劉敬喜，王 敏

（1.山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司 山東 濟(jì)南 250100；2.山東天宇科技有限公司 山東 濟(jì)南 250061）

深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉敬喜1，王 敏2

（1.山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司 山東 濟(jì)南 250100；2.山東天宇科技有限公司 山東 濟(jì)南 250061）

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(yàn)裝置，在對(duì)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(duì)壓力的閉環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動(dòng)電路、以Max7219為核心的顯示電路，設(shè)計(jì)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(jìn)行了相應(yīng)的軟件編制，實(shí)現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合，以滿足不同場(chǎng)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(shí)還具有節(jié)能的效果。

深海環(huán)境；模擬試驗(yàn)裝置；壓力控制；電路設(shè)計(jì)

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對(duì)該環(huán)境下進(jìn)行的生物成礦作用、生命起源等的問(wèn)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(jī)制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對(duì)地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科研究具有重大的意義[1]。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(jìn)行觀察與研究，需要在實(shí)驗(yàn)室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)配合相關(guān)科學(xué)研究。

針對(duì)深海環(huán)境的特殊性，開(kāi)發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗(yàn)裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設(shè)計(jì)及控制軟件開(kāi)發(fā)中的相關(guān)問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)組成

1.1 設(shè)計(jì)要求

研究工作以及要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下:

l）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(duì)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(duì)壓力、流量實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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)[2]，及其監(jiān)測(cè)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(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，功能切換可以通過(guò)截止閥的開(kāi)或關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)及控制。整個(gè)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(shè)計(jì)，其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機(jī)選用調(diào)速性能好、體積小、效率高的三相無(wú)刷直流電機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)價(jià)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(jī)為核心的控制系統(tǒng)。工作時(shí)，傳感器把檢測(cè)到的管路壓力及負(fù)載轉(zhuǎn)速反饋到單片機(jī)，進(jìn)一步去觸發(fā)由PI構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，以PWM方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)帶動(dòng)油泵工作提供連續(xù)可調(diào)的壓力源。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Diagram of system structure

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(dòng)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(hào)處理后送專用驅(qū)動(dòng)芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運(yùn)用增量式PI算法，得到PWM控制信號(hào)，經(jīng)光電耦合電路驅(qū)動(dòng)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；同時(shí)單片機(jī)還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓等故障時(shí)單片機(jī)將封鎖PWM輸出信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過(guò)LED電路顯示故障。考慮到應(yīng)用的場(chǎng)合不同，對(duì)控制系統(tǒng)的需求也不同，本文設(shè)計(jì)各功能部件時(shí)考慮相互獨(dú)立性并保留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Whole block diagram of the control system hardware

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由Atmega8L單片機(jī)[3-4]、PWM信號(hào)產(chǎn)生及處理電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、隔離電路及接口電路組成。

2.1.1 PWM信號(hào)產(chǎn)生及處理電路設(shè)計(jì)

在本控制系統(tǒng)中，主要是利用ATmega8L內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生定頻調(diào)寬的PWM波信號(hào)來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[5]。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(jìn)行處理才能得到所想要的輸出信號(hào)，處理電路如圖3所示。

2.1.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖3 PWM處理電路Fig.3 Processing circuit of the PWM

本文采用Allegro公司的ACS712集成芯片擴(kuò)展外圍電路進(jìn)行測(cè)量。ACS712由霍爾元件、霍爾電流驅(qū)動(dòng)元件、偏差調(diào)整電路、信號(hào)恢復(fù)電路、信號(hào)放大電路組成，具有價(jià)格低、精度高、絕緣性能好等特點(diǎn)。電流檢測(cè)電路如圖4所示。ACS712在電流為零時(shí)7腳Vo輸出2.5 V，故設(shè)計(jì)了一個(gè)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(kāi)始線性變化；為提高電阻分壓帶負(fù)載能力，既使2.5 V電壓不隨后級(jí)電路影響，這里采用了一級(jí)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：

將 Ui2=2.5 V、Ui1=2.5+Ui帶入式（1）可得：

最后將Ui=0.185I代入式（2）可得：

圖4 電流檢測(cè)電路Fig.4 Circuit of current detection

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(jī)的工作電流，應(yīng)用此電流可以對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制及過(guò)流保護(hù)。

