王中陶，任天平

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

金剛石是目前已知硬度最高的材料。采用電鍍的方法給金剛石表面鍍上一層金屬，能夠賦予金剛石許多新的特性，可以提高金剛石的強(qiáng)度、金剛石與基體的界面結(jié)合能力、隔氧保護(hù)、改善金剛石與基體的物理化學(xué)性能，還能提高金剛石工具的耐磨性和切削能力[1]。但是目前的金剛石電鍍?cè)O(shè)備仍然存在弊端，最致命問(wèn)題就是在鍍鎳的整個(gè)過(guò)程中，反應(yīng)溶液的pH值不斷變化，從而極大的影響鍍鎳速度，并且使得金剛石表面鍍層極不均勻，甚至?xí)霈F(xiàn)鍍層裸露現(xiàn)象，更甚者會(huì)出現(xiàn)鍍層脫落的現(xiàn)象[2]，這極大的影響金剛石的表面鍍層質(zhì)量。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)金剛石鍍鎳工藝中溶液pH值的控制研究不多，常見(jiàn)的方法是運(yùn)用兩個(gè)調(diào)節(jié)閥加一個(gè)pH值檢測(cè)儀表進(jìn)行溶液pH值的檢測(cè)和調(diào)節(jié)，此方法很難達(dá)到定量的控制，且無(wú)人機(jī)交互界面。因此設(shè)計(jì)一個(gè)基于android的電鍍液pH值恒定控制系統(tǒng)迫在眉睫。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Hardware Structure of the System

圖2 系統(tǒng)的控制原理Fig.2 The Principle of Controlling System

金剛石電鍍液pH值恒定控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、android上位機(jī)、pH值采集模塊、按鍵控制模塊、電源模塊以及蠕動(dòng)泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的控制原理，如圖2所示。通過(guò)android上位機(jī)設(shè)置電鍍液的恒定pH值，控制器通過(guò)RS485通訊讀取pH值采集模塊的實(shí)時(shí)pH值，然后比較其偏差并且得到偏差的變化率，最后通過(guò)多模態(tài)PID和增量式PID的算法計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要的運(yùn)動(dòng)位移和脈沖頻率，以驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)加堿液的速度和劑量。當(dāng)溶液pH值小于設(shè)定值的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵加堿以增大電鍍液的pH值，當(dāng)溶液pH值達(dá)到設(shè)定值允許誤差范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)不再驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵進(jìn)行加堿液的動(dòng)作。因?yàn)檎麄€(gè)電鍍過(guò)程中溶液pH值向酸性方向進(jìn)行的，所以當(dāng)溶液pH值大于設(shè)定值時(shí)，該系統(tǒng)不做任何動(dòng)作。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

金剛石電鍍液pH值恒定控制器以STM32F103作為微核心控制芯片，主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電鍍液pH值采集部分、RS232和RS485通訊部分及android上位機(jī)人機(jī)交互界面部分。

3.1 PH采集部分

電鍍液pH采集部分主要采用PHG-1103智能工業(yè)pH計(jì)和pH傳感器。該系統(tǒng)的pH傳感器采用復(fù)合型的玻璃電極，且傳感器由氫離子玻璃電極和參比電極構(gòu)成。當(dāng)傳感器的氫離子玻璃電極和電鍍液接觸時(shí)，玻璃電極水化層內(nèi)部的Na+和電鍍液的H+進(jìn)行一個(gè)離子交換運(yùn)動(dòng)，這個(gè)交換運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)將在水化層兩側(cè)形成一個(gè)電位差，該電位差大小與溶液的H+的活度有關(guān)。而傳感器的參比電極具有固定的電位。在整個(gè)系統(tǒng)中玻璃電極和參比電極組成一個(gè)原電池系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量原電池系統(tǒng)的電勢(shì)差即可測(cè)量出電鍍液的pH值。最后控制器通過(guò)RS485通訊讀取PHG-1103智能工業(yè)pH計(jì)采集的實(shí)時(shí)pH值。

為了減小現(xiàn)場(chǎng)外界因素對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，RS485通訊采用帶屏蔽的雙絞電纜。

3.2 RS485通訊和RS232通訊部分

RS485通訊電路，如圖3所示?？刂破魍ㄟ^(guò)RS485總線與PHG-1103智能工業(yè)pH計(jì)通訊，通訊協(xié)議采用的是MODBUS協(xié)議的RTU模式[3]?？刂破髯鳛橹鞑粩嗟淖x取叢機(jī)PHG-1103智能工業(yè)pH計(jì)采集保存的溶液pH實(shí)時(shí)值?？偩€收發(fā)器采用65LBC184，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)光耦隔離的方式將控制器與PHG-1103隔離，在A/B線上加上27Ω電阻，起到阻抗匹配的作用。A/B線上并入4個(gè)單向瞬態(tài)抑制二極管，將A/B線上的電壓鉗位在（0～5）V，保護(hù)芯片引腳不會(huì)被瞬時(shí)的高壓燒壞。

