基于步進(jìn)電機(jī)的微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

李國(guó)友， 程 碩

(燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

0 引言

微量計(jì)量泵作為一種液體輸送設(shè)備，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生活質(zhì)量的不斷提高，被廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)［1］。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的計(jì)量泵控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)采用人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，具有計(jì)量精度不高、流量顯示不直觀、可靠性較差等問題［2］。本文在現(xiàn)有計(jì)量泵控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種通過(guò)改變沖程頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)液體計(jì)量的微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)。

1 控制策略實(shí)現(xiàn)

該微量計(jì)量泵是一種柱塞泵，其工作原理如圖1所示，即微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪帶動(dòng)計(jì)量泵的泵頭柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使計(jì)量泵輸出設(shè)定的流量值。

由于該控制系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其矩頻特性如圖2所示。當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大;隨著頻率的上升，轉(zhuǎn)矩近似于直線下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)升速過(guò)快時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，為使微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)有較高的位移精度［3］，設(shè)計(jì)合理的步進(jìn)電機(jī)升降速曲線十分必要。

本文對(duì)常見的步進(jìn)電機(jī)升降速運(yùn)行曲線進(jìn)行對(duì)比研究，采用S型步進(jìn)電機(jī)升降曲線。S型曲線運(yùn)行過(guò)程在任一點(diǎn)的加速度都是連續(xù)變化的，避免了柔性沖擊，速度的平滑性較好，運(yùn)動(dòng)精度較高［4］。

圖1 計(jì)量泵工作原理圖

圖2 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線及其升速時(shí)的加速度曲線

由于驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率與轉(zhuǎn)子的速度成正比關(guān)系，故步進(jìn)電機(jī)在不失步的前提下，轉(zhuǎn)子的角加速度ε與驅(qū)動(dòng)頻率f對(duì)時(shí)間t的微分成正比關(guān)系，圖2中加速度曲線每段都為一次方程:

式中:M和N是待定常數(shù)。設(shè)變速?gòu)哪愁l率f0開始向f1變化，對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換得

由式(2)得出F(s)，對(duì)其進(jìn)行反變換，即

將式(3)改寫為

由式(4)知N決定了脈沖頻率隨t變化的規(guī)律［5］:N＜0是升速加速度曲線的第一段，速度曲線下凹;N=0是升速加速度曲線的第二段，速度曲線為直線;N＞0是升速加速度曲線的第三段，速度曲線上凸;由以上分析可知，符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的升速曲線應(yīng)如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)升降速運(yùn)行曲線和加速度曲線

由于步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)裝置，所以需要對(duì)式(4)進(jìn)行離散化處理，在速度上升階段設(shè)t時(shí)刻時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出第P個(gè)脈沖:

式(5)為t的一個(gè)超越方程?？梢圆捎门ｎD迭代法來(lái)求解控制器發(fā)出第P個(gè)脈沖的時(shí)刻，用式(6)表示:

將式(6)迭代若干次，即可求得足夠精確的t(P)。然后將t(P)帶入式(4)，求得每一個(gè)P所對(duì)應(yīng)的f(P)，并由f和T的倒數(shù)關(guān)系求得T(P)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)起停運(yùn)轉(zhuǎn)的精確控制，可事先建立T(P)的數(shù)據(jù)表，存入E2PROM中。用戶設(shè)定的運(yùn)行頻率f只要不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的最大運(yùn)行頻率fm，步進(jìn)電機(jī)便可從當(dāng)前運(yùn)行頻率沿著圖3所示的曲線升速運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)的降速曲線對(duì)稱于升速曲線。因此升速和降速可以共用一張數(shù)據(jù)表。降速過(guò)程時(shí)，查表逆向進(jìn)行即可。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)發(fā)送指令給下位機(jī)，下位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行;下位機(jī)將自己的狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口通信。

微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，以單片機(jī)AT89S52和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H為核心，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是集成度高、驅(qū)動(dòng)電流大、精度及可靠性高，并具有很好的通用性。

單片機(jī)選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位處理器，具有8 K ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash存儲(chǔ)器。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用東芝公司生產(chǎn)的THB6064H。其內(nèi)部集成有細(xì)分、衰減模式設(shè)置、CMOS功率放大等電路，通過(guò)單片機(jī)輸出控制信號(hào)，配合簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)電路主要組成部分為存儲(chǔ)模塊、檢測(cè)模塊、按鍵操作和顯示模塊等，如圖5所示。存儲(chǔ)模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02，該存儲(chǔ)芯片支持IIC總線協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;4位數(shù)碼管輪流選通，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)以及數(shù)碼管的余輝效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)微量計(jì)量泵流量數(shù)字顯示;按鍵去抖動(dòng)采用延時(shí)判斷的方法，可實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵的功能設(shè)置;與P3.3引腳相連的JP2為集成的紅外光電傳感器，工作電壓為5 V，直接高低電平輸出，用來(lái)檢測(cè)凸輪的位置，特殊設(shè)計(jì)的凸輪形狀可以使柱塞機(jī)構(gòu)快速吸入液體，輸出液體流量穩(wěn)定，降低計(jì)量泵輸出流量的脈動(dòng)，有效避免了泵頭吸入液體時(shí)產(chǎn)生氣蝕效應(yīng)，保護(hù)了柱塞結(jié)構(gòu);在凸輪軸上安裝一圓形不透光的薄片，其上開一個(gè)窄的透光條作被檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)透光條經(jīng)過(guò)紅外光電傳感器時(shí)，使P3.3引腳產(chǎn)生INT1中斷信號(hào)，單片機(jī)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使計(jì)量泵達(dá)到最佳的裝液速度;采用標(biāo)準(zhǔn)的ISP下載程序接口，方便系統(tǒng)調(diào)試和軟件程序的更新;MAX232接口電路實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。

