[科普中國]-恒壓控制系統(tǒng)

概述

計(jì)量泵是一種小型恒壓控制系統(tǒng)，在石油、化工、煤礦等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前設(shè)計(jì)的計(jì)量泵在恒壓工作環(huán)境下的控制精度低、穩(wěn)定性較差、實(shí)用性較差。嵌入式技術(shù)可將計(jì)算機(jī)控制、通信、網(wǎng)絡(luò)同計(jì)量泵相融合，可大大提高系統(tǒng)的控制精度。因此，將嵌入式技術(shù)引入精密計(jì)量泵，提出一種基于 ARM 處理器和嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的計(jì)量泵恒壓控制系統(tǒng)，可以提高小型恒壓控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性1。

小型恒壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小型恒壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)小型恒壓控制系統(tǒng)包括 ARM 控制器、壓力變送器、限位開關(guān)、光電編碼器、電磁閥以及驅(qū)動(dòng)器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ARM 控制器的關(guān)鍵部分為嵌入式處理器 S3C2440，其采用擴(kuò)展 A/D 變換器、SD卡、LCD 觸摸屏等部件，同其他設(shè)備連接和管理；壓力變送器采集計(jì)量泵的出口壓力，將檢測到的壓力反饋到輸入端同設(shè)置值對(duì)比，并將形成的誤差采用模糊 PID 控制算法獲取對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，依據(jù)該脈沖頻率調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，調(diào)控總體系統(tǒng)的壓力，確保系統(tǒng)壓力的均衡性。限位開關(guān)發(fā)生變化時(shí)，ARM 控制器同電機(jī)驅(qū)動(dòng)器間的連接電路發(fā)生調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整方向。光電編碼器與電機(jī)相連，將電機(jī)運(yùn)行脈沖反饋到 ARM 控制器中進(jìn)行分析1。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、電磁閥和限位開關(guān)模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.主控模塊和存儲(chǔ)模塊

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控模塊采用來自三星公司的嵌入式芯片S3C2440A，該芯片的內(nèi)核為ARM920T，擁有低功耗、高處理運(yùn)算性能。芯片使用 MMU，AMBA 總線體系結(jié)構(gòu)以及哈佛結(jié)構(gòu)，并集成了 SDRAM 控制器、FLASH 控制器、SPI 控制器等硬件外設(shè)。

系統(tǒng)為 S3C2440A 部署了由 2 片 HY57V561620 并聯(lián)構(gòu)成的 64MB SDRAM，并且將采集到的壓力數(shù)據(jù)保存到 4GB 的SD卡中。嵌入式芯片 S3C2440 中集成了SD 控制器 ，系統(tǒng)采用SD總線模式驅(qū)動(dòng)SD卡。S3C2440 處理器在 SD 模式中通過 5 根信號(hào)線同 SD 卡完成信息的交流，并且為各信號(hào)線配置 10kΩ的上拉電阻。

2.采集模塊設(shè)計(jì)

（1）壓力變送器的選擇。系統(tǒng)通過來自于森納士公司的 ME 系列壓力變送器，采集計(jì)量泵的壓力值。變送器通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的模/數(shù)變換，將輸出的 4～20 mA 電流信號(hào)調(diào)整至 0.5~2.5 V 的區(qū)間中。

（2）光電編碼器的選擇與連接。系統(tǒng)采用光電編碼器獲取步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將電機(jī)主軸的輸出位移量變換成 ARM 處理器能夠分析的脈沖數(shù)字量。設(shè)計(jì)的光電編碼器包括光柵盤以及光電探測部件。在小型恒壓控制系統(tǒng)中，光電碼盤同步進(jìn)電機(jī)同軸連接并以相同的速度運(yùn)動(dòng)，采用發(fā)光二極管等電子器件構(gòu)成的檢測部件獲取脈沖信號(hào)。對(duì)光電編碼器輸出的脈沖頻率進(jìn)行分析，能夠獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效檢測，同時(shí)采用 ARM 控制器對(duì)電機(jī)的脈沖數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行管理，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確管理，實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)控制。