圖3 RS485通訊電路Fig.3 Communication Circuit of RS485

RS232通訊電路，如圖4所示。選用MAX232作為232電平轉(zhuǎn)換芯片。該電路采用的3.3V單電源供電，通訊協(xié)議也采用MODBUS協(xié)議的RTU模式。但是在控制器端串入了一個(gè)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，使得控制器和Android上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊，一定程度上避免了對(duì)android平板進(jìn)行改造。

圖4 RS232通訊電路Fig.4 Communication Circuit of RS232

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行必須滿足一定的初始速度、停止速度、最大加速度和電流等參數(shù)，以避免丟步和過(guò)沖。本人設(shè)計(jì)了基于TB6600的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可實(shí)現(xiàn)多種細(xì)分方式且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)衰減模式，驅(qū)動(dòng)電流最高能達(dá)到4.5A。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。采用的驅(qū)動(dòng)芯片是TB6600。TB6600是一款單芯片PWM斬波型雙極性正弦步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，它自帶8種不同細(xì)分模式，可實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)，高效率工作。并且內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)。這款芯片采用最新BiCD 0.13工藝，耐壓可高達(dá)50V，峰值電流達(dá)到5A。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Drive Circuit of Stepping Motor

TB6600驅(qū)動(dòng)芯片的工作電流I由其VREF腳的控制電壓Vr和采樣電阻R2、R3阻值R確定，關(guān)系如式（1）所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)IO口的PWM波的占空比，我門可以改變驅(qū)動(dòng)芯片VREF腳的階段電壓達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力?？刂齐妷号cPWM波占空比A的關(guān)系，如式（2）表示。

由式（1）、式（2）得到占空比A與步進(jìn)電機(jī)電流I的關(guān)系如圖（3）表示：

步進(jìn)電機(jī)控制主要采用速度控制模式，該模式分為勻加速階段、勻速階段、勻減速階段三個(gè)階段控制。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)溶液的實(shí)時(shí)pH值和設(shè)定值的關(guān)系采用增量式PID的方法計(jì)算出當(dāng)前情況下，步進(jìn)電機(jī)的需要的理論目標(biāo)速度，然后根據(jù)程序給定的初始速度、初始加速度、初始減速度及剛才計(jì)算出來(lái)的目標(biāo)速度進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)加減速控制。從而控制蠕動(dòng)泵加堿液改變?nèi)芤旱膒H值。

假如將步進(jìn)電機(jī)的加速過(guò)程離散化，將得到該控制的數(shù)學(xué)理論模型。假如步進(jìn)電機(jī)的每一步都看成勻速運(yùn)動(dòng)，即可通過(guò)每一步的轉(zhuǎn)速ω計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的脈沖周期。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的勻加速度為a，則第 i步速度 ωi和第（i-1）步速度 ωi-1關(guān)系可用式（4）、式（5）表示：

位移θ與步進(jìn)電機(jī)步距角A和細(xì)分M相關(guān)。計(jì)算方法，如式（6）所示。

將式（5）、式（6）式代入式（4），得到下一步速度的計(jì)算方法：

根據(jù)式（5）、式（7）可得下一步的脈沖時(shí)間：

得到每一步的脈沖時(shí)間后，控制器程序?qū)崟r(shí)的在定時(shí)器中斷改變定時(shí)器時(shí)基配置以改變步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率，這樣運(yùn)動(dòng)一步計(jì)算一步就能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。最終很好的控制了蠕動(dòng)泵的加堿速度。

3.4 android上位機(jī)部分

android上位機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境為android studio。android上位機(jī)界面，如圖6所示。包括PID參數(shù)設(shè)置界面、藍(lán)牙地址設(shè)置界面、手動(dòng)工作模式界面、溶液目標(biāo)pH值和誤差允許值設(shè)定界面以及溶液pH值實(shí)時(shí)曲線繪制界面。android上位機(jī)以藍(lán)牙的方式和控制器通訊，實(shí)時(shí)的將上位機(jī)的控制信息下發(fā)給控制器，使得控制器按照上位機(jī)的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的工作。在整個(gè)工作過(guò)程中溶液pH值曲線繪制界面將更新采集實(shí)時(shí)的pH值并繪制曲線。通過(guò)觀察和分析溶液pH值實(shí)時(shí)曲線能夠讓我們更好的監(jiān)測(cè)整個(gè)電鍍過(guò)程中溶液的pH值變化情況。并且通過(guò)android上位機(jī)我們可以方便的修改工藝參數(shù)和下發(fā)控制指令，使得生產(chǎn)方便化。人機(jī)交互界面讓金剛石電鍍工藝過(guò)程可視化，這很大程度上保證了金剛石電鍍質(zhì)量。

