基于步进电机的稀释水阀控制系统的设计

2021-01-21赵功伟王金妮

科学技术创新 2021年2期

白涛郑璐赵功伟王金妮

（1、延安大学数学与计算机科学学院，陕西延安716000 2、杭州海康消防科技有限公司，浙江杭州310000）

1 概述

稀释水力流浆箱的出现，以一种全新的概念，创造性的提出了浓度调节纸机横幅定量偏差的方法，使得国内外相关研究学者开始广泛关注稀释水阀。从20 世纪90 年代初以来，造纸设备商先后研制开发了各具特色的、能通过在线浓度调节从而控制横向定量的新概念流浆箱，目前国外有些稀释水阀已成为系列产品投入生产。与此同时国内造纸装备研究院所及企业等对流浆箱同样做了大量的研究，在纯机械问题方面，相对比较简单，同时也取得了很多实用化的科技成果。在实时控制的稀释系统中，稀释水阀可部分取代比例阀或伺服阀工作，它的关键执行器是稀释水阀，其一般平行安装在流浆箱的横向，通过控制总线接收横幅定量控制系统发来的控制信号，稀释水力流浆箱的出现极大改善了纸机纸张品质，控制总线接收横幅定量控制系统发来的控制信号，调节稀释水阀上游水阀阀门开度来调节稀释水加入量，进而控制稀白浆浓度来调节横幅定量，消除了传统调节方法的灵敏度及分辨率较低和精度差等缺点，纸张质量得到了很大的保障。但目前稀释水阀控制系统监测难依然存在以下几方面因素：一方面由于研制难度相对较大，已经成为阻碍我国技术；另一方面国外公司长期垄断稀释水阀，导致其价格比较高而且售后服务费很贵。因此提高稀释水阀的控制精度，实现高性价比的稀释水阀控制器具有重大意义。

2 稀释水阀及其控制系统

图1 稀释水阀控制系统组成

图2 RS-485 收发器

稀释水阀就是步进电机带动的直行程阀门，控制和改善横向定量的变化。稀释水阀控制器体积小，集成度高，其控制系统是以STM32F103 单片机控制为核心，然后利用步进电机驱动芯片驱动步进电机转动，通过控制单片机发出的脉冲来控制步进电机的升速、降速和改变输入电平的高低来改变步进电机的正反转，然后通过输出信号控制稀释水阀阀门的开度，从而实现稀释水量的调节；并利用反馈元件来测量脉冲个数，这样通过闭环控制后达到高精度控制，进而实现横向控制的目的。

3 硬件系统设计

硬件通信电路由RS-485 收发器与光耦隔离器件组成。在单片机系统接收和发送数据前，应先将SN75176 的接收门或发送门打开，同时SN75176 芯片兼有TTL 电平到RS-485 电平、RS-485 电平到TTL 电平的转换功能。由于一般工业现场环境较差,干扰信号多,为了避免通信总线对系统整体的影响，因此接口电路的设计需要用到光耦隔离。本次设计中选择了一款用于单通道的高速光耦合器6N137。其硬件电路如图2 所示。

图3 步进电机控制电路图

图4 主程序流程图

THB6128 高细分两相混合式步进电机专用驱动芯片，其与单片机相连接，通过单片机输出控制信号，即可设计出高性能的驱动电路。本次设计中将单片机的P1 口作为信号输出口。P1.5管脚与CLK 管脚相连，通过控制输出脉冲的频率，即可控制电机的转速；P1.6 管脚与CW 端相连，作为方向信号输出端，控制步进电机的转动方向；P1.7 管脚与EN 端相连，作为芯片使能信号输出端，用来控制THB6128 输出有效。其驱动电路如图3，THB6128 的 OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 分别与步进电机的A、B 相绕组相连来控制电机按照规定要求运动。

4 软件设计

上位机通过RS-485 发送指令给单片机，单片机接收到指令后对指令进行校验，判断是否完整，然后进行解析处理，由单片机发送相应的信号给步进电机驱动器 THB6128，然后由THB6128 驱动步进电机完成指令；位置检测装置对步进电机的瞬间位置进行采集、处理后送给单片机，然后由单片机将位置信号进行分析并传回给上位机；为了防止系统在运行过程中出错，本课题利用X5045 芯片中看门狗模块来检测单片机的程序运行状态。软件设计主要采用模块化结构设计，即把整个系统软件划分成多个功能独立，大小适当的模块。