2.1.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速檢測(cè)對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)霍爾IC輸出位置信號(hào)，無(wú)刷直流電機(jī)每轉(zhuǎn)一周輸出12個(gè)脈沖FG信號(hào)，但這些脈沖信號(hào)干擾比較大，不能直接被ATmega8L處理，所以必須對(duì)脈沖FG信號(hào)進(jìn)行濾波提取。如圖5所示，由于驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)路輸出，所以電路加了上拉電阻R11。FG信號(hào)諧波比較多，設(shè)置C4起到濾波的作用，其值大小比較難確定，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整。FG信號(hào)通過(guò)P521在3腳產(chǎn)生一個(gè)比較穩(wěn)定、無(wú)諧波的FG’信號(hào)，其中C5不能選用過(guò)大，否則FG’信號(hào)會(huì)失真，以致ATmega8L識(shí)別不出來(lái)。ATmega8L內(nèi)部Timer1具有16位的輸入捕捉單元，通過(guò)外部引腳ICP1來(lái)捕捉外部事件。讀取ICR1時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速。

隔離電路是為了避免驅(qū)動(dòng)電路及其接口電路受強(qiáng)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(yùn)行。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路Fig.5 Circuit of rotational speed test

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是主控電路與無(wú)刷直流電機(jī)之間的橋梁，本控制系統(tǒng)采用日立公司的專用集成無(wú)刷直流控制芯片ECN30206。ECN30206專用集成無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)。ECN30206驅(qū)動(dòng)芯片由內(nèi)部自帶6個(gè)全橋IGBT開(kāi)關(guān)管（上橋臂和下橋臂）及每個(gè)IGBT都帶保護(hù)的續(xù)流二極管，用于3個(gè)上橋臂電壓提升的電荷泵電路、無(wú)刷直流電機(jī)方向控制電路，為ECN30206驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生時(shí)鐘的聲表面波產(chǎn)生電路、PWM產(chǎn)生電路、三相非配器、過(guò)流及欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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(duì)照的值來(lái)合理分配各個(gè)橋臂的通斷狀態(tài)。根據(jù)ECN30206集成驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部原理分析和霍爾開(kāi)關(guān)芯片的工作原理可以設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 6[6]所示。

圖6 ECN30206驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Drive circuit of the ECN30206

該系統(tǒng)采用的是4對(duì)磁極的無(wú)刷直流電機(jī)，所以一個(gè)機(jī)械角為90°，電導(dǎo)通角為30°，因而3個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)集成芯片EW632需每隔30°放一個(gè)，以檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置。3片EW632輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 位置信號(hào)與開(kāi)關(guān)管狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Correspondence between position signals and switch status

1）內(nèi)部PWM各項(xiàng)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：

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(dāng)VSP的值小于聲表面振蕩器幅值的最小值Vsawl時(shí)，PWM占空比為0%，所有的IGBT管都將關(guān)閉；當(dāng)VSP的值大于聲表面振蕩器的最大值VsawH時(shí)，PWM占空比為100%；當(dāng)VsawL≤VSP≤VsawH時(shí)占空比P與VSP的大小成線性：

因此只需改變VSP的大小就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行線性無(wú)極調(diào)速。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)的確定

泵站采用的無(wú)刷直流電機(jī)有4對(duì)磁極，電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)為12個(gè)脈沖。

3）電荷泵外部電路參數(shù)確定

為了打開(kāi)橋臂IGBT功率驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，必須先提升門(mén)極電壓才能打開(kāi)，ECN30206內(nèi)部有電荷泵電路，用戶只需設(shè)定外部電路各器件參數(shù)即可。電容的大小決定了充電時(shí)間，即決定了IGBT驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)的時(shí)間，因此不能過(guò)大，否則打開(kāi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成事故，這里電容都選為1 μF。

4）負(fù)壓及過(guò)流保護(hù)

當(dāng)ECN30206檢測(cè)到VCC引腳電壓小于12 V時(shí)所有的IGBT功率驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，直到VCC大于12 V時(shí)才恢復(fù)正常工作。

電流保護(hù)是通過(guò)在下橋臂IGBT串接電阻到地GL分壓反饋到ECN30206內(nèi)部過(guò)流電壓比較器實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部過(guò)流電壓比較器參考電壓Vref為0.5 V，這里設(shè)定最大電流值Imax為1 A，則Rs的值為：

