基于KL25逆流色譜儀自動平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院 霍亮生 胡賽峰 趙天廣 李岳峰

逆流色譜儀因能利用高速行星運(yùn)動實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)對混和物質(zhì)的高效分離和制備而得到廣泛應(yīng)用[2,3,4]。但是由于行星輪系結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，管路內(nèi)液體會因高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量分布發(fā)生變化，致使它在運(yùn)動過程中實(shí)際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸偏離旋轉(zhuǎn)軸線[6]。因此當(dāng)逆流色譜儀運(yùn)轉(zhuǎn)時，由質(zhì)量分布發(fā)生變化產(chǎn)生的離心慣性力不是一個平衡力系，從而產(chǎn)生周期性的振動。

質(zhì)量分布改變產(chǎn)生的離心力是逆流色譜儀主要的振源，致使儀器產(chǎn)生振動和噪聲，加速軸的疲勞，軸承等零件的損耗，降低逆流色譜儀的分離純度和質(zhì)量，并且制備轉(zhuǎn)速無法提升。因此，逆流色譜儀在使用過程中，必須進(jìn)行在線動平衡。

傳統(tǒng)的逆流色譜儀為降低噪聲都是增加箱體厚度。在消除轉(zhuǎn)子不平衡方面，主要是安裝前進(jìn)行關(guān)鍵部件的動平衡，或?qū)π行莻鲃酉到y(tǒng)進(jìn)行單面動平衡，并未對整機(jī)在工作狀態(tài)下進(jìn)行自動平衡[1]。由于只對部分部件進(jìn)行平衡或只對單面進(jìn)行動平衡，與整個儀器在實(shí)際運(yùn)行中的情況存在較大的差異，平衡精度難以保證。離線動平衡存在停機(jī)時間長、平衡速度慢等缺陷，故本文提出了對逆流色譜儀進(jìn)行雙面自動平衡的方法。該系統(tǒng)擬利用自動平衡裝置，使儀器在工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的不平衡，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的運(yùn)行過程中及時補(bǔ)償實(shí)際工作環(huán)境中出現(xiàn)的隨機(jī)不平衡。它具有平衡精度高、平衡速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為逆流色譜儀的動平衡技術(shù)研究和發(fā)展提供依據(jù)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

逆流色譜儀自動平衡機(jī)械系統(tǒng)的功能示意圖如圖1、圖2所示。

逆流色譜儀動平衡機(jī)械系統(tǒng)主要由逆流色譜儀和平衡頭組成。逆流色譜儀的液相分離是由行星輪的公轉(zhuǎn)和自傳實(shí)現(xiàn)。動力由交流電機(jī)伺服系統(tǒng)輸入，經(jīng)由行星架傳遞到和行星架固定為一體的太陽輪，從而使動力經(jīng)過太陽輪傳遞到行星輪，帶動輪轂，輪轂中的液相實(shí)現(xiàn)分離的目的。平衡頭安裝在行星架上且互相垂直，完成對系統(tǒng)的平衡；振動傳感器將振動的加速度信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號；伺服電機(jī)系統(tǒng)含有Z相脈沖可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子速度的監(jiān)測。振動和轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過控制系統(tǒng)處理，根據(jù)設(shè)定振動量的要求，不斷調(diào)整平衡質(zhì)量的位置，使逆流色譜儀的振幅減小到設(shè)定要求以下，最后實(shí)現(xiàn)逆流色譜儀雙面動平衡。

圖1 逆流色譜儀自動平衡系統(tǒng)示意圖

圖2 平衡頭和電池位置示意圖

圖3 控制系統(tǒng)示意圖

逆流色譜儀平衡控制系統(tǒng)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)將振動傳感器的信號進(jìn)行處理，并把計(jì)算出的平衡塊的位置和大小顯示在顯示器上，同時將平衡頭的電機(jī)運(yùn)動方式通過無線通訊模塊傳輸?shù)狡胶饪刂颇K，從而控制各個電機(jī)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)雙面動平衡。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心MKL25Z128VFT4[7,8]

本系統(tǒng)采用Freescale公司KinetisKL25 MCU，擁有48MHz內(nèi)核頻率，工作電壓為1.71V～3.6V。KL25Z128VFT4是低功耗、低價格、高性能的微控制器?；贏RM’s Cortex-M內(nèi)核的32位MCU內(nèi)核，1.77 CoreMark?/MHz單周期訪問內(nèi)存。內(nèi)存包括：高達(dá)128KB閃存；高達(dá)16KB SRAM。一個6通道TPM；兩個2通道TPM；2通道周期中斷定時器；實(shí)時時鐘；低功耗定時器；兩個I2C模塊；一個低功耗UART模塊和兩個正常UART模塊。以MKL25為核心，將平衡控制模塊所用到的與各單元有關(guān)的IO端口引出，就能設(shè)計(jì)出平衡控制模塊的核心部分。本設(shè)計(jì)主要用到MKL25的UART、TPM、GPIO等單元。