圖6為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H及其外圍電路連接圖，M1、M2、M3細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置端口與3位DIP開關(guān)連接，可設(shè)置8種不同的細(xì)分模式，分別為 1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64。單片機(jī)P3.5管腳與THB6064H的CW/CCW管腳相連，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;P3.6管腳與CLK管腳相連，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出頻率脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。P3.7管腳與ENABLE管腳相連，在工作時(shí)始終為1。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RQ5可以設(shè)定PFD端的電壓，選擇慢衰減、混合式衰減、快衰減三種不同的衰減模式。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RQ10可以設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電流值和電機(jī)的鎖定電流值。兩相四線步進(jìn)電機(jī)與OUT_1A、OUT_2A和OUT_1B、OUT_2B端口連接。

圖5 控制系統(tǒng)電路原理圖

電源采用開關(guān)電源S-75-24，其提供24 V電源。圖6中UM為24 V，UCC為5 V，驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H的功率電壓24 V，而控制信號(hào)為TTL電平，芯片需5 V供電。本控制系統(tǒng)中選用LM317芯片將24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V控制電壓［6］。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H及其外圍電路

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微量計(jì)量泵流量是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速是通過(guò)控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖數(shù)和脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即P3.6引腳輸出步進(jìn)時(shí)鐘脈沖。單片機(jī)輸出脈沖的方法有軟件法和硬件法:軟件法是用延時(shí)程序來(lái)改變輸出的脈沖頻率，其缺點(diǎn)是占用了大量的CPU時(shí)間，使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作;硬件法是用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)器的初始值，從而改變輸出的脈沖頻率［7］。本文通過(guò)設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器中斷的方法來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)時(shí)鐘脈沖，在中斷服務(wù)子程序中設(shè)定定時(shí)器初始值，定時(shí)器初始值由給定的脈沖頻率和單片機(jī)機(jī)器周期來(lái)確定，通過(guò)調(diào)整定時(shí)初始值就可以實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

軟件的主流程如圖7所示，系統(tǒng)初始化完成之后，首先進(jìn)行電機(jī)檢測(cè)，確定電機(jī)在投入使用之前沒有故障，接著判斷上位機(jī)是否給計(jì)量泵控制系統(tǒng)發(fā)送指令或者是否有按鍵操作，4位功能鍵分別是開始/停止、上升、下降、確認(rèn)，然后處理器根據(jù)設(shè)定值驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制微量計(jì)量泵的流量。

圖7 主程序流程圖

5 試驗(yàn)

依據(jù)《計(jì)量泵試驗(yàn)方法》對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行性能檢驗(yàn)。試驗(yàn)泵的沖程長(zhǎng)度為5 mm;柱塞直徑為3 mm;試驗(yàn)介質(zhì)為常溫清水;采用上位機(jī)控制調(diào)節(jié)方式;采樣時(shí)間為100 s;流量調(diào)節(jié)范圍為0.5～40 ml/min;最高工作壓力20 MPa。流量設(shè)定和計(jì)量精確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果顯示微量計(jì)量泵的穩(wěn)定性精度在2%以下。

表1 流量設(shè)定和計(jì)量精確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)微量計(jì)量泵控制精度問題，本文采用單片機(jī)技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)一種通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)液體計(jì)量的微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)，通過(guò)軟件設(shè)置和控制算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了微量計(jì)量泵輸出流量精確、穩(wěn)定，結(jié)合上位機(jī)通信，較好地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該微量計(jì)量泵控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、計(jì)量精度高，能較好地滿足用戶要求。

［1］曹勤.計(jì)量泵發(fā)展和應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備，2001(5):44-47.

［2］鄧?guó)櫽ⅲ瑥埳?，牟介?隔膜計(jì)量泵數(shù)顯器的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2010，48(549):34-35.

［3］GHAFARI A S，MEHDI B.Investigation of the microstep control positioning system perfor-mance affected by random input signals ［J］.Mec-hatronics，2005，15(10):1175-1189.

［4］張占立，康春花，郭士軍，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(3):28-31.

［5］王勇，王偉，楊文濤.步進(jìn)電機(jī)升降速曲線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.控制工程，2008，15(5):576-579.

［6］閆要崗，駱光照，李斐，等.一種新型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.微特電機(jī)，2010(10):51-54.

［7］房玉明，杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(4):61-64.