基于STM32控制的水泵葉片動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

王 璐，董向前，梁 健，鄭安琪

（1.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000）

目前傳統(tǒng)的水泵葉片的調(diào)節(jié)主要是以機(jī)械式和液壓式機(jī)械裝置作為調(diào)節(jié)手段。液壓式葉片角度調(diào)節(jié)方式，一次性所要調(diào)節(jié)的作用力較大，很容易造成內(nèi)泄漏，裝置內(nèi)部工藝水平要求較高，元件發(fā)生微小變形會(huì)導(dǎo)致液壓泵穩(wěn)定性變差。同時(shí)使用液壓傳動(dòng)方式調(diào)節(jié)水泵葉片，其維護(hù)要求很高。本研究選用的是利用插齒驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置，更好地避開長期運(yùn)行造成推力軸承容易抬軸的弊端。目前，常用的水泵葉片角度的調(diào)節(jié)方法主要有3類：

半調(diào)節(jié)，停泵后拆卸水泵葉片，才可以改變?nèi)~片角度，在目前的泵站系統(tǒng)中，安裝完畢后想要進(jìn)行半調(diào)節(jié)較為困難。

停泵全調(diào)節(jié)，在停泵之后進(jìn)行機(jī)械操作實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)葉片角度。此種方法較為經(jīng)濟(jì)，但是不符合現(xiàn)代化智能控制。

運(yùn)行全調(diào)節(jié)，在水泵運(yùn)行過程中使用機(jī)械操作、電動(dòng)或者液壓傳動(dòng)等方法調(diào)節(jié)葉片的角度。此種調(diào)節(jié)方式盡管對(duì)設(shè)備整體的要求較高，但是非常符合目前人工智能的發(fā)展方向。

目前，市面上利用電子尺磁致式位移傳感器測(cè)量葉片旋轉(zhuǎn)位移，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將位移長度轉(zhuǎn)換成角度。這種傳感器使用壽命長但需要非常穩(wěn)定的電壓輸入，否則會(huì)造成輸出磁場(chǎng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致測(cè)量誤差偏差較大。目前泵站機(jī)組葉片角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不管采用哪種葉輪葉片調(diào)節(jié)方式，均采用LCU檢測(cè)傳感器所測(cè)量的葉片角度相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)葉片角度調(diào)節(jié)。本文研究采用嵌入式控制器，實(shí)時(shí)采集泵機(jī)組運(yùn)行水位揚(yáng)程等參數(shù)，控制器集成了泵機(jī)組效率運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)利用高精度角度傳感器安裝在葉輪輪轂內(nèi)側(cè)，通過機(jī)械方式實(shí)時(shí)測(cè)量目前葉片角度，利用整定的不同水文工況下對(duì)應(yīng)的葉輪角度，使水泵機(jī)組運(yùn)行在相對(duì)高效率區(qū)，這樣就構(gòu)成了獨(dú)立的水泵機(jī)組葉輪動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)了不同水文工況下水泵機(jī)組葉片角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，減少了泵機(jī)組的調(diào)水能耗。由于角度傳感器安裝在葉輪輪轂內(nèi)側(cè)并隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn)，所以，測(cè)量數(shù)據(jù)需要通過無線方式傳送給以STM32芯片為主的水泵葉片機(jī)械式調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

1 性能參數(shù)的改變條件

根據(jù)離心泵各參數(shù)之間的關(guān)系可以看出，當(dāng)液體流過離心泵運(yùn)行時(shí)涉及到的物理量有：D、Q、H、n、g、μ、b2、β2共8個(gè)變量即n1=8，其之間的關(guān)系函數(shù)方程表示為

式中：D為葉輪直徑；H為揚(yáng)程；Q為流量；n為轉(zhuǎn)速；g為重力加速度；μ為液體動(dòng)力黏度；b2為葉輪出口寬度；β2為葉輪出口角度。

