qū)動(dòng)開關(guān)管打開的時(shí)間,因此不能過大,否則打開時(shí)間過長(zhǎng)造成事故,這里電容都選為1μF。

4)負(fù)壓及過流保護(hù)

當(dāng)ECN30206檢測(cè)到VCC引腳電壓小于12 V時(shí)所有的IGBT功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)管關(guān)閉,直到VCC大于12 V時(shí)才恢復(fù)正常工作。

電流保護(hù)是通過在下橋臂IGBT串接電阻到地GL分壓反饋到ECN30206內(nèi)部過流電壓比較器實(shí)現(xiàn),內(nèi)部過流電壓比較器參考電壓Vref為0.5 V,這里設(shè)定最大電流值Imax為1 A,則RS的值為:

Rs=Vref/Imax (6)

將Imax=1 A,Vref=0.5

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