基于STM32F103C8T6智能電磁振打控制系統設計與實現

劉小剛 張紅飆 鄭鑫 劉錫堯

摘要

電除塵技術在環保行業中占有重要的地位，而智能電磁振打控制系統是電除塵清灰控制系統中的關鍵。智能電磁振打控制系統以STM32F103C8T6可編程控制器為核心進行開發，采用SCR控制技術來驅動振打器，并且結合合信TP07觸摸屏作為人機交互界面，使操作可視化。該系統還設計了智能過流、過壓保護電路，可靠性高，響應速度快適應性強。

【關鍵詞】電除塵振打系統 STM32F103C8T6SCR技術 系統 電磁振打

目前，根據相關行業統計報告，我國的粉塵排放總量己高達1740萬噸，僅僅電力這一行業每年的排放量就達420萬噸。我國每年因為環境污染而造成的經濟損失約為540億美元，因為環境生態而導致的自然災害和其治理成本約占整個國民經濟總產值的5%左右，解決工業粉塵排放一直是我國政府的關注焦點。

當前我國采用的主要除塵技術是煙氣粉塵脫離除塵，其技術主要有袋式除塵器和電除塵器兩種應用，電除塵器包括放電極和收塵極，在放電電極端產生一個足以使氣體電離的靜電場，當粉塵氣體經過時會由于強電場的作用下電離，并使粉塵帶電，利用電場力使粉塵粒子向收塵電極方向運動并在收塵電極上沉積。當收塵極表面沉積一定厚度粉塵時，將直接影響除塵效率。因此，有效的清除電極板上的粉塵，是電除塵器能否高效穩定運行的前提。頂部振打清灰技術，可以有效的清除兩個電極板上的沉積粉塵。

電除塵器能否穩定高效運行，主要取決于電極板上的粉塵有無有效清除，如果振打的力度過小的話，會引起嚴重的反向電暈，而反向電暈會使電暈持續增大，除塵效率就會下降而當振打力太大的時候，從極板上剝落的粉塵難形成片塊狀落下，容易形成“二次揚塵”，而且對振打系統的整個機械損耗很大。因此，智能電磁振打控制系統的設計研究就顯得非常重要。

1 硬件系統的設計原理

智能電磁振打控制系統包括主系統和驅動單元兩個部分，主系統主要包含主控系統和人機交互界面，而振打器的正常工作則由驅動單元負責。核心控制器通過MODBUS協議來獲取人機界面所設置的相關參數，經過相關計算后通過控制器輸出一系列脈沖來啟動驅動單元，并且通過反饋信號采集驅動單元輸出電流及振打高度來判斷相控角是否準確。本設計選用STM32F103C8T6作為核心控制器，驅動單元采用單相半控橋式整流電路，結合TP07觸摸屏、VL53LOX、TA20FL-100以及MAX485E等組成整個系統。如圖1所示。

1.1 核心控制器原理圖設計

核心控制器模塊包含兩部分電路，一部分電路是以STM32F103C8T6單片機為核心控制芯片的最小系統電路，如圖2所示。該電路包括了晶振電路、復位電路、數碼管驅動芯片電路以及單片機穩定工作需要的去耦電容。當系統工作時，STM32F103C8T6通過檢測電壓電路送來的信號來判斷電路是否處于正常工作電壓范圍內，然后通過接收觸摸屏發過來的工作參數，通過計算后輸出相對應的觸發脈沖至驅動單元，然后通過反饋采集系統來采集信號，分析運行效果是否與期望相同，如果實際運行效果與期望效果相差太遠，則電路暫停輸出。

另一部分是由同步信號電路、電壓檢測電路及電流檢測電路組成，同步信號檢測電路如圖3所示。同步信號電路由三極管Q3及其電路構成，當三極管Q3的B點電位高于E點電位約0.7V時，此時C點的電位高于B點電位，發射結處于正偏狀態，且集電結處于反偏狀態，因此三極管Q3處于工作狀態，則TB輸出低電平;反之則輸出高電平。其波形如圖4所示，其中B波形為整流后的交流電信號，A波形為同步信號輸出，即交流電的零點所在。