圖6 android上位機(jī)界面Fig.6 PC Interface of Android

4 系統(tǒng)的控制算法

電鍍液pH值恒定控制系統(tǒng)具有滯后性、實(shí)時(shí)性和非線性。而滯后性系統(tǒng)方面的控制一直是人們公認(rèn)的控制難題[4]。大林算法、最優(yōu)PID算法、Smith預(yù)估控制雖然能一定程度上解決該難題的，但是這些算法都需要精確的數(shù)學(xué)模型，在復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用中難以應(yīng)用[5]。

該系統(tǒng)采用多模態(tài)PID控制和普通的增量式PID單模特控制，程序流程框圖，如圖7所示。該系統(tǒng)能根據(jù)電鍍?nèi)芤旱膒H值采取不同的控制模式。當(dāng)電鍍液實(shí)時(shí)pH值偏差大于設(shè)定誤差值V時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇多模態(tài)控制模式[6]。然而當(dāng)電鍍液實(shí)時(shí)pH值偏差小于設(shè)定誤差值V時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到常規(guī)的的增量式PID控制模式。多模態(tài)控制和常規(guī)的增量式PID控制能夠精確、平穩(wěn)、快速的調(diào)節(jié)該系統(tǒng)。

圖7 系統(tǒng)算法流程圖Fig.7 Diagram of System Control Algorithms

多模態(tài)PID控制通過(guò)利用該系統(tǒng)控制量的偏差e、偏差的一階導(dǎo)數(shù)e˙、偏差的二階導(dǎo)數(shù)e¨，該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的 e、e˙、e¨采用不同的控制模態(tài)。該系統(tǒng)中的多模態(tài)控制方法中包括穩(wěn)態(tài)控制、減速控制、加速控制等。模式識(shí)別和判定如下。

加速過(guò)程中系統(tǒng)誤差及誤差變化率較大，取Ki=0，Kd=0，只采用比列調(diào)節(jié)。在減速過(guò)程中，誤差變化率在減小，宜采用積分和微分調(diào)節(jié)，Kp=0；在穩(wěn)態(tài)控制過(guò)程中，誤差及誤差變化率都較小，系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以只采用積分控制，Kp=0，Kd=0。

多模態(tài)PID控制能夠解決系統(tǒng)中的不同情況，使得系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性較好。并且能很好的解決系統(tǒng)的滯后問(wèn)題、超調(diào)問(wèn)題和系統(tǒng)震蕩問(wèn)題等。其控制算法和增量式PID算法一樣，只是多模態(tài) PID 控制能夠根據(jù)不同用不同的 Kp、Ki、Kd參數(shù)，使得系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制。

本系統(tǒng)滯后時(shí)間τ約為2s，取采樣時(shí)間T=0.5τ=1s。采用實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法[7]調(diào)節(jié)PID 參數(shù)，得到參數(shù)如下：Kp=41，Ki=22，Kd=11。在該參數(shù)下進(jìn)行pH溶液控制的實(shí)際效果，如圖8所示。從圖中可以看出，該溶液的pH值能夠平滑的達(dá)到我們?cè)O(shè)定的設(shè)定值且能夠穩(wěn)定的保持溶液pH值恒定不變。該系統(tǒng)的超調(diào)量小且控制精度能達(dá)到0.1。

圖8 系統(tǒng)實(shí)際控制效果圖Fig.8 Diagram of System Actual Control Effect

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于android的金剛石電鍍液pH恒定控制系統(tǒng)的pH采集部分、android上位機(jī)界面、通訊電路、基于TB6600的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。利用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制算法、多模態(tài)PID控制和增量式PID控制算法很好的控制了溶液pH值達(dá)到設(shè)定值并保持其穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)論證，該系統(tǒng)能夠?qū)⒔饎偸婂円簆H值控制在android平板設(shè)定值的（±0.1）以內(nèi)，且最大超調(diào)量為2%。該系統(tǒng)很好的解決了金剛石電鍍液pH值在整個(gè)電鍍過(guò)程中不穩(wěn)定的問(wèn)題，很大程度上提高了金剛石表面鍍層質(zhì)量。使得金剛石電鍍行業(yè)從定性控制過(guò)渡到定量控制。該系統(tǒng)減少了一線工人的工作量并提高了工作效率，對(duì)金剛石電鍍行業(yè)來(lái)說(shuō)具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。