圖4 振動信號傳遞框圖

2.2 振動信號處理

振動傳感器把測到的逆流色譜儀的加速度轉(zhuǎn)換為電信號輸出，但還不能直接將信號輸入到顯示屏上。由于支承轉(zhuǎn)子的軸承、結(jié)構(gòu)以及充入液體量的影響，不平衡轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)軸振動信號中，除包含同頻振動分量外，通常都包含有很多的噪聲，特別是當(dāng)不平衡量很小時，信噪比很低[9]。故需要經(jīng)過電路進(jìn)行濾波，去除噪聲，再經(jīng)過放大積分，將需要的信息提取出來。系統(tǒng)采用HZ-892A一體化振動變送器，振動傳感器由加速度敏感元件及測量、轉(zhuǎn)換、積分、放大、變送等主要電路組成（見圖4）。

2.3 平衡頭結(jié)構(gòu)

動平衡頭主要是由直流永磁電機(jī)、脈沖編碼器、絲杠和平衡質(zhì)量塊組成。直流電機(jī)的控制通過兩路PWM實(shí)現(xiàn)，通過控制PWM的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的控制，控制精度高。電機(jī)通過減速器減速的同時增大扭矩，驅(qū)動絲杠，絲杠上的平衡質(zhì)量塊與行星架之間由一個導(dǎo)向鍵連接，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊的直線運(yùn)動。通過脈沖編碼器可以準(zhǔn)確計(jì)算出質(zhì)量塊的移動距離，為實(shí)現(xiàn)動平衡奠定基礎(chǔ)。

圖5 平衡頭示意圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 平衡策略

1)開機(jī)前設(shè)置振動量要求，重點(diǎn)是幅值；

2)開啟電機(jī)至工作轉(zhuǎn)速，PC開始接收振動傳感器的信號；

3)檢測振動信號的幅值是否超出設(shè)定值，如果超出則開啟平衡程序，否則逆流色譜儀正常工作。

3.2 平衡程序

1)調(diào)節(jié)直流電機(jī)使平衡質(zhì)量處在電機(jī)的遠(yuǎn)端，保持工作轉(zhuǎn)速，測取兩個振動傳感器的信號，得出振動幅值和相位，其矢量分別；通過，得出I、II兩個平面的試加質(zhì)量，K通過下表查取；

表1 雙欄表格示例(7.5號宋體，加黑)Tab. 1 Example of a double column table (Word Style “Times New Roman”)

2)計(jì)算出P1分解在I面兩個直角坐標(biāo)軸上的移動距離，分別移動I面上的電機(jī)，測取此時的振幅和相位，其矢量分別為A01、B01；

3)將I面上的電機(jī)回歸至原始位置，將P2分解在II面兩個直角坐標(biāo)軸上的移動距離，分別移動II面上的電機(jī)，測取此時的振幅和相位，其矢量分別為A02、B02；

4)計(jì)算加重產(chǎn)生的效應(yīng)：

在平面I上加試重P1，兩個振動傳感器產(chǎn)生振動效應(yīng)為A1、B1為：

在平面II上加試重P2，兩個振動傳感器產(chǎn)生振動效應(yīng)為A2、B2為：

5)計(jì)算影響系數(shù)α：

需求出分別在兩個平面上加重對兩個測點(diǎn)的四個影響系數(shù)。

在平面I上加試重P1，兩個振動傳感器產(chǎn)生影響系數(shù)為a11、a12為：

在平面II上加試重P2，兩個振動傳感器產(chǎn)生影響系數(shù)為a21、a22為：

上述影響系數(shù)α的下角標(biāo)含義是：第一位數(shù)表示平面編號，第二位表示測點(diǎn)編號。

圖6 控制算法流程圖

6)假設(shè)加在兩平面上的平衡質(zhì)量為Q1、Q2，則可得方程式：

最終求得Q1、Q2。

7)控制I、II平面的電機(jī)分別移動，使得合成量為Q1、Q2。

8)逆流色譜儀正常運(yùn)行，結(jié)束平衡程序。

3.3 流程圖（見圖6）

4 結(jié)論

逆流色譜儀自動平衡控制系統(tǒng)以MKL25Z128VFT4為核心，集成了振動信號處理、平衡頭的控制算法，在逆流色譜儀的振動超出設(shè)定值時，通過電機(jī)帶動質(zhì)量塊平衡逆流色譜儀，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、不停機(jī)、準(zhǔn)確迅速平衡。因此，在逆流色譜儀高效分離方面具有重要意義。同時本控制機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單小巧，也可安裝應(yīng)用在工作空間狹小的設(shè)備上。對振動設(shè)定需要一定的經(jīng)驗(yàn)。

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[2]杜慶寶.大容置三柱串聯(lián)型高速逆流色譜儀的研制及應(yīng)用[D].浙江:浙江工商大學(xué),2013.

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