基于ARM的離心式水泵啟停耐久測試系統(tǒng)設(shè)計

程 鑫，王寧經(jīng)，董家偉，吳 惠

(1.武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.湖北省磁懸浮軸承工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070)

離心泵由于轉(zhuǎn)速快、體積相對較小、重量輕、效率高、流量揚程及性能范圍均較廣、結(jié)構(gòu)簡單、性能平穩(wěn)[1]得到廣泛應(yīng)用。離心泵性能參數(shù)較多，各參數(shù)間的相互關(guān)系和影響因素比較復(fù)雜，很難準(zhǔn)確求出各參數(shù)間的相互關(guān)系和變化規(guī)律[2]。

由于車載離心式水泵極高的可靠性要求，要求產(chǎn)線上的各水泵皆進(jìn)行啟停耐久老化和壽命耐久老化測試，其壽命測試系統(tǒng)屬于產(chǎn)線大規(guī)模使用設(shè)備[3-4]，因此，要求測試系統(tǒng)簡潔、低成本、可靠性高。目前市場上的離心泵測試系統(tǒng)雖然功能全面，但開發(fā)成本高，售價昂貴，不適合在產(chǎn)線上大批量使用。針對上述問題，筆者基于MFC(microsoft foundation classes)和STM32設(shè)計了一套離心泵的測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由軟件、硬件兩部分組成，上、下位機通過通用RS232串口總線進(jìn)行通信。利用Visual Studio軟件的界面開發(fā)工具M(jìn)FC將采集到的離心泵測量信號進(jìn)行處理、動態(tài)曲線顯示、存儲以及故障報警等[5-6]。該系統(tǒng)開發(fā)周期短，經(jīng)濟可靠，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，并且具有通用性，不僅適用于車載離心式水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，還可用于其他旋轉(zhuǎn)機械的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 測試對象及測量參數(shù)

離心式水泵的啟停耐久測試系統(tǒng)包含啟停耐久和壽命耐久測試，在這個過程中，要實時監(jiān)控是否漏換向、是否準(zhǔn)確換向、電壓紋波、電流紋波、速度誤差、進(jìn)出水口壓力，功率及效率這些參數(shù)。換向的判斷采用過零點檢測方法；電壓測量采用隔離器加運放的組合進(jìn)行檢測；電流測量選擇型號為LA25-NP的電流傳感器，量程為0～36 A，精度為±0.5%；進(jìn)出口壓力測量選擇某公司的 MIK P300壓力變送器，精度為±0.25%，輸出信號為4～20 mA；離心泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)過零點檢測、功率和效率可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算獲得。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

常規(guī)車載離心泵控制單元包含電機控制器、通信接口等部件，但一般已經(jīng)安裝在離心泵內(nèi)部，無法獲取其中間控制參數(shù)，如相位角，速度控制誤差等；因此要求在測試系統(tǒng)內(nèi)部包含電機驅(qū)動單元，來實現(xiàn)對受測離心泵的驅(qū)動控制。該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由測試及控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

微控制器采用的是STM32F407ZGT6，基于ARM Cortex-M4的高端系列芯片，其工作頻率最高可達(dá)168 MHz，相對于STM32F103系列具有更豐富的資源，更強大的數(shù)據(jù)處理能力和更高速率的運算功能。該控制器還具有192 kB的內(nèi)部SRAM和1 024 kB的FLASH，并具有強大的外設(shè)配置，如DMA、PWM、ADC、FSMC等，可以省去復(fù)雜的外圍電路設(shè)計。

測試及控制模塊由離心泵、單片機、傳感器和電子電路組成[7-8]。單片機在測試系統(tǒng)中完全處于被動工作狀態(tài)，只有當(dāng)其接收到正確的上位機控制命令后，才會進(jìn)行相應(yīng)的操作，否則不停地循環(huán)監(jiān)測串口信息。繼電器控制電路采用IO口驅(qū)動三極管繼而控制繼電器通斷的方式，分別控制水泵的供電信號和使能信號，實現(xiàn)對水泵的啟停。繼電器采用的是HF161F-12H/T，其機械壽命可達(dá)200萬次，電氣壽命10萬次，完全達(dá)到水泵壽命測試次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動電路實現(xiàn)離心泵電機的換向和轉(zhuǎn)速調(diào)控；接口電路則將傳感器或隔離器輸出的信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，方便單片機進(jìn)行AD采樣；電源電路負(fù)責(zé)整套測試系統(tǒng)的供電。

數(shù)據(jù)處理模塊主要是通過上位機對整個測試的流程進(jìn)行控制，即通過讀取用戶在上位機界面輸入啟停的相關(guān)參數(shù)，包括啟停的時間和次數(shù)等，根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)，每隔一段時間就通過串口向下位機發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為控制命令，直到測試流程結(jié)束。同時，上位機還需要對下位機通過串口發(fā)來的反饋信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、計算處理和管理，實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)的實時顯示、繪制性能曲線圖和測試結(jié)果的保存、查詢等功能[9-10]。