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(dòng)電路穩(wěn)定及提高抗干擾性，必須對(duì)各引腳進(jìn)行處理，在引腳上適當(dāng)?shù)募由侠娮杌蛳吕娮瑁诟咻斎胱杩沟囊_處加上高頻旁路電容以消除高輸入阻抗引腳對(duì)高頻噪音的敏感性。

2.3 RS485顯示電路及通信接口電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用美國(guó)MAXIM（美信）公司的MAX7219驅(qū)動(dòng)芯片做LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)8個(gè)8段數(shù)字LED顯示器，顯示永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(kuò)展一RS485接口驅(qū)動(dòng)芯片即可以進(jìn)行通信，這里系統(tǒng)采用的是MAXIN公司的MAX487作為驅(qū)動(dòng)芯片，在具體應(yīng)用時(shí)將芯片的RE和DE兩個(gè)使能端接在一起，使MAX487處于某一確定的狀態(tài)，同時(shí)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(jiàn)的通用電路，由于篇幅有限這里不做詳細(xì)介紹。

3 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行軟件編制工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)具體體現(xiàn)了系統(tǒng)的技術(shù)要求，是整個(gè)系統(tǒng)控制規(guī)律的邏輯實(shí)現(xiàn)。

本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)系統(tǒng)，即系統(tǒng)由一個(gè)死循環(huán)程序加多個(gè)中斷服務(wù)子程序組成，任務(wù)比較多時(shí)，用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,提高單片機(jī)CPU的使用率。主程序由系統(tǒng)初始化轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)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(wù)；中斷程序主要對(duì)中斷時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)并通知主程序進(jìn)行相應(yīng)處理，完成必要的實(shí)時(shí)性功能，從而節(jié)省CPU的時(shí)間，使程序各部分功能可靠地運(yùn)行；中斷程序主要用來(lái)串行中斷接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值、定時(shí)中斷檢測(cè)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(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，控制系統(tǒng)采用PID算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制[7]。確定PID算法的各參數(shù)后，用Atmega8L單片機(jī)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，在程序中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量存放用戶設(shè)定轉(zhuǎn)速值、當(dāng)前轉(zhuǎn)速值、前次誤差值、當(dāng)前誤差值、累計(jì)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(shí)器T2的PWM波占空比從而改變VSP電壓值的大小實(shí)現(xiàn)閉環(huán)

轉(zhuǎn)速控制，其中隨著采樣次數(shù)的增加，累計(jì)誤差也將會(huì)飽和溢出，所以必須進(jìn)行抗飽和處理。

3.2 聯(lián)機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置可以通過(guò)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(dòng)器輸入電壓VSP；也可以通過(guò)控制系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)RS485總線通信實(shí)現(xiàn)，直接由上位機(jī)發(fā)送速度值，通過(guò)上位機(jī)還可以根據(jù)不同型號(hào)的電機(jī)設(shè)定不同的電流保護(hù)值，同時(shí)控制系統(tǒng)可以將運(yùn)行及故障信息反饋給上位機(jī)，供上位機(jī)參考。

4 結(jié) 論

1）采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動(dòng)電路、以Max7219為核心的顯示電路，三部分相互獨(dú)立，可單獨(dú)選用，滿足不同場(chǎng)合的需求，又可組成一閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2）設(shè)計(jì)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(shí)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。

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Design of pressure control system for deep-sea environment simulator

LIU Jing-xi1，WANG Min2
（1.Shandong Top Hydraulic&Pneumatic Co.Ltd.,Jinan250100,China；2.Shandong Tianyu Science and Technology Co.Ltd.,Jinan250061,China）

In order to simulate the deep-sea high-pressure environment,a testing device which can simulate the deep-sea environment was designed.Based on the analysis of its control system,a closed-loop control strategy of pressure was proposed.Hardware circuit of the constant-frequency variable-speed control system was designed.Its main control circuit used Atema8L,a single-chip microcomputer,as the core.ECN30206 was used in the drive circuit as the core,and Max7219 was used in the display circuit as the core.The various parts of the hardware circuit can be individually used to meet different needs.This system not only can improve the accuracy of pressure adjustment significantly,but also has energy-saving effect.

deep-sea environment； simulation testing device； pressure control； circuit design

TP302.7

A

1674－6236（2012）04-0084-04

2011-12-19 稿件編號(hào)：201112112

國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201105031-4）

劉敬喜（1966—），男，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師。研究方向：液壓氣動(dòng)技術(shù)。