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高压平流泵控制系统的设计与实现

1前言
1.1高压平流泵控制现状
高压平流泵是利用电机驱动柱塞泵，使液体以稳定的流量及压力输出的一种设备，作为分析仪器的动力源，广泛应用于石油、化工、食品、制药、煤炭、环保等工业领域 。其主要技术要求：压力范围0~42MPa，流量范围0.001~9.999mL流量误差小于0.5%，从技术参数可知，如此小流量、高精度、高压力的流量计较难制造 。平流泵又称恒流泵，要求流速恒定 。平流泵流量的设定，实质上就是改变电机的转速，所以恒流效果如何主要取决于电机速度的稳定性 。
目前，国内生产的恒流泵大多为步进电机驱动 。这种泵成本低，调试方便，但致命弱点是在低流量下有较大脉动，很难保证恒流效果 。这是因为步进电机是按照一定拍节和相序运行 。为了解决这一问题，可借鉴国外仪器，使用直流电机取代步进电机，使恒流泵的性能大为提高[1] 。直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性，特别适用于要求调速的系统 。
现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP 。但是传统单片机的数据处理能力有限，对采用复杂的反馈控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，往往不能满足设计要求 。近年来出现了各种高速SOC单片机，其性能得到很大提高，价格却比DSP低很多 。其相关软件和开发工具越来越多，功能也越来越强，但价格却在不断降低 。现在越来越多的厂家开始采用SOC单片机来提高产品性价比[2] 。
1.2本文主要内容
系统采用PWM技术闭环调节直流电机转速，从而精确控制平流泵流量 。
系统对高压平流泵精度要求非常高，流量精度要求小于0.5% 。如此高精度需要有高性能控制器来采集调节直流电机转速，PIC32MX460F512L可很好满足要求，它采样直流电机转速，经过分析处理，发送适当占空比的PWM信号给电机，从而精确控制直流电机转速 。为提高系统稳定性，电机驱动采用电机专用驱动芯片LMD18200 。
系统提供压力、电流和热报警三重保护，以防平流泵损坏 。压力和电流采用PIC32MX460F512L提供的A/D模块采样，精度高达10位[8] 。
为便于人机交互和调试系统，系统提供了稳定可靠的通信功能，通信部分采用光耦隔离，提供RS232通信方式 。
2相关技术和原理
2.1 直流电机控制方法
在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面 。随着半导体技术的进步，电力电子技术飞速发展，使直流电机的传动技术得到改进，以往普遍采用的三种基本调速方法，即：(1) 改变电枢回路总电阻；(2)改变电枢的供电电压；(3) 改变励磁磁通，发展为晶闸管相控整流电机调压系统，以及全波不控整流——PWM轧波直流电机调压调速系统[3] 。直流电机脉宽调制（PWM）直流调速具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点，使之成为直流电机应用的主要调速方式 。
2.2 PWM直流调速原理
PWM控制是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调解，来有效地获得所需要的波形 。基于PWM控制的调速电路把流电压“轧”成一系列脉冲，通过改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压 。在PWM驱动控制的调速系统中，通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机的转速 。用脉宽调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速 。可见，在直流电压下，当调制脉冲频率一定时，脉冲宽度与占空比成线性关系 。
在脉冲作用下，按一个固定的频率来接通和断开电源，就能够实时控制电机的运转速度 。当电机通电时速度增加；电机断电时速度减小 。设电机直接接通电源时(即占空比为100%)，电机的转速为Vm，设占空比为D=t/T，则电机的平均速度为
(2-1)
式中：Ve——平均速度；Vm——全速（即直接通电时的速度）；D=t/T——占空比(0-100%) 。
由式(2-1)可见，Vm是直流电机直接通电时的速度（全速），只跟电机本身的特性相关，电机一定时，Vm为一个定值 。改变占空比D=t/T，就能得到不同的平均速度，从而就能够对电机转速进行实时控制[4] 。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似看成线性关系 。
2.3 H桥型电机驱动原理
图2-1 H桥PWM驱动
常见的PWM驱动系统的主电路（功率放大器）结构有：H型和T型 。这里以H型结构为例说明PWM双极式驱动的电路工作原理 。
H桥PWM驱动如图2-1，图中VD1、VD2、VD3、VD4为续流二极管，用来保护VT1、VT2、VT3、VT4三极管，Ub1=Ub4=-Ub2=-Ub3 。
当Ub1=Ub4为正时，VT1和VT4导通，VT2和VT3截止，UAB＝Us 。
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