其中，具有3個(gè)基本度量單位即m=3，分別是：長度L、時(shí)間T和質(zhì)量M；可以選擇幾何學(xué)的量H、運(yùn)動(dòng)學(xué)的量g和動(dòng)力學(xué)的量μ作為獨(dú)立變量。而π相應(yīng)該有n1-m=5個(gè)，所以

先求π1，其量綱式為

解得a1=-1，b1=0，c1=0得出

由上可得

由式（7）～式（12）得出，葉片角度的調(diào)整能作為各性能參數(shù)的函數(shù)方程，由此可得葉片出口角的調(diào)整可改變水泵機(jī)組的性能。

2 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由角度傳感器、無線通信模塊、控制單元及水泵葉片角度調(diào)節(jié)模塊組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，以STM32為測(cè)控單元的系統(tǒng)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目前機(jī)組的上下游水位、揚(yáng)程和流量等水文參數(shù)。測(cè)控單元內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算并判斷此時(shí)水泵機(jī)組工作狀態(tài)是否是水泵特性曲線的較優(yōu)區(qū)間，若不再反饋至葉片角度調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)角度直至工作狀態(tài)到達(dá)特性曲線的較優(yōu)區(qū)間。如若在水文情況未發(fā)生顯著改變時(shí)，主控單元需判斷出此時(shí)能耗情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)水泵葉片角度改變流量大小，達(dá)到節(jié)能的目的。

方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)圖

本研究選用切割光柵計(jì)數(shù)角度傳感器和霍爾傳感器對(duì)3500HDQ-7.6型立式泵葉片角度的測(cè)量進(jìn)行研究，所選泵的主要性能參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速n=125 r/min；流量Q=24～38 m3/s；揚(yáng)程范圍H=3～9.7 m；葉片可調(diào)節(jié)范圍為-8°～+2°。

3 硬件電路

3.1 角度傳感器檢測(cè)葉片角度

本設(shè)計(jì)選用切割光柵計(jì)數(shù)角度傳感器和霍爾傳感器進(jìn)行水泵葉片角度的測(cè)量，霍爾傳感器是目前使用較多的使用于角度檢測(cè)中的一款傳感器，主要是利用磁場(chǎng)的改變來檢測(cè)葉片角度的變化。這一點(diǎn)和電子尺磁致式位移傳感器的工作原理類似。小型磁鐵的磁場(chǎng)在芯片表面上方旋轉(zhuǎn)，其強(qiáng)度可以通過非接觸式的方式測(cè)量，角度的改變可以通過磁場(chǎng)的矢量分量計(jì)算得到。但磁場(chǎng)間隙變化、溫度變化及老化等因素會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化使得計(jì)算出的角度誤差較大。

在實(shí)際安裝中，為了達(dá)到更加便捷的安裝目的，本研究將角度傳感器放置于葉片輪轂，緊貼輪轂一側(cè)，隨著葉片角度的改變，角度傳感器通過直接接觸方式實(shí)現(xiàn)角度隨動(dòng)測(cè)量，減小了誤差，提高了測(cè)量精度。切割光柵計(jì)數(shù)角度傳感器又稱為旋轉(zhuǎn)編碼器，用來專門測(cè)量角度變化，旋轉(zhuǎn)軸可從其中穿過，配合旋轉(zhuǎn)葉片實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)測(cè)量。在該傳感器的軸部安裝光柵，通過軸的旋轉(zhuǎn)，切割光柵。軸每次旋轉(zhuǎn)切割光柵時(shí)，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)1次，從而實(shí)現(xiàn)葉片角度的調(diào)節(jié)。

本研究選用的切割光柵計(jì)數(shù)角度傳感器在安裝使用上更為便捷，水泵安裝時(shí)直接安裝在輪轂內(nèi)側(cè)，與葉片軸緊密貼合，和傳統(tǒng)的霍爾傳感器相比，軸旋轉(zhuǎn)切割光柵計(jì)數(shù)傳感器測(cè)量方式大大減少了溫度、老化和磁場(chǎng)改變所形成的誤差。