如圖3-5所示，電壓檢測電路采用電阻分壓形式來采樣，根據歐姆定律U=IR可得：

U_a為輸入到單片機的電壓信號

U_in為整流后的交流電信號

因此，STM32F103C8T6通過檢測Ua的電壓值就可以得到U_in的電壓值，假設U_a為2.52V，R₁₆為200Ω，已知變壓器匝數比為220/9，那么由公式（1）即可算出Uin為9.44V，則供電電壓大約為230V，處于正常工作電壓。

如圖6，驅動板上的輸出電流由霍爾電流互感器TA20-100測定，TA20-100變比為1000：1，輸入電流為0-20A，輸出電流為0-20mA，取樣電阻為400Ω，則取樣電壓為0-8V，取樣電壓經過整流器整流，電阻分壓限流后送入處理器，處理器通過AD轉換得到當前電流大小。

1.2 晶閘管觸發電路

閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通，如圖7所示，由555多諧振蕩電路、V1、V2、V3構成的脈沖放大環節以及脈沖變壓器和附屬電路構成的脈沖輸出環節組成晶閘管觸發電路。

核心控制器送來處理完的觸發信號至GK時，光耦導通，555多諧振蕩電路輸出頻率固定的矩形波，為了使脈沖變壓器穩定工作，通常555多諧振蕩電路輸出頻率接近于脈沖變壓器的工作頻率。即

由式（2）可知，555多諧振蕩電路輸出頻率約為23.31KHz。

2 軟件的總體設計

軟件整體的設計思想如圖8所示，控制系統上電后對STM32F103C8T6和觸摸屏初始化，核心控制板與觸摸屏通信連接，之后STM32F103C8T6通過對供電電源的電壓采樣，計算是否處于正常工作電壓。如果處于正常工作電壓，接著核心控制塊通過MODBUS協議讀取觸摸屏發來的數據判斷是否開始，如果未開始，則繼續等待;如果觸摸屏點擊開始，STM32F103C8T6判斷設置的導通角、振打強度是否在正常范圍內，如果超出正常范圍，則發送數據至觸摸屏觸發報警文本，假如在正常范圍內的話，則STM32F103C8T6將緩沖區的導通角、振打強度取出進行計算后輸出一系列觸發脈沖給驅動控制單元。

在輸出觸發脈沖給驅動控制單元的同時反饋采集系統開始工作，對一次電流進行采樣整流分壓后送入STM32F103C8T6，STM32F103C8T6對一次電流進行A/D轉換，并推算出電流是否超限，如果超限，則立即停止輸出觸發脈沖，防止晶閘管燒毀;如果電流處于正常范圍，則繼續工作，直至振打次數為零。

3 測試數據與分析

在測試完各個模塊后，將整個系統組合在一起測試，控制系統整機裝置如圖9所示。

在整個測試中，參數均可通過觸摸屏調整，當參數超出振打器能承受范圍時，觸摸屏顯示報警文本，本控制系統可以根據使用現場的工況隨時對高度進行設置，方便可靠。

智能振打控制系統的輸出是由導通角和振打強度來決定的，在振打強度一定的時候，改變導通角，其輸出的一次電流強度和高度隨之變化，所有數據均采樣五次取平均，振打強度為10時的實驗數據如表1所示。

將表1數據用坐標系的形式來繪制出關系曲線，如圖1。所示，由圖可知，在導通角30°～90°時，高度值和導通角θ的曲線關系通過MATLAB擬合為函數y=-0.0002*x^3+0.0235*x^2+2.9194*x^1+-5.5201（其中x為導通角）;在導通角90°～120°時，高度隨導通角變化關系不明顯。由此可知，在振打強度為10的時候，導通角30°～90°比較時候振打器穩定工作，高于90°，則振打高度變化微小，易造成晶閘管發熱嚴重。

4 結論

該系統利用SCR控制技術來驅動振打器;單片機通過RS-485接口和觸摸屏通信，可以實現遠距離控制;在振打過程中，控制系統對整個過程當中的每個參量進行檢測，一旦有指數超標，驅動單元即刻停止輸出，同時顯示報警文本告知差錯原因。系統在傳統工業中的電磁振打技術的基礎上，結合人機界面及晶閘管控制技術，使整個控制達到智能化、可視化的操作流程和界面，在改變電磁振打的控制方式的同時，又提高了工作效率、降低了其生產成本，有利于增加其市場競爭力和易于市場推廣。

（通訊作者：劉錫堯）

參考文獻

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