2 硬件設(shè)計

2.1 離心泵電源及使能控制電路

離心泵的啟動需要同時擁有供電和使能兩個信號，使能信號的控制采用光耦PC817，控制端接單片機的IO口，輸出端接使能電壓Vp，起到很好地隔離控制作用。其電路圖如圖2所示。

圖2 使能信號控制電路圖

供電信號控制電路如圖3所示，電源信號的控制采用兩觸點常開繼電器，工作電壓為12 V，因為單片機IO口的電流過小無法使繼電器吸合，所以該電路使用三極管驅(qū)動。主電路上離心泵的供電電壓Vp約為(即使能電壓)12 V，工作電流最大可達(dá)15 A，選取的繼電器耐壓250 V,容許最大電流20 A，符合電路的需求。

圖3 供電信號控制電路圖

2.2 基于反電動勢的過零檢測

離心泵電機要持續(xù)運轉(zhuǎn)，需要換相點提供給單片機；而對電機速度的控制也需要系統(tǒng)能夠反饋實時的轉(zhuǎn)速。這些關(guān)鍵信息的獲取采用基于反電動勢的過零檢測法來實現(xiàn)。驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用常用的三相全橋電路，結(jié)合本系統(tǒng)的需要，水泵工作時最大母線電壓為16 V，最大母線電流為15 A。開關(guān)管選擇型號為STF140N6F7的MOS管，該MOS管的漏級導(dǎo)通最大電流為70 A，最大漏源級電壓為60 V，滿足設(shè)計要求。三相全橋功率電路如圖4所示。

圖4 三相全橋功率電路

利用離心泵電機每刻都只有兩相導(dǎo)通的原理，檢測懸空相的反電動勢過零點，從而檢測出轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置，然后利用STM32控制器輸出相應(yīng)的PWM信號進(jìn)行換相控制。已知電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，開關(guān)管有6種工作狀態(tài)，因此需要換相6次。而每相的定子繞組的反電動勢在每個周期都有兩個過零點，每個過零點都超前該換相點30度。在每次檢測到懸空相的過零點后，延遲一定時間，就是該懸空相對應(yīng)開關(guān)管的導(dǎo)通時刻。

離心泵電機的反電動勢是很難直接進(jìn)行測量的，因此本實驗采用檢測三相的各端電壓，也就是圖4的OUTU、OUTV、OUTW信號。然后在相應(yīng)的PWM時刻采樣懸空相的端電壓進(jìn)而求出反電動勢過零點。本系統(tǒng)采用H_PWM-L_ON的控制方案，即上橋臂是PWM導(dǎo)通，下橋臂保持恒通的狀態(tài)。在此方式下，以VT1和VT6導(dǎo)通為例，分別控制VT1開關(guān)管的PWM波的高電平和低電平的情況下，分析其懸空相的端電壓與其繞組反電動勢的關(guān)系。當(dāng)VT1的PWM為高電平和VT6恒導(dǎo)通時，電路的狀態(tài)如圖5所示。

圖5 充電狀態(tài)

此時開關(guān)管VT1和VT6都導(dǎo)通，即電路的A、B相導(dǎo)通，虛線箭頭為電流的方向，此時可列出懸空相C相的微分方程為：

(1)

式中:UC為懸空相C相的端電壓；ec為反電動勢；Un為中性點電壓；R3為線圈的電阻；L3為線圈的電感；i為線圈的電流。因為此時C相未導(dǎo)通，所以線圈電流為零，可得：

UC=ec+Un

(2)

忽略VT1和VT6導(dǎo)通管壓降的情況，可得中性點電壓為：

Un=Us/2

(3)

其中,Us為母線電壓，將式(3)代入式(2)可得懸空相C相的端電壓表達(dá)式：

UC=ec+Us/2

(4)

當(dāng)VT1的PWM為低電平和VT6恒導(dǎo)通時，電路的狀態(tài)如圖6所示。

圖6 放電狀態(tài)

此時VT1管關(guān)斷而VT6還是處于恒通的狀態(tài)，虛線箭頭為電路的電流流向，AB兩相的電感開始放電，通過二極管D4續(xù)流，根據(jù)圖6可得出中性點電壓為：

Un=-Vd/2

(5)

式中,Vd為二極管D4的正向?qū)▔航怠?/p>

根據(jù)式(2)可以得出懸空相C相的端電壓與其反電動勢的關(guān)系表達(dá)式為：

UC=ec-Vd/2

(6)

一般來說，二極管的管壓降會很小，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以近似認(rèn)為：

UC=ec

(7)

此時C相的端電壓可以準(zhǔn)確反映反電動勢信號，因此綜合上面兩種情況，可以在上橋臂開關(guān)管PWM為低電平時，采集懸空相的端電壓，當(dāng)端電壓過零點時，即可認(rèn)為是反電動勢過零點的時刻。通過這種方法就可以判斷每次啟停，離心泵的換向是否準(zhǔn)確以及是否有漏換向的情況出現(xiàn)。

