深海環(huán)境模擬實驗裝置壓力控制系統(tǒng)設計

摘要：為了模擬深海高壓環(huán)境，研制了一套深海環(huán)境模擬試驗裝置，在對深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種針對壓力的闊環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動電路、以Max7219為核心的顯示電路，設計了穩(wěn)壓控制的定頻調(diào)寬變速控制系統(tǒng)的硬件電路，并進行了相應的軟件編制，實現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合，以滿足不同場合的需求，又可組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，不但能夠顯著提高深海環(huán)境模擬裝置的壓力控制精度，同時還具有節(jié)能的效果。
關(guān)鍵詞：深海環(huán)境；模擬試驗裝置；壓力控制；電路設計

    深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對該環(huán)境下進行的生物成礦作用、生命起源等的問題研究，將有助于闡明深海微生物受壓力調(diào)節(jié)的代謝機制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對地質(zhì)學、地球化學和生命科學等一系列學科研究具有重大的意義。然而由于其處于深海極端環(huán)境這一特殊性，難以身臨其境進行觀察與研究，需要在實驗室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進行實驗來配合相關(guān)科學研究。
    針對深海環(huán)境的特殊性，開發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設計及控制軟件開發(fā)中的相關(guān)問題。

1 設計要求及系統(tǒng)組成
1．1 設計要求
    研究工作以及要達到的技術(shù)指標如下：
    1)壓力控制范圍為0～20 MPa，精度為+2％FS，最小的壓力梯度為1％／min；
    2)對壓力的精確穩(wěn)定控制，在全工作范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；
    3)對壓力、流量實時曲線及數(shù)字顯示，具有曲線記錄及回放功能。
1．2 系統(tǒng)組成
    該模擬實驗裝置主要包括由水泵、深海環(huán)境模擬艙、水箱和管路等組成的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，及其監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可模擬海底熱液口的極端海洋環(huán)境，也可模擬一般的海洋環(huán)境，還可以完成樣品的培養(yǎng)、加樣、取樣等，其中泵的流量可以根據(jù)需要在輸出流量范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，功能切換可以通過截止閥的開或關(guān)來實現(xiàn)。監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測及控制。整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

    本文主要介紹壓力精確穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設計，其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機選用調(diào)速性能好、體積小、效率高的三相無刷直流電機，因為單片機價格低，片內(nèi)資源豐富，且可以靈活編制程序，所以采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)。工作時，傳感器把檢測到的管路壓力及負載轉(zhuǎn)速反饋到單片機，進一步去觸發(fā)由PI構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，以PWM方式對電機進行調(diào)速，電機帶動油泵工作提供連續(xù)可調(diào)的壓力源。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設計
    控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，本控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、RS485接口電路組成。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)，霍爾位置傳感器的位置信號處理后送專用驅(qū)動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號，經(jīng)單片機處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運用增量式Pl算法，得到PWM控制信號，經(jīng)光電耦合電路驅(qū)動專用集成驅(qū)動芯片閉環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速；同時單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時單片機將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過LED電路顯示故障?？紤]到應用的場合不同，對控制系統(tǒng)的需求也不同，本文設計各功能部件時考慮相互獨立性并保留好相應的接口以便構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。

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2．1 控制電路設計
    控制電路主要由Atmega8L單片機、PWM信號產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、隔離電路及接口電路組成。
2．1．1 PWM信號產(chǎn)生及處理電路設計
    在本控制系統(tǒng)中，主要是利用ATmega8L內(nèi)部定時器產(chǎn)生定頻調(diào)寬的PWM波信號來控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。這里采用ATmega8L的Timer2工作在快速PWM模式下，產(chǎn)生高頻的PWM波形，波形產(chǎn)生后需要進行處理才能得到所想要的輸出信號，處理電路如圖3所示。

2．1．2 電流檢測電路設計
    本文采用Allegro公司的ACS712集成芯片擴展外圍電路進行測量。ACS712由霍爾元件、霍爾電流驅(qū)動元件、偏差調(diào)整電路、信號恢復電路、信號放大電路組成，具有價格低、精度高、絕緣性能好等特點。電流檢測電路如圖4所示。ACS712在電流為零時7腳Vo輸出2．5 V，故設計了一個精密電阻RP1分壓產(chǎn)生2．5 V電壓，使放大電路輸出電壓Uo從0 V開始線性變化；為提高電阻分壓帶負載能力，既使2．5 V電壓不隨后級電路影響，這里采用了一級電壓跟隨器使輸出Ui2為2．5 V。據(jù)疊加原理可算出圖4中Uo為：
   