3.2 STM32控制電路

STM32系列芯片是目前系列芯片中具有較高性能的微控制器，內(nèi)設(shè)的資源對(duì)數(shù)據(jù)的甄選和判別起到很大的作用。這一款芯片具有低耗、高穩(wěn)定性和抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本研究選用STM32 F103C8T6芯片作為系統(tǒng)裝置的主控芯片，其工作頻率為72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量64 K，工作電壓2～3.6 V，共有48個(gè)I/O口。

3.3 水泵葉片調(diào)節(jié)電路

選用全角度葉片調(diào)節(jié)裝置，在L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)桿，當(dāng)油缸制動(dòng)桿沒有壓力施加于制動(dòng)滑塊時(shí)，無制動(dòng)便可使調(diào)節(jié)桿旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)傘齒轉(zhuǎn)動(dòng)則水泵葉片角度發(fā)生改變。流量監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋至STM32芯片，直到角度傳感器檢測(cè)到合適角度，實(shí)時(shí)葉片角度經(jīng)過芯片計(jì)算得出此時(shí)水泵工作在較高效率的區(qū)間內(nèi)，電機(jī)停止工作，調(diào)節(jié)裝置中的制動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)讓油缸產(chǎn)生壓力，制動(dòng)滑塊產(chǎn)生制動(dòng)力，固定住調(diào)節(jié)傘齒使水泵在較佳狀態(tài)下持續(xù)工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

圖2 水泵葉片電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.4 水位與流量監(jiān)測(cè)

本研究對(duì)于水位與流量的檢測(cè)選用雷達(dá)水位計(jì)，其主要組成有：發(fā)射和接收模塊、信號(hào)處理模塊及天線等幾部分。利用雷達(dá)水位計(jì)的3種工作方式，發(fā)射電磁波經(jīng)被測(cè)物體表面反射并被天線接收。由于電磁波的傳輸速度是常數(shù)，利用電磁波發(fā)射和接收的時(shí)間計(jì)算距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水底到水面距離的測(cè)量，精確計(jì)算出水位。將檢測(cè)出的水位情況傳送到STM32芯片內(nèi)部計(jì)算，實(shí)現(xiàn)后期葉片調(diào)節(jié)并使水泵工作在較優(yōu)且節(jié)能的狀態(tài)。

4 特性曲線仿真

本研究選用南水北調(diào)寶應(yīng)站，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)規(guī)劃的東線一期水利調(diào)度工程。該工程需以流量為100 m3/s實(shí)現(xiàn)江水北調(diào)，采用4臺(tái)3500HDQ-7.6型立式泵單機(jī)流量范圍24～38 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.4～10 m。根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)監(jiān)控在同工況下改變?nèi)~片角，具體流量改變見表1及如圖3所示。

表1 不同葉片角安放下的流量

圖3 不同葉片角安放下的流量折線圖

5 結(jié)束語

該研究通過理論與實(shí)驗(yàn)，具體研究了根據(jù)實(shí)時(shí)的水位、泵機(jī)組揚(yáng)程、水泵葉輪角度及泵機(jī)組裝置效率之間的匹配關(guān)系。利用角度傳感器檢測(cè)水泵葉片角度提高整個(gè)水泵工作性能。成立了獨(dú)立的水泵機(jī)組葉輪動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置。通過函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出葉片角度對(duì)葉片性能的影響；并且模擬不同角度下流量的變化趨勢(shì)。在原本進(jìn)行每2°調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上精確到1°調(diào)節(jié)，其流量的調(diào)整更為精確。該研究結(jié)合實(shí)時(shí)水文情況的改變，利用伯努利方程計(jì)算相應(yīng)角度下的流量，從而選擇水泵工作較優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到可持續(xù)、高效的目的。