2.3 壓力傳感器信號處理

測試系統(tǒng)中，離心泵的進(jìn)出水口壓力是利用壓力傳感器檢測，但是該器件的輸出信號為4～20 mA，因此需要將這種信號轉(zhuǎn)變成單片機AD可以采集的信號，采用型號為RCV420的電流環(huán)路接收器，可以將4～20 mA的輸入信號轉(zhuǎn)換為0～5 V輸出，然后經(jīng)過分壓，將電壓信號轉(zhuǎn)換到AD接口容許的范圍內(nèi)，運放OPA2376可以起到很好的隔離保護(hù)作用，最終送入單片機的AD模塊進(jìn)行采樣，從而獲取離心泵的進(jìn)出水口壓力。

2.4 離心泵電壓電流檢測電路

為了防止系統(tǒng)過流，離心泵測試系統(tǒng)具有實時采集電機母線電流的功能，只要超過閾值，就會立即軟件復(fù)位。電流傳感器LA25-NP，轉(zhuǎn)換比例為1/1 000，輸出端配一個100 Ω的采樣電阻，即15 A對應(yīng)的采樣電壓是1.5 V，超出該門限值，測試系統(tǒng)立即復(fù)位，其檢測電路如圖7所示。

圖7 離心泵電流檢測電路

離心泵運行時，要求電壓穩(wěn)定，電壓的大幅波動會對離心泵的電機有嚴(yán)重的損耗，因此測試系統(tǒng)會實時對離心泵的工作電壓進(jìn)行檢測。具體實現(xiàn)是將離心泵電壓信號分壓至合適值，再經(jīng)過型號為AMC1311的隔離式精密放大器，該器件具有很好的隔離以及抗干擾的作用。最后利用運放OPA376進(jìn)行差分放大，進(jìn)一步濾除干擾，得到精確的電壓值。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控程序設(shè)計

主控程序流程如圖8所示，本系統(tǒng)采用C語言編程，下位機開發(fā)軟件為Keil uVision5,上位機開發(fā)軟件為Microsoft visual studio 2010，下位機程序包括：系統(tǒng)初始化、IO口初始化、AD轉(zhuǎn)換模塊初始化、PWM模塊初始化、USART串口通信初始化、換相程序、雙閉環(huán)PID控制程序等；而上位機程序主要是對離心泵運行模式參數(shù)的配置，包括循環(huán)啟停的次數(shù)，加減速運行的時間，以及相關(guān)測試信息的顯示。

圖8 主控程序流程圖

3.2 參數(shù)配置模塊

在離心泵啟停耐久測試開始之前，首先在上位機界面中設(shè)置離心泵的關(guān)鍵性能參數(shù)，包括對離心泵電壓、電流、揚程、流量、效率等參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的閾值。當(dāng)測試開始后，某項數(shù)據(jù)超出這個設(shè)定的范圍，意味著產(chǎn)品出現(xiàn)了質(zhì)量問題。其次是需要給測試系統(tǒng)配置相關(guān)的執(zhí)行信息，包括啟停時間、加減速時間以及循環(huán)次數(shù)等。

4 測試流程與實驗結(jié)果分析

整個測試過程可以分為準(zhǔn)備階段、測試流程階段和數(shù)據(jù)顯示階段。準(zhǔn)備階段主要是準(zhǔn)確無誤地連接好整個離心泵啟停耐久測試臺的電氣線路，在上位機界面設(shè)置好相應(yīng)的串口以及相關(guān)的測試參數(shù)等信息。測試流程階段，上位機向下位機發(fā)送啟停、加減速時間等數(shù)據(jù)，命令下位機控制離心泵進(jìn)行相應(yīng)的動作。離心泵運轉(zhuǎn)期間會實時地監(jiān)測一些需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，而最后的數(shù)據(jù)顯示階段就是上位機會將接收到的這些數(shù)據(jù)實時顯示在界面中。測試流程界面如圖9所示。

圖9 上位機測試流程界面圖

針對本實驗采用的離心泵，對于每一次的啟停耐久測試，判斷依據(jù)是離心泵電壓8～16 V，電流不超過15 A，轉(zhuǎn)速誤差為±50 r/min，效率大于30%，離心泵電機無漏換向。同時滿足上述條件即判斷該次檢測為產(chǎn)品正常，否則為異常，試驗的啟停次數(shù)為500次，測試結(jié)果界面如圖10所示。

圖10 測試結(jié)果界面圖

5 結(jié)論

筆者基于STM32F4系列ARM微控制器為硬件設(shè)計主線，綜合繼電器控制、串口通信、電流檢測和MFC上位機界面多個模塊，完成了對汽車電子離心泵的自動化啟停耐久測試，實現(xiàn)了智能設(shè)置啟停模式、醒目顯示測試狀態(tài)和捕捉離心泵性能測試參數(shù)、串口收發(fā)和處理數(shù)據(jù)等功能。該測試系統(tǒng)的研制對模擬汽車電子離心泵日常的啟停模式、加快測試效率以及減少測試所耗費的人力有重要意義。