    從式(3)可以看出輸出電壓與夾在1、2和3、4腳之間電流成正比。將此電壓送入ATmega8L的A／D轉(zhuǎn)換器處理即可得到電機的工作電流，應用此電流可以對無刷直流電機進行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制及過流保護。[!--empirenews.page--]
2．1．3 轉(zhuǎn)速檢測電路設計
    轉(zhuǎn)速檢測對于控制系統(tǒng)非常重要，由于控制系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)速構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以獲得電機轉(zhuǎn)速是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由驅(qū)動電路通過霍爾IC輸出位置信號，無刷直流電機每轉(zhuǎn)一周輸出12個脈沖FG信號，但這些脈沖信號干擾比較大，不能直接被ATmega8L處理，所以必須對脈沖FG信號進行濾波提取。如圖5所示，由于驅(qū)動電路開路輸出，所以電路加了上拉電阻R11。FG信號諧波比較多，設置C4起到濾波的作用，其值大小比較難確定，需要通過實驗調(diào)整。FG信號通過P521在3腳產(chǎn)生一個比較穩(wěn)定、無諧波的FG’信號，其中G5不能選用過大，否則FG’信號會失真，以致ATmega8L識別不出來。ATmega8L內(nèi)部Timerl具有16位的輸入捕捉單元，通過外部引腳ICP1來捕捉外部事件。讀取ICR1時捕捉寄存器先讀低字節(jié)ICR1L，然后再讀捕捉寄存器高字節(jié)ICR1H。再根據(jù)兩次捕捉寄存器的差值就可以算出電機轉(zhuǎn)速。

    隔離電路是為了避免驅(qū)動電路及其接口電路受強電壓的影響，在外電路接口線上加的光電耦合隔離，以保證電路正常運行。
2．2 驅(qū)動電路設計
    驅(qū)動電路是主控電路與無刷直流電機之間的橋梁，本控制系統(tǒng)采用日立公司的專用集成無刷直流控制芯片ECN30206。ECN30206專用集成無刷直流控制芯片適用于直流500 V電壓、1 A以下，功率在20～300 W的三相有位置傳感器的無刷直流電機。ECN30206驅(qū)動芯片由內(nèi)部自帶6個全橋IGBT開關(guān)管(上橋臂和下橋臂)及每個IGBT都帶保護的續(xù)流二極管，用于3個上橋臂電壓提升的電荷泵電路、無刷直流電機方向控制電路，為ECN30206驅(qū)動芯片產(chǎn)生時鐘的聲表面波產(chǎn)生電路、PWM產(chǎn)生電路、三相非配器、過流及欠壓保護電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路組成。三相分配器內(nèi)部具有換相控制表，依據(jù)表格中相對照的值來合理分配各個橋臂的通斷狀態(tài)。根據(jù)ECN30206集成驅(qū)動芯片的內(nèi)部原理分析和霍爾開關(guān)芯片的工作原理可以設計直流電機驅(qū)動電路如圖6所示。

    該系統(tǒng)采用的是4對磁極的無刷直流電機，所以一個機械角為90°，電導通角為30°，因而3個霍爾開關(guān)集成芯片EW632需每隔30°放一個，以檢測無刷直流電機的轉(zhuǎn)子的位置。3片EW632輸入信號與開關(guān)管導通狀態(tài)對應關(guān)系如表1所示。

