增压供水流量配比柔性控制电气系统设计与开发(3)

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关调试器的功能和使用方法。

第6章：对方案的硬软件的不足之处提出修改的意见和建议。

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2 方案总体论证与设计

2.1 需求分析

增压供水流量配比系统负责向二次增压水泵供水，供水来源有两个，一个是

自来水管网中的水，另一个是水箱中的水。如何准确、实时分配管网水和水箱水的流量比例是要解决的最核心的问题。机械部分上使用射流泵这种结构形式，如图2.1所示，电机通过蜗轮蜗杆带动阀芯运动，从而调节自来水管网的进水流量大小，当管网进水流量小时，二次增压水泵会更多地抽取水箱水以满足用户用水；否则，反之。这样就达到了流量配比的目的。

阀芯 蜗轮蜗杆 电机

图2.1 增压流量配比系统机械结构图

为了准确控制管网水和水箱水的流量比例，电气系统需要能够实时测量管网

和水箱流量的大小，并根据上位机PLC的控制要求驱动电机完成流量调节。根据合作公司的要求，电气系统还需要具有足够的柔性，可以实现流量的连续调节，以减少流量脉动和引起的能量损失。

由此，我们得出增压供水流量配比控制系统的具体技术要求如下： (1) 能够精确测量管网水和水箱水流量； (2) 能够与上位机进行可靠通讯； (3) 调节阀芯往复移动幅度可调； (4) 调节阀芯往复移动速度可调。 根据客户要求，本控制系统技术指标如下:

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(1) 系统有2路模拟量输入测量流量大小，流量测量精度?1%；

(2) 系统有6路PWM输出控制电机，电机转速在900rpm?1500rpm之间连续可调；

(3) 系统可以实现流量0?100%的连续平滑调节，流量调节精度?1%； (4) 阀芯最大行程为93.3mm，位移精度为?1mm。

2.2 关键器件或方案选择

2.2.1 拖动电机选择

在工业生产的各个领域，电机都是许多电力拖动系统必不可少的动力源。电

机选择的正确与否直接关系到机电产品控制效果的好坏，所以电机的选择是十分重要的。增压流量配比控制系统对于电机的要求是工作可靠，运行平稳，调速连续，以减少流量调节过程中的脉动和能量损失。相比于交流电机来说，直流电机启动力矩大、运行平稳、调速简单，可以满足系统要求，所以我们选用直流电机。直流电机又分为有刷直流电机和无刷直流电机，有刷直流电机采用机械换向，寿命短、噪声大、易产生电火花，效率低，长期使用碳刷磨损严重，较易损坏，所以有刷直流电机连续使用一段时间就要更换电机内碳刷，维护成本高；无刷直流电机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无换向磨损，无电火花，免维护且能做到更加密封，体积小、效率高，调速范围大，在技术上优于有刷直流电机[18]。

从价格上讲，无刷直流电机是要比有刷直流电机贵一些，但是我们可以获得

更好的使用性能和功率体积比，而且无刷电机的价格相对于整个增压流量配比系统的成本来说所占比例并不大，是可以接受的。

STM32 MCU本身自带有可以产生6路带死区时间互补的PWM的高级定时器[21]，

这为无刷电机的控制提供了很大的方便。而且关于STM32 MCU控制无刷电机的例程也可以在ST公司提供的电机手册中找到，其中提供了很多模块化的程序，这也为我们进行无刷电机控制器的开发提供了方便，基于以上原因我们决定选用无刷直流电机作为增压流量配比系统的执行部件。

由于无刷电机需要直流电源，而上位机PLC所能提供的电源一般是24V直流

电压；同时经过计算，本项目所需电动机的功率为25W，所以最后选择额定功率为25W，额定电压为24V的57BL52-212型无刷直流电机。

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2.2.2 无刷电机的调速方案

（1）无刷电机的工作原理

无刷直流电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁

同步电动机本体和转子位置传感器三者共同组成的“电子电动机系统”[18]，其原理如图2.2所示。

直流电源开关电路电动机霍尔传感器图2.2 无刷电机原理框图

DC+电机PWM1PWM3PWM5DC-PWM2PWM4PWM6霍尔传感器开关电路

图2.3 无刷电机主要组成部分示意图

无刷直流电机的主要组成部分有电动机本体、位置传感器与电子开关等3部分，如图2.3所示。电源部向三相绕组线圈也就是定子供电。固定的磁场是不能带动转子转动的，所以一定要采用某种方式来使三相绕组线圈以一定顺序依次导 通，从而产生沿一定方向变动的磁场，带动转子旋转。这就是换相的作用。顾名思义，无刷直流电机不使用电刷换相，而是采用电子换相。通常，用3个霍尔传

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感器来检测转子位置，通过检测这些传感器的不同输入信号来换相。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁铁产生的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子绕组所产生的磁场和在转动中转子磁铁所产生的永磁磁场，在空间始终保持在90?左右的电角度，这样电机转子就可以稳定的转矩沿着某一方向不停旋转。当电动机需要反向旋转时，只要将电流反向即可。这就是无刷电机的工作原理。

（2）无刷电机调速方案

电动机的速度和转矩取决于电机绕组所产生磁场的强度，磁场的强度又取决于流经每个绕组的电流大小。因此，调整绕组电压（或电流）可以改变电机速度。

调整绕组电压的方式有多种，在这里我们采用的是广泛应用在直流电机数字控制上的PWM调速方式，即脉宽调速方式。其基本工作原理是有规律地控制电源的接通和断开，通过调节接通时间占总时间的比值（占空比）来调节绕组电压，进而调节电机速度。

无刷直流电机是由六路控制信号进行控制的，那么PWM调速就需要六路PWM波形，如图2.3所示。STM32 MCU的高级控制定时器可以产生6路带死区（时间可调）的互补PWM波形，并且带有霍尔传感器接口，这为我们进行无刷电机控制提供了极大方便。

下面来介绍一下无刷电机的具体调速过程，首先根据程序计算出需要的电机速度（与目标流量和实际流量之间的差值成正比），并转换为PWM波形的占空比，然后对STM32 MCU的高级控制定时器进行编程，设置其6路PWM输出波形的频率、占空比等参数，而后启动电机。在运行过程中，霍尔传感器将换相信号反馈给MCU，MCU控制电机换相，同时计算出两次换相之间的时间，进而计算出现在的实际速度，再与目标速度进行比较，然后修改PWM参数，修正电机速度。这样做就可以使电机在负载转矩波动的情况下速度基本保持不变，这样电机的运行就变得比较平稳，这也是我们选择无刷电机作为执行部件的重要原因。 2.2.3 压力传感器的选择

增压流量配比控制系统中流量采用差压(基于文丘里流量计原理

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