3.通信模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)榇诘耐ㄐ艆f(xié)議簡便，在通信領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。因此，系統(tǒng)使用串口 RS 232完成目標(biāo)板同PC機(jī)間的通信。S3C2440處理器中集成了 3個(gè) UART控制器，并且將 UART0當(dāng)成通信端口。S3C2440芯片通過TTL電平設(shè)置 5V，0V 描述邏輯正和邏輯負(fù)，而 PC 機(jī)的COM端口采用 RS 232電平設(shè)置 10V，-10V描述邏輯負(fù)和邏輯正。因此 S3C2440 芯片和PC機(jī)間應(yīng)通過SP3232EEN 芯片進(jìn)行電平變換，完成系統(tǒng)的通信。

4.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

（1）步進(jìn)電機(jī)工作原理。系統(tǒng)采用 ARM 控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)管理步進(jìn)電機(jī)，控制器傳遞出一個(gè)脈沖信號(hào)，則電機(jī)依據(jù)設(shè)置的方向變換相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同控制器產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)具有較高的關(guān)聯(lián)性。因此，調(diào)整 ARM 控制器的脈沖頻率，可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，而調(diào)整控制器的脈沖數(shù)量，可對(duì)電機(jī)的變換角度進(jìn)行調(diào)整。ARM 控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制過程中應(yīng)設(shè)計(jì)功率放大電路，但是該電路的開發(fā)成本較高。因此，為了提高步進(jìn)電機(jī)的控制效率，系統(tǒng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中設(shè)計(jì)了具有細(xì)分控制技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括脈沖分配電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等器件，可對(duì)電機(jī)的電流、電壓和功率進(jìn)行細(xì)化控制。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采集到 ARM 控制器的方向信號(hào)以及脈沖信號(hào)后，脈沖分配電路依據(jù)設(shè)置的通電手段形成電機(jī)相勵(lì)磁繞組的通斷信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。功率驅(qū)動(dòng)電路將 ARM 控制器產(chǎn)生的低功率信號(hào)變換成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的高功率信號(hào)。保護(hù)電路避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)電壓和電流過高的問題，確保電機(jī)的順利運(yùn)行。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，以及 SD20806型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

（2）PWM 調(diào)速原理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)對(duì) PWM 定時(shí)器的原始值進(jìn)行控制，確保脈沖頻率發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的主控芯片S3C2440中存在5個(gè)定時(shí)器，其中的4 個(gè)定時(shí)器具有 PWM 調(diào)速功能1。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件劃分成系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊和控制管理模塊。系統(tǒng)的主程序流程如圖所示。

系統(tǒng)初始化模塊對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備參數(shù)及性能初始化設(shè)置；數(shù)據(jù)采集和處理模塊驅(qū)動(dòng)傳感器采集恒壓控制系統(tǒng)中泵的輸出壓力，同時(shí)對(duì)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過SD卡保存數(shù)據(jù)采集和處理模塊獲取的數(shù)據(jù)，并塑造相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫；用戶通過人機(jī)交互模塊可查詢系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)；控制管理模塊按照獲取的壓力數(shù)據(jù)，通過智能控制算法確保系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓控制1。

控制系統(tǒng)的模糊PID算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，完成系統(tǒng)計(jì)量泵的恒壓控制，主要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法，確保系統(tǒng)的恒壓輸出和電機(jī)的正常運(yùn)行。該算法不僅具有模糊控制器的強(qiáng)抗干擾性，還具有PID控制的高精度優(yōu)勢，具備較強(qiáng)的控制能力。系統(tǒng)采用壓力變送器以及光電編碼器，采集系統(tǒng)泵的輸出壓力和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并運(yùn)算出壓力誤差值以及壓力誤差變化率，再通過模糊PID控制器調(diào)整誤差值，并將壓力校正值變換成對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，同時(shí)將其反饋給步進(jìn)電機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)量泵輸出壓力的平穩(wěn)控制。

當(dāng)前設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)在恒壓工作模式下的控制精度低，并且穩(wěn)定性較差，存在較大的弊端。因此，這里介紹的基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件以 S3C2440 芯片為控制核心，通過主控芯片的外圍接口擴(kuò)展硬件電路，采用具有細(xì)分控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 S3C2440 芯片的 PWM 定時(shí)器，對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精密恒壓控制，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性控制。采用模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分給出了系統(tǒng)主程序流程，以及采用模糊 PID 智能控制算法實(shí)現(xiàn)恒壓輸出控制的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度和穩(wěn)定性1。