蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

唐家偉，王志強(qiáng)，王孟

（陜西理工大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

蠕動(dòng)泵所用電機(jī)一般分為直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等幾類。無(wú)感無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）沒(méi)有機(jī)械換向器和電刷，它不僅在結(jié)構(gòu)和功能上保留了有刷直流電機(jī)的優(yōu)秀的特性，還具有比傳統(tǒng)電機(jī)更優(yōu)良的電氣調(diào)試性能，噪音更小，體積更小，可靠性更高，電機(jī)穩(wěn)定性更好，維護(hù)更簡(jiǎn)單。憑借著無(wú)刷直流電機(jī)出色的轉(zhuǎn)矩特性，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。在制藥行業(yè)中用于藥物包衣制粒和藥業(yè)分裝，需要精準(zhǔn)控制灌裝量，為更好地控制流量，設(shè)計(jì)一種無(wú)刷電機(jī)蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式流量、轉(zhuǎn)速控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中必須要求實(shí)時(shí)無(wú)誤地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，根據(jù)位置信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制，根據(jù)對(duì)電機(jī)的PWM控制、PID調(diào)節(jié)等對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制[4-6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

1.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用IR2101S與N溝道MOS方式。IR2101S芯片是半橋驅(qū)動(dòng)，采用上橋跟下橋的驅(qū)動(dòng)方式，也就是一路驅(qū)動(dòng)需要1個(gè)IR2101S和2個(gè)MOS，三路總共需要6個(gè)。U2是IR2101S,Q1，Q2是IRF540NS N溝道MOS，D1,C2組成上橋自舉電路，R1，R11為MOS基極限流電阻［7］。R18為驅(qū)動(dòng)采樣功率電阻，大負(fù)載時(shí)可以更換大功率的，防止電流大時(shí)燒毀。通常用一個(gè)電容和一個(gè)二極管組成的自舉升壓電路，電容存儲(chǔ)電荷，二極管導(dǎo)通和截止作用可以防止電流倒流，在系統(tǒng)頻率相對(duì)較高的時(shí)候，電容電壓就會(huì)和電源電壓相疊加，起到升壓作用。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示：

圖2 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.2 反電勢(shì)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

反電勢(shì)位置信號(hào)檢測(cè)模塊的芯片采用了LM339N芯片，它的響應(yīng)時(shí)間為1.3us，滿足電機(jī)設(shè)計(jì)的控制要求。電路工作原理為：直流電機(jī)A、B、C三相繞組端電壓UA、UB、UC通過(guò)相關(guān)電路（電容濾波電路和電阻分壓電路）傳至LM339N芯片的MA,MB,MC三個(gè)引腳（實(shí)際工作的時(shí)候是六相導(dǎo)通模式中的一種），然后將得到的電壓值與中點(diǎn)的電壓值相比看是否相等，當(dāng)小于中點(diǎn)值時(shí)輸出低電平，當(dāng)相等時(shí)就是要檢測(cè)的過(guò)零點(diǎn)，當(dāng)大于中點(diǎn)值時(shí)輸出高電平，如此便得到三相電機(jī)反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。反電勢(shì)電壓比較電路圖如圖3所示：

圖3 反電勢(shì)電壓比較電路圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32主控芯片的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制、電機(jī)啟停與電機(jī)調(diào)速等。總體軟件設(shè)計(jì)首先是對(duì)端口和定時(shí)器等部分進(jìn)行定義和初始化，然后就是對(duì)電機(jī)啟動(dòng)方法的定義和無(wú)感啟動(dòng)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法定義、換相控制以及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。然后確定是否符合目前電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制要求，初始化完成對(duì)單片機(jī)I/O端口、系統(tǒng)的控制時(shí)鐘、系統(tǒng)內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行初始化。判斷電機(jī)狀態(tài)處于靜止還是運(yùn)行狀態(tài)，掃描按鍵，未做任何按鍵操作時(shí)，B key=0，根據(jù)B key來(lái)判斷當(dāng)按下按鍵2的時(shí)候電機(jī)是啟動(dòng)還是停止，后面的兩個(gè)按鍵則是對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速用的。按鍵統(tǒng)一采用低電平有效。如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

2.1 流速控制設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)按鍵控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變?nèi)鋭?dòng)泵流速，按鍵采用低電平有效。當(dāng)key1按下時(shí)，速度會(huì)按照設(shè)定的步進(jìn)值進(jìn)行累加，根據(jù)該設(shè)定的速度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。當(dāng)key2按下時(shí)，速度會(huì)按照設(shè)定的步進(jìn)值進(jìn)行減小，根據(jù)該設(shè)定的速度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)的PWM調(diào)速是通過(guò)調(diào)幅的方式，改變了傳輸?shù)诫姍C(jī)電樞電壓的幅值達(dá)到電機(jī)調(diào)速，從而控制蠕動(dòng)泵流速［9］。PWM調(diào)速不是調(diào)節(jié)電流的，它是通過(guò)調(diào)節(jié)方波高低電平在一個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間比，比如當(dāng)占空比為20%的時(shí)候，就會(huì)有20%的高電平和80%的低電平。占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，輸出脈沖幅度越高，電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。設(shè)計(jì)采用的STM32內(nèi)部具有高級(jí)定時(shí)器，可以用定時(shí)器模擬PWM調(diào)速，通過(guò)程序執(zhí)行軟件延時(shí)程序交替改變端口某個(gè)二進(jìn)制輸出邏輯狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間得到不同的占空比。流速控制流程圖如圖5所示：

同時(shí)，按照《綠色生態(tài)城區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51255—2017）中關(guān)于綠色建筑的評(píng)價(jià)要求2），為高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模化推動(dòng)綠色建筑發(fā)展，擬在廣州市選擇5個(gè)具備一定規(guī)模、二星級(jí)潛力較大區(qū)域作為綠色生態(tài)示范區(qū)的試點(diǎn)（圖9），包括中新廣州知識(shí)城南起步區(qū)、廣州國(guó)際創(chuàng)新城南岸起步區(qū)、廣州空港經(jīng)濟(jì)區(qū)起步區(qū)、廣州南沙新區(qū)明珠灣區(qū)起步區(qū)和海珠中央創(chuàng)智島。

圖5 流速控制流程圖

3 實(shí)際測(cè)試與分析

電路正常工作電壓為24V，最大工作電流10A。通過(guò)PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)以及調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，整體電路部分和反電勢(shì)檢測(cè)電路部分。用稱重式測(cè)量，將容器放在安裝有稱重傳感器的裝置上，在檢查之前需要將質(zhì)量數(shù)據(jù)清零。啟動(dòng)蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)，設(shè)定流速分為慢速（10ml/min)和中速（50ml/min)，以及快速(100ml/min)。控制水流流入容器，稱重傳感器將采集到液體質(zhì)量。記錄液體質(zhì)量和時(shí)間，并依此數(shù)據(jù)計(jì)算流速，蠕動(dòng)泵流速如表1所示：

表1 蠕動(dòng)泵流速測(cè)量結(jié)果表

經(jīng)過(guò)測(cè)試，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以看出，在三種不同的灌注速度下，測(cè)量誤差都小于1%。達(dá)到精準(zhǔn)控制流速的目的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)STM32主控實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制電機(jī)啟停與調(diào)速調(diào)整實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)泵灌注液體流速及流量控制。通過(guò)實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，流速及流量控制準(zhǔn)確，流速控制測(cè)量最大誤差小于1%。該系統(tǒng)傳輸實(shí)用性較好，相對(duì)已有的同類設(shè)備系統(tǒng)噪聲小，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。