恒壓控制系統(tǒng)

恒壓控制系統(tǒng)總體設(shè)計

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)置值對比，并將形成的誤差采用模糊 PID 控制算法獲取對應(yīng)的脈沖頻率，依據(jù)該脈沖頻率調(diào)整步進電機的運行速度，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，ARM 控制器同電機驅(qū)動器間的連接電路發(fā)生調(diào)整，驅(qū)動電機調(diào)整方向。光電編碼器與電機相連，將電機運行脈沖反饋到 ARM 控制器中進行分析 。

恒壓控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用模塊化思想設(shè)計系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機驅(qū)動模塊、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.主控模塊和存儲模塊

設(shè)計系統(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SD卡。S3C2440 處理器在 SD 模式中通過 5 根信號線同 SD 卡完成信息的交流，并且為各信號線配置 10kΩ的上拉電阻。

2.采集模塊設(shè)計

（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，采集計量泵的壓力值。變送器通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)壓力信號的模/數(shù)變換，將輸出的 4～20 mA 電流信號調(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電機的轉(zhuǎn)速，將電機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，光電碼盤同步進電機同軸連接并以相同的速度運動，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。對光電編碼器輸出的脈沖頻率進行分析，能夠獲取電機的轉(zhuǎn)速，完成電機轉(zhuǎn)速的有效檢測，同時采用 ARM 控制器對電機的脈沖數(shù)和脈沖頻率進行管理，完成電機轉(zhuǎn)速的準確管理，實現(xiàn)總體系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)控制。

3.通信模塊設(shè)計

因為串口的通信協(xié)議簡便，在通信領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價值。因此，系統(tǒng)使用串口 RS 232完成目標板同PC機間的通信。S3C2440處理器中集成了 3個 UART控制器，并且將 UART0當成通信端口。S3C2440芯片通過TTL電平設(shè)置 5V，0V 描述邏輯正和邏輯負，而 PC 機的COM端口采用 RS 232電平設(shè)置 10V，-10V描述邏輯負和邏輯正。因此 S3C2440 芯片和PC機間應(yīng)通過SP3232EEN 芯片進行電平變換，完成系統(tǒng)的通信。

4.電機驅(qū)動模塊設(shè)計

（1）步進電機工作原理。系統(tǒng)采用 ARM 控制器產(chǎn)生脈沖信號管理步進電機，控制器傳遞出一個脈沖信號，則電機依據(jù)設(shè)置的方向變換相應(yīng)的角度。步進電機的運動狀態(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，可對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，而調(diào)整控制器的脈沖數(shù)量，可對電機的變換角度進行調(diào)整。ARM 控制器對步進電機進行控制過程中應(yīng)設(shè)計功率放大電路，但是該電路的開發(fā)成本較高。因此，為了提高步進電機的控制效率，系統(tǒng)在電機驅(qū)動模塊中設(shè)計了具有細分控制技術(shù)的步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器包括脈沖分配電路、功率驅(qū)動電路、保護電路等器件，可對電機的電流、電壓和功率進行細化控制。當電機驅(qū)動器采集到 ARM 控制器的方向信號以及脈沖信號后，脈沖分配電路依據(jù)設(shè)置的通電手段形成電機相勵磁繞組的通斷信號，對電機進行調(diào)整。功率驅(qū)動電路將 ARM 控制器產(chǎn)生的低功率信號變換成可驅(qū)動電機運動的高功率信號。保護電路避免步進電機出現(xiàn)電壓和電流過高的問題，確保電機的順利運行。設(shè)計的控制系統(tǒng)采用二相混合式步進電機，以及 SD20806型兩相混合式步進電機驅(qū)動器。

（2）PWM 調(diào)速原理。系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓控制，需要對步進電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。系統(tǒng)對 PWM 定時器的原始值進行控制，確保脈沖頻率發(fā)生變化，進而調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的主控芯片S3C2440中存在5個定時器，其中的4 個定時器具有 PWM 調(diào)速功能 。

恒壓控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

設(shè)計的控制系統(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)存儲模塊、人機交互模塊和控制管理模塊。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

系統(tǒng)初始化模塊對系統(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)動傳感器采集恒壓控制系統(tǒng)中泵的輸出壓力，同時對采集的壓力數(shù)據(jù)進行融合；數(shù)據(jù)存儲模塊通過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，實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓控制 。

恒壓控制系統(tǒng)算法設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計的小型恒壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是，控制步進電機的運行，完成系統(tǒng)計量泵的恒壓控制，主要對步進電機的速度和正反轉(zhuǎn)進行控制。系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法，確保系統(tǒng)的恒壓輸出和電機的正常運行。該算法不僅具有模糊控制器的強抗干擾性，還具有PID控制的高精度優(yōu)勢，具備較強的控制能力。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電機的轉(zhuǎn)速，并運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應(yīng)的脈沖頻率，同時將其反饋給步進電機，對步進電機的速度進行調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)計量泵輸出壓力的平穩(wěn)控制。

當前設(shè)計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展硬件電路，采用具有細分控制技術(shù)的電機驅(qū)動器和 S3C2440 芯片的 PWM 定時器，對步進電機轉(zhuǎn)速進行精密恒壓控制，并且實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性控制。采用模塊化思想設(shè)計系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機驅(qū)動模塊、通信模塊等。系統(tǒng)實現(xiàn)部分給出了系統(tǒng)主程序流程，以及采用模糊 PID 智能控制算法實現(xiàn)恒壓輸出控制的過程。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)具有較高的控制精度和穩(wěn)定性 。

計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)用價值。當前設(shè)計的計量泵在恒壓工作環(huán)境下的控制精度低、穩(wěn)定性較差、實用性較差。嵌入式技術(shù)可將計算機控制、通信、網(wǎng)絡(luò)同計量泵相融合，可大大提高系統(tǒng)的控制精度。因此，將嵌入式技術(shù)引入精密計量泵，提出一種基于 ARM 處理器和嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的計量泵恒壓控制系統(tǒng)，可以提高小型恒壓控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性 。

恒壓閥在自控系統(tǒng)中作為主閥的壓力導(dǎo)閥。它除了可以單獨安裝在導(dǎo)壓管上外，還有一種立式閥體可直接安裝在主閥頂蓋上，與主閥聯(lián)成整體，稱為恒壓主閥(也稱蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥或背壓閥)。另有一種橫式閥體裝在電磁導(dǎo)閥的閥體側(cè)面，與主閥聯(lián)成一個整體，并與電磁導(dǎo)閥共同控制主閥的開、閉，總稱恒壓電磁閥。

按正、反作用開啟原理，恒壓閥又可分為正恒閥和反恒閥兩種。正恒閥是常閉型壓力導(dǎo)閥，即當壓力高于給定值時，閥口開啟，直至全開，反恒閥是常開型壓力導(dǎo)閥，即當壓力高于給定值時，閥口關(guān)小，直至全關(guān)。