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    1)內(nèi)部PWM各項參數(shù)的確定
    內(nèi)部PWM波的頻率由聲表面振蕩器(SAW)、11腳接的電容CTR和12腳接電阻RTR確定，如式：
    fpwm=0．494／(CTRxRTR)     (4)
    本系統(tǒng)選用的CTR為1 800 PF，RTR為22 kΩ，據(jù)式(4)可得PWM頻率為12．5 kHz。
    PWM占空比由13腳輸入的模擬電壓VSP確定。當VSP的值小于聲表面振蕩器幅值的最小值Vsawl時，PWM占空比為0％，所有的IGBT管都將關(guān)閉；當VSP的值大于聲表面振蕩器的最大值VsawH時，PWM占空比為100％；當VsawL≤VSP≤VsawH時占空比P與VSP的大小成線性：
    P=(VSP-Vsawl)／(VsawH-VsawL)     (5)
    因此只需改變VSP的大小就可以對電機進行線性無極調(diào)速。
    2)電機轉(zhuǎn)一周FG脈沖個數(shù)的確定
    泵站采用的無刷直流電機有4對磁極，電機轉(zhuǎn)一周FG脈沖個數(shù)為12個脈沖。
    3)電荷泵外部電路參數(shù)確定
    為了打開橋臂IGBT功率驅(qū)動開關(guān)，必須先提升門極電壓才能打開，ECN30206內(nèi)部有電荷泵電路，用戶只需設定外部電路各器件參數(shù)即可。電容的大小決定了充電時間，即決定了IGWT驅(qū)動開關(guān)管打開的時間，因此不能過大，否則打開時間過長造成事故，這里電容都選為1μF。
    4)負壓及過流保護
    當ECN30206檢測到VCC引腳電壓小于12 V時所有的IGBT功率驅(qū)動開關(guān)管關(guān)閉，直到VCC大于12 V時才恢復正常工作。
    電流保護是通過在下橋臂IGBT串接電阻到地GL分壓反饋到ECN30206內(nèi)部過流電壓比較器實現(xiàn)，內(nèi)部過流電壓比較器參考電壓Vref為0．5 V，這里設定最大電流值Imax為1 A，則RS的值為：
    Rs=Vref／Imax     (6)
    將Imax=1 A，Vref=0．5 V代入式(6)得RS為0．5 Ω，這里選用康銅絲。
    5)電路穩(wěn)定的保證
    為使驅(qū)動電路穩(wěn)定及提高抗干擾性，必須對各引腳進行處理，在引腳上適當?shù)募由侠娮杌蛳吕娮?，在高輸入阻抗的引腳處加上高頻旁路電容以消除高輸入阻抗引腳對高頻噪音的敏感性。
2．3 RS485顯示電路及通信接口電路設計
    控制系統(tǒng)采用美國MAXIM(美信)公司的MAX7219驅(qū)動芯片做LED數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片，驅(qū)動8個8段數(shù)字LED顯示器，顯示永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)速、工作電流及其故障。ATmega8L內(nèi)部集成了一串通信模塊，因此在外圍擴展一RS485接口驅(qū)動芯片即可以進行通信，這里系統(tǒng)采用的是MAXIN公司的MAX487作為驅(qū)動芯片，在具體應用時將芯片的RE和DE兩個使能端接在一起，使MAX487處于某一確定的狀態(tài)，同時也節(jié)約了系統(tǒng)的I／O口。顯示電路及通信接口電路是比較常見的通用電路，由于篇幅有限這里不做詳細介紹。

3 控制系統(tǒng)軟件程序設計
    控制系統(tǒng)硬件電路設計完成后需要進行軟件編制工作。系統(tǒng)的軟件設計具體體現(xiàn)了系統(tǒng)的技術(shù)要求，是整個系統(tǒng)控制規(guī)律的邏輯實現(xiàn)。
    本控制系統(tǒng)軟件設計采用前后臺系統(tǒng)，即系統(tǒng)由一個死循環(huán)程序加多個中斷服務子程序組成，任務比較多時，用實時操作系統(tǒng)(RTOS)，提高單片機CPU的使用率。主程序由系統(tǒng)初始化轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計算和轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制組成，完成系統(tǒng)的大部分功能任務；中斷程序主要對中斷時間進行檢測并通知主程序進行相應處理，完成必要的實時性功能，從而節(jié)省CPU的時間，使程序各部分功能可靠地運行；中斷程序主要用來串行中斷接收上位機發(fā)來的轉(zhuǎn)速設定值、定時中斷檢測電流及顯示轉(zhuǎn)速值和相關(guān)故障。
3．1 轉(zhuǎn)速數(shù)字PID閉環(huán)控制程序設計
    為實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，控制系統(tǒng)采用PID算法對轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制。確定PID算法的各參數(shù)后，用Atmega8L單片機實現(xiàn)比較簡單，在程序中定義一個結(jié)構(gòu)體變量存放用戶設定轉(zhuǎn)速值、當前轉(zhuǎn)速值、前次誤差值、當前誤差值、累計誤差值、比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，結(jié)構(gòu)體定義源程序如下：
   
    按照PID控制算法編制控制程序，控制定時器T2的PWM波占空比從而改變VSP電壓值的大小實現(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，其中隨著采樣次數(shù)的增加，累計誤差也將會飽和溢出，所以必須進行抗飽和處理。
3．2 聯(lián)機通信程序設計
    電機的轉(zhuǎn)速設置可以通過調(diào)節(jié)精密電位器，然后將電壓值模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換值改變PWM的占空比，改變驅(qū)動器輸入電壓VSP；也可以通過控制系統(tǒng)與上位機通過RS485總線通信實現(xiàn)，直接由上位機發(fā)送速度值，通過上位機還可以根據(jù)不同型號的電機設定不同的電流保護值，同時控制系統(tǒng)可以將運行及故障信息反饋給上位機，供上位機參考。

4 結(jié)論
    1)采用以Atmega8L單片機為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動電路、以Max7219為核心的顯示電路，三部分相互獨立，可單獨選用，滿足不同場合的需求，又可組成一閉環(huán)控制系統(tǒng)。
    2)設計的壓力控制系統(tǒng)可以保證深海環(huán)境模擬系統(tǒng)壓力精確穩(wěn)定控制，并可以實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。
    3)該系統(tǒng)也可為其他壓力控制系統(tǒng)提供有益的參考。